ITTO20000535A1 - Metodo ed apparecchiatura per rilevare difetti di rotondita' in una ruota di un veicolo ferroviario. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Metodo ed apparecchiatura per rilevare difetti di rotondità in una ruota di un veicolo ferroviario"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un metodo e ad un'apparecchiatura per rilevare difetti di rotondità in una ruota di un veicolo ferroviario.

I principali difetti di rotondità della superficie di rotolamento di una ruota possono essere riassunti come segue:

- presenza di una parte piatta nella superficie di rotolamento della ruota sulla rotaia, dovuta ad un bloccaggio della ruota mentre il veicolo ferroviario è in movimento, o più in generale al funzionamento difettoso di un freno;

- usura irregolare della ruota, dovuta a disomogeneità del materiale costituente la ruota, la quale si usura assumendo un profilo di forma diversa da quella circolare, ad esempio ovalizzata o a lobi.

È noto che una ruota non rotonda provoca vibrazioni che, oltre a comportare un impatto negativo sulle prestazioni di funzionamento dell'assile, può col tempo provocare danni ad altre parti del veicolo e ridurne la sicurezza.

Fino ad ora i metodi di verifica delle condizioni di una ruota si sono limitati ad ispezioni periodiche, in occasione delle quali una persona esperta viene incaricata di viaggiare sul veicolo per valutarne il grado di comfort. AllOccorrenza, l'esperto segnala che probabilmente almeno una delle otto ruote del veicolo necessita di essere sostituita o sottoposta ad un intervento di manutenzione in cui si tornisce la ruota per rendere il suo profilo rotondo.

Come si comprenderà, questo modo di procedere non consente di predire o rilevare per tempo la presenza di difetti di rotondità così da poter intervenire prima che il danno peggiori.

Dal brevetto US-A-5433111 è nota un'apparecchiatura per il rilevamento di condizioni difettose associate ad una serie di ruote di un veicolo ferroviario e ad un binario su cui viaggia un dato veicolo ferroviario. L'apparecchiatura comprende mezzi di misurazione per generare dati indicativi della velocità di rotazione delle ruote, una serie di accelerometri atti a generare dati indicativi del movimento lungo tre assi ortogonali, dei quali uno è generalmente verticale rispetto al binario, e un elaboratore di dati adatto a rilevare, in base ai dati suddetti di velocità e di movimento, una condizione di difetto associata ad almeno una ruota del veicolo.

Tali sistemi noti hanno un limite per il fatto che non permettono di distinguere se vibrazioni anomale siano dovute alle ruote, ai cuscinetti degli assili, o alle rotaie o ad altre cause ancora. Inoltre, la tecnica nota di cui sopra non consente di identificare, in un veicolo ferroviario quale o quali ruote siano gravate da difetti.

È scopo della presente invenzione predire e/o individuare per tempo e segnalare in tempo reale la presenza di un difetto di rotondità, il tipo di difetto e la sua precisa collocazione, distinguendo in particolare su quale ruota del veicolo o convoglio ferroviario il difetto è presente.

Un altro scopo della presente invenzione è di realizzare un monitoraggio continuo delle condizioni operative della ruota per ottenere informazioni in tempo reale circa l'evoluzione del difetto nel tempo, così che sia possibile intervenire con urgenza in presenza di guasti gravi, o di rinviare l'intervento a seconda della gravità del guasto segnalato, o ancora di valutare l'opportunità di non intervenire, ad esempio quando un difetto di funzionamento si è stabilizzato o si va stabilizzando.

Un altro scopo dell'invenzione è di ottimizzare la manutenzione, così da intervenire solo quando sia opportuno o necessario, riducendo complessivamente i tempi di fermata per la manutenzione.

Questi ed altri scopi e vantaggi, che saranno compresi meglio in seguito, sono raggiunti secondo un primo aspetto della presente invenzione da un metodo come definito nella rivendicazione 1.

Secondo un altro aspetto dell'invenzione, si propone di realizzare un'apparecchiatura come definita nella rivendicazione 9.

Ulteriori caratteristiche importanti sono richiamate nelle rivendicazioni dipendenti.

Le caratteristiche e i vantaggi dell'invenzione risulteranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di un suo esempio di attuazione fatta con riferimento ai disegni allegati, dati a titolo indicativo e non limitativo, in cui:

la figura 1 è una vista schematica di una ruota di un veicolo ferroviario a cui è associata un'apparecchiatura secondo la presente invenzione; la figura 2 è uno schema a blocchi che illustra la generazione e l'elaborazione dei segnali in un'apparecchiatura secondo l'invenzione;

la figura 3 illustra una cascata di porzioni temporali successive di un segnale indicativo del movimento verticale della ruota di figura 1 nel dominio del tempo; e

la figura 4 illustra un segnale ricavato dalla media delle porzioni temporali successive riportate in figura 3.

