1.2 – Difettosità del binario ferroviario

1.2 – Difettosità del binario ferroviario

Il binario ferroviario deve rispettare determinati parametri di geometria: qualora non li rispetti la marcia del veicolo è irregolare e può addirittura essere compromessa. Tralasciando gli aspetti classici di dinamica dei rotabili, che non rientrano in questo lavoro, l’analisi delle difettosità del binario sarà focalizzata sulle anomalie geometriche superficiali della rotaia e in particolare del corrugamento, fonte di generazione del rumore di rotolamento, dovuto al contatto ruota-rotaia.

1.2.1 – Difetti geometrici trasversali

I parametri trasversali più importanti sono:

 scartamento e sovrascartamento

 l’inclinazione dell’asse della rotaia nel piano verticale  la forma del fungo

Lo scartamento del binario generalmente adottato da molte amministrazioni ferroviarie è di 1435 mm (corrispondente a 4 piedi e 8,5 pollici – scartamento Stephenson); le tolleranze ammesse rispetto ai valori prescritti in rettilineo e in curva si diversificano in tolleranze di costruzione, manutenzione, esercizio e sicurezza. Il sovrascartamento consiste nel maggiorare la distanza tra le due superfici interne dei funghi sino ad un massimo di 3 cm in funzione del raggio della curva. Lo scopo del sovrascartamento è quello di permettere alla sala montata (l’insieme di due ruote calettate sull’asse corrispondente) di seguire correttamente la curva.

La conicità delle ruote (che rotolano sulla rotaia inclinata dello stesso angolo) è quella che garantisce l’effetto differenziale, in quanto se il centro della sala montata si sposta dal centro del binario, allora la ruota che rotola sopra la rotaia più vicina al centro della sala percorrerà uno spazio maggiore dell’altra, riportando la sala verso il centro del binario. In Italia si adotta un angolo di inclinazione verso l’interno pari all’arcotangente di (1/20).

Fig. 23 – Moto di serpeggio della sala montata

Fig. 24 – Contatto ruota-rotaia con angolo di inclinazione 1/20

Infine la forma del fungo deve rispettare una geometria predefinita. Le sbavature causate dall’usura, associate al logoramento della superficie superiore del fungo, cioè quella di rotolamento, costituiscono una deformazione della sezione trasversale. Se questa è deformata, il rotolamento della ruota sulla rotaia è anomalo, non è più garantito lo scartamento e, nelle situazioni più estreme, queste deformazioni sono la causa di cricche che, propagandosi, riducono la sezione resistente.

1.2.2 – Difetti geometrici longitudinali

Longitudinalmente al binario si considerano, soprattutto per garantire la sicurezza e la stabilità di marcia, gli effetti delle maggiori lunghezze d’onda. I difetti principali consistono in:

 scostamenti della livelletta da quella originale (dove per livelletta si intende ciascuno dei tratti a pendenza costante che nella loro successione formano il profilo longitudinale di una strada ferrata)

 deviazioni laterali dell’asse del binario (allineamento o curvatura)

 scorretto angolo trasversale del piano del ferro (inclinazione). Quest’ultimo equivale a valutare la soprelevazione, lo sghembo e la stabilità degli appoggi

Lo scostamento della livelletta da quella originale comporta una dinamica con accelerazioni verticali in eccesso rispetto a quelle calcolate. Qualora la livelletta reale si discosti da quella ideale bruscamente, si può avere una perdita di aderenza. Per quanto riguarda i difetti di allineamento, questi rappresentano una deformazione della via nel piano di rotolamento, si introducono quindi delle accelerazioni laterali non compensate e non necessarie. Sono causa di sbandate del veicolo al suo passaggio.

