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Soluzioni di sensori di Hansford Sensors e ASC

Monitoraggio delle vibrazioni e delle oscillazioni nel trasporto ferroviario

La misurazione altamente accurata di oscillazioni e vibrazioni su veicoli e infrastrutture è un requisito fondamentale per un trasporto ferroviario sicuro e confortevole. I sensori svolgono un ruolo centrale nello sviluppo, nella costruzione e nell'esercizio dei treni, nonché nei sistemi di monitoraggio per binari, scambi e ponti.

L'ottimizzazione delle capacità delle linee e il crescente volume del traffico ferroviario richiedono sistemi in grado di reagire rapidamente alle perturbazioni. La valutazione delle oscillazioni e delle vibrazioni non serve solo a valutare le condizioni attuali dei veicoli, ma consente anche di individuare tempestivamente future debolezze dei materiali. È così possibile attuare misure correttive prima che si verifichino danni economicamente costosi.

I dati di misurazione possono essere trasmessi in tempo reale e resi disponibili digitalmente, costituendo la base per le applicazioni di digital twin. Ciò si basa su soluzioni di sensori robuste combinate con algoritmi intelligenti per l'elaborazione dei dati di vibrazione e oscillazione.

Sfide nelle applicazioni ferroviarie

I veicoli ferroviari, in particolare i carrelli, gli assi, i freni e i cuscinetti delle ruote, sono esposti a carichi meccanici estremi. Questi componenti sono progettati e testati in conformità alla norma EN 13749.

Durante i test, i treni percorrono migliaia di chilometri in condizioni difficili, dove impatti fino a quattrocento g non sono rari, specialmente durante il collaudo di sale montate e carrelli. Poiché queste forze agiscono anche sui sensori, i sensori di vibrazione devono essere eccezionalmente robusti, stabili a lungo termine e affidabili.

Evoluzione dei requisiti dei sensori nelle operazioni ferroviarie

Storicamente, i sensori di vibrazioni nelle applicazioni ferroviarie venivano impiegati principalmente sui treni diagnostici. Questi sistemi misuravano parametri come la posizione del binario e l'accelerazione verticale per identificare errori geometrici nell'armamento ferroviario. Queste informazioni contribuivano a pianificare e programmare le attività di manutenzione.

Tuttavia, le corse di prova e la successiva valutazione dei dati forniscono solo in un secondo momento informazioni sulle condizioni del veicolo o del binario. Il monitoraggio continuo durante l'esercizio regolare consente di identificare i potenziali punti deboli molto prima, dando un contributo significativo alla sicurezza e all'affidabilità dei veicoli ferroviari.

Digitalizzazione e monitoraggio continuo nelle reti ferroviarie

L'adozione di tecnologie digitali nel settore ferroviario sta aumentando la capacità, l'efficienza e la qualità delle reti ferroviarie. I sensori consentono la trasmissione in tempo reale e l'accesso decentralizzato ai dati sulle condizioni, permettendo agli operatori di monitorare l'esatto stato di flotte e infrastrutture in qualsiasi momento.

I sensori non sono più limitati ai treni di prova. Ora sono integrati in treni ad alta velocità, treni regionali, tram, metropolitane e ferrovie suburbane. Di conseguenza, i sensori devono soddisfare i requisiti delle norme DIN EN 50155 e IEC 60751.

Questo cambiamento ha aumentato la domanda di sensori di livello industriale ed economicamente vantaggiosi, idonei per un'implementazione su larga scala.

Approvato lo sviluppo di sensori per la partnership ferroviaria

Lo sviluppo di un sensore di accelerazione IEPE piezoelettrico industriale con omologazione ferroviaria ha riunito due specialisti di sensori.

ASC GmbH, un produttore leader di sensori inerziali basati su MEMS per applicazioni di test e misura esigenti, ha collaborato con Hansford Sensors, esperti nella progettazione e produzione di sensori di vibrazione industriali.

Hansford Sensors ha offerto flessibilità nella progettazione dei sensori, consentendo di adattare le proprietà dei sensori specificamente ai requisiti di omologazione ferroviaria. Mentre Hansford Sensors ha adattato la tecnologia dei sensori OEM, ASC si è concentrata sulla progettazione del sistema, sulla certificazione e sull'implementazione complessiva.

Tecnologia utilizzata nei sensori di vibrazione ferroviaria

I moderni sensori di accelerazione utilizzano tipicamente un principio di funzionamento piezoelettrico. Sebbene la tecnologia a taglio sia comune, la tecnologia a compressione offre vantaggi nelle applicazioni ferroviarie.

