MÉTODO DE APLICACIÓN DE SENSORES DE EXTENSOMETRÍA EN VÍAS FERROVIARIAS.

Método de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias. Sector de la técnica El objeto de la presente invención es una metodología de aplicación de sensores de extensometría (galgas o bandas extensométricas) en las vías de un ferrocarril o similar, de forma que, junto con un equipo electrónico configurado y calibrado a tal efecto y un post-proceso específico de las señales y los datos obtenidos por medio de este equipamiento, configure un sistema capaz de proporcionar una medida fiable de los esfuerzos que se producen en una vía de ferrocarril o similar así como de las fuerzas de contacto rueda-carril al paso de un tren o vehículo que circule por raíles. Estado de la técnica Es relativamente reciente la posibilidad de medir en la propia vía los esfuerzos y las fuerzas de contacto que se ponen en juego en la misma al paso de un tren o vehículo que circula por los raíles. La aparición de los nuevos sensores y sistemas de instrumentación, fruto del avance tecnológico en las materias de electrónica, materiales y sistemas de fabricación, hacen posible las mediciones de dichas magnitudes en la propia vía, posibilitando obtener información acerca de los esfuerzos soportados por una vía de ferrocarril al paso de un tren de forma totalmente empírica, y no únicamente teórica, tal y como ocurría hasta hace poco. Hasta el momento, los sistemas que empleaban estas nuevas tecnologías de sensórica para tratar de medir con la mayor exactitud posible las magnitudes anteriormente mencionadas, no conseguían proporcionar una medida lo suficientemente precisa como para poder tomar decisiones en base a esas mediciones o como para poder contrastar teorías existentes al respecto de esas magnitudes de esfuerzos que se ponen en juego en las vías de ferrocarril al paso de un vehículo. Estos sistemas se basan en la colocación de sensores extensométricos directamente sobre el carril de vía y sin utilizar un criterio de disposición óptimo de los sensores para maximizar la señal adquirida y recogerla en su totalidad. El resultado era la obtención de señales aproximadas de los fenómenos que se quería medir (esfuerzos en vía), muy poco fieles a la realidad de los fenómenos que realmente se estaban produciendo. Objeto de la invención El objeto de la presente invención es una metodología de aplicación de sensores extensométricos (galgas o bandas extensométricas), equipos electrónicos y software de post-procesado de señales, para conseguir una medición fiable de esfuerzos en vía y fuerzas de contacto rueda-carril en ferrocarriles y similares, superando los inconvenientes en la medición de éstas magnitudes. La presente invención trata de, superando inconvenientes en otros métodos de medición de esfuerzos en vía, realizar lo siguiente: En primer lugar se procede a capturar las microdeformaciones (ó µstrains; 1 µstraian es la deformación que sufre una barra de longitud 1 m cuando se estira 1 µm) en un punto conocido de la vía. En segundo lugar se procede a analizar esas microdeformaciones (µstrains) viendo su evolución a lo largo del tiempo, a través de la captación de la señal correspondiente a las mismas, mediante los sensores 2 ES 2 352 774 A1 2 extensométricos dispuestos en una pletina metálica tal y como seguidamente se expondrá. En tercer lugar se procede a identificar, dentro de la evolución de las microdeformaciones del carril en un punto concreto de la vía, el evento correspondiente al pico de señal de microdeformaciones coincidente con el paso del tren o vehículo por encima de una de las traviesas de la vía, en la que se habrán colocado los sensores de la forma en que más tarde se explicará. En cuarto lugar se procede a analizar las señales de los picos de microdeformaciones identificados en el punto anterior, para obtener la magnitud de los esfuerzos e interacciones que se dan en el carril (fuerzas de contacto rueda-carril). En quinto lugar y en caso de obtener señales, con sensores dispuestos con esta metodología, en más de un carril de la misma vía y/o en más de un punto dentro del mismo carril, se pueden obtener magnitudes indirectas, como el ángulo de ataque y la velocidad del tren, comparando los tiempos de los diferentes picos de señal registrados por el sistema. En sexto lugar, cada pico de microdeformaciones detectado y su relación con las magnitudes que se desea medir (esfuerzos en vía y fuerzas de