IT202100020075A1 - Sistema e procedimento per la diagnosi di flessioni anomale in rotaie ferroviarie, in particolare in corrispondenza di giunzioni fra rotaie ferroviarie - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell?invenzione industriale dal titolo:

?Sistema e procedimento per la diagnosi di flessioni anomale in rotaie ferroviarie, in particolare in corrispondenza di giunzioni fra rotaie ferroviarie?

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo dell?invenzione

La presente invenzione si riferisce alla diagnostica di infrastrutture ferroviarie. Pi? in dettaglio, l?invenzione ? stata sviluppata con riferimento all?attivit? diagnostica sulle rotaie ferroviarie.

Tecnica nota e problema tecnico generale

I tracciati ferroviari presentano innumerevoli giunzioni fra rotaie adiacenti che assicurano la continuit? geometrica e strutturale del tracciato ferroviario. I giunti fra rotaie sono tradizionalmente un punto debole del binario, siano essi realizzati per saldatura o mediante piastre di giunzione imbullonate al gambo della rotaia.

Il danneggiamento progressivo e la rottura dei giunti hanno tipicamente luogo in conseguenza della flessione delle rotaie causata dal peso scaricato dalle ruote dei veicoli ferroviari. Se la rotaia in quel punto non ? ben sostenuta dal ballast, il carico verticale genera una flessione locale e quindi una fatica che alla lunga determiner? la rottura delle piastre di giunzione o della saldatura (specialmente in caso di difetti di realizzazione dei componenti). Lo stesso fenomeno pu? avvenire lungo la rotaia continua (dunque al di fuori delle giunzioni) se si verifica una mancanza locale di sostegno, ed il rischio di rottura ? ovviamente maggiore ove per altre cause si fossero prodotte altre cricche.

Senza nulla togliere alla utilit? dei veicoli diagnostici dedicati, ? ovvio che l?attivit? diagnostica eseguita con tali veicoli ha il grosso svantaggio di essere eseguita in maniera non continuativa e in generale con frequenza insufficiente a diagnosticare fenomeni di degrado molto rapido: il transito di un veicolo ferroviario dedicato alla diagnostica occupa uno "slot" del tratto di linea coinvolto dalla verifica, con ripercussioni sulla circolazione ferroviaria generale, e in generale pu? presentare caratteristiche (ad es. peso per asse) non comparabili con quelle dei veicoli ferroviari che normalmente percorrono la linea. In quest?ultima eventualit?, l?attivit? diagnostica pu? risultare condizionata proprio dal veicolo diagnostico:

in caso di peso per asse sensibilmente inferiore rispetto a quello dei veicoli ferroviari ordinari, i fenomeni di flessione delle rotaie al passaggio del veicolo ferroviario possono essere pericolosamente sottostimati.

Scopo dell?invenzione

Lo scopo dell?invenzione ? risolvere i problemi tecnici precedentemente menzionati. In particolare, ? scopo dell?invenzione quello di diagnosticare con anticipo e in modo continuativo l'esistenza condizioni di degrado del binario in corrispondenza dei giunti o in qualsiasi altro luogo si possa verificare sollecitazione locale a fatica (per flessione nel piano verticale), in modo da intervenire prima che insorgano situazioni pericolose.

Sintesi dell?invenzione

Lo scopo dell?invenzione ? raggiunto da un sistema e da un procedimento aventi le caratteristiche formanti oggetto delle rivendicazioni che seguono, le quali formano parte integrante dell?insegnamento tecnico qui somministrato in relazione all?invenzione.

Breve descrizione delle figure

L?invenzione sar? ora descritta con riferimento alle figure annesse, provviste a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la figura 1 illustra schematicamente un sistema diagnostico in base a varie forme di esecuzione dell?invenzione, e

- le figure 2, 3A, 3B illustrano aspetti di un procedimento diagnostico in base all?invenzione.

Il sistema di riferimento cartesiano che compare nelle figure identifica le direzioni longitudinale- asse X, trasversale ? asse Y, e verticale ? asse Z.

Descrizione particolareggiata

Il numero di riferimento 1 in figura 1 indica nel complesso un sistema per la diagnosi di flessioni anomale di rotaie ferroviarie. La figura 1 illustra schematicamente il sistema 1 in posizione su di una coppia di rotaie R1 e R2 collegate in corrispondenza di una giunzione J, qui rappresentata del tipo a piastre imbullonate. Le rotaie R1, R2 con parte di un binario ferroviario posato su traverse C e sostenuto da ballast ferroviario BL.

Si osservi che anche se le figure rappresentano un giunto tra rotaie realizzato mediante piastre imbullonate W, lo stesso procedimento vale per giunti saldati e anche per rotaia continua, ove si verifichi una discontinuit? nel sostegno fornito dal ballast BL alle traverse C, e quindi alle rotaie. Dunque il giunto J ? da intendersi come rappresentativo di una possibile area di ispezione della rotaia.

