Capitolul 2. Clasificare electromacaze

5/12/2018 Capitolul 2. Clasificare electromacaze - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/capitolul-2-clasificare-electromacaze 1/14

Capitolul 2

ECHIPAMENTE ŞI APARATE DE CALE UTILIZATE

ÎN INFRASTRUCTURA FEROVIARĂ

2.1 Noţiuni introductive privind sistemele de acţionare

Termenul “mecatronică” (MECAnică + elecTRONICĂ) a fost

conceput în 1969 de un inginer al firmei japoneze Yaskawa

Electric şi protejat până în 1982 ca marcă a acestei firme. Se

referea iniţial la complectarea structurilor mecanice din

construcţia aparatelor cu componente electronice.

În prezent termenul defineşte o ştiinţă inginerească

interdisciplinară, care, bazându-se pe îmbinarea armonioasă a

elementelor din construcţia de maşini, electrotehnică şi

informatică, îşi propune să îmbunătăţească performanţele şi

funcţionalitatea sistemelor tehnice.

Ca şi în cazul multor altor domenii de mare complexitate,

în literatura de specialitate nu există o definiţie unitară a

noţiunii de mecatronică. În IEEE/ASME Transactions on

Mechatronics (1996) mecatronica a fost definită astfel:

“Mecatronică este integrarea sinergetică a ingineriei mecanice

cu controlul electronic şi cel inteligent cu calculatoare în

proiectarea şi fabricaţia produselor şi proceselor.” . Termenul

“sinergetică” impune o detaliere. În Mic Dicţionar

Enciclopedic (Editura Enciclopedică Română, 1972) termenul

“sinergie” este definit astfel:

- gr. Synergia (“conlucrare”) s.f. (FIZIOL.) Asociaţie a mai

multor organe sau ţesuturi pentru îndeplinirea aceleiaşi

funcţiuni.

Cele mai sugestive reprezentări ale mecatronicii sunt

reprezentate prin intersecţia a trei sau mai multor cercuri,

figura 2.1.

9



Figura 2.1 Diagrame pentru ilustrarea noţiunii de mecatronică

În tabelul 2.1 se prezintă o evoluţie a sistemelor

mecanice, electrice şi mecatronice.

Tabelul 2.1

10



Un mecanism este un sistem tehnic alcătuit din mai multe

piese, o parte din ele mobile, o parte fixe care sunt

angrenate între ele, astfel încît unele elemente mobile să

transmită forţe, miscări, altor elemente mobile din angrenaj.

Mecanismele pot fi acţionate prin intermediul unor

sisteme electrice, hidraulice, pneumatice, de unde apare şi

denumirea de electromecanisme, sisteme mecanohidraulice,

sisteme mecanopneumatice.

Un element de bază al tuturor sistemelor mecatronice îl

reprezintă ansamblul motor (actuator) – mecanism de acţionare

– sarcină, figura 2.2.

Acţionare a unei sarcini mecanice se face prin intermediul

unui motor, de un anumit tip, între care se interpune, în cele

mai multe cazuri un mecanism de acţionare cu rolul de a

realiza o adaptare a parametrilor cinematici şi dinamici ai

motorului la cei ai sarcinii.

Motor Mecanism

de actionareSarcina

Figura 2.2 Schema bloc a ansamblului motor – mecanism de acţionare – sarcină

Motoarele (actuatorii) pot fi: electrice, hidraulice,

pneumatice, mecanice, chimice şi pot genera la tija/axul lor o

mişcare de translaţie (motoare liniare) sau o mişcare de

rotaţie (motoare rotative).

Mecanismele de acţionare au câteva funcţii importante:

Transmiterea mişcării de la motor la sarcină; toate

mecanismele de acţionare au acest rol, dar exemple mai

spectaculoase sunt transmisiile cardanice sau cele cu

arbori flexibili;

11



Adaptarea mişcării motorului la mişcarea sarcinii. Pot fi

motoare rotative şi sarcini cu mişcare de translaţie,

între care trebuie să se interpună un mecanism adecvat

(şurub-piuliţă, pinion-cremalieră, pinion-curea dinţatăetc.), sau motoare liniare şi sarcini cu mişcare de

rotaţie, între care se intercalează mecanisme de tip:

cremalieră-pinion, cablu/curea dinţată/lanţ –

roată/pinion/roată de lanţ etc;

Adaptarea parametrilor cinematici şi dinamici ai

motorului (cursă, viteză/viteză unghiulară şi

forţă/moment) la parametrii cinematici şi dinamici ai

sarcinii.

