Il punto in cui un pantografo di un treno elettrico entra in contatto con la linea aerea crea uno degli ambienti più complessi e difficili da comprendere, men che meno da prevedere e migliorare, per i produttori di componenti ferroviari e per gli ingegneri di test.
Affinché i treni funzionino in modo efficiente, il pantografo deve mantenere un contatto costante con i cavi dei carrelli sospesi dai sistemi di catenaria. Tuttavia, questi fili e le loro strutture di supporto presentano rigidezze verticali diverse lungo una determinata sezione. Il sistema a catenaria procede a zig-zag a intervalli da 30 a 100 metri per evitare la scanalatura. La forza che il pantografo esercita sul filo deve rimanere entro un intervallo ben definito (da 70N a 120N). Se è troppo bassa, la perdita di contatto provoca l'arco, che non solo fa perdere potenza al treno, ma danneggia la linea aerea e la barra di contatto attraverso l'incisione e il surriscaldamento. Se la forza è troppo elevata, l'attrito risultante consuma prematuramente il filo e la barra di contatto.
L'erogazione della giusta quantità di forza richiede un movimento verticale variabile. Ma quando i treni si muovono a velocità più elevate, i pantografi perdono la capacità di reagire in modo appropriato. Anche quando la linea aerea è il più piatta possibile, è piatta solo quando è sospesa indisturbata. Quando il pantografo solleva il filo, la deformazione risultante crea un'onda. Se il sollevamento è eccessivo, il pantografo crea una forma d'onda molto più ampia che causa problemi di contatto per il pantografo successivo lungo la linea.
Risolvere questi problemi è fondamentale per l'industria ferroviaria globale ad alta velocità, in rapida crescita. I passeggeri delle ferrovie richiedono un servizio rapido e affidabile, ma poiché i vagoni ferroviari corrono sempre più veloci, l'attuale tecnologia del pantografo mette a rischio la velocità e la qualità del servizio. Nel peggiore dei casi, una singola linea aerea usurata potrebbe spezzarsi e rompersi, causando un guasto che annullerebbe o reindirizzerebbe migliaia di viaggi, mentre i tecnici completano il costoso e lungo processo di sostituzione del filo danneggiato.
RICREARE INTERAZIONI COMPLESSE
Dal punto di vista dei test, la sfida principale è come ricreare l'ambiente operativo complesso e dinamico del pantografo in laboratorio. Il pantografo oggi viaggia a velocità fino a 350 km/h (220 m/h), e c'è in corso uno sviluppo che spinge il limite sempre più in alto. Il pantografo trasporta anche potenza sufficiente per accelerare centinaia di tonnellate di vagoni ferroviari alle massime velocità attraverso un'area di contatto molto piccola. E come abbiamo dimostrato, i componenti fisici interagiscono in un ambiente di scorrimento con un elevato movimento longitudinale e vari gradi di pressione.
I tradizionali studi sul pantografo comportano un test spin/slide di base, in cui la linea aerea è collegata a un disco rotante di uno o due metri di diametro. Il campione è un pezzo di carbonio o di altro materiale di contatto realizzato per assomigliare alla piastra del pantografo. Il campione viene spinto contro il filo rotante e fatto scorrere avanti e indietro. Questi test sono utili per caratterizzare gli effetti dell'usura su diversi materiali, ma non replicano le dinamiche di contatto che si verificano con il sistema effettivo in servizio.
Un nuovo sistema sviluppato da MTS Systems Corp. fornisce una simulazione più completa dell'ambiente del pantografo. Consente ai produttori e agli ingegneri di test di studiare con maggiore accuratezza e precisione la dinamica del pantografo e della linea aerea. È progettata per aiutare i gruppi di test a misurare il rapporto fuori linea (il tempo in cui il contatto viene ridotto), la resistenza di contatto, il fattore di potenza, il tempo e l'intensità dell'arco e la temperatura delle barre di contatto. Consente inoltre ai gruppi di test di eseguire misurazioni in tempo reale dell'usura e del cambio di profilo del filo e della barra di contatto.
Abilitando queste misurazioni, il sistema può essere utilizzato per comprendere meglio le prestazioni dei nuovi progetti di pantografi per la ferrovia ad alta velocità. Gli ingegneri di test possono eseguire studi efficaci sulla perdita di contatto e sui relativi effetti, sulla resistenza di contatto e sul tempo d'arco, sulla temperatura dell'arco e della barra di contatto e sugli effetti dell'usura sulla linea aerea e sulla barra di contatto. In definitiva, i dati dei test aiuteranno i produttori a sviluppare sistemi di sospensione del pantografo passivi o attivi che aumentano il tracciamento dinamico del movimento della linea aerea, con conseguente migliore contatto e riduzione al minimo l'usura del sistema di contatto.
CAPACITÀ DI TEST DEL SISTEMA
Questo nuovo sistema può replicare fedelmente la dinamica del pantografo e del sistema catenaria per svariati tipi diversi di condizioni operative che i vagoni ferroviari sperimentano in tutto il mondo.
Simula la velocità del treno montando la linea aerea attorno al bordo inferiore di un disco di 4 m di diametro che gira fino a 550 km/h. Il disco può essere programmato per simulare velocità variabili e riprodurre le cronologie della velocità del treno reale. Per simulare lo spostamento verticale o la rigidità della linea aerea, il disco è montato su un carrello di movimento che può riprodurre le cronologie temporali di spostamento verticale o simulare la cronologia della rigidità della linea aerea. Il carrello si muove anche con un movimento a zigzag per replicare il movimento reale della linea aerea sulla barra di contatto. Il pantografo completo è montato su una tavola vibrante che simula il movimento verticale dei vagoni ferroviari mentre corrono lunga la rotaia. Per completare la simulazione, è possibile trasmettere fino a 2.000 ampere attraverso il punto di contatto. Il flusso d'aria ad alta velocità è diretto nell'area di contatto per fornire raffreddamento e simulare il passaggio del pantografo sotto il cavo. E un carrello della strumentazione segue il movimento a zigzag del cavo, per offrire un monitoraggio in tempo reale della barra di contatto e della linea aerea.
