DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es una metodología y medios de aplicación de sensores de extensometria (galgas o bandas extensométricas) en las vias de un ferrocarril o similar, de forma que, junto con un equipo electrónico configurado y calibrado a tal efecto y un post-proceso especifico de las señales y los datos obtenidos por medio de este equipamiento, configure un sistema capaz de proporcionar una medida fiable de los esfuerzos que se producen en una via de ferrocarril o similar asi como de las fuerzas de contacto rueda-carril al paso de un tren o vehículo que circule por railes.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Es relativamente reciente la posibilidad de medir en la propia via los esfuerzos y las fuerzas de contacto que se ponen en juego en la misma al paso de un tren o vehículo que circula por los railes. La aparición de los nuevos sensores y sistemas de instrumentación, fruto del avance tecnológico en las materias de electrónica, materiales y sistemas de fabricación, hacen posible las mediciones de dichas magnitudes en la propia via, posibilitando obtener información acerca de los esfuerzos soportados por una via de ferrocarril al paso de un tren de forma totalmente empírica, y no únicamente teórica, tal y como ocurría hasta hace poco. Hasta el momento, los sistemas que empleaban estas nuevas tecnologías de sensórica para tratar de medir con la mayor exactitud posible las magnitudes anteriormente mencionadas, no conseguían proporcionar una medida lo suficientemente precisa como para poder tomar decisiones en base a esas mediciones o como para poder contrastar teorías existentes al respecto de esas magnitudes de esfuerzos que se ponen en juego en las vias de ferrocarril al paso de un vehículo. Estos sistemas se basan en la colocación de sensores extensométricos directamente sobre el carril de via y sin utilizar un criterio de disposición óptimo de los sensores para maximizar la señal adquirida y recogerla en su totalidad. El resultado era la obtención de señales aproximadas de los fenómenos que se quería medir (esfuerzos en via) , muy poco fieles a la realidad de los fenómenos que realmente se estaban produciendo

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es una metodología y medios de aplicación de sensores extensométricos (galgas o bandas extensométricas) , equipos electrónicos y software de post-procesado de señales, para conseguir una medición fiable de esfuerzos en via y fuerzas de contacto rueda-carril en ferrocarriles y similares, superando los inconvenientes en la medición de éstas magnitudes.

La presente invención trata de, superando inconvenientes en otros métodos de medición de esfuerzos en via, realizar lo siguiente:

En primer lugar se procede a capturar las microdeformaciones (ó μstrains; 1 μstrain es la deformación que sufre una barra de longitud Im cuando se estira lμm) en un punto conocido de la via.

En segundo lugar se procede a analizar esas microdeformaciones (μstrains) viendo su evolución a lo largo del tiempo, a través de la captación de la señal correspondiente a las mismas, mediante los sensores extensométricos dispuestos en una pletina metálica tal y como seguidamente se expondrá.

En tercer lugar se procede a identificar, dentro de la evolución de las microdeformaciones del carril en un punto concreto de la via, el evento correspondiente al pico de señal de microdeformaciones coincidente con el paso del tren o vehículo por encima de una de las traviesas de la via, en la que se habrán colocado los sensores de la forma en que más tarde se explicará.

En cuarto lugar se procede a analizar las señales de los picos de microdeformaciones identificados en el punto anterior, para obtener la magnitud de los esfuerzos e interacciones que se dan en el carril

(fuerzas de contacto rueda-carril) .

En quinto lugar y en caso de obtener señales, con sensores dispuestos con esta metodología, en más de un carril de la misma via y/o en más de un punto dentro del mismo carril, se pueden obtener magnitudes indirectas, como el ángulo de ataque y la velocidad del tren, comparando los tiempos de los diferentes picos de señal registrados por el sistema.

En sexto lugar, cada pico de microdeformaciones detectado y su relación con las magnitudes que se desea medir (esfuerzos en via y fuerzas de contacto rueda- carril) , se procede a calibrar mediante la utilización de otros sistemas de medición conocidos y de exactitud contrastada para el evento en particular, como por ejemplo aplicando una fuerza conocida en el punto de medición (encima de la traviesa) y en cada dirección de medición (vertical y horizontal) mediante vehículos de peso conocido (esfuerzos verticales) y células de carga midiendo fuerzas aplicadas con gatos hidráulicos o similares (esfuerzos horizontales) asi como mediante datos obtenidos de forma teórica, utilizando técnicas de cálculo y simulación numérica por computador.

La forma de lograr lo expuesto en los puntos anteriores, se consigue procediendo de la siguiente manera:

En primer lugar se lleva a cabo la instrumentación del carril de via mediante sensores extensométricos dispuestos tal y como seguidamente se explica para registrar una medida eléctrica suficientemente precisa y limpia como para que sea calibrada y arroje el dato de la magnitud que se quiere medir.

Para ello se disponen dos pletinas de aluminio ( u otro material metálico elástico) por carril de via, una por cada lado del carril, cuya geometría está específicamente diseñada para que los sensores que en ella se disponen, midan correctamente y sin contaminación de otros sucesos que puedan darse en la via, las microdeformaciones en ese punto del carril.