Întrucât mecanismul de acţionare complică ansamblul şi

introduce erori, datorită jocurilor şi deformaţiilor elastice,

proiectanţii preferă, ca, acolo unde este posibil, sarcina să

fie legată direct pe tija/axul motorului. Sunt „acţionările

directe = directdrive”, uzuale în acţionarea

hidraulică/pneumatică sau cu anumite tipuri de actuatori

electrici (electromagneţi, actuatori piezoelectrici) a unor

sarcini cu mişcare de translaţie, dar care, în cazul

motoarelor electrice rotative, impun, în multe cazuri

utilizarea unor motoare speciale, costisitoare, cu moment

motor mare, numite „torque motors”.

Utilizarea unor mecanisme de acţionare complică ansamblul

motor – sarcină, datorită unor elemente care au mişcări

diferite şi la parametri cinematici diferiţi de motor.

Alegerea motorului şi implementarea unor algoritmi de

comandă corespunzători acestuia, impun raportarea tuturor

elementelor cinematice şi dinamice la axul motorului, prin

intermediul unor ecuaţii de forma:

rmrmMεJM + (2.1)

pentru motoare rotative, respectiv:

rmrm FamF + (2.2)pentru motoare liniare.

12



Mărimile care apar în relaţiile (2.1) şi (2.2) au

următoarele semnificaţii:

M m - momentul dezvoltat de un motor rotativ la axul său de

rotaţie;

J r – momentul de inerţie redus (resimţit) la axul motorului, în

cazul accelerării tuturor maselor din sistem;

ε m – acceleraţia unghiulară dezvoltată de motor;

M r – momentul rezistent redus (resimţit) la axul motorului,

corespunzător tuturor forţelor şi momentelor rezistente şi de

frecare din sistem;

F m - forţa dezvoltată de un motor liniar la elementul (tija) de

translaţie;

m r – masa redusă (resimţită) la tija motorului, în cazul

accelerării tuturor maselor din sistem;

a m – acceleraţia liniară dezvoltată de motor;

Fr – forţa rezistentă redusă (resimţită) la axul motorului,

corespunzătoare tuturor forţelor şi momentelor rezistente şi

de frecare din sistem;

Elaborarea ecuaţiilor de forma (2.1), respectiv (2.2),

presupune rezolvarea a trei categorii de probleme:

◘ Reducerea maselor/momentelor de inerţie la tija/axul

motorului;

◘ Reducerea forţelor/momentelor rezistente din sistem la

tija/axul motorului;

◘ Alegerea unui profil adecvat de viteză a motorului şi

calculul acceleraţiilor motoare, pe diferitele paliereale profilului ales.

După anul 1990, pe plan mondial se constată o tendinţă

vizibilă pentru utilizarea acţionării electrice în domeniul

roboţilor industriali, maşinilor unelte cu comandă numerică,

perifericelor de calculator etc. În mare parte, această

tendinţă se justifică prin progresele deosebite înregistrate

în proiectarea şi construcţia sistemelor electrice deacţionări, apariţia motoarelor rapide şi uşor de controlat, a

13



unor materiale magnetice noi cu energii mari şi a unor sisteme

de comandă robuste şi viabile, precum şi prin implicarea

directă a calculatoarelor electronice în sistemele de comandă

în timp real.

Acţionarea electrică tinde să devină cea mai răspândită

variantă de acţionare a roboţilor industriali datorită unor

avantaje evidente, cum ar fi:

• disponibilitatea energiei electrice în qvasitotalitatea

mediilor în care acţionează roboţii, mai puţin mediile

explozive;

• fiabilitatea ridicată şi gabaritul redus ale motoarelor

electrice realizate la ora actuală;

• modalităţi simple de reglare a parametrilor cinematici şi

dinamici;

• compatibilitatea cu sistemele de comandă, cu

traductorii de măsură a deplasărilor şi vitezei şi cu

sistemul senzorial;

• preţurile moderate datorită faptului că elementele

acţionării sunt standardizate şi executate în producţie de

serie în întreprinderi specializate.

Principalul dezavantaj al acţionărilor electrice constă în

necesitatea utilizării unor mecanisme suplimentare pentru

reglarea parametrilor cinematici şi dinamici (viteze, forţe,

momente) la valorile impuse de funcţionarea robotului

(transformatoare, convertizoare etc.).

