RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Miglioramento della captazione nei treni ad alta velocità mediante sviluppo di pantografi attivi e di tecniche di diagnostica non invasiva

Università di riferimento

Universita' degli Studi di CATANIA - INGEGNERIA INDUSTRIALE E MECCANICA - CATANIA(CT)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Fabio Vittorio FOSSATI

Descrizione

Per quanto riguarda l'attività di ricerca e i compiti dell'Unità Operativa è bene inquadrare brevemente i risultati raggiunti nelle precedenti ricerche, in quanto costituiscono il punto di partenza per le attività specifiche da svolgersi. Per quanto riguarda la tematica dell'ottimizzazione della captazione elettrica nei treni ad alta velocità mediante tecniche di controllo attivo e di diagnostica, è da segnalare lo sforzo compiuto nella direzione di utilizzare la forza di contatto tra pantografo e catenaria come elemento fondamentale in ambito diagnostico e come elemento determinante nell'attuazione di eventuali strategie di controllo attivo del pantografo. In particolare nelle precedenti ricerche è stata messa a punto una tecnica di identificazione della forza di contatto che si esercita tra pantografo e catenaria basata sull'utilizzo del Filtro di Kalman Esteso e ottenuta a partire da misure del solo spostamento del pantografo: il valore di forza identificata può essere successivamente utilizzato sia a fini diagnostici, che come valore da inserire in retroazione in un anello di controllo della forza di contatto evitando così di dover utilizzare una misura diretta della forza di contatto che presenta forti elementi di criticità. Sempre nelle precedenti ricerche svolte, è stato sviluppato in stretta collaborazione con il Politecnico di Milano un banco prova (nel seguito denominato "banco ibrido emulazione catenaria"). Tale banco prova permette di fare interagire un pantografo reale con uno stantuffo idraulico controllato in posizione che segue la legge di moto della catenaria reale, prevista da un opportuno modello matematico della catenaria stessa, dovuta all'interazione con il pantografo stesso. In altri termini il segnale di retroazione dello stantuffo (corrispondente al vero allo spostamento del filo di contatto) viene fornito in ingresso ad un programma di simulazione numerica dell'interazione pantografo catenaria con il quale vengono stimate le forze che il pantografo scarica sulla catenaria e quindi il nuovo segnale di riferimento per lo spostamento dello stelo dello stantuffo idraulico. In tal modo è possibile sperimentare il laboratorio il comportamento di un pantografo reale che interagisce con una catenaria virtuale, nonchè effettuare verifiche sulle logiche di controllo attivo e sulle reali potenzialità della tecnica di stima della forza di contatto. I risultati precedentemente raggiunti hanno dimostrato dal punto di vista sperimentale (utilizzando il banco ibrido emulazione catenaria) la reale possibilità di effettuare una affidabile stima della forza di contatto mediante il Filtro di Kalman Esteso effettuando la misura dei soli spostamenti del quadro e dell'archetto. Sono state quindi eseguite una serie di simulazioni numeriche ipotizzando di effettuare un controllo attivo del pantografo sulla base della stima della forza di contatto. Tali simulazioni hanno dimostrato dal punto di vista numerico una fattibilità dell'approccio proposto con risultati molto soddisfacenti nel campo delle frequenze tipicamente legate al passaggio campata corrispondenti alle velocità di percorrenza di circa 300 km/h. Il programma delle attività da svolgere prevede di affrontare i seguenti punti fondamentali: Fase 1 (Mesi 1-6): In tale fase si prevede di effettuare la verifica dal punto di vista sperimentale delle tecniche di controllo messe a punto precedentemente e già verificate numericamente, mediante l'utilizzo del banco ibrido emulazione catenaria. Su tale banco prova si prevede di andare a testare diversi sistemi di controllo basati sia sull'utilizzo di attuatori pneumatici, sia sull'utilizzo di attuatori elettromeccanici che agiscono direttamente sulla testa del pantografo. L'obiettivo iniziale è quello di andare a controllare il fenomeno alle basse frequenze (legate al passaggio campata) Inoltre si intende effettuare una verifica dal punto di vista sperimentale della reale possibilità di effettuare un controllo sulla base della stima della forza di contatto, da effettuarsi in linea, ovvero in tempo reale. Per il raggiungimento di tale obiettivo verrà utilizzata una scheda di controllo dotata di processore dedicato interamente al controllo completamente programmabile: su tale processore verrà impostata sia la logica id controllo che la logica di comando degli attuatori che si