Test del Pantografo e della Linea Aerea con Dewesoft e CETEST

Nel dinamico mondo delle prove ferroviarie, l’innovazione prospera grazie alla collaborazione. Da oltre un decennio, CETEST e Dewesoft rappresentano un esempio concreto del potere delle partnership, lavorando fianco a fianco per superare i limiti dei test ferroviari, sia sui binari che in laboratorio. Il loro impegno condiviso verso precisione, adattabilità ed eccellenza ha trasformato le sfide in traguardi, elevando gli standard dei test ferroviari in tutto il settore. Il testing e il monitoraggio ferroviario multi-parametro stanno evolvendo oltre la semplice misura. L’obiettivo è ottenere analisi più approfondite e accelerare l’innovazione, sia per sviluppare nuovi prodotti sia per raggiungere l’eccellenza operativa.

Introduzione

CETEST  è un centro di prova e analisi con sede in Spagna. È accreditato secondo la norma ISO/IEC 17025 e vanta oltre 30 anni di esperienza nella tecnologia ferroviaria. Ha collaborato e supportato importanti costruttori di materiale rotabile a livello globale, tra cui Alstom, CAF, Hitachi, Stadler e Siemens. CETEST è leader nel settore per quanto riguarda l’interazione tra pantografi e linee aeree di contatto. Oltre a essere fondamentale per fornire energia al veicolo, l’interazione tra pantografo e linea aerea influisce anche sui costi di manutenzione.

Carlos Carmuega Tena, responsabile Test e Misure di CETEST, svolge un ruolo centrale in queste attività. Insieme al suo team ha sviluppato un sistema di strumentazione ad alta precisione per misure di forza di contatto e accelerazione. Questa soluzione è stata testata considerando centinaia di variabili su numerosi sistemi ferroviari.

Dewesoft è uno dei nostri principali fornitori, ci fornisce software e hardware che ci permettono di eseguire test in tempi molto brevi e con grande flessibilità nella strumentazione, grazie alla modularità dei loro prodotti, che consente di aumentare o ridurre facilmente il numero di canali.

Grazie a Dewesoft possiamo realizzare setup e strumentazioni complesse in tempi ridotti, sincronizzando numerosi canali e collocando la strumentazione in ambienti ostili, come aree ad alta tensione, pur ottenendo tutti i dati in modo sincronizzato, come nel caso delle prove sul pantografo, dove isoliamo i dati tramite fibra ottica.

Il software ci consente inoltre di visualizzare i dati in tempo reale ed effettuare analisi rapide durante le prove del veicolo.

Dewesoft è un’azienda tecnologica che progetta e produce sistemi avanzati di acquisizione dati (DAQ) per applicazioni di ricerca e sviluppo e monitoraggio nei settori ferroviario, di ingegneria civile, energetico, automotive e veicoli commerciali, industria aerospaziale. Dewesoft supporta CETEST nella risoluzione di numerose applicazioni di test e monitoraggio nel settore ferroviario elettrico. Questa collaborazione consente agli operatori ferroviari e ai costruttori di veicoli di passare senza soluzione di continuità dagli ambienti di laboratorio controllati ai test in ambiente reale, garantendo livelli elevati di sicurezza, affidabilità ed efficienza e aiutandoli ad aumentare gli affari grazie alle prestazioni comprovate.

La sfida

Le difficoltà nel misurare l’interazione tra pantografo e linea di contatto nelle ferrovie sono molteplici.  Il pantografo è un componente che collega il treno alla linea aerea (OHL), prelevando energia da tensioni di 15.000 V o anche 25.000 V per alimentare il motore elettrico del veicolo. Indipendentemente dalla velocità del treno, deve mantenere una connessione elettrica sicura, stabile e affidabile.

L’ambiente ferroviario ad alta velocità è estremamente dinamico ed è caratterizzato da  forte interferenza elettromagnetica (EMI e RFI), fattori meccanici dinamici, usura dei componenti. I treni operano in tutte le condizioni atmosferiche possibili, inclusi vento, pioggia, neve, ghiaccio, umidità, temperature estreme. Superare queste sfide richiede sensori e tecnologie di misura avanzate, interpretazione precisa dei dati e sistemi robusti progettati per affrontare la complessità dell’ambiente ferroviario reale.