I sensori di compressione sono più adatti per un'esposizione continua a impatti ad alta ampiezza. La loro costruzione a sandwich è meccanicamente robusta e meno sensibile alle microcricche rispetto ai modelli basati sul taglio.

Lo sviluppo si è basato su sensori di accelerazione piezoelettrici esistenti con opzioni di connettore laterale e superiore. Questi sensori utilizzavano già la tecnologia a compressione e fornivano una solida base per l'adattamento ai test di fatica e ai requisiti specifici per il settore ferroviario.

Condizioni di esercizio sui veicoli ferroviari

I gruppi carrello assorbono non solo il peso dei veicoli ferroviari, ma anche tutte le forze che agiscono su ruote e cuscinetti. La marcia vincolata ai binari provoca usura dei materiali, inclusi difetti dei binari e appiattimenti sui cerchioni delle ruote.

La percorrenza di curve ad alta velocità genera carichi aggiuntivi sui sale montati, portando a un aumento dell'attrito e dell'usura dei cuscinetti. Le differenze tra la spaziatura delle rotaie e le dimensioni degli assi provocano inoltre accelerazioni causate dal movimento sinusoidale.

Se le accelerazioni superano i valori critici, in casi estremi può verificarsi il deragliamento. Un affidabile monitoraggio delle vibrazioni dei carrelli consente l'identificazione precoce dello sviluppo dei danni, permettendo la manutenzione preventiva ed evitando guasti imprevisti.

Approvazione per l'edilizia e le ferrovie

L'obiettivo era sviluppare un sensore di accelerazione IEPE economico per il mercato di massa, adatto all'uso continuo sui treni passeggeri.

Il nucleo del sensore è una capsula OEM già utilizzata nei sensori industriali IEPE. Questa tecnologia offre un'ampia gamma di frequenze da zero virgola cinque hertz a diciassettesimo kilohertz, molteplici campi di misura da più o meno sedici g a più o meno ottocento g e resistenza agli urti fino a cinquemila g.

L'affidabilità è essenziale per l'uso ferroviario. Con un tempo medio tra i guasti calcolato di duecentocinquantamila ore, equivalente a circa ventotto anni e mezzo, il sensore soddisfa i requisiti operativi a lungo termine.

L'alloggiamento del sensore è stato sviluppato specificamente per ambienti ferroviari. È ermeticamente sigillato, fabbricato in robusto acciaio inossidabile e soddisfa rigorosi criteri di prova per vibrazioni e urti. Con un grado di protezione IP68, resiste a sporco, umidità, impatti di pietre ed estreme temperature.

Tutte le caratteristiche di progettazione tecnica sono state definite durante lo sviluppo e validate tramite test secondo la norma EN 50155. La stretta collaborazione tra ASC e Hansford Sensors ha garantito la corretta integrazione delle capsule dei sensori OEM in custodie specifiche per il settore ferroviario.

Considerazioni sul montaggio e sull'installazione

I sensori IEPE convenzionali sono spesso montati utilizzando un singolo punto di fissaggio, il che non offre alcuna ridondanza. Le applicazioni ferroviarie richiedono soluzioni di montaggio più robuste.

I sensori specifici per il settore ferroviario utilizzano cavi permanentemente integrati che sono resistenti al fuoco, privi di alogeni, ritardanti di fiamma e resistenti alle temperature, ai raggi UV e all'ozono.

Ulteriori interfacce meccaniche vengono evitate ove possibile, poiché le transizioni dei materiali possono influenzare la risposta in frequenza e introdurre errori di misura. Il design dell'alloggiamento consente inoltre la selezione della direzione di misura sensibile, eliminando la necessità di staffe aggiuntive o adattatori di montaggio.

Prospettive per lo sviluppo di sensori ferroviari

Il lancio sul mercato del sensore di accelerazione IEPE per applicazioni ferroviarie destinato al mercato di massa era previsto per la prima metà del 2021.

La conoscenza acquisita durante lo sviluppo continua a guidare i progetti futuri, comprese ulteriori interfacce elettriche, opzioni di alimentazione alternative e nuovi progetti di sensori.

Mediante la collaborazione con i produttori di veicoli ferroviari, Hansford Sensors continua a ottimizzare la propria offerta e a contribuire al continuo progresso del monitoraggio delle vibrazioni nel settore ferroviario.