La prevenzione per gli svii ferroviari a bassa velocità

Lo svio ferroviario

Il trasporto ferroviario è un sistema a “guida vincolata”: l’interazione tra bordino delle ruote e fungo della rotaia costituisce un vincolo rispetto agli spostamenti trasversali del convoglio.

La perdita del perfetto contatto ruota/rotaia può comportare la perdita della guida vincolata se il bordino della ruota “sormonta” il fungo della ro­taia, causando in tal modo lo “svio” del convoglio, con conseguenze che possono essere anche catastrofiche.

Le cause di uno svio possono essere varie, ma comunque legate a imperfezioni o della linea o del rotabile. Il sormonto è maggiormente possi­bile nelle iscrizioni in curve di raggio piccolo e con angoli di incidenza più elevato (veicoli ad assi).

Riguardo alla velocità del convoglio, si è visto che ad alte velocità le forze trasversali ruota/rotaia sono più elevate ma intermittenti, a basa velo­cità sono minori ma continue; gli attriti interni sospensioni sono sempre più bassi all’aumenta­re della velocità così come l’attrito ruota - rotaia (quindi bordino - fungo interno). Tutto questo ci porta a dire che uno svio a bassa velocità (< 30 km/h) a parità di condizioni è più facile che pos­sa verificarsi che non a velocità elevate.

Queste considerazioni hanno portato quindi a sviluppare studi particolari su questi specifici svii che pur non causando effetti devastanti legati alla velocità, hanno comunque un grosso impatto sulla regolarità dell’esercizio.

È evidente che questa tipologia di svii è particolar­mente avvertita in impianti secondari (in partico­lare gli scali merci) in cui le geometrie dei binari sono certamente meno curate di quelli in piena linea, i veicoli (in special modo i carri di vecchia costruzione) possono presentare imperfezioni nel rodiggio e le manovre che vengono eseguite (con urti e spinte) favoriscono il fenomeno.

Le cause che possono provocare uno svio sono essenzialmente due: un consumo oltre i limiti di tolleranza del fungo della rotaia o del bordino delle ruote, oppure la presenza di uno sghembo di binario o di uno sghembo virtuale di un carrel­lo del rotabile.

Lo sghembo

Un veicolo (o un carrello) poggia sul binario sui quattro punti di appoggio delle ruote, tre di questi punti giacciono su un piano, se il quarto non si trova sullo stesso piano, la sua distanza dal piano degli altri tre rappresenta il cedimento sghembo del binario. La stessa situazione di sghembo può però aversi per difettosità del rotabile, sia del te­laio della cassa (se rotabile ad assi) o del carrello: Pertanto si definisce Sghembo (g) la variazione lungo l’asse del binario della pendenza verticale e si esprime (in millesimi) come la differenza del livello verticale h (in mm) sulla lunghezza di rife­rimento d, passo del carrello o interperno (in m):

g(°/oo) = (h1 -h2)/d

La presenza di uno sghembo altera la distribu­zione di carico sulle ruote. Superato un valore critico la ruota interessata tende ad alzarsi inne­scando il sormonto del bordino sul fungo della rotaia con conseguente svio del rotabile.

Considerando le forze che agiscono nel contatto ruota – rotaia è evidente che lo svio è favorito da un valore elevato della forza trasversale Y ri­spetto al carico verticale Q che grava sulla ruota (Figura 1).

• Y → forza trasversale dovuta alla spinta della ruota sulla rotaia esterna senso curva
• Q → forza verticale gravante sulla ruota dovuta al peso
• N → forza di reazione normale alla superficie nel punto di contatto
• μN → forza di attrito

Effettuando l’equilibrio delle forze:

• In trasversale → Y = Nsinβ – μNcosβ
• In verticale → Q = Ncosβ + μNsinβ

si avrà:

[Y/Q]lim = (tan β-μ)/(1 + μ tan β) (1)

In condizioni quasi statiche (v<30 km/h) e po­nendo μ= 0,36 e β = 70°: μN forza di attrito

[Y/Q]lim≤ 1,2

Valore limite previsto dalla norma ORE B55 (par. 4.3) per garantire la sicurezza contro i deraglia­menti.

