Effetti del sovra-scartamento sulle curve di deposito
A cura di simone Farina e simone Rubino, Università di Genova, in collaborazione con Ansaldo STS
Con la crisi economica e di risorse che ha investito il panorama mondiale, il rendimento globale dei sistemi ha iniziato ad assumere sempre maggiore importanza nell’ambito industriale, ponendosi come nuovo obiettivo di ricerca per le aziende del settore. In questo panorama nasce la collaborazione tra l’Università di Genova e due realtà industriali all’avanguardia come Ansaldo STS e MSC software; Ansaldo STS gestisce e progetta linee metropolitane, diffuse globalmente; MSC, insieme a VI-Grade, distribuisce software dedicato alla risoluzione di problemi ingegneristici di varia natura, tra cui quelli ferroviari, grazie al programma di calcolo multibody: Adams VI-Rail.
L’obiettivo principale che si pone questo elaborato è la ricerca dei metodi per ridurre le problematiche derivanti dalle curve di deposito. L’esigenza di contenere l’estensione planimetrica del deposito stesso, obbliga il progettista a ricorrere a raggi di curvatura ridotti e inserzioni brusche, che compromettono la dinamica del veicolo, aumentando il rischio di svio e le usure derivanti da un contatto ruota-rotaia non ottimale.
Uno dei possibili accorgimenti che si possono adottare è l’aumento dello scartamento in curva. Questa soluzione è facilmente applicabile, anche su tracciati preesistenti, aumentando limitatamente gli ingombri e senza installare attrezzatura ausiliaria.
Per scegliere quali valori di sovra-scartamento prescrivere si è deciso di ricorrere alla simulazione numerica mediante software multibody dedicato alla soluzione di problemi ferroviari (Adams View 2013 con plug-in VI-Rail v.15), utilizzando un modello di veicolo già noto al dipartimento DIME.
Si sono simulate curve di vario raggio con diversi valori di scartamento da quello nominale (1435 mm) a quello massimo disponibile (1465 mm) per poi estrapolare dei parametri su cui basare le valutazioni finali.
Il secondo passo è stato analizzare nel dettaglio la curva di raggio più ampio per ottenere delle indicazioni di massima per ridurre il numero dei parametri significativi nello studio delle curve di raggio minore. I parametri che si sono ritenuti più rilevanti per analizzare le prestazioni del veicolo al variare del sovra- scartamento sono il coefficiente di svio, il wear number, parametro derivato da creepage e creep force e angolo di attacco.
1 - Descrizione del caso di studio e sua modellazione in Adams VI-Rail
1.1 Modellazione del veicolo
Il veicolo oggetto dello studio è un convoglio metropolitano progettato da Ansaldo composto da cinque carrelli e da quattro casse comunicanti. Ogni carrello comprende due sale montate, sospensione primaria a molla e sospensione secondaria ad aria collegata a una trave oscillante che ospita una ralla dove si interfacciano le due casse comunicanti.
Per modellizzare il veicolo in Adams/VI-Rail bisogna realizzare i templates delle casse e dei carrelli nell’apposita interfaccia template builder del software. Per fare questo vengono sia utilizzati dei modelli preesistenti di sospensioni, boccole, sale montate, sia importati dei pezzi disegnati al CAD in formato Parasolid. Tutti i componenti possono essere personalizzati con i valori di rigidezze, lunghezze, masse, baricentri e momenti di inerzia in modo da rappresentare nel modo più fedele possibile il convoglio studiato (i dati utilizzati per la modellazione non possono essere riportati in quanto di proprietà dell’azienda). Successivamente si può procedere all’assemblaggio del subsystem carrello e infine all’assembly definitivo dell’intero veicolo, che verrà utilizzato per le simulazioni.
1.2 - Modellazione dei tracciati
Gli studi compiuti sono finalizzati allo studio dell’efficacia del sovra-scartamento come metodo per lenire le usure su curve strette, percorse a basse velocità; per soddisfare queste premesse il tracciato è stato modellato prendendo spunto dalle curve di deposito.
Tali curve presentano sopraelevazione nulla, per garantire il calpestio dell’intera area di deposito, curve di transizione dall’estensione molto limitata e vengono collocate su terreno piano.
Lo scartamento è stato aumentato in modo asimmetrico, spostando unicamente la rotaia interna alla curva, poiché la rotaia esterna deve garantire la guida del veicolo e non può essere spostata in quanto peggiorerebbe la dinamica del veicolo. I valori adottati per il raggio delle curve simulate variano tra 45 m e 70 m con step di variazione di 5 m, mentre i valori di sovra-scartamento simulati sono: 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30 mm, con un rateo di allargamento di scartamento di 3 mm/m.
