Appunti di Costruzione di Veicoli Ferroviari - Parte seconda

Costruzione di veicoli ferroviari

Partenormativa

Sale montate

Sala montata: due ruote ferroviarie montate sull'asse che le collega (definizione della Ellis’ British Railway Engineering Encyclopedia). Sappiamo dalla costruzione di macchine che un asse si differenzia da un albero perché un asse nasce principalmente per sopportare carichi taglianti e momenti flettenti, mentre un albero nasce per trasmettere una coppia torcente.

Storia

La storia parte da molto lontano, da due locomotive inglesi. La Rocket era di George Stephenson ed è stata la prima macchina ad aver fatto servizio regolare tra Stockton e Darlington. Questa locomotiva ha una ruota in vista con le bielle esterne e una ruota portante; il tender (carro-scorta) ha due ruote portanti. Questa macchina aveva le due sale con le boccole interne, mentre le sale del tender avevano le boccole esterne. Con boccole si intendono i supporti dell’asse che in inglese si traducono con bearings dal verbo to bear (supportare) e i supporti a strisciamento vengono chiamati journals, perciò in inglese si parla di journal bearings, tant’è che le estremità dell’asse che in italiano si chiamano fuselli in inglese vengono dette journals o meglio journal seats (sedi sui cui si appoggiano le boccole di strisciamento).

La Mallard era di Sir Nigel Gresley ed è la detentrice del record di velocità per locomotive a vapore con 202 km/h, anche se questo record fu contestato perché fu fatto nel 1998 ma in una tratta che era un po’ in discesa. Questa macchina aveva la stessa architettura della Rocket, cioè la locomotiva aveva le sale con le boccole interne e il tender con le boccole esterne, fatta eccezione per l’asse sotto la caldaia. Questa macchina aveva un rodiggio asimmetrico, cioè 2-3-1.

Di seguito vediamo una ferrovia a scartamento ridotto del Colorado. Si vede che essendo lo scartamento ridotto anche i contrappesi sono esterni. Le ruote quindi sono a razze normali e non sono contrappesate; le boccole ovviamente sono interne.

Architettura delle sale montate

L'architettura più usata nei treni è quella con boccole esterne: l’asse collega le due boccole che vi sono montate sopra. C’è anche la soluzione con le boccole interne, in cui c’è la differenza che per mettere i cuscinetti si deve togliere la ruota. Mentre nella soluzione con boccole esterne si può fare un cuscinetto si strisciamento in due metà e poi montarlo sui fuselli, in quella a boccole interne si hanno proprio dei cuscinetti a corpi volventi (rulli cilindrici, conici, a botte ecc. ma non a sfere).

Esiste anche l’architettura con sala a ruote indipendenti con assi corti. Questa soluzione viene utilizzata nel treno Talgo che però non soffre dei problemi legati al centramento, cioè anche se non esiste la forza di richiamo derivante dagli pseudo-slittamenti longitudinali il treno Talgo non ha i problemi dei carrelli a ruote indipendenti che viaggiano con un bordino attaccato alla rotaia perché è un treno intero a ruote indipendenti.

Infine c’è la soluzione a ruote indipendenti in cui l’asse non ruota più e quindi non è più un asse vero e proprio ma viene chiamato axlebridge, o ponte in italiano. Il grande vantaggio delle ultime due soluzioni è che l’area all’interno delle due ruote è principalmente libera e quindi si possono utilizzare per veicoli per il trasporto dei viaggiatori con architettura a piano ribassato.

L’architettura IRW with axlebridge è tipica dei tram e si dice che la ruota gira sui suoi cuscinetti a differenza delle architetture con l’assile vero e proprio in cui le ruote sono calettate su esso. La differenza dal punto di vista del cuscinetto è sostanziale perché i cuscinetti nascono per tenere ferma la pista esterna e far ruotare quella interna e farli lavorare al rovescio, cioè tenendo la pista interna ferma e facendo ruotare quella esterna, stravolge il percorso del grasso che centrifugato tende ad accumularsi nella parte esterna e non va più a lubrificare la parte interna.

Nei treni a boccole interne si deve garantire una vita del cuscinetto che è pari almeno alla durata della ruota. Una ruota però dura a seconda di quante volte si ritornisce e di quanto la si lascia consumare prima di ritornirla, per cui di preciso non si sa, mentre nei cuscinetti quello che importa è la deteriorabilità dei grassi.

