O ponto onde um pantógrafo de trem elétrico faz contato com a catenária cria um dos ambientes mais complexos e desafiadores para os fabricantes de componentes ferroviários e engenheiros de testes entenderem, imagine prever e aprimorar.
Para que os trens operem eficientemente, o pantógrafo deve manter contato constante com as catenárias suspensas dos sistemas de catenária. No entanto, estes fios e suas estruturas de apoio apresentam diferentes rigidezes verticais ao longo de uma determinada seção. O sistema de catenária ziguezagueia em intervalos de 30 a 100 metros para evitar ranhuras. A força que o pantógrafo aplica ao fio deve permanecer dentro de uma faixa bem definida (70N a 120N). Se for muito baixo, a perda de contato resulta em arco elétrico, o que não só faz com que o trem perca energia, mas danifica a catenária da locomotiva e a barra de contato através de ranhura e superaquecimento. Se a força for muito alta, o atrito resultante desgasta o fio e a barra de contato prematuramente.
Fornecer a quantidade certa de força requer movimento vertical variável. Mas quando os trens se movem em velocidades mais altas, os pantógrafos perdem sua capacidade de reagir adequadamente. Mesmo quando o arame do carrinho é o mais plano possível, ele só é plano quando está pendurado sem ser perturbado. Quando o pantógrafo levanta o fio, a deformação resultante cria uma onda. Se houver muita elevação, o pantógrafo cria uma forma de onda muito maior que causa problemas de contato para o próximo pantógrafo a descer a linha.
A solução destes problemas é fundamental para o rápido crescimento da indústria ferroviária global de alta velocidade. Os passageiros dos trens exigem um serviço rápido e confiável, mas como os vagões funcionam cada vez mais rápido, a tecnologia atual do pantógrafo coloca em risco a velocidade e a qualidade do serviço. Na pior das hipóteses, um único fio degastado da catenária poderia rachar e quebrar, causando uma falha que faria com que milhares de viagens fossem canceladas ou redirecionadas enquanto os técnicos executassem o processo dispendioso e demorado de substituir o fio danificado.
RECRIANDO INTERAÇÕES COMPLEXAS
De uma perspectiva de teste, o principal desafio é como recriar o complexo e dinâmico ambiente operacional do pantógrafo no laboratório. O pantógrafo está viajando a velocidades de até 350 k/h (220 mph) hoje, com o desenvolvimento contínuo empurrando esse limite para cima. O pantógrafo também está carregando energia suficiente para acelerar centenas de toneladas de vagões para velocidades máximas através de uma área de contato muito pequena. E como já demonstramos, os componentes físicos interagem em um ambiente de deslizamento com alto movimento longitudinal e graus variáveis de pressão.
Os estudos pantográficos tradicionais envolvem um teste básico de giro/deslizamento, no qual o fio do carrinho é preso a um disco de giro de um ou dois metros de diâmetro. A amostra de teste é um pedaço de carbono ou outro material de contato feito para se assemelhar ao sapato pantográfico. O corpo de prova é empurrado contra o fio giratório e desliza para frente e para trás. Estes testes são valiosos para caracterizar os efeitos do desgaste em diferentes materiais, mas não reproduzem a dinâmica de contato que ocorre com o sistema real em serviço.
Um novo sistema desenvolvido pela MTS Systems Corp. fornece uma simulação mais completa do ambiente pantográfico. Ele permite aos fabricantes e engenheiros de testes estudar a dinâmica do pantógrafo e do carrinho com maior exatidão e precisão. Ele é projetado para ajudar os grupos de teste a medir a relação off-line (o tempo quando o contato é reduzido), a resistência do contato, o fator de potência, o tempo e intensidade do arco e a temperatura das barras de contato. Ele também permite que grupos de teste realizem medições de desgaste em tempo real e mudança de perfil do fio e da barra de contato.
Ao permitir estas medidas, o sistema pode ser usado para obter uma melhor compreensão de como os novos projetos de pantógrafos para trilhos de alta velocidade irão funcionar. Os engenheiros de teste podem realizar estudos eficazes de perda de contato e efeitos relacionados, resistência de contato e tempo de arco, temperatura do arco e da barra de contato, e efeitos de desgaste no fio e na barra de contato da catenária. Finalmente, os dados de teste ajudarão os fabricantes a desenvolver sistemas de suspensão pantográfica passivos ou ativos que aumentam o rastreamento dinâmico do movimento da catenária, resultando em um melhor contato enquanto minimiza o desgaste no sistema de contato.
CAPACIDADES DO SISTEMA DE TESTE
Este novo sistema pode replicar de perto a dinâmica do pantógrafo e do sistema de catenária para muitos tipos diferentes de condições de operação de vagões em todo o mundo.
Ele simula a velocidade do trem pela montagem da catenária ao redor da borda inferior de um disco de 4m de diâmetro que gira a velocidades operacionais de até 550 km/h. O disco pode ser programado para simular velocidades variáveis, assim como recriar históricos reais de tempo de velocidade do trem. Para simular o deslocamento ou rigidez vertical da catenária, o disco é montado na composição de movimento que é programado para reproduzir histórico de tempo de deslocamento vertical ou simular o histórico de tempo de rigidez da catenária. A composição também se move em ziguezague para simular o movimento da catenária no trilho. O pantógrafo completo é montado em uma mesa vibratória que simula o movimento vertical do vagão como se ele estivesse se movimentando nos trilhos. Para completar a simulação o sistema pode transmitir até 2.000 amperes através do ponto de contato. O fluxo de ar de alta velocidade é direcionado para a área de contato para proporcionar resfriamento e simular a passagem do pantógrafo sob o fio. E uma composição de instrumentação acompanha o movimento em ziguezague do fio para fornecer monitoramento em tempo real de desgaste sobre a barra de contato e a catenária.
