Le problematiche dei treni merci di futura generazione

In base a quanto detto nel precedente paragrafo, le compagnie ferroviarie saranno in grado di entrare in un mercato unico solo se sufficientemente strutturate da competere e attrarre clienti fornendo un servizio migliore e a prezzi minori: gli utenti devono poter contare sull’affidabilità e puntualità delle ferrovie. Per rispondere a questi requisiti, diventa fondamentale accompagnare a interventi amministrativi e politici un reale sviluppo tecnologico del settore istituendo gruppi di studio e ricerca tra Università e Industria; è proprio in quest’ambito che si colloca l’attività svolta

in questi anni: fornire strumenti che possano favorire il progresso tecnologico del settore ferroviario merci, migliorando le prestazioni, aumentando e ridefinendo gli attuali limiti di sicurezza.

Nel migliorare l’efficienza del trasporto ferroviario bisogna tener conto però di alcuni aspetti imprescindibili:

™ Benefici in breve tempo per fornire un ritorno dell’investimento

è indispensabile che le soluzioni proposte vengano prontamente introdotte nel parco circolante e quindi avere tempi ridotti di sperimentazione.

™ L’utilizzo delle nuove tecnologie deve garantire la compatibilità con i sistemi pre-esistenti

l’eterogeneità che si riscontra nelle flotte merci circolanti e i tempi elevati con cui le soluzioni tecnologiche riescono ad affermarsi in questo settore (tra i 10 e i 25 anni), comporta che le novità introdotte debbano essere compatibili con il vecchio materiale rotabile per garantire l’interoperabilità.

™ La possibilità di ulteriori sviluppi per raggiungere l’efficienza massima

la riduzione dei costi di ammodernamento (costi iniziali e di manutenzione) è un obiettivo prioritario ma, allo stesso tempo, soluzioni che nel breve tempo risultano vantaggiose non devono limitare la possibilità di futuri sviluppi. Anche se molte soluzioni sviluppate sono confinate e dedicate ad una particolare e specifica funzione, le esigenze possono cambiare rapidamente; naturalmente non possono essere presi in considerazione tutti i possibili sviluppi, ma è necessario creare una piattaforma che abbia delle basi solide per permettere di soddisfare futuri bisogni.

Per definire il campo d’azione e le tematiche di sviluppo è necessario prima conoscere gli attuali limiti di riferimento.

Nel corso del capitolo 1 sono stati evidenziati i componenti del sistema treno che determinano il comportamento dinamico e limitano le prestazioni in marcia. Normalmente, volendo individuare dei parametri con i quali controllare la dinamica e le prestazioni del convoglio, si impongono delle limitazioni sulla velocità, la lunghezza e la massa del treno. Tenere sotto controllo queste grandezze permette di limitare le sollecitazioni dinamiche del sistema treno/rotaia, le forze longitudinali tra gli accoppiamenti dei veicoli e gli spazi d’arresto. Per avere un quadro esaustivo delle possibili combinazioni dei diversi parametri (massa, lunghezza, velocità) bisogna conoscere le caratteristiche plano-altimetriche del tracciato, la distribuzione del carico lungo il convoglio, le caratteristiche di trazione e dell’impianto frenante (e.g. il regime di frenatura) del convoglio durante la marcia. In ambito italiano, la P.G.O.S. [4] costituisce il documento di riferimento che definisce i limiti di composizione per i treni in circolazione. Si forniscono alcuni valori dei parametri di riferimento ottenuti dalla P.G.O.S.: la massa di un treno viene limitata comunque a 1600 t o a 1300 t (in particolari condizioni del tracciato e di efficienza frenante), la lunghezza massima ammessa è 660 m per treni in regime di frenatura “P”, diventa 1000 m per treni in regime “G”.

La necessità di disporre di treni di futura generazione, ovvero più veloci, più lungi e pesanti, comporterà necessariamente il superamento degli attuali limiti che, come visto, sono legati alla combinazione di diversi fattori. In questa attività è indubbio che un ruolo di primo piano deve essere svolto dalla simulazione al computer e dalla conseguente sperimentazione per l’analisi delle molteplici condizioni operative in cui il treno può venire a trovarsi.

