ITGE20130055A1 - Apparato per la misura e la gestione della tensione meccanica della lunga rotaia saldata. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: "Apparato per la misura e la gestione della tensione meccanica della lunga rotaia saldata"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ realizzare un sistema per la diagnostica di situazioni di pericolo per la circolazione ferroviaria dovute a rotture di rotaia per contrazione , slineamenti per allungamento, cedimenti dell'infrastruttura tramite rilevazione, trasmissione ad una postazione remota ed elaborazione della tensione meccanica e della temperatura della rotaia.

Le ferrovie adottano da tempo la tecnica della lunga rotaia saldata (LRS) , lunghe tratte di rotaie saldate tra loro , che riduce la manutenzione e migliora il comfort di marcia. A causa di escursioni termiche , alle estremità della LRS possono verificarsi movimenti dovuti a dilatazione , o ritiro . L ' installazione della LRS viene perciò eseguita imponendo che la tensione meccanica di rotaia sia nulla alla " temperatura di regolazione" funzione della media aritmetica tra le temperature di rotaia massima e minima rilevate negli ultimi 3 anni e di fattori correttivi.

Il carico termico che sollecita la rotaia dipende dalla differenza tra la temperatura di regolazione e quella attuale. Un carico termico eccessivo positivo può provocare lo slineamento del rotaia , eccessivo negativo può portare alla rottura della rotaia. Il carico termico à ̈ l'unica sollecitazione alla quale à ̈ sottoposta la rotaia in condizioni ideali di manutenzione ed in assenza di treni in transito . Ad oggi quindi le verifiche si limitano alla misura della temperatura della rotaia e al controllo della geometria del binario.

Il controllo di temperatura verifica che il carico termico sulla rotaia non raggiunga valori di allarme, mentre la verifica della geometria del binario verifica che non si siano presentati spostamenti del binario .

Per tali sco pi si trovano in commercio: sistemi che misurano la temperatura di rotaia e trasmettono via cavo, la misura ad un posto centrale; sistemi in grado di rilevare gli spostamenti del binario rispetto a punti fissi di riferimento (richiedono operatori in loco).

I fenomeni di slineamento e rottura del binario non sono però prevedibili misurando unicamente la temperatura e, periodicamente , la geometria del binario: la misura della temperatura non evidenzia altri parametri , quali ad esempio il degrado della massicciata o la variazione di temperatura neutra di riferimento del binario (temperatura a cui la tensione meccanica à ̈ nulla).

La temperatura neutra reale della rotaia cambia infatti nel tempo, rendendo indeterminato il valore di riferimento per il calcolo del salto termico pericoloso.

Infine, situazioni di degrado della massicciata, o frane sottostanti il corpo stradale non possono essere rilevate dalla sola misura della temperatura della rotaia.

È quindi opportuno considerare la misura della tensione meccanica della rotaia per la quale esistono in commercio prodotti che possono essere classificati in base alla metodologie di misura.

I prodotti più semplici, ma più invasivi, richiedono il taglio della rotaia e la misura delle deformazioni della rotaia successive al taglio per cui non possono essere considerati ai fini di una la diagnostica continua della rotaia.

Una seconda categoria include dispositivi da installare momentaneamente sulla linea o trasportabili tramite carrello, che rilevano la tensione della rotaia e da questa calcolano in tempo reale la temperatura di regolazione attuale. Questi possono operare solo periodicamente e richiedono l’interruzione della circolazione per effettuare le misure.

L’ultima categoria contiene dispositivi installati permanentemente sulla rotaia che misurano la tensione meccanica ma il calcolo per l' identificazione del rischio à ̈ riferito alla temperatura neutra ipotizzata al momento dell’installazione. Tali prodotti non sono in grado di tenere conto di deviazioni di tipo puramente meccanico e i dati misurati devono essere scaricati manualmente da un operatore.

Scopo della presente invenzione à ̈ invece rendere disponibili in tempo reale in un posto remoto, senza operatori in campo, rilevazioni continuative di tensione meccanica e temperatura della rotaia; di effettuare un’elaborazione e postprocessamento diagnostico intelligente di tali dati associando lo stato tensionale all’evoluzione della temperatura rispetto alla temperatura neutra attuale in modo da generare automaticamente allarmi nelle situazioni di pericolo.