Acţionarea electrică se realizează cu ajutorul motoarelor

electrice care transformă energia electrică având ca

parametri caracteristici: tensiunea electrică (U) şi

intensitatea (I) în energie mecanică cu parametrii

caracteristici: cuplu (C), turaţie (n), forţă (F), viteză (v),

figura 2.3.

14



U

I

M (F)

n (v)

Figura 2.3 Schema de conversie a energei electrice în energie mecanică

Motoarele electrice cele mai des utilizate în acţionarea

roboţilor industriali pot fi clasificate şi grupate după o

serie de criterii. Se utilizează motoare de curent continuu şicurent alternativ, sincrone şi asincrone, motoare pas cu pas

etc.

În figura 2.4 se prezintă o secţiune printr-un motor

asincron şi un motor de curent continuu, folosite în structura

servomecanismelor cu acţionare electrică.

a. b.Figura 2.4. Motoare electrice utilizate în sistemele de acţionare

a. motor de ca b. motor de cc

O categorie specială de motoare electrice, cu largă

utilizare practică în robotică, mecanică fină şi mecatronică o

constituie motoarele pas cu pas. Aceste motoare reprezintă

maşini electrice sincrone modificate, având înfăşurările decomandă alimentate cu un sistem n-fazat de impulsuri de

15



tensiune şi rotorul fără înfăşurări proprii. Deoarece câmpul

magnetic din întrefierul motorului are o repartiţie discretă,

mişcarea rotorului constă din deplasări unghiulare elementare

succesive, denumite paşi.

2.2 Noţiuni generale şi definiţii privind infrastructura feroviară

Calea ferată (calea) este formată din ansamblul

instalaţiilor, clădirilor şi amenajărilor destinate asigurării

unei activităţi feroviare normale.

Pentru a fi construită, o cale ferată necesită executarea

unei platforme pe care să se aşeze calea. Platforma de pământ

a căii obţinută la cotele din proiect se numeşte terasament.

Linia, pozată pe platformă, este elementul care susţine

direct circulaţia materialului rulant. Este formată din două

şine metalice care păstrează între ele o distanţă constantă

numită ecartament.

Şinele se fixează pe grinzi din lemn sau beton, numite

traverse. Între ele, şinele se prind cu platbande (eclise)

strânse în şuruburi; punctele de prindere dintre şine se numesc

joante.

Distanţa dintre două joante se numeşte panou. Lungimea

panoului depinde de lungimea de fabricaţie a şinei, ex. 12, 15,

30 m.

Şinele se fixează pe traverse cu tirfoane sau crampoane prin

intermediul unor plăci care se aşează între şină şi traversă.

Traversele se înglobează în stratul (prismul) de balast care

se sprijină pe o platformă de pământ. Balastul rol de

repartizare uniformă, pe suprafaţa platformei, a încărcărilor

transmise de materialul rulant prin intermediul şinelor şi

traverselor. Şinele aşezate cap la cap formează firele (două)

căii.

Traseul este drumul deschis de linie între două puncteoarecare.

16



Variantele de traseu sunt trasee care leagă două puncte

comune.

Denumirea material mărunt de cale include: şine, piese de

legătură de la joante şi piese de fixare în traverse.

Suprastructura căii este ansamblul constructiv aflat

deasupra platformei, fiind alcătuit din cele două şine,

traversele şi prisma de balast.

Infrastructura căii cuprinde toate elementele aflate de

la suprafaţa platformei, în jos, adică terasamentele căii

(deblee şi ramblee) şi lucrările de artă: tuneluri, poduri,

viaducte, ziduri de sprijin, etc.

Pentru o bună exploatare, calea ferată include şi alte

construcţii şi instalaţii anexe: staţii, noduri şi triaje,

clădiri şi instalaţii.

Staţiile sunt puncte intermediare ale unui traseu de cale

ferată. Trenurile se pot încrucişa (la linie simplă), se por

depăşi sau pot fi garate (pentru încărcare-descărcare).

Nodurile de cale ferată sunt staţii mai mari unde se

întretaie sau se ramifică trei, patru sau mai multe direcţii.

Se pot forma trenuri pentru direcţii secundare.

Triajele sunt grupări de linii unde se primesc trenurile

de marfă, se împart pe direcţii (se triază) şi se expediază.

Sunt aşezate pe lângă staţii şi în general, lângă nodurile de

cale ferată.