prevede di utilizzare di volta in volta. Il medesimo banco potrà essere utilizzato anche per sperimentare le logiche e i dispositivi di controllo messi a punto dalla U.O. di Firenze e dalla U.O. di Cagliari. Fase 2 (Mesi 7-10): In tale fase del lavoro si prevede di incrementare le capacità della tecnica di identificazione della forza di contatto, mediante il raffinamento del modello numerico semplificato della catenaria che permette di pilotare il banco emulazione catenaria e mediante un eventuale potenziamento dell'hardware e del software che gestiscono il banco stesso introducendo anche l'effetto della presenza della pendinatura: i pendini infatti contribuiscono alla dinamica del contatto con contributi che si collocano nel campo dei 10-15 Hz e che contribuiscono in maniera drammatica alla formazione dei distacchi con conseguente disfunzione del sistema di adduzione della corrente ai motori. Fase 3 (Mesi 11-17): In questa fase si prevede di tentare di migliorare il controllo attivo del pantografo cercando di rendere efficace il controllo anche alle frequenze più elevate relative al passaggio dei pendini. Da questo punto di vista la maggiore criticità è legata al controllo dello sfasamento introdotto dal filtro di Kalman utilizzato per la stima della forza. Fase 4 (Mesi 18-24): In questa fase si procederà ad effettuare una serie di attività relative alle tematiche di diagnostica del sistema di captazione elettrica. Il tema di ricerca riguarda lo studio della possibilità di utilizzare tecniche di identificazione dello stato di usura del filo di contatto e della presenza di eventuali difetti sulla linea mediante l'impiego del filtro di Kalman Esteso insieme a misure di vibrazione da effettuarsi sul solo pantografo durante il normale esercizio dello stesso, allo scopo di ottenere informazioni utili alla diagnostica della linea elettrica di alimentazione che viene percorsa. A tale scopo di prevede di utilizzare come modello di riferimento per il filtro un modello numerico di simulazione del comportamento dinamico del sistema "pantografo + catenaria" che permetta di ricostruire anche il moto di catenaria. Da un'indagine svolta nelle ricerche precedenti è emerso che i difetti di tipo distribuito che si riscontrano più frequentemente in fase di ispezione della linea di alimentazione, e che hanno importanti ricadute sul malfunzionamento del sistema di adduzione della corrente sono:  deformazione a carico costante con allungamento differenziale tra portante e filo di contatto;  alterazione del profilo del filo di contatto dovuto al montaggio di pendini caratterizzati da lunghezze differenti da quelle nominali. Tra i difetti di tipo concentrato che penalizzano la qualità della captazione vanno annoverati:  assenza di un pendino nella struttura a seguito di una sua rottura;  variazione di quota del tirante di poligonazione dovuto ad errato montaggio. Il nucleo fondamentale del tema di ricerca è uno studio di fattibilità sull'impiego del Filtro di Kalman Esteso allo scopo di identificare nel dominio del tempo alcuni parametri che possono essere considerati significativi dal punto di vista dell'indicazione dello stato di usura della linea di alimentazione con il progredire dell'esercizio della linea stessa, nonché per trarre informazioni sulla presenza di eventuali difetti tra quelli elencati in precedenza che pregiudicano la qualità della captazione e che in generale inducono un'usura maggiore sia degli striscianti del pantografo sia del filo di contatto. La tecnica proposta consentirebbe quindi di monitorare la progressione temporale dell'usura del filo di contatto con l'esercizio della linea stessa e le eventuali altre difettosità senza ispezioni dedicate, ma semplicemente utilizzando le misure di vibrazione effettuate sul solo pantografo durante la normale percorrenza della linea dal convoglio. Con tale approccio sarebbe possibile effettuare una diagnostica della linea a partire da misure effettuate sul solo pantografo, e come conseguenza si potrebbe utilizzare un treno convenzionale con alcuni punti di misura sul pantografo per effettuare la diagnostica dell'intero tratto di linea che viene percorso. Compito dell'unità di ricerca è di verificare la realizzabilità pratica della tecnica diagnostica descritta mediante lo svolgimento di attività sperimentali utilizzando in modo dedicato il banco emulazione catenaria già citato in precedenza. In particolare si prevede di inserire nel software di gestione del banco (ovvero di simulazione del moto della catenaria) le principali tipologie di difettosità descritte in precedenza per procedere quindi ad una verifica dal punto di vista sperimentale della capacità di identificazione del difetto stesso da parte del Filtro di Kalman.