La descrizione che segue verr? sviluppata, per brevit?, con riferimento al solo caso di diagnostica di flessione delle giunzioni J, ma resta inteso che essa si applica anche a tratti di rotaia continua priva di giunti. Il sistema 1 ? in generale configurato per l?installazione su un veicolo ferroviario, quale che sia il tipo: carri, carrozze, locomotive, purch? dotati di un asse sufficientemente caricato. Il sistema diagnostico 1 comprende un telaio 2, sostanzialmente rigido, che funge da riferimento per tutte le misure operate dal sistema 1. Il telaio 2 pu? essere un telaio di carrello del veicolo ferroviario sul quale il sistema 1 viene installato, oppure pu? essere un telaio ausiliario installabile su un telaio carrello o al di sotto della cassa del veicolo ferroviario stesso. Il telaio 2 pu? anche corrispondere al telaio stesso del veicolo ferroviario, specialmente in caso di veicoli a due assi.

In forme di esecuzione preferite, il telaio 2 si estende da un lato all?altro del veicolo ferroviario, dunque copre trasversalmente l?intero scartamento fra le rotaie. In altre forme di esecuzione il telaio 2 pu? estendersi trasversalmente lungo parte dello scartamento, e ha una configurazione gemellata (due telai 2, uno associato a ciascuna ruota della sala montata). Come risulter? pi? evidente nel seguito, il vantaggio di avere un telaio 2 estendentesi da un lato all?altro dello scartamento ? di utilizzare una sola piattaforma inerziale in corrispondenza della mezzeria del telaio 2, anzich? due piattaforme inerziali al di sopra di ciascuna delle due rotaie R1, R2.

In varie forme di esecuzione, il sistema 1 comprende una dotazione di sensori variabile in funzione delle diverse forme di esecuzione del procedimento diagnostico in base all?invenzione.

In una forma di esecuzione a piena dotazione, il sistema 1 comprende:

- un primo sensore di distanza 4, preferibilmente del tipo senza contatto (l?utilizzo di sensori a contatto ? comunque possibile: ad esempio un trasduttore LVDT o altro sensore di traslazione facente le stesse funzioni), configurato per il rilevamento di una distanza a fra la sommit? (il filo) della rotaia R1 rispetto al telaio 2, in particolare rispetto alla posizione che il sensore 4 occupa sul telaio 2. La distanza a ? misurata lungo una direzione verticale Z; ai fini del procedimento diagnostico in base all?invenzione, ? possibile basarsi tanto sul valore assoluto della distanza, quanto ? preferibilmente sulla variazione della distanza a rispetto a un valore rilevabile quando il veicolo ferroviario ? fermo su di un tratto di binario continuo ed in ottimo stato, ossia che flette sotto il carico del veicolo in misura corrispondente a quanto previsto a progetto.

- un secondo sensore di distanza 6, preferibilmente del tipo senza contatto (l?utilizzo di sensori a contatto ? comunque possibile), configurato per il rilevamento di una distanza b fra la sommit? (il filo) della rotaia R2 rispetto al telaio 2, in particolare rispetto alla posizione che il sensore 6 occupa sul telaio 2. La distanza b ? misurata lungo una direzione verticale Z; ai fini del procedimento diagnostico in base all?invenzione, ? possibile basarsi tanto sul valore assoluto della distanza, quanto ? preferibilmente sulla variazione della distanza b rispetto a un valore rilevabile quando il veicolo ferroviario ? fermo su di un tratto di binario continuo ed in ottimo stato, ossia che flette sotto il carico del veicolo in misura corrispondente a quanto previsto a progetto.

Si osservi inoltre che il sensore di distanza 6 ? disposto da una parte opposta del giunto J rispetto al sensore 4 quando la ruota W che carica la rotaia si trova al di sopra del giunto J o comunque del punto flessionalmente debole della rotaia: in altre parole, i sensori 4 e 6 (che ? a differenza della ruota W ? non sono ovviamente in grado di esercitare forze) sono posizionati sul telaio 2 in modo da trovarsi a cavallo del giunto J o del punto debole, quando la ruota lo carica e lo fa flettere.

