03 - Architettura dei veicoli ferroviari - VIT

Tipologia dei veicoli ferroviari

Caratteristiche costruttive

I veicoli ferroviari sono caratterizzati dall'avere le ruote di uno stesso asse collegate rigidamente tra loro da un'assile e sono quindi solidali alla rotazione.

Possono essere a 2 assi con un vincolo di parallelismo tra loro oppure più tipicamente a 4 assi montati a coppie su carrelli.
Tipicamente i carri merci sono a 2 assi mentre le carrozze per il trasporto di persone sono a carrelli.

Ci sono:

Locomotive: Veicoli solamente con funzione di traino
Carrozze o carri: Veicoli per trasporto passeggeri o merci
Motrici: Veicoli con duplice funzione di traino e di trasporto

Nel gergo, il termine treno ha un significato ben preciso.

treno vs materiale rotabile

Treno
Con treno si intende una qualsiasi composizione di veicoli mentre espleta una funzione commerciale. Quando un convoglio entra in stazione gli viene assegnato un numero; da quando inizia il servizio lo si può definire treno.

Materiale rotabile
Il convoglio che non espleta funzioen commerciale si dice che compie una manovra e si definisce materiale rotabile.

Le manovre si effettuano con i segnali bassi (detti anche marmotte). Dopo il movimento viene regolato dai segnali alti.
Sull'alta velocità i segnali non ci sono fisicamente ma vengono segnalati al conducente direttamente nel cockpit.

Quando il treno si muove in manovra, si parla di instradamento. In servizio si parla di itinerari.

Ma la rete metropolitana non è legata fisicamente alla rete ferroviaria? I nuovi convogli vengono consegnati su gomma? - No non lo è.

DIGIFEMA

EMU: Elettromotrici
DMU: Motrici Diesel

Treno

treno

Il treno è un mezzo di trasporto che circola su ferrovia, composto da un insieme di veicoli uniti permanentemente o temporaneamente a formare un unico convoglio.

Materiale rotabile

Veicoli di trazione
Veicoli rimorchiati
Materiale a composizione ordinaria (veicolo di trazione + rimorchiati)
Materiale a composizione bloccata (fissa o variabile)
Veicoli a trazione elettrica
Veicoli a trazione diesel

Masse e dimensioni

Le masse dei veicoli ferroviari sono legate al carico trasferibile sul binario ammesso per ogni asse. Oggi si arriva anche a $22.5 \frac{t o n}{a s s e}$ per le locomotive.

Marcatura uniforme (facoltativo)

I treni hanno di solito una marcatura uniforme a 12 cifre

prime 2 cifre
- attitudine a interoperabilità (poter viaggiare su più reti ferroviare senza modificare il convoglio)
2 cifre
- paese immatricolazione
4 cifre
- sigla tecnica del treno
3 cifre
- n. di serie
ultima cifra
- autocontrollo

Carrozze semipilota: da una parte locomotiva, dall'altra solo cabina di comando
Carrozze pilota: tipo semipilota ma hanno banco di guida da entrambi i lati.

Treni o carrozze diagnostiche

Treni a scartamento variabile:

Ruota Ferroviaria

È costituita da 2 elementi:

#Centro ruota
#Cerchione
Anche se sempre più spesso vengono realizzate in monoblocco.

Nonostante le ruote siano tipicamente abbastanza rigide, a volte si possono avere ruote elastiche
Queste hanno un elemento in gomma o poliuretano interposto fra il #Cerchione e il disco #Centro ruota, che serve a ridurre le masse non sospese e quindi la trasmissione al veicolo dei carichi dinamici.

Centro ruota

centro ruota

Il centro ruota è il corpo della #Ruota Ferroviaria. Costituisce la parte più interna e sostiene il #Cerchione

Il centro ruota può avere varie forme per assolvere a compiti diversi:

Dritta - riduce i pesi e lo spessore è variato a seconda delle necessità
Conica e a S - incrementano la flessibilità della ruota
Corrugata - aumenta la resistenza flessionale

Cerchione

cerchione

Il cerchione della [[#Ruota Ferroviaria]] è la parte periferica destinata a rotolare sulla rotaia.

