Transcript boghiul mecatronic - mi*carea controlata cu

BOGHIUL MECATRONIC - MIŞCAREA
CONTROLATA CU SUSPENSIE
LATERALĂ ACTIVĂ
Prof. dr. ing. Ioan Sebeșan,
Conf. dr. ing. Gabriel Popa,
Drd. ing. Pompiliu Constantin
Universitatea POLITEHNICA din București,
Facultatea Transporturi,
Departamentul Material Ruland de Cale Ferată
Universitatea POLITEHNICA din București,
Facultatea Transporturi,
Departamentul Material Ruland de Cale Ferată
Metrorex S.A.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
• Abordarea
concepţiei
mecatronice aplicată pe un boghiu
experimental este caracterizată în primul rând de construcţia
ansamblului mecanic.
• Funcţiile boghiului: transport şi sustinere a caroseriei vehiculului
feroviar, asigurarea ghidajului pe şine, transmiterea forţelor de
tracţiune şi frânare între vehicul şi cale se transpun într-un
ansamblu de siguranţă şi stabilitate în circulaţia VCF.
• Creşterea vitezelor de circulaţie şi confortul pasagerilor trebuie să
se facă cu un impact cât mai redus asupra căii ferate. Soluţiile
adoptate până în prezent cu componente pasive, mecanice pe
boghiu sunt nerentabile şi complică constructiv boghiul adăugând
greutăţi suplimentare masei totale. Sistemele active au avut
beneficii importante încă din start. Din perspectiva istorică
principalii factori de dezvoltare a proiectării mecatronice au fost
robotica şi tehnologiile spaţiale.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
• Precizia mişcărilor complexe trebuie realizată cu condiţia
respectării structurilor cinetice şi de control.
• Datorită tehnologiei “servo” şi cea a informatizării s-au
fabricat microcontrolere pe care le-am putut aplica în
sistemele mecanice ale boghiurilor.
Condiţionările
impuse pentru robotică şi tehnologia spaţială nu sunt
aceleaşi ca şi pentru vehiculele de cale ferată. Deplasarea
cu viteză a VCF pe un ghidaj cu zona de contact foarte
mica duce la numeroase probleme care trebuie rezolvate.
• Tehnicile aplicate la trenuri sunt specifice numai căilor
ferate, deci introducerea sistemelor active este destul de
controversată.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
• Primul sistem controlabil la un boghiu a fost cel introdus
pentru protecţia la alunecare, pentru exploatarea la maxim a
tracţiunii şi pentru o frânare mai bună. Controlul aderenţei,
apoi controlul înclinării (activ – Pendolino) la înscrierea în
curbă, sunt câteva exemple de aplicații.
• Dar aceste sisteme nu folosesc o abordare reală mecatronică,
ele sunt doar suplimente aplicate la un sistem mecanic
predefinit.
• Obstacolele ar fi de exemplu: greutate sporită, costuri sporite
ale structurilor mecanice aferente, cât şi controlul separat al
sistemelor. În industria căilor ferate trebuie folosit un nou
concept de proiectare, inginerie şi cultura tehnică prin
dezvoltarea aplicaţiei mecatronice.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Condiţionări
Deoarece cerintele impuse formează un ansamblu de performanţe
superioare, soluţiile alese diferă de construcţiile tradiţionale, consacrate
până în prezent.
Caracteristicile care trebuie asigurate sunt:
viteze înalte parcurse în siguranţă deplină şi acceleraţii
laterale compensate;
confort sporit pentru pasageri;
impact redus asupra mediului (asupra infrastructurii CF);
investiţii scăzute (la cercetare şi la fabricatie);
întreţinere uşoară, norme de revizie foarte “largi”;
autoevaluare permanentă, monitorizare comportament în
exploatare, cu înregistrare de date.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
• În noua concepţie apare necesitatea ca sistemul să fie privit ca
un întreg, în ansamblu, iar elementele componente să fie
privite prin prisma interacţiunii lor. Un element sau
subansamblu multifunctional va fi plasat într-o pozitie în care
va influenţa un nr. optim de grade de libertate.