- un terzo sensore di distanza 8, preferibilmente del tipo senza contatto (l?utilizzo di sensori a contatto ? comunque possibile: ad esempio un trasduttore LVDT o altro sensore di traslazione facente le stesse funzioni), configurato per il rilevamento di una distanza f fra il telaio 2 e una boccola 10 in cui ? impegnata una ruota W del veicolo ferroviario sul quale il sistema 1 ? installato. Siccome la boccola 10 e la ruota W mantengono ovviamente la loro posizione relativa in tutte le condizioni (diversamente avrebbe luogo una rottura della sala montata), il rilevamento della distanza f rispetto alla boccola corrisponde, a meno di un termine fisso corrispondente all?ingombro della boccola rispetto al centro della ruota W, al rilevamento della posizione del centro della ruota W rispetto al telaio 2. Ci? che rileva, come apparir? dalla descrizione che segue, ? la variazione della posizione relativa fra ruota W e telaio 2 che intercorre fra le seguenti condizioni: i) veicolo fermo su un tratto di binario continuo ed in ottimo stato (ossia che esperisce fenomeni di flessione all?interno delle specifiche di progetto - tale posizione ? rappresentata mediante un profilo ideale R_ID della sequenza di rotaie R1, R2), e ii) veicolo con ruota W che carica il giunto J o la rotaia R1, R2 non supportata da ballast.

Opzionalmente ? possibile equipaggiare il sistema 1 con una piattaforma inerziale 12 installata sul telaio 2, se il telaio 2 ? singolo, o in generale una piattaforma inerziale 12 per ciascun elemento di telaio che compone il telaio 2. La piattaforma inerziale 8 fornisce la traiettoria del telaio 2 sul quale essa ? installata e consente di definire una linea di riferimento spaziale 2R che corrisponde a una traiettoria ideale di riferimento del telaio 2 nello spazio. Si noti che la piattaforma inerziale 8 pu? essere installata quasi ovunque sul telaio 2: la posizione rappresentata ? da intendersi puramente esemplificativa, essendo noti algoritmi per gestire le diverse posizioni relative dei sensori e della piattaforma inerziale.

Sempre a titolo opzionale ? possibile equipaggiare il sistema 1 con un primo accelerometro verticale (dunque atto a rilevare le accelerazioni lungo la direzione verticale Z) 14 e un secondo accelerometro verticale (dunque atto a rilevare le accelerazioni lungo la direzione verticale Z) 16 installati nella posizione, rispettivamente del sensore 4 e del sensore 6. Gli accelerometri 14 e 16 possono essere utilizzati, in talune forme di esecuzione, come sostitutivi della piattaforma inerziale 12, ad un costo un poco inferiore (ma ovviamente senza le prestazioni addizionali che la piattaforma inerziale 8 pu? fornire).

Ulteriori componenti del sistema 1 comprendono:

- un gruppo di localizzazione 18, preferibilmente includente un odometro con risoluzione millimetrica o migliore. Il gruppo di localizzazione 18 consente di identificare tutte le misure effettuate dal sistema 1, ossia di associare la misura all?istante (temporale e/o spaziale) di acquisizione rilevato dall?odometro. A tale riguardo, sono di per s? noti e diffusi vari procedimenti per associare il valore rilevato dall?odometro a coordinate geografiche (ad es. GPS) ed alle paline chilometriche presenti in rete; l'odometro (e in generale il gruppo di localizzazione 18) ? configurato inoltre per l?utilizzo come "trigger" per l'acquisizione equispaziata dei dati dai sensori 4, 6, 8 e per l?identificazione spaziale dei dati dalla piattaforma inerziale 8 e dagli accelerometri 14, 16, anche se questi ultimi sono acquisiti a frequenza temporale, anzich? spaziale, costante.

Ancora a titolo opzionale ? possibile prevedere un sistema automatico 20 di identificazione dei giunti J. Il sistema realizzabile mediante una qualsiasi tecnica nota, ad esempio mediante il riconoscimento automatico di immagini

Si osservi ad ogni modo che, pur essendo importante che il giunto venga localizzato, in forme di esecuzione preferite del procedimento diagnostico in base all?invenzione prevede di mantenere il sistema 1 sempre attivo, come se i giunti J fossero ovunque. L'esistenza del giunto o del punto debole della rotaia viene riconosciuta dal verificarsi delle condizioni descritte nel seguito. Queste condizioni potrebbero anche verificarsi in occasione di una rottura della rotaia o anche di un punto flessionalmente debole che generer? una rottura a fatica, che ovviamente pu? avvenire ovunque: ? quindi preferibile che ? indipendentemente dalla realizzazione e/o dalla presenza del sistema automatico 20 - il sistema 1 sia operativo sempre, e non solo ove ? nota l?esistenza di un giunto.

In generale si pu? comunque osservare che il sistema automatico 20 per l?identificazione del giunto J ? utile al fine di

- distinguere giunti difettosi, rotaie rotte e punti deboli,

- monitorare anche i giunti in ottimo stato e generare il relativo rapporto, se utile; ? chiaro che un giunto perfetto equivale ad una rotaia continua, e quindi non ? identificabile mediante la firma dei suoi difetti.

