RICERCA ITALIANA     

Sistemi ferroviari avanzati per il trasporto merci. Capacità, affidabilità, tecnologie, analisi teoriche e sperimentazione.

Università degli Studi di Roma "La Sapienza"

Abstract

Il progetto di ricerca proposto si pone l’obiettivo di sviluppare metodi di progettazione per carrelli ferroviari per il trasporto merci ad alta affidabilità e capacità. L'obiettivo è in linea con i più recenti orientamenti dell'Unione Europea in materia di riordino del sistema di trasporto merci, conducendo principalmente a migliorare la convivenza su linee ferroviarie in comune di treni passeggeri e treni merci attraverso un aumento della velocità di questi ultimi ed in definitiva della capacità delle linee stesse.
Il tema sarà trattato ampiamente dal punto di vista tecnico. Saranno affrontati principalmente il ciclo di vita del carrello (fatica dei componenti e delle superfici di contatto), la dinamica di marcia (dinamica del treno completo, effetti delle irregolarità di binario e della frenatura, architettura dei carrelli, metodi di misura avanzati), la compatibilità con l'ambiente e con l'infrastruttura (emissione di rumore, danneggiamento delle rotaie).
Le quattro Unità di Ricerca coinvolte metteranno insieme le loro esperienze nei vari settori elencati e, con l'utilizzo sia di strumenti teorici che sperimentali, giungeranno alla produzione di una raccolta organica di criteri progettuali assieme a numerosi esempi correlati, utili sia al mondo accademico che a quello dell'industria per poter realizzare nuovi ed avanzati carri merci. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giuseppe Romolo CORAZZA Universita' degli Studi di ROMA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto di ricerca proposto si pone l’obiettivo di sviluppare metodi di progettazione per carrelli ferroviari per il trasporto merci ad alta affidabilità e capacità.
I metodi di progettazione riguarderanno numerose aree, nelle quali le Unità di Ricerca (UdR) coinvolte hanno già maturato una significativa esperienza. Le soluzioni ottimali ricercate dalle unità, singole o in cooperazione, avranno per oggetto gli obiettivi parziali nei quali si articola quello principale; essi sono appresso elencati:

1. ciclo di vita del carrello e della via
1a vita a fatica assili e sala nel suo complesso
1b vita a fatica delle fasce di rotolamento
1c vita a fatica del telaio del carrello e di sub-componenti
1d vita a fatica delle rotaie

2. dinamica di marcia
2a sistemi di misura dei parametri di interazione ruota/rotaia
2b architettura dei carrelli
2c profili delle fasce di rotolamento
2d effetti della difettuosità del binario
2e anti-serpeggio innovativi
2f effetti della frenatura sulla dinamica
2g dinamica del convoglio completo

3. emissione di rumore dei carrelli

Si ritiene di precisare che per soluzioni ottimali si intendono quelle che consentono al carrello ed al convoglio di raggiungere il miglior compromesso riguardo a:
§ affidabilità
§ disponibilità
§ manutenibilità
§ sicurezza
§ compatibilità con l’infrastruttura
§ compatibilità ambientale
§ costi <<<

