ITTO20080664A1 - Metodo di realizzazione di un dispositivo di prova per materiale rotabile e relativo metodo di prova - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“METODO DI REALIZZAZIONE DI UN DISPOSITIVO DI PROVA PER MATERIALE ROTABILE E RELATIVO METODO DI PROVAâ€

La presente invenzione à ̈ relativa a un metodo di realizzazione di un banco prova a rulli e/o ad un dispositivo rotabile, come una coppia di sale, un carrello o una carrozza, per la simulazione dinamica delle condizioni di lavoro del dispositivo rotabile stesso. La presente invenzione à ̈ inoltre relativa a un metodo per svolgere una prova su banco prova.

Un banco prova a rulli comprende una struttura fissa di supporto e una pluralità di rulli girevoli attorno ad assi paralleli. In uso un carrello ferroviario di prova contatta i rulli che sono condotti in rotazione da un motore nel caso in cui si eseguono prove per valutare il comportamento di un carrello rimorchiato.

E’ noto riprodurre su ciascun rullo il profilo trasversale della rotaia e il suo angolo di posa, le caratteristiche del profilo essendo specificate in normative dedicate oppure su richiesta della committenza.

L’impiego di un banco prova a rulli diminuisce notevolmente i costi della sperimentazione dinamica sul dispositivo rotabile, tuttavia la fedeltà dei risultati ottenuti può ancora essere migliorata.

Inoltre, allo scopo di diminuire i costi di sperimentazione, Ã ̈ noto realizzare banchi prova in scala. Sono stati proposti diversi modelli di similitudine in ciascuno dei quali sono definiti i fattori di scala di grandezze geometriche, strutturali o dinamiche.

Definiti i vari fattori di scala, ciascun modello si basa sull’assunzione di mantenere unitari alcuni fattori di scala e di calcolare i rimanenti secondo le leggi fisiche generalmente non lineari che sono considerate per la definizione del modello di similitudine.

Un banco prova a rulli in scala riduce ulteriormente i costi ma anche in questo caso si può migliorare la fedeltà di rilevazione di alcune grandezze, come ad esempio della velocità critica della carrozza definita come la velocità massima in cui la carrozza procede in modo stabile lungo un percorso rettilineo.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un metodo per realizzare un dispositivo di prova per la simulazione dinamica delle condizioni di lavoro di materiale rotabile esente dall’inconveniente sopra specificato.

Lo scopo della presente invenzione viene raggiunto tramite un metodo secondo la rivendicazione 1.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, essa verrà ulteriormente descritta con riferimento alle figure allegate, in particolare:

- la figura 1 Ã ̈ una vista laterale di un banco prova e di un carrello di prova secondo la presente invenzione;

- la figura 2 Ã ̈ una vista frontale del banco di figura 1; e

- le figure 3 e 4 sono viste frontali ingrandite di rispettivi particolari del banco prova e del carrello secondo la presente invenzione.

In figura 1 sono illustrati con 1, nel suo insieme, un banco prova per la simulazione dinamica delle condizioni di lavoro di un dispositivo rotabile e con 2, nel suo insieme, un esempio di dispositivo rotabile, cioà ̈ un carrello ferroviario montato durante una prova sul banco 1.

In particolare, il banco 1 comprende una base 3 fissata al suolo, quattro colonne 4 uscenti verticalmente dalla base 3 e disposte ai vertici di un rettangolo, un rullo 5 girevole attorno a un asse A orizzontale e fissato su relativi sopporti 6 a due colonne 4 e un rullo 7 girevole attorno a un asse B parallelo all’asse A e fissato su relativi sopporti 8 alle due rimanenti colonne 4.

Ciascun rullo 5, 7 comprende un albero 9 collegato a un motore elettrico 10 e una coppia di ruote 11 che simulano una rispettiva rotaia rettilinea.

Il carrello 2 comprende un telaio 12, una massa M collegata al carrello tramite sospensioni S per simulare una cassa di una carrozza ferroviaria, un assile 13 e un assile 14 supportati dal telaio 12 e, su ciascun assile, una coppia di ruote 15 che contattano le rispettive ruote 11. Gli assili 13, 14 sono rispettivamente girevoli intorno ad assi C e D. Preferibilmente, la massa M del carrello 2 à ̈ vincolata in modo da poter traslare liberamente solo nella direzione verticale. Le traslazioni della massa M in un piano perpendicolare alla direzione di oscillazione della massa, cioà ̈ in un piano orizzontale, sono bloccate. Il movimento del telaio 12 à ̈ vincolato a quello della massa M tramite le sospensioni S.

Ciascuna ruota 15 definisce una superficie di rotolamento 16 avente asse A, B che può contattare una corrispondente superficie di rotolamento 17 definita dalla rispettiva ruota 11 (figura 3). La superficie di rotolamento 16 può contattare in diversi punti la superficie di rotolamento 17 dipendentemente dalla condizione simulata dal banco prova.

La superficie di rotolamento 16 viene disegnata in relazione all’applicazione del carrello, ad esempio merci o passeggeri, e può avere un profilo trasversale e un diametro variabili.

In ogni caso, la ruota 15 presenta un bordino 18 che contrasta il movimento di serpeggio e la forza centrifuga in curva. Il bordino 18 à ̈ disposto all’estremo interno della ruota 15, cioà ̈ verso un piano di mezzeria P dell’assile 13, 14. A partire dal bordino 18 verso l’esterno, cioà ̈ allontanandosi dal piano di mezzeria P, una sezione trasversale della superficie di rotolamento 16 comprende in ordine un tratto convesso 19 che inizia sulla sommità del bordino 18, un tratto concavo di raccordo 20 e un tratto rettilineo 21 ad esempio avente una conicità di 0.3 radianti, la sezione trasversale essendo ottenuta tramite un piano contenente interamente l’asse C, D dipendentemente dal fatto che si consideri l’assile 13 e l’assile 14.

Quando la sala à ̈ centrata sul rullo 5, 7, l’impronta di contatto à ̈ localizzata lungo il tratto rettilineo 21. Quando viene simulata una curva caratterizzata da un valore elevato della forza centrifuga, il contatto può spostarsi sui tratti 19, 20 o 22 dipendentemente dal valore della forza centrifuga stessa. In ogni caso, quando il profilo della superficie di rotolamento 16 viene assegnato, à ̈ stabilito un diametro di contatto nominale E definito come il diametro passante per il punto geometrico di contatto fra ruota e rotaia quando la sala à ̈ centrata.

La superficie di rotolamento 17 della ruota 11 (figura 4) à ̈ definita fra due facce parallele e perpendicolari all’asse A, B, la sezione essendo ottenuta tramite un piano contenente interamente l’asse A, B dipendentemente dal fatto che si consideri il rullo 5 o il rullo 7. In particolare, in sequenza a partire da una faccia laterale interna 24 della ruota 11 affacciata al piano di mezzeria P, una sezione trasversale della superficie di rotolamento 17 presenta un tratto di raccordo 25, un tratto composto 26 e un tratto di raccordo 27. Il tratto di raccordo 27 à ̈ unito a una faccia laterale esterna 28 preferibilmente tramite un tratto rettilineo inclinato 29.

Almeno il tratto composto 26 comprende una pluralità di archi di circonferenza aventi rispettivi raggi di curvatura variabili e una tangente comune nel punto di raccordo. Il tratto composto 26 comprende almeno un tratto avente un raggio di curvatura superiore di un ordine di grandezza rispetto a quello dei tratti di raccordo 25 e 27. Preferibilmente il diametro di contatto teorico contatta tale almeno un tratto quando la sala percorre un percorso rettilineo.

Secondo la presente invenzione, il profilo della sezione trasversale della superficie di rotolamento 17 Ã ̈ modificato rispetto al profilo che viene impiegato su una rotaia rettilinea.

Quando viene impiegata la teoria di Hertz per modellizzare il contatto ruota-rotaia, la forma dell’area di contatto fra la ruota di un carrello ferroviario e una rotaia à ̈ un’ellisse avente un semiasse maggiore perpendicolare all’asse della rotaia e un semiasse minore parallelo a tale asse. Come à ̈ noto, la teoria di Hertz impiega come variabili, oltre ai parametri che descrivono le caratteristiche elastiche dei materiali, anche le caratteristiche geometriche delle superfici a contatto, in particolare il raggio di curvatura frontale, i.e. che descrive un cerchio osculatore parallelo al piano di mezzeria P, e quello trasversale, i.e. che descrive un cerchio osculatore perpendicolare al piano di mezzeria P.

