Il modello AMESim del dispositivo di comando della condotta generale

L’utilizzo di AMESim è risultato fondamentale per definire i parametri caratteristici del modello equivalente del dispositivo di comando della condotta generale; a tal proposito si vuole riportare lo schema a blocchi del modello AMESim sviluppato (Figura 2.23). Proprio l’interpretazione dei risultati forniti dal modello, e in particolare gli andamenti di pressione nei vari componenti pneumatici che costituiscono il modello, hanno permesso di individuare gli elementi caratteristici per la costruzione del modello equivalente.

Nello specifico, il dispositivo era collegato alla balena per mezzo di una serie di raccordi e una flangia di connessione, ed era costituito da un manipolatore e da un pannello freno Eurotrol FS. Attraverso il manipolatore veniva controllata l’intensità di una manovra di frenatura/sfrenatura e gestita la frenatura rapida, mentre tramite il pannello freno veniva gestita la frenatura di servizio e la sfrenatura; l’insieme manipolatore/pannello freno costituisce il rubinetto di comando o dispositivo di comando della CG. Solo ricostruendo il comportamento pneumatico del dispositivo e il layout dell’impianto di prova è stato possibile individuare i parametri caratteristici e approssimare la funzionalità del manipolatore e del pannello freno Eurotrol FS con un modello equivalente. È possibile che la funzionalità del manipolatore e del pannello freno siano racchiuse in un unico dispositivo, come avviene di solito per un rubinetto di comando pneumatico; anche in questi casi il principio di funzionamento che si deve considerare per caratterizzare il modello matematico rimane comunque sempre lo stesso e quindi il modello sviluppato risulta essere generale.

Con il manipolatore il macchinista controlla la pressione in CG e portando la leva in posizione di rapida permette che il dispositivo di comando metta in comunicazione direttamente la condotta generale con l’atmosfera attraverso un foro di diametro opportuno. Il caso di frenatura rapida è sicuramente il più semplice da simulare e sarà utilizzato in fase di validazione per definire i

parametri caratteristici del modello fluidodinamico di CG. La simulazione prevede un modello di orifizio a diametro costante e un coefficiente di efflusso opportuno, da identificare in funzione dei dati sperimentali, che collega direttamente la condotta generale con l’atmosfera (per le equazioni del modello si veda par. 3.2.2.1.1). In questo caso AMESim è stato utile per individuare il modello con cui simulare il flusso attraverso l’orifizio e analizzare i primi risultati della modellazione sullo svuotamento di un tubo. Per emulare la funzionalità del pannello freno Eurotrol FS è stato invece necessario sviluppare il modello della valvola relè (Figura 2.23), presentata nel par. 1.3.2.2.3, in cui è stata attualizzata la geometria, le caratteristiche di attrito degli oring e i controlli sulla pressione in camera

pilota implementati nell’Eurotrol FS. Andando a

comandare la pressione in camera pilota viene gestita la frenatura di servizio e la sfrenatura. È importante notare che, durante il funzionamento della valvola relè, il manipolatore si comporta come un semplice rubinetto di commutazione mettendo in comunicazione diretta la condotta generale con il pannello freno. Nel modello AMESim è stato considerato un Orifizio equivalente tra il relè e la condotta generale per

simulare la presenza del manipolatore e della raccorderia con cui viene collegata la CG al manipolatore e il manipolatore al pannello Eurotrol FS. Ovviamente il diametro dell’orifizio è funzione delle lunghezze di tubo e delle perdite di carico distribuite e concentrate presenti tra la testa della condotta generale e il pannello freno.

Per simulare la caratteristica di svuotamento, durante una frenatura di servizio, o di riempimento, durante una sfrenatura, del dispositivo di comando sarà sufficiente introdurre la legge matematica con cui viene comandata la pressione in camera pilota. In funzione del layout del treno e dei parametri caratteristici del dispositivo (attriti, geometrie), la valvola relè cercherà di “ripetere” il segnale di pressione fornito in camera pilota andando così a imporre l’andamento di pressione lungo la condotta generale.

È importante far notare che nel modello proposto, al momento, non è stata simulata la variazione di pressione nel serbatoio principale in seguito alla ricarica della CG e all’intervento del compressore (par. 1.3.2.2); d’altronde i più che soddisfacenti risultati ottenuti (capitolo 4), e i pochi dati sperimentali a disposizione, suggeriscono di affrontare questa modellazione in un secondo tempo.

Per completezza d’informazione si riportano nel seguito i parametri e gli andamenti caratteristici con cui viene comandata la pressione in camera pilota durante le simulazioni:

− Frenatura

Partendo dalla pressione di marcia (5 bar nominali), e richiedendo una frenatura di servizio, la pressione in camera pilota viene fatta scendere con un gradiente caratteristico sino a 4.5 bar13 e poi con un gradiente minore fino alla pressione di target della manovra. In Figura 2.24-a (in questa, le pressioni sono quelle assolute) viene rappresentato il classico andamento della pressione in camera pilota per una frenatura di servizio in cui la pressione in CG viene fatta scendere fino a creare una depressione di 1.5 bar [N7]: i tempi di scarica e i relativi gradienti sono quelli utilizzati nel codice. Qualora si partisse da una pressione diversa da quella di marcia, e quindi considerando il freno già applicato, la pressione in camera pilota viene fatta decrescere seguendo il gradiente caratteristico utilizzato dopo 4.5 bar.