Fig. 25 – Evidente difetto di allineamento di un binario

La sopraelevazione è la differenza di quota fra la rotaia esterna e quella interna di una curva ed è calcolata in funzione dei parametri longitudinali della linea. La forza centrifuga agente sui veicoli ferroviari in curva deve essere contenuta (con l’adozione della sopraelevazione), altrimenti si verificano effetti nocivi per la stabilità di marcia del treno e per le eccessive sollecitazioni sulla sovrastruttura ferroviaria. La forza centrifuga, in genere:

 facilita lo svio per sormonto della rotaia esterna da parte del bordino della rotaia

 sollecita trasversalmente il binario e l’ancoraggio della massicciata con conseguenti alterazioni della geometria del binario

 causa consumi sul fianco del fungo

 provoca sollecitazione a trazione sulle caviglie  limita il comfort del viaggio ai passeggeri

Lo sghembo rappresenta una delle più temibili anomalie geometriche del binario, in quanto causa spesso lo svio dei rotabili. Le due rotaie del binario:

 sono la materializzazione di due rette parallele quando il binario è in rettilineo

 sono due archi di circonferenza che giacciono su di una superficie conica quando il binario si trova in piena curva con una sopraelevazione

 si possono assimilare a due rette sghembe quando il binario si trova in un raccordo di sopraelevazione

Quando le due rotaie non giacciono sullo stesso piano si dirà, pertanto, che nel binario è presente uno sghembo. Lo sghembo non è un difetto del binario, bensì una sua caratteristica geometrica (nei raccordi di sopraelevazione il binario sarebbe difettoso se non esistesse lo

sghembo); esso, evidentemente, diventa un difetto del binario quando assume un valore differente da quello corretto, soprattutto se presente in rettifilo e in curve perfettamente circolari.

A causa dello sghembo (e nell’ipotesi di perfetta rigidità del sistema) i quattro punti della rotaia sui quali si dovrebbe appoggiare il carrello del veicolo, non si trovano teoricamente su di un piano, per cui il contatto ruota-rotaia si verificherebbe solamente su tre punti e la quarta ruota si troverebbe sempre sollevata rispetto al piano individuato dai tre punti, cioè nelle condizioni più a rischio nei confronti dello svio. Nella realtà il sistema delle sospensioni compensano in gran parte questo difetto. Si comprende, comunque, il motivo per cui i valori accettati dello sghembo nei raccordi di sopraelevazione (1‰, 1,5‰ e 2‰) siano così piccoli e decrescano con l’aumentare della velocità. Più alta è la velocità, infatti, maggiori sono le forze trasversali che, agendo sulla ruota scarica, potrebbero causarne il sormonto e il conseguente svio.

Fig. 26 – Schematizzazione dello sghembo ferroviario

1.2.3 – Difetti geometrici superficiali

I difetti geometrici superficiali della rotaia sono molto vari e conseguenza di molti fenomeni tra di loro non necessariamente collegati:

 usura  fatica  corrosione  bruciature

 sfaldatura della superficie del fungo  impronte casuali di pietrisco

Fig. 27 – Esempi evidenti di difettosità superficiali isolate di una rotaia ferroviaria

In ogni caso si ha un profilo longitudinale della rotaia che si discosta dal profilo rettilineo ideale. I difetti isolati sono difficili da prevedere e possono essere dovuti a più cause concomitanti (ad esempio un frammento che si stacca e viene schiacciato in un altro punto del fungo può generare una cavità in cui poi si avrà corrosione).

Le bruciature sono in genere dovute a slittamenti della ruota sulla rotaia. Normalmente i difetti isolati sono visibili ad occhio nudo e vanno valutati caso per caso. L’usura è dovuta al contatto tra le due superfici (ruota-rotaia), ed è un fenomeno che ovviamente interessa l’intera linea ferroviaria. Quando però è particolarmente accentuata costituisce una probabile causa di difetti superficiali.

Norme e testi ferroviari parlano esplicitamente di roughness, ma le lunghezze d’onda di interesse per la generazione del rumore di rotolamento sono comprese tra 5 e 500 mm per la rotaia e tra 40 e 80 mm per la ruota, mentre la rugosità, intesa come tessitura primaria, sappiamo avere un passo caratteristico molto inferiore al millimetro. È dunque più corretto parlare di corrugamento della rotaia, che viene definito come un fenomeno periodico, difficile da comprendere e da prevedere, caratterizzato da irregolarità aventi uno spettro di lunghezze d’onda molto largo. In questo contesto si è scelto di mantenere la terminologia ferroviaria, che distingue il corrugamento in “rugosità” (irregolarità superficiale non visibile ad occhio nudo – ma che di fatto corrisponde all'ondulazione definita in Tecnologia Meccanica) e “marezzatura” (irregolarità visibili ad occhio nudo per mezzo di zone chiare e scure della superficie della rotaia).

