Siempre en el buen camino
Soluciones de sensores de Hansford Sensors y ASC
Monitoreo de vibraciones y oscilaciones en el transporte ferroviario
La medición de alta precisión de oscilaciones y vibraciones en vehículos e infraestructura es un requisito fundamental para un transporte ferroviario seguro y confortable. Los sensores desempeñan un papel central en el desarrollo, la construcción y la operación de los trenes, así como en los sistemas de supervisión de vías, desvíos y puentes.
La optimización de la capacidad de las líneas y el creciente volumen de tráfico ferroviario requieren sistemas que puedan responder rápidamente a las interrupciones. La evaluación de las oscilaciones y vibraciones no solo sirve para evaluar el estado actual de los vehículos, sino que también permite la detección temprana de futuras debilidades del material. Se pueden implementar medidas correctivas antes de que se produzcan daños costosos.
Los datos de medición se pueden transmitir en tiempo real y poner a disposición digitalmente, constituyendo la base para aplicaciones de gemelos digitales. Esto se basa en soluciones de sensores robustas combinadas con algoritmos inteligentes para el procesamiento de datos de vibración y oscilación.
Desafíos en aplicaciones ferroviarias
Los vehículos ferroviarios, en particular los bogies, los ejes, los frenos y los rodamientos de las ruedas, están expuestos a cargas mecánicas extremas. Estos componentes se diseñan y prueban de conformidad con la norma EN 13749.
Durante las pruebas, los trenes recorren miles de kilómetros en condiciones difíciles, donde los impactos de hasta cuatrocientos g no son infrecuentes, especialmente al probar juegos de ruedas y bogies. Como estas fuerzas también actúan sobre los sensores, los sensores de vibración deben ser excepcionalmente robustos, estables a largo plazo y confiables.
Evolución de los requisitos de sensores en las operaciones ferroviarias
Históricamente, los sensores de vibración en aplicaciones ferroviarias se utilizaban principalmente en trenes de prueba. Estos sistemas medían parámetros como la posición de la vía y la aceleración vertical para identificar errores geométricos en la superestructura de la vía. Esta información ayudaba a planificar y programar las actividades de mantenimiento.
Sin embargo, las pruebas de recorrido y la posterior evaluación de datos solo proporcionan información sobre el estado del vehículo o de la vía con retraso. La supervisión continua durante la operación regular permite identificar debilidades potenciales mucho antes, lo que contribuye significativamente a la seguridad y fiabilidad de los vehículos ferroviarios.
Digitalización y supervisión continua en redes ferroviarias
La adopción de tecnologías digitales en todo el sector ferroviario está aumentando la capacidad, la eficiencia y la calidad de las redes ferroviarias. Los sensores permiten la transmisión en tiempo real y el acceso descentralizado a los datos de estado, lo que permite a los operadores realizar un seguimiento del estado exacto de las flotas y de la infraestructura en cualquier momento.
Los sensores ya no se limitan a los trenes de prueba. Ahora están integrados en trenes de alta velocidad, trenes regionales, tranvías, sistemas de metro y ferrocarriles de cercanías. Como resultado, los sensores deben cumplir con los requisitos de las normas DIN EN 50155 e IEC 60751.
Este cambio ha aumentado la demanda de sensores de grado industrial rentables y adecuados para el despliegue a gran escala.
Asociación aprobada para el desarrollo de sensores ferroviarios
El desarrollo de un sensor de aceleración IEPE piezoeléctrico industrial con homologación ferroviaria unió a dos especialistas en sensores.
ASC GmbH, un fabricante líder de sensores inerciales basados en MEMS para aplicaciones exigentes de prueba y medición, se asoció con Hansford Sensors, expertos en el diseño y la fabricación de sensores de vibración industriales.
Hansford Sensors proporcionó flexibilidad en el diseño de los sensores, lo que permitió adaptar sus propiedades específicamente a los requisitos de homologación ferroviaria. Mientras que Hansford Sensors adaptó la tecnología de los sensores OEM, ASC se centró en el diseño del sistema, la certificación y la implementación general.
Tecnología utilizada en los sensores de vibración ferroviaria
Los sensores de aceleración modernos suelen utilizar un principio de funcionamiento piezoeléctrico. Si bien la tecnología de cizalladura es común, la tecnología de compresión ofrece ventajas en aplicaciones ferroviarias.