A puro titolo di esempio non limitativo, la successiva tabella identifica alcune forme di esecuzione preferite del sistema 1 che differiscono fra loro in base alla configurazione. La prima riga della tabella che segue riporta il numero di riferimento corrispondente ai sensori o ai componenti precedentemente descritti, e le righe successive identificano rispettive forme di esecuzione e ? ove ? provvisto il segno ?X? ? la presenza del sensore o del componente.

I sensori 4, 6, 8, hanno incertezza di misura submillimetrica (preferibilmente 0.1 mm). L'incertezza di misura richiesta dipende anche dalla qualit? delle rotaie esaminate e dal margine di sicurezza desiderato.

La qualit? della piattaforma inerziale 12 e degli accelerometri 14, 16, soprattutto in termini di derive e di rapporto segnale/rumore e di stabilit? in temperatura, dipende dalla sensibilit? desiderata per l'esecuzione della diagnostica preventiva e dalla velocit? minima alla quale si vuole operare. In generale, sono preferiti sensori adatti ad integrazioni di almeno 10 secondi senza produrre errore maggiore di una frazione di mm.

I segnali provenienti dai sensori 4, 6, 8 sono preferibilmente campionati almeno ogni 125 mm, anche se ? possibile operare con campionamento un poco inferiore (ossia a intervalli pi? lunghi). La misura ? comunque pi? affidabile se il campionamento avviene ogni 25 mm o meno, al fine di cogliere con precisione il momento in cui il carico ? centrato sul punto pi? debole della rotaia e quindi si genera la massima differenza tra i dati acquisiti dai sensori 4, 6 (senza carico) e il sensore 8, che percepisce gli effetti del carico.

I segnali da piattaforma inerziale o accelerometri sono campionati nel tempo, per ragioni note, e vengono poi ricampionati nello spazio all?interno della catena di calcolo. Un campionamento pi? fitto serve anche a consentire il filtraggio del rumore dal segnale, anche se sono comunque preferibili sensori a basso livello di rumore.

Verr? ora descritto il funzionamento del sistema 1 in base alla prima forma di esecuzione dell?invenzione di cui alla tabella precedente. La seconda e la terza forma sono configurate come versioni sostanzialmente pi? economiche della prima forma di esecuzione, e in quanto tali non consentono di eseguire tutte le determinazioni e le deduzioni alla portata della prima forma di esecuzione.

Con riferimento alla figura 3A, i sensori di distanza 4, 6, 8 vengono azzerati ? ossia ne viene creato il riferimento di zero, che pu? coincidere con un valore di distanza di riferimento - una sola volta per ogni ciclo di esercizio del sistema 1, ripetendo l?azzeramento in sede di manutenzione). L?azzeramento avviene su un tratto di binario rettilineo in buone condizioni e di buona qualit? (in termini di realizzazione e geometria).

L?azzeramento consiste nel determinare, per ciascun sensore, un termine aggiuntivo ?4, ?6, ?8 (offset - in somma o in sottrazione) che rende identiche fra loro le letture a, b, f dei sensori 4, 6, 8, che sono sempre riferite rispetto al filo superiore delle rotaie R1 e R2 per ciascuno dei sensori 4, 6, 8. Si intende per ?filo superiore? il punto pi? alto della sommit? della rotaia: nel seguito, per brevit?, si utilizzer? sovente la dicitura ?filo?.

Una possibilit? consiste nel determinare gli offset ?4, ?6, ?8 in modo tale da avere tutte le letture a, b, f pari a zero, ma un?altra possibilit? consiste ? con riferimento alla figura 3A ? nel determinare gli offset ?4, ?6, ?8 rispetto alla linea di riferimento 2R in modo tale per cui le somme algebriche fra essi e, rispettivamente, le letture a, b, f, siano identiche. Si ricavano quindi altrettanti valori di offset che verranno sempre sommati algebricamente al valore misurato da ciascun sensore per fornire un?uscita corretta; con queste premesse, nel prosieguo del testo i dati di distanza e le letture dei sensori 4, 6, 8 cui sar? fatto riferimento saranno sempre le letture corrette con l?offset cos? determinato. L?utilizzo dei valori di offset ?4, ?6, ?8 consente inoltre di utilizzare le letture a, b, f, come riferimento per l?attivit? diagnostica sulle rotaie cui l?invenzione mira: la calibrazione degli offset consente di definire ? di fatto ? la condizione di assenza di anomalie (una sorta di riferimento di zero per la lettura, indipendentemente dal fatto che la calibrazione degli offset sia fatta portando a zero il segnale risultante o meno): se la rotaia o il giunto J non esperisce significativi fenomeni di flessione sotto carico ad opera della ruota W, le letture del sistema 1 saranno sempre tali da non generare significativi scostamenti rispetto ai valori tali da individuare punti P1 (distanza a), P2 (distanza b), P3 (distanza f) allineati. Ciascun punto Pi (in questo caso i = 1, 2, 3) corrisponde a un punto sul filo (sulla sommit?) della rotaia R1, R2 in corrispondenza del quale ? rilevata la rispettiva distanza a, b, f. Al contrario, se si genera un fenomeno di flessione significativo, si osserva uno scostamento rispetto alla condizione di riferimento che pu? essere quindi diagnosticato rapidamente e facilmente dal sistema 1: si veda, a riguardo, la descrizione che segue per ulteriori dettagli.

