Vehicul Cu Traseu Impus Vidrighin Andrei (final) [310037]

Licență

Vehicul Cu Traseu Impus Vidrighin Andrei (final) [310037]

Byadmin ianuarie 1, 2024

CAPITOLUL 1

[anonimizat], omul a [anonimizat], acesta fiind bine dotat de la natură. [anonimizat], ceea ce a dus la găsirea unor soluții pentru problemele mobilității.

[anonimizat]-[anonimizat]-[anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat] o scară redusă față de cea din realitate.

[anonimizat], ajungând până la proiectarea unui sistem pentru comandă și acționare a [anonimizat].

Plăcuța pe care am proiectat-o [anonimizat], [anonimizat] a schimba traiectoria trenului care va parcurge traseul impus de șine și macazuri.

[anonimizat], de a extinde această machetă în scopul valorificării ei în medii precum: expoziții, restaurante, [anonimizat].

CAPITOLUL 2

SISTEME DE TRANSPORT

2.1. Transportul pe calea ferată

Mijlocul de transport al acestui sistem îl reprezintă locomotiva și vagoanele. Locomotiva este un vehicul de cale ferată capabil să producă o forță de tracțiune disponibilă la cârligul de tracțiune și folosită pentru remorcarea unui anumit număr de vagoane.

Transportul feroviar este utilizat pentru fluxuri constante de mărfuri ([anonimizat]) sau transport de cantități mari.

Componentele de bază ale sistemului de transport pe calea ferată cuprinde:

• Infrastructură:

– [anonimizat]

• Mijloace de transport:

– Materialul rulant autopropulsat: locomotivele

– Material rulant nepropulsant: vagoanele

• Operatori de transport sau operatori ai activităților conexe ce sunt organizate în:

– Stații

– Depouri

– Triaje

• [anonimizat]:

a) Circulația desfășurată în convoaie remorcate de una sau mai multe locomotive

b) Organizarea ireproșabilă a circulației datorită faptului că spațiul de frânare este foarte mare și pentru că pe o linie de cale ferată se circulă în ambele sensuri

c) [anonimizat].

2.1.1 Istoricul tracțiunii feroviare în lume

În prima parte a [anonimizat] a [anonimizat]. Acest progres aducea și evoluții tehnologice într-o lume care se schimbase prea puțin de-a [anonimizat] o pondere importantă în viața cotidiană.

Englezul John Blenkinsop a construit în 1812 locomotiva cu abur Puffing Billy sau Billy care gâfâie care acționa o roată dințată, angrenând cu o cremalieră situată lângă șine, astfel trăgând trenul. În 1816 și la Berlin au fost construite locomotive cu roți dințate care angrenau în cuie înfipte lângă șine. Această acționare era dificilă, ea fiind reluată în anii 1860, în turismul montan, la urcarea pantelor abrupte.

Puterea aburului era folosită în combinație cu ingineria, iar noua epocă a adus o generație de ingineri, dintre care unii aveau să devină nume emblematice. Dintre toți, cei mai faimoși sunt George Stephenson și fiul său, Robert. Cei doi au devenit celebri pentru Rocket, care a câștigat Rainhill Trials, o competiție desfășurată pentru alegerea locomotivelor pentru noua companie Liverpool and Manchester Railway, în 1829. Dar, Rocket nu a fost prima locomotivă născută în mintea lui Stephenson.

Prima locomotivă a lui a apărut cu 15 ani în urmă, in 1814, fiind un model cu șase roți numit Blucher, după un general prusac. Aceasta se întâmpla cu aproximativ un deceniu după construirea primei locomotive cu abur, modelul revoluționar Penydarren realizat de Richard Trevithick.

O altă locomotivă a lui Stephenson este Locomotion No. 1, dobândind un loc de seamă în istorie și a fost prima dintr-o altă serie de locomotive create de el pentru compania Stockton and Darlington Railway, cu care a fost inaugurată în 1825.

Această locomotivă a devenit celebră și a fost pusă la păstrare până în zilele noastre, iar viața sa ca exponat fiind mai lungă decât anii de funcționare.

Figura 1. Locomotion No. 1 – Stockton and Darlington Railway – 1825

În privința tehnologiei, SDR a fost un exemplu pentru Marea Britanie, alte companii preluând ideea. Când a fost deschisă, ruta SDR avea 40 km. Exista o singură pereche de șine prevăzută cu bucle, pentru ca trenurile să treacă unul pe lângă celălalt. Șinele duble au fost construite mai târziu.

Scopul principal al căii ferate era transportarea cărbunelui, dar și a pasagerilor. In octombrie 1825, trenurile erau tractate de cai, iar în anii 1830 s-a renunțat la cai.

De-a lungul existenței sale, SDR a ajuns un fel de companie. A construit gări, a extins calea ferată, a contribuit la dezvoltarea economică locală. Până în 1863, rețeaua de cale ferată avea peste 300 de km, segmente din ea fiind folosite și astăzi. A fost un pionier esențial în dezvoltarea unei forme de transport care avea să schimbe lumea.

Primele încercări de acționare cu energie electrică pentru calea ferată au eșuat în anii 1830 și 1840, deoarece bateriile folosite erau foarte grele. Abia în 1879, în Berlin, Werner von Siemens a construit o locomotivă cu motor electric alimentat printr-o linie de alimentare separată, curentul fiind deviat prin șine, iar în 1905 prima locomotivă cu curent alternativ monofazic.

În 1 martie 1901 a fost dată în funcțiune o cale ferată suspendată, concepută de Eugen Langen în anii 1880 în Koln, deoarece nu era loc pentru un tramvai. Vagoanele sunt suspendate pe o singură șină și atârnă de cadrul de rulare prin roți, iar șina se sprijină pe stâlpi.

Între anii 1904 și 1909, Herrmann Fottigner a dezvoltat un convertizor hidrodinamic de cuplu, când un motor acționează o pompă care pune lent în mișcare un lichid, apă sau ulei. Curentul antrenează o turbină care transmite forța la rândul ei la acționarea propriu-zisă. După al doilea război mondial, acest principiu a făcut să fie realizate primele locomotive Diesel, care transmiteau forța fără ocolirea dată de motorul electric.

Motoarele Diesel au fost folosite târziu pentru locomotive, deoarece nu existau acuplaje care să ambreieze lent după pornire. Abia în anii 1920 forța motorului Diesel a fost transmisă la motoare electrice, care antrenau, la rândul lor, roțile.

În 1914, la Londra, francezul Emile Bachelet a prezentat o cale ferată revoluționară, care funcționa fără roți și șine, care avea să doboare toate recordurile de viteză. Atracția și respingerea dintre câmpurile magnetice făceau ca trenul să stea suspendat, iar un câmp magnetic puternic mișca vehiculul înainte. În Germania, începând cu anul 1922, Herrmann Kempner a dezvoltat mai departe acest principiu.

Calea ferată magnetică suspendată exista începând cu anul 1969 doar pe hârtie, aceasta fiind dezvoltată în continuare cu precădere la Universitatea Tehnică Braunschweig. În octombrie 1983 a fost pus în funcțiune primul tronson experimental, în Emsland, iar în 1993 s-a atins viteza de 450 km/h.

Începând cu anul 2002, trenul de mare viteză transportă pasageri la aeroportul din Shanghai, obținând în anul 2003 un nou record de viteză de 501 km/h. În Japonia, în același an, s-au atins 581 km/h.