2 - Conduzione delle analisi
2.1 - Curva R = 70 m
Il primo passo è stato quello di analizzare nel dettaglio i parametri salienti per tutti i carrelli sulla curva di raggio più ampio (70 m), per capire quali siano i carrelli e gli assili nelle condizioni più sfavorevoli; per poi andare a selezionare i risultati da analizzare per le curve a raggio inferiore ed accelerare il processo di revisione dei dati.
Uno tra i primi parametri studiati è il coefficiente di svio. Tale coefficiente è il rapporto tra le forze laterali e quelle verticali agenti sulla rotaia e deve essere minore di un valore limite per assicurare che la ruota non tenda a scavalcare il bordino; tale valore limite vale, normalmente, 0.94 con rotaia asciutta e 1.26 per rotaia bagnata, dove il coefficiente di attrito è minore. Come era prevedibile le ruote che presentano un maggiore coefficiente di svio sono quelle anteriori esterne dei carrelli, in particolare quella appartenente al quinto carrello (Figura 2).
passo successivo è stato analizzare le usure usando il wear number, parametro derivato automaticamente dal software, che rappresenta la somma, istante per istante, dei prodotti tra forze di strisciamento ed entità degli strisciamenti stessi.
Nella Figura 3 sono evidenziate 4 zone, ognuna delle quali corrisponde a ruote omologhe sui diversi carrelli. Il secondo carrello risulta quello con i valori di wear number maggiori per ogni ruota e pertanto sarà quello su cui si concentreranno gli studi successivi al variare dello scartamento.
Si è pensato infine di andare a osservare l’andamento dell’angolo di attacco. Studi puramente geometrici affermano che l’aumento di scartamento incrementi l’angolo di attacco del carrello; attraverso l’utilizzo di questo software si vuole andare a vedere cosa succeda dinamicamente all’angolo di attacco in presenza di sovra-scartamento.
La prima analisi è un confronto a scartamento nominale tra tutti gli assili.
L’angolo di attacco maggiore è quello dell’assile anteriore del quinto carrello, pertanto si è voluto studiare come si modifichi, al variare dello scartamento, il suo comportamento (Figura 5).
Il valore massimo dell’angolo di attacco aumenta proporzionalmente allo scartamento solo fino al valore di 1445 mm, mentre dopo diminuisce rapidamente. Il valore in percorrenza di curva rimane pressoché costante fino ai 1445 mm, poi si ha un aumento per il valore di 1450 mm, seguito da una diminuzione continua, fino a valori anche inferiori a quello corrispondente allo scartamento nominale (Figura 6).
2.2 - Altre curve
Dalle analisi fin qui condotte si sono ricavate indicazioni su quali parametri andare a studiare nel dettaglio per le altre curve di raggio inferiore.
I parametri individuati sono:
coefficiente di svio ruota anteriore esterna del quinto carrello;
wear number relativo a tutte le ruote del secondo carrello;
distribuzione delle forze laterali sulle ruote del secondo carrello;
analisi visiva della fase di inserzione curva;
angolo di attacco del primo assile del quinto carrello.
Pertanto con successive simulazioni sono stati ricavati i dati necessari ad un’analisi completa anche delle curve di raggio inferiore.
3 - Analisi dei risultati
I risultati delle simulazioni sono stati poi analizzati e post-processati per ottenere dei dati di più semplice interpretazione. In tutti i casi si è deciso di studiare i miglioramenti, assoluti e percentuali, rispetto al caso a scartamento nominale per confrontare al meglio i diversi valori.
I parametri in evidenza sono:
il coefficiente di svio;
il wear number. Si è ritenuto opportuno eseguire il confronto tra la somma delle usure presenti su tutte le ruote per avere un risultato immediato, che tenesse conto della maggiore rilevanza della ruota anteriore esterna rispetto alle altre;
angolo di attacco;
gap usure. Nella scelta dei risultati migliori si è inoltre tenuto conto della differenza tra valore di picco e valore costante ritenendo premiante un’usura omogenea di tutto il materiale rotabile, piuttosto che un valore di usura lievemente minore in percorrenza, accompagnato da un picco di ingresso di valore elevato.
Questa considerazione, nasce dalla non conoscenza delle conseguenze, alle quali un’usura anomala del tratto di rotaia, ad inizio curva, possa portare.
Gap angolo di attacco.L’assenza di gap tra i due valori assicura un buon assetto in inserimento in curva che non viene successivamente modificato.
3.1 - Risultati per la curva di raggio 70 m
Figura 7 - Sono stati evidenziati in giallo i valori migliori per ogni categoria. Si nota facilmente che in queste condizioni, con un coefficiente di svio sufficientemente lontano dal suo valore limite, lo scartamento migliore è quello di 1465 mm, poiché presenta le usure e gli angoli di attacco minori, oltre ai gap più contenuti. Un altro valore da prendere in considerazione è quello di 1445 mm, che unisce discrete riduzioni di usura a un valore del coefficiente di svio minore.
Per completare l’analisi sono state svolte analoghe considerazioni per le curve di raggio inferiore, che verranno riportate sinteticamente nel paragrafo seguente.