Tutti i sensori inerziali (piattaforma 12 e accelerometri 14, 16) vengono calibrati con le tecniche note. Le letture a, b, f forniscono le distanze del telaio rispetto alla rotaia/alle rotaie R1, R2 : la piattaforma inerziale 12 (cos? come gli accelerometri 14, 16 integrandone il segnale nel tempo) ? in grado di rilevare la traiettoria del telaio 2, ma non ne conosce la posizione rispetto alle rotaie: riferendo ? mediante gli offset ?4, ?6, ?8 ? le letture a, b, f, alla traiettoria del telaio 2 che ? stabilita mediante la piattaforma inerziale 12 diventa immediatamente possibile rilevare la forma nel piano verticale delle rotaie o rotaia R1, R2.

L?elemento comune a tutte le forme di esecuzione del sistema 1 e del procedimento di diagnosi in base all?invenzione comprende la rilevazione continua equispaziata delle distanze verticali a, b, f rispetto al filo superiore delle rotaie R1 e R2 per ciascuno dei sensori 4, 6, 8.

Con riferimento alle figure 1, 2, e 3B mentre il veicolo ferroviario avanza con velocit? V lungo le rotaie R1, R2 attraversando il giunto J, si ottiene una serie di distanze hi (ossia, come detto, distanze a, b, f corrette secondo l?offset calcolato) per ciascuno dei sensori 4, 6, 8. Contemporaneamente vengono acquisiti i dati della piattaforma inerziale 12, che vengono elaborati in tempo reale secondo algoritmi noti in modo da ottenere le posizioni e l'assetto del telaio 2 nello spazio tridimensionale nei medesimi punti nei quali sono misurate le grandezze a, b, f e le relative distanze hi. in figura 3B le distanze a, b, f, sono associate a un apice (dunque a?, b?, f?) per evidenziare il fatto che esse sono rilevate su una rotaia cedevole flessionalmente. Gli algoritmi di correlazione dei dati della piattaforma inerziale con le acquisizioni dei sensori 4, 6, 8 sono di per s? noti e non verranno descritti nel dettaglio.

Dall?elaborazione dei dati sopra citati si ottengono quattro funzioni continue (nella variabile X spazio percorso lungo il binario che comprende le rotaie R1, R2):

- Ga = f(X) Geometria verticale (piano XZ) della rotaia, calcolata dalla coppia piattaforma inerziale 12 ? sensore 4 (distanza a, corretta; il ruolo della piattaforma inerziale ? quello sopra descritto, ossia creare un riferimento longitudinale, rappresentato dalla linea 2R) - Gb = f(X) Geometria verticale (piano XZ) della rotaia, calcolata dalla coppia piattaforma inerziale 12 ? sensore 6 (distanza b, corretta; il ruolo della piattaforma inerziale ? quello sopra descritto, ossia creare un riferimento longitudinale, rappresentato dalla linea 2R) - Gf = f(X) Geometria verticale (piano XZ) della rotaia, calcolata dalla coppia piattaforma inerziale 12 ? sensore 8 (distanza f, corretta; il ruolo della piattaforma inerziale ? quello sopra descritto, ossia creare un riferimento longitudinale, rappresentato dalla linea 2R) - F = f(X) Freccia calcolata dalla terna di distanze corrette a, b, f. In sostanza viene tracciata una retta passante per i punti Pi sul filo della rotaia corrispondenti alle acquisizioni delle distanze a e b (P1 e P2 in figura; i = 1, 2). Poi si verifica quanto il punto Pi sul filo della rotaia definito dalla distanza f (P3 in figura; i = 3) si discosti da questa retta. Questo scostamento sar? d'ora in poi detto "freccia" F.

La geometria (verticale) della rotaia che risulta dalle funzioni sopra menzionate ? preferibilmente calcolata su lunghezze di rotaia (o lunghezze d?onda) molto pi? brevi rispetto alle misure tradizionali, in particolare fino a 50 cm o anche meno.

Questo significa che ci si discosta dalle misure pi? comuni sia per il campionamento spaziale molto pi? fitto, sia per i filtri che estraggono le misure su onda corta. Si noti inoltre che, utilizzando algoritmi noti e grazie al fatto che il telaio 2 ? rigido, mediante una sola piattaforma inerziale 12 pu? essere calcolata la geometria del binario in tre punti diversi del veicolo portante (chiaramente se il telaio 2 comprende un singolo elemento).