În Japonia a fost introdus pentru prima dată în 1964 transportul de masă cu trenuri de mare viteză. De atunci, au apărut câteva serii de trenuri de mare viteză, numite Shinkansen. Shinkansen 800 au fost construite începând cu anul 2003, de compania Hitachi și au fost lansate în martie 2004.

Shinkansen 800 se mai numește Tsubame și este format din șase segmente, având 392 de locuri pentru pasageri. Propulsia fiecărui segment este asigurată de patru motoare, fiecare având 374 CP. Fiecare set are puterea totală de 8 976 CP. Viteza maximă declarată de constructor este de 285 km/h, iar viteza pe distanța de 126 km este limitată la 260 km/h. Trenurile sosesc la 30-40 de minute.

Făcând o comparație cu seria precedentă, 700, care avea o caracteristică în formă de bulb la fiecare capăt, seria 800 are o linie regulată mult simplificată la șasiul din aluminiu. Botul fiecărui vagon este extrem de ascuțit pentru îmbunătățirea aerodinamicii. În suprafața conului frontal sunt îngropate trei faruri longitudinale. Locul mecanicului este sus, sub plafon, în spatele unui parbriz din sticlă neagră, arătând ca cockpit-ul unui avion modern de pasageri. Pe al doilea și al cincilea vagon se află pantografe simple cu ajutorul cărora este furnizat curent electric de 25 kV/60 Hz de la un sistem de curent alternativ. Trenul este vopsit în alb, cu o dungă roșie subțire, care se întinde de-a lungul întregii garnituri. Fiecare vagon are 3,38 m lățime, 3,65 m înălțime și 25 m lungime, primul și ultimul având 27,35 m lungime.

Figura 2. Shinkansen 800 – Japonia

Ecartamentul șinelor pentru Shinkansen 800 este de 1 435 mm. Deoarece marea parte a liniei trece prin tuneluri, interiorul a fost conceput luminos și intim. La seria 800 au fost folosite materiale naturale spre deosebire de seriile anterioare ale căror decoruri erau din plastic. Majoritatea suprafețelor sunt din lemn lăcuit, de asemenea dușumelele, jaluzelele, cadrele scaunelor și altele. Fotoliile mai mari, mai confortabile au spătar care se înclină, prize pentru conectarea diverselor dispozitive electronice și ventilație cu aer cald pentru fiecare loc. Aceste vagoane dispun de conexiuni wireless, de telefoane și automate.

Un alt tren de mare viteză este TGV Duplex, un tren francez care diferă de alte trenuri din familia TGV prin faptul că are vagoane etajate, pentru a face față cererii tot mai mari de transport, maximizându-se locurile pentru pasageri. Creșterea lungimii trenurilor nu era o soluție, deoarece ar fi trebuit extinderea peroanelor din gări, nici mărirea numărului de trenuri, care ar fi dus la alte mari investiții în sistemele de semnalizare și frânare, care erau deja foarte performante.

Primul tren tras de o locomotivă TGV Reseau a fost testat în 1994 și a atins o viteză maximă de 290 km/h. În 1995 au fost finalizate lucrările la locomotivele special proiectate pentru TGV Duplex. Trenurile TGV Duplex fac parte din generația a treia de trenuri TGV.

Proiectanții au reușit o îmbunătățire a aerodinamicii astfel că motoarele pot asigura o viteză mare fără o creștere semnificativă a puterii. S-a obținut și o reducere a greutății cu 20 % prin folosirea aluminiului în locul oțelului. S-a renunțat la frânarea pe roată și s-a trecut la frâne disc. Prizele de evacuare ale ventilatoarelor sistemului de răcire au fost mutate de pe pereții laterali pe acoperiș, ceea ce a redus semnificativ nivelul de zgomot. TGV Duplex are un nou pantograf, care ține cont de forța de apăsare proporțională cu viteza trenului.

Un TGV Duplex are două locomotive și opt vagoane. Lungimea totală este de 200 de m, iar masa de 380 de t. Un tren este propulsat de opt motoare AC sincrone, care au o putere combinată de 8 800 kW (11 800 CP), când sunt alimentate de la o sursă de 25 kV AC. Mecanicul poate selecta sistemul de alimentare, iar pantograful se adaptează automat la sursa de energie aleasă, trenul mergând din inerție în intervalul de trecere de la o sursă la alta. Viteza maximă este de 320 km/h.

Figura 3. Prima versiune de tren de mare viteză – TGV în gara din Paris

Figura 4. Versiunea etajată a trenului de mare viteză – TGV Duplex

Figura 5. Varianta nouă TGV Duplex

2.1.2 Istoricul tracțiunii feroviare în România

Locomotiva diesel – electrică 060-DA a apărut în România în anul 1959, într-o perioadă în care locomotivele cu aburi erau la putere. S-a remarcat prin forță de tracțiune mare la o greutate relativ redusă, dând un randament foarte bun, astfel integrându-se in economia României. A început să fie fabricată chiar din anul următor, anul 1960 sub licența elvețiană Sulzer – Brown Boveri, fiind originară din Elveția. Acest tip de locomotivă s-a remarcat în toată țara fiind utilizată la tracțiunea trenurilor de călători și de marfă pe secțiile neelectrificate ale Căilor Ferate Române, de asemenea și în prezent.

Figura 6. Prima locomotivă diesel-electrică 060-DA-001 – Gara de Nord din București

Locomotiva electrică 060-EA a apărut în anul 1965 în perioada comunistă. La acea vreme reprezenta una dintre cele mai puternice locomotive din lume, dezvoltând o putere de 5100 kW (aproximativ 7000 CP). Primele locomotive au fost fabricate sub licența ASEA Suedia, la Electroputere Craiova. S-au produs peste 1000 de bucăți, dintre care o parte au mers și către export. De asemenea este folosită atât pentru transportul trenurilor de călători, cât și pentru trenurile marfare.

Figura 7. Locomotiva electrică 060-EA-001 – în probele de parcurs din Suedia

Figura 8. Locomotiva electrică 060-EA-001 – pregătită pentru a fi livrată în România

2.1.3. Sisteme de acționare și comandă în transportul feroviar

Întreaga activate de coordonare a traficului feroviar este împărțită în: regulatoare de circulație pentru ramura de tracțiune, regulatoare de circulație pentru vagoane, regulatoare de circulație și de mișcare, secții de întreținere a căii și a clădirilor, șantiere de sudare a căii, secții de întreținere a instalațiilor, districte de mecanizare a încărcărilor și descărcărilor.

Pentru a dirija circulația trenurilor sunt necesare mijloace de înțelegere la distanță, prin care se stabilesc legături rapide și sigure între toate organele care fac parte la circulația trenurilor.

Cu ajutorul semnalelor se poate face legătura dintre personalul de stație sau de linie cu cel de locomotivă sau de tren.

Prin intermediul semnalelor se pot transmite informații cu privire la manevrarea și circulația trenurilor, spre exemplu:

– instalații pentru controlul poziției macazurilor și semnalelor;

– instalații pentru manevrarea centralizată a macazurilor și semnalelor;

– blocul de linie automat și semi-automat.

Circulația trenurilor poate fi grupată în trei categorii:

– circulația trenurilor în linie curentă;

– circulația în stații a trenurilor care vin sau pleacă de la sau spre stații vecine;

– mișcări de manevră pentru compunerea sau descompunerea trenurilor.

Instalațiile de centralizare manevrează macazurile și se înzăvorăsc la distanță prin transmisie mecanică sau prin electromecanisme de macaz. Comenzile și controlul efectuării lor se fac prin aparatul de comandă ce este instalat în biroul de mișcare al stației, ce este deservit de către impiegatul de mișcare.

