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Condition Monitoring wireless in campo ferroviario

Fonte: Deutsche Bahn AG / Siemens. Fonte: Deutsche Bahn AG / Siemens.

SKF ha sviluppato un sistema di Condition-Based Monitoring (CBM) wireless per impiego in campo ferroviario. SKF Insight invia i dati rilevati dai sensori installati sulle sale montate direttamente al cloud e, quindi, a un centro di diagnostica remoto utilizzando reti mobili. SKF sta collaborando attivamente con la Deutsche Bahn per la fornitura di cuscinetti con sensori integrati per il nuovo treno passeggeri ICE-4.

di Silvia Crespi

Settembre 2017

Il Condition-Based Monitoring (CBM), che misura parametri come vibrazioni e temperatura per rilevare eventuali anomalie il prima possibile, è impiegato da tempo a livello industriale. Il settore ferroviario, invece, è stato più lento ad adottarlo sia a causa delle norme di sicurezza che lo regolano, sia per la mancanza di una tecnologia adeguata.
In campo ferroviario, l’efficienza è il fattore più importante. Dedicare tempo per la manutenzione spesso non è possibile per via degli orari, sempre più fitti, e del traffico sui binari, sempre più congestionato. L’esigenza è quindi, quella di ridurre il più possibile i tempi di manutenzione, ma nello stesso di evitare che i treni si fermino, il che è ancora più grave.
Il CBM coniuga queste esigenze in due modi: da un lato identifica gli eventuali problemi che potrebbero insorgere, riducendo così il rischio di fermate, e dall’altro rileva quali parti siano ancora in buona salute, estendendo gli intervalli di manutenzione.

Un sistema CBM wireless invia i dati direttamente al cloud
SKF ha fatto un ulteriore passo in avanti, sviluppando un sistema CBM wireless, chiamato SKF Insight - che può essere utilizzato sui treni. Si tratta di istallare un piccolo sensore sull’assieme boccola della sala montata della carrozza. Il sensore impiega solo pochi minuti per rilevare eventuali danneggiamenti al cuscinetto e alla ruota in modo preciso. Il sensore rileva ogni anomalia nelle vibrazioni del cuscinetto - nonostante le criticità ambientali (rumore e altre vibrazioni). Algoritmi, abbinati a un’elaborazione sofisticata del segnale, separano il segnale dal rumore, assicurando che ogni sensore produca dati accurati per la successiva analisi.
Versioni precedenti di questa tecnologia inviavano le informazioni ricevute dal sensore a un processore installato sulla carrozza, via cavo. Ora SKF Insight impiega la tecnologia di trasmissione wireless inviando i dati direttamente dal sensore al cloud, e quindi a un centro di diagnostica remoto, utilizzando reti mobili.
Un elemento chiave del sistema è la sua capacità di estrapolare indicazioni precise da una mole complessa di dati. Una volta elaborati i dati ricevuti dal sensore e identificato il danno, i tecnici SKF producono un report. Nel caso in cui sia consigliato un intervento di manutenzione, l’operatore riceve una notifica e la sostituzione del cuscinetto/componente può essere messa in atto.
Oltre alle vibrazioni, il sistema di sensori wireless analizza informazioni sulla temperatura, così come i dati di posizione del GPS. Tutti i dati generati vengono quindi immagazzinati in modo sicuro nel cloud SKF.

