BOGHIUL MECATRONIC - MIŞCAREA CONTROLATA CU SUSPENSIE LATERALĂ ACTIVĂ

1. BOGHIUL MECATRONIC - MIŞCAREA CONTROLATA CU SUSPENSIE LATERALĂ ACTIVĂ Prof. dr. ing. Ioan Sebeșan, Universitatea POLITEHNICA din București, Facultatea Transporturi, Departamentul Material Ruland de Cale Ferată Conf. dr. ing. Gabriel Popa, Universitatea POLITEHNICA din București, Facultatea Transporturi, Departamentul Material Ruland de Cale Ferată Drd. ing. Pompiliu Constantin Metrorex S.A. Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014

2. 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

3. Precizia mişcărilor complexe trebuierealizată 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. Evaluărilefuncţionale conform ISO 2631 ale DB-AG Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014

10. Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014

11. 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

12. 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

13. . Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014

14. 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

15. 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

16. Modelaresistem • 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

17. 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

18. Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014

19. 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

20. 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

21. Concluzii • Structura minima a controlerului este determinată de definirea structurii de sistem. • Prin interacţiunea dintre sistem şi controler se creează o zonă de implementare care se poate defini prin stabilirea parametrilor regulatorului. • Beneficiarul poate defini în mod liber un comportament ţintă în zona de potenţial a regulatorului. • Proprietăţile pasive favorabile sunt integrate. • Parametrii regulatorului sunt stabiliţi printr-un calcul anterior pentru a se respecta întocmai conditiile cerute. Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014

22. VĂ MULȚUMESC ! Conferințele Club Feroviar - Alba Iulia 2014