Wabtec utilizza la fluidodinamica computazionale per ottimizzare il design e le prestazioni in una varietà di condizioni.
Ancora elettrizzante dopo tutti questi anni: un apprezzamento da pantografo
A oltre 100 anni dalla sua evoluzione, il Panto sorprende ancora come punto di riferimento per l'innovazione
Non provatelo a casa
Se qualcuno fosse così sciocco da infilare il braccio fuori dal finestrino di un treno ad alta velocità lungo i binari, probabilmente si accorgerebbe delle forze in gioco su un altro tipo di braccio, quello appollaiato in cima al treno. Incontra uno dei componenti più miracolosi ma sconosciuti del trasporto ferroviario di transito: il pantografo.
E l'aerodinamica è solo una delle sfide che questo versatile equipaggiamento deve affrontare mentre svolge la sua funzione per eccellenza, estraendo la carica da un filo catenario, la lunga linea elettrica sopra i binari, e indirizzandola in modo appropriato per alimentare il treno.
Combinando la precisione e l'agilità di una ballerina con la forza bruta di un rinoceronte in carica, il panto è uno degli attrezzi ferroviari moderni più resistenti, dinamici ed essenziali. Disponibile in varietà quasi illimitate, il pantografo continua a ispirare l'immaginazione collettiva dei migliori ingegneri del settore ferroviario per renderlo più leggero, resistente, conduttivo e persino più reattivo che mai.
Il secolo del «braccio unico»
Mentre l'invenzione del pantografo «a forma di diamante» risale a John Q. Smith e a un viaggio in treno per pendolari nella baia di San Francisco del 1903, la perfezione del panto è ampiamente attribuita all'antenato della Wabtec Louis Faiveley. Non solo migliorò il panto in stile diamante con il suo design migliorato all'inizio degli anni '20, ma alla fine ruppe completamente gli schemi con l'invenzione del panto a braccio singolo. Il rivoluzionario progetto di Faiveley ha poi stabilito il record mondiale di velocità (331 kmh/206 mph) per un treno a propulsione elettrica quello stesso anno, il 1955, ed è ancora oggi lo standard del settore.
E grazie alla continua innovazione del panto a braccio singolo, sono seguite prestazioni da record. I nuovi modelli Wabtec panto hanno consentito ai treni di raggiungere velocità massime di 515 kmh/320 mph e 574 kmh/356 mph rispettivamente nel 1990 e nel 2007. Oltre a stabilire nuovi record di velocità, i pantografi Wabtec hanno raggiunto molti primati nel corso del XX e XXI secolo, tra cui innovazioni nella progettazione dei materiali, nelle dimensioni dell'impronta, nell'integrazione sul tetto, nella portata del braccio e nelle modalità di alimentazione, contribuendo a una proliferazione di panto che supera i 150 tipi e più di 90.000 installati in tutto il mondo.
La necessità della velocità
Ma torniamo alla velocità. I pantos a forma di diamante dell'inizio del XX secolo corrispondevano alla rigidità e alla tensione dei cavi aerei di quell'epoca. Eppure la loro forma voluminosa non favoriva l'alta velocità e l'aumento della tensione sui fili della catenaria. Faiveley colse l'occasione per sviluppare un nuovo e migliore tipo di pantografo, più leggero, più aerodinamico e conduttivo e dotato di una maggiore destrezza per mantenere la testina in costante contatto con il filo.
Ironia della sorte, i progettisti e gli ingegneri dei pantografi di Wabtec sono ancora oggi alle prese con queste stesse sfide alla ricerca del panto ottimale.
«Lo sviluppo dei pantografi si riduce principalmente al raggiungimento di prestazioni dinamiche stabili, alla garanzia di una raccolta di corrente di alta qualità e alla consegna nella confezione o nella misura richiesta dal cliente», afferma Matt Atkins, Power Collection Engineering Director di Wabtec. «Per prestazioni dinamiche, intendo che il panto deve funzionare in condizioni reali (si pensi alle condizioni atmosferiche, al vento, alla velocità, al rimbalzo del treno e al movimento del filo, tanto per cominciare); e per la raccolta attuale considera nuovamente questi stessi fattori oltre a una lunga lista di problemi di capacità elettrica e ingegneria meccanica. In definitiva, abbiamo bisogno di entrambi per alimentare un treno in modo efficace, ma ci sono una serie di vincoli che facciamo tutto il possibile per ostacolarli e che è nostro compito aggirare e superare».
Un altro modo per comprendere la sfida progettuale e ingegneristica dei pantografi è prendere in considerazione un breve elenco dei «must have» di un pantografo:
- Deve essere leggero.
