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

Politecnico di MILANO - MECCANICA - MILANO(MI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Marco Francesco BOCCIOLONE

Descrizione

L'attività di ricerca svolta dall'UO del Politecnico di Milano ha per oggetto lo sviluppo di un archetto portastrisciante per pantografo con caratteristiche innovative, per quanto riguarda il materiale e la sensoristica, al fine di consentire la captazione a velocità superiori ai 300 km/h. L'articolazione delle attività è prevista nelle fasi specificate di seguito. FASE 1 (mesi 1-3): In questa fase, propedeutica per le successive, si prevede di effettuare simulazioni numeriche del comportamento dinamico del sistema pantografo-catenaria mediante un programma di simulazione numerica già sviluppato dai ricercatori del Dipartimento di Meccanica al fine di indicare gli obiettivi minimi di riduzione di massa e aumento di smorzamento del "sistema archetto" necessari ad ottenere significativi miglioramenti nella qualità della captazione, dal punto di vista delle accelerazioni subite dall'archetto e della variazione della forza di contatto. Il codice di calcolo utilizzato per questo scopo, verificato mediante prove sperimentali, schematizza la catenaria ad elementi finiti, tenendo conto delle non linearità dei pendini, e fatto essenziale in questa ricerca, tiene conto della deformabilità dell'archetto tramite approccio modale, includendo così le caratteristiche meccaniche che sono oggetto delle fasi successive. FASE 2 (mesi 4-12): Questa fase ha come scopo l'individuazione di materiali innovativi con particolare riferimento ai compositi multistrato a matrice metallica, in grado di coniugare le necessità di resistenza meccanica, diminuzione della massa, e aumento dello smorzamento. I requisiti indicati dai risultati forniti dalla FASE 1 saranno utilizzati per reperire sul mercato il materiale dalle caratteristiche richieste; con tali dati si procederà ad una modellazione del "sistema archetto" (porta archetto+strisciante) mediante uno schema ad elementi finiti per la verifica dello stato di sforzo, nelle condizioni definite nella FASE 1, delle frequenze proprie e relativi modi di vibrare. Verificate le prestazioni dal punto di vista numerico, si provvederà ad acquisire i materiali (in forma di semilavorati) e si realizzerà il porta-archetto, valutando la realizzazione in una delle due possibili forme: strisciante collegato meccanicamente oppure incollato al portastisciante. Contatti già avviati con aziende del settore consentiranno di avere accesso anche alle tecnologie relative all'incollaggio dello strisciante in grafite con il porta-archetto, nel caso di scelta della seconda soluzione. L'archetto così realizzato sarà caratterizzato sperimentalmente dal punto di vista dinamico per identificare le frequenze proprie, i modi di vibrare e soprattutto i coefficienti di smorzamento. FASE 3 (mesi 8-16): Scopo di questa fase è la verifica sperimentale in termini comparativi delle soluzioni scaturite dalle due fasi precedenti con quelle attualmente in uso. Si effettueranno prove al banco dinamico (banco ibrido emulatore della catenaria), realizzato presso i laboratori del Dipartimento di Meccanica nell'ambito di ricerche precedenti. Le prove verranno effettuate utilizzando un pantografo completo dove di volta in volta si sostituiranno gli archetti da provare. Tale banco permette l'applicazione del carico di prova sia sul singolo archetto sia sulla coppia di archetti mediante un attuatore idraulico con banda passante estesa fino a 100 Hz. Il controllo di tipo analogico è in anello chiuso con segnale si feedback in spostamento. Il sistema di applicazione del carico permette il disaccoppiamento tra attuatore e archetto/archetti in direzione longitudinale. Le forze scambiate sono misurate mediante celle di carico estensimetriche posizionate sul sistema di carico. Il sistema così configurato permette, oltre alla definizione del comportamento dinamico delle strutture in prova in diverse configurazioni ad esempio mediante l'identificazione delle risposte in frequenza ottenute con eccitazione di tipo sinusoidale, anche sperimentazioni del tipo Hardware in the Loop: in questo caso il