Indicando con Qo il carico iniziale di progetto, con ΔQ lo scarico (-) o il sovraccarico (+) sulla ruo­ta dovuto allo sghembo, il carico Q sulla singola ruota sarà:

Q = Qo ± ΔQ

Il valore di Y è influenzato da vari fattori; lo sforzo massimo comunque si ottiene su binario in curva con R=150m senza sopraelevazione.

Dalle elaborazioni della formula (1) in funzione di una Ymax si può ricavare un valore massimo di ΔQ (ΔQlim)

Nelle condizioni sopra dette si ammette a livello internazionale uno scarico massimo ammissibile dovuto agli effetti di sghembo di veicolo:

(ΔQlim/ Qo)≤ 0,60

Considerando uno scarico iniziale del veicolo (attriti interni, diverse flessibi­lità delle molle, veicolo non perfettamente baricentrato), il limite consigliato è 50%.

Nelle peggiori condizioni in cui ad uno sghembo proprio del veicolo doves­se sommarsi uno sghembo del binario, il limite suddetto andrebbe ulterior­mente ridotto, ripartendolo equamente tra le due cause:

(ΔQlim/ Qo)≤ 0,25

Da quanto detto è perciò importante verificare il giusto bilanciamento dei carrelli dei rotabili.

Il bilanciamento delle sospensioni di un carrello

Un carrello ferroviario è progettato in maniera tale che, se il peso scaricato dal pianale sulla ralla è sufficientemente centrato e privo di momenti (tor­sionali), la forza scaricata sulla rotaia da ciascuna ruota è:

• pari ad ¼ del peso totale;
• perfettamente verticale ed ortogonale al piano del ferro (piano passan­te per le 2 rotaie);

a patto che:

• a) il binario sia privo di sghembo e perfettamente orizzontale;
• b) tutte le ruote abbiano circonferenze perfettamente uguali e poggino su un circolo di rotolamento anche esso uguale;
• c) il sistema di sospensioni associato a ciascuna ruota sia perfettamen­te bilanciato.

Le condizioni a) e b) sono facilmente verificabili.

Per ottimizzare le sospensioni di un rotabile bisogna ridurre al minimo le rigidezze verticali e laterali, nel contempo però bisogna rispettare vincoli geometrici sia del veicolo sia della linea.

Si ricorda tra l’altro che il cedimento verticale massimo del complesso so­spensioni, non deve superare gli 80 mm tra veicolo in ordine di marcia e veicolo a carico normale o a sovraccarico, affinché non si verifichi l’acca­vallamento dei respingenti tra due veicoli contigui.

La verifica periodica delle situazioni di sghembo di un rotabile, in particola­re di un carro, ha una sua incidenza dal punto di vista della sicurezza che si ripercuote inevitabilmente anche sull’aspetto economico.

Provocare uno svio anche a basse velocita in uno scalo merci comporta inevitabili penali che vengono inflitte a danno della società responsabile, penali tanto più gravose a seconda del tipo di svio (se su binario secondario o su binario di raccordo con la linea, se vengono coinvolti anche altri rota­bili, se è necessario l’intervento del carro attrezzi etc.)

Manutenzione dei carrelli in officina

Attualmente i carrelli sottoposti a revisione ciclica, prima di essere montati sotto alla cassa, sono provati sotto una pressa per verificarne il giusto assetto di marcia.

Con applicazione di opportuni carichi simulati dalla pressa, vengono effet­tuate misure in punti ben definiti per verificare l’equilibratura ed i gioghi tra le varie parti del carrello, in particolare la corsa verticale tra albero cavo ed asse delle ruote. Si agisce sulle molle di sospensione con opportuni spessoramenti nel caso vengano riscontrati scostamenti rispetto ai valori nominali.