L’architettura del sistema à ̈ ideata in modo da non intralciare la circolazione ferroviaria e la manutenzione dell’infrastruttura.

La prima funzione del sistema à ̈ raccogliere e trasmettere i dati misurati ad un posto remoto di elaborazione.

La seconda funzione à ̈ elaborare i dati per identificare, ma anche prevedere situazioni di pericolo per la circolazione, quali slineamenti (allungamento per temperatura elevata), rottura delle rotaia (accorciamento per temperatura bassa), cedimento dell’infrastruttura (allungamenti senza aumento di temperatura).

La funzione principale à ̈ quindi segnalare le situazioni di pericolo ad un operatore ferroviario, evidenziando il tipo e il livello di pericolo in modo da garantire interventi tempestivi.

Lo scopo di questa invenzione à ̈ realizzato tramite sensori, di temperatura e di tensione meccanica, installati direttamente sulla rotaia. Per non ostacolare le operazioni di manutenzione della infrastruttura, la trasmissione dei dati à ̈ realizzata via wireless e l’alimentazione à ̈ fornita da batterie, installati anche essi sulla rotaia o sulla traversa, eliminando di fatto tutti i collegamenti via cavo lungo i binari.

I sensori rilevano lo stato tensionale della rotaia in senso longitudinale, verticale e flessionale. Il sistema riceve, acquisisce e verifica che le tensioni meccaniche in relazione all’intervallo atteso ed, eventualmente, genera gli allarmi.

Lungo la linea vengono installati accentratori dei dati per limitare la distanza di trasmissione wireless e raggruppare i dati di più sensori per una determinata area. I dati raccolti dagli accentratori vengono trasmessi al in posizione remota, tramite connessione GSM, via fibra ottica o altro canale trasmissivo disponibile.

La posizione remota acquisisce, archivia ed elabora i dati in tempo reale, e crea un registro storico per analizzarne l’andamento nel tempo.

La seguente descrizione riferita ai disegni allegati, fornisce ulteriori chiarimenti e va considerata a titolo esemplificativo e non limitativo:

• la fig. 1 illustra lo schema generale di funzionamento del sistema; i sensori sono installati lungo la rotaia ferroviaria organizzati in gruppi, ognuno dei quali trasmette via wireless i dati all’accentratore locale di riferimento. Ogni accentratore trasmette i dati al posto centrale tramite una connessione GSM o in linea.

• la fig. 2 illustra le tre differenti configurazioni per la misura della tensione meccanica longitudinale, verticale e flessionale.

• la fig. 3 illustra principio di funzionamento dei sensori e dell'elettronica installati lungo i binari. In particolare à ̈ mostrato come vengono effettuate le misure e gestite ai fini della trasmissione all ' accentratore

• la fig, 4 illustra in maniera schematica il riepilogo del funzionamento del sistema oggetto dell’invenzione

• la fig. 5 illustra il funzionamento dell’accentratore dei dati, in particolare i moduli di trasmissione dei dati verso la linea ferroviaria e verso il posto centrale

• la fig. 6 illustra il principio di funzionamento del posto centrale, in particolare come vengono gestiti i dati

• la fig. 7 illustra il principio di funzionamento del sistema nella particolare configurazione per la prevenzioni di condizioni di slineamento o rottura del binario

• la fig. 8 illustra il principio di funzionamento del sistema nella particolare configurazione per la prevenzioni di situazioni di degrado della massicciata, piattaforma stradale e frane

• la fig. 9 illustra la distribuzione dei componenti installati lungo la linea ferroviaria. I sensori installati sulla rotaia sono protetti da un involucro metallico che contiene al suo interno anche l’elettronica necessaria per la lettura dei dati, mentre sulla traversa à ̈ presente un’altra scatola contenente la restante elettronica, che si occupa della trasmissione dei dati, e la batteria per l’alimentazione del sistema.

