Le camere acceleratrici in frenatura e i serbatoi ausiliari in sfrenatura

Nel seguito si vuole analizzare l’effetto dell’azione delle camere acceleratrici (CA) sulla risposta pneumatica del sistema durante una manovra di frenatura, sia in termini di svuotamento della condotta generale (CG) che di riempimento del cilindro freno (CF).

L’effetto delle camere acceleratrici sulla condotta generale viene confrontato con gli andamenti di pressione in CG ottenuti con distributori isolati, ovvero in “condotta bianca”.

Il treno campione simulato in balena è il treno di prova DB del rapporto ERRI [N12]; in

Tabella 2.2 si riportano la massa, la lunghezza e il peso frenato dei veicoli del convoglio.

Veicolo Massa [t] Lunghezza [m] Massa frenata [t] Veicolo Massa [t] Lunghezza [m] Massa frenata [t]

Loco 118 23 90 (G) W24 35 17 24 W1 35 17 24 W25 35 11.5 24 W2 35 11.7 24 W26 35 11.3 24 W3 35 17.1 24 W27 35 11.7 24 W4 35 11.2 27 W28 35 18 24 W5 35 11.5 27 W29 35 11.5 24 W6 35 11.9 24 W30 35 16.5 24 W7 35 11.6 24 W31 21 17.5 24 W8 54 22.6 53 W32 35 11.4 27 W9 54 22.9 53 W33 35 17.1 24 W10 28 17.5 24 W34 35 17.3 24 W11 40 17.5 24 W35 35 17.7 24 W12 35 17 24 W36 35 11.5 24 W13 35 17 24 W37 35 11.5 24 W14 40 11.74 24 W38 35 11.5 24 W15 35 11.26 24 W39 21 11.5 24 W16 40 11.5 24 W40 21 11.6 24 W17 35 11.7 24 W41 21 10.9 24 W18 40 11.8 24 W42 35 11.5 24 W19 40 11.5 24 W43 35 23.8 24 W20 30 11.6 27 W44 35 11 27 W21 22 17.2 24 W45 35 17.2 24 W22 35 17.1 24 W46 35 11 27 W23 35 16.9 24 W47 35 12.1 27 Vmisura 49 29.2 55 TOTALE 1676 701.6 1262

Nei grafici riportati nel seguente paragrafo e in quelli successivi si indicherà con il termine CG_# la pressione in condotta generale presa in corrispondenza del distributore del vagone numero #, per la locomotiva si troverà l’indicazione CG_LC mentre per il vettore misura (Vmisura) CG_MS; la stessa

convenzione viene utilizzata per i segnali di pressione al cilindro freno, in questo caso al posto di CG si trova il termine CF. All’indicazione del numero del vagone si può far seguire un termine racchiuso da apici che identifica il layout di prova; per esempio CG_30“13dis” sta ad indicare l’andamento di pressione in corrispondenza del distributore del 30° vagone in presenza di 13 distributori inseriti lungo tutto il convoglio. Gran parte dei grafici riportati nel seguito hanno l’obiettivo di mostrare la risposta pneumatica del sistema nel suo insieme senza soffermarsi sul mero aspetto quantitativo; seguendo questo approccio alcuni grafici potrebbero risultare quindi poco leggibili puntualmente.

Si ricorda che tutte le prove sono state effettuate utilizzando un pannello freno Eurotrol FS posto in corrispondenza della locomotiva in frenatura d’emergenza; il regime di frenatura della locomotiva è “G” mentre per tutti i carri è “P” (per maggiori informazioni si veda par. 1.2.4).

Sullo stesso grafico (Figura 2.8) si riporta a confronto l’andamento di pressione in condotta generale con distributori attivi (in blu) e in condotta bianca (in rosso). È evidente come i tempi di svuotamento completo della condotta (Figura 2.8-a) siano poco influenzati dalla presenza delle camere acceleratrici (si tenga presente le ridotte dimensioni di tali volumi e il riflusso in condotta generale di parte dell’aria immagazzinata inizialmente in questi volumi); in realtà, osservando attentamente, risulta che in presenza di camere acceleratrici lo svuotamento totale della condotta generale è ritardato rispetto al caso di condotta bianca.

Figura 2.8 Confronto degli andamenti in CG con distributori attivi (color blu) e in "condotta bianca" (color rosso): a) lo svuotamento totale della condotta generale b) la repentina caduta di pressione in condotta generale

indotta dall’azionamento delle camere acceleratrici

Il riempimento delle camere acceleratrici provoca però una repentina caduta iniziale di pressione in CG e influisce in maniera sensibile sullo svuotamento della condotta sino a circa 3 bar, in

a)

particolare nei vagoni posti in coda al treno (Figura 2.8-b). A questo proposito, è importante ricordare che, agli effetti della frenatura, proprio il settore di pressioni che va da 5 bar a 3.5 bar è quello di interesse per il pilotaggio del distributore (par. 1.3.2.2.2).

