RUAG: ICE nella galleria del vento - Determinazione dei carichi dinamici in una galleria del vento

In genere, per determinare i carichi aerodinamici che agiscono sugli oggetti in prova in una galleria del vento, si usano bilance di forza e di coppia ad estensimetri (ER). I tecnici di misura spesso desiderano un sistema di misura autonomo, flessibile e mobile con cui poter acquisire, registrare e visualizzare le forze delle bilance.

 

Prove sulla sicurezza dei veicoli ferroviari

La determinazione dei parametri aerodinamici del veicolo in una prova nella galleria del vento è richiesta per attestare la sicurezza del veicolo ferroviario soggetto a vento laterale. I requisiti per il modello, la tecnologia di misura  e l'implementazione sono specificati in un regolamento. I dati di misura sono validi quali componente della omologazione del veicolo. Al fine di implementare tali prove con alta precisione, è essenziale la riproducibilità in modo non dipendente dalla tecnologia di misura usata dell'operatore della galleria del vento. La RUAG Aerospace, Emmen, Svizzera ha sviluppato un sistema consistente in una bilancia ad estensimetri, condizionamento segnali, acquisizione dati ed analisi dei valori di misura per conto della Deutsche Bahn AG, Monaco di Baviera, Germania.

Questo sistema può essere configurato con vari modelli all'esterno ed indipendentemente dalla galleria del vento. La bilancia viene installata nel modello, il che significa bracci di leva più corti e pertanto si può garantire la determinazione più precisa della coppia. Dal lato della galleria del vento, si devono fornire solo i principali parametri operativi e di configurazione  (pressione, temperatura, umidità, ancolo di spinta) per determinare i parametri aerodinamici richiesti.

Principio di misura

Sugli elementi di misura della bilancia impiegata nella galleria del vento, gli estensimetri sono cablati in circuito a ponte di Wheatstone. Sotto l'azione dei carichi aerodinamici, i componenti con i punti di misura si deformano nella regione elastica, generando nei ponti di misura un segnale di tensione proporzionale alla forza applicata.

A seconda del tipo di bilancia, si possono determinare fino a 6 componenti di forza nello spazio (forze Fx, Fy, Fz e coppie Mx, My and Mz). In genere, queste bilance sono chiamate anche bilance multi-componente. La relazione fra il segnale di uscita elettrico ed il carico applicato viene determinata tarando la bilancia.

Il sistema completo

Il sistema completo deve possedere i seguenti requisiti funzionali:

• Sistema di misura autonomo costituito da sensori,
• gestione del segnale ed analisi dei valori di misura. 
• Alte precisione, risoluzione e riproducibilità.
• Struttura modulare.
• Semplicità operativa. 

Bilance a blocco aerospaziali RUAG

Negli anni, la RUAG Aerospace ha sviluppato un'intera famiglia di bilance a blocco. Esse coprono una vasta gamma di casi di applicazione diversificata in base ai requisiti di geometria e di carico. Le bilancie sono caratterizzate dalla loro robustezza, elevata sensibilità di misura e stabilità a lungo termine.

I tipi bilancia a blocco consistono di una piastra portante il carico dal lato della galleria del vento, con 7 elementi a trave elastica che vengono connessi  con aste articolate alle loro controparti dal lato modello. Queste aste articolate hanno il compito di trasmettere le forze, possibilmente senza interferenze. Ne consegue che la bilancia non ha parti mobili che potrebbero generare effetti di isteresi dovute alla frizione.

Amplificatore di misura

I compiti di alimentazione dei sensori, di condizionamento ed amplificazione dei segnali, come pure di comunicazione col PC, sono tutti implementati nel sistema di amplificatori di misura MGCplus. La deviazione di linearità definita dall'inserto amplificatore ML30B, permette di attendersi che i segnali vengano misurati nel campo di precisione programmato del < 0,3 %.

I ponti di misura degli estensimetri della bilancia a blocco sono collegati agli  amplificatori a frequenza portante con cablaggi isolato a 6 conduttori. Per evitare anelli (loop) di terra, nel cavo schermato non ci deve essere alcun collegamento alla bilancia. È implementato anche un dispositivo ottico-acustico per il controllo del sovraccarico della bilancia. Per i segnale di ogni ponte è stata impostata una soglia di allarme dell'80 % del bilanciamento degli estensimetri.

Software

L'applicazione sviluppata usa il software DIAdem della National Instruments quale programma di misura e valutazione. La connessione dei dati del sistema di amplificatori di misura MGCplus è realizzato via Ethernet usando l'apposito driver HBM. In alternativa, si potrebbero usare altri prodotti.

Requisiti del software:

• Controllo sequenziale dell'acquisizione ed elaborazione dati
• Acquisizione dei segnali di misura 
• Monitoraggio acustico ed ottico del bilanciamento degli estensimetri
• Valutazione statistica dei valori individuali
• Gestione dei segnali di misura
• Visualizzazione e salvataggio dei dati
• Struttura modulare 

Per impostare e parametrizzare i canali di misura viene usato l'MGCplus Assistant. Questo Assistant è parte del pacchetto MGCplus e può essere lanciato direttamente da DIAdem. La scalatura di tutti i sensori, compreso il bilanciamento a zero, è implementata nelle macro di DIAdem. Solo le soglie di allarme per il controllo della bilancia sono impostate mediante l'Assistant dell'MGCplus.

Prova nella galleria del vento

La Figura 1 (vedere il file PDF) mostra la disposizione della prova in direzione del flusso all'interno della galleria subsonica del vento della RUAG Aerospace. Il modello basato su ICE con il bilanciamento interno degli estensimetri, è fissato ad un pavimento rotante con due puntoni nell'area della piattaforma, in modo da implementare i flussi laterali. I cavi di misura della bilancia passano all'interno dei puntoni cavi e giungono alla strumentazione di misura nella cabina di controllo.

Risultati di misura

La qualificazione del nuovo sistema di misura è implementata per confronto
con i valori di misura di una bilancia di altro produttore che è stata acquistata esternamente. La Figura 4 mostra un esempio dei coefficienti di forza sull'angolo di pressione di traslazione a velocità costante del vento. Le differenze in entrambi i sistemi risiedono entro le tolleranze richieste. Risultati molto buoni furono ottenuti anche per quanto concerne l'isteresi e la simmetria del flusso.

Conclusioni

Il sistema di misura qui presentato, consistente di una bilancia multi-componente RUAG Aerospace, un sistema di amplificatori di misura HBM e del software appropriato, permette la determinazione molto precisa di forze e coppie nelle prove in galleria del vento. Ulteriori vantaggi sono il monitoraggio dei sovraccarichi e quello della connessione a frizione integrati nel sistema ed il breve tempo di configurazione nella galleria del vento. Questo sistema di misura è adatto anche ad le altre applicazioni, in cui debbano essere determinati carichi dinamici e perfino intermittenti.