- Deve essere forte.
- Deve essere aerodinamico.
- Deve funzionare in due direzioni (avanti e indietro, a differenza di un aereo!)
- Deve condurre elettricità.
- Deve gestire l'attrito.
- Deve funzionare in un ambiente dinamico e in continua evoluzione.
- Inoltre, deve essere configurabile in base a diverse tensioni, altezze dei cavi e tipi di treni, nonché a qualsiasi altra soluzione (vedi sotto).
Questo elenco, ovviamente, non finisce mai. E nessuno lo sa meglio del team di Wabtec panto o è più dedito a perfezionare e migliorare il portafoglio di pantografi dell'azienda per soddisfare queste esigenze spesso contrastanti.
Il sogno del pantografo perfetto
Gli ingegneri di pantografi di Wabtec in tutto il mondo condividono un'ossessione: sviluppare il panto perfetto. Quindi che aspetto potrebbe avere? Ancora una volta, Matt Atkins ha qualche idea.
«Penso che siamo tutti d'accordo sul fatto che il panto perfetto sarà super leggero, e ciò richiederà un'innovazione nel panhead, che è intrinsecamente carbonio metallizzato. Oggi, più denso è il materiale panhead, maggiore è la capacità di corrente che è in grado di sopportare. Ma questo fa aumentare il peso, nemico della velocità. Quindi il Santo Graal sarebbe un pantografo molto leggero e con una capacità di corrente molto elevata», ha detto Atkins.
«E questa è solo metà della storia. Non abbiamo nemmeno menzionato le lunghezze letteralmente necessarie ai pantografi per soddisfare le esigenze dei nostri clienti. I nostri clienti insistono costantemente affinché i pantos abbiano un range fisico molto ampio, ossia la capacità del braccio panto di estendere con destrezza distanze variabili, in modo da poter utilizzare i loro treni su binari diversi con diverse altezze dei cavi catenari. Un ottimo esempio di ciò è l'India, dove Wabtec è leader di mercato nel settore dei pantos ad alta portata».
Panto del futuro
Oltre ad affrontare le sfide fisiche, materiali ed elettriche e meccaniche derivanti dall'innovazione di panto, Wabtec deve anche fare i conti con una variabile più umana: la regolamentazione governativa.
Allo stato attuale, una delle più importanti discussioni nel mondo dei pantografi è come soddisfare al meglio il mandato dell'ERJU sui treni «airless». Sulla carta, la prospettiva dei treni airless è fantastica. Rimuovendo i compressori d'aria e le tubazioni di grandi dimensioni dalle locomotive e dai vagoni di transito, i treni diventeranno più leggeri ed efficienti.
Ma questo cambiamento rappresenta una grande sfida per i pantografi, perché molti di essi richiedono aria per funzionare. Tutto quel movimento dinamico e in tempo reale che mantiene la testina aderente alla catenaria è in genere consentito dai cilindri o dai soffietti pressurizzati del panto.
In ultima analisi, la risposta potrebbe risiedere in un pantografo completamente elettrico, alias «ePanto», progettato da Wabtec e attualmente in fase di prototipazione e pronto per la convalida a breve. Le sfide sono molte, tra cui l'introduzione di 1) un attuatore elettrico in grado di muovere il braccio panto con la stessa reattività dei sistemi ad azionamento pneumatico e 2) un sistema elettrico di caduta automatica in grado di spegnere un panto con le stesse velocità di risposta inferiori al secondo dei sistemi attuali che migliorano la sicurezza dei treni. Inoltre, ci sono problemi di isolamento elettrico da risolvere tra le tensioni operative a livello dei componenti del pantografo e le tensioni di raccolta nella linea aerea.
«Gli ePantos sono un potenziale punto di svolta per Wabtec e per il settore in generale, in quanto eliminano la necessità di molte apparecchiature costose da produrre per i costruttori di automobili e per i clienti da mantenere», ha dichiarato Philippe Geoffroy, Power Collection Pantograph Product Development Domain Leader presso Wabtec. «Ma richiederanno innovazioni significative, una sfida da cui Wabtec non ha mai evitato.
«Nel valutare le attuali frontiere dell'innovazione dei pantografi, non posso fare a meno di guardare indietro a ciò che Faiveley ha realizzato e al percorso di successo che ha intrapreso per questa azienda. È sorprendente per me che più di 100 anni dopo la sua prima grande innovazione nel design dei pantografi siamo ancora alle prese con le stesse forze fisiche e le stesse realtà elettromeccaniche di cui era vittima e che, come lui, la nostra diligenza e creatività stiano dando i loro frutti con progressi tangibili per i nostri clienti, l'azienda e l'industria».