Impianto frenante per treni merci lunghi

Oggigiorno, la tendenza è quella di avere un trasporto delle merci che sia veloce e con una maggiore quantità possibile di materiale trasportato. Quindi, la tendenza, o meglio l’idea, è quella di aumentare la velocità di percorrenza dei treni merci aumentando anche la loro lunghezza.

Questa esigenza nasce dal continuo investimento nell’alta velocità che presto proietterà l’Italia verso gli altri Paesi Europei e, per questo motivo, l’adeguamento degli odierni carri merci è obbligatorio.

In realtà, se noi pensassimo di far circolare in Italia treni merci di 2000 metri, saremmo molto lontani da quella che è la realtà. Oltre a un problema di composizione di treni cosi lunghi, sulla rete ferroviaria italiana si ha un problema di base, cioè la lunghezza delle stazioni. Infatti, in esse la massima lunghezza concessa a un treno è dell’ordine di 600-700 metri, per un problema di apertura e chiusura del segnale a monte e a valle della stazione stessa.

I problemi nella realizzazione di questo tipo di treni sono principalmente legati alla frenata oltre che ai vincoli di stazione sopra citati e a vincoli di trazione.

Ed infatti, durante la frenata ci si imbatte inevitabilmente in un ritardo nello svuotamento della condotta generale, che, a sua volta, si trasforma in un ritardo nella propagazione della frenata. Ciò provoca l’insorgere di forze longitudinali dovute al fatto che i carri in coda al treno, a causa del ritardo nell’attivazione dell’impianto frenante, continuano a spingere, a differenza dei carri in testa al treno che frenano. Questo fenomeno è da evitare in quanto estremamente pericoloso, infatti nelle ipotesi più gravi potrebbe portare anche al deragliamento del treno.

Per questi motivi, la realizzazione di un dispositivo a comando pneumatico per il controllo della frenata di treni merci lunghi risulta essere un buon investimento nell’ottica di aumentare notevolmente la capacità di trasporto degli odierni treni merci.

AMESim

Per la definizione dei dispositivi che possano risolvere i problemi inerenti la frenata dei treni merci lunghi è stato utilizzato il programma AMESim (Advanced Modeling Environment for performing Simulations, cioè ambiente avanzato di modellazione per l’esecuzione di simulazioni di sistemi di ingegneria), che grazie alla sua completa libreria, permette di modellare dei modelli dai quali ottenere simulazioni molto interessanti e prossime alla realtà.

Il programma utilizza dei simboli per rappresentare i singoli componenti all’interno del sistema, i quali possono essere basati sui simboli standard utilizzati nel campo dell’ingegneria, come simboli ISO, simboli dei componenti pneumatici, idraulici, termici o simboli di diagramma a blocchi per il controllo dei sistemi. La libreria di questo programma si suddivide molto bene a seconda del campo in cui si va a operare. Nel nostro caso operiamo nel campo pneumatico la cui libreria risulta molto completa, avendo tutti i componenti fondamentali per la costruzione di un modello.

Nell’utilizzazione di AMESim per la costruzione di alcune parti di sistemi di ingegneria si utilizza un’area di disegno sulla quale vengono aggiunti simboli o icone per la realizzazione del modello voluto. Quando il disegno, quindi il modello, è completo, la simulazione del sistema procede attraverso le seguenti fasi:

·         Descrizioni matematiche dei componenti utilizzati nel sistema.

·         Impostazione delle caratteristiche dei componenti.

·         Avvio della simulazione.

·         Realizzazione dei grafici per l’interpretazione del comportamento del sistema.

Tutte le fasi da effettuare per la realizzazione di un modello sono ben suddivise, permettendo una costruzione progressiva dove, in ogni step abbiamo ben esposti i passi da fare.

Frenatura

In ogni singolo rotabile è presente la condotta generale munita alle estremità di rubinetti d’intercettazione e semiaccoppiatori flessibili, che collegano tra loro i vari vagoni e la locomotiva. Collegato alla condotta generale si trova il distributore, cui fanno capo il serbatoio ausiliario, il serbatoio di comando e il cilindro del freno; il cilindro freno muove la timoneria di comando dei ceppi o delle pinze dei freni. La locomotiva comprende, inoltre, il compressore, che ricarica il serbatoio principale e il rubinetto di comando. Il macchinista comanda la frenatura agendo sul rubinetto, che determina le variazioni di pressione della CG ponendola in collegamento con l’atmosfera o con il serbatoio principale.

