Analisi delle forze ruota-rotaia mediante sale montate strumentate. Progettazione e validazione sperimentale di sistemi basati su strumentazione estensimetrica

L’analisi della interazione ruota-rotaia è di fondamentale importanza per comprendere la dinamica di marcia di un veicolo ferroviario. Sebbene gli strumenti di calcolo siano sempre più raffinati, grazie ai modelli del contatto ruota-rotaia quali quelli di Kalker ed all’uso massiccio dei solutori nel dominio del tempo di modelli multi-body, le normative ferroviarie prevedono comunque la misura in linea del comportamento del veicolo, ossia la misura contemporanea delle forze verticali Q e delle forze laterali Y delle ruote di un veicolo (tuttavia non prescrivono, come nel caso della EN 14363, alcun metodo particolare per la misura delle forze di contatto). A questi valori sono infatti correlati i parametri convenzionalmente utilizzati per definire il coefficiente di svio, dato dal rapporto Y/Q, e la forza di ripage, ossia la somma ΣY delle forze laterali delle due ruote di una sala, che è responsabile dello slineamento del binario secondo la formula di Prud’Homme. La caratterizzazione del contatto avviene mediante la conoscenza della risultante delle forze scambiate tra ruota e rotaia, la collocazione della sua retta di azione e l’identificazione dell’eventualità di contatti multipli. La misura può essere fatta da terra, per comprensibili motivi, solo in installazioni puntuali o comunque molto limitate ma risultano essere non rappresentative delle condizioni di marcia generiche di un rotabile. Il problema può essere risolto mediante l’uso di opportuni sistemi a bordo veicolo che impiegano sale montate strumentate. Tali sistemi sono progettati e realizzati per risultare il meno invasivi possibile. Non vi sono sistemi in grado di rilevare direttamente le forze di contatto ma la loro misura è sempre indiretta: le forze di contatto vengono determinate basandosi sull’effetto che queste hanno su particolari componenti del veicolo stesso. Ovviamente, essendo l’obiettivo quello di rilevare le forze di contatto scambiate tra ruota e rotaia, più prossimi a tale zona si resta, maggiori saranno gli effetti dovute a tali forze. Pertanto, strumentare la sala (ruote e/o assile) permette di ottenere un rapporto segnale/rumore (dove il segnale sono le forze di contatto) più elevato. Lo svantaggio di tale scelta consiste nel fatto che la sala ruota rispetto al veicolo ferroviario. È quindi richiesto un costoso sistema di telemetria per trasmettere i segnali, misurati a bordo sala, verso un sistema di acquisizione/elaborazione che tipicamente si trova a bordo veicolo. Va inoltre puntualizzato che, più prossimi si è alla zona dove tali forze vengono scambiate, più si risentono degli effetti locali ad elevata frequenza quali ad esempio le rugosità superficiali dei corpi a contatto, la loro geometria (profilo nuovo o usurato) nonché la posizione del punto di contatto. Le tecniche odierne utilizzano principalmente estensimetri elettrici a resistenza incollati sulla cartella e/o sull’assile e a partire dalle deformazioni elastiche misurate è possibile ricostruire, tramite un’opportuna calibrazione, le forze mutuamente scambiate al contatto ruota-rotaia. Al fine di utilizzare una sala montata come uno strumento di misura è necessario effettuarne una calibrazione preliminare. Durante questa fase forze note sono applicate alla sala e i segnali di uscita dei ponti estensimetrici, incollati sull’assile o sulle vele, sono acquisiti. Pertanto è possibile identificare la relazione matriciale tra il vettore delle forze applicate ed il vettore delle deformazioni misurate, con l’obiettivo di stimare le forze al contatto. Uno dei più grandi problemi, intrinseco a tale procedura, è l’influenza della componente laterale di forza sui segnali dei ponti dedicati alla misura della componente verticale e viceversa: la matrice di calibrazione non è diagonale ed il processo di inversione richiesto per stimare le forze in ingresso può essere mal condizionato, rendendo tale stima affetta da errori. Per limitare tale aspetto è stato progettato un nuovo banco di taratura, basato su un layout innovativo che permette di vincolare isostaticamente la sala da calibrare.