Risultati parziali attesi

Al termine della prima fase sono attesi i seguenti risultati:
· saranno disponibili indicazioni sulla scelta dei tipi di acciaio ritenuti più idonei per l'assile e per le ruote, sulla possibilità di giungere alla progettazione dell'assile a "un milione di miglia", sul valore del "design maximum stress" in grado di garantire una lunga durata ai componenti
· saranno disponibili dati utili per le prove a fatica e dinamiche (principalmente, spettri di carico)
· i sistemi di misura delle forze, dello scartamento e dei profili avranno raggiunto un livello tale da poter effettuare prove in linea finalizzate alla produzione di spettri di carico specifici
· il banco statico in piena scala sarà idoneo alla taratura di sale di misura ancora più perfezionate
· il roller rig sarà pronto per la fase 2.8 (campagna di misure)
· saranno disponibili le specifiche progettuali di assili da valutare da parte dell'UdR n. 1 (fase 2.2) e di carrelli merci da valutare con prove di similitudine (UdR n. 3, fase 2.8)La seconda fase metterà a disposizione una serie di metodi ed assiemi di risultati necessari ad affrontare la fase 3, volta a raccoglierli ed a catalogarli in maniera organica.I risultati della fase 3 coincidono con i risultati finali previsti nell'obiettivo del progetto di ricerca. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Lo studio della dinamica ferroviaria per la progettazione di carrelli affidabili per elevate capacità di trasporto risulta di notevole interesse per il trasporto merci.
Sono a tutti noti i problemi di carattere ambientale e logistico posti dal trasporto merci, che oggi viene effettuato, per oltre il 90%, su gomma. Da tempo, nell'ambito degli organismi europei, è stata evidenziata la necessità di prevedere programmi che consentano lo sviluppo di metodologie di trasporto alternative a quella su gomma. Anche nel VI Programma Quadro Europeo come già nel V Programma Quadro Europeo è evidenziata la necessità di trasferire una parte considerevole del trasporto merci su gomma alla strada ferrata.
D'altra parte, è altresì noto che il trasporto merci su rotaia è attualmente frenato, nel suo sviluppo, a causa della rigidità del sistema che impone l'utilizzo delle medesime infrastrutture ferroviarie per il trasporto passeggeri e merci.
Le attività ed i settori già affrontati in precedenza e a vario titolo da parte delle Unità di Ricerca partecipanti, che stabiliscono il punto di partenza di questo progetto, sono:
- tecnologia dei materiali interessati
- modello di contatto ruota-rotaia;
- simulazione numerica del comportamento di veicoli ferroviari in scala su roller-rig;
- caratterizzazione e modellazione di elementi strutturali del carrello (modelli parametrici di telai carrello, ammortizzatori antiserpeggio - sistemi di sospensione con elementi ad attrito);
- progettazione e costruzione del banco prova "roller-rig" per carrelli ferroviari in scala 1:5
- sistema di rilievo ottico del profilo della rotaia e dello scartamento;
- procedure per l'analisi dinamica di sistemi di frenatura di convogli ferroviari;
- misure avanzate di interazione ruota-rotaia sul banco di taratura 1:1 e verifica in condizioni di esercizio reali su veicoli di vario tipo.
Lo stato dell’arte e le conoscenze acquisite relativamente alle aree tematiche definite nell’obiettivo della ricerca vengono qui brevemente riassunte. I dettagli e elenchi di pubblicazioni completi vengono riportati nei Modelli B presentati da ciascuna UdR.
1. ciclo di vita del carrello e della via
a) Durata degli assili
La UdR n. 1 ha affrontato in maniera approfondita le cause che portano alla rottura degli assili, ed ha presentato un'eccellente esperienza riguardante l'applicazione della tecnica di 'defect tolerant design'. Questa tecnica considera i difetti presenti al pari di cricche corte e basa la verifica a fatica sulla condizione di non propagazione di tale cricca [1, 2].
L'applicazione di questi concetti al caso di assili ferroviari ha fornito risultati molto interessanti [3, 4] permettendo di determinare la vita a fatica in presenza di inclusioni sotto-superficiali di assili realizzati con materiali ad alta resistenza.
b) Durata delle ruote
