Veicoli su rotaia Ing. Maurizio Fantini – Novembre 2014 . Veicoli su rotaia • La ferrovia (strada ferrata), sistema di trasporto terrestre a guida vincolata, esiste da quasi 190 anni: la prima in Inghilterra nel 1825 (in Italia nel 1839). • La rete ferroviaria mondiale ha oggi uno sviluppo di 1.300.000 km circa. • Bastano pochi dati per comprendere le peculiarità della ferrovia: la possibilità di trasportare 60.000 passeggeri all’ora per direzione (servizi urbani e suburbani) , di trasportare 1100 passeggeri a 300 km/h (collegamenti ad alta velocità), di effettuare convogli merci di oltre 30.000 t. Veicoli su rotaia • I maggiori vantaggi del trasporto su rotaia rispetto agli altri sistemi: - i bassi consumi energetici, grazie alle ridotte resistenze al moto; - il basso inquinamento; - la guida direzionale affidata alla stessa via (sistema di guida molto semplice rispetto a quello di altri sistemi guidati); - la possibilità di concentrare elevate potenze motrici; - la sicurezza , le ferrovie in particolare quelle europee, rappresentano il sistema di trasporto più sicuro. ** Secondo dati di fonte giapponese, l’energia necessaria per trasportare un passeggero per un km con un treno ad alta velocità (Shinkansen serie 700) è di 64 kcalorie, un terzo dell’energia necessaria a un autobus di linea, circa un sesto di quella assorbita da un aereo di recente generazione, un decimo di quella necessaria ad un’auto privata. ** Per quanto riguarda l’emissione di CO2 per pass.-km, rispetto al treno AV, l’autobus è 7 volte più inquinante, l’aereo 10 volte e l’auto privata oltre 16 volte. Veicoli su rotaia • Nella definizione di un sistema di trasporto è la capacità di traffico, in termini di passeggeri (passeggeri-km) e/o di merci (tonnellate-km) che determina la sua convenienza economica; occorre tuttavia tenere presente anche altri fattori, quali l’impatto ambientale, che possono orientare la scelta sul sistema ferroviario. • La sede ferroviaria occupa poco territorio; basti pensare che la superficie impegnata dall’intera linea ad alta velocità Parigi-Lione, lunga 450 km, è inferiore a quella occupata dall’aeroporto di Parigi Roissy. • Le dimensioni contenute e le caratteristiche intrinseche al sistema ferroviario hanno favorito la realizzazione di grandi opere, come il tunnel sotto la Manica (costituito da due gallerie principali di 50 km ed una galleria ausiliaria), il tunnel sottomarino del Seikan, in Giappone, lungo 53,8 km ed il traforo di base del San Gottardo costituito da due gallerie di 57 km, completato recentemente. Veicoli su rotaia Veicoli su rotaia Veicoli su rotaia Gli elementi che costituiscono la ferrovia • Il binario: è costituito da due rotaie appoggiate su traverse (di legno trattato, di cemento o acciaio), ancorate a queste per mezzo di attacchi; le traverse appoggiano sulla massicciata o ballast ,costituita da pietrisco, o su piattaforme di cemento provviste di elementi elastici per limitare le vibrazioni. • Le rotaie sono unificate esistono di vari tipi : es. 36 kg/m, 50 kg/m, 60 kg/m. Le rotaie sono costituite da spezzoni uniti da giunti di dilatazione, ora vengono saldate, grazie ai nuovi attacchi ed al maggiore numero di traverse. Le rotaie ferroviarie sono a fungo, quelle tranviarie a gola. L’insieme di rotaie e traverse è comunemente chiamato armamento (ferroviario). Il filo superiore della rotaia viene normalmente chiamato piano del ferro (p.d.f.) • Lo scartamento : distanza tra le facce interne delle rotaie Scartamento normale 1435 mm (tranviario italiano 1445 mm), ridotto 1000 mm (950 mm in Italia), 1067 mm, largo 1520 mm (Russia), 1600 mm (Brasile, Irlanda), 1668 mm (Spagna, Portogallo). Lo scartamento normale riguarda circa il 60% della rete mondiali. Vi sono treni a scartamento variabile (es, Talgo RD) • Lo scambio o deviatoio è l’elemento che consente il cambio di direzione, presenta in corrispondenza del cuore una discontinuità (spazio nocivo). Sulle linee ad alta velocità gli scambi sono a ‘cuore mobile’. • La sagoma limite: è l’ingombro massimo entro cui deve rimanere il rotabile; con lo scartamento è l’elemento base per consentire l’interoperabilità dei rotabili (in Europa fiche UIC 505- sagoma limite dinamica). Veicoli su rotaia Veicoli su rotaia Veicoli su rotaia Binario e sala ferroviaria Veicoli su rotaia Ruota ferroviaria Veicoli su rotaia Sistemi di trazione Esistono due sistemi di trazione: elettrica e termica (vapore, diesel, turbina a gas). Il treno è nato grazie alla macchina a vapore; oggi questo tipo di trazione si trova in alcuni servizi turistici. Fino a poche decine d’anni fa in India e in Cina venivano ancora prodotte locomotive a vapore. La scelta del sistema di trazione è normalmente funzione del traffico. La trazione elettrica è nata sperimentalmente negli USA nel 1869 e dieci anni dopo in Germania. Inizialmente venne utilizzata per i sistemi urbani, con tensione di 500-600 V in corrente continua (tranvie di Parigi e Berlino nel 1881 e metropolitana di Londra 1890). All’inizio del ‘900 venne sperimentata l’alimentazione in corrente alternata. In Italia nel 1902 vennero elettrificate in tensione alternata trifase