2.
NORMA DI RIFERIMENTO SU DISPOSITIVI DI
ANTIPATTINAMENTO (UIC 541-05 2° edizione)
Il dispositivo antipattinante è presente sui treni allo scopo di evitare un pattinamento troppo pronunciato delle ruote e di impedire un loro eventuale bloccaggio completo, intervenendo così su due importanti aspetti ridurre l’allungamento degli spazi di frenata ed evitare il degradamento del piano di rotolamento delle ruote.
La norma di riferimento, documento prodotto da un organismo ufficiale che definisce quelle che sono le regole, le linee guida da adottare per quanto riguarda le caratteristiche che vengono richieste ad un antipattinante, sia in relazione alle condizioni da rispettare per il suo corretto impiego, che per le prove da effettuare per omologare nuovi antipattinanti, è la Fiche N° UIC 541-05 “Frein-L’anti-enrayeur”.
Quando la velocità angolare dell’asse di una ruota non è più coerente con la velocità del veicolo ci troviamo nella condizione fisica definita “scorrimento”, che può manifestarsi sia in fase di accelerazione, che in fase di frenata: lo scorrimento in accelerazione è definito “slittamento”, mentre in frenata è definito “pattinamento”; se l’eventuale pattinamento raggiunge un certo livello considerato dannoso, entra in gioco il dispositivo che cerca di riportare la ruota pattinante nella zona più favorevole della caratteristica aderenza-pattinamento nel minor tempo possibile attraverso la riduzione temporanea dello sforzo di frenata, agendo sulla pressione dell’aria nei cilindri freno, e sfruttando al meglio l’aderenza ruota/rotaia disponibile.
La norma impone che il dispositivo assicuri la sua capacità di intervento per una velocità del 20% superiore alla velocità massima del veicolo dichiarata, se essa è ≤200 Km/h, mentre del 10% se la velocità del veicolo è >200 Km/h.
• entro i 6 Km/h in caso di velocità crescente,
• fino ad una valore ≤5 Km/h per velocità decrescente,
• per velocità ≤3 Km/h non deve intervenire per permettere l’arresto del veicolo.
Deve, inoltre, estendere la sua sfera di intervento anche in presenza di un utilizzo complementare con freni non legati all’aderenza ruota/rotaia, rimanere efficace ed impedire il bloccaggio irreversibile dell’asse, anche e soprattutto in presenza di una caduta improvvisa dell’aderenza durante la frenatura (p.e. passaggio da una zona con rotaia secca ad una zona in cui la rotaia ha un valore dell’aderenza nettamente inferiore, come può succedere all’uscita da una galleria in presenza di particolari fenomeni atmosferici).
La variabile principale che viene tenuta sotto controllo, affinché il dispositivo possa svolgere la sua funzione è la velocità di rotazione degli assi, la cui misura è ottenuta tramite sensori, e il cui valore viene comparato costantemente con una velocità di riferimento. Il risultato, controllato da un dispositivo di regolazione, determina il valore della pressione da avere nei cilindri del freno tramite delle elettrovalvole, per regolare lo sforzo di frenata, e contenere così il pattinamento ad un stadio tale da non risultare dannoso.
La velocità di riferimento è una stima della velocità reale del veicolo, e viene ricavata usando i dati forniti dai sensori di velocità posti in corrispondenza degli assi del veicolo controllati. In caso di frenatura in aderenza degradata l’errore massimo consentito sul valore della velocità di riferimento calcolata è di:
• 5 Km/h, quando la velocità di riferimento è superiore alla velocità reale,
• 10 Km/h se la velocità reale è inferiore a 200 Km/h, o di 15 Km/h se la velocità reale è superiore a 200 Km/h, quando la velocità di riferimento è inferiore alla velocità reale. A causa dell’usura e delle torniture a cui sono sottoposte le ruote nel tempo, il diametro reale delle ruote, uguale per tutti gli assi nel caso di veicolo nuovo, risulta variabile durante l’utilizzo del veicolo; queste differenze non devono essere trascurate, ma utilizzate nel calcolo della velocità periferica.
Per evitare che un comando di scarico dei cilindri dei freni perduri per una durata superiore a 10 secondi, deve essere presente un dispositivo di controllo in ridondanza che si attiva automaticamente chiamato “ comando perduto” e che esclude l’antipattinante ristabilendo il valore dello sforzo di frenata come da consegna.