Nel caso delle ruote ferroviarie intervengono tipicamente tre meccanismi di fatica da contatto: fatica superficiale, dovuta a deformazioni plastiche significative; fatica sotto-superficiale, dovuta a gli sforzi di contatto sottosuperficiali e influenzata dalla presenza di piccoli difetti del materiale; fatica che si origina in corrispondenza di un difetto profondo, ma di dimensioni tali da poter propagare anche in presenza di sforzi bassi vale a dire lontano dalla zona di contatto. Ognuno di questi meccanismi è già stato studiato presso la UdR n.1.
In particolare, recentemente questa Unità ha presentato un modello completo di un importante meccanismo di danneggiamento delle ruote ferroviarie [5] e tale modello potrebbe essere applicato alle condizioni di carico tipiche dei treni merci ad alta capacità.
c) Impatto sull'integrità strutturale della linea ferroviaria
Un acciaio, come quello usato per la linea ferroviaria o per le ruote, è sottoposto a fatica da contatto, può presentare danneggiamento dovuto a ratchetting, fatica a basso numero di cicli o fatica ad alto numero di cicli.
La rottura per ratchetting è molto influenzata dalle forze di contatto e dall'attrito ruota-rotaia.
Il modello messa a punto da Kapoor e dai suoi collaboratori, sembra predire con accuratezza l'integrità strutturale in termini di durata del sistema ruota/rotaia. Questo approccio è stato applicato con successo dall’UdR n. 1 per valutare l'impatto sulla linea di nuovi veicoli tranviari [6, 7]: in particolare è stato implementato un algoritmo che permette di ottenere delle mappe di danneggiamento in funzione del profilo adottato.
L'impatto sulla linea può anche essere verificato sperimentalmente utilizzando il banco prove a fatica di armamenti e carrelli ferroviari.
2. dinamica di marcia
Le UdR coinvolte nel programma hanno sviluppato notevole esperienza nel settore della dinamica strutturale con particolare riferimento alla simulazione numerica, alla identificazione strutturale ed alle metodologie di misura. Nel settore specifico della dinamica ferroviaria, anche nell'ambito delle attività svolte nel corso del progetto COFIN2000 "Sistemi ferroviari avanzati per il trasporto merci ad elevata affidabilità e capacità di trasporto", particolare attenzione è rivolta allo studio della stabilità e della qualità di marcia mediante codici di calcolo dedicati e/o algoritmi opportunamente sviluppati [8, 9].
Le UdR hanno ad esempio analizzato separatamente e caratterizzato, mediante identificazione dinamica, alcuni componenti a comportamento non-lineare del carrello. In particolare si è approfondito lo studio del comportamento degli ammortizzatori antiserpeggio, nella loro versione classica [10], oppure con elementi ad attrito, specificamente studiati per il trasporto merci [11], [12]. Sono state inoltre definite: (i) una procedura di modellazione parametrica del telaio del carrello, utile all'analisi FE di differenti varianti della struttura in esame, con l'intento di valutare l'adeguamento strutturale del carrello ad un aumento sia della velocità di progetto che della portata utile; (ii) una procedura di analisi dinamica del sistema di frenatura dei carrelli ferroviari, dopo aver valutato le modifiche sostanziali da apportare all'architettura del carrello ed al sistema di frenatura per renderlo compatibile alle alte velocità di progetto [13, 14].
Naturalmente l'indagine non può essere limitata al solo carrello, ma deve essere estesa dapprima al sistema carro nel suo complesso e poi all'intero convoglio. Nel caso di un veicolo di trasporto passeggeri ad alta velocità è stato possibile effettuare un primo e incompleto confronto fra risultati ottenuti mediante simulazione numerica con i dati estratti dalle prove sperimentali [9].
Per quanto riguarda la conoscenza della reale interazione tra ruota e rotaia, questa è di fondamentale importanza nella odierna progettazione ferroviaria che punta a velocità di esercizio sempre più elevate. Già da alcuni anni sono state escogitate diverse metodologie sperimentali per valutare le forze scambiate nel contatto ruota rotaia, tra cui quella presentata dalla UdR n. 2 [15].