A programabilidade dos componentes individuais é o que permite que este sistema de teste crie simulações mais realistas das interações reais do pantógrafo e da catenária. Múltiplos modos de teste permitem que os engenheiros de teste reproduzam os históricos de tempo reais, bem como variar todos os canais de teste disponíveis, inclusive: deslocamento vertical do fio, deslocamento horizontal do fio (ziguezague), velocidade do fio, movimento vertical do pantógrafo, elevação/descida do pantógrafo, fluxo de corrente e ar de resfriamento. O sistema também pode fornecer um cenário de teste altamente repetível, permitindo medições detalhadas de pequenas diferenças no projeto do artigo em teste. Essas medidas permitem que decisões de engenharia e mudanças de projeto sejam feitas com maior confiança na forma como os componentes funcionarão nos ambientes de serviço reais.
Durante os testes paramétricos, o disco é movido em um ciclo repetido enquanto parâmetros diferentes são alterados. Por exemplo, o disco pode ser programado para manter uma posição vertical constante, e então podem ser introduzidos deslocamentos cada vez maiores e feitos estudos detalhados do efeito sobre o desempenho do contato. A reprodução de dados sintéticos envolve a previsão do histórico de deslocamento do fio do carrinho com base em um modelo digital, com software avançado de processamento de sinais (como o MTS Remote Parameter Control, ou RPC) utilizado para alcançar o histórico de movimento do disco desejado.
Finalmente, com a reprodução do histórico em tempo real, o deslocamento da catenária é medida nos trilhos e o software é usado para recriar o histórico do tempo de movimento do fio. A base de tempo da reprodução pode ser alterada para simular diferentes velocidades de trem, e pequenas seções da operação real podem ser conectadas e repetidas para produzir um arquivo de acionamento para a distância total desejada.
MONITORAMENTO E MEDIÇÃO
Uma das maneiras como este sistema de teste aumenta a capacidade dos engenheiros de teste é permitindo a medição de muitos fatores que são quase impossíveis de medir em circunstâncias do "mundo real", e medi-los de uma maneira padronizada e repetível.
Para isso, o sistema inclui instrumentação de monitoramento de testes extensivos. Isso inclui medição de carga nas barras de contato, carga de contato e carga de arrasto. A aceleração vertical é medida em cada extremidade de cada barra de contato, o que permite o monitoramento do movimento dinâmico da barra de contato à medida que ela responde aos distúrbios do vagão e do fio de contato. As temperaturas são monitoradas com transdutores montados na parte traseira da barra de contato e uma câmera de imagem térmica com capacidade de gravação. Os scanners a laser registram o perfil do fio e da barra de contato para estudos de desgaste. A distância de viagem do fio é registrada automaticamente. A medição de corrente e tensão são medidas tanto no lado de entrada quanto no lado de saída do ponto de contato, permitindo o monitoramento detalhado da resistência, do fator de potência e do tempo fora de linha. O tempo e a intensidade do arco são monitorados opticamente. Todos os dados são sincronizados no tempo para estudos detalhados de instâncias específicas ou condições operacionais.
Os canais de monitoramento de máquinas também são extensos. Eles incluem os rolamentos do eixo principal (aceleração vertical e horizontal, bem como a temperatura), cargas e deslocamentos do atuador, atividade do sistema de lubrificação automática, estado de elevação/descida do pantógrafo, sistema hidráulico e motor de acionamento. Os limites de monitoramento (incluindo níveis de advertência e desligamento) podem ser definidos em qualquer canal de dados, dando aos engenheiros de teste o controle preciso da operação do sistema. Estes detectores de limite, combinados com os sistemas de controle e monitoramento, permitem testes automáticos sem a necessidade de operadores monitorarem a máquina continuamente.
Estas capacidades podem fazer uma grande diferença para os fabricantes de pantógrafos e trens. Medir os muitos parâmetros da dinâmica de contato em um pantógrafo em funcionamento, por exemplo, é agora uma proposta realista para as equipes de teste. No passado, este era um problema extremamente difícil e impraticável de resolver devido à fraca repetibilidade e ao controle limitado. Hoje em dia, simulações mais precisas preparam o cenário para percepções mais valiosas. Por exemplo, os grupos de teste podem realizar cálculos mais precisos do fator de potência e perda, que têm um efeito direto nos custos operacionais.
Este sistema faz parte da próxima onda de tecnologias de testes pantográficos que estão mudando a maneira como as equipes de testes ferroviários em todo o mundo conduzem pesquisas. O desafio do mercado é intenso à medida que os trens correm mais rápido, as linhas ferroviárias se expandem para mais regiões e a jornada global cresce. Os fabricantes serão capazes de enfrentar o desafio com este e outros sistemas de teste que permitem às equipes de teste obter simulações muito mais realistas da dinâmica de pantógrafos complexos e sistemas de catenária no laboratório. Com uma compreensão mais precisa e detalhada da resposta do pantógrafo no ambiente operacional, os projetistas de produtos ganharão a percepção que precisam para desenvolver pantógrafos mais eficientes, confiáveis e de alto desempenho.