contacto rueda-carril), se procede a calibrar mediante la utilización de otros sistemas de medición conocidos y de exactitud contrastada para el evento en particular, como por ejemplo aplicando una fuerza conocida en el punto de medición (encima de la traviesa) y en cada dirección de medición (vertical y horizontal) mediante vehículos de peso conocido (esfuerzos verticales) y células de carga midiendo fuerzas aplicadas con gatos hidráulicos o similares (esfuerzos horizontales) así como mediante datos obtenidos de forma teórica, utilizando técnicas de cálculo y simulación numérica por computador. La forma de lograr lo expuesto en los puntos anteriores, se consigue procediendo de la siguiente manera: En primer lugar se lleva a cabo la instrumentación del carril de vía mediante sensores extensométricos dispuestos tal y como seguidamente se explica, para registrar una medida eléctrica suficientemente precisa y limpia como para que sea calibrada y arroje el dato de la magnitud que se quiere medir. Para ello se disponen dos pletinas de aluminio (u otro material metálico elástico) por carril de vía, una por cada lado del carril, cuya geometría está específicamente diseñada para que los sensores que en ella se disponen, midan correctamente y sin contaminación de otros sucesos que puedan darse en la vía, las microdeformaciones en ese punto del carril. Los sensores extensométricos (galgas extensométricas), se disponen en cada pletina de cuatro en cuatro, dos de ellos en la parte superior, colocados perpendicularmente el uno del otro, y los otros dos en la parte inferior de la pletina colocados paralelamente el uno del otro. Los dos sensores superiores, junto con los otros dos homólogos de la pletina colocada simétricamente en la otra parte del carril, constituyen un puente completo de Wheatstone, sensible únicamente a las tracciones y compresiones que se produzcan en esa porción de la vía y que por tanto pueden proporcionar una medida de la fuerza vertical o peso que allí se produce. Los dos sensores inferiores, junto con los otros dos homólogos colocados en la pletina simétrica del otro lado del carril, constituyen otro puente completo de Wheatstone, sensible únicamente a la flexión 3 del carril en ese punto, de forma que puede medir el momento que se produce, y por ende, la fuerza lateral a la que se ve sometida esa porción del carril. Esto mismo se puede conseguir con otras configuraciones de los sensores en la pletina, por ejemplo, siendo cada pletina un puente completo de Wheatstone, de forma que la suma algebraica de sus señales nos da la deformación axial, y la diferencia nos da la deformación de flexión debida al momento (equivalente a la configuración citada en primer lugar). Esta pletina se atornilla al alma del carril, asentándose en él mediante unas cuñas fabricadas a la medida de la curvatura de cada tipo de carril, de forma que la pletina quede colocada en posición vertical siendo el lugar de colocación preferente de la pletina el centro de una o varias traviesas sobre las que se asienta la vía, de forma que el sensor capte toda la reacción de las fuerzas que actúan sobre esa porción del carril. En segundo lugar se actúa con un equipo electrónico registrador de las señales que provienen de los sensores específicos. Este equipo puede ser un equipo comercial que cumpla con los requisitos necesarios para la medición, registro, digitalización y almacenamiento de señales analógicas de voltaje provenientes de puentes de Wheatstone. El equipo registra y almacena las señales captadas por los sensores extensométricos, pudiendo o no traducirlas a las unidades ingenieriles correspondientes a ese evento medido. Los archivos que se generan y almacenan en este equipo electrónico, serán posteriormente post-procesados por un software específico que contiene unos algoritmos programados para calibrar y calcular las magnitudes que se desean medir (esfuerzos en vía y fuerzas de contacto rueda-carril), así como las magnitudes indirectas que se desea conocer (por ejemplo, ángulo de ataque de un tren al entrar en una curva y velocidad del tren). El ángulo de ataque del tren en la curva se obtendrá mediante las fórmulas: e = v.t, donde e= espacio recorrido, v = velocidad del tren o vehículo y t = tiempo; y = arctan (e/d), donde = ángulo de ataque, e = espacio recorrido y d = distancia entre carril interior y exterior. Este concepto de la invención, puede ser modificado o sustituido...