Per frenare, il macchinista, tramite il rubinetto di comando del freno scarica aria diminuendo la pressione nella condotta generale a seconda dell’entità della frenatura che deve effettuare.

La massima frenatura si ottiene inducendo nella condotta generale una depressione di 1,5 bar. Questa caduta di pressione nella CG porta il distributore a reagisce scaricando l’aria contenuta nel serbatoio ausiliario nel cilindro del freno, determinando quindi la frenatura (fig. 1).

Fig. 1 – Schema di frenatura: 1. Condotta generale. 2. Rubinetti d’intercettazione. 3. Distributore. 4. Serbatoio Ausiliario. 5. Serbatoio di Comando. 6. Cilindro Freno.

In questo lavoro la condotta generale è l’elemento principale per lo studio della propagazione della frenata lungo tutto il convoglio. In effetti, dal rubinetto di comando la condotta generale si estende per tutto il treno, percorrendo ogni veicolo in tutta la sua lunghezza da una testata all’altra. La condotta generale è costituita, sia sui veicoli che sulla locomotiva, da un tubo metallico, che garantisce una perfetta tenuta senza andare a opporre una eccessiva resistenza all’efflusso dell’aria compressa. Si adoperano, a tale scopo, dei tubi di ferro trafilati senza saldatura.

Per stabilire la continuità della condotta da un veicolo all’altro si fa uso di due accoppiamenti flessibili costituiti essenzialmente da un tubo robusto in gomma, ricoperto da una fodera impermeabile avente da una parte un raccordo filettato per l’unione con l’estremità della condotta e dall’altra da una testa di accoppiamento (fig. 2).

Fig. 2 – Parte terminale della condotta generale di un carro merci. Su di essa verrà montato l’accoppiamento flessibile.

Simulazione frenatura treni merci

Partiamo dall’analizzare un convoglio di carri merci in composizione normale; si simulerà un treno di carri merci lungo 500 metri analizzando le caratteristiche di svuotamento della condotta generale. In questo modo valuteremo qual è il ritardo normalmente accettato nell’attivazione dei freni fra testa e coda del treno.

Il modello utilizzato per questa simulazione è composto molto semplicemente da una valvola di scarico che simula il rubinetto posto sulla motrice e da una condotta di 500 metri. Questo modello verrà utilizzato anche per osservare, molto più nel dettaglio, il comportamento di un convoglio di 2000 metri andando a modificare esclusivamente la lunghezza della condotta generale.

Il ritardo ammesso durante una frenata di emergenza fra la testa e la coda del treno si aggira intorno ai 6 secondi. Questo è quello che succede nei normali convogli merci con una lunghezza di 500 metri dotati di un classico sistema frenante.

Passiamo ora ad analizzare un ipotetico convoglio composto da 200 carri, ognuno di lunghezza pari a 10 metri, quindi con una lunghezza complessiva pari a 2000 metri trascurando la motrice. Per visualizzare meglio il ritardo della propagazione della frenata immaginiamo di dividere il convoglio in dieci gruppi in modo da avere in ogni gruppo venti carri.

Se si cerca di effettuare una frenata con un sistema classico, cioè con lo scarico effettuato esclusivamente sulla motrice, incorreremo in problemi durante la frenata. Tutto ciò si simula semplicemente con una valvola pneumatica normalmente chiusa che al momento della frenata viene aperta mandando in scarico la condotta generale. Per semplicità, la simulazione si sofferma solo ad analizzare l’azione di frenata andando a tralasciare la sfrenata, che è decisamente meno importante, quindi si parte già con una condotta in pressione. Siamo nella condizione in cui il treno è in movimento e si presta a effettuare una frenata di emergenza che è quella più pericolosa.

Fig. 3 – Tempo di frenata di un treno di 2000 metri con impianto frenante classico suddiviso in sottogruppi.
Curve: 1. Andamento della pressione in testa al treno;
2. Andamento della pressione dopo 200 metri;
3. Andamento della pressione dopo 400 metri;
4. Andamento della pressione dopo 600 metri;
5. Andamento della pressione dopo 800 metri;
6. Andamento della pressione dopo 1000 metri;
7. Andamento della pressione dopo 1200 metri;
8. Andamento della pressione dopo 1400 metri;
9. Andamento della pressione dopo 1600 metri;
10. Andamento della pressione dopo 1800 metri;
11. Andamento della pressione in coda al treno.