Il #Cerchione in acciaio laminato è calettato a caldo sul #Centro ruota e bloccato ad esso tramite il cerchietto

Il cerchione è sagomato come un tronco di cono con pendenza di 1/20 o di 1/40. Allo stesso modo il binario su cui poggia il cerchione è inclinato di uno di questi due angoli.
Le due dimensioni sono interoperabili ma nei vari casi cambia l'usura della ruota.
Tale pendenza è necessaria al #Moto sala montata isolata.

Tendenzialmente ha una larghezza di circa $135 m m$ per un cerchione ferroviario e di $85 m m$ per uno tramviario.

Il cerchione comprende anche il #bordino il quale assicura la funzione di guida rispetto alla rotaia.

Sala montata

sala montata

Per sala montata si intende l'insieme di [[#Ruota Ferroviaria]] e assile.

La sala montata è costituita peranto da:

ruote
Assile
Fusello - la superficie dell'assile su cui poggia il rotabile
Boccola e accoppiamento asse-boccola

La geometrica della #Sala montata e del binario sono legate al fine di garantire le funzioni di Sostentazione e Locomozione. Di particolare rilevanza è lo #Scartamento

Scartamento

scartamento

Lo scartamento è la distanza tra le ruote (#Scartamento della sala montata) o tra i binari (#Scartamento del binario).

Tra le 2 esiste un certo margine, detto gioco, che consente la mobilità laterale della #Sala montata sul binario.

Scartamento del binario

scartamento del binario

Lo scartamento del binario è lo [[#Scartamento]] fra i fianchi interni delle rotaie, misurata $14 m m$ sotto la superficie di rotolamento.

Tipicamente in Italia lo scartamento di binario è di $1435 m m$ che corrisponde a uno #Scartamento della sala montata di $1426 m m$

Scartamento della sala montata

scartamento della sala montata

Lo scartamento della sala montata o scartamento di bordino è lo [[#Scartamento]] misurato $10 m m$ sotto il [[#Cerchio di rotolamento]].

Tipicamente in Italia lo scartamento della sala montata è di $1426 m m$ che corrisponde a uno #Scartamento del binario di $1435 m m$ .

La distanza teorica tra i due #Circoli nominali di rotazione è di $1500 m m$ .

Circoli nominali di rotazione

Sono le circonferenze intorno al [[#Cerchione]] che dovrebbero essere a contatto con la rotaia.

Interfaccia tra sala montata e deviatoio (facoltativo)

Deviatoio

Il deviatoio è quell'elemento ferroviario che permette al materiale rotabile di passare da un binario all'altro con continuità.

Rodiggio

rodiggio

Il rodiggio è la disposizione degli assi motori e rimorchiati di un veicolo ferroviario

A volte si intendono gli elementi rigidi che costituiscono le masse non sospese (ruote, sala montata, disco freno)
Noi intendiamo la distribuzione degli assi motori e trainati di un veicolo ferroviario.

Nel codice treno, le lettere sono il numero di assi motori sotto uno stesso telaio.

A = 1asse motore
B = 2 assi motori

Il numero arabo indica il numero di assi rimorchiati

Il pedice "o" dice che ciascun asse è comandato individualmente da un motore.
Il pedice "i" indica che ciascuna ruota motrice è comandata da un motore

L'apostrofo indica che gli assi corrispondenti fanno parte di uno stesso carrello

Il segno "+" indica la separazione fra 2 unità del veicolo (casse) autonome.

esempio

B'B': 2 carrelli, 2 assi l'uno, con un motore per carrello. L'apostrofo separa i carrelli
2'Do2' = 2 carrelli portanti da 2 assi l'uno. Al centro 4 assi motori comandati ognuno da un motore.

Carrello Jacobs (carrelli su cui poggiano 2 casse) - In questo caso non si usa il "+".

Nel gergo Trenitalia si trovano
Ale: ???
Alm: ???