Assegnata la geometria sia della rotaia che della ruota, à ̈ possibile calcolare teoricamente i semiassi dell’impronta di contatto e il fattore di forma TR definito come rapporto fra il semiasse maggiore rispetto a quello minore nel caso di contatto ruota - rotaia.

E’ stato verificato che quando il rullo 11 presenta un profilo trasversale uguale a quello della rotaia si verificano errori nella valutazione di alcune grandezze, come la velocità critica del dispositivo rotabile. In particolare, à ̈ opportuno tenere presente che le ruote 11 presentano un raggio di curvatura frontale finito e quindi differente rispetto al raggio di curvatura infinito della rotaia. Ciò comporta che un fattore si forma TB (definito analogamente a TR) sul banco a rulli à ̈ diverso e in particolare maggiore, rispetto al fattore di forma TR sulla rotaia, a parità di ruota della sala e di profili trasversali della rotaia / rullo.

E’ stato verificato che una diminuzione del fattore di forma dell’impronta di contatto TB sul banco prova riduce l’errore di valutazione della velocità critica. I risultati migliori sono stati ottenuti per TB sostanzialmente uguale a TR.

Allo scopo di ridurre il fattore di forma TB viene modificata la curvatura trasversale o della superficie di rotolamento 16 o della superficie di rotolamento 17 oppure di entrambe.

Ad esempio, nel caso si intenda modificare solo la superficie di rotolamento 17 prendendo come riferimento una rotaia secondo la norma UIC60, il tratto composto 26 Ã ̈ costituito da un tratto centrale 26a e da due tratti 26b disposti da parti opposte rispetto al tratto centrale 26a e adiacenti ai raccordi 25 e 27. In particolare, i tratti 26b hanno una curvatura intermedia fra quella dei raccordi 25, 27 e del tratto 26a. La curvatura dei tratti 26a, 26b e dei raccordi 25, 27 Ã ̈ costante.

Secondo una forma di realizzazione, viene modificata solo una parte del profilo della sezione trasversale della superficie di rotolamento 17, preferibilmente quella/e che presentano il raggio di curvatura più elevato. Nel caso di ruota conica come la ruota 15, Il confronto fra i valori modificati dei raggi di curvatura (in mm) dei tratti 25, 26 e 27 della superficie di contatto 17 rispetto a quelli riportati nella normativa UIC 60 à ̈ riassunto come segue:

UIC60 Profilo corretto Tratto 25 13 13

Tratto 26 300 / 80 125 / 80

Tratto 27 13 13

Il valore di curvatura modificato à ̈ ottenuto tramite un metodo numerico iterativo, ad esempio quello di bisezione, che interrompe la ricerca del valore quando l’errore fra il fattore di forma teorico sul banco prova e il fattore di forma teorico nel contatto ruota-rotaia à ̈ inferiore a un valore predefinito di soglia. Nell’esempio illustrato il valore di soglia dell’errore à ̈ del 1%. In relazione all’esempio precedente possono essere modificati anche i tratti 26b.

Qualora si intenda invece modificare solo la superficie di rotolamento 16, il raggio di curvatura del tratto 21 diventa finito e negativo. In particolare, il raggio di curvatura à ̈ definito positivo se il centro del cerchio osculatore si trova dalla stessa parte dell’asse A, B rispetto all’impronta di contatto. Analogamente, quando à ̈ composto anche il profilo della sezione trasversale della superficie di rotolamento 16 per la ruota 15, può essere modificato solo il tratto dove si localizza l’impronta di contatto in condizione di sala centrata. In questo caso, il tratto 21 corretto non à ̈ più rettilineo ma convesso con un raggio di curvatura negativo.

