Analisi delle proprietà metrologiche statiche e dinamiche di una sala dinamometrica

The present work is part of experimental tests aimed at verifying the circulability, on the Italian Railway Network, of low flatcar wagons “Saadkms” in a composition up to 25 vehicles per train and for speeds up to 120km / h. The actual regulations UIC 518 [1] and UNI EN 14363 [2] require to perform experimental in-line tests for the approval of bogies. With reference to the so called “complete method” it is necessary to measure not only the accelerations but also the contact forces. To this end, the static calibration of the instrumented wheelsets mounted on a low flatcar wagon was carried out in order to estimate the contact forces at the wheel-rail interface during on line tests. The static calibration of the wheelset was performed in the laboratories of the Department of Mechanical Engineering of Politecnico di Milano using a dedicated test-rig. By means of the hydraulic system it was possible to apply known loads and measure directly the forces exchanged at the contact points using two dynamometric balances. Knowing also the deformation field associated with the imposed loads, the calibration matrix was computed using the least squares approach. Furthermore, as required by the UNI EN 14363 [2], the readiness of the instrumented wheelset was tested by means of dynamic tests. The latter was also compared with numerical simulations in order to verify the goodness of the experimental data. The results from static and dynamic tests can be considered satisfactory. Relatively to the estimation of the contact forces through the calibration matrix, a 5% error was obtained showing that, despite the complexity of the system under consideration, the estimated calibration matrix is effective. With reference to the dynamic tests, both the experimental and numerical approach pointed out the readiness of the instrumented wheelset up to the cut-off frequency prescribed by the regulations, equal to 20Hz. From the results obtained, being verified both the accuracy and the readiness of the measuring system, it can be concluded that it is suitable for the measurements of wheel-rail contact forces, in accordance with current regulations.

Il presente lavoro di tesi si colloca nell'ambito dell'attività sperimentale finalizzata ad accertare la possibilità di circolazione, sulla Rete Ferroviaria Italiana, di carri ultrabassi “Saadkms” ad 8 assi fino ad una composizione massima di 25 carri per treno fino ad una velocità massima di 120km/h. Poiché le attuali normative vigenti Fiche UIC 518 [1] e UNI EN 14363 [2] prescrivono la necessità di eseguire test sperimentali in linea per l'omologazione di carrelli ferroviari, con riferimento a quello che dalle norme viene definito “metodo completo”' è necessaria la misura delle forze di contatto tra ruota e rotaia. A tale scopo, si è proceduto alla calibrazione statica delle sale equipaggianti un carrello del carro ultrabasso attraverso le quali stimare, durante la campagna di prove in linea, le componenti delle forze di contatto che si generano all'interfaccia ruota-rotaia. La procedura di calibrazione statica delle sale equipaggianti il carrello del carro ultrabasso è stata eseguita, presso i laboratori sperimentali del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, utilizzando un banco-prova dedicato. In particolare, mediante il sistema idraulico di attuazione installato sul banco di cui sopra è stato possibile applicare carichi noti, poiché misurati direttamente da bilance dinamometriche, in corrispondenza di ciascuna ruota della sala strumentata. Essendo poi note le deformazioni indotte sull'assile da tali carichi, si sono stimate le matrici di taratura seguendo l'approccio matematico-statistico di minimizzazione ai minimi quadrati. Inoltre, secondo quanto prescritto dalla normativa UNI EN 14363 [2], si è verificata la prontezza delle sale strumentate mediante l'esecuzione di prove sperimentali di tipo dinamico i cui risultati, poi, sono stati confrontati a scopo di verifica con quelli ottenuti, invece, da un approccio di tipo numerico basato sull'utilizzo di un codice agli elementi finiti. Quanto ottenuto sia dalla sperimentazione statica che da quella dinamica è da ritenersi soddisfacente. Relativamente, infatti, alla stima delle componenti delle forze di contatto attraverso la matrice di calibrazione si sono ottenuti valori percentuali della deviazione standard dell'errore di stima dell'ordine del 5%, valori questi che, nonostante la complessità del sistema in esame, confermano l'efficacia di utilizzo della matrice di taratura stimata. Con riferimento, invece, alle prove dinamiche, sia l'approccio sperimentale che quello numerico hanno accertato la prontezza della sala dinamometrica fino alla frequenza di filtraggio prescritta dalla normativa, che è pari a 20Hz. Dai risultati ottenuti, risultando verificate sia l'accuratezza di stima che la prontezza del sistema di misura testato, si conclude che questo risulta, conformemente all'attuale normativa vigente, idoneo all'utilizzo in linea per la misura delle forze di contatto tra ruota e rotaia.