A questo punto si individuano i punti Pi ove il valore della funzione F supera un valore di soglia, in generale dipendente dal tipo di binario e di traffico (? comunque nell'ordine dei mm al massimo (indicativamente da 1 a 3mm).

Nell'intorno del giunto J (lo stesso vale per giunti saldati o per tratti continui di rotaia) le funzioni Ga, Gb, Gf sono sostanzialmente identiche in condizioni normali, ossia in condizioni di flessione del giunto J o della rotaia conformi a quelle di progetto.

Si definiscono pertanto almeno una prima soglia (di attenzione) ed una seconda soglia (di allarme) per il valore massimo del modulo delle differenze (Gf-Ga), (Gf-Gb), (Gb-Ga), calcolato su una lunghezza di circa due metri o pi? a cavallo del giunto J (o in generale del tratto di rotaia soggetto a ispezione).

Le differenze (Gf-Ga), (Gf-Gb) sono rappresentative dell?entit? del cedimento della rotaia sotto il carico applicato dalla ruota W. Un cedimento eccessivo ? ragione di allarme, a maggior ragione per il fatto che i punti del telaio 2 in corrispondenza dei quali sono installati i sensori 4 e 6 per la misura delle distanze a e b sono vicini al punto in cui ? sito il sensore 8 per la misura della distanza f.

La differenza (Gb-Ga) dovrebbe essere in generale prossima al valore nullo a meno degli errori di misura e di una piccolissima isteresi dipendente anche dalla velocit? del veicolo ferroviario. Se la differenza (Gb-Ga) supera un rispettivo valore di soglia, ci? ? evidenza di un comportamento isteretico (anelastico) che oltre certi limiti ? esso stesso ragione di allarme.

Viene quindi eseguito il calcolo delle distanze a, b, f nell'istante in cui ? rilevato il massimo del valore della funzione F, ossia quando la flessione in corrispondenza del giunto J o in corrispondenza del punto di ispezione della rotaia ? massima).

Con riferimento alla figura 3, grazie al sistema 1 e al procedimento diagnostico in base all?invenzione ? quella di misurare le grandezze m, ?1, ?2 visibili in figura 3B, ossia:

- m: freccia massima sotto carico del giunto J (ossia il massimo della funzione F)

- ?1: angolo di deviazione della rotaia R1 (o del tratto di rotaia) rispetto al profilo di riferimento R_ID, che in questo caso ? la congiungente tra i punti sul filo rotaia individuati da a e b. Si tratta quindi di uno degli angoli acuti alla base del triangolo definito dai punti P1 (a), P2 (b), P3 (f).

- ?2: angolo di deviazione della rotaia R2 rispetto al profilo di riferimento R_ID, che in questo caso ? la congiungente tra i punti P1, P2 sul filo rotaia individuati in corrispondenza delle distanze a e b. Si tratta quindi di un altro angolo acuto alla base del triangolo definito dai punti P1 (a), P2 (b), P3 (f).

Le grandezze vengono calcolate secondo formule trigonometriche note, non riportate per brevit?.

Viene quindi determinata l?esistenza di una condizione potenzialmente critica nel giunto J (o in generale nel punto di ispezione) se ? verificata una o pi? delle seguenti condizioni:

i) m > m0

ii) ?1 > ?1_0

iii) ?2 > ?2_0

iv) ?1 ?2 > ?12_0

dove m0, ?1_0, ?2_0, ?12_0 sono, rispettivamente, valori di soglia per le grandezze m, ?1, ?2, ?1 ?2.

In sostanza, grazie al sistema 1 e al procedimento diagnostico in base all?invenzione ? da considerarsi difetto la flessione eccessiva delle rotaie sotto il carico, ma ancora di pi? il fatto che questa flessione si verifichi su una lunghezza di ispezione corta, quindi con curvatura e di conseguenza fatica del materiale, importanti.

Per quel che concerne le forme di esecuzione preferite seconda e terza illustrate nella precedente tabella, si consideri quanto segue.

Seconda forma di esecuzione: freccia puro:

Le funzioni Ga, Gb, Gf non possono essere calcolate a causa dell?assenza di sensori inerziali (piattaforma inerziale 12 e/o accelerometri 14, 16). ? comunque possibile, attraverso i sensori di distanza 4, 6, 8 e la calibrazione degli stessi, determinare i valori m, ?1 e ?2 - che costituiscono comunque uno strumento diagnostico importante.

Terza forma di esecuzione: inerziale semplificato In questa forma di esecuzione del sistema 1 non ? possibile operare in tre dimensioni nello spazio data l?assenza di piattaforma inerziale, per cui il sistema 1 ? in grado di operare solo sulla base di coordinate nel piano XZ mediante gli accelerometri verticali 14, 16. Mediante una doppia integrazione nel tempo del segnale degli accelerometri 14, 16 si calcola il movimento nel piano XZ del telaio 2 e si calcolano, con errore un po' superiore rispetto al caso della prima forma di esecuzione, tutte le funzioni Ga, Gb, Gf, F calcolabili con il sistema della prima forma di esecuzione. Il calcolo delle grandezze m, ?1 e ?2.