Il funzionamento dell’antipattinante richiede un apporto di energia elettrica, come ogni componente presente nel veicolo, che può essere fornito dal veicolo o dall’ antipattinante stesso; in caso che quest’ultimo non prenda l’energia da se stesso bisogna prevedere che le
eventuali variazioni di tensione non ne influenzino negativamente il funzionamento, e che l’energia necessaria sia sempre fornita in qualsiasi condizione.
Il dispositivo deve essere provvisto di controlli di diagnostica, per verificare lo stato del sistema e scoprire eventuali malfunzionamenti, che risultino attivi:
• in fase di avvio del treno per poter testare l’elettronica di comando e dei diversi sotto-sistemi,
• in fase di funzionamento per verificare lo stato dei sensori, delle elettrovalvole di limitazione e scarico, e rivelare prontamente eventuali interruzioni di corrente e/o cortocircuiti, o disfunzionamento (difetti),
• in fase di arresto per effettuare una lettura dei guasti avvenuti durante l’esercizio (difetti), e verificare se sono ancora presenti,
inoltre la norma suggerisce di prevedere la possibilità di testare l’efficacia del sistema di rilevamento dei difetti, che deve essere confermata da un test e da un segnale di buon funzionamento, e che i difetti stessi vengano registrati in una memoria interna e ad ognuno venga assegnato un codice, in modo da poterlo collegare immediatamente alla causa che lo ha generato.
In generale i test e i controlli sia in fase di avvio, che durante la marcia della vettura non devono assolutamente perturbare il funzionamento dell’antipattinante; in fase di arresto non devono compromettere la fermata della vettura.
Per la grande velocità (v>200 Km/h) il sistema deve essere completato da un dispositivo di controllo del rotolamento, il cui ruolo è quello di verificare costantemente la corretta rotazione degli assi e segnalare qualsiasi anomalia alla cabina di comando (p.e. una differenza importante di rotazione tra i diversi assi), di intervenire sull’elettrovalvole per svuotare i cilindri dei freni in caso di necessità ed anche di assumere le funzioni principali del dispositivo di antipattinaggio in caso di un suo disfunzionamento.
Le prescrizioni fin qui viste non si applicano solo alle vetture passeggeri, ma anche alle locomotive per le quali bisogna tener conto anche della presenza del freno dinamico.
I due freni possono funzionare in modo congiunto, nel qual caso l’azione dell’antipattinante sul freno dinamico deve anche tener conto degli sforzi sugli altri freni, in modo che lo sforzo totale sulla ruota sia regolato per ottenere il pattinamento ottimale e lo stesso assicuri in caso di intervento del solo freno pneumatico (per malfunzionamento del freno dinamico o di azione congiunta dei due freni) la sua risposta senza ritardo; oppure il freno dinamico può essere utilizzato indipendentemente con il proprio antipattinante, ma in questo caso è
necessario che ci sia una mutua influenza tra i due sistemi di frenatura in modo da avere uno sforzo complessivo adeguato.
Definite le principali caratteristiche assolutamente necessarie per un antipattinante, la norma impone che un antipattinante per poter essere immesso sul mercato deve superare determinate prove, che ne verifichino le caratteristiche dichiarate dal costruttore.
Si tratta di prove effettuate:
• in condizioni climatiche medie, i cui valori vanno indicati nel rapporto di prova;
• lungo un tratto di linea in rettilineo con pendenza ammissibile uguale o inferiore a ± 0,002, pendenza che si mantenga entro i sopraindicati limiti per tutto il tratto in cui si svolge la frenata, il “tratto campione” deve avere una lunghezza di 1500 m, inoltre il tratto stesso deve essere preceduto da una zona sufficientemente lunga per far accelerare il treno (circa 3 km) e seguito da una altra zona per consentire al treno ed al veicolo lanciato di arrestarsi con sicurezza anche in caso di avaria ai freni (circa 10 km);
• su rotaia asciutta e su rotaia bagnata per degradare l’aderenza, in quest’ultimo caso l’innaffiamento della rotaia avviene tramite degli ugelli posti sotto la carrozza che spruzzano una soluzione acquosa con una determinata percentuale di detergente, e questo innaffiamento ha inizio circa 300 metri prima del punto di inizio frenata e continua fino all’arresto.