Clădirile deservesc staţiile, nodurile şi linia curentă

de circulaţie; alte clădiri sunt cabinele de centralizare şicabinele de acari, depouri cu instalaţiile aferente. În

lungul căii, în linie curentă, se află cantoanele pentru

personalul de întreţinere şi revizie.

Aparate de cale

Aparatele de cale sunt instalaţii care permit vehiculelor

feroviare să treacă de pe o linie pe alta sau să traverseze o

linie.

17



Dintre condiţiile pe care trebuie să le îndeplinească

aparatele de cale se menţionează:

- asigurarea circulaţiei cu viteză normală pe linia

directă;

- asigurarea circulaţiei cu viteză cât mai mare pe linia

abătută;

- lungime cât mai redusă pentru ca zona aparatelor de cale

de la capetele staţiei să fie cât mai scurtă.

În aceeaşi categorie de aparate se includ şi aparatele de

compensare (de dilataţie) care asigură dilatarea şi

contractarea şinelor pe o porţiune de linie.

Schimbătorul de cale simplu este aparatul de cale cel

mai des folosit pentru schimbarea direcţiei de mers a

vehiculelor feroviare. El se montează numai pe linie în

aliniament, deoarece are o direcţie dreaptă şi una de

abatere. Unghiul α format între direcţiile celor două linii

este numit unghi de deviere, putând fi la dreapta sau la

stânga faţă de sensul de mers.

Un schimbător de cale simplu se compune din macaz,

inimă de încrucişare, şine intermediare şi dispozitiv de

manevrare, figura 2.5.

Bara de

conexiune

Labe de

iepure

Contrasine Sine

Sine

Inima de

incrucisare

Sine

intermediareIntrerupator

liniare de

control

Ac Contraac

Dispozitiv de

manevrare

Figura 2.5 Componentele unui schimbător de cale simplu

18



Macazul este subansamblu al unui aparat de cale compus

din ace, contraace, şine de legătură, traverse şi material

mărunt de cale. Macazul este format din contraace, ace (sau

limbi) şi alunecătoare.

Acul macazului este un element mobil de formă specială

component al aparatului de cale care, prin manevrare şi fixare

într-una din poziţiile extreme, permite trecerea vehiculelor

de pe o linie pe alta.

Contraacele macazului sunt două şine exterioare, una în

continuarea firului exterior direct iar cealaltă în

continuarea firului exterior abătut de care se lipesc

vârfurile acelor.

Inima de încrucişare este un ansamblu de piese metalice

din componenţa aparatului de cale, ce permite trecerea

vehiculelor feroviare de pe o linie pe alta.

Bara de conexiune este un element metalic de asamblare a

acelor unui aparat de cale, având rolul de a păstra constantă

distanţa între ele.

Dispozitivul de manevrare, de care sunt legate prin una

sau două bare de manevrare acele, permite manevrarea acelor

unui macaz. Acesta poate fi:

aparat de manevră cu contragreutate, pentru manevrarea

manuală la faţa locului, figura 2.6;

Figura 2.6 Aparat de manevră cu contragreutate

19



electromecanism de macaz, pentru manevrarea de la

distanţă cu ajutorul energiei electrice, figura 2.7.

Figura 2.7 Electromecanism de macaz

În continuare se prezintă o serie de tipuri de aparate

de cale:

schimbătoare de cale simplu figura 2.8 şi dublu;

traversările simple şi cu joncţiune, figura 2.9;

bretelele, figura 2.10.

Schimbătorul de cale simplu permite trecerea vehiculelor de

pe o linie pe linia lăturată, paralelă sau nu.

Schimbătorul de cale dublu permite trecerea vehiculelor pedouă linii alăturate, de ambele părţi a liniei în care este

montat.

Schimbătorul de cale combinat se foloseşte la linii

încălecate cu trei fire.

20



Figura. 2.8 Schimbător de cale simplu

Figura 2.9 Traversare simplă

21



Figura 2.10 Bretela

Traversarea simplă permite trecerea vehiculelor peste o

linie, fără posibilitatea de a intra pe linia traversată.

Traversările cu joncţiune permit atât traversarea simplă a

liniilor cât şi trecerea de pe o linie pe alta, dintr-o singură

direcţie sau din ambele.

Bretela este o instalaţie care permite legătura în ambele

sensuri între două linii paralele.

Inima izolată permite trecerea vehiculelor peste firele care

se întretaie la încălecare şi descălecare a unei linii

încălecate.

22

Documents

Capitolul 2. Clasificare electromacaze