• Unele concepte de subansamble mecatronice se pot găsi în
cadrul suspensiei caroseriei şi în sistemul de suspensie al
osiilor. O suspensie optimă trebuie să cuprindă cel puţin două
trepte de suspensie cu arcuri verticale şi laterale. Cele laterale
influenţează puternic comportamentul giroscopic al cutiei
vehiculului şi al boghiului în sensul optimizării poziţiilor faţă
de condiţiile profilului căii şi de viteză.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
• Datorită profilului căii osiile au tendinţa de a urma calea şi de a se
aseza în pozitie radială în curbe. La viteze mari sau o dată cu creşterea
vitezei, efectele dinamice de instabilitate cresc. Pentru stabilizarea ei
osia montată este ghidată rigid şi cuplată de rama boghiului cu
amortizoare de giraţie.
• La rândul lor amortizoarele de giraţie introduc vibratii şi zgomote
ridicate în structura boghiului sau a caroseriei. Comparativ cu acestea,
dispozitivul de acţionare activ al osiilor oferă posibilitatea aşezării
corecte a osiei în curbe. Beneficiile imediate ar fi reducerea uzurii
roată/şină, îmbunătăţirea confortului, reducerea vibraţiilor,
a
zgomotului etc. Se simplifică construcţia mecanică a boghiului. De
asemenea este instalat un sistem de monitorizare complet a stării
boghiului.
• Configuraţia (sumară) a boghiului este alcătuită din 2 osii montate
controlate individual de câte un servomotor, suspensie convenţională,
amortizoare verticale, perne cu surse de aer, bară antiruliu,
amortizoare laterale şi oblige şi, în plus monitorizarea stării generale a
boghiului.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
• Proiectarea boghiului este guvernată de un nr. mare de
restricţii şi cerinţe contradictorii, pe de o parte de ridicare a
standardului de confort la creşterea vitezei de deplasare şi
în pofida gradului de deteriorare a căii ferate. De asemenea
se observă că şi gabaritul boghiului este foarte important
pentru satisfacerea condiţiilor de mai sus.
• Cursa maximă stabilită la dispozitivele laterale de comandă
a fost limitată la 40 mm (+1,-1), conform cercetărilor
pentru ecartamentul normal de 1435 mm. Cursa laterală
este disponibilă în totalitate pentru a absorbi
neconformităţile de cale (denivelări, imperfecţiuni). Este
evident că cerinţa de a reduce cursa maximă laterală şi cea
de a creşte confortul la rularea în curbe sunt diametral
opuse. La alegerea măsurilor active pentru sporirea
confortului va trebui minimizată energia utilizată pentru
compensarea stabilizării boghiului. În cadrul proiectului
“boghiul activ” limita superioară de energie este de 5 kW
(Deutsche Bahn - AG).
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Evaluările funcţionale conform ISO 2631 ale DB-AG
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Funcţia de evaluare confort, conform ISO2831-DB-AG
• O distribuţie de frecvență legată de ponderea acceleraţiilor
care apar la VCF, permite o evaluare obiectivă a confortului
pasagerilor .
• Ponderea maximă pentru confortul lateral şi vertical apare la
frecvențe diferite. În timp ce curba pentru acceleraţia pe
verticală are un maxim în jurul valorii frecvenţei de 6-10 Hz,
cea pentru acceleraţia pe orizontală (laterală) este în zona
maximă pentru o frecvenţă de 1 Hz.
• Este evident că vibraţiile verticale trebuie să fie controlate
într-un interval de 6-10 Hz pentru a obţine o îmbunătăţire
semnificativă a confortului în comparative cu sistemul pasiv,
deoarece controlul acceleratiei laterale poate avea un efect
semnificativ doar în jurul valorii de 1 Hz.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
• Dacă se presupune că, creşterea energiei consumate
trebuie să fie proporţională cu viteza de mişcare a unui
servomotor, controlul pe direcţie verticală se face cu
un consum mult mai mare de energie decât cel pe
direcţie orizontală (lateral), ducând direct la
îmbunătăţirea confortului prin control activ al direcţiei
laterale şi lăsând pasivă mişcarea verticală. Se obține
un raport favorabil între energia consumată şi
confortul relizat. S-a optat pentru actionarea
hidropneumatică (din mai multe sisteme de acţionare
potrivite pentru acest scop) ca fiind cel mai sigur şi
fiabil. Servomotoarele hidropneumatice au avantajul că
pot realizea funcţiile de amortizor şi de resort
(proprietăţi pasive) şi pot genera şi forţe active prin
furnizarea de fluid hidraulic sub presiune (proprietăţi
active).
