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COUNCIL OF INTERMODAL SHIPPING CONSULTANTS	ANNO XXXVI - Numero 15 GIUGNO 2018

TRASPORTO FERROVIARIO

IL PASSO DEL BRENNERO PUÒ MOVIMENTARE TRENI MERCI PIÙ PESANTI?

Un recente studio della Prose e della società italiana Rail Traction Company rivela come sia possibile per un treno merci da 2.200 tonnellate attraversare con successo il Passo del Brennero al confine italo-austriaco.

Robin Wetter, ingegnere del reparto esecuzioni dinamiche della Prose, delinea il progetto in dettaglio.

* * *

I treni merci sperimentano le proprie più elevate forze longitudinali nel corso della frenata rapida e quando hanno a che fare con curve che presentano piccoli raggi.

La massime forze longitudinali gestite dai respingenti e dai ganci di trazione in tali situazioni limitano il possibile peso massimo complessivo di questi treni.

In tale contesto, la Prose è stata incaricata dall'operatore ferroviario di trasporto merci con sede in Italia RTC (Rail Traction Company) di analizzare la dinamica longitudinale del treni merci pesanti e di occuparsi della questione relativa a se sia possibile condurre in sicurezza un treno da 2.200 tonnellate lungo il Passo del Brennero, che comprende in sé una pendenza del 22,50/00.

I treni che utilizzano il corridoio del Brennero dal lato italiano sono attualmente limitati a 1.500 tonnellate quando viaggiano in salita ed a 1.600 tonnellate quando lo fanno in discesa.

Sono state pertanto condotte estensive simulazioni della linea con corpi interconnessi per vedere se sia fattibile un incremento del peso.

Le elevate forze longitudinali del Passo del Brennero inevitabilmente si verificano nel corso della procedura di frenata di emergenza.

Normalmente, la frenata parte dalla sezione anteriore del treno.

Questo comporta un movimento tipo fisarmonica in cui i carri trainati premono sui carri di testa e sulla locomotiva di testa.

Le forze sui respingenti ed i ganci di traino si incrementano notevolmente anche quando il treno impegna una curva.

Ciò è dovuto al movimento relativo dei carri vicini, il quale comporta deflezioni cinematiche dei respingenti laterali e dei ganci di traino.

I ganci di traino saranno soggetti a forze di tensione ed i respingenti della rotaia interna saranno pressati assieme a loro.

Quando tali fattori si combinano, si realizza uno scenario in cui le forze massime che si verificano inducono l'effettuazione di una frenata di emergenza in curva.

Questo solleva la questione di come le variazioni nel punto di partenza della frenata possono influenzare le forze massime manifestate.

La forza massima si verificherà se la frenata comincia all'inizio della curva o se inizierà dopo?

Nel progetto originale sono state sottoposte ad indagine cinque configurazioni di treno.

Tuttavia, qui ci concentreremo su un treno composto da carri Eaos, dal momento che le loro prestazioni possono essere considerate tipiche per i treni merci.

Il carro merci Eaos è un tipo di carro merci aperto a quattro assi e viene usato da numerose società ferroviarie europee per il trasporto di carbone, minerali di ferro, pietre, metalli di scarto, legno ed altre materie prime simili.

Il treno consiste di una singola locomotiva di testa, che presenta caratteristiche simili ad una Siemens E189, 27 carri merci ed un'altra locomotiva dello stesso tipo in coda al treno.

Il peso complessivo del treno è di 2.331 tonnellate e si presume che tutti i carri siano equipaggiati con gli stessi congegni: respingenti di categoria A secondo lo EN 15551:2009 e ganci di traino di tipo 1 MN ai sensi dello EN 15566: 2016.

In tutti i carri vengono utilizzati carrelli del tipo Y25, mentre su tutti i carri e le locomotive si adottano freni del tipo G.

In cooperazione con le RTC, si presume che essi abbiano lo stesso tempo di effettuazione della frenata ma che essi si attivino in momenti diversi a causa del ritardo provocato dalla trasmissione della caduta di pressione nella condotta del freno.

Poiché il gradiente di pressione del freno G difficilmente muta fra i carri, si presume che sia costante per ogni carro.

Il tempo minimo per riempire il 95% del cilindro del freno è di 18 secondi, mentre il tempo massimo è di 30 secondi.

Le forze frenanti si incrementano linearmente fino ad un valore massimo che è determinato da un approccio analitico che considera la definizione del freno "P" come viene intesa nei test del mondo reale.

La configurazione del binario consiste in una sezione rettilinea che porta ad una curva di 280 metri attraverso una curva di transizione.

Inoltre, si parte dal presupposto che la pendenza sia del 22,50/00.

Inizialmente il treno viaggia ad una velocità di 75 km/h con entrambe le locomotive che frenano utilizzando freni elettrodinamici (freni ED).

Quando comincia la frenata di emergenza, viene dato il via all'esecuzione della frenata pneumatica sulla locomotiva di testa ed entrambi i freni ED vengono disattivati.

I carri frenano con uno specifico ritardo temporale.

Allo scopo di identificare le forze massime in gioco, il punto d'inizio di quando il macchinista effettua una frenata d'emergenza varia.

L'obiettivo del test dal punto di vista della sicurezza è quello di evitare un danno ai veicoli.

Vengono considerati i seguenti valori quali rispettivi valori limite nel corso dell'effettuazione della frenata d'emergenza lungo la curva:

Gancio di traino: si sceglie il valore limite per gli accoppiamenti a vite di 180 kN per 106 cicli di carico ai sensi dello EN 15566.