Prima instalație de centralizare mecanică la CFR a fost montată în anul 1889, iar prima de tip electrodinamic în 1932. Începând cu anul 1959 s-a început înlocuirea instalațiilor vechi cu instalații moderne de centralizare electrodinamică cu relee, fabricate în România.

Avantajele introducerii noilor instalații constă în: creșterea siguranței circulației, sporirea capacității de prelucrare a stațiilor, sporirea capacității de tranzitare a stațiilor, sporirea vitezei comerciale, sporirea productivității muncii, îmbunătățirea condițiilor de lucru ale personalului din exploatare.

2.1.3.1. Istoricul fabricației aparatelor de cale

Premieră mondială absolută a conceperii si utilizării sistemului – șina traversă- prevăzut cu schimbătoare de direcție cu ac si inimă aparține românului Ion Pop si a cunoscut o largă extindere la minele de la Brad din Transilvania în prima parte a secolului al XVI-lea fiind executat din bârne de lemn. Această importantă invenție s-a extins imediat în Austria si s-a generalizat în toate zonele carbonifere din Europa, în special în sudul Angliei.

Experiența câștigată în utilizarea căilor ferate de interes local a determinat construirea și utilizarea unor trasee cu caracter mai important la care tractarea vagoanelor se realiza cu ajutorul cailor. Prima cale ferată de acest fel a fost construită în 1795 în Marea Britanie între Cardiff si Methyr și era destinată transportului mixt de călători si mărfuri. Pe continent prima linie de transport public se inaugurează la 7 septembrie 1827 în Austria, intra Budweis si Kerschmaum.

În perioada imediat următoare au fost construite rețele feroviare de baza și în alte țări europene, dar și în America de Nord, Asia, Africa, America Latina, Australia. În ultimele decenii ale secolului al XIX- lea s-a extins rețeaua de căi ferate în țările din centrul si estul Europei, în China, sudul si sud-estul Asiei, Turcia, Iran, America Latina, Africa. Lungimea căilor ferate a crescut fulgerător de la 8640 km la începutul perioadei la 794.000 km în jurul anului 1900.

Orientarea fundamentală a modernizării căilor ferate pleacă de la constatarea practică, ilustrată prin experiențe și aplicații ca, tehnica clasică de „ ghidarea roților pe șine” folosită până în prezent este capabilă să asigure funcționarea la parametri mai înalți decât cei actuali ;experiențele efectuate în mai multe țări, printre care și țara noastră, au demonstrat că, prin asigurarea geometriei căii în tolerantele stabilite și cu anumite modificări ale materialului rulant, viteza trenurilor de călători poate fi ridicată la 200 km/h, iar la trenurile de marfă la 120km/h.

Față de calea ferată propriu-zisă, aparatul de cale rămâne una din preocupările permanente ale specialiștilor în strânsă legătură cu creșterea vitezelor de circulație și sarcinii pe osie a materialului rulant. Acesta este un domeniu al unei tehnologii complexe, în care specialiștii aduc permanent îmbunătățiri constructive și tehnologice.

2.1.3.2. Construcția și utilizarea aparatelor de cale

Aparatele de cale servesc, de regulă, la realizarea capetelor de stații (stații de cale ferată; triaje; depouri).

Aparatele de cale asigură ramificarea si încrucișarea la nivel a liniilor de cale ferată. Pentru evaluarea importanței problemelor legate de construcția aparatelor de cale, pe rețeaua de cale ferată din țara noastră, la fiecare kilometru de linie de cale ferată revine în medie un aparat de cale. De aici rezultă importanța cunoașterii de către proiectant, constructor si personalul de întreținere a următoarelor elemente necesare utilizării aparatelor de cale:

– detalii cu privire la caracteristicile geometrice și constructive necesare folosirii în

exploatare;

– condiții de trasare si de montare;

– criterii de apreciere ale limitelor toleranțelor de menținere în cale, cu realizarea unei durate de servici ridicate;

– modul de execuție a lucrărilor de verificare si tehnologia lucrărilor de întreținere .

La început, aparatele de cale se executau pentru șina tip 40 si tip 49 cu ace articulate.

La scurt timp, s-au asimilat în fabricație aparatele de cale tip 49 cu ace flexibile.

Pentru realizarea acelor flexibile este necesar ca acele propriu-zise să se deformeze în matrița la profilul de șină normală tip 49 după care se sudează cu șina coada.

Odată cu asimilarea în fabricație a acelor flexibile s-a asimilat în fabricație inima cu vârf din oțel aliat sudat prin presiune și topire intermediară cu subansamblul șine cozi.

Vârful din oțel aliat se supune unui tratament termic de îmbunătățire.

Prin asimilarea în fabricație a aparatelor de cale cu ace flexibile si inimi din otel aliat, s-au modificat si caracteristicile constructive:

– fixatorul de macaz cu cleme, având bara de acționare izolată electric;

– prindere indirectă la macaz si sprijinitor cadru;

– șine de rulare cu contrașină ”U”.

În anul 1977 s-a asimilat în fabricație inima simplă cu vârf mobil.

Modificarea permanentă a condițiilor de exploatare (trafic, tonaj, viteză) a impus consolidarea suprastructurii feroviare (șină, traversă, balast).

2.1.3.3. Clasificarea aparatelor de cale ferată

Aparatul de cale reprezintă un ansamblu de instalații fixe care asigură încrucișarea și / sau ramificarea la nivel a liniilor de cale ferată.

Aparatul de cale reprezintă o reuniune de mecanisme, formate din bare, pârghii, grinzi și elemente de acționare, care consumă energie pentru manevrarea acelor în vederea realizării efortului util-pentru parcursul de circulație a materialului rulant pe linia directă sau deviată (abătută).

Categoriile mari de aparate de cale sunt:

1. Schimbătoare cale;

2. Traversări;

3. Bretele;

4. Aparate de compensare;

5. Inimile izolate.

Schimbătorul simplu poate fi asimetric (cel mai răspândit aparat de cale) sau simetric (folosit în triaje). Din schimbătorul simplu se ramifica doua linii.

La inima izolată simplă se întâlnește o inimă simplă care separă cele două linii, liniile păstrându-și poziția lor relativă, iar la inima izolată dublă se întâlnesc două inimi simple care realizează schimbarea poziției relative a liniilor.

Traversările pot fi: traversări simple, traversări cu joncțiune simplă si traversări cu joncțiune dublă.

Bretelele pot fi : bretele obișnuite si bretele combinate. Bretelele se fabrică pentru anumite distanțe între axele liniilor paralele (pe care le leagă între ele); bretelele sunt aparate de cale de sine stătătoare, ele neputând fi realizate din 4 schimbătoare simple și o traversare simplă.

Aparatele de cale ferată se diferențiază în funcție de tipul de șină folosit (șina tip 49,54,60,65), de raza curbei pe care o execută (100,190,300,500,760,1200), deviația și de tangentă. Tangentele liniilor abătute sunt în strânsă legătură cu raza aparatului de cale si anume:

1:6-R100;

1:9-R190/R300;

1:12-R500;

1:14-R760;

1:18.5-R1200.

3.1.3.4. Schema generală a unui schimbător de cale (macaz)

Schimbătorul de cale reprezintă un dispozitiv montat la intersecția a doua linii de cale ferată, cu ajutorul căruia se realizează trecerea vehiculului de pe o linie pe cealaltă.

Părțile principale ale schimbătorului simplu sunt : macazul (zona acelor și contraacelor); șinele de legătură; inimă de încrucișare (alcătuită din: inimă simplă; subansamblul șina de rulare și contrașina de pe linia directă și subansamblul șina de rulare si contrașina de pe linia abătută).