Sebbene queste tecniche risultino soddisfacenti nelle valutazioni di routine delle condizioni del binario o delle prestazioni del veicolo, nella ricerca scientifica ferroviaria l'esigenza di dati molto accurati nelle diverse condizioni di marcia richiede sia un ulteriore sviluppo dei metodi di indagine noti sia l'ideazione di nuovi approcci.
In particolare, si è visto che la valutazione delle forze di interazione tra ruota e rotaia non può prescindere dalla conoscenza della reale posizione del punto di contatto, per cui la descrizione completa di tale interazione risulta essere costituita non solo dalla misura delle componenti di tali forze di contatto ma, anche dalla differenziazione tra le diverse concause che a queste contribuiscono, come, ad esempio, le già citate condizioni marcia, di usura del binario, di più punti di contatto, e della cedevolezza sotto carico dell'insieme rotaia traversina massicciata.
Sono stati studiati modelli di contatto ruota-rotaia lineare e non lineare analizzando le teorie proposte da Kalker, De Pater e Polach mettendo a punto un modulo di contatto capace di simulare il comportamento di un rotabile sia su rotaia sia su roller-rig.
Il modello di contatto, attualmente implementato nel codice ADAMS ed in ambiente MATLAB, consente l'introduzione delle forze di contatto indipendentemente su ciascuna ruota, la variazione dei parametri geometrici e fisici (conicità, scartamento, parametri ORE, coefficiente di attrito, carico normale) e la simulazione su modelli in scala ridotta.
Il modello di contatto è stato utilizzato per la simulazione numerica del comportamento di veicoli ferroviari in scala su roller-rig. In particolare è stato creato un modello numerico dell'intera struttura del roller-rig, utilizzato in fase di pre-progetto, per confrontare le differenti tecniche di scalatura e per un corretto dimensionamento ed un'ottimizzazione degli elementi costruttivi del medesimo.
E' stata completata la progettazione dell'intero banco prova [16], ed è stato realizzato il banco prova per sala singola. Il banco è di concezione modulare, consentendo di effettuare simulazioni sperimentali di un singolo assile, di un intero carrello in rettilineo ed in curva (una volta introdotta la movimentazione dei rulli), semplicemente facendo uso parziale o totale dei moduli di cui è costituito il banco.
Per una corretta interpretazione dei risultati sperimentali, e anche per migliorare il modello del contatto ruota-rotaia, è necessario caratterizzare il binario in termini di profilo, dello scartamento e di deformabilità sotto carico.
I metodi di misura standard non forniscono informazioni sufficienti al fine di una caratterizzazione completa. I metodi ottici, già applicati in altri settori con successo, possono essere utilmente utilizzati per rilevare lo stato del binario con continuità durante il passaggio del convoglio, fornendo quindi le informazioni minime necessarie per una più corretta modellazione ed interpretazione dei risultati.
Molti metodi ottici per la misura delle forme e delle deformazioni prendono spunto dalle semplici considerazioni geometriche su cui si basa la fotogrammetria. Da queste basi comuni si sono sviluppati, grazie all'avvento delle tecniche digitali per l'acquisizione e l'elaborazione delle immagini, numerosi metodi di misura specializzati alla risoluzione di diverse classi di problemi [17, 18]. Tra questi, sono particolarmente significativi per la ricerca che ci si propone di portare avanti il metodo di visione tridimensionale detto a luce strutturata, le tecniche di cross-correlazione tra coppie di immagini stereoscopiche.
Alla base di un corretto utilizzo delle tecniche descritte c'è il problema della calibrazione. Infatti, per poter dare una corretta valutazione quantitativa delle dimensioni e della forma degli oggetti acquisiti è necessario conoscere con esattezza i parametri ottici e geometrici che descrivono le telecamere. Numerosi metodi per la determinazione sperimentale dei parametri di calibrazione sono reperibili in letteratura.
Un primo prototipo di tale apparecchiatura è stato realizzato e testato sul "roller-rig". Le prime prove effettuate hanno permesso la messa a punto dell'algoritmo di elaborazione, nonché di evidenziare l'elevata sensibilità delle tecnica utilizzata ma anche le oggettive difficoltà di calibrazione dello strumento. <<<