DE TRACCIÓN ELECTRICA

Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con los métodos y procedimientos empleados en vehículos de tracción eléctrica para evitar, o reducir, el patinaje o deslizamiento que se produce entre las ruedas de los vehículos y el carril de rodadura por el que se desplazan .

Estado de la técnica

Los sistemas de control de tracción eléctricos de vehículos ferroviarios se encargan de que los motores eléctricos de tracción bajo su control proporcionen un par de tracción, o un par de frenado, igual a un valor de par de referencia demandado por el conductor del vehículo ferroviario, o por el propio sistema de control. Así, cuando se demanda un determinado par de referencia, el sistema de control aumenta las revoluciones de los motores eléctricos de tracción para transmitir respectivos movimientos de giro a unos ejes motrices a los que van asociadas las ruedas del vehículo ferroviario.

Cuando el par de tracción que transmite el motor eléctrico al eje motriz del vehículo es superior al par resistente, es decir, cuando el par de referencia demandado supera la fricción existente entre la rueda y el carril, se produce un fenómeno de patinaje, o deslizamiento, de la rueda sobre el carril de rodadura por el que circula. Este fenómeno suele producirse en condiciones de baja adherencia, cuando el carril está sucio, mojado, o en malas condiciones, y principalmente en la puesta en marcha del vehículo ferroviario en condiciones de aceleración para alcanzar la velocidad de transito deseada.

Por deslizamiento debe entenderse la velocidad relativa entre la rueda y los carriles, es decir, la diferencia entre la velocidad lineal de la rueda y la velocidad del vehículo. La rueda tiende a sufrir un patinaje cuando se fracciona, o tiende a bloquearse cuando se frena, esto produce vibraciones que disminuyen el confort de los usuarios del vehículo ferroviario y produce degradaciones del material que constituye las ruedas, pudiéndose producir defectos que provocan un mal funcionamiento de las ruedas, o incluso su destrucción, como pueden ser planos, grietas, coqueras, exfoliaciones, etc.

El máximo esfuerzo de tracción que se puede transmitir, es decir, el máximo par que puede transmitir el motor eléctrico de tracción al eje motriz depende de la adherencia existente entre la rueda y el carril. El esfuerzo de tracción a transmitir se puede mejorar aumentando la adherencia, una solución convencional para aumentar la adherencia consiste en lanzar arena sobre el carril, así, en la cabina del conductor se dispone una luz que avisa en el momento de producirse un patinaje o deslizamiento, de manera que en dicho momento el conductor deja caer arena sobre el carril para aumentar la adherencia.

Otra solución para mejorar la adherencia y optimizar el esfuerzo de tracción consiste en asociar cada motor eléctrico de tracción que dispone el vehículo ferroviario a un mayor número de ejes motrices, de manera que se disminuye el esfuerzo de tracción que se debe transmitir a cada eje motriz. Al disponerse un mayor número de ejes se aumenta el peso total del vehículo, con lo que se mejora la adherencia entre rueda y carril, no obstante, este aumento de peso implica un mayor consumo energético por parte de los motores eléctricos de tracción, además de resultar un montaje complejo y costoso.

Una solución convencional para actuar sobre el patinaje, o deslizamiento, de las ruedas de un vehículo ferroviario se trata de que el conductor del vehículo reduzca manualmente la velocidad del mismo, sin embargo, está reducción no es lo suficientemente rápida ni precisa como para maximizar el esfuerzo de tracción que se transmite a los ejes motrices.

Para solventar este problema, son conocidos los sistemas de control de tracción eléctricos que actúan electrónicamente sobre el par de tracción maximizando el aprovechamiento del esfuerzo de tracción que se transmite a cada eje motriz del vehículo ferroviario. Estos sistemas de control se basan en una reducción, según una expresión lineal, del par de tracción transmitido por el motor eléctrico en el momento en que se detecta un patinaje o deslizamiento. Esta reducción lineal del par no es óptima, ya que puede producir vibraciones, lo que disminuye la estabilidad del vehículo, la dirigibilidad del mismo y el confort de los usuarios.

Se hace por tanto necesario disponer un método para controlar el patinaje de los vehículos ferroviarios, que actúe inmediatamente sobre el deslizamiento de la rueda atenuándolo gradualmente, disminuyendo las vibraciones y aumentando el confort de los usuarios.

Objeto de la invención

De acuerdo con la presente invención se propone un método de control del patinaje de las ruedas de vehículos de tracción eléctrica, principalmente vehículos de tracción ferroviaria, como trenes, tranvías o metros, el cual se basa en actuar sobre el par de tracción del motor eléctrico controlando sus revoluciones, de modo que cuando se detecta un deslizamiento de la rueda sobre el carril se actúe sobre el par de tracción mediante una reducción según una expresión exponencial.

Así, cuando se detecta un deslizamiento, o patinaje, de la rueda sobre el carril de rodadura por el que circula, se actúa electrónicamente sobre el par de tracción del motor eléctrico según dos fases consecutivas :

A. Reducción exponencial del par de tracción durante un tiempo de reducción predefinido.

B. Recuperación lineal del par de tracción hasta alcanzar el par de tracción demandado o la detección de un nuevo deslizamiento.

El método objeto de la invención permite aplicar un esfuerzo de tracción o frenado máximo respecto a las condiciones de adherencia de la vía por donde circula el vehículo.

Asimismo, minimiza los deslizamientos de las ruedas actuando de manera inmediata sobre ellos, con lo que se consigue disminuir el valor de los picos de deslizamiento y evitar un deslizamiento prolongado en el tiempo. Asi, se evitan planos y desgastes excesivos en el material que constituye las ruedas.

Por otro lado se minimizan vibraciones a nivel de caja del vehículo, es decir los vagones donde viajan los usuarios. La reducción del par de tracción de forma exponencial evita que las variaciones del par sean demasiado fuertes, disminuyendo el estrés del sistema mecánico y mejorando el confort al nivel de caja. Del mismo modo se consigue una mayor estabilidad de control del vehículo en diferentes condiciones de funcionamiento, como son defectos de vía, curvas sinuosas, etc.

Se obtiene así un método de unas características muy ventajosas, adquiriendo vida propia y carácter preferente para la función de aplicación a la que está destinado en relación al control del patinaje de las ruedas de un vehículo ferroviario sobre los carriles de rodadura por donde circula.

Descripción de las figuras

La figura 1 muestra una gráfica que relaciona la evolución del par de tracción de un motor eléctrico de tracción de un vehículo ferroviario a lo largo del tiempo .

Descripción detallada de la invención

Los vehículos ferroviarios suelen disponer de unas estructuras rodantes, denominada bogies, sobre las que descansan los vagones en los que viajan los usuarios del vehículo. Un bogie consta de una plataforma en donde se disponen unos ejes, los cuales presentan en sus extremos las correspondientes ruedas para transitar sobre unos carriles de circulación, en caso de tratarse de un bogie tractor, estos ejes son unos ejes motrices los cuales van asociados a un motor eléctrico de tracción que transmite un par de tracción a dichos ejes motrices. También puede darse el caso de que cada rueda del bogie disponga de un motor eléctrico de tracción independiente .

Según esta disposición, cuando se demanda un par de tracción a los motores eléctricos superior al máximo esfuerzo de tracción que se puede transmitir, es decir, cuando el par de tracción demandado (T_ref) supera la adherencia entre la rueda y el carril, se produce un patinaje o deslizamiento de la rueda. Para evitar este hecho, la invención propone un método de control del patinaje de ruedas de vehículos de tracción eléctrica basado en un control en tiempo real del par de tracción transmitido a los ejes motrices, o en su caso a las ruedas motrices.

El método se basa en actuar sobre el par de tracción del motor eléctrico controlando sus revoluciones, de modo que cuando se detecta un deslizamiento de la rueda sobre el carril se actúe sobre el par de tracción según dos fases consecutivas:

A. Reducción exponencial del par de tracción del motor eléctrico.

B. Recuperación lineal del par de tracción del motor eléctrico . Con la reducción exponencial del par de tracción del motor eléctrico se consigue disminuir las vibraciones y se mejora la estabilidad y dirigibilidad del vehículo, con lo que se logra un mayor confort para los usuarios del vehículo ferroviario que en las soluciones convencionales en las que se realiza un reducción lineal del par de tracción.

El método objeto de la invención se compone en su totalidad en las siguientes tres etapas:

Una primera etapa en donde se asignan y se monitorizan en tiempo real una serie de variables del vehículo ferroviario. Una segunda etapa en donde se detecta si se ha producido un patinaje, o deslizamiento, de la rueda sobre el carril, mediante la comparación de las variables monitorizadas en la etapa anterior con unos valores preestablecidos. Y una tercera etapa que se produce en caso de detectarse un patinaje o deslizamiento en la etapa anterior, y en la que se actúa sobre el par de tracción mediante una reducción del mismo.

A continuación se definen de manera detallada cada una de dichas etapas.

Etapa 1. Asignación de variables:

Se asigna un valor de par de referencia (T_ref) para el motor de tracción, correspondiente con el par demandado por el conductor del vehículo ferroviario.

Se monitorizan de forma continua y en tiempo real las siguientes variables del vehículo ferroviario. • Aceleración y velocidad angular del eje motriz del motor eléctrico de tracción.

• Aceleración y velocidad tangencial o lineal de la rueda .

• Aceleración y velocidad lineal del tren.

Estas variables se calculan mediante técnicas convencionales, por lo que no se entran a describir de modo detallado en la Patente. La adquisición de estas variables se puede realizar mediante sensores de velocidad (tacómetros) ubicados en las ruedas y en el vehículo, o encoders increméntales o absolutos acoplados a los motores de tracción que cuentan una serie de pulsos para obtener la velocidad en el eje motriz del motor.

Etapa 2. Detección del deslizamiento:

Las variables del vehículo ferroviario monitorizadas en la etapa anterior son comparadas en tiempo real con una serie de valores preestablecidos para la detección de un deslizamiento, o patinaje, de la rueda sobre el carril. La detección de un deslizamiento, o patinaje, se produce si se cumple alguna de las siguientes condiciones :

• Si la aceleración angular del eje motriz que acciona las ruedas es superior a un valor umbral de aceleración lineal.

• Si la diferencia entre la velocidad lineal de la rueda y la velocidad lineal del vehículo es superior a un valor umbral de velocidad lineal. Puesto que las aceleraciones y deceleraciones son variables en función de modos de funcionamiento que pueda adoptar el vehículo ferroviario, el umbral de aceleración lineal puede tomar distintos valores. Así, el valor umbral de aceleración lineal puede estar comprendido entre 2 m/s ² y 6 m/s ² .

En el caso de que se produzca un bloqueo debido a una frenada del vehículo ferroviario el valor umbral de aceleración lineal está comprendido entre -2 m/s ² y -6 m/s ² .

Del mismo modo, el umbral de velocidad lineal podrá ser variable con la velocidad del vehículo para obtener un funcionamiento óptimo a distintas velocidades del vehículo. Así, el valor umbral de velocidad lineal puede estar comprendido entre 0.5 m/s y 2 m/s. Etapa 3. Actuación sobre el par:

Esta etapa del método se produce cuando se detecta un deslizamiento en la etapa anterior. Si no se detecta ningún deslizamiento el vehículo ferroviario se mantiene en un estado normal en donde se mantiene el par de tracción demandado (T ref ) .

Cuando se detecta el deslizamiento, o patinaje, se entra a actuar sobre el par de tracción del motor eléctrico según dos fases consecutivas:

A. Reducción exponencial del par de tracción durante un tiempo de reducción (t_red) predefinido según la siguiente expresión: T fin = T ini - J, eq en donde T_fin es el valor del par de tracción en la reducción exponencial, J _eq es la inercia equivalente que relaciona el par de tracción expresado en giro del motor eléctrico con la aceleración lineal de la rueda, a _max es la aceleración angular del eje motriz y T_ini es el valor inicial del par de tracción. El valor inicial del par de tracción (T_ini) se calcula según la expresión:

T ini = T ref C en donde T_ref es el par de tracción demandado al motor eléctrico de tracción, y C es una constante comprendida en el intervalo [0.85 - 0.95] .

Asi, el valor inicial del par de tracción (T_ini) es entre un 5% y un 15% inferior al par de tracción demandado (T_ref ) .

El tiempo de reducción (t_red) es un valor predefinido que se calcula en unas pruebas de parametrización de la via por la que circula el vehículo ferroviario. El tiempo de reducción (t_red) toma valores en el intervalo de tiempo comprendido entre 0.05 segundos y 0.5 segundos. B. Recuperación lineal del par de tracción hasta alcanzar el par de tracción demandado (T_ref) o la detección de un nuevo deslizamiento.

Una vez después de haber transcurrido el tiempo de reducción (t_red) , se recupera linealmente el par de tracción, esta recuperación lineal del par de tracción se realiza según una recta cuya pendiente está comprendida entre 100 Nm/s y 500 Nm/s.

Esta recuperación lineal se mantiene hasta alcanzar el par de tracción demandado (T_ref ) , o hasta que se produzca una nueva detección de un deslizamiento, en cuyo caso se vuelve a producir la reducción del par de tracción según la etapa 3 del método .

Los pasos 1 y 2 del método, asignación de variables y detección del deslizamiento se realizan de forma continua y en tiempo real durante todo el tiempo que el vehículo se encuentre en funcionamiento, mientras que la etapa 3 de actuación sobre el par de tracción sólo se realiza cuando se detecta un deslizamiento .

En la figura 1 se muestra una gráfica de la evolución del par de tracción, en donde se produce la detección de un deslizamiento en un punto designado como (D) , observándose como se produce una reducción exponencial durante un tiempo de reducción (t_red) desde un valor inicial del par de tracción (T_ini) hasta alcanzar un valor final de par de tracción (T_fin) , para a partir de esta reducción exponencial producirse una recuperación lineal del par de tracción hasta alcanzar el par de tracción demandado (T_ref ) .

El método objeto de la invención es aplicable para limitar el patinaje, o deslizamiento, de las ruedas de un vehículo ferroviario sobre el carril de circulación, tanto en condiciones de tracción como en condiciones de frenado en las que se producen bloqueos de las ruedas.