Macazul este un dispozitiv folosit pentru dirijarea materialului rulant la bifurcarea căilor de rulare, constând dintr-o porțiune mobilă si reglabilă a șinelor. Comanda se poate face local sau centralizat, de la distanță. Macazul are în componență 2 contraace și 2 ace, dintre care unul este strâns lipit de contraac și prin aceasta dirijează vehiculul pe linia respectivă.

Inima aparatului de cale este un subansamblu pe care se încrucișează muchiile de rulare ale aparatelor de cale.

Șinele de rulare cu contrașine sunt elementele aparatului de cale care ghidează materialul rulant în mișcarea lui pe inimile de încrucișare.

Șinele de legătură sunt reperele care se înlocuiesc la curbarea schimbătoarelor simple asimetrice sau la eliminarea joantelor (la sudarea aparatelor de cale).

Figura 9. Schema generală a unui schimbător de cale (macaz)

Elementele macazului de la 1 la 12 ce sunt reprezentate mai sus, reprezintă:

Electromecanism pentru acționarea macazului

Ac curb

Tijă pentru culisarea acelor de macaz

Ac drept

Contraac curb

Contraac drept

Contrașină dreaptă

Contrașină stângă

Aripă stângă

Aripă dreaptă

Inima macazului

Vârful cu cozi sudate (cunoscut și sub denumirea de călcâi)

Figura 10

3.1.3.5. Electromecanismul de schimbare al unui macaz

Aparatul cel mai des folosit la schimbarea direcției de mers a materialului rulant este schimbătorul de cale simplu, numit și schimbător asimetric. Se montează numai pe linie în aliniament, deoarece are o direcție dreaptă și una de abatere.

Un schimbător de cale simplu se compune din:

– macaz;

– inimă de încrucișare;

– șine intermediare;

– dispozitiv de manevrare.

Macazul este format din:

– contraace;

– ace sau limbi;

– alunecătoare.

Contraacele sunt două șine cu profil normal, amplasate spre exterior, una dreaptă și una curbă. Acele sunt șine mobile, cu profil special, ascuțite la unul din capete. Ele se pot deplasa, fiind antrenate la vârf prin intermediul unor bare de manevre. Cele două ace sunt mobile în jurul unui pivot și se pot lipi de unul din cele două contraace, alunecând pe plăci paralelipipedice, numite alunecătoare.

Macazurile moderne, cu tangent mică, realizează mobilitatea acului prin elasticitatea șinei care alcătuiește acul, ce are o lungime mult mai mare. Aceste macazuri, cu limbi elastice, permit circulația cu viteze ridicate în abatere.

Inima de încrucișare este o piesă metalică specială care se montează în punctul de întretăiere a firelor interioare ale căii. Șinele intermediare fac legătura între acele macazului și inima de încrucișare.

Dispozitivul de manevrare de care sunt legate prin una sau două bare de manevrare, acele. Este necesar pentru deplasarea de pe o poziție sau alta a limbilor.

Acesta poate fi:

– aparat de manevră cu contragreutate, pentru manevrarea manuală, la fața locului;

– electromecanism de macaz, pentru manevrarea la distanță cu ajutorul energiei electrice.

Schimbătoarele de cale pot ocupa două poziții finale:

– poziția normală sau poziția plus (+), atunci când nu este executată nicio comandă;

– poziția manevrată sau poziția minus (-).

Fiecare schimbător de cale din stație trebuie să aibă un număr de ordine, numere impare la un capăt al stației (ex. dinspre București) și numere pare la celălalt capăt.

Macazurile se numerotează începând cu cel mai îndepărtat .

Liniile stației se numerotează cu cifre, începând de la peronul stației: liniile directe cu cifre romane, iar celelalte cu cifre arabe.

Pentru controlul poziției macazului și pentru comutarea alimentării motorului în vederea schimbării sensului de rotație, electromecanismul de macaz este prevăzut cu două comutatoare automate.

Fiecare comutator este format din câte un bloc de șase contacte de tip cuțit, dintre care două perechi de contacte sunt de o construcție robustă, încât sunt conectate în circuitul de manevrare al macazului.

Figura 11

2.1.4. Suprastructura căii ferate

Suprastructura căii ferate este alcătuită din șine, traverse, material mărunt de cale și prisma căii, suportând aproximativ aceleași sarcini repartizate pe suprafețe din ce în ce mai mari, astfel ca presiunile reduse corespunzător să nu depășească rezistențele admise de materialele suprastructurii (oțel, lemn sau beton, piatră spartă). Sunt incluse și aparatele de cale: schimbătoare, bretele, traversări etc.

Suprastructura căii ferate preia și amortizează șocurile și vibrațiile ce se produc în timpul circulației.

Figura 12

2.1.4.1. Șina de cale ferată

Șinele sunt elemente principale ale structurii căii ferate. Ele sunt niște bare lungi, laminate din oțeluri speciale, având un profil adecvat scopului pe care trebuie să-l aibă. Susțin și ghidează roțile materialului rulant, preluând sarcini mari transmise de vehicule aproape concentrat pe care le repartizează corespunzător pentru a fi preluate de traverse.

Șina de cale ferată este supusă permanent factorilor climaterici. Ea este solicitată atât static cât și dinamic de forțe verticale și orizontale (transversale și longitudinale). Forma și dimensiunile șinei trebuie să asigure rezistență și stabilitate pentru toate solicitările, să fie economice și să prezinte o repartizare rațională a materialului.

În timp, forma profilului transversal a evoluat (forma de U, de cornier, de U întors etc), ajungând la forma de dublu T, cea mai avantajoasă în prezent din punct de vedere al rezistenței, stabilității, frecărilor care apar între șine, al ghidării materialului rulant, bandajul roților și utilizarea rațională a materialului.

Forma de dublu T, care rezistă foarte bine la încovoiere din sarcini verticale, are talpa superioară realizată astfel încât să poată servi la ghidarea circulației materialului rulant, iar talpa inferioară să poată fi fixată ușor de traverse. Pentru CFR, acest tip de șină cu talpă este cunoscut sub denumirea de șină tip Vignole.

Șina tip Vignole este formată din trei părți:

– ciuperca ( partea superioară), conține 45% din materialul șinei;

– talpa (partea inferioară), conține 35% din materialul șinei;

– inima șinei (partea intermediară), 20% din material.

Ciuperca șinei este delimitată de suprafața de rulare, fețele laterale ale ciupercii și umerii ciupercii șinei.

Talpa șinei asigură transmiterea sarcinilor asupra traverselor pe suprafețe suficient de mari pentru a putea fi preluate de traverse.

Inima șinei este cuprinsă între linia de intersecție a umerilor ciupercii șinei și linia de intersecție a fețelor superioare ale tălpii șinei.

Tipul șinei este masa unui metru dintr-o șină ( șina tip 49 cântărește 49 kg/m).

Pe rețeaua SNCFR din țara noastră se folosesc următoarele tipuri de șine:

– șine de tip ușor (tip 40 și 45);

– șine de tip mediu (tip 49 și 54);

– șine de tip greu (tip 60 și 65).

Lungimea șinei pentru calea ferată cu joante se livrează de regulă pentru temperatura de 20 grade C. Lungimile normale ale șinelor au următoarele valori: 15,00; 22,50; 25,00 și 30,00 m. În curbe, pe firul interior, se folosesc șine cu lungime scurtă (pentru o lungime normală de 15,00 m se folosesc cele de 14,93 m, respectiv de 14,97 m).