Quindi ad esempio se si utilizza una soluzione a boccole interne in un carro merci che non fa molti kilometri all’anno e in cui quindi le ruote non si consumano troppo e potrebbero durare molto, dopo un po’ comunque si dovrà cambiare il cuscinetto per ringrassarlo e per farlo sarà necessario smontare le ruote in ogni caso, mentre se si utilizza una soluzione a boccole interne per un veicolo che fa servizio viaggiatori che fa molti più kilometri all’anno e consuma molto di più le ruote che vengono ritornite e quindi tolte più spesso, si può approfittare del cambio delle ruote per cambiare i cuscinetti.

Quella di seguito è una sala da carri merci. Le sale da carri merci hanno delle caratteristiche particolari perché i carri merci hanno la cosiddetta frenatura di ritenuta: i valichi obbligano a pendenze elevate e per tratti piuttosto lunghi e dato che nei carri merci la frenatura è a ceppi (si hanno dei blocchi di ghisa fosforosa P10 che grattano sulla superficie del cerchione) i cerchioni si scaldano; si vede che queste sale hanno una ruota con doppia curvatura.

Questa è detta C shape o S shape. Questa forma serve per garantire una certa elasticità radiale nel momento in cui la parte esterna della ruota tende a deformarsi riscaldandosi. Le boccole qui sono esterne e dal corpo boccola si capisce si tratta di un carrello Y25, un carrello standard da carri merci e probabilmente le ruote saranno di 920 mm di diametro. Anche se in figura non si vede molto su quella ruota c’è un righetto che rappresenta il limite di usura.

Cuscinetti

Nella prima immagine abbiamo due cuscinetti sferici con rulli a botte che per il fatto di essere montati così si capisce che non possono funzionare come cuscinetti sferici veri e propri perché i centri delle sfere sono nei centri dei due cuscinetti e non si possono far ruotare due sfere intorno a due centri diversi. L’uso dei cuscinetti sferici è esclusivamente legato al fatto che hanno una capacità di carico assiale maggiore. Questi sono due cuscinetti sferici distinti con un distanziale perciò al montaggio si deve stare molto attenti al precarico.

La seconda soluzione è un cuscinetto detto CRBU (Cylindrical Roller Bearing Unit) o CBU perché ha una pista esterna che è unica, perciò sono due cuscinetti già preparati per essere montati insieme. Questa è composta da due cuscinetti della serie NU, cioè due cuscinetti con un orletto da un lato della pista interna che regge il carico assiale.

Orletto: la cosa interessante di questi cuscinetti è che non si può sbagliare a montarli perché gli anelli interni che sono smontabili vengono forniti dal costruttore già tollerati e non si deve aver paura di sbagliare il precarico. Essendo la zona dell’orletto soggetta a strisciamenti notevoli essa è quella che ha i massimi problemi da fatica da contatto volvente. Il vantaggio dei cuscinetti a rulli cilindrici è che se non abbiamo forze laterali i rulli fano rotolamento puro, per cui i cuscinetti a rulli cilindrici sono quelli che hanno velocità più elevate (tutti gli altri tipi di cuscinetto hanno un po’ di strisciamento).

L’ultima soluzione è quella che viene utilizzata su quasi tutti i treni oggi ed è detta TBU che sta per Teapered (Roller) Bearing Unit. Sono dei cuscinetti conici infatti teapered in inglese vuol dire rastremato. TBU è un nome di fabbrica dell’SKF. FAG invece questi cuscinetti li chiama TAROL. Bisogna stare attenti quando si parla di TBU perché con questa sigla in campo ferroviario si indica anche la Tread Braking Unit, cioè l’unità di frenatura a ceppi. Questi cuscinetti vengono venduti già completi di tenute, ingrassati con la giusta quantità di grasso e quindi si devono semplicemente montare una volta comprati. Quando si smontano si devono mandare al centro riparatore SKF.

Guardiamo ora una sala montata da veicolo viaggiatori. Sull’asse ci sono calettati tre dischi freno autoventilati. Questi sono dischi in un solo pezzo e quindi per smontare i dischi si devono smontare anche le ruote, però esistono anche dei dischi a settori utilizzati in tutte le vetture che vanno fino a 200 km/h (per l’alta velocità non vanno bene) e che permettono di cambiare i dischi senza smontare le ruote.