Con riferimento a tali disegni allegati e con particolare riferimento alla fig. 1 degli stessi, con (1 ) à ̈ indicata la tratta di linea sulla quale sono installati ì sensori. A seconda della configurazione che si vuole scegliere possono essere installati solo su una rotaia o su entrambe, questa scelta permette di effettuare un confronto tra il comportamento delle due rotaie.

in prossimità di ogni sensore (2) à ̈ installata anche tutta l’elettronica necessaria per effettuare la misura e trasmettere il dato tramite la rete wireless (3) all' accentratore. L’accentratore (4) riceve i dati di un certo numero di sensori creando cosi dei gruppi di dati, tali dati vengono conservati dall’acquisitore sino a quando non sono trasmessi al posto centrale (6). La trasmissione tra gli accentratori e il posto centrale avviene tramite rete GSM-R (5), ma anche rete fissa.

I sensori (14) installati sulla rotaia ( 10), sono estensimetri e sensori termici e vengono saldati alla stessa.

L’ installazione dell’estensimetro in posizione orizzontale (8) in prossimità dell’asse neutro, rileva le deformazioni dovute al carico termico. Al variare della temperatura la rotaia tenderà ad allungarsi o contrarsi in funzione del legame tra tensione e temperatura. Il sensore montato in questa posizione monitora continuativamente la tensione meccanica e rileva slineamenti e rotture del binario.

L’installazione dell’estensimetro in posizione verticale (7), rispetto all’asse neutro rileva deformazioni dovute al transito dei treni.

L’installazione dell’estensimetro sulla suola (9), rileva le deformazioni a flessione della rotaia. In condizioni nominali dell ' infrastruttura tati deformazioni sono assenti , quindi una rilevazione indica degrado della massicciata o del corpo stradale.

In aggiunta agli estensimetri viene posizionato un sensore di temperatura, utilizzato per valutare l’andamento della tensione meccanica in funzione della stessa.

Gli estensimetri ( 1 1 ) (12) ed il sensore di temperatura ( 13), sono resistori il cui valore cambia in funzione della deformazione subita. Ogni sensore à ̈ collegato ( 18) ( 19) (20) ad un ponte di wheatstone ( 17) che trasforma la variazione di resistenza in variazione di tensione elettrica. Il ponte di wheatstone à ̈ collocato in una scatola metallica montata in prossimità dei sensori (15) ( 16).

Per limitare il peso dei dispositivi sulla rotaia, i restanti circuiti necessari e la batteria possono essere collocati in una ulteriore scatola montata sulla traversa; il collegamento tra le due scatole à ̈ garantito da un cavo che fornisce l’alimentazione elettrica e trasmette le misure provenienti dai sensori.

11 segnale elettrico proveniente dai sensori viene amplificato per mezzo di un amplificatore di precisione (21 ) la cui uscita à ̈ collegata in ingresso ad un convertitore analogico digitale (22) che li trasferisce ad un microcontrollore (25).

Una memoria mantiene i dati in attesa della trasmissione periodica (24) tramite un modulo wireless specifico ad alta efficienza per limitare il consumo energetico (26); la batteria a lunga durata garantisce l’alimentazione (23).

Come illustrato in Fig. 7 i dispositivi lungo i binari sono distribuiti tra la rotaia (55) e la traversa (59). I sensori sono coperti da una scatola metallica che contiene anche il ponte di wheatstone (56); il resto dei componenti elettronici à ̈ contenuto in una scatola (57) installata sulla traversa. Il cavo di collegamento tra le scatole à ̈ dotato di connettori (58).

I moduli installati al binario dialogano, per mezzo della rete wireless, con l’accentratore di dati. Questo à ̈ costituito da un modulo wireless (40) per la comunicazione e la ricezione dei dati dai punti di misura, gestito da un microprocessore (39) che archivia i dati in una apposita memoria (37). 11 microprocessore (39) gestire anche la trasmissione dei dati verso il posto centrale per mezzo di un modulo GSM-R (41 ), in alternativa, si può di una connessione tramite rete. L’accentratore à ̈ fornito di un apposito alimentatore (38).

La logica del posto centrale gestisce à ̈ fornito di un modulo di ricezione GSM-R o ethernet (45), un elaboratore dei dati (43) che implementa l’algoritmo e le funzioni di calcolo sui dati acquisiti, archivia i dati in un database (44) e mostra su terminale video le informazioni e gli allarmi all’utente (42).

La presente invenzione opera quindi su tre livelli: a livello della rotaia tramite un dispositivo, che convertite i dati ricevuti dai sensori (28) in segnali digitali (29) e li trasmette al livello superiore tramite rete wireless (30). Un secondo livello intermedio dove i dati vengono ricevuti tramite analogo modulo wireless (31 ), da un accentratore che acquisisce e gestisce i dati tramite microprocessore (33) per poi inviarli al livello più alto attraverso una rete dedicata (Ethernet, GSM-R, ecc...) (32). 11 posto centrale à ̈ il livello superiore dove un analogo modulo di comunicazione (34) riceve i dati e li invia al unità di calcolo, dove i dati vengono elaborati e archiviati (35). Ai posto centrale un’interfaccia grafica permette la visualizzazione degli allarmi e di tutti i dati acquisiti (36).

Per ogni punto della linea installato i dati vengono elaborati dal posto centrale in maniera da correlare le misure indipendenti di tensione meccanica e temperatura. Il sistema à ̈ utilizzabile in due differenti configurazioni per il rilievo dello stato delle tensioni longitudinali e per il rilievo di cedimenti della massicciata o frane.

In fig. 7 si riporta lo schema di funzionamento per il sistema configurato per il controllo delle tensioni longitudinali, per il generare allarmi in caso di condizioni prossime alla rottura o allo slineamento del binario. In questa configurazione vengono rilevate la temperatura (46) e le deformazioni della rotaia (47) da cui si determina la tensione meccanica (48). I dati misurati e archiviati nel database, vengono correlati (49) verificando che il legame tra le due grandezze sia lineare e calcolando il coefficiente che le lega. Dopo una prima fase di calibrazione del sistema, si ottiene la caratterizzazione di ogni punto di misura; da quel momento tutte le misure devono rispettare il legame caratteristico e l’intervallo di massimi/minimi predisposto. Questa configurazione genera gli allarmi nei seguenti casi (50):

valore troppo elevato di tensione meccanica, situazione che preannuncia un possibile slineamento

valore troppo basso di tensione meccanica, situazione che preannuncia una possibile rottura

salti repentini della tensione, spostamenti delle rotaia con conseguente modifica della geometria

legame tra tensione meccanica e temperatura non rispettato, possibili problemi alla stato della massicciata tensione meccanica non nulla alla temperatura di regolazione, possibile sregolazione del binario

In fig. 8 si riporta lo schema di funzionamento per il sistema configurato per il controllo delle tensioni verticali e flessionali, per l’identificazione di problemi a infrastrutlura come cedimenti e frane; vengono rilevate la tensione meccanica verticale (51 ) e la tensione meccanica flessionale (52) della rotaia, i dati misurati vengono trasmessi e archiviati nel database, quindi correlati (53) associando lo stato flessionale della rotaia con il transito dei treni, rilevato dal sensore per la tensione verticale, gli aliarmi relativi vengono generati nei seguenti casi (54);

valore della flessione che aumenta, in maniera contenuta, di volta in volta a seguito del passaggio di un treno, possibile degrado della massicciata o del corpo stradale mancato ripristino del valore flessionale iniziale dopo il transito di un treno, possibile degrado della massicciata o del corpo stradale o frana

aumento repentino della flessione della rotaia senza alcun transito di treni, fenomeno franoso in atto

La segnalazione degli allarmi avviene per mezzo di una comunicazione visiva e sonora al posto centrale che indica quale evento abbia generato la situazione pericolosa.

Per ogni condizione sopraelencata, l’apparato opera in modo preditivo anticipando dall’andamento le situazioni dì potenziale pericolo e generando il relativo allarme visualizzato al responsabile che intraprende le azioni necessarie secondo le norme vigenti.

La presente invenzione inoltre agevola le operazioni di regolazione della rotaia permettendo di controllare in maniera continuativa la temperatura e la tensione della rotaia, in modo da garantire che la rotaia stessa venga correttamente liberata dai vincoli, raggiungendo uno stato tensionale nullo, per poi essere rimessa in tensione al valore corretto in conformità alla temperatura di regolazione voluta.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato per il rilevamento della tensione meccanica e della temperatura della rotaia ferroviaria ( 1 ) comprendente sensori installati sulla rotaia e relativa elettronica (2) necessaria all’acquisizione dei dati e loro trasmissione all’accentratore. Accentratore (4) per la ricezione dei dati da tutti i sensori posti lungo la linea a mezzo di una rete wireless (3) e la ritrasmissione dei dati ad un posto centrale (6), a mezzo di rete GSM-R o ethernet (5). Apparati di Posto Centrale dove i dati raccolti sono rielaborati, al fine del rilevamento di situazioni tensionali/termiche indicative di condizioni di sicurezza dell’infrastruttura ferroviaria degradate, cioà ̈ binario prossimo allo slineamento o alla rottura, oppure degrado della massicciata o del corpo stradale e della conseguente generazione di un allarme visualizzato all’operatore per mezzo dell’interfaccia grafica e sonora (36).
2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1 in grado di rilevare lo stato tensionale e la temperatura della rotaia a mezzo di opportuni sensori costituiti da estensimetri, opportunamente installati sul gambo e/o sulla suola della rotaia (7) (8) (9), al fine di rilevare le tensioni longitudinali, associate per lo più al carico termico, opzionalmente le tensioni verticali, associate per lo più al transito dei treni, opzionalmente le tensioni flessionali, associate per lo più al transito dei treni in condizioni di degrado della massicciata e termoresistenze per la determinazione della temperatura della rotaia stessa. Il condizionamento del segnale di tali sensori, la conversione analogico digitale e la trasmissione wireless avviene nei pressi degli stessi, con elementi installati sia sulla rotaia che sulla traversa (56) (57) (58).
3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dalla trasmissione dei dati tramite una rete wireless a basso consumo energetico (30) (31 ), che non richiede il cablaggio di alcun cavo tra gli accentratori e il dispositivi lungo la linea.
4. 4. Apparato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dall’alimentazione di tutti i dispositivi lungo la linea a mezzo di batterie a lunga durata (23). L’utilizzo di batterie a lunga durata evita di dover fornire l’alimentazione del dispositivo dalla rete elettrica esistente, evitando il cablaggio lungo la linea di alcun cavo.
5. 5. Apparato secondo la rivendicazione 1 dotato di accentratori dei dati disposti lungo la linea, che raccolgono tramite rete wireless i dati dai dispositivi lungo la linea, e li ritrasmettono alla postazione remota per mezzo di terminali GSM-R o schede di rete ethernet (32) (34).
6. 6. Apparato secondo la rivendicazione 1 dotato di posto centrale installato in un luogo presenziato, dotato di sistema di comunicazione a mezzo di terminali GSM-R o schede di rete ethernet (32) (34), per l’elaborazione, l’archiviazione su database e visualizzazione dei dati raccolti.
7. 7. Apparato secondo rivendicazione 1 dotato di dispositivo per l’elaborazione dei dati provenienti dai sensori installati lungo le rotaie ferrovie. L’elaboratore à ̈ in grado di determinare la caratteristica tensione - temperatura di ogni punto di misura, verificare che i valori di tensione e temperatura misurati siano entro i valori massimi e conformi a quelli attesi, in caso contrario genera un allarme all’utente.
8. 8. Apparato secondo rivendicazione 1 dotato di dispositivo per l’elaborazione dei dati provenienti dai sensori installati lungo le rotaie ferrovie. L’elaboratore à ̈ in grado di determinare la caratteristica treno - flessione rotaia di ogni punto di misura, verificare che i valori della flessione siano conformi a quelli attesi nelle condizioni di massicciata in buone condizioni.
9. 9. Apparato secondo le rivendicazioni 8 e 9 in grado di generare allarmi, visualizzabili sul posto centrale, nel caso di degrado della sicurezza della circolazione ferroviaria, con indicazione della tipologia di allarme e chilometrica alla quale si verifica l’evento.
10. 10. Apparato in grado di fornire il supporto alla attività di regolazione della rotaia per mezzo dei controllo continuo dei due parametri caratteristici: tensione meccanica longitudinale e temperatura della rotaia. Visualizzando in tempo reale lo stato delle due grandezze e la temperatura di regolazione al termine delle operazioni.