Pe lângă lungimile normale se mai livrează șine de lungimi subnormale și șine de lungimi speciale, care intră în construcția aparatelor de cale.

În cazul căii fără joante, prin sudură, lungimile pot atinge valori mari, uneori la mai mulți kilometri (distanțe între stații, între lucrări de artă importante etc.)

Figura 13

2.2. Transportul pe pernă magnetică

Trenurile cu levitație magnetică sunt vehicule propulsate cu ajutorul atracției/repulsiei magnetice și sunt folosite pentru transportul pe uscat. Conceptul care a stat la baza dezvoltării acestora a fost enunțat la începutul anilor 1900 de către Robert Goddard și Emile Bachelet, însă vehiculele au intrat în uzul comun de-abia în anul 1984. Primul tren de acest tip a fost testat de către japonezi, în anul 1977.

Maglev (derivat din mag-netic lev-itation) este o metodă de transport care utilizează levitația magnetică pentru a muta vehiculele fără a intra în contact cu solul. Cu Maglev, vehiculul se deplasează de-a lungul unei căi de ghidare, folosind magneți, pentru a crea atât o ridicare, cât și o propulsie, reducând astfel fricțiunea într-o mare măsură și permițând viteze foarte mari. În sine, tehnologia Maglev nu include părți în mișcare.

Există două tipuri de trenuri cu levitație magnetică. Primul dintre acestea este pus în funcțiune cu ajutorul suspensiei electromagnetice, care folosește forța de atracție dintre magneții vehiculului și cei ai căii ferate pentru a face trenul să leviteze. Un astfel de model, denumit „Transrapid", este folosit astăzi în Germania.

Figura 14. Trenul Maglev „Transrapid” în Germania efectuând probe de parcurs

Primul tren cu levitație magnetică a intrat în uzul comercial în anul 1984, în Marea Britanie. El lega aeroportul din Birmingham de o gară aflată la o distanță de numai 600 de metri. În 1995, vehiculul a fost scos din funcțiune. Primul model german a circulat pentru o foarte scurtă perioadă (1991-1992), în Berlin. Trenul, denumit "M-Bahn", avea rolul de a fluidiza traficul îngreunat de Zidul comunist, care încă stătea în picioare.

În momentul de față, trenurile cu levitație magnetică sunt folosite, în principal, în țările asiatice. Cea mai lungă rută pe care circulă astfel de trenuri leagă orașul Shanghai de Aeroportul Internațional din Pudong, pe o distanță de circa 30 de kilometri. În ceea ce privește recordul actual de viteză al unui vehicul propulsat cu ajutorul levitației magnetice, acesta este deținut de modelul japonez L0: 603 km/h.

Figura 15. Trenul Maglev în Shanghai, China efectuând serviciu comercial

Trenurile Maglev se deplasează mai ușor și mai lin decât sistemele de transport cu masă pe roți. Puterea necesară pentru levitație nu este de obicei un procent mare din consumul total de energie. În comparație cu trenurile convenționale, diferențele constructive afectează economia trenurilor Maglev, făcându-le mult mai eficiente. Pentru trenurile de mare viteză pe șine, uzura și frecarea de pe roți pe calea de rulare accelerează uzura echipamentului și necesită costuri de mentenanță mai mari. În schimb, sistemele Maglev au fost mult mai costisitoare pentru a construi, compensând costurile de întreținere mai mici.

2.2.1. Principiul de funcționare al trenului Maglev

Trenul levitează cu ajutorul unor magneți permanenți montați pe vagoane ce interacționează cu câmpul electromagnetic generat de calea ferată. Acesta este practic motorul trenului.

Polii magneților opuși se atrag. Este principiul de bază în spatele propulsiei electromagnetice. Electromagneții sunt similari cu alți magneți, atrăgând obiectele de metal, însă avantajul este că forța magnetică nu este permanentă.

Conectând la capetele unui fir de cupru o baterie, se creează un mic câmp magnetic. Deconectând firul de la baterie, câmpul magnetic dispare. Aceasta este diferența între electromagneți si magneții permanenți.

Sistemele de trenuri Maglev se bazează pe acest câmp magnetic. Sistemul este compus din 3 componente: o sursă de curent, bobine aliniate de-a lungul căii ferate și magneți permanenți atașați sub tren.

Marea diferență între un tren Maglev și unul convențional este că primul funcționează fără motor, cel puțin nu unul obișnuit folosit pentru alte mașini sau trenuri.

În loc să folosească combustibil, trenul este propulsat de câmpul magnetic creat de bobinele parcurse de curent.

Bobinele parcurse de curent resping magneții, făcând astfel ca trenul să leviteze la o distanță de 1 – 10 cm. O dată ce trenul este suspendat, bobinele creează un sistem magnetic ce trag și împing trenul pe șinele de ghidare. Curentul electric aplicat bobinelor alternează pentru a schimba polaritatea lor. Această alternanță face ca acel câmp magnetic din fața trenului să tragă trenul în față, în timp ce câmpul magnetic din spatele lui îl împinge în față.

Această tehnologie ar permite trenului să depășească 6437 km/oră într-un tunel vidat.

2.3. Microcontrolere

Microcontrolerul este format dintr-un microprocesor și periferice, destinat controlului unui proces sau unei interacțiuni cu mediul exterior.

Figura 16

Utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la reducerea costurilor, dimensiunilor și îmbunătățirea fiabilității produselor în care sunt integrate.

Aplicațiile care utilizează un microcontroler fac parte din categoria sistemelor integrate.

Microcontrolerele se utilizează în majoritatea aspectelor din viața noastră, spre exemplu: în mijloacele de măsură, în industria aerospațială, la realizarea de periferice pentru calculator, în industria automobilelor, în medicină etc.

Unitatea centrală de calcul (CPU) este unul dintre elementele cele mai importante care trebuie avută în vedere la analiza unui sistem de calcul. Principalele elemente luate în considerare sunt următoarele:

Arhitectura de tip Harvard unde spațiile de memorie sunt separate pentru program și date.

– CISC: aproape toate procesoarele din sistemele PC au la bază realizării lor conceptual CISC

– RISC: este un concept care a început să fie utilizat de ceva timp la realizarea microcontrolerelor. Prin implementarea unui set de instrucțiuni care se pot executa foarte rapid scăzând complexitatea și costul circuitelor.

2.3.1. Aspecte hardware

O plăcuță Arduino are în componența sa un microcontroler Atmel AVR 8, 16 sau 32 de biți cu componente complementare care facilitează încorporarea și programarea în alte circuite. Un aspect important la Arduino este că acesta dispune de conectori standard, care permite celui care utilizează să conecteze procesorul la diferite alte module ce se pot interschimba, numite shield-uri. Aceste shield-uri pot comunica direct cu Arduino prin pinii analogici sau digitali, iar altele se pot adresa individual prin magistrala serială I2C, permițând utilizarea mai multor module în același timp.

În general multe plăcuțe includ câte un oscilator cu cuarț de 16 MHz și un regulator liniar de 5 volți. Un microcontroler ce este instalat pe o plăcuță Arduino se preprogramează cu un bootloader ce simplifică încărcarea programelor pe memoria flash a cipului, comparând cu alte dispozitive care au nevoie de programatoare externe. Acest aspect face ca Arduino să fie o soluție simplă, permițând programarea lui de pe orice calculator. În acest moment, bootloader-ul optiboot reprezintă bootloader-ul implicit instalat pe Arduino UNO. Atunci când se folosește mediul de dezvoltare integrat Arduino, programarea plăcuțelor se realizează prin conexiune serială. Implementarea diferă în funcție de versiunea hardware.