E' evidente in questo contesto quanto sia importante che i sensori 4 e 6 siano alla corretta distanza dalla ruota W e che tutti i sensori siano molto accurati: siccome gli angoli sono misurati mediante un segmento "corto", un piccolo errore su a, f, b causa un errore di rotazione del segmento e quindi della misura dell'angolo.

In sintesi, in tutte le forme di esecuzione in base all?invenzione ? definito un procedimento per la diagnosi della flessione di giunzioni J fra rotaie R1, R2 o punti deboli di rotaia continua mediante il sistema 1 installato a bordo di un veicolo ferroviario, in cui il procedimento comprende:

- far marciare il veicolo ferroviario (V nelle figure identifica la velocit? longitudinale del veicolo) lungo un binario ? che comprende una coppia di rotaie, continue o interrotte da giunti J e ciascuna ispezionabile mediante il sistema 1 - in modo da attraversare un?area di ispezione (J o un?area di rotaia continua ove ha luogo un cedimento del ballast),

- rilevare, durante la marcia del veicolo ferroviario, la prima distanza a in corrispondenza di un primo punto P1, la seconda distanza b in corrispondenza di un secondo punto P2, e la terza distanza f in corrispondenza di un terzo punto P3, il primo, il secondo e il terzo punto P1, P2, P3 essendo situati sulla sommit? della rotaia,

- determinare una figura avente vertici in corrispondenza di detti primo, secondo e terzo punto P1, P2, P3,

- determinare i valori di un primo angolo ?1 definito fra un lato di detta figura congiungente il primo punto e il secondo punto (P1-P2) e un lato della figura congiungente il primo punto e il terzo punto (P1-P3), di un secondo angolo ?2 definito fra un lato di detta figura congiungente il primo punto e il secondo punto (P1-P2) e un lato della figura congiungente il secondo punto e il terzo punto (P2-P3),

- determinare un quarto valore di distanza m fra il terzo punto P3 e il lato della figura congiungente il primo punto e il secondo punto (P1-P2),

- confrontare i valori di detti primo angolo ?1, secondo angolo ?2 e quarto valore di distanza m con rispettivi valori di soglia m_0, ?1_0, ?2_0.

Delle tre misure di distanza verticale eseguite dai sensori 4, 6, 8 una (f) ? eseguita sotto il carico trasmesso dalla ruota ferroviaria W, mentre le altre sono eseguite ai due lati (a monte e a valle in direzione longitudinale X) ad una distanza compresa indicativamente fra 50 e 100 cm rispetto all?asse della ruota W, ossia rispetto al punto di presa della distanza f. Le misure ai lati sono eseguite senza carico verticale apprezzabile, quindi idealmente senza contatto, mediante una qualsiasi delle tecnologie disponibili.

Il tecnico del ramo apprezzer? come mediante il sistema in base all?invenzione ? possibile ovviare ai problemi della tecnica nota diagnosticando con anticipo e in modo continuativo l'esistenza di condizioni di degrado dei giunti J fra rotaie o di rotaie continue mal sostenute dal ballast BL, in modo da intervenire prima che insorgano situazioni pericolose. Non ? nemmeno necessario ricorrere a veicolo diagnostici, in quanto il sistema 1 ? installabile a bordo di veicoli ferroviari normalmente operanti per il servizio passeggeri o merci lungo le linee ferroviarie, ottenendo in tal modo l?ulteriore beneficio di eseguire le misure sotto condizioni di carico reali delle rotaie, non sempre riproducibili mediante un veicolo ferroviario dedicato. La stessa ruota W del veicolo ferroviario funge da elemento di misura, in quanto ? essa che impartisce direttamente la sollecitazione verticale alle rotaie R1, R2 in corrispondenza del giunto J o del punto debole della rotaia. Individuato il punto debole, di qualsiasi natura esso sia, si eseguono i calcoli e si traggono le deduzioni come sopra descritto. Il metodo proposto ha l'ulteriore vantaggio di poter anche essere installato su veicoli impresenziati, ossia su veicoli sui quali non si trovano persone preposte all?attivit? diagnostica. In generale l?unico requisito per il procedimento in base all?invenzione concerne il peso per asse del veicolo che porta il sistema 1, che deve essere vicino a quello dei veicoli in esercizio commerciale in modo da sollecitare le rotaie come esse sarebbero sollecitate durante il normale transito di tali veicoli di linea.

