Sviluppo di un metodo di misura delle forze di contatto ruota-rotaia ad elevata accuratezza

The present work is focused in the measure of contact forces between wheel and rail for the on-track tests prescribed by the standard EN 14363 in order to homologate a new railway vehicle. For this purpose has been used the “dynamometric wheelset” method, which consists in the instrumentation of a train wheelset with extensimeters. By the measure of the state of deformation of the wheelset, it is possible to estimate wheel-rail contact forces. A calibration process of the dynamometric wheelset is required, in order to derive the connection between measured deformation and contact forces. This has been performed using the bogie test-rig of Mechanical Department of Politecnico di Milano. Once defined the calibration matrix, it is possible to employ the dynamometric wheelset to estimate contact forces between wheel and rail. The actual calibration method makes use of the resulting deformations as input of the calibration process. These signals are obtained from the deformations measured by two strain gauge bridges applied with an angle of 90° on each measuring section. This leads to a systematic error of over-estimation of the vertical and the lateral components of contact forces, when also a longitudinal force of non-negligible magnitude is applied. Starting from this evaluation a new method has been developed, with the aim of measure deformations in vertical and horizontal absolute planes of the dynamometric wheelset. This leads to a better estimation of contact forces with more accuracy. Both the methods has been used to reconstruct the contact forces during tests on the test-rig and also during on-track test for the homologation of a new high speed train. From the results obtained it is possible to observe that the method which uses the absolute components of deformations provides a more accurate evaluation of wheel-rail contact forces compared to the first used method, removing the influence of longitudinal forces on vertical and lateral components. Moreover this method allow to recognize the sign of the deformed shape of the axle; this information is very useful for the estimation of contact forces when loads of magnitude out of the range used in the calibration process are applied to the wheelset.

Il presente lavoro si colloca nel campo delle misure delle forze di contatto tra ruota e rotaia per le prove in linea prescritte dalla normativa vigente EN 14363 al fine di omologare un nuovo veicolo ferroviario. A tale scopo è stato utilizzato il metodo della “sala dinamometrica”, che consiste in una sala ferroviaria strumentata con estensimetri. Misurando lo stato di deformazione della sala è possibile stimare le forze di contatto tra ruota e rotaia. Per individuare il legame tra le deformazioni e le forze che le generano è necessario un processo di calibrazione della sala dinamometrica, che è stato svolto presso il banco-prova carrelli del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano. Definita la matrice di calibrazione è quindi possibile utilizzare la sala dinamometrica per la stima delle forze di contatto ruota-rotaia. Il metodo di calibrazione attualmente utilizzato prevede come segnali in ingresso al processo di calibrazione la deformazione risultante misurata da due ponti applicati a 90° tra loro su ogni sezione di misura. Questo porta ad un errore sistematico di sovrastima delle componenti verticali e laterali delle forze di contatto nelle condizioni in cui sono presenti anche forze longitudinali non trascurabili. A partire da questa considerazione è stato sviluppato un metodo di misura per ricavare le deformazioni nei piani verticale e orizzontale assoluti della sala dinamometrica che permette di fornire una stima delle forze di contatto con una maggior accuratezza. Entrambi i metodi sono stati utilizzati per la ricostruzione delle forze di contatto sia durante prove in laboratorio che durante le prove in linea di omologazione di un nuovo treno ad alta velocità. Dai risultati ottenuti si nota come il metodo che sfrutta le componenti assolute di deformazione fornisca una stima più accurata delle forze di contatto ruota-rotaia rispetto al primo metodo utilizzato, eliminando l’influenza delle forze longitudinali sulle componenti verticali e laterali. Inoltre tale metodo permette di conoscere il segno della deformata dell’assile; tale informazione risulta molto utile nella stima delle forze di contatto quando si incontrano dei valori dei carichi al di fuori dei range utilizzati in sede di calibrazione della sala dinamometrica.