Figura 17

Pentru a realiza conversia între nivelele logice RS-232 și TTL, unele plăcuțe Arduino au implementate convertoare de nivel logic. În acest moment plăcuțele sunt programate prin portul USB, având integrate cipuri de conversie USB-serial.

2.3.2. Programarea microcontrolerelor

Microcontrolerul este un circuit integrat ce conține un procesor, memorie program, memorie de date și periferice. Un microcontroler execută un program din memoria ROM astfel:

Programul este stocat în memorie, iar unitatea aritmetico-logică (ALU) citește o instrucțiune din memorie, decodează instrucțiunea citită, și o execută. După terminarea instrucțiunii curente, o altă instrucțiune este luată din memorie pentru a fi procesată.

Acest procedeu se va executa până la finalizarea instrucțiunilor din memorie. Programul este scris într-un limbaj de programare care poate să difere de la un microcontroler la altul. După nivelul de abstractizare există mai multe categorii de limbaje care vor fi utilizate în programarea memoriei unui microcontroler:

– limbaje de generația I: limbaje cod-mașină

– limbaje de generația a-II-a: limbaje de asamblare

– limbaje de generația a-III-a: limbaje de nivel înalt

Pentru executarea unui program scris într-un limbaj oarecare, există două abordări: compilare și întrerupere. La compilare, compilatorul transformă programul într-un echivalent scris în limbaj mașină, care apoi este executat. La întrerupere, interpretorul ia prima instrucțiune din program, o transformă în limbaj mașină și o execută.

Limbajul cod-mașină este un sistem de instrucțiuni și date executate direct de unitatea central de procesare. Acest limbaj se poate privi ca un limbaj de programare primitiv. Se bazează pe sistemul binar de enumerații și diferă de la un microprocesor la altul.

Fiecare familie de procesoare are propriul set de instrucțiuni. Instrucțiunile sunt modele de biți care prin reprezentarea lor fizică, corespund diferitelor comenzi ale mașinii. Setul de instrucțiuni este specific unei clase de microprocesoare care folosesc aceeași arhitectură.

Un limbaj de programare de nivel înalt este un limbaj cu o abstractizare puternică față de instrucțiunile unui microcontroler. În comparație cu limbajele de programare de nivel scăzut, limbajele de nivel înalt manipulează concepte apropiate de limbajul natural care îl fac mai ușor de înțeles, de utilizat și oferă o portabilitate pe mai multe platforme.

Limbajul C deși este un limbaj de nivel înalt, păstrează contactul cu partea hardware a unui microcontroler. Printre facilitățile pe care le oferă limbajul C putem enumera: facilitate de manipulare a biților, a câmpurilor de biți, manipularea funcțiilor cu pointeri la funcții precum și adresarea directă a memoriei.

CAPITOLUL 3

PROIECTAREA UNUI VEHICUL CU TRASEU IMPUS

3.1. Mecanica vehiculelor de tip tren

Un vehicul reprezintă un sistem complex, care, indiferent că este autonom sau neautonom, are în componență următoarele structuri:

– sursa de alimentare și/sau dispozitivul de captare a energiei;

– structura mecanică a vehiculului;

– acționarea electrică și sistemul de control și reglare a vitezei;

– serviciile auxiliare.

Partea mecanică a vehiculelor reprezintă o structură asemănătoare la majoritatea acestora, având ca părți principale cutia vehiculului și aparatul de rulare. Pe această structură sunt așezate celelalte părți componente (sistemul de captare a curentului electric, sistemul de frânare, de comandă, motoarele de tracțiune, echipamentul auxiliar) în funcție de rolul lor, dar și de serviciul prestat de către vehicul.

Cele mai reprezentative vehicule electrice de tracțiune la calea ferată reprezintă locomotivele electrice. Celelalte vehicule electrice de acest tip (metrou sau tramvai) au în general, o construcție și o structură mecanică asemănătoare, dar mai simplă.

Structura de rezistență este formată din șasiu și cutie și are rolul de a asigura rezistența și rigiditatea la sarcinile care apar în exploatare. Șasiul este o structură metalică ce preia sarcinile transmise de călători, mărfuri și echipamente și care este susținută de boghiuri și osii prin intermediul unor suspensii. De șasiu se fixează aparatele de ciocnire și de legare.

Cutia este o structură metalică în care sunt așezate spațiile necesare transportului de călători sau mărfuri și care se sprijină pe șasiu. În cazul vehiculelor motoare, în cutie sunt așezate spațiile pentru instalațiile de forță și auxiliarele și pentru personalul de conducere. Cutia este compusă din pereții laterali, acoperiș, post de conducere. După numărul cabinelor de conducere cutia poate fi monocabină sau bicabină.

Figura 18

CR – calea de rulare

LC – linia de contact

MT – motoare electrice de tracțiune

1 – cutia locomotivei

2 – boghiu

3 – pivot

4 – suspensia primară

5 – suspensia secundară

6 – postul de conducere (cabina)

7a, 7b – captator de curent (pantograf)

8 – aparate de legare și ciocnire

Boghiul este un dispozitiv sub formă de cărucior, cu una sau mai multe osii (în general maximum 6 și care pot fi toate sau doar o parte din ele osii motoare), pe care se sprijină șasiul care este format dintr-un cadru metalic, cu sau fără traverse de consolidare. Pe mijlocul cadrului, pe o traversă fixă sau mobilă (traversa dansantă) se află un lagăr în care, prin intermediul unui pivot, se articulează șasiul vehiculului și care permite o oscilație în jurul axei verticale (oferind libertate de rotire în plan orizontal față de cutie), precum și preluarea forțelor orizontale. În componența boghiului intră trenul de roți și cutiile de unsoare, cadrul metalic, suspensiile, dispozitivele de frânare (cilindrii de frână, saboți sau discuri de frână). Pe boghiurile motoare se regăsesc motoarele electrice de tracțiune și dispozitivele de transmitere a cuplului motor la roți.

Suspensia asigură legătura elastică între șasiu sau rama boghiului și osii, având rolul de a absorbi energia de șoc și de a amortiza oscilațiile. Suspensia se realizează cu arcuri metalice, arcuri de cauciuc, amortizoare pneumatice sau hidraulice și cu elemente pendulare. Majoritatea pieselor de pe boghiu trebuie să fie suspendate elastic astfel încât deplasarea să se facă cu cât mai puține șocuri și vibrații și cu cât mai puțin zgomot.

Partea de rulare cuprinde ansamblul osii – roți și au rolul de a transmite sarcinile între vehicul și calea de rulare și de a asigura ghidarea acestuia. Este compusă dintr-o pereche de roți metalice calate prin presă la rece, este prelucrată prin strunjire si realizată din oțel laminat.

Dacă osia este de tip motoare, pe corpul ei este așezată o roată dințată de antrenare a osiei, iar dacă osia este liberă, pe corpul ei se pot cala de la unul până la patru discuri de frânare. La vehiculele mai moderne s-a implementat frâna pe discuri.

Figura 19

Aparatele de ciocnire și de legare au rolul de a menține vehiculele la o anumită distanță unul față de celălalt și de a transmite eforturile de tracțiune și de compresiune de la un vehicul la altul și de a atenua acțiunea acestora.

Avansul electronicii de putere a permis reducerea dimensiunilor unor dispozitive, utilizarea invertoarelor permițând folosirea de motoare mai mici și mai ușoare. Rezistențele de frânare, bateriile și diverse echipamente auxiliare au fost amplasate pe acoperiș. În plus, utilizarea comenzilor electrice a permis eliminarea unor sisteme hidraulice sau pneumatice.