segnale di retroazione in spostamento dello stantuffo (corrispondente al vero a quello del filo di contatto) viene fornito in ingresso ad un programma di simulazione numerica dell'interazione pantografo-catenaria col quale vengono numericamente stimate le forze di contatto e quindi il nuovo segnale di riferimento per lo spostamento dello stelo dell'attuatore. In questo modo si potrà sperimentare in laboratorio il comportamento di un pantografo fisico su una catenaria "virtuale" ma rappresentativa delle condizioni al vero. L'attività di indagine dinamica al banco ibrido emulatore della catenaria procederà unitamente alla U.O di CT e di FI, per quanto riguarda l'indagine sull'applicazione di metodologie di controllo attivo per l'ottimizzazione delle forze di contatto a bassa frequenza (passo delle campate e della pendinatura). FASE 4 (mesi 4-12): Parzialmente in parallelo alle attività previste nella FASE 3 si svilupperà l'applicazione di sensori a fibra ottica per poter stimare il contributo delle deformabilità dell'archetto sulla forza di contatto, nel campo di frequenze dove si ritiene che l'applicazione del nuovo materiale abbia la maggiore influenza (ossia oltre i 20 Hz). I sensori utilizzati saranno estensimetri a fibre ottiche il cui principio di funzionamento è l'interferometro di Fabry-Perot. Tali trasduttori, già sperimentati dai ricercatori del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano in seguito alle collaborazioni con il prof. Dara Childs della Texas A&M University nell'ambito dello sviluppo di tecniche di misura delle forze nei cuscinetti magnetici, oltre ad essere isolati elettricamente, presentano elevata sensibilità e accuratezza, dimensioni ridotte, insensibilità ai disturbi EMI e RFI, utilizzabilità un ampio intervallo di temperature (fino a 350 °C e oltre), sensibilità trasversale trascurabile, resistenza ad ambienti ostili e corrosivi. L'applicazione sull'archetto di tali trasduttori permetterà sia di valutare la deformabilità ad alta frequenza sia di progettare, realizzare e mettere a punto un sistema di misura delle forze di contatto ottenendo un "archetto dinamometrico" da utilizzarsi sia in laboratorio sia in linea su treni-prova. Per quanto riguarda il primo aspetto i risultati ottenuti con il nuovo sistema di misura verranno confrontati con quelli ottenuti strumentando l'archetto con accelerometri. Le prove di confronto verranno eseguite sia sul banco di dinamico sia sul banco prova captazione. Per quanto riguarda il secondo aspetto esso risulta particolarmente importante per la ricerca in oggetto e generalmente nelle fasi di progetto, verifica di nuovi pantografi e catenarie. I sistemi dinamometrici per la misura delle azioni strisciante-filo di contatto attualmente utilizzati trovano di solito collocazione in corrispondenza del vincolo tra porta-strisciante e quadro: tale collocazione è causa dell'alterazione della morfologia del vincolo (effetto di carico "geometrico") tra quadro e archetto o perché inserendosi come elementi aggiuntivi tra i punti di vincolo effettivi vengono a modificare quote geometriche del sistema, o perché, facendo salve le dimensioni del sistema, utilizzano punti di vincolo differenti da quelli reali con l'evidente conseguenza ad esempio di modificare le condizioni di vincolo e la lunghezza di libera inflessione dell'archetto. Le celle di carico utilizzate sono generalmente di tipo estensimetrico, con estensimetri a resistenza elettrica e sono progettate ad hoc non avendo quelle in commercio caratteristiche adatte all'applicazione considerata; tali caratteristiche si possono così riassumere: a) avere forme complesse per adattarsi ai vincoli esistenti e/o creati ad hoc con ingombri limitati; b) avere elevata sensibilità secondo l'asse di misura (la componente verticale statica della forza di contatto è indicativamente di 50 N), associata ad una risposta dinamica estesa dalla statica fino a 200 Hz; c) garantire, in particolar modo nelle prove in linea, condizioni di sicurezza anche in presenza di picchi di forza dovuti a situazioni particolari non sempre prevedibili a priori. Come si può notare tali esigenze risultano in contrasto tra di loro rendendo estremamente complessa la progettazione