Sull’asse e sul centro ruota ci sono vari colori: su questi c’è un primer che è un aggrappante e su cui poi si pone la vernice. Quando si comprano le ruote grezze si comprano sempre verniciate di quel colore rosso perché è un colore che è compatibile con il riscaldamento in forno a 250 °C: se si vuole fare il calettamento delle ruote a caldo sull’asse quando si mettono le ruote in forno (tipicamente un forno elettrico) bisogna tenere conto dell’aggressività dell’ossigeno all’aumentare della temperatura e quindi è impossibile tenere una ruota appena lavorata in forno per circa 4 ore e allora si mette quel primer che fa poi da sottofondo per la vernice finale. Esistono dei metodi per controllare se l’adesione della vernice sulla sala è buona o no (ad esempio il metodo della quadrettatura).

Tipi di ruote

In questa figura abbiamo a sinistra una ruota monoblocco e a destra una ruota cerchiata. Quest’ultima ha un centro ruota (3), che si potrebbe anche non smontare mai teoricamente, un cerchione (4), che viene calettato a caldo sul centro ruota, e un cerchietto di sicurezza (5). Questa ruota è detta ruota in tre pezzi. La procedura di montaggio è la seguente: si caletta il centro ruota sull’asse, si caletta il cerchione sul centro ruota e poi si mette il cerchietto di sicurezza. La ruota monoblocco è invece un unico pezzo, per cui quando si consuma la tavola di rotolamento e non è più possibile ritornire si deve cambiare l’intera ruota.

Queste sono le C shape o S shape. Le ruote con questa geometria sono dette a basse tensioni residue perché quando si ha sulla ruota il raggiungimento di temperature di 500 °C e oltre di fatto si fa una ricottura di distensione, cioè si riporta il pezzo allo stato neutro e lo si rilassa; quando esso si raffredda tenderà a restringersi e perciò rimarrà un campo di tensioni residue nel centro ruota che deve essere tale da non spaccare la ruota durante il raffreddamento. Dunque è necessario avere delle tensioni residue basse per evitare che si spacchino le ruote, cosa che viene garantita con quella geometria grazie alla quale esiste una certa elasticità radiale.

Le ruote da carri merci oggi sono tutte progettate per carichi per asse da 25 tonnellate, anche se in Europa non si va oltre 22.5 tonnellate. La parte di ruota che si trova tra mozzo e cerchione è detta vela o cartella. In sostanza le quattro parti di una ruota tradizionale sono hub (mozzo), web (cartella o vela), tyre (cerchione) e tread (superficie di rotolamento). Ci sono dei veicoli che hanno i dischi freno montati direttamente sulle ruote e questi sono detti web mounted disks (dischi montati in cartella).

Assi

Gli assi sono dei cilindri forgiati. Con la forgiatura si ottiene l’asse grezzo che viene poi tornito. Non si fa direttamente una colata dell’asse perché durante il raffreddamento si ha la formazione di dendriti, cioè di strutture a foglia, e queste strutture sono abbastanza disuniformi. Con il riscaldamento e dunque con la forgiatura si va a eliminare le disomogeneità all’interno del lingotto.

Quella in primo piano in figura si vede che è una sala motrice perché ci sono le portate delle ruote, le portate delle boccole e la portata del riduttore, cioè lì si andrà a montare la corona che riceverà dal pignone il moto che arriva dal motore. C’è un grosso foro in questo assile, infatti questo è detto assile barenato. Il termine viene dal bareno che è un utensile che ha una punta a cannone che fa un foro dritto. Si definisce foro lungo un foro che ha lunghezza superiore a 10 volte il diametro della punta che lo fa perciò questo è un foro lunghissimo.

Questo è l’asse dell’ICE 4, un treno tedesco ad alta velocità che sostituirà i vecchi ICE 1 e ICE 2. Il foro serve da alleggerimento ma anche da accesso ad un metodo di controllo non distruttivo che si fa con una sonda ultrasonora rotante: c’è una testina che viene infilata nel foro (ovviamente c’è un liquido di accoppiamento che è olio SAE 30), la sonda viene fatta ruotare lentamente e esplora agli ultrasuoni tutto l’asse, anche le zone che non sono normalmente accessibili: quando si hanno le ruote e la corona del riduttore calettate sull’asse con i controlli tradizionali non si riesce a vedere se ci sono dei problemi sulle portate perché sopra ci sono degli oggetti. Questo strumento viene chiamato in gergo borosonda ed è stato sviluppata da FS insieme a Gilardoni. Il controllo ultrasonoro degli assi si fa con queste sonde angolate con vari angoli che vanno a raggiungere delle zone che altrimenti sarebbero cieche.