Facendo inizialmente riferimento alla figura 1, con 1 è schematicamente indicata una ruota di un veicolo ferroviario che viaggia su una rotaia 2. Un sensore di movimento 3, atto a rilevare accelerazioni in una direzione verticale x, è montato su un elemento stazionario di supporto 4 solidale o integrale ad un elemento di supporto dell'assile della ruota.

Gli elementi rappresentati nella figura 1 sono da ritenersi di per sé noti per le persone esperte nel settore e pertanto non verranno descritti in modo particolareggiato nel seguito della presente descrizione. Ad esempio, l'elemento di supporto stazionario 4 potrà essere la boccola del cuscinetto o il coperchio esterno di tale boccola, o l'anello di rotolamento esterno e stazionario del cuscinetto del assile, o ancora uno schermo di tenuta montato su tale anello esterno.

Il sensore di movimento 3 preferibilmente include un accelerometro piezoelettrico di tipo noto associato ad un amplificatore incorporato nello stesso corpo che contiene 1'accelerometro.

Nella figura 1 è illustrato un esempio dove la circonferenza di rotolamento della ruota presenta una spianatura 5, per cui quando la ruota, girando, passa sulla spianatura, è soggetta ad una accelerazione verticale che viene rilevata dal sensore di movimento 3, il quale genera di conseguenza un segnale indicativo del movimento della ruota 1 lungo l'asse verticale x.

Preferibilmente il segnale di movimento verticale viene filtrato attraverso mezzi di filtraggio hardware e/o software per eliminare da esso tutte le componenti di vibrazione che non interessano e ridurre il contenuto armonico del segnale ai soli fenomeni che si vogliono tenere sotto controllo, cioè vibrazioni generate dal rotolamento di una ruota dal profilo non rotondo.

La ruota è dotata di un sensore di velocità S associato ad un encoder 7 solidale in rotazione all'assile, ad esempio una ruota fonica del tipo solitamente utilizzato per rilevare la velocità di rotazione. Il sensore di velocità 6 è montato su un elemento stazionario di supporto, preferibilmente solidale o integrale ad un elemento di supporto dell'assile della ruota.

Le caratteristiche di realizzazione e di funzionamento dei sensori di velocità e dei relativi encoder o ruote foniche in questione (che potranno essere di un qualunque tipo noto) non sono di per sé rilevanti ai fini della comprensione dell'invenzione e non verranno pertanto qui descritte in modo particolareggiato. Basterà qui ricordare il fatto che, quando la ruota 1 gira, trascina solidalmente in rotazione 1'encoder 7, per cui il sensore di velocità 6 sotto l'influenza dell'encoder fornisce un segnale indicativo della velocità di rotazione della ruota, generalmente un segnale con frequenza proporzionale alla velocità angolare della ruota.

In figura 1, per semplicità di descrizione, è illustrato un esempio in cui il sensore di velocità 6 è montato sullo stesso elemento 4 che supporta il sensore di movimento 3. È evidente che la scelta di montare i sensori 3 e 6 su un elemento di supporto comune può costituire una scelta preferenziale in talune condizioni applicative ma di certo non è imperativa ai fini dell'attuazione dell'invenzione.

In una forma di realizzazione preferenziale, il sensore di velocità 6 è disposto sull'anello di rotolamento esterno stazionario del cuscinetto.

Secondo una prima forma di attuazione, l'encoder 7 presenta una anomalia, ad esempio un dente più lungo o una cava mancante, quale punto di riferimento di una determinata posizione angolare della ruota, corrispondente ad un punto sulla circonferenza della ruota stessa, in questo caso il sensore di velocità 6 fornirà un singolo impulso o segnale ad ogni giro completo della ruota.

In alternativa, e secondo una forma di attuazione preferita, si utilizza come encoder una ruota fonica con un certo numero n (ad esempio n = 80) di settori, per cui il sensore di velocità associato alla ruota fonica emetterà n impulsi ad ogni giro completo della ruota. Gli impulsi emessi dal sensore di velocità vengono fom iti ad un divisore per n che emette in uscita un impulso per ogni n impulsi ricevuti dal sensore di velocità.

In entrambi i casi, l'impulso o segnale di velocità S emesso in uscita ad ogni giro completo della ruota viene fornito ad un'unità di elaborazione elettronica E (figura 2) che acquisisce anche il segnale M proveniente dal sensore di movimento verticale 3.