e la realizzazione di celle che presentino in forma soddisfacente le specifiche richieste. Le celle di tipo piezoelettrico, anche se in grado di avere sensibilità adeguate, non trovano applicazione sicuramente per morfologia e per inadeguatezza della risposta dinamica alle basse frequenze. Altre metodologie che si può pensare poter utilizzare sono quelle che prevedono di rendere dinamometrici alcuni elementi della struttura. Seguendo questa strada gli estensimetri a resistenza elettrica possono essere incollati sugli elementi di collegamento tra quadro e archetto; la difficoltà in questo caso sta nell'individuare un elemento che strutturalmente possa permettere di realizzare un "dinamometro" sufficientemente sensibile e con banda passante adeguata. In ogni caso soluzioni come quelle sopra indicate presentano il problema di proteggere la catena di misura dal rumore elettromagnetico, di isolarla elettricamente e di depurare il segnale dalle forze di inerzia associate alle masse sospese sulle celle (tipicamente gli archetti) almeno nei contributi dati dai moti rigidi. E' poi da considerarsi che l'utilizzo in campo di estensimetri a resistenza elettrica può presentare problemi di misura relativamente alla compensazione termica (che comunque possono essere facilmente controllati) e agli effetti dovuti alla ventilazione (non sempre controllabili e risolvibili in quanto necessitano di opportune schermature delle griglie non sempre compatibili con gli ingombri disponibili). In questa prospettiva risulta attraente l'uso di estensimetri a fibre ottiche. Tali estensimetri sono reperibili sul mercato anche nel tipo "compensato" ovvero in grado di fornire un segnale indipendente dalla dilatazione subita dal materiale su cui sono incollati per effetto di variazioni della temperatura (nel caso la sperimentazione indicasse una non soddisfacente compensazione in forma intrinseca da parte del sensore, si tenga presente che sullo strisciante si possono raggiungere temperature superiori ai 250 °C) - si potrebbero in ogni caso correggere i dati a partire dal rilievo della temperatura sull'archetto stesso. In questa fase di particolare impegno e interesse sarà la progettazione del "dinanometro archetto"; in termini di definizione del numero di sensori e della scelta della loro posizione: a riguardo saranno utilizzati sia i risultati della modellazione numerica sia quelli di prove di caratterizzazione statica e dinamica; si dovranno valutare e verificare le tecniche di incollaggio in relazione al mantenimento delle prestazioni anche alle alte temperature; si svilupperanno e si metteranno a punto le procedure di identificazione delle caratteristiche metrologiche mediante taratura statica e dinamica sfruttando anche le potenzialità offerte dal banco dinamico. Una volta messo a punto il sistema (con le relative procedure di caratterizzazione metrologica) si avrà a disposizione un sistema pronto per essere utilizzato sia al banco prova captazione sia in prove in linea. Per quest'ultima applicazione si sottolinea l'efficacia sperimentale del sistema messo a punto che può essere installato su treni-prova. FASE 5 (mesi 17-24): In questa fase si procederà alla verifica dell'insieme portastrisciante-strisciante, dal punto di vista termico, elettrico e meccanico, mediante prove al banco prova captazione, già operativo da quasi due anni presso il Politecnico di Milano. Le caratteristiche peculiari del banco sono quelle di poter effettuare prove fino a 200 km/h, impenendo una corrente max di 1000 A in c.c., e pari a 400 A in a.c., con simulazione della poligonazione. In tale attività, si opererà unitamente all'U.O. di Pisa, che effettuerà rilievi della temperatura mediante termocamera, essenziali per caratterizzare la funzionalità dell'archetto ed il livello di scintillio ed arco, da correlare con il rilievo della forza di contatto (misurata con l'"archetto dinamometrico"), fatto questo del tutto innovativo. Questa attività avrà delle importanti ricadute anche per quanto riguarda gli aspetti dell'interoperabilità in ambito ferroviario, ed in particolare sull'equivalenza dei criteri di captazione basati sulla forza di contatto, con quelli basati sui distacchi e la percentuale di archi.