In figura 3 si può osservare quali sono i risultati della simulazione. Senza ombra di dubbio, salta subito all’occhio come questo sistema sia completamente inadeguato nelle frenate di lunghi convogli. Si può osservare come nei primi tre gruppi, cioè nei primi 60 carri corrispondenti a 600 metri, il ritardo sia contenuto intorno ai 10 secondi, ma man mano che ci spostiamo verso la coda del treno il ritardo cresce raggiungendo valori inaccettabili per una frenata in sicurezza.

In queste condizioni, i primi carri inizieranno a frenare senza problemi, ma i carri successivi accumuleranno un ritardo di frenata che comporterà l’insorgere di forze longitudinali che possono portare anche al deragliamento.

Il grafico evidenzia, inoltre, che la simulazione parte dopo 5 secondi dall’avvio del programma, ma questo dipende solo dall’attivazione della valvola di scarico posta sulla motrice.

Rispetto al caso precedente qui abbiamo un ritardo tra testa e coda del treno di circa 50 secondi, tempo del tutto inaccettabile. A questo punto non rimane che introdurre i due modelli studiati per risolvere il problema dello svuotamento della condotta generale nei treni lunghi, andando ad analizzare attentamente l’andamento delle pressioni lungo la condotta.

Impianto frenante con scarichi intermedi per salti di pressione

La suddivisione del convoglio rimane sempre quella di dieci gruppi composti da venti carri. Questa scelta risulta essere conveniente soprattutto per quanto riguarda la simulazione. Infatti, andare a creare un modello troppo complesso comporta dei tempi di simulazione estremamente lunghi senza ottenere dei riscontri positivi.

Il primo tentativo è stato quello di inserire tra un gruppo e l’altro una valvola di scarico ulteriore rispetto a quella posta sulla motrice. Da questo intervento si spera di ottenere una riduzione sostanziale del tempo di svuotamento della condotta generale, ma ancor di più una propagazione della frenata più omogenea.

Il problema principale è quello di comandare la valvola in modo che questa si attivi e disattivi nel modo corretto.

Prima di tutto, andiamo a vedere il modello pneumatico pensato per risolvere il problema, in seguito questo modello sarà elaborato in AMESim per una possibile simulazione.

Fig. 4 – Circuito pneumatico dello scarico intermedio per salti di pressione durante una frenata.

Nella figura 4 è visibile uno schema pneumatico dello scarico a comando per salti di pressione che ci permette di comprendere più semplicemente come funziona il sistema, e come questo dispositivo vada a risolvere i problemi inerenti le frenate dei treni merci lunghi.

Ai capi dei due nodi, sono collegate le condotte generali di due carri consecutivi mediante gli accoppiatori flessibili, quindi alla condotta generale non viene apportata nessuna modifica, in conclusione troviamo tra due carri questo dispositivo che ci permette di avere un ulteriore scarico. Ora si analizzerà ogni singolo elemento per cercare di capire come possa funzionare questo modello (fig. 5).

Fig. 5 – Modello di scarico intermedio per salti di pressione.

1.   Valvola di non ritorno. Questa è indispensabile per la fase di sfrenata, infatti permette all’aria spinta dal compressore posto sulla motrice di proseguire il cammino verso la coda del treno in modo da mandare in pressione la condotta generale e quindi di sfrenare il treno.

2.   Regolatore di flusso. Questo elemento mi permette, in fase di frenata, di creare una differenza di pressione tra il nodo 1 con il nodo 2, quindi sfruttando questa salto potremo comandare lo scarico.

3.   Valvola pneumatica con sezione anulare. Consente in seguito a una forza applicata verso sinistra di aprire un passaggio verso l’esterno e quindi di mandare in scarico il nodo 1. Cilindro a semplice effetto. Collegato al nodo 1 è il primo a sentire la depressione.

4.   Cilindro a semplice effetto. Collegato al nodo 2, su esso agisce una pressione maggiore indotta dal regolatore di flusso 2.

5.   Massa. Permette l’applicazione di forze nelle due direzioni.

6.   Valvola pneumatica con sezione anulare. Consente in seguito a una forza applicata verso sinistra di aprire un passaggio verso l’esterno e quindi di mandare in scarico il nodo 2.

Procediamo a questo punto analizzando il funzionamento dell’intero modello partendo dalla frenata che è la condizione che ci interessa maggiormente.

