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5. Veicolo ferroviario Le parti principali di un veicolo ferroviario sono: gli organi di trazione e di repulsione; la cassa; il telaio; la sospensione; il rodiggio.

5.1 tipologie I veicoli ferroviari possono essere classificati secondo diversi criteri:

• in relazione allo struttura si distinguono veicoli ad assi e veicoli a carrelli. • in relazione alla capacità di trazione si distinguono veicoli motori e veicoli

rimorchiati. I veicoli motori a loro volta possono essere suddivisi in veicoli motori veri e propri che hanno solo funzioni di trazione (locomotive) o veicoli motori che hanno anche funzioni di trasporto di passeggeri e merci (automotrici, elettromotrici, ecc.). In relazione al tipo di energia di alimentazione si hanno veicoli con motori elettrici e veicoli con motori diesel. In questi ultimi il motore diesel può essere collegato alle ruoti attraverso dispositivi meccanici di trasmissione del moto oppure collegato ad un generatore di energia elettrica con la quale vengono alimentati i motori elettrici di trazione. I veicoli rimorchiati sono poi distinti in funzione del tipo di carico trasportato in passeggeri e merci. L'insieme dei veicoli ferroviari viene anche comunemente denominato materiale rotabile. In generale i veicoli possono essere raggruppati e collegati tra loro per formare convogli la cui composizione, a differenza dei veicoli stradali, pub comprendere uno o più veicoli motori ed uno o più veicoli rimorchiati. I veicoli ferroviari sono veicoli a guida vincolati per quali la funzione di guida e di mantenimento della traiettoria è esercitata dalla via. Ciò, oltre a consentire la realizzazione di convogli di lunghezza teoricamente illimitata (il limite è dato solo dai vincoli imposti dalle caratteristiche della via come ad esempio la lunghezza dei binari nelle stazioni e dalla potenza del sistema di trazione), rende possibile la reversibilità

del senso di marcia senza modificare la composizione del convoglio. La struttura più semplice del veicolo ferroviario è quella di una cassa appoggiata a due assi. Il collegamento tra cassa ed assi avviene tramite l'interposizione di elementi elastici che costituiscono la sospensione. Per ripartire i carichi su un maggiore numero di appoggi (caso

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dei carri merci destinati sl trasporto di masse elevate o delle locomotive) o per aumentare il comfort e la qualità di marcia (caso delle carrozze per il trasporto viaggiatori) gli assi possono essere più di due; in questo caso essi sono raggruppati a due a due per costituire icarrelli sui quali poggia la cassa

5.2 Classificazioni Di seguito sono riportate le principali caratteristiche di alcuni tipi di carrozze (trasporto passeggeri), carri merci e locomotive.

Tabella 7 – Caratteristiche fondamentali di carrozze e carri merci

Carrozze Carri merci Numero assi 4 2 oppure 4 Lunghezza totale [ ]m 17,8÷26,4 10,58÷19,9 Larghezza cassa [ ]m 2,85÷2,9 2,68÷3,03 Passo carrelli* [ ]m 2,15÷2,50 1,80 Peso a pieno carico [ ]tonn 31÷42 36÷80

Peso per asse (max) [ ]assetonn 7,8÷10,5 18÷20

* Si definisce passo la distanza tra le sale estreme di un carrello.

Tabella 8 - Caratteristiche fondamentali di Locomotive Elettrica Diesel-elettrica

Numero assi 4 ÷ 6 4 Lunghezza totale [ ]m 16,8 ÷ 18,3 14,1 Peso [ ]tonn 82 ÷ 120 76

Peso per asse (max) [ ]assetonn 20 ÷ 20,5 19

Numero motori 4 ÷ 6 2

Velocità massima [ ]hkm 150 ÷ 200 130

Sforzo di trazione massimo [ ]kN 215 ÷ 240 216

5.3 Le ruote La ruota è l'organo del veicolo che ha la funzione di trasmettere il carico rotolando sulla rotaia, la parte più esterna si chiama cerchione, ed ha un profilo esterno tronco-conico, dotato di un risalto (bordino) che svolge funzione di guida rispetto al binario. La parte compresa tra il foro di calettamento ed il cerchione si chiama centro della ruota e può essere a “razze” o a “disco” (Figura 48).

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Figura 48 – ruota ferroviaria

5.3.1 La sala o asse La sala è l'organo che collega, trasversalmente al rotabile, le due ruote ed ha la funzione di trasmettere ad esse i carichi agenti sul rotabile. Il collegamento si ottiene mediante l'inserimento forzato nel foro della ruota. La sala ha sezione circolare variabile, piena o anche cava, e presenta alle due estremità i fuselli che, accoppiandosi con le boccole, sopportano i carichi del rotabile.

Figura 49 – asse ferroviario

L'insieme della sala e delle due ruote calettate su di essa costituisce la sala montata (Figura 50). Dal punto di vista funzionale le sale montate si distinguono in:

− motrici, montate su locomotive o automotrici, collegate con i motori e destinate a ricevere lo sforzo motore;

− portanti, destinate soltanto a funzioni di sostegno e guida del rotabile.

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Figura 50 – sala montata

I carichi agenti sul veicolo si scaricano sulla sala montata attraverso le boccole, scatole a chiusura ermetica, che possono essere:

- ad attrito radente, nelle quali i carichi si trasmettono attraverso un cuscinetto rivestito di metallo antifrizione;

- ad attrito volvente, oggi più usate, dotate di cuscinetti a rulli cilindrici, conici o a botte.

Quelle ad attrito radente, in relazione al modo in cui avviene la lubrificazione, si possono inoltre distinguere in:

- boccole a lubrificazione per capillarità, in cui il lubrificante giunge al fusello per capillarità, attraverso fibre tessili;

- boccole a lubrificazione meccanica o forzata, in cui il lubrificante viene sollevato meccanicamente da un dispositivo fissato sulla testata del fusello.

L'attrito tende a far riscaldare le boccole e ciò può provocare gravi inconvenienti; il loro monitoraggio può essere affidato sia a ispezioni dirette che a particolari dispositivi a infrarossi (R.T.B.), montati a terra, che in caso di anomalia possono bloccare il treno.

5.4 Rodiggio Il rodiggio è il complesso delle sale montate (assi e ruote) del veicolo ferroviario. Il rodiggio è suddiviso in carrelli a più assi sui quali poggia la cassa, per identificare il numero di assi ed il loro accoppiamento nei carrelli viene utilizzato un codice composto di lettere e numeri. Il numero di assi dipende dal peso totale, le carrozze hanno peso per asse dell’ordine di 10tonn/asse, i carri merci e le locomotive raggiungono valori di 20tonn/asse.

5.5 Aderenza Nel caso ferroviario in cui le ruote con cerchione di acciaio rotolano su rotaia anch’essa di acciaio emerge la dipendenza del coefficiente adf dalla velocità (Figura 51).

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L’andamento del coefficiente di aderenza nel caso ferroviario è formalizzabile secondo la formula di Muller:

V0,011f

f*ad

ad ⋅+= ,

dove *af è il coefficiente di aderenza in corrispondenza a 0=V .

Figura 51 – valori medi del coeff. di aderenza al variare della velocità

Restando nel campo ferroviario, è da notare che le aree di impronta sono di dimensioni abbastanza ridotte e di forma tondeggiante, anche in presenza di carichi elevati. In particolare, dalla Figura 52 si rileva come, al variare del peso, vari anche l'area di contatto, che risulterà compresa all'incirca tra 200 e 300 mm2 per pesi da 5 a 10 tonnellate.

Figura 52 – impronta di una ruota sulla rotaia

Nella porzione di area di impronta sono applicate tensioni normali e tangenziali, per cui si ha, nel contatto ruota-rotaia, un fenomeno di micro-aggrappamento o pseudo-ingranaggio. Un altro elemento che interviene a modificare le condizioni di aderenza è lo stato delle superfici a contatto; queste non sono quasi mai pulite: vi può essere polvere, olio, umidità, ed ancora una leggera pellicola di ossido di ferro; a quest'ultimo inconveniente si ovvia in diversi modi: mediante lavaggio con vapore nel punto di

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contatto e mediante un getto di sabbia ad aria compressa (Figura 53).

Figura 53

Più modernamente si provvede alla eliminazione della pellicola o con un passaggio di forti correnti o con un arco al plasma (insieme di particelle rarefatte); questa operazione non è legata al passaggio del treno, ma viene seguita periodicamente.

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5.6 Formule globali pratiche per il calcolo delle resistenze ordinarie nel caso ferroviario La determinazione pratica delle resistenze ordinarie dei veicoli, viene effettuata, per le calcolazioni di prima approssimazione, per mezzo di formule globali di carattere semiempirico. Nel caso ferroviario l'espressione più comune è del tipo binomia:

; 2⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅+=tonnKgVbarord

dove: a=2.5 e

- b=0.00025 per vetture passeggeri a carrelli; - b=0.00033 per vetture passeggeri a due assi - b=0.0004 per carri merci carichi - b=0.001 per carri merci scarichi.

Per i locomotori elettrici si adottano le formule:

Gregorio)(DeLVS0.0053.5r

Svizzera)(formulaV0.00032.5r

)(ArmstrongLVS0.0035V0.01

L24r

2

2

2

⋅⋅+=

⋅+=

⋅⋅+⋅+=

mentre per locomotori diesel-elettrici:

rahl) (St10

12VLS0.63.5r

2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅⋅+=

dove L è il peso espresso in tonnellate;

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5.6.1 Resistenza d’attrito ai perni La resistenza di attrito ai perni assume forma e rilevanza diversa a seconda che si tratti di cuscinetti di strisciamento o di rotolamento. Il primo caso è specifico della trazione ferroviaria, nella quale il peso P del veicolo si ripartisce sulle ruote attraverso le boccole costituite da una staffa su cui poggia il telaio e che grava sul perno (o fusello) attraverso la intermediazione di un cuscinetto, contenuto nella boccola, costituito da metallo antifrizione (lega di stagno e antimonio a cui può essere aggiunto del rame). L'attrito tra il metallo del cuscinetto ed il perno d'acciaio è molto elevato, e condurrebbe rapidamente alla fusione del metallo di frizione se non venisse lubrificato. Per tale motivo la boccola ferroviaria consente, attraverso opportuni sistemi, di sostituire all'attrito secco, l'attrito mediato di un fluido che si interpone durante il moto tra perno e cuscinetto. Tale fluido è un olio minerale di opportune caratteristiche e la valutazione del coefficiente di attrito viene fatta attraverso la teoria idrodinamica della lubrificazione. Il coefficiente di lubrificazione (o di attrito idrodinamico) è dato da:

( )aleadimension pnμj ⋅

= ;

dove :

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⋅

2msecNμ è la viscosità dinamica (funzione della temperatura);

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⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

mingirin è il numero di giri (velocità di rotazione);

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

2cmkgp è la pressione specifica tra perno e cuscinetto.

Di seguito (Figura 54) è schematizzato un cuscinetto con l'angolo β di abbracciamento minore di 180°. Il coefficiente di attrito attf è funzione di j:

jkf att = ; con k = 0,000456. Tale relazione è valida a partire da un certo valore j in corrispondenza del quale, ha inizio la lubrificazione idrodinamica (Figura 55 e Tabella 9).

Figura 54

Figura 55

Tabella 9 – Coefficiente di attrito al variare del numero di giri

Di seguito (Fig. 7) sono indicati i valori di resistenza specifica in kg/tonn nel caso ferroviario per cuscinetti a strisciamento e cuscinetti a rotolamento.

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Fig. 7

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5.6.2 Resistenze in curva Nel campo ferroviario prendiamo in esame il moto in curva di una sala montata; indicando con V' e V'' la velocità della ruota esterna ed interna della sala stessa e con V la velocità del baricentro, che percorre la curva di raggio R, si avrà (ved. Fig. 17 in cui sono evidenziati i diversi diametri di rotolamento delle ruote della sala):

V:R2cRV': =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ + per ruota esterna ;

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V:R2cRV'': =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ − per ruota interna ;

con c distanza tra i punti di contatto ruota-rotaia (scartamento).

Fig. 17

Da cui si ricava:

Errore. Non si possono creare oggetti dalla modifica di codici di campo.

RsRVV'' −

⋅=

Esiste, pertanto, una velocità relativa V' - V'' tra la ruota esterna e quella interna cui corrisponde uno scorrimento longitudinale. Indicando con attf il coefficiente di attrito tra ruota e rotaia e con P il peso sul punto di contatto con la rotaia, la potenza perduta a causa di questo scorrimento vale:

( )RsVPfVVPf 2''' ⋅⋅⋅=−⋅⋅

Dividendo per V, si ottiene la resistenza in curva dovuta alla solidarietà tra le ruote della sala montata:

RsPfRc

22 ⋅⋅=

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5.6.3 Resistenza di livelletta Nel caso ferroviario, a causa dell’aderenza limitata, non si superano valori di

pendenze dell'ordine del 30 - 35 ooo .

5.6.4 Resistenza d’inerzia Per un carro ferroviario P10%Q ⋅= , considerando le ruote dei dischi omogenei di

spessore costante il rapporto 0,5rρ

2

2i = (essendo

2rρ

2

i = ), per cui:

Pa107gPa10001,05Ra ⋅⋅=⋅⋅⋅= ;

e ponendo ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= 2

2i

a rρ

pq1k , si ha:

aa kPga1000R ⋅⋅⋅= [ ]kg .

Il termine ka prende il nome di coefficiente d'inerzia e il prodotto P⋅ ka rappresenta la massa equivalente del veicolo ovvero il peso d’inerzia (peso fittizio che bisogna considerare nel calcolo della Ra per tenere conto delle masse rotanti connesse alle ruote); il valore di ka è diverso a seconda che il veicolo sia carico o scarico. La resistenza d'inerzia è molto gravosa, infatti per 2sec

m1 a = si ha

tonnkg107 ra = .

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5.7 Gradi di prestazione di una linea ferroviaria.

5.8 Trasporto combinato codificato. Per trasporto combinato codificato si intende il trasporto per ferrovia delle casse mobili e dei semirimorchi, eseguito secondo le regole della codifica, regole che permettono, in presenza di un carro autorizzato e di una linea codificata, di trasportare un’unità di carico codificata avente dimensioni minori od uguali al profilo limite di carico. La codifica delle linee viene fatta utilizzando i profili TC e tenendo conto delle maggiorazioni per consentire l’inoltro senza interferenze delle unità di carico aventi al massimo lo stesso numero di profilo della linea.

5.8.1 Profili per la codifica. Anche per la codifica delle casse mobili e dei semirimorchi, è stata presa a riferimento la serie dei profili limite, denominati profili TC. Un profilo TC, per definizione, è un volume chiuso, di forma e dimensioni determinate, nel quale deve inscriversi una data unità di carico che occupa la sua posizione di trasporto sul carro. Il profilo, considerato costante per tutta la lunghezza dell’unità di carico, è quello che il trasporto preso in considerazione deve avere in corrispondenza del centro del carro e del massimo aggetto (m 2 oltre il perno dei carrelli o delle sale estreme) per poter circolare senza interferenze sulle linee. Ai fini della codifica le unità di carico vengono considerate come caricate su carri POCHE o su carri ad essi assimilabili, con passo ed altezza del piano di carico uguali, in modo da costituire trasporti omogenei, da poter confrontare con i profili TC. Esistono due serie di profili TC: una relativa alle unità di carico con larghezza massima di mm 2.500 e l’altra relativa alle unità di carico con larghezza di oltre mm

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2.500, fino ad un massimo di mm 2.600. Ciascuna delle due serie è costituita da profili numerati rispettivamente da 00 ad 80 e da 330 a 410, aventi ciascuno un’altezza superiore di mm 10 a quella del profilo precedente (figg. 1÷5). Tali profili sono suddivisi in gruppi identificabili dalla forma della parte superiore. L’altezza dei profili sui lati, (altezza allo spigolo) alla quale viene fatto riferimento per la numerazione dei medesimi, si misura, partendo da un “piano di riferimento” posto al di sopra del piano di rotolamento (quota a dei profili TC). Al profilo avente un’altezza di spigolo di mm 3.300 rispetto al piano di riferimento è stato assegnato il numero: 00 per quelli con larghezza massima mm 2.500; 330 per quelli con larghezza oltre mm 2.500, fino ad un massimo di mm 2.600. Per conoscere l’altezza di spigolo sui lati di un qualsiasi profilo rispetto al piano di riferimento il calcolo è semplice:

per i profili larghi sino a mm 2.500, sarà: { }10) profilo del (N 3.300 ×°+ . Esempio: il profilo 22 avrà un’altezza di spigolo, rispetto al piano di riferimento, di

{ } 3.520 mm 10) (22 3.300 =×+ ; per i profili larghi da mm 2.500 a mm 2.600, l’altezza di spigolo misurata rispetto al

piano di riferimento sarà: 10) profilo del (N ×° . Esempio: il profilo 341 avrà un’altezza di spigolo, rispetto al piano di riferimento, di:

3.410 mm 10) (341 =× Per calcolare l’altezza totale allo spigolo di un profilo rispetto al piano di rotolamento deve essere sommato al valore precedentemente ricavato la quota a che indica l’altezza del piano di riferimento e anche l’altezza del piano di carico dei carri specializzati presi in considerazione per la codifica. Per il carro POCHE, l’altezza del piano di carico per i semirimorchi rispetto al piano di rotolamento è di mm 330. Esempi per il calcolo dell’altezza totale sui lati dei profili nel caso di carri POCHE: il profilo 30, abbinato al carro POCHE, avrà un’altezza di spigolo, dal piano di rotolamento, (altezza totale) di:

3.930 mm 330 10) (30 3.300 =+×+ ; il profilo 341, abbinato al carro POCHE, avrà un’altezza di spigolo, dal piano di rotolamento, di:

3.740 mm 330 10) (341 =+× ; Riepilogando la codifica delle unità di carico del traffico combinato si effettua secondo la seguente procedura28 (fig. 6): si considerano: le casse mobili ed i semirimorchi caricati sui carri POCHE;

28 Tenere presente che la codifica delle unità di carico viene effettuata dalle singole Reti o da Enti

autorizzati, osservando specifiche norme di UIC.

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l’aggetto massimo delle unità di carico non deve essere superiore a m 2, rispetto al perno dei carrelli e l’altezza massima del complesso unità di carico-carro viene calcolata non tenendo conto degli abbassamenti delle molle per effetto del carico e di eventuali deformazioni, si individua il profilo appartenente alla serie dei profili TC corrispondente alla larghezza dell’unità di carico e tangente al contorno della cassa o del semirimorchio, si attribuisce all’unità di carico il codice di compatibilità C (per le casse mobili), P (per i semirimorchi), caricati sui carri POCHE, abbinandolo al numero che identifica il profilo tangente. Come evidenziato nella fig. 7, l’altezza allo spigolo assegnato nella codifica, alle unità del trasporto combinato, in alcuni casi non corrisponde a quella d’angolo delle stesse, in quanto il punto di tangenza si trova lungo la parte superiore del profilo medesimo. In tal caso la determinazione dell’altezza hcrit viene effettuata traslando il punto critico I, punto di tangenza, lungo il profilo TC tangente, fino sulla verticale dello stesso. Poiché la codifica delle casse mobili viene effettuata considerando le stesse caricate sui carri POCHE che hanno il relativo piano di carico ad un’altezza dal filo delle rotaie di mm 1.175, anziché di mm 330 come il piano di riferimento (piano di carico dei semirimorchi), ne consegue che l’altezza del profilo da assegnare alla cassa mobile corrisponderà all’altezza reale della stessa più la differenza delle suddette due altezze (1.175 - 330) = 845. Per quanto concerne la codifica dei semirimorchi si precisa che viene effettuata misurando gli stessi, nella posizione di carico sui carri e nella condizione più sfavorevole per il profilo limite (unità vuote, massima estensione delle centine).

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Fig. 1: Profili TC con larghezza massima di mm 2.500.

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Fig. 6: Principio di codifica di una cassa mobile “C” e di un semirimorchio “P”.

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Fig. 7: Esempi di codifica.