Análisis de viabilidad y desarrollo de metodología para la aplicación de métodos de identificación de subespacios al análisis modal de vehículos ferroviarios en circulación

Resumen

Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de una metodología para la obtención de los parámetros modales de vehículos ferroviarios a partir de mediciones tomadas en vehículos en circulación. Este es un campo de gran interés dado que los métodos utilizados hasta ahora presentan inconvenientes tanto desde el punto de vista técnico como económico. Debido a las condiciones del ensayo y la naturaleza del sistema, los parámetros modales identificados con ellos pueden diferir considerablemente de los parámetros modales que mejor caracterizan el comportamiento del vehículo en circulación. Para superar estas dificultades se propone y desarrolla una metodología basada en mediciones realizadas con el vehículo en circulación. Se consideran como excitaciones las aceleraciones verticales medidas en caja de grasa y como respuestas las aceleraciones medidas en diversos puntos de caja y bogie. Para la identificación se emplea el método de identificación de subespacios determinista-estocástico (Combined deterministic-stochastic Subspace Identification, CSI). El estudio se ha centrado en los modos de vibración de sólido rígido asociados a la dinámica vertical aunque se ha explorado la posibilidad de extenderlo al resto de los modos. El estudio incluye un análisis previo de las particularidades asociadas a la dinámica ferroviaria relacionadas con la aplicación del método CSI y de las premisas bajo las cuales puede considerarse que las aceleraciones verticales medidas en cajas de grasa representan las excitaciones verticales que recibe el vehículo. Además, a partir de la utilización de modelos sencillos, se ha introducido un nuevo coeficiente denominado MPEI (Modal Parameter Estimation Index) que permite valorar en qué medida distintos parámetros de análisis y del vehículo afectan a la precisión de la identificación. Por otro lado, la excitación debida al paso de cada uno de los ejes del vehículo por las mismas irregularidades de vía pero en instantes de tiempo diferentes origina que existan vectores coincidentes en los subespacios de excitaciones futuras y pasadas, incumpliéndose una de las hipótesis del método CSI. Se ha demostrado que el efecto de este incumplimiento se reduce a la eliminación de la parte del subespacio de respuesta libre del sistema debida a dichas excitaciones pero se mantiene la parte del subespacio debida al resto de excitaciones. Esto implica que el método sigue siendo aplicable, aunque con limitaciones. El efecto de la presencia de excitaciones repetidas y desfasadas se ha recogido en un coeficiente denominado RCE (Reduction Coefficient resulting from Excitations) que permite minimizar su influencia mediante la elección de las condiciones de análisis adecuadas. Otro de los aspectos tratados ha sido la selección del algoritmo de análisis. Se han analizado diversas variantes para la aplicación del método CSI, una de ellas de desarrollo propio, que se han comparado utilizando los resultados obtenidos con modelos de diferente nivel de complejidad. El algoritmo seleccionado ha sido el algoritmo PO-MOESP (Past-Outputs Multivariable Output-Error State sPace). La aplicación del método CSI a un modelo tridimensional que tiene en cuenta la dinámica asociada al contacto rueda-carril ha permitido analizar la influencia de ciertos factores que no pueden ser tratados con modelos más simplificados. A partir de este análisis se han definido los últimos aspectos de la metodología propuesta. Para concluir, se ha aplicado la metodología definida a un vehículo ferroviario. Se han tomado registros en vía a diferentes velocidades de circulación a partir de los cuales se han identificado los parámetros modales del vehículo. Se han identificado correctamente los modos asociados a la dinámica vertical, que son el objeto de la tesis, y se han obtenido resultados prometedores en la identificación de los modos estructurales y de los modos asociados a la dinámica lateral.