Naturalmente, i particolari di realizzazione e le forme di esecuzione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall?ambito dell?invenzione cos? come definita dalle rivendicazioni annesse.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Sistema (1) per la diagnosi di flessioni di rotaie ferroviarie (R1, R2, J), comprendente:

- un telaio (2) configurato per l?installazione su un veicolo ferroviario in corrispondenza di una ruota (W) del veicolo ferroviario,

- un primo sensore di distanza (4) e un secondo sensore di distanza (6) installato su detto telaio (2) e disposti in modo da risultare da parti opposte di una ruota (W) del veicolo ferroviario, ciascuno di detti primo sensore di distanza (4) e secondo sensore di distanza (6) essendo configurati per rilevare, rispettivamente, una prima distanza e una seconda distanza fra detto telaio (2) e una sommit? di una rotaia (R1, R2)

- un terzo sensore di distanza (8) installato su detto telaio (2) e configurato per rilevare una terza distanza di detto telaio (2) rispetto a una boccola (10) associata alla ruota (W) del veicolo ferroviario.

2. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1, comprendente almeno un ulteriore sensore (12, 14, 16) configurato per determinare, sulla base di dette prima distanza (a), seconda distanza (b) e terza distanza (f), una traiettoria spaziale di detto telaio (2) riferita a una sommit? di detta rotaia (R1, R2).

3. Sistema (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detto almeno un ulteriore sensore comprende almeno un sensore inerziale (12, 14, 16) installato su detto telaio (2).

4. Sistema (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detto almeno un sensore inerziale comprende un primo accelerometro (14) installato su detto telaio (2) e un secondo accelerometro (16), ciascuno di detti primo accelerometro (14) e secondo accelerometro (16) essendo accelerometri configurati per rilevare un?accelerazione verticale.

5. Sistema (1) secondo la rivendicazione 4, in cui detto primo accelerometro (14) ? installato su detto telaio (2) in corrispondenza di detto primo sensore di distanza (4), e in cui detto secondo accelerometro (16) ? installato su detto telaio (2) in corrispondenza di detto secondo sensore di distanza (6).

6. Sistema (1) secondo la rivendicazione 2 o la rivendicazione 3, in cui detto almeno un sensore inerziale comprende una piattaforma inerziale (8) installata su detto telaio (2).

7. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un gruppo di localizzazione (18) configurato per il riferimento spaziale della distanza rilevata da detto almeno un sensore di distanza (4, 6, 8), preferibilmente per il riferimento temporale e/o spaziale della distanza rilevata da detto almeno un sensore di distanza (4, 6, 8).

8. Procedimento per la diagnosi di flessioni di rotaie ferroviarie (R1, R2) mediante un sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti a bordo di un veicolo ferroviario, il procedimento comprendendo:

- far marciare il veicolo ferroviario lungo detto binario in modo da attraversare un?area di ispezione (J), - rilevare, durante la marcia del veicolo ferroviario, detta prima distanza (a) in corrispondenza di un primo punto (P1), detta seconda distanza (b) in corrispondenza di un secondo punto (P2), e detta terza distanza (f) in corrispondenza di un terzo punto (P3), detti primo, secondo e terzo punto (P1, P2, P3) essendo situati sulla sommit? di una rotaia,

- determinare una figura avente vertici in corrispondenza di detti primo, secondo e terzo punto (P1, P2, P3)

- determinare i valori di un primo angolo (?1) definito fra un lato di detta figura congiungente il primo punto e il secondo punto (P1-P2) e un lato della figura congiungente il primo punto e il terzo punto (P1-P3), di un secondo angolo (?2) definito fra un lato di detta figura congiungente il primo punto e il secondo punto (P1-P2) e un lato della figura congiungente il secondo punto e il terzo punto (P2-P3)

- determinare un quarto valore di distanza (m) fra detto terzo punto (P3) e il lato di detta figura congiungente il primo punto e il secondo punto (P1-P2),

- confrontare i valori di detti primo angolo (?1), secondo angolo (?1) e quarto valore di distanza (m) con rispettivi valori di soglia (m_0, ?1_0, ?2_0).

9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre correggere i valori di detta prima distanza (a, Ga), detta seconda distanza (b, Gb) e detta terza distanza (f, Gf) in base agli spostamenti del telaio (2) rispetto alla rotaia determinati mediante detto sensore inerziale (12, 14, 16), e determinare:

- una prima differenza fra un valore corretto della prima distanza e un valore corretto della seconda distanza (Ga-Gb),

- una seconda differenza fra un valore corretto della prima distanza e un valore corretto della terza distanza (Ga-Gf)

- una terza differenza fra un valore corretto della seconda distanza e un valore corretto della terza distanza (Gb-Gf).

10. Procedimento secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre confrontare dette prima differenza(Ga-Gb), seconda differenza (Ga-Gf) e terza differenza (Gb-Gf) con rispettivi valori di soglia.