L'unità di elaborazione elettronica E correla i due segnali M, S utilizzando il segnale o impulso S di velocità di rotazione della ruota per suddividere il segnale di movimento verticale M in porzioni temporali successive o frames, ciascuna delle quali corrisponde ad un giro completo della ruota.

I frames vengono memorizzati nell'unità di elaborazione elettronica E, o in un'altra apparecchiatura elettronica collegata ad essa, formando una pluralità di frames quali quelli presentati sovrapposti in figura 3, dove sono riportate in ordinata le accelerazioni verticali subite dalla ruota durante una sua rotazione completa. '

Tale raccolta di dati viene effettuata in modo continuo per un certo periodo di tempo.

È importante notare che quando la ruota passa su irregolarità locali della rotaia, ad esempio su una discontinuità alla giunzione dei binari, su uno scambio o su un corpo estraneo posto sui binari, al passaggio della ruota su tale irregolarità viene generato un segnale di movimento verticale anomalo.

Di conseguenza si ottiene un corrispondente frame anomalo, con differenze evidenti rispetto agli altri frame, che sono invece simili, se non praticamente identici tra loro.

Si può quindi periodicamente, ad esempio ogni 50 frames o comunque ad intervalli prescelti, calcolare una funzione o indice di correlazione tra tutti i frames ottenuti in quell'intervallo e scartare quei frames aventi un valore di correlazione più basso di un valore prestabilito, e cioè sensibilmente dissimili dagli altri.

Calcolando una media tra i frames rimanenti, cioè simili, si ottiene una forma d'onda media (figura 4) che riflette solamente i difetti di rotondità della ruota e che è invece libera da tutti quegli eventi non ripetitivi che sono dovuti ad altre cause, ad esempio irregolarità della rotaia.

Poiché l'unica frequenza sincronizzata è quella del giro completo della ruota, la media finale non solo non tiene conto delle sollecitazioni dovute a cause esterne alla ruota, ma neanche di altre sollecitazioni dovute ad eventuali irregolarità di altre parti rotanti (ad es. i rulli del cuscinetto dell'assile) con velocità diverse dalla velocità di rotazione della ruota. Infatti, Bollecitazioni dovute ad altre parti rotanti hanno frequenze diverse da quella della ruota e, non essendo sincronizzate con la rotazione della ruota, non influiscono sulla media finale.

In altre parole, la rilevazione del movimento verticale della ruota, sincronizzata con il periodo di rivoluzione della ruota rende irrilevanti, nella media finale, i dati rilevati durante giri in cui la ruota ha subito sollecitazioni.non ripetitive e, più in generale, qualsiasi dato derivante da sollecitazioni aventi una frequenza diversa da quella della rotazione della ruota. La rilevazione dei dati ovviamente dovrà essere effettuata per un periodo di tempo sufficientemente prolungato da rendere statisticamente ininfluenti i frames anomali.

Come si potrà apprezzare, il metodo della presente invenzione è, in teoria, indipendente dalla velocità a cui.viaggia il veicolo ferroviario; tuttavia, le esperienze condotte dal Richiedente dimostrano che risultati migliori possono essere ottenuti quando il veicolo viaggia ad una velocità sostanzialmente costante e superiore a 100 km/h.

Per ottenere la forma d'onda media finale (figura 4) a partire dai frames memorizzati (figura 3) si potrà usare qualsiasi algoritmo statistico, ad esernpio calcolando la media mobile esponenziale, lo scarto quadratico medio, il valore medio, ecc.

La raccolta di dati sopra descritta viene effettuata per tutte le ruote del veicolo ferroviario, per cui è possibile riscontrare la presenza di un difetto o predire una condizione di difetto incipiente e seguirne l'evoluzione nel tempo, identificando anche quale è la ruota interessata.

L'unità di elaborazione elettronica E è predisposta per emettere automaticamente un segnale di allarme A al superamento di un valore di soglia prestabilito che identifica una condizione di difetto presente o incipiente.

