Tecnologia di misura nell'ingegneria ferroviaria

Per l'omologazione dei veicoli ferroviari sono necessarie prove approfondite. Esse comprendono verifiche complesse quali, ad esempio, la misurazione delle forze intercorrenti fra le ruote e le rotaie, le accelerazioni dei molloni di sospensione o lo spostamento relativo fra i componenti mobili. Il progetto europeo di ricerca Dynotrain indaga su cosa ampliare nelle simulazioni su calcolatore per poter sostituire in futuro parte delle misurazioni. L'obiettivo è quello di facilitare ed accelerare le procedure europee di omologazione. La divisione della tecnica di viaggio (Prüfungen Fahrtechnik) della DB Systemtechnik, con sede in Minden, Germania, impiega la tecnologia di misura HBM per le rilevazioni occorrenti alla verifica dei programmi di simulazione. 

Il traffico ferroviario è tra i mezzi di trasporto più sicuri in Europa. I criteri per l'omologazione dei nuovi veicoli ferroviari sono conseguentemente molto severi. La procedura di approvazione richiede l'effettuazione di molte verifiche di conformità. Per conformarsi alle corrispondenti normative europee sono obbligatorie molteplici serie di prove. L'obiettivo del Dynotrain, un progetto di ricerca europeo che coinvolge complessivamente 21 società ed istituti di ricerca di sei nazioni dell'Unione Europea, è quello di creare le basi tecniche per facilitare ed accelerare le procedure di omologazione per i veicoli ferroviari del futuro. Per raggiungere questo scopo, parte delle verifiche di conformità richieste le quali comprendono serie di misurazioni relativamente complesse, dovrebbero essere sostituite da simulazioni. Innanzi tutto si deve verificare l'affidabilità di tali simulazioni al calcolatore confrontandole con i risultati delle serie di misurazioni (validazione dei modelli al calcolatore). La Deutsche Bahn AG, sussidiaria della DB Systemtechnik, è una partner del progetto di ricerca Dynotrain.

Laboratorio di prova indipendente

Il completo treno metrologico DB Systemtechnik, usato per tratte di prova, comprende la locomotiva, una carrozza passeggeri e tre vagoni merci.

La DB Systemtechnik di Minden offre una vasta gamma di servizi d'ingegneria per l'industria ferroviaria. La divisione che opera in modo indipendente, interamente posseduta come sussidiaria dalla DB AG dalla metà del 2011, ha gli stabilimenti principali a Minden, Monaco e Kirchmöser ed impiega circa 600 persone competenti nella consulenza nel campo della tecnologia ferroviaria, a disposizione internamente sia della Deutsche Bahn AG che dei clienti esterni. Molti anni di esperienza ed un inarrivabile know-how dei sistemi hanno reso la DB Systemtechnik il centro di competenza europeo leader nel settore dell'ingegneria ferroviaria.

La DB Systemtechnik effettua un'ampia gamma di prove di veicoli e componenti di attività nel segmento della gestione delle omologazioni, prove e certificazioni. Queste prove forniscono un importante contributo alla sicurezza, affidabilità ed efficienza delle operazioni ferroviarie. Il centro di prova e l'organizzazione di esperti della DB Systemtechnik sono registrati quali partner associati del Notified Body for Interoperability (Assoziierter Partner der benannten Stelle Interoperabilität) dell'Autorità Federale delle Ferrovie Tedesche (EBA). Tutti i 18 laboratori di prova sono stati accreditati secondo EN ISO/IEC 17025:2000. Circa 40 membri del personale sono stati certificati quali esperti dall'Autorità Federale delle Ferrovie Tedesche.

Grandezze di misura per l'omologazione dei veicoli ferroviari

Le sollecitazioni ruota-rotaia sono fra le grandezze di misura importanti per l'omologazione dei veicoli ferroviari. È essenziale misurare tali sollecitazioni durante l'esercizio; ciò richiede l'impiego di serie di ruote dinamometriche. Si devono determinare sia le componenti verticali che laterali delle forze. Per queste misurazioni la DB Systemtechnik ha sviluppato speciali ruote dinamometriche basate su estensimetri. Le forze agenti fra la ruota e la rotaia causano la deformazione delle ruote ed il relativo albero, le quali vengono rilevate dagli estensimetri. Fondandosi sulle interdipendenze fra la sollecitazione e la risultante deformazione determinate da un'elaborata procedura di taratura, viene usato un complesso software per la conversione in linea in componenti della forza Q (forza di contatto ruota-rotaia), Y (forza vincolante nella curva) e Tx (forze nella direzione longitudinale risultanti dalla coppia di frenata e di partenza ed anche dalle differenze del raggio di rotolamento).

Nel centro di prova di Minden, vengono installati degli estensimetri sulla superficie opportunamente trattata delle ruote dinamometriche, convertendole in precise apparecchiature di misura e prova. A seconda delle caratteristiche geometriche delle ruote e relativi alberi, sono disponibili due metodi di misura principali - uno che prende in considerazione le ruote e gli alberi quali punti d'installazione degli estensimetri, e l'altro che impiega esclusivamente i dati di deformazione delle ruote. Per entrambe i metodi si installano fino a 96 estensimetri sulla ruota dinamometrica, connettendoli in configurazione a ponte intero. Le linee dei segnali passano all'interno dell'albero cavo. La completa elettronica comprendente gli amplificatori e la  trasmissione dei segnali è localizzata all'estremità dell'asse. Dopo aver installato gli estensimetri, il cablaggio e l'elettronica, si devono tarare le ruote dinamometriche. A tale scopo, l'intera ruota dinamometrica viene integrata in un banco prova appositamente sviluppato. Esso consente di applicare con precisione ben definite forze verticali ed orizzontali alle ruote, senza alcun mutua interferenza, determinando così la risposta dei ponti interi di estensimetri.

