Studio e modellazione di un sistema di pesatura dinamica per i carrelli ferroviari

This paper deals with the study and modeling of a dynamic weighing system for railway bogies, through the use of innovative methods and tools not used for traditional scales. An introduction to the railway world is initially reported. There is a description of the different types of rails, attachment members and sleepers. The second chapter presents the operating technologies of the two types of existing railway scales: static and dynamic scales. The advantages and disadvantages of each are reported. The same chapter contains a detailed description of the operation and characteristics of load cells. Strain gauges and elastic element are described and the different types of cells that differ in type of stress, capacity and precision are presented. Subsequently, the operating techniques of the innovative weighing solutions available on the market are briefly illustrated. The next chapter concerns the pressure sensors. The main differences between piezoelectric and piezoresistive sensors are outlined. In the fourth chapter, after defining the objective of the study, the elements used within the analysis are described. The selected sensor is presented, consisting of a thin film of PVDF, a material whose characteristics and operating principles are reported. Next, the geometry of the sleepers, rails and attachment system selected to perform the analysis is illustrated. Finally, the components of the circuit used are described, such as Arduino UNO and its software, as well as the signal amplifier module. A first study consists of a stress analysis using Autodesk Inventor software. The superstructure system is analyzed following the application of a load corresponding to the maximum limit of the weight per axle permitted by law. After having illustrated the 3D models created for each element of the system, the characteristics of the load and the constraints imposed, the results are reported in terms of stresses, deformations and displacements. Finally, the direct load tests performed on the PVDF sensor are described. After a brief access to the construction of the support structure and the circuit, the results of the tests are reported. The data obtained were subsequently reworked in order to obtain the relationship between the applied load and the sensor output value.

Il presente elaborato tratta dello studio e modellazione di un sistema di pesatura dinamica per i carrelli ferroviari, mediante l’utilizzo di metodi e strumenti innovativi non comunemente utilizzati per le pese tradizionali. Si riporta inizialmente un’introduzione al mondo ferroviario focalizzata sul sistema sovrastruttura, in cui vengono presentate le caratteristiche principali degli elementi di cui è costituito. Vi è una descrizione delle diverse tipologie di rotaie, organi di attacco e traverse. Il secondo capitolo presenta le tecnologie di funzionamento delle due tipologie di pese ferroviarie esistenti: pese statiche e dinamiche. Si riportano i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna, descrivendo le diverse modalità di pesatura possibili permesse dalle due tipologie di pese. Lo stesso capitolo contiene una descrizione dettagliata del funzionamento e delle caratteristiche delle celle di carico, strumenti di cui si avvalgono le pese ferroviarie. Si descrivono estensimetri ed elemento elastico e sono presentate le diverse tipologie di celle che differiscono per tipo di sollecitazione, capacità e precisione. Successivamente, si illustrano brevemente le tecniche di funzionamento delle soluzioni innovative di pesatura presenti in commercio. Il capitolo successivo concerne i sensori di pressione, dispositivi utilizzati dallo studio effettuato. Si delineano le principali differenze tra i sensori piezoelettrici e quelli piezoresistivi e le leggi alla base del loro funzionamento. Nel quarto capitolo, dopo aver definito l’obiettivo dello studio, si descrivono gli elementi utilizzati all’interno dell’analisi. Si presenta il sensore selezionato, costituito da un film sottile di PVDF, materiale di cui si riportano le caratteristiche e i principi di funzionamento. In seguito, si illustra la geometria di traverse, rotaie e sistema di attacco selezionati per effettuare l’analisi. Si descrivono infine i componenti del circuito utilizzato, quali Arduino UNO e il relativo software, così come il modulo amplificatore del segnale. Un primo studio consiste in un’analisi delle sollecitazioni tramite il software Autodesk Inventor, dove si analizza il sistema sovrastruttura a seguito dell’applicazione di un carico corrispondente al limite massimo del peso per asse ammesso dalla normativa. Dopo aver illustrato i modelli tridimensionali realizzati per ciascun elemento del sistema, le caratteristiche del carico e i vincoli imposti, si riportano i risultati in termini di sforzi, deformazioni e spostamenti. Si descrivono infine le prove di carico dirette eseguite sul sensore in PVDF. Dopo un breve accenno alla realizzazione della struttura di supporto e del circuito, si riportano i risultati delle prove. I dati ottenuti sono stati successivamente rielaborati con il fine di ottenere la relazione tra carico applicato e valore in uscita dal sensore.