TFM - Traction Force Meter

[dac]

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:




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/




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.





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).




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

Taurus Railjet Piko Expert




BR 147 Piko Expert



ICE3 BordBistro Piko Hobby



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



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]

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]

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.



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



BR 101 Piko Expert



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'.

 

[dac]

Spuneam mai sus ca, la cateva locomotive dotate cu cauciucuri, fortele de tractiune cresc progresiv in primele zeci de secunde pana la atingerea unui plafon, in timp ce la altele nu (si nici la cele fara cauciucuri de tractiune). Am vrut sa inteleg mai bine ce se intampla si sa vizualizez cumva evolutia fortelor in timpul testelor de tractiune; asa a aparut:

Traction Force Meter v2.0 sau mai pe scurt TFM-USB







Noua abordare foloseste aceeasi celula de incarcare de 500g si acelasi convertor analog-digital pe 24 biti HX711. Microcontrollerul PIC 12F629 pastreaza cei mai semnificativi 16 biti si ii converteste succesiv direct in valori grame si respectiv Newtoni. Toate datele sunt trimise apoi la PC prin intermediul unui modul USB.





TFM-USB trimite date continuu pana ce forta maxima inregistrata nu este depasita pentru 10 secunde consecutive. Rezultatul: un fisier text ce poate fi apoi importat in Excel si generate grafice care sa suprinda evolutia fortelor in timpul testelor.



Iata cateva astfel de grafice:

BR 101 Piko Expert



BR 146 Piko Expert



BR 245 Piko Expert



Graficele prezinta acea curba ascendenta in timp de care aminteam; singura explicatie plauzibila pare a fi faptul ca sunt relativ noi, cu cauciucuri de tractiune putin uzate, si care in timpul testelor pierd particule ce contribuie la cresterea progresiva a coeficientului de frecare.
Iata prin contrast si cateva grafice ale unor locomotive mai vechi, cu probabil cauciucuri de tractiune "rodate":

BR 147 Piko Expert



Rh E190 Piko Expert



Graficele nu urca in timp si au valori medii mai mici decat primele, ceea ce suporta ipoteza uzurii cauciucurilor. Curbele au ritmicitate ciclica cu maxime ce se succed aparent la o rotatie completa a rotilor deci corespund unui punct de pe circumferinta rotii care prezinta frecare maxima.

Experimentele sugereaza asadar clar faptul ca, in cazul locomotivelor dotate cu cauciucuri, forta lor maxima de tractiune scade in timp pe masura cresterii uzurii cauciucurilor (si poate si a celorlalte componente din lantul transmisiunii motor - roti).

 

[dac]

Sa incercam acum sa analizam graficele obtinute, folosind metoda gandirii fenomeno-logice - @mpursu:

Avem asadar pe sina de test o locomotiva, rulata in prealabil cativa metri "de incalzire" pentru inlaturarea oxidului format pe contactele electrice si pentru uniformizarea lubrefierii. Locomotiva se afla la cativa centimetri de paleta celulei de incarcare, fara sa o atinga.
Programul este pornit si se efectueaza calibrarea senzorului, urmata apoi de inceperea achizitiei datelor. Locomotiva este comandata sa ruleze in treapta 1 de viteza (4-5 km/H0) si se deplaseaza fara patinare catre senzor.

In momentul atingerii paletei incepe comprimarea senzorului sub efectul impingerii locomotivei, cu inregistrarea cresterii fortei de apasare. Comprimarea este microscopica si continua pana la atingerea unui maxim, cand fortele de adeziune roti-sine sunt depasite si incepe patinarea. [1]
In timpul patinarii, practic paleta impinge inapoi locomotiva, pana ce se echilibreaza apasarea cu fortele de frecare de alunecare. Punctul de minim inregistrat pe grafic reprezinta efortul minim "garantat" de care este capabila locomotiva in timpul patinarii. [2]
La un moment dat, este castigata din nou aderenta si fortele cresc pana la un nou maxim urmat apoi de ruperea aderentei si inceperea patinarii, dupa care procesele se repeta ciclic. Varfurile din grafic se succed la intervale regulate ce corespund unei rotatii complete a rotilor, deci maximele sunt inregistrate cand un anume punct al circumferintei se afla in contact cu sina (de fapt este vorba de un efect insumat al tuturor rotilor motoare).