Con le strumentazioni DAQ di Dewesoft e diversi sensori specializzati, CETEST ha sviluppato una soluzione per il test e il monitoraggio della linea aerea tramite pantografo.Questo articolo spiega i principali sottosistemi ferroviari coinvolti e come vengono testati.

Cos’è un pantografo?

I treni utilizzano spesso sistemi aerei per collegarsi alla rete elettrica. Questi sistemi includono il pantografo, un meccanismo articolato a molle montato sul tetto del treno che raccoglie l’energia dalle linee aeree (OHL). 

L’interazione fluida e costante tra pantografo e linea aerea è fondamentale per i treni convenzionali, ma diventa ancora più importante nei treni ad alta velocità che viaggiano fino a 350 km/h.

I pantografi sono generalmente costruiti con materiali leggeri ma resistenti, come i polimeri rinforzati con fibra di carbonio e le leghe di alluminio. Solitamente, sono composti da un braccio inferiore, un braccio superiore e una striscia di contatto (in carbonio o composito carbonio-rame), per ridurre al minimo l’inarcamento e l’usura. La forza di contatto viene regolata in tempo reale tramite sistemi pneumatici o elettrici per compensare il sollevamento aerodinamico, la pressione del vento e le variazioni di altezza della linea.
La precisione nel progetto e nel controllo del pantografo è essenziale per ridurre la perdita di contatto e prevenire danni alla linea aerea.

Cos'è il catenary system?

Questo articolo si focalizza sulle attività di test sul pantografo, ma è necessario comprendere cosa sia il catenary system e come interagiscono.

Il catenary system aereo (OCS) è composto da cavi di tensione piuttosto flessibili e da una linea aerea principale (OHL) che fornisce energia alle locomotive elettriche, ai tram o veicoli leggeri su rotaia. È costituito da uno o più conduttori non isolati (o fili di contatto) sospesi sui binari delle ferrovie e supportati da strutture come pali, tralicci o ponti. Il filo di contatto è generalmente realizzato in lega di rame ad alta resistenza, che offre elevata conducibilità e resistenza all’usura. Un sistema di pesi o molle mantiene il filo in tensione costante per garantire il contatto con il pantografo.

In alcuni catenary system, un secondo filo chiamato filo messaggero o portante, è sospeso sopra e parallelamente al filo di contatto. Il filo di contatto si mantiene sospeso a questo tramite un fil portante o dei fili verticali noti come contagocce o ganci. Questa progettazione consente una maggiore spaziatura tra le strutture di supporto e garantisce una migliore raccolta di corrente a velocità più elevate riducendo la flessione del filo di contatto e migliorandone l'elasticità verticale.

I catenary system sono essenziali per le ferrovie elettriche, poiché forniscono un mezzo affidabile ed efficiente per la trasmissione di energia ai treni. La progettazione e la manutenzione dei catenary system sono fondamentali per garantire un esercizio ferroviario sicuro e ininterrotto. Nella progettazione di questi sistemi si tiene conto di fattori quali tensione, capacità di corrente, velocità del treno e condizioni ambientali.

Perché è fondamentale una connessione ottimale tra pantografo e linea aerea nell’esercizio ferroviario?

Una connessione affidabile del pantografo e del catenary system garantisce alimentazione elettrica continua e stabile al treno. Una cattiva interazione può causare archi elettrici, perdite di potenza, disconnessioni complete con conseguenti ritardi e guasti operativi. Una buona connessione evita anche danni alle infrastrutture e all’attrezzatura..

Usura eccessiva, stress meccanico o forze di contatto irregolari possono danneggiare sia le strisce di carbonio del pantografo che i fili della linea aerea. Questo porta a maggiori costi di manutenzione e riparazioni frequenti e potenziali interruzioni del servizio.

Una buona connessione garantisce sicurezza e affidabilità e minimizza il rischio di “dewirement”, ovvero il distacco del pantografo dal filo, che può causare incidenti gravi o danni all’infrastruttura.Le prestazioni costanti garantiscono inoltre l'affidabilità del servizio ferroviario ad alta velocità, riducendo la probabilità di interruzioni del servizio.