Una collaborazione fruttuosa con le ferrovie tedesche
Il treno passeggeri ICE-4 diventerà la colonna portante della rete di trasporti a lunga distanza di Deutsche Bahn, l’ente ferrovie tedesco DB. SKF partecipa a questo progetto dal 2012, collaborando con Siemens, il produttore del nuovo treno, e Bombardier, che fornisce carrelli e carrozze. Il treno viaggerà regolarmente alla velocità di 250 km/h. Naturalmente, ogni componente utilizzato dovrà soddisfare rigorosi criteri di sicurezza, ma DB deve però anche contenere i costi operativi. Per questo motivo, i progettisti hanno dovuto aumentare al massimo l’efficienza energetica e ridurre al minimo i requisiti per la manutenzione ordinaria.
I carrelli forniti da Bombardier, FLEXX Eco, utilizzano una disposizione di cuscinetti interna che consente di ridurre peso e consumo di energia. Per questa applicazione, SKF ha sviluppato un’unità a rulli conici speciale (TBU) con sensori integrati per monitorare la velocità e la direzione di rotazione di ogni sala montata.
Integrando i sensori nell’unità è possibile ridurre al minimo lo spazio necessario per l’intero gruppo, una caratteristica importante per la configurazione interna, dove lo spazio è limitato. I segnali generati dai sensori, che sono utilizzati per controllare il sistema di frenatura del treno, sono stati personalizzati per soddisfare i requisiti specifici del cliente.
Quest’applicazione, critica per la sicurezza, richiede livelli di ridondanza. Per questo motivo, entrambe le unità su ogni assale sono dotate di doppi sensori. Un ulteriore sensore in ogni cuscinetto ne monitora la temperatura di esercizio, restituendo importanti segnalazioni precoci in caso di aumento. Inoltre le dimensioni dell’assale, e i carichi tipici dell’applicazione, impongono dimensioni del cuscinetto eccezionali. Il diametro interno si aggira sui 180 mm, rispetto ai 150 mm delle normali disposizioni di cuscinetti esterne.

Prolungamento degli intervalli di manutenzione
I moderni treni Intercity devono assicurare elevati livelli di affidabilità e lunghi intervalli tra gli interventi di manutenzione. In questo caso, la durata di esercizio calcolata richiesta era di 3,3 milioni di km.
Per prolungare gli intervalli di manutenzione delle TBU, è fondamentale ridurre al minimo l’attrito e quindi le temperature di esercizio; viene così estesa la durata del lubrificante. Queste unità, ingrassate e schermate, che combinano cuscinetti e sensori, offrono molti vantaggi al cliente, sia nella fase di sviluppo, sia in produzione, grazie al minor numero e alla migliore qualità delle interfacce tra cuscinetti, sensori e altri componenti del treno.
I carrelli motore, sviluppati da Siemens, utilizzano invece una disposizione di cuscinetti esterna più tradizionale. In questo caso è stata scelta una soluzione che prevede ancora un’unità integrata, ma con cuscinetti a rulli cilindrici. I carrelli motore imponevano requisiti anche più impegnativi per la durata, poiché in base alle specifiche del cliente dovevano assicurare una percorrenza di 1,65 milioni di km prima della manutenzione sui cuscinetti.
Per testare affidabilità e prestazioni, le nuove unità sono state sottoposte a una procedura di test e validazione multi-fase della durata di due anni. La prima fase di validazione si è svolta in un ambiente virtuale, attraverso la simulazione computerizzata del design. SKF ha quindi testato i cuscinetti in condizioni di esercizio reali nel suo centro dedicato nei Paesi Bassi, la maggiore struttura di questo tipo in Europa. Le unità prototipo sono state montate sugli assali dell’ICE-4 e hanno operato per un equivalente di 800.000 km, durante i quali sono state accuratamente monitorate la temperatura e le prestazioni dei cuscinetti.

Componenti ad alta efficienza anche per il motore e il cambio
Per quanto concerne le unità di trazione, SKF è stata scelta anche per la fornitura di cuscinetti a rulli conici ad alta efficienza energetica per gli alberi di uscita del cambio principale, con diametro foro da 240 mm.
La soluzione SKF utilizza un cuscinetto a basso attrito con un design che è stata utilizzato per la prima volta per un’applicazione ferroviaria. L’impiego di cuscinetti a basso attrito contribuisce a prolungarne la durata di esercizio.
Siemens ha fornito i primi treni prototipo a DB nel 2014, i test operativi sulla rete pubblica sono iniziati nel 2016 e l’ICE-4 entrerà ufficialmente in servizio nel 2017. SKF collaborerà a stretto contatto con Siemens e DB per monitorare le prestazioni dei cuscinetti durante le prime centinaia di migliaia di chilometri di percorrenza e, se le prestazioni sul campo corrisponderanno a quelle del periodo di prova, gli intervalli di manutenzione verranno gradualmente prolungati nel tempo.

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