Immaginiamo, quindi, che a sinistra del nodo 1 ci sia la motrice, mentre a destra del nodo 2 ci sia la coda del convoglio. In fase di frenata, con l’apertura della valvola di scarico posta sulla motrice, si mette in scarico il primo tratto della condotta generale e quindi arriviamo al nodo 1 che è il primo a sentire la depressione. Avremo ai capi dei cilindri 4 e 5 due segnali di pressioni riferiti al nodo 1 e al nodo 2. Il segnale proveniente dal nodo 2 risulta essere maggiore rispetto al segnale del nodo 1, questo grazie al regolatore di flusso che volontariamente crea questo salto di pressione. Di conseguenza, abbiamo sui cilindri due spinte opposte, dove fra le due prevale quella verso sinistra, quindi avremo lo spostamento dell’intero elemento verso sinistra. Questo provoca l’apertura delle valvole di scarico 3 e 7, dove la valvola 3 manda in scarico il nodo 1 mentre  la valvola 7 manda in scarico il nodo 2. Le suddette valvole rimangono aperte grazie anche al ritardo ovvio del nodo 2 rispetto al nodo 1.

Fig. 6 – Modello completo del treno merci di 2000 metri con scarichi intermedi per salti di pressione.

In figura 6 possiamo osservare nella sua completezza questo modello che è stato sezionato in tre parti esclusivamente per questioni di visualizzazione.

Inoltre come si vede dal modello completo sono stati aggiunti dei limitatori di flusso a monte di ogni valvola di scarico per permettere la sfrenata in modo corretto.

Con questo stratagemma si rende la frenata di un convoglio di carri merci tutto sommato molto omogenea. Inoltre tra l’attivazione dei freni dei primi carri e l’attivazione dei freni dei carri in coda passano solamente poco meno di 3 secondi contro i quasi 50 secondi che avevamo nel sistema classico visto in precedenza.

Riassumendo, fra testa e coda del treno ci sarà un ritardo intorno ai 3 secondi come si evince dalla figura 7, quindi avremo un comportamento migliore rispetto al convoglio di 500 metri con impianto classico.

Fig. 7 – Tempo di frenata di un treno di 2000 metri con impianto frenante a scarichi intermedi per salti di pressione con corsa del pistone modificata, con un tempo di risoluzione della simulazione di 0,05 secondi.
Curve: 1. Andamento della pressione in testa al treno;
2. Andamento della pressione dopo 200 metri;
3. Andamento della pressione dopo 400 metri;
4. Andamento della pressione dopo 600 metri;
5. Andamento della pressione dopo 800 metri;
6. Andamento della pressione dopo 1000 metri;
7. Andamento della pressione dopo 1200 metri;
8. Andamento della pressione dopo 1400 metri;
9. Andamento della pressione dopo 1600 metri;
10. Andamento della pressione dopo 1800 metri;
11. Andamento della pressione in coda al treno.

Impianto frenante a scarichi intermedi per velocità di svuotamento

Si analizzerà ora un nuovo modello che ci permette di avere sempre degli scarichi intermedi, ma a differenza del modello precedente, che sfrutta dei salti di pressione ai capi dei collegamenti tra carri, questo entra in funzione in base alla velocità di svuotamento della condotta generale.

In figura 8 si vede lo schema pneumatico del modello dello scarico a comando per velocità di svuotamento che fornisce, anche in questo caso, una visualizzazione più classica del modello.

Fig. 8 – Circuito pneumatico dello scarico intermedio per velocità di svuotamento durante una frenata.

A questo punto analizziamo nello stesso modo seguito in precedenza, il modello AMESim nel funzionamento di frenata. Il modello sviluppato è visibile in figura 9.

Fig. 9 – Modello di scarico intermedio per velocità di svuotamento.

Analizziamo le sue parti in base ai punti presenti in figura:

1.   Rappresenta il collegamento tra un carro e il successivo attraverso la condotta generale.

2.   Regolatore di flusso che regola lo svuotamento di un cilindro di destra in modo da comandare l’attivazione dello scarico.

3.   Cilindri a semplice effetto contrapposti. Durante la frenata, sul cilindro di destra agisce una pressione maggiore rispetto al cilindro di sinistra indotta dal regolatore di flusso 2. Quindi i cilindri si spostano verso sinistra andando ad attivare lo scarico.

4.   Massa. Permette l’applicazione di forze nelle due direzioni.

5.   Valvola pneumatica con sezione anulare. Consente in seguito a una forza applicata verso sinistra di aprire un passaggio verso l’esterno e quindi di mandare in scarico la condotta generale.

