METODO DE MEDIDA DE LOS ESFUERZOS GENERADOS EN EL PUNTO DE CONTACTO RUEDA-CARRIL DE VEHICULOS FERROVIARIOS.

Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios,

que comprende el posicionamiento de sensores extensométricos (6) sobre el velo (3) de una rueda (1) ferroviaria, para medir la deformación en determinados puntos de dicho velo (3) de la rueda (1) de aplicación, de cuyas señales se utiliza un armónico para determinar las cargas que afectan al punto de contacto de la rueda (1) sobre el carril de apoyo, disponiéndose los sensores extensométricos (6) combinados en puentes o circuitos de medida, para eliminar los armónicos no deseados de las señales de medida de deformación, situándose para ello los sensores extensométricos (6) de cada puente o circuito de medida en puntos determinados sobre el velo (3) de la rueda (1) de aplicación

Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios.

Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con la dinámica de vehículos ferroviarios y más concretamente con la medición de los esfuerzos producidos en el contacto rueda-carril.

Estado de la técnica

El conocimiento de los esfuerzos involucrados en el contacto rueda-carril es imprescindible, tanto para procesos de homologación dinámica de vehículos ferroviarios, como para el estudio científico de fenómenos asociados a la dinámica de los mismos.

Los esfuerzos que aparecen en el punto de contacto rueda-carril son de tres tipos:

.- Cargas verticales (Q) que constan de una componente media debida al peso del vehículo y componentes dinámicas que se pueden producir en diferentes situaciones de marcha, como puede ser, por ejemplo en la circulación en curva o en circulación bajo irregularidades de la vía.

.- Cargas laterales (Y) que toman fundamentalmente importancia en la circulación en curva, aunque también existen otras condiciones de circulación donde se pueden generar niveles elevados de estas cargas, como por ejemplo en la circulación por un cambio de agujas o en régimen inestable.

.- Cargas longitudinales (T) debidas en parte a la diferencia de recorridos a realizar en una curva por la rueda interior y exterior de un mismo eje y a la diferencia de radios de rodadura entre puntos de contacto de ambas ruedas. A esta diferencia contribuyen el desplazamiento lateral del eje y la conicidad del perfil de rodadura de las ruedas. Las fuerzas de tracción y freno se transmiten también a través de este tipo de esfuerzos.

Para realizar la medición de estas cargas (Q, Y y T), una de las soluciones del Estado de la Técnica es la utilización de tramos de vía sensorizados, resultando una solución costosa y limitada en sus posibilidades de ensayo.

Actualmente para las mediciones requeridas en los procesos de homologación dinámica de vehículos, se utilizan ejes dinamométricos basados en ejes convencionales instrumentados con extensómetros, que mediante la medida de las deformaciones unitarias de distintos puntos del conjunto eje-rueda permiten obtener el valor de las cargas de contacto rueda-carril.

Sin embargo existen grandes dificultades para la medida precisa de estos esfuerzos mediante los ejes dinamométricos utilizados hasta la fecha, debido a diferentes factores:

.- Para un mismo punto de medida instrumentado, se mezclan los efectos de las diferentes cargas vertical (Q), lateral (Y) y longitudinal (T) asociadas al punto de contacto.

.- Las sensibilidades, para cada una de las cargas de contacto, varían en función de la posición angular del conjunto eje-rueda, así como de la posición lateral del área de contacto.

.- Dificultades para la determinación de los puntos a instrumentar cuyas señales sean suficientemente diferentes como para estimar con precisión suficiente las cargas deseadas.

.- Las fuerzas inerciales asociadas al conjunto del eje montado introducen errores dinámicos en la estimación de las fuerzas de contacto, errores que son dependientes a su vez de la localización de los puntos instrumentados.

.- Las fuerzas centrífugas y los momentos giroscópicos soportados por la rueda introducen variaciones importantes en las señales de los puntos instrumentados, convirtiéndose en importantes fuentes de error.

En el mundo ferroviario se utilizan comúnmente diversos métodos de medida de los esfuerzos de contacto, los cuales se pueden clasificar según el elemento soporte de los sensores utilizados para la medida, distinguiéndose: métodos basados en el cuerpo del eje, métodos basados en el alma de la rueda, métodos basados en elementos de la suspensión primaria y métodos mixtos, combinación de los anteriores.

Los métodos de medida basados en la instrumentación del cuerpo de eje no son capaces, de eliminar la influencia de la variación de la posición del punto de contacto rueda-carril, en la medida de la carga lateral.

Los métodos de medida basados en la instrumentación de la rueda no eliminan, de origen, la influencia de la variación del punto de contacto para ninguna de las cargas aplicadas en el punto de contacto rueda-carril.