Pertanto, se si definisce convesso il profilo del tratto composto 26 e concavo il tratto 20 e si considera cioà ̈ di ciascun componente la parte †̃piena’ per definire se un tratto di una superficie à ̈ concavo o convesso, allo scopo di ridurre il fattore di forma TB e, in particolare, ottenere TB = TR, à ̈ opportuno diminuire il modulo del raggio di curvatura di un tratto convesso del profilo della sezione trasversale e aumentare il modulo del raggio di curvatura di un tratto concavo fino a raggiungere la geometria rettilinea. Oltre la geometria rettilinea, il tratto diventa convesso e rimangono valide le considerazioni precedenti.

Secondo una forma alternativa di realizzazione, tutto il profilo trasversale della superficie di rotolamento 16, 17 viene modificato rispetto al profilo assegnato alla rotaia. In questo caso, le correzioni geometriche del profilo della sezione trasversale della superficie di rotolamento 16, 17 possono essere di grande entità e tali che, quando la sala à ̈ centrata, l’impronta di contatto sia localizzata in una zona differente rispetto ai profili non corretti. In questo caso, à ̈ opportuno modificare lo scartamento delle ruote 15 per centrare l’impronta di contatto sul diametro nominale E. In seguito alla modifica dello scartamento, può variare il gioco laterale fra il bordino 18 e la faccia laterale interna 24 ed à ̈ opportuno tenerne conto durante la simulazione di una curva.

E’ opportuno sottolineare che nel testo si fa riferimento alle caratteristiche geometriche teoriche per evitare di dover precisare che tali caratteristiche, quando riferite invece a pezzi reali, sono soggette alle consuete tolleranze di fabbricazione.

Quando il banco prova 1 à ̈ in scala, come già accennato, à ̈ opportuno applicare metodi di similitudine per trovare i corretti fattori di riduzione/aumento delle grandezze che si impiegano nelle leggi fisiche che esprimono il comportamento del dispositivo rotabile. Esempi non limitativi di tali grandezze sono la rigidezza lineare, lo smorzamento, il tempo, il modulo di Young dei materiali utilizzati, le forze di microscorrimento, cioà ̈ le forze tangenziali di attrito che si generano sull’area di contatto.

Ad esempio, dopo che à ̈ stato assegnato un fattore di scala lineare F definito come il rapporto fra il modulo delle lunghezze dei componenti in scala reale e quello dei corrispondenti componenti in scala ridotta, dipendentemente dai modelli di similitudine impiegati, il fattore di scala della forza, cioà ̈ il rapporto fra il modulo della forza applicata al carrello/rotaia in scala reale e quello applicata al banco in scala ridotta, non à ̈ uguale al fattore di scala lineare assegnato.

Ad esempio, se il fattore di scala lineare à ̈ F = 5 ( F = 1 à ̈ il valore nel caso delle dimensioni reali), il fattore di scala delle forze varia da 25 con il modello di similitudine di †̃Pascal’ a 625 con il modello di forze di †̃Iwnicki’ (ad esempio per la definizione dei modelli di similitudine usati nella presente descrizione e nelle rivendicazioni si veda come riferimento l’articolo †̃Comparison of different scaling techinques for the dynamics of a boogie on roller rig’ p.514 ISBN9026519451 ISSN0042-3114). Cioà ̈, se il banco prova à ̈ più piccolo di 5 volte nelle dimensioni lineari rispetto a un carrello e alle rotaie di dimensione reale, le forze applicate devono essere ridotte di 25 volte se si adotta il modello di †̃Pascal’ e di 625 volte se si adotta il modello di †̃Iwnicki’.

In base a quanto descritto in precedenza, in un banco prova in scala, le curvature dei profili sono ridotte sulla base del fattore di scala lineare.

Nel seguito un numero di riferimento avente un apice à ̈ relativo a un banco prova in scala, più precisamente a un componente avente la stessa funzione rispetto al componente corrispondente del banco prova 1 in scala reale.