Problemi elettrici

Archi elettrici e scintille

• Il contatto intermittente provoca archi elettrici che danneggiano le strisce del pantografo e la linea OCS.

• Genera interferenze elettromagnetiche (EMI) che possono disturbare l’elettronica di bordo.

Sbalzi di tensione e interruzioni di corrente

• Una raccolta di corrente non costante provoca perdita di potenza di trazione, riducendo la velocità o causando l’arresto del treno.

• Si potrebbe innescare una frenata di emergenza, causando ritardi.

Usura meccanica

Usura accelerata delle strisce di carbonio del Pantografo

• Abrasione o scheggiatura dovute a forze di contatto non uniformi

• Aumenta la frequenza e i costi di manutenzione.

Danni alla linea aerea

• Scanalature, graffi o rotture dei fili richiedono riparazioni costose.

Rischi per la sicurezza

Rischio incendio

• Gli archi prolungati possono incendiare materiali infiammabili vicino ai binari.

Rottura del pantografo

• Nei casi più gravi, il pantografo potrebbe rompersi, provocando il crollo o il deragliamento dell'OCS.

Perdite di prestazioni ed efficienza

Limitazioni di velocità

• Un contatto inadeguato costringe i treni a rallentare, interrompendo gli orari.

Inefficienza energetica

• Le fluttuazioni di potenza aumentano il consumo di energia (ad esempio, guasti alla frenata rigenerativa).

Impatto economico e operativo

Costi di manutenzione più elevati

• Sostituzione frequente di pantografi e catenarie.

Interruzioni del servizio

• La disconnessione causa ritardi e guasti operativi.

• I tempi di fermo non pianificati incidono sugli operatori ferroviari e sulla logistica del trasporto merci.

Sanzioni normative

• Mancato rispetto degli standard di sicurezza (ad esempio, EN 50367, UIC 794).

Questi fattori, nel loro insieme, incidono sull'efficienza, sui costi e sulla sicurezza dei passeggeri, rendendo l'interazione ottimale tra pantografo e il catenary system vitale per i moderni sistemi ferroviari

Collaudo dei pantografi e monitoraggio della rete catenaria

Per testare le prestazioni e l'affidabilità dei pantografi ferroviari operanti a 15 kV e 25 kV CA, è necessaria una strumentazione robusta con convertitori analogico-digitali (ADC) ad alta risoluzione. Diversi sensori sono posizionati strategicamente per misurare parametri critici relativi all'interazione del pantografo con la linea aerea.

L'obiettivo principale è garantire una forza di contatto costante, ridurre al minimo l'usura del pantografo e della linea aerea di contatto e prevenire interruzioni dell'alimentazione elettrica del treno. Le norme relative a questi test includono  EN 50317  ed EN 50367.

Sensori utilizzati per i test del pantografo e l’analisi della rete catenaria

Accelerometri

Gli accelerometri sono fondamentali per misurare la vibrazione e l'accelerazione in tutti gli angoli della testa del pantografo. Gli ingegneri misurano il comportamento dinamico in diverse condizioni operative, come velocità e geometria del binario, quindi analizzano la frequenza e l'ampiezza delle vibrazioni per identificare rimbalzi eccessivi, instabilità dinamica o risonanze strutturali.

I dati dell'accelerometro aiutano a valutare la capacità del pantografo di mantenere un contatto stabile con l'OCS e a identificare le aree soggette a affaticamento o danni.

Sensori di forza

Sensori di forza sono installati su ogni angolo del pantografo per quantificare la forza di contatto verticale tra la testa del pantografo e la catenaria. Mantenere una forza di contatto ottimale è essenziale: una forza insufficiente può causare archi elettrici e perdita di contatto, mentre una forza eccessiva può causare un'usura eccessiva sia del pantografo che della catenaria.

La catena di misurazione della forza fornisce dati in tempo reale sulla forza di contatto, consentendo agli ingegneri di valutare le prestazioni del pantografo in condizioni dinamiche e di verificare l'efficacia dei suoi sistemi di controllo della forza attivi o passivi.