1. Método de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, utilizando equipos electrónicos registradores de señales analógico/digitales y algoritmos de software para la medición de magnitudes mecánicas en el contacto rueda-carril en ferrocarriles, caracterizado por la instalación de sensores (galgas o bandas) extensométricos (5) en carriles (7) de vías de ferrocarril, de forma que se disponen dos pletinas (6) de aluminio por carril de vía, una por cada lado del carril y cuya geometría está específicamente diseñada para que los sensores (5) que en ella se disponen, midan correctamente y sin contaminación de otros sucesos que puedan darse en la vía, las microdeformaciones en ese punto del carril, habiéndose previsto que los sensores extensométricos (5) vayan dispuestos en cada pletina (6) de cuatro en cuatro, dos de ellos en la parte superior, colocados perpendicularmente el uno del otro, y los otros dos en la parte inferior de la pletina (6) colocados paralelamente el uno del otro; con la particularidad de que los dos sensores superiores, junto con los otros dos homólogos de la pletina colocada simétricamente en la otra parte del carril, constituyen un puente completo de Wheatstone, sensible únicamente a las tracciones y compresiones que se produzcan en esa porción de la vía y pudiendo proporcionar una medida de la fuerza vertical o peso que allí se produce; mientras que los dos sensores inferiores, junto con los otros dos homólogos colocados en la pletina simétrica del otro lado del carril, constituyen otro puente completo de Wheatstone, sensible únicamente a la flexión del carril en ese punto, pudiendo medir el momento que se produce y, por ende, la fuerza lateral a la que se ve sometida esa porción del carril. 2. Método de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque opcionalmente cada pletina se constituye como un puente completo de Wheatstone, de forma que mediante la suma algebraica de sus señales se obtiene la deformación axial, y la diferencia permite obtener la deformación de flexión debida al momento. 3. Método de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque la pletina (6) que contiene los sensores extensométricos (5) de medición se atornilla al alma del carril (7), asentándose en él mediante unas cuñas (10) fabricadas a la medida de la curvatura de cada tipo de carril, de forma que la pletina (6) quede colocada en posición vertical, siendo el lugar de colocación preferente de tal pletina (6) la parte del alma del carril (7) que coincide con el centro del eje (9) de una o varias traviesas (8) sobre las que se asienta la vía, de forma que el sensor (5) capte toda la reacción de las fuerzas que actúan sobre esa porción del carril (7). 4. Método de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, según la reivindicación 1ª, caracterizado por la interconexión de las pletinas específicas de medición (6) con equipos electrónicos registradores (2) dotados de la capacidad de grabación y conversión analógico-digital de señales registradas, con capacidad o no de almacenamiento de las mismas. 5. Método de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, según las reivindicaciones ES 2 352 774 A1 8 3ª y 4ª, caracterizado por la conexión del equipo registrador (2) a un ordenador, pudiendo éste estar o no conectado a una red LAN, estando este dotado de un software informático (3) compuesto de algoritmos de procesado y cálculo de los datos (señales) adquiridos y transmitidos por equipos electrónicos evaluando y calculando las magnitudes de esfuerzos y fuerzas de contacto rueda-carril a partir de las señales medidas, pudiendo ser además de cálculos directos (esfuerzos en vía), cálculos indirectos relacionados con las magnitudes directas medidas y el tiempo, como por ejemplo el ángulo de ataque de un tren al entrar en una curva y la velocidad del tren, entre otros. 6. Método de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, según las reivindicaciones 4ª y 5ª, caracterizado porque opcionalmente se colocan distintos grupos de pletinas (6) de sensores (5), en el mismo carril, separados una distancia determinada, de forma que los algoritmos y el análisis de los picos de microdeformaciones en los diferentes puntos de colocación de las pletinas de sensores y el tiempo en el que se producen esos picos, permiten calcular magnitudes indirectas como la velocidad y la aceleración de un tren. 7. Método de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, según las reivindicaciones 1ª, 5ª y 6ª, caracterizado porque opcionalmente se colocan dos grupos de pletinas (6) de sensores (5), uno en el alma del carril externo (12) y otro en la del carril interno (13) de una curva de una vía, en el mismo punto con respecto a las traviesas (8) y radialmente, de forma que los algoritmos de post-procesado compararán el desfase en tiempo de la señal proveniente del carril externo (12) respecto del interno (13) y conociendo la velocidad del tren poder obtener el ángulo de ataque del tren en esa curva mediante las fórmulas: e = v.t, donde e = espacio recorrido, v = velocidad del tren o vehículo y t = tiempo; y = arctan (e/d), donde = ángulo de ataque, e = espacio recorrido y d= distancia entre carril interior y exterior. 8. Método de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, según las reivindicaciones 1ª y 4ª, caracterizado porque los equipos electrónicos se calibran en base a la utilización de otros sistemas de medición conocidos y de exactitud contrastada para un evento en particular, como por ejemplo aplicando una fuerza conocida en el punto de medición (encima de la traviesa) y en cada dirección de medición (vertical y horizontal) mediante vehículos de peso conocido (esfuerzos verticales) y células de carga midiendo fuerzas aplicadas con gatos hidráulicos o similares (esfuerzos horizontales) así como mediante datos obtenidos de forma teórica, utilizando técnicas de cálculo y simulación numérica por computador. 9. Método de aplicación de sensores de extensometría en vías ferroviarias, según las reivindicaciones 1ª y 5ª, caracterizado por incluir un soporte informático (3) capaz de calcular las magnitudes de esfuerzos y fuerzas de contacto rueda carril, constituido por algoritmos programados para el procesamiento instantáneo de las señales provenientes de los sensores a través del equipo registrador (2), calculando las magnitudes directas e indirectas objeto de análisis, capaz de detectar los tiempos en los que se da cada pico de la señal medida, interpolar y resamplear (volver a mues- 9 trear la señal con más puntos), convertir los valores de las señales eléctricas registradas a magnitudes in- 6 ES 2 352 774 A1 10 genieriles de fuerza, y devolver los resultados en un formado legible por un sistema informático. ES 2 352 774 A1 7 8 ES 2 352 774 A1 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA