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Il programma di attività dell'u.o. di Firenze avrà tre diversi obbiettivi di seguito elencati. A) Studio di strutture di pantografi asimmetrici con limitato ingombro in pianta, con particolare riferimento alla struttura del quadro principale. Il limitato ingombro in pianta li rende il pantografo idoneo a macchine politensione interoperabili sul cui imperiale siano ospitati più pantografi, ognuno adatto ad uno standard di elettrificazione diverso. Lo studio prevederà una ottimizzazione della topologia e dei parametri cinematici del quadro di base, tenendo presenti gli aspetti strutturali (masse, rigidezze) che ne condizionano il comportamento dinamico. L'obbiettivo A) sarà perseguito in stretta collaborazione con l'u.o. di Milano che approfondirà maggiormente l'indagine sulla parte superiore del pantografo. B) Studio dell'influenza della velocità sulle spinte aerodinamiche agenti sul pantografo. Verranno utilizzati codici di calcolo CFD per il calcolo delle interazioni pantografo/aria. I risultati dello studio, attraverso un processo di prova ed errore contribuirà ad ottimizzare le sagome dei componenti del quadro principale in modo da rendere il pantografo aerodinamicamente neutro per quanto possibile. C) Metodologie di regolazione della forza di contatto con reiezione del disturbo di campata tramite attuazione pneumatica sul quadro di base. Tale attività sarà svolta in stretta collaborazione con l'u.o. di Cagliari che contribuisce al progetto con un vasto bagaglio di conoscenze sui sistemi di controllo a struttura variabile (VSC). Esisterà anche una forte interazione anche con l'u.o. Catania che affronterà il problema della stima delle forze di contatto che sono difficilmente misurabili con sensori estensimetrici viste le severe condizioni di lavoro in cui la sensoristica si trova ad operare. Il lavoro dell'u.o. di Firenze sarà articolato in 6 fasi descritte in appresso. Le date di inizio e fine di ogni fase nonché i costi attesi sono indicativo e potranno subire ragionevoli variazioni anche in cosiderazione delle esigenze di coordinamento con le altre u.o. Fase 1: ottimizzazione cinetodinamica del quadro di base Inizio: inizio mese 1 Fine: fine mese 6 Costo previsto: 7000 Euro Risultati attesi: definizione di uno o più meccanismi di quadro principale L'ottimizzazione del disegno del quadro di base sarà motivata dal fatto che il compito del quadro principale di un pantografo è quello di fornire la corsa necessaria a soddisfare le specifiche della linea elettrificata, assorbendo per quanto possibile le oscillazioni indotte sulla forza di contatto dalle variazioni di impedenza meccanica lungo la campata (frequenze inferiori a 2Hz). Le specifiche di un pantografo idoneo a circolare su tutte le linee Italiane sono molto stringenti in termini di corse richieste. Quindi, sebbene sia ragionevole pensare che le prestazioni dinamiche massime del pantografo nel suo complesso siano ottenibili solo con piccole variazioni di quota quali quelle riscontrabili, ad esempio, sulla "direttissima" Firenze-Roma, dal punto di vista cinetostatico, l'ottimizzazione va estesa a tutta la corsa richiesta che supera abbondandemente 1.5 metri. L'ottimizzazione cinetostatica, mirante ad ottenere un comportamento isotropo in forza in aggiunta alle corse richieste, sarà effettuata con strumenti matematici più tradizionali (ad esempio ottimizzazione vincolata con metodo del gradiente proiettato) che con strumenti di tipo soft computing (algoritmi genetici). I risultati dell'ottimizzazione saranno uno o più insiemi di parametri cinematici che definiscono in dettaglio il meccanismo del quadro di base. Successivamente ai cinematismi ottenuti saranno attribuite delle proprietà di massa e di rigidezza in accordo con un dimensionamento strutturale di massima e si procederà ad una verifica delle scelte cinematiche fatte, sulla base di valutazioni a priori del comportamento dinamico atteso (masse e rigidezze ridotte risultanti) e di valutazioni a posteriori effettuate tramite simulazioni di condizioni operative. Fase 2: ottimizzazione aerodinamica Inizio: inizio mese 7 Fine: fine mese 12 Costo previsto: 7000 Euro Risultati attesi: embodyment dei meccanismi sviluppati nella fase 1 in soluzioni costruttive che siano ottimizzate dal punto di vista della riduzione delle azioni aerodinamiche. I meccanismi di quadro principale sviluppati nella fase 1 saranno "vestiti" con sagome aerodinamiche che verranno provate mediante codici di simulazione CFD commerciali. Attraverso un processo iterativo, saranno eventualmente apportate modifiche al dimensionamento strutturale e/o cinematico fino a giungere ad un buon compromesso tra le esigenze (potenzialmente contrastanti) derivanti da: - ottimizzazione cinetostatica (isotropia in forza e corse); - ottimizzazione dinamica (masse e rigidezze ridotte, impedenza vista dalla linea); - ottimizzazione aerodinamica (comportamento per quanto possibile neutro rispetto all'influenza della velocità sulla forza di contatto nei due sensi di marcia). Fase 3: integrazione dell'archetto sviluppato dall'u.o. di Milano con il quadro di base Inizio: inizio mese 13 Fine: fine mese 15 Costo previsto: 7000 Euro Risultati attesi: definizione di uno o più meccanismi completi di pantografo (quadro principale + archetto) Sebbene già nelle fasi 1 e 2 sarà necessaria una condivisione di obbiettivi e risultati intermedi con l'u.o. di Milano per gli aspetti di interfacciamento meccanico e modellazione dell'interazione dinamica tra quadro principale ed archetto, nella fase 3 l'interazione con l'u.o. di Milano diventerà più stretta. Infatti sarà necessario condividere i risultati conclusivi della fase di progettazione delle due parti principali del pantografo, procedendo agli ultimi piccoli affinamenti che permettano alle due parti di funzionare in modo armonico come una singola unità. Non è probabilmente verosimile che uno dei risultati realizzato con i finanziamenti del presente progetto sia il prototipo di un nuovo pantografo. Sarà invece uno dei risultati della ricerca un progetto esecutivo di nuovo pantografo. Il progetto sarà dettagliato in modo da renderne possibile l'esecuzione nel caso di reperimento di ulteriori fondi e validato mediante simulazioni dinamiche sul prototipo virtuale ed esperimenti condotti su sottosistemi (esempio: sistema di sensorizzazione, sistema di stima della forza, sistema di controllo, sistema di attuazione, sagoma aerodinamica) grazie alla disponibilità di pantografi convenzionali esistenti presso il Politecnico di Milano che possono essere modificati in modo reversibile per gli scopi del progetto. Fase 4: sviluppo di un sistema di controllo della forza di contatto basato su attuatori pneumatici Inizio: inizio mese 13 Fine: fine mese 18 Costo previsto: 7000 Euro Risultati attesi: pantografo con attuazione penumatica sul quadro e sistema di controllo attivo In questa fase l'u.o. di Firenze interagirà con quelle di Catania per quanto riguarda le tecniche di stima della forza di contatto basata su misure posizionali e con quella di Cagliari per quanto riguarda le tecniche di regolazione della forza di contatto con reiezione del disturbo di campata. Tali tecniche saranno implementate in un sistema di controllo a DSP disponibile presso l'u.o. di Firenze in modo da preparare l'esecuzione di prove sperimentali presso il Politecnico di Milano nella fase finale del progetto. Fase 5: partecipazione a prove sperimentali presso il Politecnico di Milano Inizio: inizio mese 19 Fine: fine mese 24 Costo previsto 7000 Euro Risultati previsti: messa a punto del sistema di controllo del quadro e collaudo con verifica delle prestazioni In questa fase finale del progetto personale dell'u.o. di Firenze parteciperà alla progettazione, all'esecuzione ed all'analisi di prove sperimentali da effettuarsi sul banco disponibile presso il Politecnico di Milano. In particolare, il contributo dell'u.o. di Firenze sarà relativo alla messa a punto al banco del sistema di attuazione e controllo del quadro principale. Saranno verificate le prestazioni del sistema in termini di capacità di reiezione del disturbo di campata e di assenza di rigenerazione nei confronti di disturbi a più alta frequenza. Fase 6: reporting e produzione di articoli scientifici e memorie per conferenze Inizio: inizio mese 22 Fine: fine mese 24 Costo previsto: 5000 Euro Risultati attesi: rapporti tecnici e pubblicazioni scientifiche La fase finale del progetto sarà dedicata alla compilazione di rapporti che consolidino le conoscenze acquisite nell'ambito del progetto e di articoli scientifici (per quanto di divulgabile emergerà) per riviste e conferenze del settore.
