Il treno passeggeri ICE-4 diventerà la colonna portante della rete di trasporti a lunga distanza di Deutsche Bahn, DB. Il nuovo treno, progettato in base a un concetto modulare, può essere riconfigurato per soddisfare una vasta gamma di applicazioni differenti per la rete ferroviaria tedesca. SKF partecipa a questo progetto da 6 miliardi di euro dal 2012, collaborando direttamente con Siemens, il produttore del nuovo treno, e Bombardier, che fornisce carrelli e carrozze. Per soddisfare le impegnative specifiche per prestazioni e affidabilità dell' ICE-4 è stato necessario superare molteplici sfide.
Il nuovo treno viaggerà regolarmente alla velocità di 250 km/h. Naturalmente, ogni componente utilizzato per il treno deve soddisfare rigorosi criteri di sicurezza, ma DB deve però anche contenere i costi operativi. Per questo motivo, i progettisti hanno dovuto aumentare al massimo l'efficienza energetica e ridurre al minimo i requisiti per la manutenzione ordinaria.
Integrazione di sensori intelligenti
I carrelli forniti da Bombardier, i BOMBARDIER FLEXX Eco, utilizzano una disposizione di cuscinetti interna che consente di ridurre peso e consumo di energia. Per questa applicazione, SKF ha sviluppato un'unità a rulli conici speciale (TBU) con sensori integrati per monitorare la velocità e la direzione di rotazione di ogni sala montata. Integrando i sensori nell'unità è possibile ridurre al minimo lo spazio necessario per l'intero gruppo, una caratteristica importante per la configurazione interna, dove lo spazio è limitato. I segnali generati dai sensori, che sono utilizzati per controllare il sistema di frenatura del treno, sono stati personalizzati per soddisfare i requisiti specifici del cliente.
Quest'applicazione, critica per la sicurezza, richiede livelli di ridondanza. Per questo motivo, entrambe le unità su ogni assale sono dotate di doppi sensori. Un ulteriore sensore in ogni cuscinetto ne monitora la temperatura di esercizio, restituendo importanti segnalazioni precoci in caso di aumento. “La disposizione di cuscinetti interna è una configurazione relativamente nuova nelle applicazioni ferroviarie ad alta velocità, quindi richiede una nuova tecnologia”, spiega Wolfgang Schatzer, Strategic Account Manager, Railway Industry SKF. “Le dimensioni dell'assale, e i carichi tipici dell'applicazione, impongono dimensioni del cuscinetto eccezionali. Il diametro interno si aggira sui 180mm, rispetto ai 150mm delle normali disposizioni di cuscinetti esterne, ma in questo campo SKF dispone di un vasto bagaglio di competenze ed esperienza“.
Prolungamento degli intervalli di manutenzione
I moderni treni Intercity devono assicurare elevati livelli di affidabilità e lunghi intervalli tra gli interventi di manutenzione. In base alle specifiche del cliente, la durata di esercizio calcolata richiesta era di 3,3 milioni di km. “La durata di esercizio totale dei cuscinetti è importante ma, per ridurre i costi totali di possesso, l'intervallo tra gli interventi di manutenzione è ancora più rilevante” continua Schatzer. “Negli ultimi anni, il prolungamento degli intervalli di manutenzione per i cuscinetti destinati al settore ferroviario è stata una delle principali aree di ricerca e sviluppo per SKF e, grazie ai test condotti e alle nostre tecnologie per i cuscinetti, siamo certi che riusciremo a soddisfare le esigenze del cliente”.
Per prolungare gli intervalli di manutenzione delle unità a rulli conici, le TBU, è fondamentale ridurre al minimo l'attrito e quindi le temperature di esercizio, con conseguente prolungamento della durata del lubrificante nei cuscinetti e degli intervalli di sostituzione. Queste unità ingrassate e schermate, che combinano cuscinetti e sensori, offrono molti vantaggi al cliente, sia nella fase di sviluppo, sia in produzione, grazie al minor numero e alla migliore qualità delle interfacce tra cuscinetti, sensori e altri componenti del treno.
I carrelli motore, sviluppati da Siemens, utilizzano una disposizione di cuscinetti esterna più tradizionale, un'altra area in cui SKF dispone di approfondite competenze, acquisite anche da alcune delle applicazioni ad alta velocità più complesse al mondo. L'azienda, anche in questo caso, ha optato per una soluzione che prevede un'unità integrata, ma con cuscinetti a rulli cilindrici. I carrelli motore imponevano requisiti anche più impegnativi per la durata, poiché in base alle specifiche del cliente dovevano assicurare una percorrenza di 1,65 milioni di km prima della manutenzione sui cuscinetti.
Programma di testing ben coordinato
Per testare affidabilità e prestazioni, tutte le nuove unità sono state sottoposte a una procedura di test e validazione multi-fase della durata di due anni. La prima fase di validazione si è svolta in un ambiente virtuale, attraverso la simulazione computerizzata del design. SKF ha quindi testato i cuscinetti in condizioni di esercizio reali nel suo centro dedicato nei Paesi Bassi, la maggiore struttura di questo tipo in Europa. Le unità prototipo sono state montate sugli assali dell'ICE-4 e hanno operato per un equivalente di 800.000 km, durante i quali sono state accuratamente monitorate la temperatura e le prestazioni dei cuscinetti. Il test ha richiesto circa quattro mesi ed era stato concepito per riprodurre una vasta gamma di condizioni di esercizio. Ulteriori test sui cuscinetti montati su treni prototipo sono stati condotti da Siemens presso il suo centro di validazione a Wegberg-Wildenrath, in Germania, seguiti da test sul campo sulla rete di DB.
Componenti altamente efficienti per motore e cambio
Per quanto concerne le unità di trazione, SKF è stata scelta anche per la fornitura di cuscinetti a rulli conici ad alta efficienza energetica per gli alberi di uscita del cambio principale, con diametro foro da 240mm. “L'efficienza energetica costituisce un fattore critico di crescente importanza per gli operatori del settore ferroviario, poiché devono contenere i costi associati al ciclo di vita dei treni”, spiega Jochen Baum, Manager Drive Systems Competence Center, Railway Industry SKF.
“La soluzione SKF utilizza un cuscinetto a basso attrito con un design che viene utilizzato per la prima volta per un'applicazione ferroviaria – spiega Baum - L'impiego di cuscinetti a basso attrito contribuisce a prolungarne la durata di esercizio. Meno attrito significa temperature di esercizio più basse. Durante il ciclo di test del cliente, abbiamo potuto dimostrare che i nostri cuscinetti a basso attrito operano a temperature inferiori di almeno 30 gradi, rispetto ai cuscinetti tradizionali. Temperature di esercizio ridotte assicurano un vantaggio che potremmo definire come ‘margine di temperatura’, il quale rende i cuscinetti più robusti per resistere a condizioni svantaggiose a temperature elevate, come coppia/velocità variabili, alte temperature ambiente ed erogazione non ottimale dell'olio”. SKF ha anche specificamente modificato un cuscinetto radiale a sfere, progettato per resistere a carichi assiali per urto pesanti, e fornisce cuscinetti a rulli cilindrici per i motori di trazione del treno.
Estensione all'intera rete
Siemens ha fornito i primi treni prototipo a DB nel 2014, i test operativi sulla rete pubblica sono iniziati nel 2016 e l'ICE-4 entrerà ufficialmente in servizio nel 2017. SKF collaborerà a stretto contatto con Siemens e DB per monitorare le prestazioni dei cuscinetti durante le prime centinaia di migliaia di chilometri di percorrenza e, se le prestazioni sul campo corrisponderanno a quelle del periodo di prova, gli intervalli di manutenzione verranno gradualmente prolungati nel tempo.
“In questo tipo di applicazioni, è molto importante essere coinvolti fin dalle prime fasi”, spiega Schatzer. “In questo modo abbiamo potuto fornire consulenza non solo per la progettazione dei cuscinetti, ma anche per i componenti adiacenti, che spesso influenzano significativamente le prestazioni globali del sistema”. Inizialmente, l'ICE-4 sostituirà i treni della flotta attuale di Intercity ed Eurocity di DB, alcuni dei quali sono in servizio dagli anni '70. Nel tempo, il nuovo modello sostituirà anche l'ICE1 e l'ICE2, che incidono per il 70 percento circa del fatturato dell'azienda in termini di trasporti interurbani. DB ha ordinato 130 nuovi treni e concluso un accordo quadro con Siemens per l'eventuale fornitura di un numero di treni fino a 300.
