Configurare variabilă
Structura variabilă este definită ca tehnologie feroviară care, în unele materiale rulante, permite înclinarea transversală automată a corpului cu privire la boghiuri în timpul virajului, o soluție în general capabilă să permită viteze mai mari în deplasarea căilor curvilinee.
Principii de baza
Un obiect care se deplasează de-a lungul unei căi drepte cu o viteză constantă nu este supus niciunei accelerații , ceea ce înseamnă de către aceasta o variație a vitezei în unitatea de timp . Viteza este o cantitate vectorială formată din trei parametri: direcție, direcție și intensitate. Intensitatea este valoarea scalară utilizată în viața comună, dar există o variație a vitezei chiar dacă ceilalți doi parametri sunt modificați.
Dacă obiectul cu o mișcare rectilinie uniformă începe să se miște cu o mișcare curbiliniară, există o variație a direcției vitezei, care tinde să facă obiectul să urmeze noua direcție. Sunt generate două accelerații ortogonale între ele, una dispusă tangențial curbei și una la un unghi drept îndreptată spre centrul curbei. Se numesc accelerare tangențială și centripetă. Rezultatul componentelor lor face ca obiectul să schimbe traiectoria . Aplicarea accelerației centripete creează prin reacție o forță centrifugă care împinge obiectul spre exterior. Intensitatea acestei forțe este direct proporțională cu masa și pătratul vitezei și invers proporțională cu raza de curbură.
Este evident că un pasager supus acestei forțe tinde să fie deplasat spre exteriorul curbei, prin urmare să sufere disconfort. Din acest motiv, accelerația reziduală permisă în curbe de Căile Ferate de Stat este egală cu 1,6 m / s 2 ( metri pe secundă pătrat), o valoare absolut tolerabilă care vă permite să mergeți de-a lungul trenului evitând să fie aruncat în lateral. Pentru a minimiza gradul de disconfort, șina externă din curbă este ridicată față de cea internă, creând un plan înclinat spre interiorul curbei. Această măsură reduce forța rezultată aplicată pasagerului, făcând mai confortabilă efectuarea curbei.
Atunci când doriți să măriți viteza de deplasare a curbei (compatibil cu parametrii de siguranță ai căii), forța centrifugă ar crește într-un mod intolerabil, cu excepția cazului în care creșteți în continuare unghiul de înclinare al planului căii. Tot în acest caz ar exista probleme de confort: în cazul unei opriri într-o curbă, de fapt, din cauza forței de gravitație, pasagerul ar aluneca spre interior. Pentru a echilibra cele două efecte, adică pentru a limita atât forța centrifugă, cât și înclinația în cazul unei opriri pe o curbă, sa stabilit că cota maximă a șinei externe este de 160 mm, egală cu un unghi de aproximativ 6 °.
Cu toate acestea, valoarea de 0,8 m / s 2 este considerabil mai mică decât accelerația transversală maximă pe care o rezistă structura, de obicei mai mare de 2,5 m / s 2 . Diferența este prea mare pentru a fi risipită și acesta este punctul de plecare pentru tehnica de flotabilitate variabilă. Această tehnologie intervine direct pe tren , înclinând corpul în funcție de viteză și raza de curbură pentru a crește unghiul general față de orizontală. Înclinarea suplimentară în curbe și viteză face posibilă menținerea unei valori de accelerație în interiorul trenului mai mică decât cea a trenului în sine și creșterea vitezei trenului cu aproximativ 30% fără a provoca neplăceri pasagerilor.
Dificultăți tehnice și probleme întâmpinate și rezolvate
Există multe considerații care trebuie făcute cu privire la problema atitudinii variabile, în primul rând alegerea dificilă dintre oscilația spontană și oscilația asistată. În primul caz, forța centrifugă este utilizată pentru a înclina carcasa, care are un centru de rotație foarte ridicat. Această soluție, pe lângă faptul că presupune o construcție specială a convoiului, nu dă totuși rezultate excepționale, dovedindu-se a fi lentă în răspunsul în cazul în care îndoirile și contraîndoirile se succed la distanțe scurte. Unele trenuri în circulație folosesc în prezent acest sistem, de exemplu spaniola TALGO Pendular . Având în vedere lentoarea mișcării și unghiul redus de înclinare (în limita a 3 grade), este utilizat aproape exclusiv pe trenurile de noapte pentru a oferi mai mult confort pasagerilor care se odihnesc.
Al doilea tip de oscilație se bazează pe un set de actuatoare mecanice care rotesc carcasa cu un anumit număr de grade în funcție de cantitatea de accelerație care trebuie corectată. Fosta Fiat Ferroviaria deține brevetul pentru această metodă.
Ne vom concentra asupra acestui aspect, care este calea urmată la nivel mondial pentru variația înființării trenurilor de cale ferată. Dincolo de faptul că este necesară o viteză considerabilă de execuție a operațiilor de rotație mecanică, cea mai mare dificultate constă în detectarea momentului exact în care să înceapă înclinarea. Ar fi spontan să introducem un accelerometru din care să extragem un semnal care controlează înclinația în mod proporțional și, de fapt, acest lucru se întâmplă. Dar sarcina de a începe rotația nu poate fi retrogradată pe accelerometru, deoarece pista nu este perfectă și în timpul deplasării apar accelerații transversale foarte frecvente care ar distorsiona semnalul de ieșire. Pentru a vă asigura că sunteți în viraje, valoarea măsurată trebuie să depășească un anumit prag, care este mai mare decât posibilele accelerații generate, de exemplu, prin șerpuirea în linie dreaptă. Această filtrare generează o întârziere consistentă care amână în mod semnificativ momentul începerii rotației, rezultând în unele cazuri ineficiente în scopul compensării dorite și mai ales extrem de nedorite de călător datorită efectului cunoscut de „rău de mare”.
Soluția ingenioasă la care a ajuns grupul de tehnicieni din FS și Fiat Ferroviaria constă în detectarea caracteristicilor geometrice ale pistei și în identificarea giroscopică a începutului curbei. În fiecare curbă, șina exterioară este ridicată deasupra șinei interioare. Pentru a atinge cota dorită există o tranziție parabolică care se montează înainte de curba în timpul căreia șina exterioară crește treptat, până când atinge valoarea finală în curbă completă. În timpul curbei, înălțimea nu se schimbă și exact opusul apare la ieșire, adică șina exterioară coboară treptat până când se așează paralel cu șina interioară. Giroscopul este un instrument utilizat în tehnologia spațială pentru a detecta și corecta deplasările unghiulare ale platformelor inerțiale. În căile ferate, un giroscop montat pe prima axă a trenului detectează dacă axa are o rotație (deci o deplasare unghiulară) față de orizontul căii și trimite un semnal de eroare. Este clar că această variație apare doar în cazul în care se angajează fitingul de tranziție care precede o curbă. De fapt, după cum sa menționat, roata exterioară se ridică în timp ce cea interioară rămâne la aceeași înălțime: axa se înclină. Acesta este semnalul care permite citirea accelerometrică și declanșează înclinația carcasei. În acest moment, valoarea accelerației determină unghiul de înclinare al corpului, care va rămâne în această poziție atâta timp cât curba persistă. În timpul curbei complete nu se modifică altitudinea și giroscopul nu emite niciun semnal de eroare, dar de îndată ce curba se termină și șina externă coboară din nou, există un nou semnal de comandă care face ca corpul să revină la orizontală în un mod gradual întotdeauna bazat pe accelerația măsurată, care evident tinde spre zero pe măsură ce începe o secțiune dreaptă.
De la momentul în care curba este percepută până la momentul în care există un semnal accelerometric de valoare adecvată, ar exista o lipsă de rotație a carcasei, deoarece pistoanele hidraulice sunt controlate de accelerometru. Pentru a depăși acest dezavantaj, care ar anula activitatea giroscopului, este introdus un semnal de comandă manechin complet arbitrar, care, în orice caz, începe înclinarea anticipând semnalul accelerometric real, care este apoi urmat de corecția exactă a accelerației.
La viteze de 180 km / h , 100 de metri sunt parcurși în două secunde, iar joncțiunile de tranziție nu sunt întotdeauna atât de lungi. Dacă considerăm că semnalul accelerometrului este filtrat sub 1 Hz și că trebuie să așteptăm cel puțin o jumătate de undă pentru a calcula perioada (5/10 s la 1 Hz), întârzierea pe care o avem este de aproximativ 8/10 de secundă . Mai avem doar 12/10 dintr-o secundă (puțin peste o secundă) pentru a înclina carcasa și a o stabiliza. Nu că nu este posibil, dar mișcarea ar fi atât de bruscă încât ar face să pară că se află pe un roller coaster, fără a lua în considerare supradimensionarea sistemelor de rotație. Folosind giroscopul, pe de altă parte, putem detecta curba în aproximativ 1/10 dintr-o secundă datorită acestei simple considerații: înclinarea maximă permisă pentru piste este de 8 mm / m, astfel încât giroscopul ne va da un semnal dincolo această valoare. Deoarece cota maximă este de 160 mm, 8 mm reprezintă 5% din eroare, ceea ce se traduce în metri liniari înseamnă a pierde doar 5 metri din 100 de conexiune pentru a identifica curba, iar tradus în secunde înseamnă a lua 5% din două secunde pentru a înțelege fii în viraje: 1/10 dintr-o secundă. În practică, avem aproape două secunde să acționăm pistoanele, înclinăm ușor carcasa și o stabilizăm acolo unde este nevoie. Pentru a ne face o idee despre cât de neglijabilă este viteza unghiulară pe care axa o are în timpul montării de tranziție, oferim acest exemplu: cu o creștere a pantei de aproximativ 1 mm pe metru și deplasare la 30 m / s (108 km / h) există o viteză unghiulară de aproximativ 20 miliradieni pe secundă sau mai puțin de o rotație la fiecare 5 minute. Aceasta înseamnă că sensibilitatea giroscopilor este foarte mare și trebuie neapărat să fie filtrată cu o zonă neutră.
Controlul giroscopic a fost piatra de temelie care a deschis ușile către atitudinea variabilă, ducând la construirea primului tren din lume cu o atitudine variabilă asistată de putere. Fidelitatea excepțională a corecției și moliciunea decisivă cu care a fost posibil să se obțină schimbarea de atitudine, au uimit atât de mult comunitatea internațională încât a luat Pendolino ca exemplu de urmat pentru construcția viitoarelor trenuri cu atitudine variabilă.
Bibliografie
- Giovanni Klaus Koenig, Dincolo de Pendolino. Viteză mare și reglaj variabil în trenurile electrice italiene , Roma, Valerio Levi, 1986
- Vittorio Mario Cortese, Activ variabil în lume , în Trenuri , 18 (1997), n. 180, pp. 14-20
- Pendolino. Istoria și perspectivele unui tren italian , interviu cu prof. Franco Di Majo de Angelo Nascimbene, în All train , 11 (1998), n. 113, inserție centrală a 12 pagini nenumerotate
- Massimiliano Bruner, Ei au gândit și proiectat Pendolino , în Ingineria feroviară , 62 (2007), n. 11, pp. 937–940
- În memoria lui Franco Di Majo , în Railway Engineering , 66 (2011), n. 4, pp. 351–352
Elemente conexe
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe Variable Asset
