ITPS960011A1 - Procedimento per la rilevazione del carico su rotaie e relativa apparecchiatura - Google Patents

Description

"PROCEDIMENTO PER LA RILEVAZIONE DEL CARICO SU ROTAIE E RELATIVA APPARECCHIATURA"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la rilevazione del carico su rotaie e relativa apparecchiatura e consiste essenzialmente in una metodologia per rilevare strumentalmente in maniera diretta e continua i carichi longitudinali e/o flessionali agenti sul binario con contemporaneo rilievo della temperatura.

La presente invenzione si realizza praticamente in un sistema atto a rilevare gli sforzi presenti in ciascuna rotaia, in corrispondenza delle sezioni alle quali 1'aparecchiatura è applicata, consentendo di realizzare un efficace MONITORAGGIO del binario, in particolare di quello armato con la lunqa ROTAIA SALDATA (d'onde la denominazione MO.R.SA.).

Come è noto, per il binario armato con lunga rotaia saldata esiste la necessità, sia durante la fase di posa in opera che durante la fase di esercizio, di rilevare gli sforzi cui le rotaie sono soggette per prevenire e/o controllare eventuali situazioni di rischio per la sicurezza della circolazione ferroviaria .

Nella fase di posa in opera, la possibilità di misurare direttamente e con continuità le sollecitazioni da imprimere in funzione della temperatura consentirebbe di controllare e certificare la correttezza delle operazioni di "regolazione" e di verificare che sia realizzata la condizione di carico nullo alla temperatura di riferimento. Questa verifica assicura il contenimento entro i limiti di progetto degli sforzi di trazione o di compressione che sollecitano la rotaia a causa della coazione che si manifesta successivamente al variare della temperatura della rotaia stessa nel tempo, evitando quindi possibili rotture per trazione o slineamenti per compressione Nella fase di esercizio la rotaia viene interessata da ulteriori sollecitazioni (esterne) dovute all'avviamento e frenatura dei rotabili, deformazioni di manufatti, attriti, cedimenti, etc.. Tutte queste azioni vanno ad alterare le condizioni di carico, sovrapponendosi alle sollecitazioni (interne) di origine termica.

Le misure relative rivestono notevole importanza sulla vita della rotaia, in particolare ferroviaria, perchè la definizione e la rilevazione delle sollecitazioni impresse alla rotaia, in funzione anche della temperatura della stessa, sono essenziali perchè consentono di contenere inevitabili fenomeni di trazione e/o di compressione del binario entro i limiti elastici progettuali, evitando quindi rotture per trazione o svergolamenti per compressione, sia nella fase di messa in opera che durante la fase d'esercizio, nella quale può capitare che la rotaia venga interessata, come detto, da fenomeni esterni e diversi da quelli termici, che si sovrappongono alle suddette sollecitazioni interne. Si considerino a riguardo, ad esempio, le frenate d'accelerazione delle locomotive che insistono sempre su un medesimo tratto, le differenze di dilatazione che capitano quando la rotaia è installata su un ponte-viadotto, nonché le variazioni per gli assestamenti geologici e strutturali della base di supporto della rotaia medesima. Tutte queste azioni, ed altre ancora, possono alterare la condizione iniziale di carico durante la posa in opera e quindi devono essere opportunamente preventivate, generando fenomeni di trazione o di compressione che, sommati alle sollecitazioni di origine termica, possono far arrivare la rotaia ai limiti di sicurezza previsti e li possono anche far superare con conseguenti rotture o svergolamenti.

Attualmente questa problematica è stata affrontata dal personale addetto con la misura saltuaria e manuale della temperatura, alla quale è correlata la determinazione (indiretta) della sola sollecitazione dovuta alla coazione termica, nulla potendosi misurare nè stimare per quanto riguarda le sollecitazioni dovute alle azioni esterne sopra indicate, con conseguente incertezza circa l'effettivo stato tensionale del binario. Occorre precisare, inoltre, che tali operazioni di controllo non possono che limitarsi ai tratti di binario ritenuti più a rischio e ai periodi di massima escursione termica.

In sintesi gli .accorgimenti finora attuati possono alleviare l'onere della problematica per il controllo dei carichi longitudinali sulle rotaie, ma non possono assicurare dei livelli di garanzia e di mantenimento nel tempo per l'esercizio.

Scopo principale della presente invenzione è sostanzialmente quello di risolvere gl inconvenienti sopra descritti, mettendo a disposizione un procedimento per la rilevazione del carico su rotaie e relativa apparecchiatura, sia nella fase di posa in opera sia nella fase di esercizio.

Lo scopo della presente invenzione è pertanto quello di mettere a punto uno strumento per la misura diretta e continua dell'insieme di forze che agiscono sul binario, strumento atto, quindi, a consentire la realizzazione di un sistema di monitoraggio permanente ed automatico di intere tratte di linea ferroviaria e pertanto idoneo a risolvere definitivamente le problematiche sopra descritte, che interessano direttamente la sicurezza dell'esercizio ferroviario.

Questo scopo ed altri ancora, che meglio appariranno nel corso descrizione seguente, vengono raggiunti da un procedimento per la rilevazione del carico su rotaie e relativa apparecchiatura secon uanto descritto nella prima rivendicazione, nonché in quelle seguenti.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un procedimento per la rilevazione del carico su rotaie e relativa apparecchiatura secondo la presente invenzione. Tale descrizione sarà fatta qui di seguito con riferimento ai disegni, forniti al solo scopo indicativo e pertanto non limitativo, nei quali :

la figura 1 illustra una rappresentazione schematica di una rotaia con la evidenziazione delle sue parti costitutive;

la figura 2 illustra una rappresentazione dell'andamento del segnale di rilevamento in funzione delle derive termiche nella condizione zero;

la figura 3 illustra una ulteriore rappresentazione grafica del segnale in funzione delle derive termiche riferite al valore di fondo scala secondo la presente invenzione;

- la figura 4 illustra una schematizzazione a blocchi dell'apparecchiatura nei suoi elementi essenziali secondo la presente invenzione. Facendo riferimento alla figura 1 è stata rappresentata con 1 una porzione di rotaia nella quale si possono distinguere una parte superiore indicata con 2, e denominata fungo, una porzione intermedia, denominata stelo, indicata con 3, ed una porzione di base, a forma di T capovolta indicata con 4 e denominata suola.

Le apparecchiature ed i sensori vengono normalmente applicati nella parte relativa alla porzione 3 denominata stelo, nonché sulla suola 4.

In figura 2 è stata rappresentata su assi cartesiani una gestione del segnale di rilevamento, dove in orizzontale vi sono le derive termiche ed in verticale i segnali. Partendo da una origine zero, viene indicata con una linea 5 la curva ordinaria di risposta mentre dopo fenomeni perturbativi c'è una traslazione rappresentata da una linea tratteggiata indicata con 6. In figura 3 è stato rappresentato un ulteriore andamento del segnale in funzione delle derive termiche riferite a partire da un' origine 0, dove vi è un andamento normale indicato con un linea continua 7, e un andamento indotto dalla cosiddetta deriva di fondo scale indicato con una linea tratteggiata 8.

Infine in figura 4 è stata indicata globalmen con 9, e tratteggiata nell'interno, un'apparecchiatura di rilevamento nella quale sono illustrati dei blocchi come appresso spiegati.

Un blocco 10 è un estensimetro di rilevamento, che è un ponte di Wheatstone, il quale riceve dei segnali 11 di rilevamento che provengono da estensimetri applicati lungo la rotaia. Un processore 12 poi elabora detti segnali ed attua le misure di compensazione tramite delle interfacce di condizionamento 13, le quali mandano dei segnali relativi 14 di correzione. Eventuali poi sovratensioni sono controllate tramite un relativo dispositivo di protezione 15, costituito eventualmente anche da filtri per evitare perturbazioni a seguito di sovratensioni indotte. Dal punto di vista procedurale si fa riferimento a uno spezzone di rotaia di circa 1500 mm., sulla quale vengono applicati, secondo il procedimento appresso specificato, degli estensimetri in determinate posizioni idonee a rilevare le deformazioni sulla rotaia medesima e contemporaneamente rilevata la temperatura in base ad una metodica sequenziale. Dal punto di vista poi dei segnali di correzione si fa presente che la rotaia è ingabbiata in una struttura di contenimento con vincoli rigidi ed è sottoposta a riscaldamento ed a raffreddamento, in modo da poter rilevare poi i valori dei carichi longitudinali generati a seguito di questi fenomeni esterni di natura termica.

Il procedimento secondo la presente invenzione prevede l'applicazione di due estensimetri, secondo il blocco 10, applicati longitudinalmente sullo stelo 3 della rotaia e due estensimetri 10 di compensazione applicati su una piastrina dello stesso materiale della rotaia posti in contatto, senza vincoli rigidi, sulla medesima. In questo modo è possibile compensare gli effetti di azione termica del materiale degli estensimetri senza che gli estensimetri di compensazione 10 vengano sollecitati da deformazioni meccaniche. Ora, se i vincoli presupposti della rotaia sono da ritenere canonici, allora il relativo scorrimento longitudinale di riferimento sarà rappresentato esclusivamente dalla deriva termica dell'estensimetro 10 medesimo, la quale sarà proporzionata all'apertura e quindi si comporterà come previsto. A questo punto è rilevabile una temperatura T che determina un valore noto di deformazione apparente. Eventuali scorrimenti o carichi longitudinali verranno facilmente riconosciuti e non alterano la misura. Il secondo step del procedimento prevede l'applicazione di due estensimetri attivi 10 applicati traversalmente alla rotaia e sullo stelo 3, insieme ad altri due estensimetri di compensazione applicati su una piastrina dello stesso materiale della rotaia e posti in contatto, senza vincoli rigidi, sulla stessa. Si evidenzia che anche in questo caso questo accorgimento permette di compensare gli effetti di trazione termica del materiale degli estensimetri senza che questi ultimi vengano sollecitati da deformazione meccanica. Anche qui, se si ha uno scorrimento nullo, la misura è rappresentta esclusivamente dall'espansione trasversale della rotaia stessa, dovuta sia all'azione termica che all'applicazione dei fenomeni esterni. A questo punto, ad una certa temperatura T, il valore rilevato deve essere pari ad un valore teorico noto e proporzionale al carico longitudinale agente sulla rotaia. Questa misura ci permette di rappresentare come in figura 2, la linea 5 che è l'andamento del segnale rilevato in funzione del carico applicato. Come step successivo del procedimento è prevista l'applicazione di due estensimetri attivi IO trasversalmente alla rotaia, però sulla suola 4, e due estensimetri di compensazione applicati su una piastrina dello stesso materiale delle rotaie e posta in contatto senza vincoli rigidi sulla medesima. Anche qui quest'accorgimento permette di compensare tutti gli effetti di trazione termica. Questa ulteriore misura deve confermare quella precedente dello step illustrato. Se non c'è conferma e quindi c'è una deriva, ad esempio, rappresentata dalla linea 6 di figura 2, allora bisogna attivare delle compensazioni per poter ripristinare i valori di deformazione entro quanto previsto. Per effetto dei fenomeni perturbativi infatti la curva di risposta del sistema, cioè la misura, tende a spostarsi dalla linea 5 alla linea 6 e quindi occorre, con i circuiti dell'apparecchiatura 9, riportare il valore di partenza alla posizione dello zero iniziale, sottoponendo l'unità di misura 9 a cicli termici a varie temperature fino a riportare il valore al punto zero, che è la condizione che viene memorizzata.