Los sensores de compresión son más adecuados para la exposición continua a impactos de gran amplitud. Su construcción tipo sándwich es mecánicamente robusta y menos sensible a las microfisuras en comparación con los diseños basados en cizalladura.
El desarrollo se basó en sensores de aceleración piezoeléctricos existentes con opciones de conector lateral y superior. Estos sensores ya utilizaban tecnología de compresión y proporcionaban una base sólida para la adaptación a las pruebas de fatiga y a los requisitos específicos de los ferrocarriles.
Condiciones de operación en vehículos ferroviarios
Los conjuntos de bogies absorben no solo el peso de los vehículos ferroviarios, sino también todas las fuerzas que actúan sobre las ruedas y los cojinetes. La operación guiada por vías da como resultado el desgaste del material, incluidos los defectos en los rieles y las zonas planas en las llantas de las ruedas.
El paso por curvas a alta velocidad genera cargas adicionales en los juegos de ruedas, lo que provoca un aumento de la fricción y el desgaste de los rodamientos. Las diferencias entre la separación de los rieles y las dimensiones de los ejes también generan aceleraciones causadas por el movimiento sinusoidal.
Si las aceleraciones superan los valores críticos, en casos extremos puede producirse un descarrilamiento. Un monitoreo fiable de las vibraciones de los bogies permite identificar tempranamente el desarrollo de daños, lo que posibilita el mantenimiento preventivo y evita fallos inesperados.
Aprobación de construcción y ferrocarriles
El objetivo era desarrollar un sensor de aceleración IEPE económico y de mercado masivo adecuado para su uso continuo en trenes de tráfico.
El núcleo del sensor es una cápsula OEM ya utilizada en sensores IEPE industriales. Esta tecnología proporciona un amplio rango de frecuencia desde cero coma cinco hercios hasta diecisiete kilohercios, múltiples rangos de medición desde más menos dieciséis g hasta más menos ochocientos g, y resistencia a impactos de hasta cinco mil g.
La fiabilidad es esencial para el uso ferroviario. Con un tiempo medio calculado entre fallos de doscientos cincuenta mil horas, equivalente a aproximadamente veintiocho años y medio, el sensor cumple con los requisitos operativos a largo plazo.
La carcasa del sensor se desarrolló específicamente para entornos ferroviarios. Está herméticamente sellada, fabricada en acero inoxidable robusto y cumple con estrictos criterios de prueba de vibración y golpes. Con una clasificación IP68, resiste la suciedad, la humedad, el impacto de piedras y temperaturas extremas.
Todas las características de diseño técnico se fijaron durante el desarrollo y se validaron mediante pruebas según la norma EN 50155. La estrecha cooperación entre ASC y Hansford Sensors garantizó la correcta integración de las cápsulas de sensores OEM en carcasas específicas para ferrocarril.
Consideraciones de montaje e instalación
Los sensores IEPE convencionales suelen montarse utilizando un único punto de fijación, lo que no ofrece redundancia. Las aplicaciones ferroviarias requieren soluciones de montaje más robustas.
Los sensores específicos para aplicaciones ferroviarias utilizan cables permanentemente integrados que son resistentes al fuego, libres de halógenos, ignífugos y resistentes a la temperatura, a la exposición a los rayos UV y al ozono.
Se evitan las interfaces mecánicas adicionales siempre que sea posible, ya que las transiciones de material pueden afectar la respuesta en frecuencia e introducir errores de medición. El diseño de la carcasa también permite seleccionar la dirección de medición sensible, eliminando la necesidad de soportes adicionales o adaptadores de montaje.
Perspectivas para el desarrollo de sensores ferroviarios
El lanzamiento al mercado del sensor de aceleración IEPE para el mercado masivo destinado a aplicaciones ferroviarias estaba previsto para el primer semestre de 2021.
El conocimiento adquirido durante el desarrollo sigue informando a proyectos futuros, incluidas interfaces eléctricas adicionales, opciones de fuentes de alimentación alternativas y nuevos diseños de sensores.
Mediante la colaboración con fabricantes de vehículos ferroviarios, Hansford Sensors continúa optimizando su cartera y contribuyendo al avance continuo del monitoreo de vibraciones en el sector ferroviario.
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