La marezzatura si verifica soprattutto in tratte a forte pendenza e/o con molte curve, quali le tratte montane o quelle utilizzate da linee metropolitane, mentre il corrugamento, quando non è più riconoscibile ad occhio nudo tramite l’osservazione di parti chiare e scure sul fungo, necessita di strumenti più avanzati.

Figg. 28 e 29 – Esempi evidenti di marezzatura di rotaie (linee metropolitane)

1.2.4 – Il corrugamento

Il corrugamento è stato molto ben caratterizzato in uno studio di S. L. Grassie e J. Kalousek del 1993. Sono stati identificati sei tipi fondamentali di corrugamento, definiti in base alla situazione in cui si presentano:

1. heavy haul (traffico pesante) 2. light rail (rotaia leggera)

3. booted sleeper (traversine con intercapedine smorzante) 4. contact fatigue (fatica di contatto)

5. rutting (solchi)

6. roaring rails (rotaia rombante)

Per ogni tipo si è ipotizzata la causa principale dell’eccitazione ad una determinata frequenza, ovvero il meccanismo che ha provocato la diversa usura del piano di rotolamento, rendendolo ondulato. L’effetto principale del corrugamento è associato ad un fenomeno di usura adesiva (stick-slip): la ruota “scivola” sulla cavità e “si incolla” sulla cresta.

Il primo tipo (heavy haul) è associato al passaggio di traffico pesante a velocità basse, ma sempre uguali per ogni treno. Il meccanismo scatenante è di solito una saldatura o un giunto di dilatazione. Si presenta principalmente in corrispondenza della rotaia esterna nelle curve. La lunghezza d’onda più comune è tra i 200 mm ed i 300 mm e corrisponde, data la velocità dei treni su quel tratto, ad una frequenza di eccitazione di 30 Hz. A questo tipo di corrugamento sono associate grosse deformazioni plastiche nelle cavità della superficie del fungo.

Il secondo tipo (light rail) è simile al primo per quanto riguarda il meccanismo scatenante, è associato sempre ad una frequenza di 30 Hz ma per velocità dei rotabili più elevate, perciò a lunghezze d’onda tra i 500 mm ed i 1500 mm. Le ampiezze possono raggiungere il millimetro e si ritrovano per lo più su rotaie leggere, come quelle da 47 kg/m e da 53 kg/m.

Il terzo tipo (booted sleeper) si è riscontrato soprattutto sulle rotaie delle metropolitane; una osservazione caratterizzante è che le deformazioni plastiche sono disposte a 60° rispetto alla direzione longitudinale. Il fenomeno si verifica per lo più sulla rotaia interna alla curva, per curve al di sotto dei 400 m di raggio. La lunghezza d’onda tipica è di 50 mm.

Il quarto tipo (contact fatigue) è dovuto a grosse particelle di acciaio che si staccano dalla rotaia dopo che il corrugamento è progredito sino a profondità di 0,5-2 mm. Anche in questo caso il fenomeno si osserva particolarmente nelle curve, tuttavia non sempre sulla rotaia esterna in quanto se lo scartamento è largo, il corrugamento si vede prima sulla rotaia interna.

Compare invece sulla rotaia esterna se lo scartamento è ridotto e anche nel caso in cui il fungo sia piatto, cioè non mantenga il raggio di curvatura di progetto, di 300 mm. Spesso le scaglie che si distaccano formano delle conche che saranno poi le cavità del corrugamento.

Il quinto tipo (rutting) si ritrova nella maggior parte delle ferrovie ed ha la caratteristica forma di creste lucide e cavità scure. I solchi sono accentuati e sono larghi quanto l’intera superficie di rotolamento. La lunghezza d’onda può variare tra 50 mm e 450 mm in funzione del tipo di veicolo (tranviario o ferroviario) e della sua velocità. Si ritrova dove forti sono le spinte longitudinali della ruota sulla rotaia, cioè in prossimità di curve o di stazioni, dove il treno accelera e decelera.