Los métodos de medida basados en la instrumentación de la rueda no plantean ninguna solución suficientemente satisfactoria para eliminar o reducir la influencia de la rotación del eje, persistiendo errores de rizado que pueden ser muy elevados dependiendo del tipo de rueda utilizada, de los puntos de medida escogidos y del tipo de carga medida.

Los métodos de medida basados en elementos de la suspensión primaria no son válidos para la medida de las cargas laterales (Y).

Los métodos mixtos intentan combinar las ventajas de los diferentes métodos para la medida de cada una de las cargas de contacto, no obstante, no son capaces de eliminar sus limitaciones más importantes.

Los métodos existentes no plantean ninguna estrategia satisfactoria y de validez universal para seleccionar la combinación de puntos de medida más adecuada para cada uno de los métodos, utilizándose en muchas ocasiones combinaciones de puntos de mayor sensibilidad a las cargas de contacto, los cuales no necesariamente tienen que aportar la mejor solución de medida.

En los métodos existentes no se compensa el error introducido por parámetros inherentes a los propios ejes dinamométricos, como fuerzas centrifugas, fuerzas de inercia del conjunto del eje y momentos giroscópicos.

En definitiva se puede afirmar que el Estado de la Técnica actual no constituye una solución precisa que pueda ser aplicada de forma general a cualquier tipo de vehículo.

Objeto de la invención

El método objeto de la invención permite la medida precisa de las cargas existentes en el punto de contacto rueda-carril así como la propia posición de este punto de contacto, eliminando a su vez los errores asociados a las fuerzas de inercias, las fuerzas centrífugas, los momentos giroscópicos, los efectos cruzados entre las diferentes cargas a medir verticales, laterales y longitudinales (Q, Y y T) y los errores cometidos por la variación, tanto lateral como angular, de la posición del punto de contacto, resultando un método realmente ventajoso, frente a las soluciones conocidas, para el análisis del comportamiento dinámico de un vehículo ferroviario.

El nuevo método de medida, basado en la colocación de sensores en el velo de la rueda, es un método no invasivo, por no realizar ningún tipo de mecanizado en las ruedas del vehículo, de tal forma que el conjunto del eje con las ruedas puede ser utilizado nuevamente para el servicio comercial del vehículo, no alterando además su comportamiento dinámico ni su resistencia mecánica.

En el punto de contacto entre la rueda y el carril de un vehículo que circula por la vía a la velocidad de marcha, se producen unos esfuerzos verticales (Q), laterales (Y) y longitudinales (T), que son determinantes, para el análisis del comportamiento dinámico de un vehículo ferroviario.

Para eliminar la influencia de los efectos cruzados entre las cargas (Q, Y y T), la variación de la posición del punto de contacto, y las fuerzas centrífugas, se trabaja con los armónicos puros de las sensibilidades a cada una de estas cargas (Q, Y y T), de forma que las sensibilidades asociadas a la variación de la posición del punto de contacto rueda-carril se comportan de forma lineal y su influencia en la estimación de las cargas es fácilmente eliminable mediante la combinación de señales obtenidas de distintos puntos de medida, y el efecto de las fuerzas centrífugas es eliminado por completo por afectar exclusivamente a la componente continua de las sensibilidades.

En el método objeto de la invención, se definen unos círculos de medida, correspondiendo cada uno de ellos a todos los sensores contenidos en un mismo anillo circular de la superficie de una de las caras del velo de la rueda, quedando dichos círculos de medida caracterizados por su dimensión radial y la cara del velo de la rueda en donde se encuentren los sensores.

Posicionando los sensores dentro del círculo de medida correspondiente,...

1. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, del tipo que comprende el posicionamiento de elementos de medida de deformación sobre el velo (3) de una rueda (1) ferroviaria, disponiendo sensores extensométricos (6) combinados en puentes o circuitos de medida, mediante los cuales se obtienen señales de deformación del velo (3) de la rueda (1) de aplicación, utilizándose uno de los armónicos de dichas señales para determinar las cargas dinámicas de parámetro de medida F(t) que se producen en el punto de contacto de la rueda (1) sobre el carril de apoyo, para lo cual se eliminan los demás armónicos de esas señales, caracterizado porque para eliminar los armónicos no deseados de las señales de deformación del velo (3) de la rueda (1), los sensores extensométricos (6) que van combinados en cada puente o circuito de medida se disponen en puntos del velo (3) de la rueda (1) de aplicación situados en posiciones angulares β respecto de un diámetro de referencia, de modo que para cada armónico k no deseado de las señales de las medidas de deformación en dichos puntos se cumplen las ecuaciones siguiente:

Donde K_kj es la sensibilidad de cada uno de los sensores ante el parámetro de medida de cualquier carga F(t) correspondiente, k es el orden de uno de los armónicos que se desea eliminar, β_j es la posición angular del sensor extensométrico (6) respectivo, siendo n el número de sensores extensométricos y j el número de orden de la posición.

2. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según la primera reivindicación, caracterizado porque el número de sensores extensométricos (6) asociados a cada puente de medida es al menos el doble del número de armónicos no deseados de las señales que proporcionan dichos sensores extensométricos (6).

3. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según la primera reivindicación, caracterizado porque los sensores extensométricos (6) correspondientes a un mismo puente de medida se posicionan de forma simétrica respecto de un diámetro de referencia de la rueda.

4. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según la primera y tercera reivindicaciones, caracterizado porque a cada sensor extensométrico (6) le corresponde otro desfasado 180º del primero, determinando cada pareja un diámetro de medida (Di).

5. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según la primera, tercera y cuarta reivindicaciones, caracterizado porque las señales asociadas a los sensores extensométricos (6) de un mismo diámetro de medida (Di) se suman o se restan según el armónico empleado para la medida sea respectivamente par o impar, eliminándose a su vez todos los armónicos cuyo carácter par o impar es contrario al de medida.

6. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque por cada puente de medida se obtiene una señal E_f, y porque se monta otro puente idéntico asociado pero cuya posición está girada respecto del anterior un ángulo de 90º/k o cualquier múltiplo impar de esta cantidad, que proporciona una señal E_c, siendo k el orden del armónico a medir.

7. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según la reivindicación sexta y cualquiera de las reivindicaciones de la primera a la quinta, caracterizado porque para cada pareja de señales E_f y E_c asociadas y denominadas como principales se obtienen otras dos señales E1 y E2 definidas por las fórmulas:

E₁ = E_F • cos(k • α) - E_C • sen(k • α)

E₂ = E_F • sen (k • α) + E_C • cos(k • α)

Donde (α) es la posición angular de la rueda (1) instrumentada y (k) es el número de orden del armónico a demodular.

8. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según la sexta reivindicación y cualquiera de las reivindicaciones de la primera a la quinta, caracterizado porque por cada pareja de puentes en fase y cuadratura se colocan parejas de puentes redundantes adicionales, cada uno de ellos girados respecto de los principales un ángulo φ diferente.

9. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según la sexta, séptima y octava reivindicaciones y cualquiera de las reivindicaciones de la primera a la quinta, caracterizado porque las señales E1 y E2 de cada conjunto de puentes en fase y cuadratura principales y redundantes asociados, se definen por las fórmulas:

E₁ = E_F • cos(k • α)- E_C • sen(k • α)+ E_RF • cos(k • (α + φ)) - E_Rc • sen(k • (α + φ))

E₂ = E_F • sen(k • α)+ E_C • cos (k • α)+ E_RF • sen(k • (α + φ)) + E_RC • cos (k • (α+ φ))

Donde E_RF es la señal del puente en fase redundante, E_RC es la señal del puente en cuadratura redundante, α es la posición angular de la rueda (1) instrumentada y φ es el desfase angular entre los puentes principales y los puentes redundantes.

10. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se utilizan al menos tres parejas de puentes principales de sensores extensométricos (6).

11. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque todos los sensores de cada pareja de puentes de medida principales y redundantes asociados se sitúan sobre un mismo círculo de medida.

12. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según la reivindicación onceava y cualquiera de las reivindicaciones anteriores restantes, caracterizado porque el armónico utilizado para la medida es el primero.

13. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según la reivindicación onceava y doceava y cualquiera de las reivindicaciones anteriores restantes, caracterizado porque las fuerzas vertical (Q) y lateral (Y) y la posición del contacto rueda/carril se obtienen por combinación lineal de tres señales E₁ correspondientes a tres círculos de medida diferentes.

14. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para eliminar los errores de medida de las cargas y posición del contacto rueda-carril, asociados a los esfuerzos inerciales y giroscópicos soportados por el eje montado en las cajas de grasa del vehículo se incorporan sensores de movimiento lineal y de movimiento angular, los cuales miden las condiciones de aceleración y velocidad angulares a las que se ve sometido el eje dinamométrico.

15. Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la combinación de puentes de medida asociados empleada, se determina mediante un criterio matemático que minimiza la influencia del ruido de las señales E1 y E2 de los distintos puentes de medida asociados sobre la medida de las cargas y posición del punto de contacto rueda-carril.