Dalla figura 3 poi è possibile rilevare che la deriva di fondo scala subisce anch'essa una variazione, in quanto il guadagno dell'amplificatore, presente nell'apparecchiatura 9 e insito nel blocco 13 (ma non rappresentato direttamente), viene influenzato da variazioni di temperatura e quindi fa traslare la curva di risposta dalla linea di risposta 7 all'andamento 8. In questo caso occorre riapplicare una serie di cicli termici per riportare l'andamento secondo la linea illustrata 7 di figura 3.

Si vuole evidenziare come tutta l'elettronica dell'apparecchiatura 9 è situata a contatto con le rotaie ed è protetta verso l'esterno da resine isolanti per essere sicuri che la temperatura misurata è molto vicina a quella della rotaia. Inoltre la rappresentazione a blocchi di figura 4 permette altresì anche una rappresentazione non di tipo digitale, ma di tipo analogico, dove al posto del processore 12 è previsto un convertitore analogico-digitale per convertire l'elaborazione analogica in segnali digitali che poi devono far attuare le procedure e le azioni di compensazione, cioè di correzione, sulla rotaia medesima.

I segnali poi possono essere acquisiti tramite un'unità portatile, per esempio un PC, per mezzo di un connettore non illustrato in figura 4, ma presente sull'apparecchiatura medesima.

Si vuole altresì evidenziare come la misura viene individuata tramite un codice di identificazione in modo da catalogare tutte le rotaie 1 sottoposte a tale misurazione.

In precedenza i valori di riferimento indicati nelle figure 2 e 3, rispettivamente con le linee continue 5 e 7, sono quelli ottenuti in laboratorio prima della messa in opera mediante riscaldamento e raffreddamento dello spezzone di rotaia ingabbiato che viene preso come misura campione.

In sintesi il procedimento prevede una prima misurazione mediante l'applicazione diretta o indiretta di uno o più estensimetri sulla parte relativa allo stelo in senso longitudinale, successivamente, in aggiunta o in alternativa alla precedente misurazione, una seconda misura con l'applicazione di estensimetri applicati in senso trasversale e quindi una terza misura con estensimetri applicati trasversalmente, però non più sullo stelo, ma sulla suola della rotaia medesima. Le suddette misurazioni prevedono l'applicazione di rilevatori elettronici di temperatura.

Questa serie di accorgimenti con i relativi estensimetri di compensazione rappresentati da ponti di Wheatstone, tecnicamente noti, permettono di rilevare in maniera univoca ed oggettiva le misere di dilatazione quindi deformazione della rotaia medisima sia in senso longitudinale che in senso trasversale. Il rilevamento viene effettuato tramite la circuiteria elettronica di figura 4, che può comprendere il processore 12 oppure una parte analogica e poi un convertitore analogico-digitale per il trattamento dei segnali di rilevamento.

L'invenzione raggiunge così gli scopi proposti. Infatti da questo procedimento e dalla relativa apparecchiatura è possibile rilevare tutte le deformazioni in senso longitudinale e trasversale di rotaie disposte lungo la linea ferroviaria e poter attuare le compensazioni allorché le misure si discostano di una certa tolleranza da quanto previsto dalla cosiddette misure di riferimento effettuate sulle rotaie medesime prima della messa in opera.

Vantaggiosamente, importanti utilizzazioni dell'invenzione potranno aversi nella ricerca e nella determinazione sperimentale del carico limite (o critico) dei vari tipi di armamento e nello studio dell'interazione treno-binario-struttura, con conseguenti positivi riflessi circa il corretto dimensionamento delle opere d'arte ed in particolare dei ponti e dei viadotti e delle relative opere di fondazione. Sarebbero altresì risolte tutte le incertezze che attualmente esistono in merito alla necessità di istallazione di giunti di dilatazione del binario in prossimità o in corrispondenza di ponti e viadotti.

Infine, sfruttando la capacità della suddetta invenzione di sentire le variazioni flessionali della sollecitazione dovuta al transito del singolo asse, è possibile utilizzarla come conta-assi relativamente a ciascuna sezione strumentata, con l'ulteriore possibilità di individuare in ogni istante la posizione del treno lungo linea con approssimazione pari all'intervallo spaziale delle sezioni di binario strumentate con l'apparecchiatura oggetto della presente invenzione. Con una sensibilità molto elevata della misura, l'invenzione è in grado di rilevare anche il carico gravante sulla singola ruota e gli eventuali squilibri di carico tra le ruote dello stesso asse.

Quindi l'invenzione permette di:

1) Misurare la temperatura e gli sforzi agenti nella rotaia in fase di posa in opera e di verificare in tale fase la corretta esecuzione della "regolazione" del binario;

2) Misurare gli sforzi assiali e flessionali in fase di esercizio, consentendo di verificare costantemente l 'assenza di situazioni di pericolo;

3) Determinare sperimentalmente il carico critico del binario per i vari tipi di armamento;

4) Verificare sperimentalmente i risultati degli studi teorici e dei calcoli relativi all 'interazione treno-binario-struttura;

5) Svolgere le funzioni di conta-assi;

6) Individuare la posizione occupata dal treno lungo linea;

7) Rilevare il carico della singola ruota e gli eventuali squilibri di carico tra le ruote dello stesso asse.

Ovviamente sono possibili ulteriori variazioni parametriche e circuitali tutte rientranti nell'ambito inventivo della presente invenzione variando anche il software del processore di elaborazione per ulteriori tipi di misurazione.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1) Procedimento per la rilevazione del carico su rotaie e relativa apparecchiatura del tipo comprendente mezzi di rilevazione circuitalmente connessi con mezzi di elaborazione e di attuazione, detto procedimento essendo caratterizzato dal fatto che, tramite detti mezzi di elaborazione connessi con rotaie, vengono effettuate le seguenti fasi di misurazione: a - applicazione di uno o più ponti estensimetrici di misura longitudinalmente su uno stelo di una rotaia in combinazione con due ponti di compensazione e misurazione degli eventuali scorrimenti longitudinali rispetto allo zero di misura della rotaia; b - applicazione, in aggiunta o in alternativa al punto precedente, di uno o più ponti estensimetrici trasversalmente sullo stelo delle rotaie in combinazione con due ponti di compensazione e relativa misurazione; c - applicazione di due ponti estensimetrici di misura trasversalmente alla rotaia sulla suola della medesima e relativa misurazione; d - azioni di correzione tramite i mezzi di attuazione se c'è un discostamento ripetto ad un valore teorico noto in base alle misurazioni effettuate preventivamente sulle rotaie campioni ingabbiate con vincoli rigidi prima della messa in opera.
2. 2) Procedimento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che gli estensimetri di compensazione vengono applicati su piastrine dello stesso materiale della rotaia e posti in contatto senza vincoli rigidi sulla medesima.
3. 3) Procedimento secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che per ogni fase della misurazione il valore rilevato deve essere pari a un valore teorico noto e proporzionale al carico longitudinale agente sulla rotaia in quella fase.
4. 4) Procedimento secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che il valore rilevato ad una certa temperatura deve essere pari a un valore teorico noto e proporzionale al carico trasversale agente sulla rotaia in quella fase.
5. 5) Procedimento secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che la misurazione del punto b) deve essere confermata dalla misurazione del punto c) del procedimento medesimo.
6. 6) Apparecchiatura per la rilevazione del carico sulla rotaia caratterizzata dal fatto che detti mezzi di rilevazione sono degli estensimetri attivi a ponte di Wheatstone connessi con processori di elaborazione e collegati a mezzi di attuazione di tipo noto per realizzare le eventuali compensazioni richieste.
7. 7) Apparecchiatura per la rilevazione del carico su rotaia caratterizzata dal fatto che detti mezzi di rilevazione sono degli estensimetri attivi a ponte di Wheastone con apparecchiature analogiche associate a convertitori analogici-digitali.
8. 8) Apparecchiatura secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che sono previste dei circuiti di protezione per filtrare le sovratensioni indotte sulla rotai medesima.