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Frenado en Dos Etapas para Trenes de Alta Velocidad – Control sin Software

¿Cómo lograr la mejor adherencia entre raíl y rueda a muy alta velocidad evitando el peligroso comportamiento del software durante el frenado en caso de emergencia? FAIVELEY TRANSPORT suministra una ingeniosa solución de frenado en dos etapas sin software para trenes de muy alta velocidad.

Frenado en Dos Etapas para Trenes de Alta Velocidad – Control sin Software
Como efecto físico provocado por el incremento de la velocidad operativa, el coeficiente de adherencia entre el raíl y la rueda se ve reducido, lo que provoca un mayor riesgo de deslizamiento en caso de frenado de emergencia a menos que se controle de forma específica (ver el diagrama “diagrama de coeficiente de adherencia”). En otras palabras, es necesario asegurar que la adherencia exigida por la fuerza de frenado se halle por debajo del límite de adherencia a una velocidad determinada. Por tanto, la presión de frenado, que actúa sobre el cilindro del freno y genera la fuerza de sujeción sobre las pastillas de los discos, se debe calcular teniendo en cuenta esta disminución del nivel de adherencia.

La definición del coeficiente de adherencia respecto a la velocidad es objeto de estandarización en el campo de la interoperabilidad del material rodante ferroviario entre diferentes países; el límite se define en un 15% para velocidades de hasta 200 km/h y decrece linealmente hasta un 10% a 350 km/h. Esto significa que si el tren circula a 300 km/h la presión del cilindro de frenado no debería proporcionar una fuerza de frenado total que genere una demanda de adherencia superior al 11,6%. En consecuencia, para todos los trenes que circulen a una velocidad mayor que 200 km/h el sistema de frenado debe ser capaz de proporcionar niveles de desaceleración en función del límite variable de la demanda de adherencia. Para un frenado de servicio normal esto se logra utilizando el Software de Control de Freno, que incorpora un algoritmo para una presión variable del cilindro de frenado que se ajuste a la demanda de adherencia con la velocidad. Para el freno de Emergencia a prueba de fallos, la función se realiza de forma neumática y el método preferido consiste en proporcionar un sistema en dos etapas con una presión del cilindro de freno a baja velocidad y alta velocidad. Este doble nivel de presión, que se determina con el peso de la carga y es independiente de la demanda de frenado, se utiliza como freno de emergencia independiente del software y a prueba de fallos, y su funcionamiento naturalmente debe activarse de forma automática y segura.

Para llevarlo a cabo, FAIVELEY TRANSPORT ha desarrollado un circuito de control neumático dedicado utilizando una válvula magnética para generar dos señales de presión cuando está en funcionamiento. Aunque esta función se incorpora a la Unidad de Control de Freno, la solución está totalmente exenta de la intervención de software. Funcionalmente lee la velocidad de rotación de los ejes por medio de los sensores de velocidad montados en los cojinetes. Las señales de velocidad se envían a un circuito electrónico que las compara respecto a un valor de umbral de velocidad. La válvula magnética se conmuta entonces en función de la velocidad del tren. La válvula magnética puede controlar finalmente la válvula del relé magnético, generando así el doble nivel de frenado (ver el diagrama de “control de freno en dos etapas”). La señal de la velocidad controlada por hardware se monitoriza pasivamente por medio del sistema microprocesador para comprobar la función cada vez que se alcanza el umbral de velocidad del vehículo.

El circuito de control también puede establecer uno de estos niveles por ‘defecto’ en caso de fallo de la fuente de alimentación local: este nivel por ‘defecto’ se puede escoger para así asignar prioridad a la presión más baja o más alta dependiendo del régimen de funcionamiento del tren. Esta elección se lleva a cabo junto con el fabricante del vehículo, el operador del tren y el fabricante del sistema de freno y en función de varios requisitos como la capacidad térmica del disco y el par de fricción de la pastilla, las normativas locales y, por último aunque no por ello menos importante, lograr la distancia de parada. Esta solución hace que el circuito de control sea totalmente independiente respecto al software y que la función este disponible con una fiabilidad muy alta.
Aunque una solución incorporada mediante software pudiera ofrecer una mayor flexibilidad del sistema, la flexibilidad haría que este planteamiento resultara muy dependiente de su nivel de integridad (SIL). Un planteamiento técnico de este tipo conllevaría un mayor coste y unos procedimientos de diseño más largos así como un mayor impacto cuando se necesite introducir cambios en el software. Además, en cuanto a la precisión, y teniendo en cuenta el umbral de velocidad, el circuito de control exclusivamente de hardware es capaz de proporcionar valores constantes dentro del rango de ±1 kph, especialmente si ello incluye la selección del diámetro de una rueda nueva o gastada.

La solución aplicada por FAIVELEY TRANSPORT es extremadamente flexible, ya que el circuito de control también se puede emplear para otras funciones que necesiten señales digitales relacionadas con la seguridad en función del umbral de velocidad. La función también se puede usar en un sistema de información de diagnóstico completo.

Los sistemas de freno avanzados de Faiveley instalados en varios países y en diferentes trenes de alta velocidad han confirmado la validez de esta solución bajo diversas aplicaciones y regulaciones, como:

• Homologación de EBA para el Pendolino CDT680 (República Checa, Alstom);

• Network Rail en el Reino Unido para el nuevo tren de alta velocidad Channel Tunnel Rail Link(CTRL - Hitachi);

• Autoridades Ferroviarias de Holanda y Bélgica para el Tren de Alta Velocidad V250 AnsaldoBreda.

Además, la solución discreta ha demostrado, mediante la utilización de generaciones de componentes neumáticos, robustas y ampliamente demostradas en servicio, su fiabilidad y disponibilidad en las situaciones más críticas que han afrontado los operadores de trenes de Muy Alta Velocidad durante las tres últimas décadas.

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