Aderenza nel campo ferroviario

Il coefficiente di aderenza longitudinale varia a seconda delle condizioni delle rotaie (bagnate o asciutte) oltre che da altri fattori quali

#Fattori che riducono il coefficiente di aderenza
#Fattori che aumentano il coefficiente di aderenza

Fattori che riducono il coefficiente di aderenza

Calettamento rigido: può dar luogo a degli slittamenti
Qualità dell'acciaio: acciai più duri e tenaci resistono meglio alle pressioni ma riducono l'area di contatto e di conseguenza l'aderenza
Umidità delle superfici: con l'umidità di solito si formano sostanze lubrificanti. Era un fenomeno particolarmente rilevante con le locomotive a vapore, per via della condensazione del vapore stesso

Fattori che aumentano il coefficiente di aderenza

Pioggia dilavante: A seguito di una pioggia che abbia ripulito le superfici, il coefficiente di aderenza può tornare ai livelli di quello per rotaie asciutte se non maggiore
Interposizione di materiale duro fine (sabbia silicea): questa rimane schiacciata sulla superficie di contatto provocando microingrandimenti dei materiali. Tale processo è attuato mediante lancio di sabbia in corrispondenza del contatto ruota-rotaia
Passaggio di corrente elettrica nell'area di contatto: nei mezzi a trazione elettrica questo provoca un riscaldamento locale e quindi diminuzione dell'umidità

Moto sala montata isolata

Il sistema ferroviario è un sistema a guida vincolata assicurata dall'accoppiamento di forza tra le rotaie e la #Sala montata.

La forma troncoconica della #Moto rettilineo che in curva.

Effetto differenziale

In curva per effetto della forza centrifuga, l'assile si sposta sul lato esterno della curva e la ruota interna ruoterà su un diametro minore della ruota esterna:

In questo modo evitiamo gli strisciamenti ma entro un certo limite, fino a quando il bordino della ruota non va a sbattere contro la rotaia.

Ci sarà un raggio di curvatura al di sotto del quale non si ottiene più questo effetto differenziale.
Quindi in curva si allarga lo scartamento (da 1435 a 1465)...

Moto rettilineo

Può succedere a causa di una qualunque perturbazione che la sala montata si sposti da un lato. Questa tenderà da sola a tornare nella sua traiettoria.

Se si sposta a sx (come in figura) poggerà a sx su un diametro minore il treno tenderà a curvare a dx.

Teoria cinematica di Klingel

vd slide - Teoria cinematica di Klingel

Nella posizione di equilibrio in rettifilo, i raggi di rotolamento delle due ruote sono uguali.

Qualora, per qualsiasi motivo, la #Sala montata dovesse essere spostata dalla posizione centrata, le due ruote si troverebbero a viaggiare su due diversi raggi di rotolamento. Questo va a determinare una traiettoria curvilinea di raggio $R$ .

Con riferimento alla figura qui sopra, si immagini che la sala montata venga spostata verso sinistra.
La ruota sx (esterna) e la ruota dx (interna) si troveranno a ruotare rispettivamente su raggi $r_{2}$ e $r_{1}$ .

Geometricamente, si vengono a formare due triangoli rettangoli simili, i quali hanno per cateti $r_{1}$ o $r_{2}$ e l'altro cateto invece è rispettivamente $R - \frac{S}{2}$ o $R + \frac{S}{2}$ , essendo $S$ lo [[#Scartamento della sala montata]]. Per la similitudine dei due triangoli, vale la relazione

\frac{r_{1}}{R - \frac{S}{2}} = \frac{r_{2}}{R + \frac{S}{2}}

Sia $r_{0}$ il raggio di rotolamento medio comune delle due ruote in rettifilo, $γ = \tan α$ la conicità della ruota e $y$ lo spostamento laterale della #Sala montata rispetto alla posizione centrata, i raggi $r_{1}$ e $r_{2}$ possono essere riscritti e quindi la relazione sopra diventa:

\frac{r_{0} - γ y}{R - \frac{S}{2}} = \frac{r_{0} + γ y}{R + \frac{S}{2}}

Si può pertanto ricavare la curvatura (reciproco del raggio di curvatura), come

\frac{1}{R} = \frac{2 γ y}{S r}

Essendo la curvatura (cambiata di segno) per definizione pari alla derivata seconda dello scostamento laterale $y^{″}$ , si può scrivere

y^{″} = \frac{d^{2} y}{d x^{2}} = - \frac{1}{R}

andando ad impostare un'Equazione differenziale del secondo ordine:

y^{″} + \frac{2 γ y}{S r} y = 0

ossia

y^{″} + \frac{2 γ}{S r} y^{2} = 0

Questa ha soluzione generica (e rispettive derivate):

\begin{aligned} y & = y_{0} \sin (\frac{2 π}{L} x) \\ y^{'} & = y_{0} \frac{2 π}{L} \cos (\frac{2 π}{L} x) \\ y^{″} & = - y_{0} \frac{4 π^{2}}{L^{2}} \sin (\frac{2 π}{L} x) \end{aligned}

e quindi, andando a sostituire nella EDO:

- y_{0} \frac{4 π^{2}}{L^{2}} \sin (\frac{2 π}{L} x) + y_{0} \frac{2 γ}{S r} \sin (\frac{2 π}{L} x) = 0

dalla quale possiamo, una volta semplificati i seni, ricavare l'espressione di $L$ , lunghezza d'onda del moto lineare sinusoidale:

L = 2 π \sqrt{\frac{S r}{2 γ}}

Si procede ora a cercare le grandezze cinematiche del moto del centro della sala, introducendo quindi la variabile tempo. Essendo infatti $x = V t$ , le soluzioni generiche della EDO diventano:

\begin{aligned} y & = y_{0} \sin (\frac{2 π}{L} V t) \\ \dot{y} & = y_{0} \frac{2 π}{L} V \cos (\frac{2 π}{L} V t) \\ \ddot{y} & = - y_{0} \frac{4 π^{2}}{L^{2}} V^{2} \sin (\frac{2 π}{L} V t) \end{aligned}

e si può pertanto ricavare il valore massimo dell'accelerazione laterale, che si ha quando il seno vale 1 (e quindi il suo argomento vale 0):

{\ddot{y}}_{M A X} = \frac{4 π^{2} y_{0} V^{2}}{L_{2}}

La sala montata ha un moto sinusoidale in pianta e tende anche ad ancheggiare.
Si dice che compie un moto di serpeggio.
Di per sé è una cosa positiva perché fa si che si riporti sempre al centro. Però non può essere troppo accentuato sia per confort dei passeggeri sia perché si rischia che il treno svii.

Nelle relazioni ricavate finora non si è tenuto conto della presenza di forze tangenziali di smorzamento al contatto che fanno si che il moto di serpeggio, nel tempo, tenda ad esaurirsi.

In particolare la conicità della ruota smorza il moto di serpeggio aumentando però la frequenza di serpeggio.

Il modello di Klingel è ideale. Non considera infatti l'attrito che si genera quando la sala montata si muove. In realtà c'è uno smorzamento naturale.
Per controllare questo moto si accentua lo smorzamento naturale grazie a degli smorzatori antiserpeggio (yaw dumper). Sono collegati da una parte al telaio del carrello, dall'altra alla cassa.

In realtà, viste tutte le componenti di smorzamento non considerate dalla #Teoria cinematica di Klingel nonché del fatto che non tiene conto di

Effetti dell'accoppiamento delle sale
Forze di inerzia
Forze di attrito
il #Moto sala montata isolata in realtà è descritto dal #Moto di hunting reale

Moto di hunting reale

Ci sono delle condizioni in cui il moto oscillatorio cresce sempre di più.
Se il discostamento cresce fino a diventare maggiore della metà della distanza dal bordino si ha che il bordino va a sbattere contro il binario.

In generale, l'ampiezza delle oscillazioni $y_{0}$ cresce al crescere della velocità fino a diventare, al limite, pari a metà del gioco del bordino.

La sala pertanto viene a contatto di bordino con la rotaia e viene rimbalzata verso l'altra rotaia.

Quando la velocità aumenta troppo il moto si può trasformare in un moto a zig-zag, portando la #Sala montata ad andare a sbattere da una parte all'altra.

La lunghezza d'onda si accorcia e la frequenza aumenta rapidamente, finché non viene raggiunta una velocità critica e il sistema entra in risonanza.

Questo è pericoloso tanto più è alta la velocità e la conicità

Sospensioni

sospensione

La Sospensione come la sospensioni stradali servono a garantire la trasmissione delle forze verticali tra la cassa e la sala montata, smorzando le forze di inerzia.

Sospensioni per veicoli rimorchiati a due assi

Il fusello della #Sala montata è contenuto all'interno della boccola.
Quest'ultima costituisce l'intermediario tra la parte mobile (il fusello) e la parte fissa (la parete della boccola).

Sulla boccola poggia la sospensione, a molla o a balestra o pneumatica, idonea a trasmettere le forze verticali tra la cassa e la sala montata.