Il sesto tipo (roaring rails) si ritrova nelle ferrovie interessate da traffico a velocità attorno ai 100 km/h e per carichi assiali leggeri, cioè con meno di 10 t su ogni ruota. Si ritrova principalmente in rettifilo o in curve dolci a tal punto da non aversi contatto tra il bordino e la rotaia. Associato a lunghezze d’onda tra i 25 mm e gli 80 mm, è provocato dall’usura dovuta al passaggio di treni di diverso tipo ed eventualmente a diverse velocità. Anche se ad occhio nudo si possono riscontrare delle chiazze uniformi di materiale usurato, analizzando lo spettro di frequenze presenti si scopre che quest’ultimo è a larga banda.

Per dovere di completezza si deve ricordare che il corrugamento è presente anche sulla superficie della ruota, talvolta in modo addirittura più accentuato.

Il corrugamento, presente all’interfaccia tra ruota e rotaia, è la causa della vibrazione di queste ultime che a loro volta fanno vibrare la sovrastruttura ferroviaria (vibrazioni strutturali del terreno) e l’aria circostante (rumore ambientale). II corrugamento ferroviario è dunque la causa del rumore ferroviario dovuto al contatto tra ruota e rotaia.

1.2.5 – Elementi di finitura superficiale

Qualunque superficie reale, anche se sottoposta a lavorazione molto accurata, presenta irregolarità (solchi e creste) che definiscono scostamenti locali, più o meno estesi, rispetto alla superficie ideale indicata sul disegno. Il grado di finitura delle superfici lavorate (da valutare con strumenti sufficientemente sensibili) è un parametro rilevante di cui si deve tener conto nell’affrontare lo studio della buona qualità dei prodotti fabbricati; impiegare materiali con migliori caratteristiche meccaniche o adottare tolleranze dimensionali più piccole non è sempre sufficiente, se non si raggiunge contemporaneamente un buon livello di finitura superficiale.

Limitare i difetti di finitura superficiale è operazione necessaria per il funzionamento ottimale di componenti meccanici destinati all’accoppiamento; in particolare raggiungere un buon grado di riempimento del profilo migliora la resistenza all’usura e alla fatica.

Un’altra proprietà rilevante delle superfici con elevato grado di finitura superficiale è quella di presentare una migliore resistenza al fenomeno della corrosione, rispetto alle superfici con elevata rugosità. L’influenza della rugosità si estende a vari settori dell’ingegneria, come quelli riguardanti il controllo del rumore e delle vibrazioni, le tolleranze dimensionali, i processi abrasivi e la geomorfologia.

Fig. 30 – Geometria del piano di rilievo

Per misurare il grado di finitura superficiale degli elementi meccanici è utile richiamare alcune definizioni fondamentali:

 superficie ideale: la superficie geometrica teorica rappresentata sul disegno

 superficie reale: la superficie effettivamente ottenuta con la lavorazione, ma che risulta impossibile da determinare esattamente per gli ovvi limiti degli strumenti di misura

 superficie misurata: la superficie rilevata dagli strumenti di misura microgeometrica (in pratica si considera coincidente con la superficie reale)

 superficie tecnica: per convenzione, la superficie rilevata dagli strumenti di misura macrogeometrica forniti di palpatore con punta sferica di raggio di 25 mm

 piano di rilievo: il piano con il quale si seziona idealmente la superficie allo scopo di rilevarne le caratteristiche geometriche

 profilo ideale: la linea risultante dalla intersezione del piano di rilievo con la superficie ideale

 profilo reale: la linea risultante dalla intersezione del piano di rilievo con la superficie reale  profilo tecnico: la linea risultante dalla intersezione del piano di rilievo con la superficie

tecnica

Il grado di finitura superficiale è caratterizzato attraverso alcuni parametri che si riferiscono a determinate caratteristiche del profilo analizzato. Questi parametri sono classificati in tre gruppi a seconda del tipo di caratteristica che misurano:

 parametri di ampiezza: misurano e analizzano gli spostamenti verticali del profilo misurato rispetto a quello ideale

 parametri di spaziatura: sono misure della spaziatura e delle irregolarità lungo la superficie  parametri ibridi: si riferiscono sia all’ampiezza che alla spaziatura delle irregolarità

Tra i molti parametri che sono stati proposti per la misura della rugosità, si riporta la definizione dei tre più comuni, riferiti ad un criterio di ampiezza. La discussione sull’effettiva importanza di caratterizzare una superficie lavorata adottando l’uno o l’altro parametro è però ancora aperta.