− Sfrenatura

A partire dal settore di frenatura (rapida o servizio), tramite il manipolatore viene comandato il riempimento della camera pilota responsabile dello squilibrio nel relè che permette all’aria del serbatoio principale di fluire in condotta generale e, attraverso il distributore, caricare anche i serbatoi ausiliari. La pressione in camera pilota viene fatta variare in maniera lineare con un gradiente caratteristico (e.g. 0.75 bar/s) sino a raggiungere la pressione di target. Nel caso di una sfrenatura completa, normalmente sino a 5 bar (Pmarcia), in funzione del layout del treno e della pressione di partenza, è possibile che si attivi la funzione di accelerazione della sfrenatura (detta “turbo proporzionale”). L’algoritmo di controllo implementato nel manipolatore Eurotrol FS prevede che la funzione di accelerazione si attivi qualora, raggiunta la pressione P_marcia−0.5 bar in camera pilota, la pressione in condotta generale (di solito il sensore viene posto a metà della locomotiva) non abbia superato Pmarcia−0.2 bar. Attivata la funzione di accelerazione, la pressione in camera pilota viene portata sino a Pmarcia+0.4 bar e vi rimane fino a che la CG non ha raggiunto Pmarcia−0.2 bar; a questo punto la pressione in camera pilota viene fatta decrescere con un gradiente doppio a quello con il quale sale la pressione in condotta generale. In Figura 2.24-b si riporta il tipico andamento di pressione in camera pilota durante una sfrenatura con intervento della funzione di “turbo proporzionale”.

Figura 2.24 Andamento pressione in camera pilota: a) frenatura massima di servizio b) sfrenatura completa in cui è intervenuta la funzione di accelerazione

13 _{Una depressione di 0.5 bar è la minima possibile che può essere prodotta con il dispositivo di comando e che} garantisce l’accostamento dei ceppi sulle ruote; una frenatura di tale intensità prende il nome di frenatura di “accostamento ceppi” o di “prima tacca”.

L’andamento di pressione ottenuto all’uscita della valvola relè (verso la condotta) che, insieme alla pressione presente in testa alla condotta generale, definisce il flusso passante attraverso l’orifizio equivalente è risultato essere molto similare a quello imposto in camera pilota. Quanto osservato è

alla base del modello equivalente del dispositivo di comando della CG sviluppato; per i dettagli si rimanda al par. 3.2.2. È evidente che alcuni parametri caratteristici del modello risultano peculiari per il tipo di rubinetto di comando: questo non costituisce un problema in quanto sarà sempre possibile inserire una nuova subroutine nel codice in grado di gestire l’andamento di pressione in camera pilota facendo uso di differenti parametri caratteristici.

3 Il codice TrainDy

Il comportamento dinamico di un treno è influenzato da numerosi fattori, quali la disposizione delle masse nel convoglio, le caratteristiche dei sistemi frenante e di trazione, il tipo di accoppiamento tra i veicoli, la plano-altimetria e le condizioni del tracciato, la manovra a cui il treno è sottoposto. Un simulatore dinamico deve essere in grado di integrare al suo interno modelli matematici per ognuno degli aspetti sopraccitati; tali modelli, il più delle volte equivalenti, devono essere caratterizzati dal numero minimo di parametri sufficienti per cogliere al meglio la fisica del fenomeno e garantire la generalità del modello. Proprio la ricerca dei parametri critici del modello e la loro caratterizzazione sono aspetti fondamentali da considerare durante la definizione del modello matematico; in generale, i modelli implementati in un codice general-purpose non sono caratterizzati da parametri specifici del settore di applicazione (talune volte gli unici disponibili) che permettono al modello di cogliere la fisica del fenomeno simulato. Quanto detto chiarisce quanto sia importante avere a disposizione un codice dedicato e particolareggiato al campo d’applicazione in studio: TrainDy è stato pensato seguendo questa logica; la possibilità di essere in contatto diretto con operatori del settore ferroviario è stato fondamentale per lo sviluppo dei modelli implementati. Per quanto possibile, si è cercato di costruire modelli matematici il più possibile vicini alla realtà fisica, e quindi di semplice parametrizzazione e comprensione, e assicurare una completa modularità tra i diversi modelli per favorire il continuo sviluppo del codice. Si ricorda che il codice è stato scritto interamente in linguaggio matlab: questo linguaggio di programmazione, largamente utilizzato in campo ingegneristico, favorisce il continuo e pronto sviluppo del codice essendo un linguaggio ad alto livello; inoltre, presentando un libreria molto ampia di funzioni già implementate e di istruzioni dedicate al calcolo matriciale, il flusso computazionale del codice scritto risulta essere di facile comprensione e stesura.

Dopo una breve panoramica sui principali modelli implementati nel codice, si sviluppano nel dettaglio i modelli del sistema frenante del treno.