La trasmissione delle forze longitudinali e trasversali è garantita invece da apposite appendici, parasale, all'interno delle quali la scatola della boccola può muoversi guidata verticalmente assicurando con le loro pareti la trasmissione delle forze orizzontali.

Sospensioni per veicoli a carrelli

Il carrello è un subveicolo interposto tra cassa e sala montata in modo da ridurre la distanza fra le sale montate vincolate al parallelismo e di conseguenza facilitare l'#Iscrizione in curva dei veicoli più lunghi.

In questo caso saranno quindi necessari 2 livelli di sospensione:

#Sospensione primaria - ruota-carrello
- ha come obiettivo principale quello di tenere la ruota attaccata alla rotaia
#Sospensione secondaria - carrello-cassa
- ha come obiettivo principale il comfort

La trasmissione degli sforzi orizzontali è affidata a una ralla centrale interposta tra telaio del carrello e cassa.

La cassa a sua volta poggia verticalmente su delle molle collocate su una trave trasversale sostenuta attraverso pendini al telaio del carrello.

I pendini sono quindi incernierati alla trave trasversale (trave oscillante) e al telaio del carrello e costituiscono quindi una sospensione trasversale e longitudinale.

Braccio di guida-boccola permette una piccola rotazione della boccola rispetto al telaio.

Sottoposta a una forza trasversale (es. forza centrifuga) la cassa si inclina per effetto dello schiacciamento della sospensione secondaria dal lato verso cui è diretta la forza trasversale. Ruota quindi su un centro posto sul piano superiore della sospensione secondaria. La trave oscillante, a sua volta, si inclina in modo che i pendini risultino paralleli alla risultante della forza peso e della forza centrifuga applicate alla cassa.

Iscrizione in curva

Nel #Moto sala montata isolata abbiamo visto che, per effetto della conicità delle ruote e del gioco fra bordino e rotaia, la sala montata riesce a rotolare senza attriti ulteriori in una curva di raggio

R = \frac{S r}{2 γ y}

essendo:

$S =$ scartamento
$r =$ Raggio ruota
$γ =$ conicità
$y =$ lo spostamento laterale della sala montata attribuibile alla larghezza delle ruote

esempio

Per una sala montata isolata, dati i seguenti valori:

$S = 1.5 m$
$r = 0.5 m$
$γ = \frac{1}{20} = 0.05$
$y = 20 m m$
$R_{m i n} = 375 m$

Nella realtà però la sala montata non si trova mai da sola. Si hanno di solito due sale montata accoppiate rigidamente in un passo rigido $p$ .

Ingombro in curva

È rilevante conoscere la fascia di ingombro in una generica curva di raggio $R$ , essendo $R + e$ il raggio della rotaia esterna e $R - e$ quello della rotaia interna.

Un veicolo a passo rigido si inscrive in curva praticamente come un rettangolo i cui vertici sono il punto di contatto delle ruote con le rotaie.

Per un veicolo a carrelli si ha una situazione analoga, tenendo presente che i due carrelli vanno collocati in modo che i loro centri rispettino la distanza denominata passo del veicolo o interperno.

Si hanno quindi raggi interni e esterni: $R_{i}, R_{e}$ .
La rastrematura delle parti a sbalzo aiuta ridurre il raggio esterno $R_{e}$ .

Questi ragionamenti però sono validi solo a veicolo fermo e senza sospensioni.

In realtà è di maggiore interesse conoscere gli scostamenti massimi di un veicolo in risposta anche alle forze in gioco in curva.

Scostamenti in curva

Si avranno quindi scostamenti verso l'interno $E_{i}$ e verso l'esterno $E_{a}$ rispetto all'asse del binario.

R_{e} = R + E_{a} + A B

$A B$ , considerato che $R ≫ b$ , può essere confuso con a metà della larghezza del veicolo:

A B \approx \frac{b}{2}

la relazione di prima diventa quindi

R_{e} = R + E_{a} + \frac{b}{2}

Il raggio interno è invece dato da

R_{i} = R - E_{i} - \frac{b}{2}

In definitiva si può scrivere:

{\begin{cases} R_{e} = R + E_{a} + \frac{b}{2} \\ R_{i} = R - E_{i} - \frac{b}{2} \end{cases}

Da cui, la fascia di ingombro può essere scritta come

R_{e} - R_{i} = b + E_{i} + E_{a}

Scostamento geometrico interno

È dato un veicolo di passo $a$ . Si prende in considerazione il suo asse, il quale in rettifilo coincide con l'asse del binario.