3.2. Acționarea vehiculului

Vehiculul care se va folosi în proiect este o locomotivă cu abur în miniatură la scara H0, nemțească, de tip BR 55 care se alimentează de la o sursă de tensiune de 12 volți și 450 de miliamperi. Locomotiva are în tender un motor de curent continuu angrenat la cele trei osii alcătuite dintr-un reductor mecanic. Alimentarea locomotivei se face prin intermediul celor două șine de cale ferată. Transferul de energie de la șine până la motorul de curent continuu se face cu ajutorul roților metalice care la rândul lor au conectate pe buza roții niște lamele metalice care fac contact cu bornele motorului.

Pentru modificarea vitezei de circulație a locomotivei se folosește un variator de tensiune. Prin acționarea potențiometrului care alcătuiește variatorul de tensiune, se modifică tensiunea de alimentare, respectiv viteza de deplasare a vehiculului. Poziția zero a potențiometrului indică lipsa tensiunii de alimentare, deci locomotiva este staționată. Schimbând poziția potențiometrului în sens trigonometric, locomotiva va merge spre stânga, adică în sensul normal de mers. Modificând poziția în sensul acelor de ceasornic, se schimbă polaritatea tensiunii de alimentare, iar locomotiva își va schimba sensul de mers pe direcția înapoi.

Figura 20

3.3. Proiectarea driverului pentru alimentarea motorului

Servomotorul este un element component al unui sistem care funcțional implică poziții relative reglabile între anumite elemente componente ale sale. Poate avea poziție fixă, blocat pe sistem în imediata lui apropiere sau poate fi conținut în subsistemul unui element cu poziție reglabilă.

Puterea motorului servomotorului determină viteza de modificare a poziției relative și frecvența de modificare a poziției relative. Puterea motorului este invers proporțională cu nivelul de precizie al servomotorului.

Soluția tehnică care definește servomotorul, implică soluții constructive simple, care funcțional impun un consum redus de energie, o cinematică definită de mișcări liniare, circulare sau combinări ale acestora. Soluția tehnică care definește servomotorul are o arie largă de aplicabilitate, fiind concepută pentru o multitudine de sisteme, prin aceasta inducând soluțiile tehnice și constructive pentru sistemele în care este agreat funcțional, rezultatul global fiind soluții constructive compacte, modulate, interschimbabile, standardizate pentru servomotoare.

Servomotorul folosit în acest proiect este un microservo SG90 de putere mică, are un consum redus de curent, iar tensiunea de alimentare este de 5 volți. Acest servomotor este utilizat pentru modificarea poziției acelor de macaz.

Figura 21

Pentru acționarea servomotorului avem nevoie de un semnal PWM generat de un microcontroler, iar prin modificarea factorului de umplere se modifică poziția axei servomotorului acționând macazul.

Figura 22

Pentru a alimenta servomotorul este necesară o tensiune de 5 volți, iar acest lucru este realizat cu regulatorul de tensiune LM7805. Pe intrarea regulatorului avem un condesnator de 100 nanofarazi folosit pentru tăierea frecvențelor înalte, iar pe ieșire avem un condensator electrolitic de 1000 de microfarazi pentru a înmagazina sarcina electrică și a menține o tensiune constantă de alimentare pentru servomotor.

Figura 23. Regulatorul de tensiune LM7805 si condensatorii de filtrare

3.4. Configurația hardware

Conform cerințelor proietului avem nevoie de mai multe componente pentru realizarea funcțiilor dorite.

Pentru a alimenta microcontrolerul am folosit un regulator de 5 volți, LM7805. În serie cu intrarea regulatorului am folosit o diodă semiconductoare, 1N4007 pentru protecție la alimentare inversă.

Figura 24

Condensatorul de 1000 de microfarazi de pe intrarea regulatorului este pus pentru a înmagazina sarcina electrică și pentru a menține o tensiune de alimentare constantă, iar condensatorul de 100 de nanofarazi este folosit pentru a tăia frecvențele înalte și pentru a elimina zgomotul din circuit.

La ieșirea regulatorului, condensatorii au rolul pentru a elimina zgomotele din circuit, iar LED-ul are rolul de a semnaliza prezența tensiunii de alimentare.

Figura 25

Următorul element din circuit este microcontrolerul Arduino NANO care poate fi considerat și „creierul” acestui ansamblu.

Figura 26

Microcontrolerul s-a folosit pentru a genera semnalul de comandă al servomotoarelor și citirea rezistențelor semireglabilelor multitură pentru a acționa servomotoarele conform cerințelor. După citirea valorilor semireglabilelor, acest microcontroler va modifica factorul de umplere și va acționa servomotorul.

Figura 27

Un rezistor variabil este un rezistor a cărui rezistență electrică poate fi ajustată prin deplasarea mecanică a unui contact (cursor) electric intermediar. Cel mai adesea rezistoarele de acest tip au trei terminale: capetele rezistorului (între care rezistența este maximă și constantă) și conexiunea la contactul mobil (cursor). Dacă contactul mobil nu face punct comun cu unul din capete, atunci uzual se vorbește despre "un potențiometru", care este un divizor variabil de tensiune.

Pentru a putea modifica poziția macazului în ambele sensuri, s-au folosit două semireglabile, iar prin acționarea switch-ului care este elementul de legătură dintre microcontroler și semireglabile, se poate modifica traseul vehiculului.

Figura 28

Elemetul de legatură dintre axul servomotorului și tija de culisare a acelor de macaz, reprezintă o pală de plastic care transferă energia mecanică de la servomotor la macaz.

Toate componentele necesare controlului celor 5 servomotoare împreună cu conectorii, definesc perfect placheta de control.

Cablajul a fost realizat prin metoda foto. Pe stratul de cupru al cablajului este depus un strat de fotorezist. Pentru a realiza cablajul, primul pas este acela de a proiecta schema circuitului, apoi se printează schema obținută și se aplică pe acel strat de fotorezist de pe cablaj. După expunerea la lumina ultravioletă, se va imprima circuitul printat pe cablaj. După developare, realizată cu soluție de sodă caustică, pe cablaj va rămane doar circuitul, adică stratul de fotorezist care nu a fost ars de către lumina ultravioletă.

După developare, urmează procesul de corodare care s-a realizat cu clorură ferică, această substanță dizolvă cuprul care nu este izolat de fotorezist.

După toate procesele anterioare, urmează găurirea, amplasarea și lipirea componentelor pe cablaj.

Figura 29

Pentru a facilita execuția prototipului și pentru complexitatea circuitelor a fost necesar popularea și aranjarea traseelor plachetei de control pe două straturi.

Figura 30

Figura 31

Tot din motive de execuție, dar și pentru integritatea semnalelor și a alimentării, s-au plasat două plane de masă, cu disțantă relativ mare între trasee. Datorită acestor măsuri, placheta a fost realizată din prima încercare.

Figura 32

3.5. Programarea sistemului

Arduino reprezintă placa de dezvoltare cu microcontroler pe 8 biți, din familia AVR-Atmega 328P, ce permite comunicație serial, comandă Pulse Width Modulation (PWM), achiziție analogică și comunicații input/output digitale. Include un microprocesor cu oscilator (cristal de cuarț) și un regulator liniar de 5 volți.

Figura 33

Programele Arduino pot fi scrise în orice limbaj de programare cu un compilator capabil să producă un cod mașină binar. Atmel oferă un mediu de dezvoltare pentru microcontrolerele sale, AVR Studio și o versiune mai nouă, Atmel Studio.