Los sensores extensométricos (galgas extensométricas) , se disponen en cada pletina de cuatro en cuatro, dos de ellos en la parte superior, colocados perpendicularmente el uno del otro, y los otros dos en la parte inferior de la pletina colocados paralelamente el uno del otro. Los dos sensores superiores, junto con los otros dos homólogos de la pletina colocada simétricamente en la otra parte del carril, constituyen un puente completo de Wheatstone, sensible únicamente a las tracciones y compresiones que se produzcan en esa porción de la via y que por tanto pueden proporcionar una medida de la fuerza vertical o peso que alli se produce. Los dos sensores inferiores, junto con los otros dos homólogos colocados en la pletina simétrica del otro lado del carril, constituyen otro puente completo de Wheatstone, sensible únicamente a la flexión del carril en ese punto, de forma que puede medir el momento que se produce, y por ende, la fuerza lateral a la que se ve sometida esa porción del carril. Esto mismo se puede conseguir con otras configuraciones de los sensores en la pletina, por ejemplo, siendo cada pletina un puente completo de Wheatstone, de forma que la suma algebraica de sus señales nos da la deformación axial, y la diferencia nos da la deformación de flexión debida al momento (equivalente a la configuración citada en primer lugar) .

Esta pletina se atornilla al alma del carril, asentándose en él mediante unas cuñas fabricadas a la medida de la curvatura de cada tipo de carril, de forma que la pletina quede colocada en posición vertical siendo el lugar de colocación preferente de la pletina el centro de una o varias traviesas sobre las que se asienta la via, de forma que el sensor capte toda la reacción de las fuerzas que actúan sobre esa porción del carril.

En segundo lugar se actúa con un equipo electrónico registrador de las señales que provienen de los sensores específicos. Este equipo puede ser un equipo comercial que cumpla con los requisitos necesarios para la medición, registro, digitalización y almacenamiento de señales analógicas de voltaje provenientes de puentes de Wheatstone.

El equipo registra y almacena las señales captadas por los sensores extensométricos, pudiendo o no traducirlos a las unidades ingenieriles correspondientes a ese evento medido. Los archivos que se generan y almacenan en este equipo electrónico, serán posteriormente post-procesados por un software específico que contiene unos algoritmos programados para calibrar y calcular las magnitudes que se desean medir (esfuerzos en vía y fuerzas de contacto rueda-carril) , así como las magnitudes indirectas que se desea conocer (por ejemplo, ángulo de ataque de un tren al entrar en una curva y velocidad del tren) . El ángulo de ataque del tren en la curva se obtendrá mediante las formulas:

e = v . t, donde e= espacio recorrido, v=velocidad del tren o vehículo y t= tiempo; y

Φ = arctan (e/d) , donde Φ= ángulo de ataque, e= espacio recorrido y d= distancia entre carril interior y exterior.

Este concepto de la invención, puede ser modificado o sustituido por otros equipos que realicen la misma función, como tarjetas electrónicas registradoras de señales analógicas que se pueden integrar en una computadora.

En tercer lugar se utiliza un software de postprocesado de las señales registradas y almacenadas. Este software, compuesto de una serie de algoritmos diseñados para obtener las magnitudes de esfuerzos en via, procesa automáticamente las señales registradas por el equipo electrónico y realiza cálculos sobre ellas, proporcionando una relación entre las magnitudes eléctricas medidas y las magnitudes de esfuerzos deseadas (calibración) , además de arrojar los resultados de magnitudes indirectas como el ángulo de ataque de un tren a la entrada de una curva o la velocidad del mismo en un punto de la via.

Este software de post-procesado, puede asimismo ser realizado y/o programado de diferentes formas, cumpliendo siempre la premisa de realizar un cálculo preciso de las relaciones entre las fuerzas verticales y momentos de flexión en el punto del carril objeto de estudio.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra el diagrama de bloques del sistema propuesto para la realización de la invención.

La figura 2.- Muestra la pletina de geometría especifica diseñada para concentrar las microdeformaciones (strain) en la sección central de la misma.

La figura 3.- Muestra una vista en planta de una curva de via de ferrocarril en donde se ven las pletinas de sensores colocadas tanto en el carril exterior como en el interior, a lo largo de una de las traviesas que soportan las vias.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta .

En la figura 1 se puede observar el esquema o diagrama de bloques de un sistema conformado por cuatro bloques principales (1, 2, 3 y 4), correspondiendo el bloque (1) a la instrumentación con sensores extensiométricos, mientras que el bloque (2) corresponde al equipo registrador de señales provenientes de los sensores específicos. El bloque (3) corresponde al software de post-procesado de las señales registradas y procedentes del equipo registrador de datos del bloque (2), de manera que mediante algoritmos programados al efecto se calcularán las magnitudes que se deseen medir (esfuerzos en vias y fuerzas de contacto rueda-carril) , asi como las magnitudes indirectas que se deseen medir, el ángulo de ataque de un tren al entrar en una curva y la velocidad del tren. El bloque (4) corresponde a los resultados, y concretamente a la visualización de resultados en formato digital, pudiendo utilizar los esfuerzos medidos y las magnitudes indirectas como variables para otros sistemas digitales.