Da una semplice analisi, risulta evidente che una delle prime problematiche da risolvere in un treno di futura generazione è la multipla trazione, per permettere che i carri del convoglio vengano condotti lungo la linea e che siano garantite adeguate velocità di marcia. Come accennato nel par. 1.3.2.2, i treni merci oggi in circolazione possono avere due locomotive in composizione: la ripetizione del segnale di trazione o frenatura viene realizzata tra i due macchinisti (uno per locomotiva) tramite l’utilizzo di radiotrasmittenti; per ragioni di sicurezza ancora non è possibile implementare il controllo remoto radiocomandato. Proprio il concetto di trazione e frenatura distribuita è stato oggetto del Programma di Ricerca Europeo EDIP, acronimo di European

DIstributed Power control (sistema di controllo europeo a potenza distribuita) in cui è stato utilizzato il codice TrainDy come strumento matematico di analisi (par. 2.3.1.1). Il progetto prevedeva lo studio, lo sviluppo e la sperimentazione di un sistema per il comando remoto di locomotive: l’obiettivo della ricerca è di sviluppare, mediante l’utilizzo di una banda di frequenze unica e comune in tutta Europa, le funzionalità per il controllo a potenza distribuita (trazione e frenatura) da porre come base di un futuro standard europeo [28].

L’impiego di locomotive radiocomandate in un treno merci porterà diversi benefici di tipo tecnico ed operativo, quali:

• una riduzione degli sforzi ai ganci e ai respingenti uniformando la trazione e la frenatura lungo il treno

• un’ottimizzazione dello sfruttamento delle tracce orarie con un aumento della velocità dei treni allo scopo di armonizzare le tabelle orarie

• la possibilità di comporre treni più pesanti e lunghi

• la possibilità di accoppiare e disaccoppiare treni aventi destinazioni diverse sulle tratte comuni • la possibilità di facilitare la circolazione di treni su linee ad elevata pendenza.

Un’altra problematica da tenere in considerazione per treni di futura generazione è la progressiva attivazione dell’azione frenante lungo il convoglio. Per treni lunghi, il ritardo di attivazione della frenatura lungo il convoglio costituisce un elemento fortemente limitante per le prestazioni del sistema: mentre i veicoli di testa stanno frenando, i veicoli di coda sono ancora a freni “rilasciati” e conseguentemente tendono ad impattare verso la testa dando luogo ad elevate forze di compressione sui respingenti dei carri. Dal punto di vista della sicurezza, avere il treno in compressione è più pericoloso che averlo in trazione sia per i minori limiti strutturali, ma soprattutto perché crea instabilità internamente al sistema e in curva può condurre al deragliamento. Disporre di più locomotive, che scaricano la condotta generale in diversi punti del treno, permette di uniformare l’azione frenante lungo il convoglio e allo stesso tempo aumentare l’efficienza frenante; a questo proposito si rimanda al par. 2.3.2.2 per ulteriori considerazioni e osservazioni.

Attualmente in Europa la seconda locomotiva non può sfrenare: il rilascio del freno, e quindi la ricarica del sistema, viene assicurata solo dalla locomotiva principale; è evidente che ciò allunga i tempi di sfrenatura diminuendo le velocità medie di percorrenza.

In America, come in Cina, i treni raggiungono lunghezze superiori ai 2000 metri; questi treni, che hanno in composizione anche più di 3 locomotive, utilizzano un sistema di distribuzione della potenza “Locotrol” in grado di trazionare, frenare e sfrenare contemporaneamente su tutte le locomotive presenti lungo il convoglio.

In verità anche in ambito Europeo, già nel corso del 2001, SNCF (ferrovie francesi) e DB ( ferrovie tedesche) finanziarono un progetto di ricerca10 rivolto allo sviluppo di un sistema di comunicazione e gestione del freno in grado di controllare elettronicamente l’azionamento della frenatura lungo il convoglio. In questo modo era possibile controllare la frenatura o la sfrenatura senza introdurre il ritardo legato alla propagazione dell’informazione di pressione lungo la condotta. Il sistema EFIS [33], acronimo di European Freight Intelligent System, eliminando le problematiche che nascono in seguito all’attivazione ritardata dei cilindri freno lungo il convoglio, permette di “gestire” treni la cui lunghezza supera quella limite imposta dalla UIC. L’applicazione del sistema EFIS su un treno merci di nuova generazione risulta essere una soluzione efficace e definitiva per limitare le sollecitazioni dinamiche che nascono durante una manovra di frenatura. La piattaforma EFIS si basa su un sistema elettronico di comunicazione filare che attraversa tutto il treno; proprio la necessità di equipaggiare tutti i vagoni con terminali elettrici rappresenta forse la maggiore limitazione all’applicazione di tale sistema. È evidente che il sistema EFIS può avere una facile applicazione nei treni merci a composizione fissa, adibiti al trasporto di container e operanti sempre su una tratta specifica -in ambito ferroviario si parla di treni shuttle-, mentre nei comuni treni merci a

composizione variabile la necessità di garantire la continuità elettrica lungo tutto il convoglio obbliga a dover collegare e scollegare ogni volta il singolo veicolo.

Per assicurare l’interoperabilità, un carro “EFIS” può essere messo in composizione in un treno con sola frenatura pneumatica: questa funzionalità viene garantita da una doppia valvola di arresto con un principio analogo a quello utilizzato sulle locomotive per permettere la combinazione del freno automatico e di quello diretto (par. 1.3.2.2). Il sistema garantisce anche il monitoraggio continuo dell’integrità del sistema treno, con la possibilità di monitoraggio e diagnostica in tempo reale delle prestazioni. La piattaforma EFIS permette anche di automatizzare alcune funzioni, quali: la prova di continuità del freno, l’accoppiamento e il disaccoppiamento dei convogli, l’inizializzazione, l’individuazione della posizione e dell’orientamento dei veicoli.

Sicuramente, in base a quanto detto e messo in evidenza in [N11], la frenatura riveste un ruolo di primo piano per l’incremento delle prestazioni del treno; nel seguito si riportano alcuni degli aspetti più caratteristici:

ƒ l’efficienza frenante e i risultanti sforzi di trazione/compressione generati lungo il treno sono

generalmente il primo fattore che limitano la lunghezza, il peso e la velocità dei treni merci in circolazione; normalmente, il limite dinamico dovuto ad un’azione frenante precede quello raggiunto in trazione

ƒ anche per treni merci più corti, migliorare l’efficienza frenante li renderebbe più simili a comuni

treni passeggeri (più veloci) favorendo la circolazione sulla stessa linea di treni merci e passeggeri e riducendo così la congestione del traffico merci

ƒ l’automazione di certe operazioni, come la prova del freno (da effettuare ad ogni cambio di

composizione e prima di un viaggio) e l’identificazione automatica dei carri del treno, può rilevarsi interessante in termini economici e di tempo

ƒ il rumore generato dalle tradizionali suole in ghisa fosforosa sta diventando oramai inaccettabile

e presto illegale

ƒ il rapporto carico/tara dei carri merci sta aumentando considerevolmente, così come il carico

massimo per asse, richiedendo validi dispositivi in grado di modulare la frenatura al variare del carico (condizione indispensabile per non superare il limite d’aderenza)

ƒ i miglioramenti nel sistema frenante possono limitare i costi di manutenzione di alcuni

componenti del treno: la ritornitura di una ruota, in seguito ad una brusca frenata, rappresenta una spesa considerevole sui costi totali di gestione del carro

Proprio l’esigenza di dover analizzare a vari livelli, dalla condotta generale al distributore sino al cilindro freno, le prestazioni e i possibili sviluppi dell’impianto freno del treno, ha motivato lo sviluppo di un modello completo e particolareggiato dell’impianto freno da inserire nel codice di simulazione dinamica TrainDy.