Studio e sperimentazione di sistemi resistivi ed ultrasonici per il rilevamento delle sollecitazioni nella lunga rotaia saldata

This thesis, carried out in collaboration with Alpha Caesar S.r.l., consists in the study and experimentation of innovative systems for monitoring the Long Welded Rails during operation, by determining their internal stresses. From the origin of the rail transport, the rails have undergone numerous evolutions, mainly to counter the effects deriving from the contractions and thermal expansion of the track. From the technology of joints and expansion lights, from the second half of the 50s, the Long Welded Rail was adopted. Although laying and welding techniques have been refined during these years of use and computerized systems have been introduced in place of manual and visual techniques, the regulation and control process has not seen significant development, still relying on systems that damage the rail, cause the waste of huge economic resources and obstruct the regular management and movement of trains on the railway. The objective of this work is, therefore, to research and develop innovative technologies that are always able to detect with simplicity the extent of the internal efforts of the rail, without affecting its integrity and minimizing circulation disturbance. It was decided to develop two alternative solutions. A first system is based on the electrical resistance of the steel and its variations depending on temperatures and compressive or tensile forces inside the rail. The Hardware component consists of an electronic circuit, whose task is to amplify the changes in the voltage values passing through the test specimen, an Arduino Uno board for conversion and a computer for data reception. Then the dedicated Software component, represented by a LabVIEW program, allows recording of the voltages and subsequent analysis. The second system, on the other hand, assumes that ultrasonic waves are influenced by the stresses in the rail and that their energy or velocity changes considerably in relation to them. In this case too, the Hardware is composed of an electronic circuit capable of sending signals and managing piezoelectric probes that act as ultrasonic wave generators. The signals are processed by an oscilloscope or by a PC program to determine the variation in velocity and then the magnitude of the stresses.

Il presente elaborato di Tesi, realizzato in collaborazione con la società Alpha Caesar S.r.l., consiste nello studio e sperimentazione di sistemi innovativi per il monitoraggio delle Lunghe Rotaie Saldate in fase di esercizio, tramite determinazione delle sollecitazioni interne. Dall’origine del trasporto su ferro, le rotaie hanno subìto numerose evoluzioni, principalmente per contrastare gli effetti derivanti dalle contrazioni e dilatazioni termiche del binario. Dalla tecnologia delle giunzioni e luci di dilatazione si è passati, a partire dalla seconda metà degli anni ’50, alla Lunga Rotaia Saldata. Nonostante le tecniche di posa e saldatura siano state affinate in questi anni di impiego e siano stati introdotti sistemi informatizzati in luogo di tecniche manuali e visive, il procedimento di regolazione e controllo non ha visto uno sviluppo significativo, affidandosi ancora oggi a sistemi che vanno a danneggiare la rotaia, causano lo spreco di ingenti risorse economiche ed ostacolano la regolare gestione e circolazione ferroviaria. L’obiettivo del presente lavoro è dunque quello della ricerca e sviluppo di tecnologie innovative che siano in grado di rilevare in ogni momento e con semplicità l’entità degli sforzi interni alla rotaia, senza intaccare la sua integrità e rendendo minimo il disturbo alla circolazione. Le strade che si è deciso di intraprendere sono due. Un primo sistema si basa sulla resistenza elettrica dell’acciaio e sulle sue variazioni in dipendenza da temperature e forze di compressione o trazione all’interno della rotaia. La componente Hardware consiste in un circuito elettronico con il compito di amplificare i cambiamenti nei valori di tensione passanti per il provino di prova, una scheda Arduino Uno per la conversione dei dati e un computer per la loro ricezione. Su quest’ultimo poi la componente Software dedicata, rappresentata da un programma LabVIEW, permette la registrazione delle tensioni e la successiva analisi. Il secondo sistema studiato, invece, presuppone che le onde ad ultrasuoni vengano influenzate dagli sforzi nella rotaia e che la loro energia o velocità cambino in maniera evidente in relazione ad essi. L’Hardware in questo caso è composto da un circuito elettronico in grado di inviare segnali impulsivi e di gestire opportune sonde piezoelettriche che fungono da generatori di onde ultrasoniche. I segnali vengono poi elaborati da un oscilloscopio o da un programma su PC per determinare l’entità delle variazioni di velocità e quindi delle sollecitazioni.