Il valore di 180 kN è una combinazione del valore da picco a picco nel test pari a 170 kN ed un carico minore, che non dovrebbe essere inferiore a 10 kN e non superiore a 50 kN.

In questo caso, si sceglie il più sensibile limite inferiore per valutare i risultati.

Tuttavia, quando si tratta di confrontarlo con un caso specifico, dev'essere identificato il limite applicabile agli accoppiamenti a vite installati sui veicoli.

Inoltre, occorre verificare se gli eventi in cui questo limite viene superato accadono frequentemente o no e se essi comportano conseguenze sul ciclo vitale del mezzo.

Respingente: si sceglie il valore limite della forza respingente di 250 kN per 3x105 cicli di carico secondo la forza F6 ai sensi dello EN 15551.

Inoltre, nel corso dei test del ciclo vitale si applica un valore limite della forza numero 5 pari a 250 kN.

Nel corso del test la forza aumenta da 50 a 250 kN.

Nondimeno, il test viene effettuato a richiesta del cliente e si raccomanda che tale valore venga mantenuto.

Tuttavia, è necessario considerare se i respingenti che vengono installati sui veicoli siano stati progettati per soddisfare o meno tale requisito.

Per calcolare un modello numerico e fornire una simulazione, la Prose ha utilizzato un software MBS (sistema di simulazione per multicorpi), il Simpack.

Un abbozzo del modello tipico è riportato nella figura 1.

Il numero di carri comporta un elevato impegno di calcolo nella simulazione per multicorpi, il che significa che il livello di dettaglio dei modelli di simulazione viene corretto con riguardo ai requisiti di investigazione.

Nella prima fase, vengono eseguite simulazioni preliminari per determinare la resistenza in curva dei carri merci e delle locomotive specifici.

Perciò vengono utilizzati modelli in 3D che comprendono il contatto rotaia-ruota.

Nella seconda fase, viene determinata la posizione dell'inizio della frenata che comporta le forze più elevate.

A tale proposito, viene utilizzato un cosiddetto modello a 1D dell'intero treno in cui l'impegno della curva viene considerato utilizzando i risultati della fase 1.

In tale contesto, il termine 1D si riferisce al grado longitudinale di libertà dei carrelli e delle coppie di ruote lungo il binario in curva a livello orizzontale e verticale.

Risultati

La figura 2 mostra le forze massime del respingente e del gancio di traino in funzione della posizione del carrello anteriore della locomotiva di testa, Bo1, quando inizia la frenata.

Qui, s=0 m descrive il caso in cui il primo carrello Bo1 raggiunge il culmine di curvatura.

Come ci si aspettava, essa mostra che le forze sono più elevate nel respingente destro quando il treno impegna una curva a destra.

In entrambi i lati (destro e sinistro) la forza massima inizialmente si incrementa seguendo la posizione in aumento dell'avvio della frenata.

Per il respingente destro, una forza massima di 133,4 kN si raggiunge con s=192 m.

Per il respingente sinistro, una forza massima di 108,5 kN si raggiunge con s=82,4 m.

Dopo il punto apicale, le forze massime decrescono in entrambi i casi e si stabilizzano a s›470 m.

Anche la figura 2 mostra che la tendenza della forza del gancio di traino consiste di due elementi stabili con valori pressoché costanti, in cui una forza più elevata viene raggiunta per le posizioni di frenata quando s›470 m.

La forza massima per il gancio di traino pari a 164,3 kN viene raggiunta quando s›695,4 m.

Se la frenata inizia mentre il treno merci impegna una curva, le forze respingenti saranno in una sovrapposizione delle deflezioni cinematiche dei respingenti e le forze complessive saranno indotte dalla spinta dei veicoli trainati verso i veicoli di testa, dove la frenata è già iniziata.

Nei casi in cui la frenata inizi prima che venga raggiunta la posizione massima, parte del treno decelererà quando entrerà in curva ed i respingenti avranno disperso un po' dell'energia del movimento a fisarmonica che segue l'esecuzione della frenata.

Se la frenata inizia dopo il raggiungimento della posizione massima, quasi l'intero treno ha già fatto ingresso in curva.

Di conseguenza, i respingenti sono già spinti l'uno contro l'altro dalla deflezione cinematica.

Si potrebbe sostenere che in questa situazione la sovrapposizione della frenata non incrementerà poi di molto le forze, perché il livello della forza dei respingenti è già alto e l'accelerazione indotta dalla frenata sarà inferiore a quel caso massimo.

Quindi, la forza massima viene raggiunta in mezzo a questi due scenari, una situazione in cui la sovrapposizione di entrambi gli effetti induce le forze più elevate.

Considerate le dimensioni dei treni Eaos e la lunghezza della curva di transizione, si potrebbe concludere che le forze dei ganci di traino sono più elevate se la frenata inizia dopo che o mentre la locomotiva in coda ha fatto ingresso nella curva.

Poiché la posizione di frenata non ha alcun influsso sulla forza massima del gancio di traino per s›470 m, può concludersi che la forza massima del gancio di traino è data dalla sovrapposizione del freno ED della locomotiva di testa e la deflezione cinematica del gancio di traino quando la locomotiva di coda entra in curva.

Viceversa, la forza massima decresce se la frenata inizia prima che la locomotiva di coda entri in curva.

Per il treno di carri Eaos, i valori massimi nei respingenti (133,4 kN) e del gancio di traino (164,3 kN) non superano i valori limite di 250 kN per i respingenti e 180 kN per il gancio di traino.

(da: railjournal.com, 6 giugno 2018)