Ad esempio, per un fattore di scala lineare F = 5, un profilo trasversale della superficie di contatto 17’ della ruota 11’ che deve modellizzare una rotaia secondo la norma UIC 60 presenterà i seguenti raggi di curvatura:

UIC60 (scala 5) Profilo corretto Tratto 25 2,6 2,6

Tratto 26 60 / 16 25 / 16

Tratto 27 2,6 2,6

Nel campo dei banchi prova in scala, secondo la presente invenzione à ̈ stato verificato che la migliore riduzione dell’errore si ottiene quando il fattore di forma dell’impronta di contatto rimane sostanzialmente invariato da una condizione con i profili non corretti delle sezioni trasversali in scala reale alla condizione in cui i profili sono stati corretti in scala ridotta, cioà ̈ TR = TB’. Ciò richiede una variazione della curvatura trasversale per far diminuire il fattore di forma TB’ che si otterrebbe semplicemente dividendo per il fattore di scala F le curvature assegnate, ad esempio dalla normativa UIC 60, che definiscono i tratti del profilo trasversale della superficie di rotolamento 17.

E’ stato verificato che l’impiego di tale ipotesi in combinazione al modello di similitudine di †̃Jaschinski’ ha portato a dimezzare l’errore sul calcolo della velocità critica da circa il 20% a meno del 10%.

Risulta infine chiaro che alla presente invenzione possono essere apportate modifiche o varianti senza per questo uscire dall’ambito di tutela definito dalle rivendicazioni allegate.

Quando la correzione del profilo trasversale viene eseguita solo sulle ruote 15, il banco prova 1 rimane invariato e può essere sia in dimensioni reali che in scala ridotta. Sia il banco prova che il carrello possono pertanto essere definiti come un dispositivo di prova aventi rotori con un profilo trasversale modificato per eseguire prove dinamiche.

In particolare, il carrello può essere sostituito dalle sale che sono collegate tramite appositi supporti alle colonne 4.

Il motore può essere collegato a una delle sale e il corrispondente rullo 5, 7 viene trascinato.

La simulazione della carrozza ferroviaria viene eseguita nel modo più accurato quando sono presenti due banchi prova uguali a quelli descritti, uno per un carrello anteriore e l’altro per un carrello posteriore.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di realizzazione di un dispositivo di prova (1; 2) per la simulazione dinamica del comportamento di un dispositivo rotabile (13, 15), detto dispositivo di prova comprendendo almeno un rotore (11; 15) girevole attorno ad un asse (A; B; C; D) e atto a contattare un secondo rotore (15; 11) girevole attorno a un secondo asse (C; D; A; B), detto almeno un rotore definendo un primo profilo di una sezione trasversale avente un tratto (26; 21) presentante un primo raggio di curvatura trasversale ed definente la generatrice di una superficie di rotolamento (17; 16) del detto almeno un rotore (11; 15), detto metodo comprendendo le fasi di: - assegnare un secondo raggio di curvatura trasversale in scala reale di un tratto di riferimento di una superficie di rotolamento o di una ruota di un carrello ferroviario o di una rotaia di una linea ferroviaria da simulare tramite il detto dispositivo; - assegnare il fattore di scala lineare F del detto dispositivo di prova; - realizzare il detto almeno un rotore (11; 15) in modo che il detto primo raggio di curvatura trasversale sia inferiore al rapporto fra il secondo raggio di curvatura trasversale e il fattore di scala F se il detto almeno un tratto (26; 21) Ã ̈ convesso o maggiore al detto rapporto se il detto almeno un tratto (26; 21) Ã ̈ concavo.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di: - calcolare un fattore di forma TB, TB’ teorico di un’impronta di contatto fra il detto almeno un rotore (11; 15) e il detto secondo rotore (15; 11); - calcolare un fattore di forma TR teorico di un’impronta di contatto fra le dette ruota e rotaia da simulare; - modificare il detto tratto in modo che TB, TB’ sia sostanzialmente uguale a TR.
3. 3. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto dispositivo di prova à ̈ un banco (1) comprendente almeno un rullo (5; 7) avente una prima ruota (11) definente il detto almeno un rotore.
4. 4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il detto dispositivo di prova comprende almeno una sala (13, 15) avente una seconda ruota (15) definente il detto almeno un rotore.
5. 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il detto dispositivo di prova comprende un banco (1) e un carrello (2) e dal fatto che il detto almeno un rotore (11; 15) à ̈ portato da uno dei detti banco e carrello e il detto secondo rotore (15; 11) à ̈ portato dall’altro dei detti banco (1) e carrello (2).
6. 6. Metodo di esecuzione di una prova tramite un dispositivo di prova in scala realizzato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di impiegare il modello di similitudine di †̃Jaschinski’.