3.2 - Andamento generale dei risultati
Il dato immediatamente visibile è che lo scartamento di 1445 mm risulta costantemente il migliore, per quanto riguarda il coefficiente di svio, ma presenta picchi di usura troppo elevati per essere utilizzato. Inoltre tale valore garantisce il valore minore di wear number per la ruota anteriore esterna (la più sollecitata) in percorrenza di curva nella quasi totalità dei casi esaminati.
Analizzando più approfonditamente i dati rilevati si nota che per le curve di raggio inferiore a 70 m e superiore a 55 m lo scartamento migliore è quello di 1465 mm, mentre per le curve di raggio inferiore a 55 m il valore consigliabile è di 1435 mm. La curva da 55 m ha il ruolo di spartiacque tra le due tendenze, presentando parametri favorevoli al primo valore di scartamento e altri che più si adattano al secondo.
Lo scartamento di 1465 mm ha il pregio di ridurre uniformemente le usure su tutte le ruote del carrello, ma al contempo non è la più efficace sulla ruota anteriore esterna. Inoltre, grazie alla maggiore estensione della curva di transizione garantisce i picchi più bassi.
Dalle varie analisi condotte emerge un dato molto rilevante, ovvero che alcuni valori accettabili di scartamento sono stati eliminati perché troppo gravosi in fase di ingresso curva; si è allora ritenuto interessante svolgere sette ulteriori analisi per la curva da 70 metri per confrontare diverse configurazioni di binario (Tabella seguente).
L’obiettivo di tali simulazioni è quello di controllare quali parametri siano indipendenti dalla costruzione del tracciato e quali invece presentino delle dipendenze.
Nella tabella vengono evidenziati in giallo i valori migliori, in verde i parametri dipendenti dall’estensione dei tratti di transizione e in rosso i parametri indipendenti.
Dalla tabella emerge che i parametri di percorrenza curva non sono influenzati dalle modifiche al tracciato, mentre i valori di picco e di conseguenza i gap possono essere controllati studiando adeguatamente le fasi di transizione di curvatura e scartamento. Si può inoltre osservare che il tracciato 1465_30_30 risulta il migliore, per la maggiore parte dei parametri studiati, ma richiede 30 metri di tracciato di transizione, valore non sempre disponibile in deposito; in caso di spazio a disposizione ridotto, ad esempio 10 metri il confronto deve essere svolto tra i due tracciati i cui valori sono stati evidenziati in rosso; in tali condizioni lo scartamento di 1445 mm risulta più indicato, in quanto le usure presentano un gap e un valore di picco inferiori e il coefficiente di svio è di molto minore.
4 - Conclusioni
Questa studio ha portato ad ottenere dei possibili valori di sovra-scartamento, applicabili in determinate condizioni al contorno, per un veicolo dotato di carrelli di passo 1.8 m dotato di ruote con profilo UIC 510-2 e rotaia di tipo 54 E1 con inclinazione 1/20.
Da questo studio inoltre appare evidente che l’applicazione di sovra-scartamento possa modificare il contatto ruota-rotaia sia positivamente sia negativamente e che pertanto dovrebbe essere utilizzato solo se in possesso di un adeguato know how sull’argomento.
I risultati ottenuti in questo elaborato hanno un valore limitato a causa delle numerose ipotesi restrittive alla base del modello utilizzato.
La analisi qui condotte sono lontane dall’essere esaustive, ma forniscono un’indicazione su come poter affrontare più nel dettaglio studi successivi su questa complessa tematica, attraverso l’introduzione di nuovi elementi e l’aumento del numero dei parametri variabili.
Una possibile via di ampliamento dello studio può essere quella di modificare il coefficiente di attrito, sia in coordinata longitudinale sul binario, sia laterale sulla ruota, per simulare dispositivi ungi-bordino e valutare le prestazioni del sovra-scartamento in quelle condizioni; inoltre è possibile variare la velocità di percorrenza delle curve per verificare se influenzi o meno il valore migliore di scartamento per un dato raggio di curva o per simulare tratti in linea.
ANSALDO STS
Ansaldo STS è una società per azioni quotata sul Mercato Telematico Azionario organizzato e gestito da Borsa Italiana S.p.A., segmento STAR, con capitale sottoscritto e versato pari a 90 milioni di euro rappresentato da 180 milioni di azioni ordinarie dal valore nominale di Euro 0,50 cadauna. È leader nel settore dell’alta tecnologia per il trasporto ferroviario e metropolitano. La Società opera nella progettazione, realizzazione e gestione di sistemi e servizi di segnalamento e supervisione del traffico ferroviario e metropolitano, anche come lead contractor. Ansaldo STS ha sede a Genova e conta oltre 4.100 dipendenti in più di 30 paesi. Il 40% del capitale sociale è detenuto da Finmeccanica, azionista di riferimento.
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