TFM - Traction Force Meter

dac

Well-Known Member
Trenulist
15 Septembrie 2007
1.353
97
Bucuresti
LOCATION
Bucuresti
Cu totii avem diverse locomotive, unele mai "capabile" ca altele in a tracta garnituri de diferite lungimi, pe trasee cu variate gradiente de panta. Desi exista o corelatie directa intre forta de tractiune si greutatea locomotivei, numarul de osii motoare, prezenta sau absenta cauciucurilor de tractiune, puterea motorului electric folosit etc., surprizele nu sunt putine.
Fara sa urmaresc neaparat o aplicabilitate practica imediata, ci fiind mai degraba un exercitiu - sa zicem - (auto)didactic, am cautat o metoda prin care sa determin cat mai precis posibil forta de tractiune a locomotivelor si care sa imi permita o comparatie directa intre acestea.

Studiind diferite idei pe net, am ajuns la concluzia ca folosirea unui cantar digital se impune ca o necesitate, cel putin pentru comoditatea citirilor. O pleiada de idei interesante am gasit aici: https://cs.trains.com/mrr/f/88/p/286791/3318911.aspx dar in testele mele valorile citite erau "all over the place" fara posibilitatea de a ajunge la rezultate definitive.
Am incercat apoi un cantar mai sensibil (500g) pozitionat vertical, locomotivele impingand talerul. Rezultatele au fost ceva mai bune, dar complicate de dificultatea fixarii cantarului la verticala. In plus, a devenit evident faptul ca nici softul intern al cantarului nu apreciaza zbuciumul locomotivei care patineaza pe sine. Venise momentul sa incerc o alta abordare:

IMG_0760.jpg
IMG_0762.jpg

Fara prea multe remuscari, am "canibalizat" minicantarul digital pentru a extrage senzorul din interior si a-l folosi fara nicio jena cu montajul meu. Nu stiam mai nimic despre modul de functionare al "celulelor de incarcare" dar netul imi este bun prieten. https://instrumentationtools.com/load-cell-working-principle/

IMG_0764.jpg
IMG_0767.jpg

Semnalul generat de aceste celule de incarcare (practic un circuit punte Wheatstone) este extrem de mic si necesita o amplificare semnificativa (128x) inainte a fi convertit digital. Ambele etape sunt efectuate de un circuit integrat dedicat (HX711). Datele digitale furnizate sunt preluate de microcontroller-ul PIC16F677, procesate si trimise spre display-ul LCD 1602.

tfm.png
tfm2.png
tfm3.png

Software-ul intern al PIC-ului citeste forta de apasare de 10 ori pe secunda. La punerea sub tensiune este apelata o rutina de autocalibrare, dupa care softul intra in stand-by, asteptand forte de apasare de peste 1g. Locomotiva este rulata la viteza minima; din momentul in care apasa pe senzor, se efectueaza serii de cate 8 citiri (0,8 sec.) si se memoreaza valorile medie si maxima. Dupa 12 serii (9,6 sec.), sunt alese si afisate cele mai mari valori ale fortelor de apasare medii si maxime. Apasarea microswitch-ului permite alegerea unitatii de masura (grame sau Newton).

IMG_0765.jpg
IMG_0766.jpg

Precizia interna a software-ului este de 0,1g iar acuratetea de +/- 0,5g. Iata cateva valori:

Taurus Railjet Piko Expert
IMG_0772.jpg
IMG_0773.jpg


BR 147 Piko Expert
IMG_0774.jpg
IMG_0775.jpg

ICE3 BordBistro Piko Hobby
IMG_0776.jpg
IMG_0777.jpg

P&T 07-16 Bachmann UK (clona Liliput fara cauciucuri de tractiune)
IMG_0770.jpg
IMG_0771.jpg

Sincer, ma asteptam poate la diferente mai mari intre valorile maxime si cele medii, in ideea ca valorile medii reprezinta tractiunea in timpul patinarii iar cele maxime ar sugera punctul de pierdere al aderentei si inceperea patinarii.
 

dac

Well-Known Member
Trenulist
15 Septembrie 2007
1.353
97
Bucuresti
LOCATION
Bucuresti
Intre timp am mai adus cateva imbunatatiri firmware-ului intern. Traction Force Meter-ul asteapta acum o secunda pentru amortizarea oscilatiilor produse de socul atingerii senzorului, inainte de a incepe citirea valorilor inregistrate de acesta. Numarul de determinari a fost crescut la 128, programul calculand media tuturor acestora si alegand valoarea maxima dintre ele. Astfel, a crescut substantial stabilitatea si reproductibilitatea rezultatelor, obtinandu-se si o crestere a ecartului dintre valorile maxima si medie (7,5% - 13%). Rutina de autocalibrare include acum o perioada de "warm-up" de 2 secunde (recomandata de producator, dar fara modificari semnificative in practica).
 

dac

Well-Known Member
Trenulist
15 Septembrie 2007
1.353
97
Bucuresti
LOCATION
Bucuresti
Nov. '22 update:

1. Am inlocuit celula de incarcare cu una mai robusta. Desi este marcata ca fiind tot de 500g, are o sensibilitate mai redusa fata de prima (12 unitati per gram fata de 20 u/g) dar ofera o stabilitate mai mare a citirilor. In plus, avand in vedere tensiunile mici furnizate, am preferat lipirea directa a firelor de legatura in locul utilizarii unui conector.

IMG_1169.jpg

2. Experimentele anterioare scosesera in evidenta un fenomen care aparea numai in cazul locomotivelor dotate cu cauciucuri de tractiune: fortele de tractiune cresc in timp dupa o curba probabil logaritmica (mai rapid la inceput, apoi din ce in ce mai putin pana la atingerea unui plafon). O cauza ar putea fi incalzirea cauciucurilor datorata frecarilor din timpul patinarii si cresterea coeficientului de frecare. O alta posibila explicatie ar fi depunerea pe sine de particule desprinse din cauciucuri (actionand similar nisipului folosit in realitate). In majoritatea cazurilor plafonul nu era atins in cele 10 secunde de test, ducand astfel la subestimarea substantiala in special a fortei maxime de tractiune.
In consecinta, am modificat corespunzator softul care acum se opreste din masurat abia dupa ce trec 10 secunde fara o crestere a valorii maxime. Teste de pana la 2 minute dupa atingerea acestui plafon au indicat o crestere ulterioara de maxim 1% in doar cateva cazuri.

BR 146 Piko Expert
IMG_1170.jpg
IMG_1171.jpg

BR 101 Piko Expert
IMG_1172.jpg
IMG_1173.jpg

3. Am inlocuit de asemenea afisarea fortei medii cu forta minima de tractiune, care corespunde mai bine cred eu fortei de frecare de alunecare (patinare) - un fel de 'worst-case scenario'.
 
Ultima editare: