Fibre optic system to extend the measuring frequency range of pantograph contact-force

Pantograph-Catenary interaction constitutes the fundamental sliding mechanism able to feed the train engine with the electrical power necessary to its motion. To maintain this mechanical coupling in well-functioning conditions, it results necessary to have a good and specific monitoring system able to evaluate possible damages and detect its real time working conditions in terms of contact force module and position, useful in the testing and qualification phase of new pantographs. The objective of this project is to implement a system able to expand the application range of nowadays systems through the application of new measuring instruments. The choice of the system of measure has fallen upon fibre Bragg gratings strain optical sensors placed along the pantograph collector length. The advantages given by those sensors are numerous and are pointed out in the thesis work. The output signals are treated with a strain modal analysis. The results obtained are in terms of load position and magnitude. The procedure applied to achieve the final version of the system starts from an analytical validation of the mathematical method at the base of the project. Then, a modal characterization of the collector mounted on the pantograph available in laboratory is performed, to obtain the modal parameters required by the experimental model to estimate the load characteristics. In the end, many tests, static and dynamic, have been performed as a validation for the developed system of measure. The results obtained are analysed and commented, highlighting the weaknesses and the point of strength of the system.

L'interazione fra pantografo e catenaria costituisce il meccanismo di strisciamento fondamentale nel funzionamento di un veicolo ferroviario, questo è capace di alimentare il motore del treno con l’energia elettrica necessaria al suo funzionamento. Al fine di mantenere questo accoppiamento meccanico in condizioni di buon funzionamento, risulta necessario avere un ottimo e specifico sistema di monitoraggio capace di valutare possibili danni e individuare le sue condizioni di funzionamento in tempo reale in termini di modulo e posizione della forza di contatto. Questo aspetto risulta fondamentale nella fase di testing e valutazione di nuovi pantografi. L’obiettivo di questo progetto di tesi è quello di implementare un sistema capace di espandere il range di applicazione dei sistemi utilizzati oggigiorno per questo fine tramite l’applicazione di nuovi strumenti di misura. La scelta del sistema di misura è ricaduta su sensori ottici di deformazione, questi sono stati direttamente applicati al collettore del pantografo. I vantaggi dati da questi sensori sono molteplici, soprattutto considerando le restrizioni date da un’applicazione come quella dei pantografi, i quali operano ad alta tensione e sono esposti al flusso aerodinamico durante il loro funzionamento, questi aspetti verranno richiamati più volte durante l’esposizione del procedimento svolto per ottenere il sistema di misura del progetto di tesi. Per quanto riguarda invece la lettura dei segnali in uscita da questi sensori ottici, si è scelto di attuare un’ analisi di deformazione modale dalla quale si è potuto ottenere una stima della forza di contatto in termini di posizione e modulo.