Nel periodo intercorrente tra due revisioni cicliche è utile programmare mi­surazioni dei pesi sulle quattro ruote del carrello in modo da verificarne la giusta distribuzione, introducendo tale verifica nell’ambito delle operazioni di manutenzione programmata o predittiva del rotabile.

La misurazione intermedia della distribuzione dei pesi avrebbe il duplice scopo di incrementare i controlli legati alla sicurezza di esercizio pren­dendo opportuni provvedimenti in caso di discostamenti tra i valori rilevati, ma nel contempo anche avere la possibilità (in caso di valori nei limiti) di prolungare la percorrenza tra due cicliche e quindi trarne benefici sia in termini economici e sia di disponibilità dei rotabili.

Benefici che possono essere raggiunti con l’utilizzo di una apparecchiatura flessibile e facilmente utilizzabile senza necessità di smontare il carrello dal veicolo o di spostamento del mezzo su una pesa fissa.

Misurazione dei carichi per ruota con apparecchiature portatili

Da quanto esaminato risulta importante che in occasione di revisione dei carrelli, possa aversi la certezza che il telaio, nelle condizioni ideali (su bi­nario in piano e rettilineo) non subisca sollecitazione a flessione e torsione.

Il modo più esaustivo per poter ottenere la perfetta equilibratura delle so­spensioni è il rilevamento dei pesi gravanti su tutti i quattro appoggi (o sei nel caso di carrelli a tre assi), in modo da poter avere la certezza che attraverso gli spessoramenti delle sospensioni venga annullata la forza ΔQ che nasce a seguito della diversa flessibilità delle molle o altri difettosità del carrello (creando una situazione di sghembo virtuale) e si abbia una distribuzione equa del peso della cassa sui quattro appoggi (Q/4).

Il rilevamento del peso gravante sugli appoggi deve essere la più reale possibile; tale condizione la si può ottenere esclusivamente effettuando la pesata contemporanea e sul circolo di rotolamento delle quattro ruote, si­mulando in tal modo esattamente quello che avviene in esercizio.

Creando inoltre uno sghembo fittizio con l’uti­lizzo di apposite rampe (quindi con δ noto) e attraverso la misura dei carichi gravanti sulle singole ruote è possibile determinare, utiliz­zando la formula (3), il coefficiente di flessi­bilità dei singoli pacchi molle, effettuando mi­surazioni direttamente sul rotabile. Dai rilievi ottenuti sarà possibile effettuare le opportune operazioni (spessoramenti o regolazione dadi di registrazione) sulle sospensioni. Il merca­to oggi mette a disposizione apparecchiature (portatili) che soddisfano i requisiti sopra detti. Tra questi particolarmente interessante è il si­stema di pesa POWERVE (Figura 2).

È uno strumento di misura innovativo, che mi­sura staticamente la distribuzione della forza peso del rotabile direttamente sul binario, per ogni ruota del rotabile, o nel caso di revisione di carrelli con prova sotto pressa, il rilevamento contemporaneo del peso gravante sulla singola ruota. Il sistema si basa sull’utilizzo di celle di carico, è leggero e di facile utilizzo, ed è comple­tamente portatile. L’istallazione semplice e la sua portabilità lo rende perfetto per l’utilizzo sia lun­go il binario sia in officine.

L’apparecchiatura consente di misurare il reale carico per ruota, nel reale assetto di marcia, mi­surando sul circolo di rotolamento della ruota (e non sul bordino), prendendo in considerazione anche l’usura del diametro della ruota.

Il sistema misura quindi il reale carico trasferito sulla rotaia da ciascuna ruota. In questo modo è possibile verificare la distribuzione delle forze scaricate da ciascuna ruota, e qualora fosse ne­cessario, modificare le sospensioni o la distribu­zione delle masse per ottenere la distribuzione dei carichi per ruota più sicura e ideale.

Giuseppe Racioppi, Dirigente, IVM Srl
Giovanni Mannara, Amministratore Unico, IVM Srl