Con un asse che ha un foro è quindi possibile fare un controllo ultrasonoro senza smontare nulla. Nella prima figura sopra c’è lo schema di come si dovrebbe fare per controllare agli ultrasuoni un asse senza foro: si dovrebbe mettere una sonda sulla superficie esterna dell’asse e mandare un impulso sonoro angolato in modo da esplorare la zona che vogliamo ma in questo modo sarebbe necessario sverniciare l’asse. Dalla figura precedente degli assi si vede che le zone delle portate sono più scure perché viene loro applicata una protezione spruzzando uno spray HVOF (High Velocity Oxy Fuel) al molibdeno; questo è il cosiddetto riporto al molibdeno (molybdenum coating). Lo scopo del riporto al molibdeno è di eliminare il fretting: il fretting corrosion è un’usura tribo-ossidativa e quindi nasce dallo sfregamento di due superfici in presenza di ossigeno; si forma così della cosiddetta ruggine da contatto. Questo avviene sempre negli accoppiamenti albero-mozzo quando l’interferenza non è sufficiente e quindi entra aria. Si potrebbe pensare che in un asse l’ingresso dell’aria non c’è perché si pensa di calettare la ruota sull’asse e poi verniciare tutto demandando alla verniciatura la protezione aerobica. Il molybdenum coating è tipico del mondo tedesco: i clienti chiedono che gli venga venduta la sala con quel trattamento. Dopo il riporto al molibdeno ci deve essere comunque una rettifica.

Parlando di corrosione gli ossidi di ferro hanno densità minore del ferro (quando il ferro si ossida aumenta di volume) e non sono aderenti alla base, per cui se si forma della ruggine questa si stacca ed espone sempre nuovo materiale all’azione dell’ossigeno. Nell’alluminio al contrario l’ossido rimane attaccato e lo protegge, infatti il colore dell’alluminio è molto più lucente di quello che vediamo.

L’asse in secondo piano di quella figura si vede che è un asse portante con tre dischi sull’asse. Le gole sul fusello (cerchiate) servono per scaricare le piste del cuscinetto: tra i due cuscinetti della TBU c’è un distanziale su cui si vedono delle gole che vengono fatte anche sull’asse.

Questa è una soluzione a bassa emissione acustica, cioè a basso rumore. Sulle ruote c’è un trattamento che consiste nel mettere un pannello di acciaio di 3 mm di spessore che è attaccato alla cartella della ruota con un polimero viscoelastico. Questo si chiama constrained layer dumping, cioè smorzamento a strato vincolato, le cui equazioni si trovano in un articolo del 1997 che è alla base di tutto lo studio sul constrained layer. Quella ruota Lucchini l’ha chiamata ruota Syope. Questa è invece una soluzione legata al ballast: quando si va sulle linee ad alta velocità che hanno il pietrisco il ballast tende a sollevarsi, cioè per effetto aerodinamico viene risucchiato dal treno e va a sbattere contro l’asse provocando un’incisione nella verniciatura dalla quale parte la corrosione che fa rompere la sala. Lucchini ha sviluppato insieme ad Akzo Nobel, un produttore di vernice a livello mondiale, una vernice di grosso spessore che viene chiamata Lursak e che è un trattamento per gli assili ad alta velocità. Qui la borosonda è fondamentale perché se si ha un asse pieno con il Lursak per fare le ispezioni ultrasonore si deve togliere e rimettere questo tipo di vernice, il che è estremamente complesso e dispendioso.

Carrelli a boccole interne

Questo è un carrello portante a due assi con una ralla centrale e le boccole interne. Questa soluzione non è quindi poi così moderna ma i treni moderni adottano proprio la soluzione a boccole interne. Tutta la normativa europea considera solo il caso di veicoli a boccole esterne: il calcolo degli assi, delle ruote, dei telai carrello ecc. sono tutti fatti per veicoli a boccole esterne.

All’inizio del 2010 le ferrovie tedesche hanno deciso di comprare un treno nuovo da Siemens, che è l’ICE X, a boccole interne. A dire il vero questo treno fu fatto da una collaborazione tra Siemens e Bombardier. Hanno deciso di fare una parte delle carrozze Siemens, una parte Bombardier, il carrello motore Siemens e