Sensori di spostamento

Il monitoraggio dello spostamento verticale e dell'altezza del pantografo rispetto al binario e al bordo di scorrimento è fondamentale per comprenderne il movimento dinamico e garantirne il funzionamento entro limiti di sicurezza. Per passare dall'accelerazione alla velocità e allo spostamento, la funzione di accelerazione viene integrata rispetto al tempo.

Molto più diretti sono i sensori di spostamento, come potenziometri o encoder a filo, perché possono essere utilizzati per misurare la posizione verticale della testa del pantografo. Questi dati aiutano a valutare la capacità del pantografo di seguire le ondulazioni della catenaria e a identificare eventuali movimenti verticali eccessivi che potrebbero causare la perdita di contatto o sollecitazioni meccaniche. Oltre alle forze di contatto e alle accelerazioni complessive, comprendere la distribuzione della forza lungo la lunghezza della striscia di contatto è essenziale per ottimizzare l'usura e la captazione di corrente.

Inoltre, la misurazione dell'altezza complessiva del pantografo fornisce informazioni fondamentali per un funzionamento sicuro, garantendo che rimanga entro i limiti di spazio libero consentiti sotto ponti e gallerie.

Telecamere a infrarossi

Le termocamere a infrarossi possono, ad esempio, misurare anche la temperatura della testa del pantografo, in particolare della striscia di contatto e dell'area di contatto con la catenaria. Temperature elevate possono indicare un attrito eccessivo dovuto a un'elevata forza di contatto, a una scarsa lubrificazione o alla formazione di archi elettrici causati da contatti intermittenti.

Il monitoraggio della temperatura in tempo reale consente agli ingegneri di rilevare potenziali problemi di surriscaldamento che potrebbero causare usura prematura, danni al pantografo o alla catenaria e persino interruzioni di corrente. Le immagini termiche acquisite dalla termocamera a infrarossi possono fornire informazioni preziose sullo stato e sulle prestazioni dell'interfaccia di contatto del pantografo.

Le OPTRIS brand cameras sono ideali per questa applicazione e sono pienamente compatibili con i sistemi DAQ di Dewesoft. A differenza dei sensori di temperatura convenzionali, come termocoppie, RTD e termistori, le termocamere a infrarossi possono effettuare misurazioni senza entrare in contatto con l'unità in prova.

Sonde UV

Le sonde UV sono utili per il rilevamento degli archi. Ad esempio, il sensore UV-Arc misura l'intensità e la durata di un arco UV. La misurazione della qualità del contatto tra un pantografo e il filo di contatto consente di individuare eventuali difetti del filo. È conforme alla norma EN 50317. Il sensore UV-Arc contiene un fotodiodo con un filtro aggiuntivo per sopprimere la radiazione UV solare.

I dati raccolti da questi sensori vengono in genere inseriti in un sistema di acquisizione dati Dewesoft per il monitoraggio, la registrazione e l'analisi in tempo reale. Questa strumentazione completa consente agli ingegneri di valutare approfonditamente le prestazioni dei pantografi ferroviari da 15 kV e 25 kV in un'ampia gamma di condizioni operative, contribuendo così a migliorare l'affidabilità, ridurre i costi di manutenzione e aumentare la sicurezza nelle operazioni ferroviarie. L'analisi di questi dati può fornire informazioni utili per miglioramenti progettuali, ottimizzare i programmi di manutenzione e fornire preziose informazioni sul comportamento a lungo termine dei pantografi e sulla loro interazione con il sistema di catenaria aerea.

Sistema di acquisizione dati Dewesoft

Il sistema DAQ è incentrato sui modelli OBSIDIAN di Dewesoft, configurati sia per le misurazioni a pantografo (orientate verso l'alto) che su veicolo (orientate verso il settore ferroviario). I modelli di OBSIDIAN vengono utilizzati per la loro resistenza a urti, vibrazioni e temperature estreme. Accettano schede di condizionamento del segnale isolate e modulari con l'adeguata conversione analogico-digitale necessaria per analizzare il comportamento complessivo. Inoltre, dispongono delle interfacce digitali necessarie per collegare telecamere, interfacce GNSS di posizione e velocità, unità di misura inerziali (IMU) e dati bus da MVB, CAN o persino Ethernet.