La repentina caduta iniziale di pressione in condotta generale velocizza il riempimento dei cilindri freno aiutando a vincere gli attriti passivi presenti nella timoneria e diminuendo il “tempo morto”, ovvero il tempo in cui l’attuatore del cilindro freno si porta alla corsa massima ed è completata la fase di accostamento dei ceppi sulla ruota.

Figura 2.9 Velocità di propagazione dell'informazione di pressione lungo la CG in funzione dei distributori attivi

Partendo dalla configurazione con tutti i distributori inseriti si isolano progressivamente alcuni distributori, ottenendo una configurazione con venticinque e una con tredici distributori attivi, per analizzare il contributo delle camere acceleratrici sulla risposta pneumatica del sistema. La Figura 2.9 riporta gli andamenti di pressione, in corrispondenza del distributore del primo (LC) e ultimo veicolo (47), in presenza di tredici (“13dis”), venticinque (“25dis”), quarantanove distributori attivi e in condotta bianca (“cb”). È evidente come l’azione delle camere acceleratrici non agisca in alcun modo sulla velocità di propagazione dell’informazione; l’informazione di pressione lungo il convoglio è un fenomeno d’onda che non è influenzato dallo svuotamento o dal riempimento di un volume aggiuntivo. Diverso è l’effetto delle camere acceleratrici sull’andamento di pressione in condotta generale nel tempo; a questo proposito si osservi, sempre in Figura 2.9, la caduta di pressione in corrispondenza del distributore di testa e di coda del treno al variare del numero di CA attive. È evidente come la rapida discesa iniziale di pressione in CG sia più accentuata nel caso di quarantanove distributori a conferma che l’azione delle camere acceleratrici influisce sensibilmente sullo svuotamento della condotta generale. In particolare, gli effetti più evidenti dell’attivazione delle camere acceleratrici si osservano nei veicoli di coda del treno, ovvero quei veicoli in cui è fondamentale la caduta di pressione in CG per la corrispondente salita di pressione nel cilindro freno. La maggior caduta di pressione, osservata nella configurazione con 49 distributori attivi (CG_47”49dis”) rispetto a quella con 13 distributori (CG_47”13dis”), evidenzia che l’azione delle camere acceleratrici è caratterizzata da un effetto in “batteria” responsabile di un’amplificazione progressiva degli effetti lungo il treno.

Per verificare gli effetti delle camere acceleratrici sulla salita di pressione ai cilindri freno, si riporta in Figura 2.10 l’andamento degli andamenti di pressione in condotta generale e nei corrispondenti cilindri freno nel caso di tredici e quarantanove distributori inseriti.

Figura 2.10 Andamento delle pressioni in CG e corrispondenti CF nel caso di 13 e 49 distributori inseriti

Come era logico aspettarsi, l’andamento di pressione al CF in corrispondenza della locomotiva non è influenzato dall’azionamento delle camere acceleratrici, mentre differenze sensibili si riscontrano nei CF di coda, in cui la salita al cilindro freno è controllata dallo svuotamento della condotta generale. In particolare è evidente come nel vagone di coda, in presenza di quarantanove distributori inseriti (CF_47”49dis”), il “tempo morto” è notevolmente diminuito.

Per avere un’idea dello stato di sollecitazione che nasce lungo il convoglio in seguito alla frenatura, sfruttando gli andamenti delle pressioni al cilindro freno, è possibile definire un parametro denominato delay di intervento della frenatura nel convoglio (dfr); tale parametro si calcola a partire dai tempi di intervento dei singoli cilindri freno rispetto a quello di testa. Per fissare il tempo in cui il cilindro freno è intervenuto si considera l’istante in cui la pressione nel cilindro freno ha raggiunto 3.5 bar.

Dalla Figura 2.11 è interessante notare come, al variare nel numero di camere acceleratrici attive nel convoglio, il delay di frenatura diminuisca progressivamente: in media passando da tredici a quarantanove distributori il ritardo si riduce di un secondo. Analizzando questo parametro nascono ulteriori considerazioni:

− il comportamento nei cilindri freno dei vagoni in coda al treno tende ad uniformarsi

− i ritardi di attivazione della frenatura tra veicoli contigui più consistenti si hanno intorno alla

prima metà del treno (gradiente di salita della curva maggiore).

Calcolando le differenze dei tempi di attivazione tra veicoli contigui (

Tabella 2.3), si definisce un ulteriore parametro denominato delay di intervento della frenatura tra veicoli contigui (dcfr). L’andamento della linea di tendenza che si ottiene dai dati riportati in

Tabella 2.3 può spiegare il perché, in genere, le massime sollecitazioni longitudinali di

compressione sono localizzate tra i vagoni posti nella prima metà o al più al centro del treno. Delay di intervento della frenatura tra veicoli contigui

(dcfr) W2-W1 0.1 W29-W28 0.05 W6-W5 0.55 W30-W29 -0.25 W9-W8 0.55 W31-W30 0.4 W11-W10 0.7 W32-W31 0.55 W12-W11 0.65 W33-W32 -0.05 W13-W12 0.65 W36-W35 0.4 W14-W13 1 W37-W36 -0.1 W15-W14 0.65 W38-W37 0.2 W16-W15 0.3 W39-W38 0.1 W17-W16 0.95 W40-W39 -0.2 W18-W17 0.5 W41-W40 0.2 W19-W18 0.2 W44-W43 0.35 W22-W21 0.6 W45-W44 0.1 W23-W22 0.25 W46-W45 -0.25 W24-W23 0.75 W47-W46 0.4 W27-W26 0.7 W48-W47 0.25 W28-W27 _0.25

Tabella 2.3 Delay di intervento della frenatura tra veicoli contigui dcfr

La

Tabella 2.3 contiene alcuni valori negativi del parametro dcfr, per cui risulta che il tempo di attivazione di alcuni cilindri freno è inferiore rispetto a quello del veicolo che li precede. Questa anomalia può essere spiegata, banalmente, con un malfunzionamento operativo dei componenti dell’impianto frenante, e in particolare del distributore. Come già messo in evidenza, questo aspetto, riscontrato in balena ma che in realtà si ritrova nei treni in circolazione, è un elemento da prendere in considerazione durante la modellazione dell’impianto freno del treno.

Una considerazione che emerge dal grafico di Figura 2.11 è di carattere puramente quantitativo: in un treno da 700 m, costituito da quarantotto carri e una locomotiva in testa, il cilindro di coda “risponde” dopo 17 secondi rispetto al vagone di testa.

Grazie all’interfacciamento con TrainDy (capitolo 5) sarà interessante verificare gli effetti sulla dinamica longitudinale del treno dovuto al ritardo di attivazione della frenatura lungo il convoglio. Durante la frenatura, i cilindri freno vengono riempiti con l’aria dei serbatoi ausiliari; per garantire che la successiva frenatura sia efficiente è necessario che il volume venga ricaricato durante la fase di sfrenatura. Qualora, in seguito a successive manovre di frenatura, la pressione nel serbatoio ausiliario è scesa di molto, è possibile che non siano garantiti i tempi e le pressioni di frenatura. In un treno merci la carica dei serbatoi ausiliari è affidata direttamente all’aria che fluisce nella condotta generale durante la fase di sfrenatura. In questo modo la carica della CG e quindi il rilascio del freno risultano ritardatati; a questo proposito, in Figura 2.12 vengono mostrati gli andamenti

delle pressioni nella condotta generale in testa, in coda e al centro per il treno DB del rapporto ERRI [N12] sia in condotta bianca (“cb”) che con distributori inseriti.

Figura 2.12 Andamento pressione in CG durante la carica del sistema in condotta bianca (“cb”) e con distributori inseriti

Se si considera per normativa ([N2]) che il rilascio completo del freno deve realizzarsi quando in CG la pressione è pari a 4.85 bar, risulta che il vagone misura (CF_MS) viene sfrenato circa 62 s dopo il caso di condotta bianca, mentre per il veicolo di coda (CF_47) il ritardo è di circa 67 s. La stessa figura mostra inoltre come l’effetto dell’apertura dei serbatoi ausiliari sia ben più evidente per i veicoli di coda rispetto a quelli di testa: ciò è dovuto al fatto che i veicoli in coda sono caricati più lentamente in quanto, appena si aprono i serbatoi ausiliari, molta dell’aria che proviene dal rubinetto di comando, anziché continuare ad alimentare il resto del treno, fluisce direttamente nei serbatoi ausiliari dei distributori che si trovano lungo il treno.

Quanto mostrato in Figura 2.12 chiarisce l’importanza che ha, nel modello dell’impianto freno completo, la simulazione del riempimento del serbatoio ausiliario durante la sfrenatura.