Si analizza ora il funzionamento. In seguito all’azione di frenata da parte del macchinista in testa al treno, la condotta generale inizia a svuotarsi. A questo punto anche le camere dei cilindri 3 tendono a svuotarsi in modo diverso fra di loro. In effetti, il cilindro di destra si svuota più lentamente rispetto al cilindro di sinistra grazie al limitatore di flusso 2. La differenza di pressione tra le due camere comporta uno spostamento verso sinistra dell’elemento centrale che permette l’apertura della valvola 5 mettendo in scarico la condotta generale.

Fig. 10 – Modello completo del treno merci di 2000 metri con scarichi intermedi per velocità di svuotamento.

In figura 10 possiamo vedere il modello completo che ci permette di simulare la frenata. Complessivamente, esso risulta meno complesso di quello con scarichi intermedi per salti di pressione, anche perché qui vengono utilizzati un minor numero di elementi.

Un importante aspetto di questo sistema frenante a scarichi intermedi  per velocità di svuotamento è quello di permettere di avere uno scarico in coda. In questo modo, non si avrà più il ritardo riferito all’ultimo gruppo di carri che compariva nella simulazione del modello visto nel paragrafo precedente.

Dal modello completo si vede che è stato aggiunto un limitatore di flusso a monte di ogni valvola di scarico per permettere la sfrenata in modo corretto.

Fig. 11 – Tempo di frenata di un treno di 2000 metri con impianto frenante a scarichi intermedi per velocità di svuotamento con corsa del pistone modificata, con un tempo di risoluzione della simulazione di 0,01 secondi
Curve: 1. Andamento della pressione in testa al treno;
2. Andamento della pressione dopo 200 metri;
3. Andamento della pressione dopo 400 metri;
4. Andamento della pressione dopo 600 metri;
5. Andamento della pressione dopo 800 metri;
6. Andamento della pressione dopo 1000 metri;
7. Andamento della pressione dopo 1200 metri;
8. Andamento della pressione dopo 1400 metri;
9. Andamento della pressione dopo 1600 metri;
10. Andamento della pressione dopo 1800 metri;
11. Andamento della pressione in coda al treno.

In figura 11 si analizzano i risultati della simulazione che permettono di constatare che lo svuotamento della condotta generale è molto omogeneo avendo, quindi, una attivazione dell’impianto frenante senza significativi ritardi. È da notare come l’ultimo gruppo di carrozze (curva 11) si attivi più velocemente di quelle precedenti; questo perché nell’ultimo scarico non si avrà più un tratto consecutivo della condotta da svuotare, ma avremo solo il precedente.

In definitiva, avremo un ritardo di attivazione dell’impianto frenante, fra testa e coda del treno, di circa 1,5 secondi.

Conclusioni

Con questo lavoro si sono raggiunti i risultati prefissati, cioè riuscire a definire dei modelli mediante i quali si possa effettuare una frenata di un treno merci di lunghezza elevata senza incorrere in grosse forze longitudinali che comporterebbero sicuramente il deragliamento del treno.

In effetti, i risultati ottenuti mediante le simulazioni dimostrano una buona compatibilità del modello con il sistema frenante classico andando a migliorare lo svuotamento della condotta generale. Con questi due modelli si riesce a ottenere una propagazione della frenata  lungo tutto il convoglio molto veloce, che permette, a sua volta, di ottenere una frenata omogenea.

In conclusione vorrei esprimere la mia soddisfazione nella realizzazione di questo lavoro, che ha permesso, a mio parere, di ottenere dei buoni risultati e nella speranza che quanto scritto su questo elaborato attraverso grafici, schemi e disegni, possa un giorno “correre sui binari insieme al treno appeso per un tubo”.

2 Commenti

  1. ottimo ai fini della frenatura, ma nelle successive sfrenature, in modo particolare per le discese continuate (dove occorre procedere con successive scariche e ricariche onde favorire le necessarie oscillazioni di velocità ad evitare il surriscaldamento dei ceppi) si ha l’ inconveniente che con un treno così lungo non si realizzino le sfrenature complete con conseguente riscaldo anomalo e perdita di efficacia frenante oltre al fatto che sfrenando con tempi diversi la prima parte del treno rispetto alla coda si hanno anomale tensioni sugli organi di aggancio magari anche con possibili rotture.

  2. Non capisco se per avere la massina frenata si deve solo svuotare la CG, oppure si deve fare il vuoto di 1,5 bar. Se si fa il vuoto, allora la locomotiva è dotata anche di pompa di vacuum?

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