Un altro importante mezzo per l'acquisizione dei dati di misura al fine di analizzare le caratteristiche dinamiche dei veicoli, sono gli accelerometri installati a livello delle masse non sospese (principalmente le serie di ruote) e - se disponibili - il primo stadio della molla ed il secondo stadio della molla. Essi misurano l'accelerazione che si verifica a tali livelli in direzione laterale, verticale e longitudinale e, a seconda dello stadio della molla, con differenti campi di frequenze.

Gli spostamenti relativi formano il terzo gruppo principale delle grandezze da misurare. In genere, essi giocano un ruolo subordinato nell'omologazione dei veicoli, tuttavia essi sono spesso considerati degli indicatori per la comprensione di specifiche caratteristiche del veicolo. Il progetto Dynotrain ha scelto espressamente di utilizzarli quali grandezze principali per consentire il confronto dei modelli di simulazione dei veicoli in prova con i risultati di misura, prendendo in considerazione le variazione di prova incorporate.

Ultimo, ma non meno importante, c'è il gruppo di grandezze di misura che descrivono la tratta percorsa. Vengono continuamente registrati i seguenti valori :

  • il profilo longitudinale (ogni 16 cm),

  • l'allineamento della tratta (ogni 16 cm),

  • la sopraelevazione (ogni 16 cm),

  • la misura della tratta (ogni 25 cm),

  • Il profilo trasversale destro/sinistro della tratta (ogni 25 cm).

Tecnologia estensiva per un completo treno metrologico Dynotrain

Nei vagoni sono state installate complete apparecchiature di misura e prova. Vengono utilizzati gli amplificatori ed i sistemi MGCplus della HBM.

Nell'ambito del progetto Dynotrain, i veicoli in prova comprendono una locomotiva, tre vagoni merci ed un vagone passeggeri, completati dal DB Netz AG Railab per la registrazione della geometria dei binari e da un vagone metrologico che ospita la centrale dei componenti di misura ed il relativo personale. Questi vagoni sono completati da sei vetture addizionali per garantire il corretto comportamento in frenata. Tale configurazione del treno - completata da una locomotiva di trazione per le corrispondenti reti di potenza in Svizzera, Francia ed Italia - era lunga fino a 400 m.

Per le cinque vetture di misura sono state utilizzate dieci serie di ruote dinamometriche. Era necessario registrare oltre 300 canali fisici e, data la configurazione dei filtri parzialmente diversa, si dovevano salvare contemporaneamente circa 1.000 canali di misura inclusi tutti i segnali di accelerazione e spostamento, quelli della geometria della rotaia e le informazioni addizionali concernenti la temperatura, la pressione atmosferica, l'umidità , i dati GPS e la pressione di frenata. Ciò comporta enormi requisiti del sistema di misura, tenendo conto che le cadenze di campionamento raggiungono i 1.200 Hz. Nel processo, parte della capacità della CPU risulta pertanto già impegnata. Ciascuno dei calcolatori delle cinque serie di ruote dinamometriche elabora i segnali di complessivi 48 estensimetri a ponte intero rilevati alla cadenza di fino a 1.000 volte al secondo, per misurare le sollecitazioni ruota-rotaia e trasferirle digitalmente all'amplificatore MGC. La complessa rete in fibra ottica delle isole di amplificatori MGC e dei calcolatori per le serie di ruote dinamometriche, oltre ai potenti calcolatori mainframe e relative memorie, è stata specificamente progettata per resistere a tali sollecitazioni. Le statistiche dei dati di misura vengono determinate in linea e possono essere visualizzate e poi analizzate immediatamente dopo il completamento del percorso di misura. I registratori in linea visualizzano parte dei dati grezzi consentendo agli ingegneri di bordo di monitorare i valori limite nelle situazioni critiche. In circa quattro settimane di giri di prova sono stati acquisiti e salvati oltre 3.000 GByte di dati di misura. Essi sono attualmente disponibili per i partner del progetto mediante il collegamento con un server rapido.

Sono stati impiegati complessivamente sette sistemi di amplificatori MGC; rilevatesi eccezionali per la loro elevata flessibilità e facilità d'uso. Grazie alla sua struttura modulare, il sistema MGCplus è adatto a molti e diversi compiti di misura. A magazzino sono disponibili gli opportuni moduli per collegare virtualmente tutti i tipi di trasduttori più comuni. Il Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) (Prospetto Dati Trasduttori Elettronico) consente al sistema di misura di essere configurato rapidamente e facilmente. Gli amplificatori identificano automaticamente i trasduttori a loro collegati; non occorre alcuna complessa e lunga configurazione manuale.
Un altro vantaggio del sistema MGCplus risultò di notevole importanza per l'impiego nel treno di misura della DB Systemtechnik: Tutti i canali del sistema di misura potevano essere registrati in modo assolutamente sincrono. Ciò è particolarmente necessario in questa applicazione, perché tutte le grandezze di misura devono essere correlate nella successiva analisi. La fase di analisi dei dati è ora già iniziata ed impegnerà i partner del progetto per i prossimi due o tre anni. I dati ottenuti con questo progetto formeranno la base per lo sviluppo, la progettazione, l'omologazione ed i conseguenti progetti di ricerca per molti anni.

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