le linee della Valtellina. Attualmente esistono nel mondo circa 220.000 km di linee elettrificate. La trazione elettrica consente di realizzare locomotive di elevata potenza (ai cerchioni),fino a 7 MW (su 4 assi). L’alimentazione può essere effettuata da linea di contatto aerea (monofilare o a catenaria) o da terza rotaia. Oggi esistono principalmente 4 sistemi di elettrificazione ferroviaria, due in alternata e due in continua: 1500 V cc, 3000 V cc, 15kV 16 2/3 Hz , 25kV 50 Hz L’elettrificazione urbana è a 600 V / 750 V cc (questa con alimentazione a terza rotaia è presente anche sulla rete ferroviaria inglese a sud di Londra). I valori di tensione sopra indicati sono nominali; la tensione alla linea di contatto varia tra un valore minimo e un valore massimo stabilito dalle norme (es. la IEC n. 38 indica per la corrente continua, variazioni di tensione - 33% + 20%). Le nuove linee ad alta velocità sono elettrificate in alternata (potenze elevate con minore numero di sottostazioni e migliore captazione, grazie alla linea di contatto più leggera). Ricordiamo che la potenza è data dal prodotto della tensione per la corrente (P=VI). Veicoli su rotaia I vantaggi della trazione elettrica si possono così sintetizzare: - Grande capacità di sovraccarico dei motori elettrici e quindi dei mezzi di trazione - Possibilità di installare a bordo potenze unitarie elevate - Elevate prestazioni in termini di accelerazione d’avviamento e di decelerazione di frenatura e quindi di velocità commerciale, elementi fondamentali nel trasporto urbano e suburbano a frequenti fermate - Elevate prestazioni in termini di massa dei singoli convogli e di velocità, caratteristiche importanti su linee acclivi, come quelle di valico - Elevate potenzialità nel traffico viaggiatori e merci e ad alta velocità (conseguenza dei punti precedenti - Possibilità di ricorrere nelle centrali elettriche a fonti energetiche diverse (es. energia idraulica) - Economia di esercizio - Assenza di gas di scarico, particolarmente nocivi nei percorsi in galleria - Riduzione della rumorosità . Veicoli su rotaia La trazione diesel ha avuto le prime applicazioni ferroviarie dopo il 1920. In Italia le prime automotrici (Littorine) sono apparse fra il 1920-1930. Inizialmente i mezzi erano di bassa potenza, con cambio meccanico ad ingranaggi di tipo automobilistico. Trasmissioni più diffuse: elettrica, idraulica La trasmissione elettrica, la più diffusa, consente la realizzazione di mezzi di trazione di elevata potenza dotati di motori elettrici. Le locomotive diesel-elettriche possono avere una potenza installata (riferita al motore diesel) superiore a 4 MW . La trazione diesel è molto diffusa al di fuori dell’Europa (dove la maggior parte delle linee è elettrificata). Su un parco mondiale di oltre 80.000 locomotive il 65% è a trazione diesel, di queste circa il 45% opera in Nord America (Stati Uniti e Canada). La trasmissione idraulica è diffusa nei mezzi leggeri e nelle locomotive fino a un massimo di 2 MW di potenza. Come motore termico a volte viene impiegata la turbina a gas (di solito turbine d’elicottero); grazie alla sua potenza massica superiore a quella di un motore diesel è possibile realizzare mezzi di trazione di potenza elevata, mantenendo limitata la massa per asse. Tra il 1970 e il 1980 in Francia sono stati realizzati dei treni automotori a turbina a gas (turbotreni), per collegamenti intercity; turbotreni sono stati forniti dall’industria francese negli Stati Uniti, in Iran e in Egitto. Veicoli su rotaia Il progetto di un rotabile ferroviario Elementi che condizionano il progetto: -Lo scartamento della rete -La sagoma limite -.Le Norme di riferimento (unificazione, interoperabilità - STI) -Le caratteristiche della linea/rete: massa massima per asse , tracciato (curve, pendenze, traghettamento,ecc.) -Il sistema di trazione -Il sistema di frenatura -Compatibilità coi rotabili esistenti (accoppiamenti meccanici, elettrici, ecc.) -Condizioni climatiche Veicoli su rotaia . Tram-Treno Avanto SNCF Veicoli su rotaia Classificazione dei rotabili Si distinguono in trainanti (locomotive) e trainati (materiale rimorchiato). Il materiale rimorchiato si suddivide in veicoli per il trasporto di persone (carrozze o vetture ad uno o a due piani) e per il trasporto merci (carri di varia tipologia: pianali per trasporto containers, chiusi a pareti scorrevoli, cisterna, frigorifero, tramoggia, per trasporto automobili, ecc.). La maggior parte del materiale rimorchiato è dotata di carrelli a due assi, esistono anche carri merci a due assi. Vi sono delle vetture passeggeri dotate di cabina di guida ad un’estremità (vetture semipilota) che consentono dei servizi navetta o push-pull. Le locomotive si distinguono per il tipo di trazione (elettrica, termica). Le locomotive di produzione. più recente sono e 4 e a 6 assi motori, normalmente sono dotate di 2 carrelli a due o a tre assi o di 3 carrelli a due assi. Le locomotive da manovra possono essere anche ad assi rigidi (a due e a tre assi). La potenza nominale o continuativa di una locomotiva elettrica è quella misurata all’uscita degli alberi dei motori elettrici.