La rugosità media aritmetica (Ra) è sicuramente il parametro più adottato; rappresenta il valore medio assoluto degli scarti della superficie reale da quella tecnica e viene calcolato con la formula seguente:

∑

∫

≅

=

y

n

dx

x

y

l

R

1

)

(

1

avendo indicato con:

 lm la lunghezza del tratto di misura

 y(x) la coordinata del profilo rilevato sulla lunghezza di misura  n il numero di rilevazioni del profilo in caso di analisi discreta

Tuttavia la rugosità media aritmetica non descrive completamente le caratteristiche di una superficie; può capitare, infatti, che profili sostanzialmente differenti presentino lo stesso Ra; dunque è buona norma definire altri tipi di parametri.

La rugosità media quadratica (Rq o RRMS) rappresenta il valore quadratico medio della

superficie reale rispetto a quella tecnica. Tra i parametri Ra e Rq è generalmente accettata una

relazione del tipo:

a

q

R

R

= 11

1

,

⋅

La rugosità massima o totale (Rt) è data dalla massima distanza fra la cresta più alta e la

valle più profonda. La rugosità totale richiama il concetto di campo di tolleranza, cioè l’ampiezza della fascia entro la quale devono essere comprese le irregolarità superficiali, anche se è alla fine un parametro poco significativo, in quanto può essere fortemente influenzato da un’irregolarità accidentale della superficie.

La relazione sperimentale (riportata a titolo puramente indicativo) che lega la rugosità massima totale alla rugosità media aritmetica è:

93 , 0

5

,

5

R

R

=

⋅

I parametri appena definiti non sono il più delle volte decisivi a caratterizzare completamente la funzionalità di una superficie dal punto di vista dell’usura e degli accoppiamenti forzati o rotolanti. Si introducono così anche dei parametri relativi al fattore di forma e quelli derivanti da un’analisi statistica del profilo misurato. I principali indici di questo tipo sono:

 curva di densità delle ordinate: per ottenere tale funzione, la distanza fra le due linee di riferimento superiore ed inferiore viene suddivisa con linee parallele che definiscono altrettante classi. L’istogramma che dà la distribuzione delle ordinate si ottiene mettendo in un diagramma il numero di ordinate Ni per ogni classe i espresso in percentuale

dell’insieme di tutte le N ordinate (100Ni/N) in funzione del valore yi dell’ordinata media

della classe considerata. La densità percentuale delle ordinate viene poi divisa per l’ampiezza della classe di precisione espressa in μm

Fig. 31 – Esempio di curva di densità delle ordinate

 curva di Abbott: la curva di Abbott rappresenta l’andamento della frazione portante della superficie in funzione dell’ampiezza delle ordinate. Per ottenere tale curva si procede nel seguente modo: si traccia una serie di linee parallele al di sotto della linea di riferimento superiore e per ognuna di esse si fa il rapporto fra la somma dei segmenti intercettati dal profilo all’interno del medesimo e la lunghezza totale del profilo analizzato, quindi si riporta in grafico in funzione della profondità

Fig. 32 – Esempi di curve di Abbott

 analisi in frequenza: per mezzo della trasformata di Fourier è possibile analizzare il profilo misurato nel dominio della frequenza, studiando le lunghezze d’onda caratteristiche e dunque le frequenze principali delle ondulazioni. Questo metodo matematico di analisi di un profilo metallico è utilissimo per capire, nel contatto ruota-rotaia, quali siano le frequenze di eccitazione per il complesso sistema dinamico del binario ferroviario, le cui vibrazioni generano il rumore di rotolamento

Fig. 33 – Riepilogo schematico delle difettosità del binario ferroviario

Bibliografia essenziale:

 Agostinacchio M., Ciampa D., Olita S., Strade Ferrovie Aeroporti. La progettazione

geometrica in sicurezza, Roma, EPC, 2005

 Giusti F., Santochi M., Tecnologia meccanica e studi di fabbricazione, Milano, Casa editrice Ambrosiana, 1992

 Mayer L., Impianti ferroviari. Tecnica ed esercizio, Roma, Collegio Ingegneri Ferroviari Italiani, 1976

 Thompson D., Railway noise and vibration: mechanisms, modelling and means of control, Elsevier, Amsterdam, 2009

 Vicuna G., Organizzazione e tecnica ferroviaria, Roma, Collegio Ingegneri Ferroviari Italiani, 1976