La programmabilità dei singoli componenti è ciò che consente a questo sistema di test di creare simulazioni più realistiche delle effettive interazioni del pantografo e della linea aerea. Molteplici modalità di test consentono agli ingegneri di test di riprodurre le cronologie effettive e di variare tutti i canali di test disponibili, tra cui: spostamento verticale del cavo, spostamento orizzontale (zigzag) del cavo, velocità del cavo, movimento verticale del pantografo, sollevamento/abbassamento del pantografo, flusso di corrente e aria di raffreddamento. Il sistema può anche fornire uno scenario di test altamente ripetibile, consentendo misurazioni dettagliate di piccole differenze nella progettazione del campione di test. Queste misurazioni consentono di prendere decisioni ingegneristiche e modifiche progettuali con maggiore sicurezza sulle prestazioni dei componenti negli ambienti di servizio reali.
Durante i test parametrici, il disco viene spostato in un ciclo ripetuto mentre vengono modificati diversi parametri. Ad esempio, il disco può essere programmato per mantenere una posizione verticale costante, e quindi possono essere introdotti spostamenti sempre più grandi, effettuando studi dettagliati dell'effetto sulle prestazioni di contatto. La riproduzione sintetica dei dati implica la previsione della cronologia dello spostamento della linea aerea basata su un modello digitale, con un software di elaborazione del segnale avanzato (come MTS Remote Parameter Control o RPC) utilizzato per ottenere la cronologia desiderata del movimento del disco.
Infine, con la riproduzione della cronologia in tempo reale, lo spostamento della linea aerea viene misurato in pista e il software viene utilizzato per ricreare la cronologia del movimento del cavo. La base dei tempi di riproduzione può essere modificata, per simulare diverse velocità del treno e brevi sezioni dell'operazione effettiva possono essere collegate e ripetute per produrre un file di guida per la distanza totale desiderata.
MONITORAGGIO E MISURAZIONE
Uno dei modi in cui questo sistema di test migliora la capacità degli ingegneri di test è quello di consentire la misurazione di molti fattori che sono quasi impossibili da misurare in circostanze "reali" e di farlo in modo standardizzato e ripetibile.
Per fare ciò, il sistema include un'ampia strumentazione di monitoraggio dei test. Ciò include la misurazione del carico sulle barre di contatto, il carico di contatto e il carico di trascinamento. L'accelerazione verticale viene misurata a ciascuna estremità di ciascuna barra di contatto, il che consente il monitoraggio del movimento dinamico della barra di contatto mentre risponde ai disturbi del vagone e del cavo di contatto. Le temperature vengono monitorate con trasduttori montati sul retro della barra di contatto e una termocamera con capacità di registrazione. Gli scanner laser registrano il profilo del cavo e della barra di contatto per studi di usura. La distanza percorsa dal cavo viene registrata automaticamente. La misurazione della corrente e della tensione viene effettuata sia sul lato di ingresso che di uscita del punto di contatto, consentendo un monitoraggio dettagliato della resistenza, del fattore di potenza e del tempo offline. Il tempo e l'intensità dell'arco sono monitorati otticamente. Tutti i dati sono sincronizzati a tempo per studi dettagliati di istanze specifiche o condizioni operative.
Anche i canali di monitoraggio della macchina sono estesi. Includono i cuscinetti dell'albero principale (accelerazione verticale e orizzontale e temperatura), carichi e spostamenti dell'attuatore, attività del sistema di lubrificazione automatica, stato sollevamento/abbassamento del pantografo, idraulica e motore di azionamento. I limiti di monitoraggio (inclusi i livelli di avviso e di spegnimento) possono essere impostati su qualsiasi canale dati, offrendo ai tecnici del test un controllo preciso del funzionamento del sistema. Questi rilevatori di limite, combinati con i sistemi di controllo e monitoraggio, consentono il test automatico senza la necessità che gli operatori monitorino continuamente la macchina.
Queste capacità possono fare una grande differenza per i produttori di pantografi e treni. La misurazione dei numerosi parametri della dinamica di contatto su un pantografo in funzione, ad esempio, è ora una proposta realistica per i team di test. In passato, era un problema estremamente difficile e poco pratico da risolvere, a causa della scarsa ripetibilità e del controllo limitato. Oggi, simulazioni più accurate preparano il terreno per ulteriori approfondimenti preziosi. Ad esempio, i gruppi di test possono eseguire calcoli più accurati del fattore di potenza e della perdita, cosa che ha un effetto diretto sui costi operativi.
Questo sistema fa parte della prossima ondata di tecnologie di test del pantografo che stanno cambiando il modo in cui i team di test su rotaia di tutto il mondo conducono la ricerca. La sfida del mercato è intensa poiché più i treni corrono veloci, più le linee ferroviarie si espandono in più regioni e il numero di passeggeri a livello globale cresce. I produttori saranno in grado di affrontare la sfida con questo e altri sistemi di test che consentono ai team di test di ottenere simulazioni molto più realistiche di complesse dinamiche di pantografo e catenaria in laboratorio. Con una comprensione più accurata e dettagliata della risposta del pantografo nell'ambiente operativo, i progettisti di prodotti acquisiranno le informazioni necessarie per sviluppare pantografi più efficienti, affidabili e ad alte prestazioni.