Proiectul Arduino oferă un mediu integrat de dezvoltare (IDE), care este o aplicație scrisă în java. Acesta își are originile în mediul de dezvoltare pentru limbajul de programare Processing și în proiectul Wiring. Este proiectat pentru a introduce programarea în lumea artiștilor și a celor nefamiliarizați cu dezvoltarea software. Include un editor de cod cu funcții precum: evidențierea sintaxelor, potrivirea acoladelor sau spațierea automată și oferă mecanisme simple cu un singur click pentru a compila și a încărca programele în plăcuța Arduino. Un program scris în IDE pentru Arduino se numește sketch.

Figura 34

Arduino IDE suportă limbajele de programare C și C++ folosind reguli speciale de organizare a codului. Arduino IDE oferă o librărie software cunoscută sub numele de Wiring, din proiectul Wiring, care oferă multe metode comune de ieșire și intrare. Un sketch tipic Arduino scris în C sau C++ este compus din două funcții ce sunt compilate și legate cu un ciot de program main(), într-un program executabil cu o execuție ciclică:

– setup(): reprezintă o funcție care este rulată o singură dată la începutul programului, când setările se inițializează.

– loop(): este o funcție apelată în mod repetat până la oprirea alimentării plăcuței cu energie.

În codul nostru, în primul rând trebuie să declarăm obiectul cu care vom opera apoi să alocăm pini pentru potențiometru și pentru servomotor. Pentru potențiometre alocăm pinii analogici, iar pentru servomotoare (deoarece avem nevoie de un semanl PWM de comandă) o să le alocăm pinii digitali ai microcontrolerului.

După ce microcontrolerul primește un semnal de la potențiometru și îl interpretează, generează un semnal PWM de comandă, iar servomotorul va executa acea comandă.

PWM-ul este o formă de modulație a informației pentru a codifica mesajul într-un semnal pulsatoriu, conducând informația în lungimea pulsului.

Figura 35

Factorul de umplere este raportul dintre durata impulsului și perioada de repetiție a impulsurilor.

Perioada în cazul de mai sus este compusă din timpul în care semnalul este 1 logic și timpul în care semnalul este 0 logic. Sau perioada de repetiție a semnalului dintre 2 muchii de același tip.

În cazul nostru, când semnalul PWM generat de microcontrolerul Arduino NANO este de 50 Hz cu factorul de umplere (duty cycle) de 10%, servomotorul și macazul se află în poziția 0 (neutră). Crescând factorul de umplere la 15% poziția servomotorului se modifică, implicit și cea a macazului.

Figura 36

Figura 37

Pentru a reveni la poziția neutră a macazului, se va scădea factorul de umplere de la 15% înapoi la 10%.

.

CAPITOLUL 4

APLICAȚII, SIMULĂRI ȘI EXPERIMENTE

În cadrul acestui capitol se va verifica funcționalitatea sistemului pentru a putea finaliza specificațiile montajului.

Înainte de alegerea valorilor componentelor de pe plachetă, s-a realizat o simulare bazată pe măsurători de laborator și estimări.

Figura 38

În prima fază, am testat doar funcționalitatea unui singur canal, utilizând un servomotor, microcontrolerul Arduino NANO și switch-ul cu cele două semireglabile. La primul prototip realizat, pe ieșirea regulatorului de tensiune care alimentează servomotorul nu a fost populat condensatorul electrolitic. La semnalul de comandă primit de servomotor, când se acționa macazul, curentul consumat era în creștere. Această problemă influența alimentarea microcontrolerului, iar acesta se reseta din cauză că nu avea suficientă tensiune de alimentare. Problema a fost rezolvată cu ajutorul unui condensator electrolitic pus pe ieșirea regulatorului care alimentează servomotorul. După acest experiment, constatând că totul funcționează conform așteptărilor, am construit primul prototip realizat pe cablaj de test.

Figura 39

După cum se poate observa în Figura 24, traseele cablajului au fost realizate cu fire.

După testarea prototipului, văzând că rezultatele sunt satisfăcătoare, am realizat și traseul pe care îl va parcurge autovehiculul. Traseul pe care urmează să circule vehiculul este compus din două circuite în formă de oval, străbătute de cinci macazuri, din care unul din acestea îndreptându-se spre o linie moartă.

Figura 40 – Schița machetei

După mai multe teste și experimente exercitate asupra cablajului, observând funcționalitatea montajului, s-a ajuns la o variantă finală de plachetă ce poate fi văzută în capitolul 3.4.

După alimentarea montajului cu tensiunea de 12 volți în curent continuu, microcontrolerul începe să ruleze codul din memoria sa, acționând switch-ul corespunzător fiecărui macaz, microcontrolerul transmițând un semnal PWM către servomotor, modificând poziția acelor de macaz.

În continuare voi prezenta un experiment realizat pe cablaj.

Voi determina consumul de curent al servomotorului când acesta este conectat la cablaj. Pentru a determina valoarea am folosit multimetrul, conectând sondele la bornele plăcuței: o dată la mers în gol când servomotorul nu este conectat, iar apoi în sarcină, când este conectat la plachetă.

Figura 41

După un simplu calcul putem determina consumul de curent al unui servomotor prin efectuarea diferenței dintre consumul în sarcină și mersul în gol.

656 mA – 457 mA = 199 mA

Prin urmare, servomotorul are un consum de aproximativ 200 de miliamperi.

CAPITOLUL 5

CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII

Acest proiect s-a realizat cu scopul de a teoretiza și cerceta modul de funcționare a unei locomotive pe un traseu impus cu șine și macazuri ce pot fi acționate într-un mod cât mai apropiat de realitate, însă la o scară mult mai mică.

S-a studiat modul de funcționare al unui electromecanism de macaz în realitate pentru a putea realiza partea practică. S-a mai studiat și modul de comandă al macazului întâlnit în infrastructura căii ferate din România.

Pornind de la cele studiate, s-a căutat un mod simplu și rapid pentru a realiza o cale ferată în miniatură cu tot cu controlul electric al macazului.

În concluzie, pe parcursul unui an universitar s-au studiat multiple concepte, s-au efectuat teste practice pe diverse module și studii ale proiectului și s-a construit o variantă demonstrativă funcțională.

CAPITOLUL 6

ANEXE

#include <Servo.h>

Servo myservo0; // create servo object to control a servo

Servo myservo1; // create servo object to control a servo

Servo myservo2; // create servo object to control a servo

Servo myservo3; // create servo object to control a servo

Servo myservo4; // create servo object to control a servo

int potpin0 = 0; // analog pin used to connect the potentiometer

int val0; // variable to read the value from the analog pin

int potpin1 = 1;

int val1;

int potpin2 = 2;

int val2;

int potpin3 = 3;

int val3;

int potpin4 = 4;

int val4;

void setup() {

myservo0.attach(9); // attaches the servo on pin 9 to the servo object

myservo1.attach(10); // attaches the servo on pin 9 to the servo object

myservo2.attach(11); // attaches the servo on pin 9 to the servo object

myservo3.attach(12); // attaches the servo on pin 9 to the servo object

myservo4.attach(13); // attaches the servo on pin 9 to the servo object

}

void loop() {

val0 = analogRead(potpin0); // reads the value of the potentiometer (value between 0 and 1023)

val0 = map(val0, 0, 1023, 0, 180); // scale it to use it with the servo (value between 0 and 180)

myservo0.write(val0); // sets the servo position according to the scaled value