La instrumentación se lleva a cabo colocando cuatro sensores extensométricos (5) en una pletina (6) de geometría especifica, pudiéndose ver en la figura 2 la disposición de dos sensores en la parte superior, perpendiculares entre si, y otros dos sensores en la parte inferior, paralelos entre si. Además, en esa figura 2 la pletina de geometría especifica (6) está diseñada para concentrar las microdeformaciones (μstrains) en la sección central de la misma, y para ser atornillada al alma del carril (7) de via, en el centro de una de las traviesas (8), en concreto alineada con el eje (9) de la misma, donde se colocarán con adhesivo especifico para pegado los sensores extensométricos (5), ya sean galgas o bandas extensométricas . La pletina (6) va atornillada al carril (7) y asentada mediante unas cuñas (10) que hacen que dicha pletina (6) quede en posición vertical, estando tales cuñas (10) diseñadas a la medida de la curvatura de cada tipo de carril.

En la figura 3, se muestra una vista en planta de una curva de via de ferrocarril, donde se ven unas pletinas (11) de sensores colocadas para obtener la medida del ángulo de ataque de un tren al paso por una curva (medida indirecta) , colocación que se efectúa tanto en el carril exterior (12) como en el carril interior (13), a lo largo de una de las traviesas (14) que soportan las vias y que están colocadas según el radio de curvatura (15).

El lugar de colocación preferente de la pletina es el alma del carril que coincide con el eje central de una o varias traviesas (8 ó 14) sobre las que se asienta la via, de forma que el sensor capte toda la reacción de las fuerzas que actúan sobre esa porción del carril. También es posible la colocación de las pletinas de sensores en el centro del vano (distancia entre traviesas) del carril, debiendo tenerse en cuenta esta circunstancia a la hora de post-procesar las señales obtenidas. La interconexión de los sensores contenidos en las pletinas (6 u 11) de ambos lados del carril, con objeto de completar los puentes de Wheatstone anteriormente mencionados, se realiza dos a dos, conectándose los sensores perpendiculares de la parte superior de la pletina como un puente completo de Wheatstone, y los sensores paralelos de la parte inferior como otro puente completo de Wheatstone. Para ello se realiza un taladro pasante a través del alma del carril que posibilita el paso de los cables necesarios para la mencionada interconexión.

Las pletinas pueden ser de diferentes materiales y se han de apretar los tornillos y tuercas que las sujetan a la via con un par de apriete calculado para evitar el deslizamiento de la pletina bajo los elementos de apriete.

En cuanto al equipo registrador de señales correspondiente al bloque (2) de la figura 1, ha de ser capaz de captar y registrar en una memoria las señales analógicas provenientes de un puente resistivo de

Wheatstone, asi como convertirlas a formato digital.

Dichas señales serán enviadas desde la memoria del equipo registrador a la computadora que contiene el software y los algoritmos de cálculo y post-procesado de las señales recibidas del bloque (3) . Cuando el equipo registrador del bloque (2) vuelca las señales contenidas en su memoria al computador de post-procesado de señales del bloque (3) , comienza la ejecución de los algoritmos encaminados a calcular las magnitudes de fuerza vertical, momentos flectores y fuerza lateral, asi como de las magnitudes indirectas que se haya previsto calcular (ángulo de ataque del tren a la entrada de una curva, velocidad del tren, etc.), pudiendo estos datos ser leídos en el bloque (4) e interpretados por un puesto de mando y/o control para tomar las decisiones oportunas en cuanto a la idoneidad de las magnitudes calculadas para cada tren o vehículo en concreto.

Se recomienda que el equipo electrónico registrador de señales del bloque (2) tenga interfaz de conexión a red para posibilitar de una forma más sencilla la comunicación y volcado de las señales registradas a un computador del bloque (3) que, de esta forma, podria estar en cualquier lugar de una red LAN.

El software especifico para el post-procesado de las señales y consiguiente cálculo de las magnitudes de esfuerzos y fuerzas de contacto rueda carril, correspondiente al bloque (4), estará constituido por algoritmos programados para el procesamiento instantáneo de las señales provenientes de los sensores a través del equipo registrador, calculando las magnitudes directas (esfuerzos en via y fuerzas de contacto rueda-carril) e indirectas (ángulo de ataque del tren a la entrada de una curva, velocidad del tren, etc.) objeto de análisis. Para ello el software debe ser capaz de detectar los tiempos en los que se da cada pico de la señal de microdeformaciones, interpolar y resamplear (volver a muestrear la señal con más puntos) , convertir los valores de las señales eléctricas registradas a magnitudes ingenieriles de fuerza, y devolver los resultados en un formato legible por un sistema informático.