Nel  cuore di OBSIDIAN è incorporato un processore ARM che segue un sistema operativo LINUX® altamente stabile e il DewesoftRT che ha incorporato il software DAQ.

Il sistema è progettato per la massima stabilità in applicazioni di misura a lungo termine e può caricare i dati sul cloud o su un server SFTP tradizionale.

Un router di rete mobile collega l'unità DAQ centrale e il logger con il mondo esterno, supportando 5G, 4G LTE, 3G e WiFi 5 (802.11b/g/n/ac).

Visualizzazione e analisi dei dati

Il software DewesoftX viene utilizzato per riprodurre, convalidare e analizzare i file di dati caricati dallo strumento Dewesoft OBSIDIAN. DewesoftX è fornito gratuitamente con tutti gli strumenti Dewesoft. Non sono richieste licenze o costi di manutenzione per l'intera durata del sistema. Alcune funzionalità di analisi avanzate sono a pagamento, ma il pacchetto base è incluso nel sistema. DewesoftX può essere installato su più computer Windows, consentendo a ogni tecnico di accedere ai dati.

Visualizza i dati ovunque, in qualsiasi momento

Il software Dewesoft Historian consente la visualizzazione di tutti i dati da un server e da una piattaforma web, ovunque.

Benefici della soluzione CETEST + Dewesoft

La misurazione dell'interazione tra un pantografo e una linea aerea e l'intera catenaria ad alta tensione consente l'analisi del comportamento di marcia e dell'infrastruttura della catenaria, tra cui:

• Misurazione della forza per l'analisi della posizione di contatto e della resistenza (pronta per essere utilizzata anche per il controllo del pantografo)

• Misura di spostamento e movimento (pronta per essere integrata con la misurazione e l'analisi della potenza elettrica nel veicolo),

• Misura delle vibrazioni per l'analisi delle oscillazioni e della frequenza (pronta per essere integrata con la misura del telaio del carrello o delle ruote strumentate),

• Misura della temperatura basata su telecamera a infrarossi nel punto di contatto.

Inoltre, l'impegno di CETEST per la precisione e l'accuratezza si estende alla meticolosa calibrazione e tracciabilità dei dati di misura. Nel loro laboratorio certificato ISO 17025, calibrano l'intero pantografo strumentato. 

Combinando una metodologia esperta, attrezzature all'avanguardia e il rispetto di standard internazionali come la EN 50317, la norma europea per le applicazioni ferroviarie che specifica i requisiti per la misura e la convalida dell'interazione dinamica tra un pantografo e una linea aerea di contatto, CETEST svolge un ruolo fondamentale nel migliorare la sicurezza del funzionamento ferroviario.

È possibile aggiungere Dewesoft Power Analyzer, che fornisce una misura accurata della potenza elettrica per trasformatori e macchinari elettrici.

La registrazione autonoma dei dati in rete per test e monitoraggio a lungo termine offre:

• Caricamento automatico dei file di dati su cloud (SFTP) e analisi dell'infrastruttura

• Flusso continuo di dati verso un software di monitoraggio live basato sul web

• Analisi dei dati basata su mappe geografiche, localizzazione delle sezioni critiche

Conclusioni

La partnership tra CETEST e Dewesoft offre una soluzione di misura scalabile per gli ingegneri ferroviari, consentendo un'acquisizione completa di segnali multifisici. Questa funzionalità fornisce informazioni precise sull'infrastruttura ferroviaria, sui singoli elementi del sistema (come carrelli e motori di trazione), sui componenti critici (come pantografi e ruote) e sul comportamento complessivo del veicolo. Grazie alla scalabilità di questa soluzione integrata, gli ingegneri ferroviari possono prendere decisioni basate sui dati per migliorare la sicurezza, l'efficienza operativa e prolungare la durata di vita degli asset ferroviari, contribuendo in definitiva a una rete ferroviaria più affidabile ed efficiente.

Contatta CETEST o Dewesoft per portare avanti il ​​tuo prossimo progetto ferroviario.

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