Durante le prove devono essere registrate delle variabili, e successivamente riportate graficamente in funzione del tempo, quali:
• velocità del veicolo,
• velocità di riferimento dell’antipattinante se essa è utilizzata per la regolazione, • velocità circonferenziale degli assi,
• pressione ai cilindri dei freni a valle di ogni valvola, • decelerazione del veicolo,
• pressione nella riserva ausiliaria, • inizio della frenatura,
• segnale di comando di tutte le valvole dell’antipattinante (stato elettrovalvole ON/OFF), è necessario inoltre misurarne altre quali:
• spazio di arresto, • durata della frenatura,
• temperatura della rotaia e temperatura esterna,
La norma UIC 541-05 traccia anche le linee guida che ogni laboratorio deve seguire per la esecuzione delle prove in linea sulle vetture passeggeri per l’omologazione dell’antipattinante, le quali vengono articolate in tre tipi:
• prove di lancio,
• prove con veicolo trainato,
• prove complementari per velocità fino a 200 Km/h.
Le prove di lancio consistono in un veicolo, oggetto del test, che viene portato da un locomotore ad una determinata velocità, caratteristica della prova da eseguire, successivamente sganciato tramite un adatto meccanismo e imposta una frenatura rapida (si tratta di una frenatura comandata attraverso lo scarico completo all’atmosfera della condotta generale).
Nel corso delle prove vengono controllati:
• i valori degli spazi di frenata, che, per velocità iniziali comprese tra 120 Km/h e 160 Km/h, non devono superare determinati valori definiti nell’allegato 1,
• la velocità di riferimento, che non deve eccedere i limiti definiti a pag.16, • il consumo di aria relativa non deve superare i limiti fissati in Tabella 1:
Tabella 1 Limiti consumo d’aria relativa
velocità Consumo relativo d’aria
120 km/h < 3.5
160 Km/h < 7
inoltre per evitare che quest’ultimo vada a intromettersi nel corretto funzionamento del sistema frenante, deve essere predisposta la presenza di una riserva di aria ausiliaria. Tutte queste prove devono essere valutate secondo il metodo descritto nell’allegato B.
Nel corso delle prove nessun bloccaggio degli assi è consentito per velocità superiori a 30 Km/h, al di sotto di questa velocità è consentito un bloccaggio per un tempo non superiore a 0,4 s; il valore del pattinamento istantaneo degli assi non deve superare, per un tempo superiore a 3 sec.:
• 25% della velocità istantanea per velocità comprese tra 120 e 160 Km/h; • 30 Km/h per velocità inferiori o uguali a 120 Km/h.
Le prove con veicolo trainato, servono a simulare la situazione di frenata di mantenimento su una linea in pendenza, e in tal modo verificare la qualità di regolazione dell’antipattinante; il
veicolo viene trainato ad una velocità di 100 Km/h e successivamente viene imposta una frenatura rapida per 30 sec. in aderenza degradata per portare tutti gli assi al pattinamento. Durante la prova non deve avvenire il bloccaggio di tutti gli assi e il pattinamento istantaneo non deve superare i 30 Km/h per più di 3 sec.
Le prove complementari fino ad una velocità di 200 Km/h servono a testare le capacità dell’antipattinante a velocità di 200 Km/h, tramite sia prove di lancio, sia prove effettuate in convoglio (il veicolo con l’antipattinante da testare deve essere posizionato in testa con il sistema per bagnare la rotaia), sia prove al banco di simulazione.
Il valore del pattinamento non deve andare oltre i 40 Km/h, per velocità superiori a 160 Km/h, per una durata massima di 3 sec, in queste prove non viene imposto lo spazio di arresto. Oltre alle prove sulle vetture passeggeri possono essere effettuate:
• prove complementari su locomotive, nelle quali l’antipattinante oltre ad essere omologato per le vetture passeggeri, deve dimostrare la sua attitudine alla funzione di antipattinamento con freno dinamico combinato con il freno idraulico. Vengono effettuate sia prove di lancio, che prove con veicolo trainato in condizione di frenatura d’urgenza e/o frenatura rapida.
• prove complementari per l’alta velocità (velocità >200 Km/h) durante le quali gli antipattinanti devono subire un controllo molto più scrupoloso, che va oltre le prove accennate precedentemente, e che porta a sottoporre l’antipattinante a serraggi dei freni rapidi e a velocità molto elevate, inoltre verrà testata la capacità di intervento del dispositivo di controllo del rotolamento.
Le prove in linea possono essere riprodotte anche su un banco di prova che grazie ad un algoritmo di comando permette di simulare diverse situazioni reali:
• variazioni del carico del veicolo, • variazioni degli sforzi di frenata,
• variazioni del valore del coefficiente di aderenza sulla rotaia.
Il processo di simulazione al banco deve essere comunque validato, cioè bisogna confrontare i risultati delle prove in linea con quelli ottenuti al banco di prova.
Gli spazi di arresto devono corrispondere con un margine di ±5%, in questo modo si dimostra la capacità di poter riprodurre esattamente il funzionamento del sistema oggetto della prova. Il banco grazie alle sue notevoli potenzialità: ridurre il numero delle prove in linea, effettuare prove che sarebbe difficile e costoso riprodurre sulla linea, poter modificare dei parametri dell’antipattinante in virtù di modifiche apportate alla concezione del veicolo, oppure
omologato e così testarlo, riveste un interesse particolare per un laboratorio di prova accreditato.
Comunque bisogna ribadire che per l’omologazione di un dispositivo antipattinante sono considerate come procedura valida per attestare le caratteristiche del sistema solo le prove effettuate in linea.
I dispositivi antipattinanti che sono stati omologati vengono inseriti in una lista, che ne riporta le caratteristiche, e vengono ammessi nei veicoli adibiti al traffico internazionale
Ogni asse del treno deve essere provvisto di dispositivo antipattinaggio, che durante il suo funzionamento deve rispettare determinate condizioni:
• non deve intervenire su ruote appartenenti a differenti vetture, • non deve agire su ruote sollecitate differentemente dall’aderenza, • non deve intervenire su più di metà delle ruote,
• deve essere previsto che uno stesso dispositivo di antipattinaggio non possa intervenire su due assali di natura diversa(motrice e portante),
• non deve impartire uno sforzo di frenatura superiore a quello previsto in assenza di pattinamento.
Nella Tabella 2 viene riportato, in base al valore che assumono due parametri τ e λ, il carattere obbligatorio o raccomandato nell’utilizzo dell’antipattinante sulle vetture passeggeri costruite dopo il 01/07/2002 e per veicoli aventi un diametro delle ruote ≥840 mm:
Tabella 2 Valori dei parametri τ e λ
Area del coefficiente di aderenza τ e λ corrispondente Campo di velocità Configurazion e di frenatura τ ≤ 11% et λ ≤125% 11 <τ ≤12% et 125 < λ ≤135% τ > 12% et λ >135% 160<v≤ 20 0 Tutti Antipattinante raccomandato Antipattinante Obbligatorio Solo dischi Antipattinante
raccomandato Antipattinante Obbligatorio Dischi con Piastre(tutti i tipi) Solo piastre k V ≤ 160 Piastre in Ghisa o in Materiali sinterizzati Nessuna prescrizione Antipattinante raccomandato Antipattinante Obbligatorio
NOTA : τ è il coefficiente d’aderenza
λ è la percentuale di massa frenata, quoziente tra la massa frenata e la massa del veicolo (o del treno), moltiplicato per 100. La massa frenata, espressa in tonnellate, è una grandezza rappresentativa della forza frenante media del veicolo (o del treno), e deve essere intesa come la capacità del veicolo di potersi arrestare entro un determinato spazio, chiamato spazio d’arresto, quando trovandosi ad una determinata velocità fissata viene imposto il comando di frenatura rapida. Per capire meglio, prendiamo come unità di misura del peso frenato 50 tonn., che è la tara di una carrozza con un peso di 50 tonn., a 4 assi/2 carrelli e che in fase di frenatura esercita sui freni una pressione di 2,5 tonn. e che si arresta in un determinato spazio s1.
Quindi tutti i veicoli con un peso di 50 tonn., e che si arrestano in uno spazio s1, hanno una massa frenata corrispondente al 100% della propria tara; per i veicoli che invece hanno una massa diversa la percentuale di massa frenata è data da 50/massa del veicolo suddetto. Esistono dei diagrammi, come quello riportato in Fig.4, che forniscono lo spazio d’arresto in ascissa e la percentuale di massa frenata in ordinata per determinati valori della velocità, ottenuti sperimentalmente effettuando una serie completa di prove su una carrozza isolata.
Invece per i veicoli che hanno un diametro delle ruote <840 mm λ > 125% (o τ > 11%), l’utilizzo dell’antipattinante è obbligatorio.
Figura 1 Valutazione della prestazione di frenatura dei veicolo isolati 2 5 0 2 3 0 2 1 0 1 9 0 1 7 0 1 6 0 1 5 0 1 4 0 1 3 0 1 2 0 1 1 0 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0