Ancora in accordo con la presente invenzione, se il segnale o inpulso di velocità viene generato in corrispondenza di una determinata posizione angolare predefinita, e che corrisponde ad un punto preciso sulla circonferenza della ruota, si otterranno frames aventi un punto di partenza riconducibile a quella posizione. Di conseguenza, la forma d'onda media di una ruota rappresenterà praticamente una mappa polare del profilo della ruota, con l'indicazione precisa della localizzazione del difetto lungo la circonferenza.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per rilevare difetti di rotondità in una ruota di un veicolo ferroviario, comprendente le fasi di: (a) predisporre mezzi sensori di movimento (3), associati ad una ruota (1) di un veicolo ferroviario, per generare un segnale (M) indicativo del movimento della ruota lungo un asse essenzialmente verticale (x); (b) predisporre mezzi sensori di rotazione (6) della ruota (1), per rendere disponibile un segnale (S) di velocità di rotazione della ruota (1); (c) acquisire i segnali di movimento (M) e di velocità di rotazione (S) per mezzo di un'unità di elaborazione elettronica (E) e correlare tali segnali utilizzando il segnale di velocità (S) per suddividere il segnale di movimento verticale (M) in porzioni temporali successive, ciascuna delle quali corrisponde ad un giro completo della ruota,· (d) memorizzare dette porzioni temporali successive del segnale di movimento (M); (e) elaborare una media delle porzioni temporali successive del segnale di movimento memorizzate in un periodo di tempo per individuare, in base a detta media, difetti di rotondità della ruota presenti o incipienti.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui media elaborata in detta fase (e) viene calcolata in base ad un numero di porzioni temporali successive tale da rendere statisticamente ininfluenti quelle porzioni temporali del segnale di movimento (M) che contengono dati provocati da sollecitazioni che non si ripetono nel tempo con la frequenza di rotazione della ruota (1).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase (c) comprende la fase di filtrare il segnale di movimento (M) per eliminare da esso tutte le componenti di vibrazione non generate dal rotolamento della ruota sulla rotaia.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase (b) di generazione del segnale di velocità comprende la fase di: generare un singolo segnale di velocità ad ogni giro completo della ruota.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase (b) di generazione del segnale di velocità comprende le fasi di: generare un numero (n) di impulsi ad ogni giro completo della ruota e di trasmettere tali impulsi ad un divisore per n che emette in uscita un singolo segnale di velocità per ogni n impulsi ricevuti.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase (c) di acquisizione dei segnali (M, V) è effettuata con il veicolo che viaggia ad una velocità sostanzialmente costante.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui là fase (c) di acquisizione dei segnali (M, V) è effettuata con il veicolo che viaggia ad una velocità superiore a 100 km/h.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase (e) è seguita dalla fase di: emettere automaticamente un segnale di allarme (A) quando la media delle porzioni temporali successive supera un valore di soglia prestabilito.
9. 9. Apparecchiatura per rilevare difetti di rotondità in una ruota di un veicolo ferroviario, comprendente: mezzi sensori di movimento (3), associati ad una ruota (1) di un veicolo ferroviario, atti a fornire un segnale (M) indicativo del movimento della ruota lungo un asse essenzialmente verticale (x); mezzi sensori di rotazione (6) della ruota (1), atti a rendere disponibile un segnale di velocità di rotazione della ruota; mezzi di elaborazione (E) predisposti per: acquisire i segnali di movimento (M) e di velocità (S); correlare tali segnali utilizzando il segnale di velocità (S) per suddividere il segnale di movimento verticale (M) in porzioni temporali successive, ciascuna delle quali corrisponde ad un giro completo della ruota; memorizzare una pluralità di porzioni temporali successive del segnale di movimento (M); elaborare una media delle porzioni temporali successive del segnale di movimento (M) memorizzate in un periodo di tempo; e individuare, in base a detta media, difetti di rotondità della ruota,,presenti o incipienti.
10. 10. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, comprende inoltre mezzi circuitali di filtrazione atti a filtrare il segnale di movimento (M) per eliminare da esso tutte le componenti di vibrazione non generate dal rotolamento della ruota sulla rotaia.
11. 11. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, comprendente inoltre mezzi di allarme per generare automaticamente un segnale di allarme (A) quando la media delle porzioni temporali successive supera un valore di soglia prestabilito.
12. 12. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, in cui i mezzi sensori di movimento (3} sono associati ad un encoder (7) atto a generare un singolo segnale di velocità ad ogni giro completo della ruota.
13. 13. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, in cui i mezzi sensori di movimento (3) sono associati ad un encoder (7) atto a generare un numero (n) di impulsi ad ogni giro completo della ruota, l'apparecchiatura comprendendo inoltre mezzi divisori per n, associati operativamente ai mezzi sensori (3), per emettere in uscita un singolo segnale di velocità per ogni n impulsi ricevuti.
14. 14. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, comprendente mezzi sensori di movimento (3) e mezzi sensori di velocità (6) accoppiati a ciascuna delle ruote di un veicolo ferroviario.
15. 15. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, in cui i mezzi sensori di movimento (3) sono montati solidalmente ad un elemento di supporto (4) dell'assile della ruota (1).