L'asse, in curva, risulterà spostato verso l'interno dall'asse del binario, nel punto più distante, di una quantità $E_{i}$ , detta freccia massima.

Sfruttando il triangolo rettangolo $O \overset{△}{B} C$ si può scrivere la relazione

R^{2} - {(\frac{a}{2})}^{2} = (R - E_{i})^{2}

da cui si ricava il valore dello scostamento interno

E_{i} = \frac{a^{2}}{8 R}

Nel caso di un veicolo a carrelli $p$ rappresenta il passo rigido del carrello mentre $a$ l'interperno.
Lo scostamento interno del singolo carrello sarà $\frac{p^{2}}{8 R}$ .
Lo scostamento complessivo del veicolo, $E_{i}$ è

E_{i} = \frac{a^{2}}{8 R} + \frac{p^{2}}{8 R}

osservazioneq

In realtà la freccia del carrello si trova su una direzione diversa da quella del veicolo. La differenza però è trascurabile essendo il raggio di curvatura molto maggiore della lunghezza dell'interperno.

Altri scostamenti interni

Agli scostamenti geometrici, vanno aggiunti scostamenti dovuti al gioco ruota-rotaia, alla deformazione delle sospensioni. In generale, vanno contati quindi anche gli scostamenti dinamici interni.

In particolare si avranno:

#Gioco rotaia-bordino
#Scostamento sistema assale-boccola
#Scostamento cassa-carrello

In definitiva si avrà come altri scostamenti interni

g = \frac{2 s - d}{2} + q + w

Gioco rotaia-bordino

Si aggiunge agli scostamenti la semidifferenza tra lo scartamento dei bordini alla massima usura ammessa:

\frac{2 s - d}{2}

Scostamento sistema assale-boccola

Indicato con $q$

Scostamento cassa-carrello

Indicato con $w$

Scostamento geometrico esterno

Lo scostamento esterno è dovuto all'effetto dello sbalzo, di lunghezza $m$ , rispetto all'interperno.
Si sfrutta il triangolo rettangolo $O E D$ per ricavare la relazione:

(R + E_{a})^{2} - {(\frac{a}{2} + m)}^{2} = (R - E_{i})^{2}

dove ricordo da #Scostamento geometrico interno essere $E_{i} = \frac{a^{2}}{8 R}$
Isolando $E_{a}$ , si trova che lo scostamento esterno è

E_{a} = \frac{a m + m^{2}}{2 R}

Si ricorda però che lo scostamento dei carrelli sposta l'asse del veicolo verso l'interno di una quantità $\frac{p^{2}}{8 R}$ che può essere sottratta allo scostamento appena individuato, trovando in definitiva:

E_{a} = \frac{a m + m^{2}}{2 R} - \frac{p^{2}}{8 R}

Altri scostamenti esterni

Annullamento dei giochi verso l'esterno della curva
- Bordino-rotaia
Spostamento delle sospensioni
Inclinazione del veicolo in curva

Scostamenti complessivi

\begin{aligned} E_{i} & = \frac{a^{2} + p^{2}}{8 R} + \frac{2 s - d}{2} + q + w \\ E_{a} & = \frac{m (a + m)}{2 R} - \frac{p^{2}}{8 R} + (\frac{2 s - d}{2} + q + w) \cdot \frac{a + 2 m}{a} \end{aligned}

Sagoma limite

sagoma limite

La Sagoma limite (o gabarit (FR) o loading gauge (EN)) è la dimensione massima di larghezza e altezza sul piano del ferro che deve essere rispettata da qualunque tipo di rotabile ferroviario affinché possa liberamente circolare su una data linea.

La sagoma limite costituisce un profilo di sicurezza che deve sempre essere libero da ostacoli in linea, e che il veicolo non deve mai superare in condizioni di marcia.

Chiaramente, il veicolo non può raggiungere le dimensioni della sagoma limite, visto che in curva l'ingombro aumenta rispetto alla sezione del veicolo stesso. Veicoli molto lunghi dovranno per forza di cose essere più stretti.