Cateodata, momentul contactului locomotivei cu paleta senzorului nu este urmat de acel punct de maxima aderenta si graficul incepe cu un varf mai mic [3], urmat de pierderea aderentei, dupa care ciclurile se reiau prin trecerea mai intai printr-un minim [2]. Punctul [3] nu are semnificatie.



In cazul locomotivelor cu cauciucuri noi apare in plus si acel fenomen de crestere in timp atat a maximelor cat si a minimelor, fenomen complex datorat probabil unui cumul de factori de genul incalzirii locale in urma frecarii roti-sine, acumularii de particule desprinse din cauciucuri, etc. Se pot obtine astfel valori minime [5] (deci forte de alunecare) mai mari chiar decat cele de adeziune initiale [1]! Este discutabila insa utilitatea practica a acestui fenomen, intrucat banuiesc ca nimeni nu lasa sa ruleze pe loc o locomotiva (mai ales noua!) 60 - 70 secunde pana ce creste frecarea suficient cat sa urneasca din loc o garnitura mai importanta. Mai ales daca tinem cont de faptul ca odata depasita portiunea de sina incalzita si cu particule de cauciuc, fortele maxime / minime [4] si [5] devin brusc din nou [1] si [2], si sunt toate sansele ca garnitura sa se opreasca.



In concluzie, valorile care conteaza sunt:

[1] - primul varf real inregistrat de grafic, ce sugereaza forta de aderenta roti-sine si capacitatea de a pune in miscare o garnitura si
[2] - primul minim din grafic, echivalentul fortei de frecare in patinare si capacitatea de a mentine in miscare o garnitura,

stiut fiind faptul ca fortele de frecare statice (garnitura in stationare) sunt semnificativ mai mari decat cele dinamice (din timpul rularii).

 

[dac]

Inca doua locomotive au fost testate pentru masurarea fortei de tractiune:

BR 193 Vectron Piko Expert



EMD SD60M din gama Proto 2000 produsa de Life-Like



Daca Vectron-ul foloseste solutia tipica Piko, cu boghiuri avand cate un singur cauciuc de tractiune situat pe osia interna (si in diagonala unul fata de celalalt), diesel-ul american are roti RP25 fara cauciucuri.

https://www.nmra.org/sites/default/files/standards/sandrp/pdf/RP-25%202009.07.pdf

In pofida unei mase remarcabile de 719 g, SD60M dezvolta doar o tractiune maxima de 109 grame-forta, deci o eficienta de numai 15%.
Asta in timp ce Vectron-ul, cu o masa de 447 g si doar 4 osii (fata de 6) dezvolta maxim 146 gf, deci o eficienta mai mult decat dubla (33%).
Mai mult, daca in cazul locomotivei Piko graficul urca in timp (cauciucuri noi), cel al diesel-ului fara cauciucuri de tractiune are o panta descendenta in timpul patinarii (incalzirea din urma frecarii?).

 

[cosmin78]

Cu cat sunt mai putine osii, cu atat forta de tractiune este mai mare.
Daca se impart masele la nr. de osii, in cazul celor 2 locomotive, se vor obtine valori apropiate (101.5 gr. si 112 gr.). Cauciucurile isi spun cuvantul...

 

[dac]

Alte doua locomotive au fost supuse testelor dinamometrice, de data aceasta diesel-uri americane cu 4 osii:

EMD GP30, Life-Like Proto 2000



EMD GP20, Life-Like Proto 2000



Cele 2 locomotive sunt relativ similare, GP30 avand o solutie constructiva si cinematica imbunatatita (fiind de productie mai recenta).

- EMD GP30, cu o masa de 453 g, dezvolta o forta maxima de tractiune de 73 gf, deci are o eficienta de 16%.
- EMD GP20, cu o masa de 400 g, dezvolta o forta maxima de tractiune de 67 gf, deci are o eficienta de 17%.

Ambele valori sunt comparabile cu eficienta EMD SD60M de mai sus (15%), si indica fara echivoc faptul ca nu sunt afectate semnificativ de numarul de osii (cum era de altfel de asteptat). Mai degraba sesizez o crestere a eficientei odata cu scaderea masei locomotivei, dar cel mai probabil este vorba despre erori de masurare, sau o neliniaritate a senzorului.
Ambele grafice prezinta o panta descendenta (roti RP25 fara cauciucuri de tractiune); de remarcat acea pierdere totala a aderentei GP30 pentru o fractiune de secunda.