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Corpul vehiculului este controlat şi legat de boghiu prin subansamble
hidropneumatice, amenajate în perechi pe boghiu, cu sistem dublu de
acţionare.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Corpul VCF este sustinut pe 4 perne de aer. Cu acest montaj servomotoarele pot
influenţa foarte usor mişcarea laterală. Din cauza specificului constructiv al VCF
dispozitivele de acţionare nu se pot aplica direct sau foarte aproape de centrul de
greutate al VCF şi se folosesc braţe de pârghie sincronizate notate cu “z_wk_akt”.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Modelare sistem
• Proiectarea presupune mai întâi modelarea
matematică a sistemului. Aceasta prezintă parametrii
de bază ai caroseriei şi ai boghiului (ale mişcărilor lor).
În cadrul modelului matematic mişcările osiilor
montate formează intrarea (datele de intrare). Sarcinile
modelului sunt: o mai bună înţelegere a sistemului,
asigurarea accesului la datele de intrare pentru
reducerea
specifică
necesară,
valorificarea
funcţionalităţilor controlerelor dpdv al performanţei şi
al respectării restricţiilor impuse. Se ajunge la un
sistem de 3 ecuatii diferenţiale, legate în matrice de
ord 2, adică un sistem de 18x2 = 36 variabile de stare.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Modelul include frecvenţe şi mărimi care în mod separat nu
sunt luate individual în discuţie. De aceea el este redus la
câteva elemente relevante care contează pentru sistemul de
control. În a doua etapă este redus şi numărul de frecvenţe de
model, de asemenea masa boghiului şi amortizoarele sunt
aduse la 0. În acest fel ecuaţiile de mişcare pentru boghiuri
pot fi înlocuite în ecuaţiile caroseriei care arată compararea
spectrului de frecvenţă pentru acceleraţiile laterale şi
verticale, între modelul complet linear şi modelul cu frecvenţă
redusă, cu o excitaţie.
Se poate vedea că un model foarte bun există până la
frecvenţa de 5 Hz
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Conceptul sistemului de control
Conceptul de bază al proiectării complete se bazează pe
principiul că, caroseria influenţează dominant sistemul de
control, în timp ce modurile de frecvenţă mai mare rezultă din
mişcările boghiurilor şi sunt determinate numai de acţiunile
pasive. Acest principiu rezultă din corelarea relaţiei
performanţă/energie şi conduce automat la necesitatea de
integrare cu filtru de ordin superior în controler. Sistemele
sunt operate la frecvenţe joase, în scopul de a se evita
excitaţiile de rulare (în mişcare). Centrarea şi ghidarea
caroseriei în raport cu boghiurile este garantată de frecvenţa
joasă, de controlul deplasărilor laterale relative şi a poziţiei
deplasărilor de alunecare a caroseriei, deoarece ameliorarea
confortului se realizează prin controlul frecvenţei laterale mai
mari şi a deplasărilor de alunecare / accelerare a caroseriei.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Deci sistemul va avea 4 căi în principiu:
două căi sunt responsabile pentru controlul poziţiei
laterale (contolul mişcarii corpului vehiculului)
două căi care contracarează acceleraţia laterală a
caroseriei
Sistemul de control al poziţiei laterale îşi asumă parţial
sarcina de centrare a poziţiei (spre axa căii). De aceea
proiectarea arcurilor suspensiei secundare poate accepta
nişte arcuri mai moi. Diferitele neregularităţi ale căii sunt
transferate caroseriei prin intermediul subansamblului
suspensiei secundare, iar sistemul activ va absorbi mai
puţine perturbări de la corpul vehicolului.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
Concluzii
1. Structura minima a controlerului este determinată de
definirea structurii de sistem.
2. Prin interacţiunea dintre sistem şi controler se
creează o zonă de implementare care se poate defini
prin stabilirea parametrilor regulatorului.
3. Beneficiarul poate defini în mod liber un
comportament ţintă în zona de potenţial a
regulatorului.
4. Proprietăţile pasive favorabile sunt integrate.
5. Parametrii regulatorului sunt stabiliţi printr-un calcul
anterior pentru a se respecta întocmai conditiile
cerute.
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014
VĂ MULȚUMESC !
Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014