L'eredità vivente di innovazione ingegneristica di Wabtec
I 155 anni di innovazione di Wabtec, uno sguardo più da vicino alle recenti scoperte che hanno plasmato il settore del trasporto ferroviario merci.
Con il 2024 che segna il 155° anniversario di Wabtec, la tentazione di far risalire l'eccellente genealogia ingegneristica dell'azienda al triumvirato fondatore, composto da George Westinghouse, Thomas Edison e Louis Faiveley, è indubbiamente forte.
Westinghouse -
il primo sistema frenante su rotaia Edison - la prima locomotiva elettrica Faiveley - il primo pantografo
Ognuna di queste tecnologie ha permesso a Wabtec di rivoluzionare il settore ferroviario.
Ma Wabtec non è diventata un leader globale nella tecnologia ferroviaria rimanendo fedele al suo passato storico. Piuttosto, si è basata su quella ricca base di innovazione per migliorare e trasformare continuamente le prestazioni ferroviarie per i suoi clienti.
In poche parole, l'innovazione non è solo una «eredità» per Wabtec: è un'eredità vivente, che viene migliorata ogni giorno da una forza tecnica di circa 5.000 persone.
Con questa distinzione in mente, consideriamo la recente storia di Wabtec fatta di innovazioni rivoluzionarie e meraviglie ingegneristiche nel settore del trasporto ferroviario merci.
Sfida: aumentare lo sforzo di trazione dei treni pesanti
Innovazione: la locomotiva AC
Negli anni '90, Wabtec era in concorrenza con EMD nel mercato delle locomotive da carico e le principali ferrovie di tutto il mondo erano limitate dalla capacità di trazione iniziale e continua delle loro locomotive DC.
La situazione stava per cambiare.
Gli ingegneri di Wabtec, guidati dal «padre della locomotiva AC», AJ Kumar (che ha superato i 361 brevetti stimati di George Westinghouse nel 2022), hanno adottato un approccio di «ingegneria dei sistemi» per creare un nuovo tipo di motore per riscrivere l'efficienza e le capacità di trasporto della moderna locomotiva da trasporto merci. È nato il sistema di trazione AC.
«I nostri concorrenti all'epoca, primo fra tutti EMD, erano tutti concentrati sullo stesso problema di fornire una locomotiva con maggiore potenza di trazione per i clienti che effettuavano trasporti pesanti», ricorda Alan Hamilton, VP of Engineering di Wabtec. «Molti di loro hanno cercato di esternalizzare la soluzione, ma noi abbiamo mantenuto tutto all'interno dell'azienda. Abbiamo colto l'occasione per esaminare la sfida attraverso la lente dell'intera locomotiva, l'interconnessione del motore, del sistema di trazione e dei comandi, che fanno funzionare una locomotiva, per creare l'architettura di un nuovo tipo di locomotiva e ottimizzarla specificamente per le esigenze dei nostri clienti che effettuano trasporti pesanti».
Questo approccio olistico all'ingegneria dei sistemi ha fatto miracoli, dando come risultato non solo una locomotiva a corrente alternata «funzionante», ma anche una centrale elettrica di alto livello costruita con componenti ottimizzati, che offriva capacità termiche avanzate (motore), capacità di aderenza (ruote) e controllo individuale degli assi (controlli elettronici di potenza) per massimizzare lo sforzo di trazione.
Le prodezze ingegneristiche alla base dei singoli componenti sono numerose, così come quelle degli «organi vitali» della locomotiva, ma la vera innovazione è il modo in cui questi pezzi hanno lavorato insieme per creare un insieme ottimizzato, un sistema che ha improvvisamente aumentato lo sforzo di trazione fino a una valutazione continua di 166.000 libbre, quasi il 60% in più rispetto alla precedente locomotiva DC. Improvvisamente, i clienti con un carico che aveva richiesto cinque locomotive a corrente continua per essere trainato, potevano ora utilizzare tre locomotive a corrente alternata, riscrivendo le regole di produttività, efficienza e costi di manodopera e manutenzione in un colpo solo.
«Francamente, noi e l'industria non ci siamo mai voltati indietro. Wabtec ha adottato l'architettura della sua locomotiva AC sin dall'inizio», osserva Hamilton. «Questo ha posto anche le basi per la nostra attività di ammodernamento delle locomotive di successo, che ancora oggi sta convertendo le locomotive DC nella piattaforma AC».
I progressi di Wabtec nel campo dell'aria condizionata si sono estesi anche al settore minerario, portando infine alla creazione dell'autocarro Komatsu 930E di prima classe, che è diventato lo standard del settore nel corso degli anni 2000 grazie all'aumento del trasporto e alla riduzione dei costi totali del ciclo di vita. Indipendentemente dalle aziende operanti nel settore minerario, Wabtec e i suoi clienti hanno raggiunto l'oro con la tecnologia AC.
Sfida: soddisfare standard sempre più severi sulle emissioni di gas serra
Innovazione: garantire la conformità obbligatoria + risparmio di carburante = i motori della serie Evolution
A partire dai primi anni 2000, una serie di standard sempre più rigorosi sulle emissioni di gas a effetto serra (GHG) (Tier 2 — Tier 4) ha influito sulla progettazione dei motori delle locomotive merci. Anche in questo caso, mentre i suoi concorrenti hanno scelto soluzioni discrete per mantenere la conformità, Wabtec ha applicato un approccio olistico di ingegneria dei sistemi.
«I nostri concorrenti hanno visto la soluzione al nuovo regime di emissioni come un problema «motore»; hanno modificato i motori esistenti e li hanno «desintonizzati» per renderli conformi», afferma Hamilton. «Il problema di questo approccio era che comportava una riduzione del risparmio di carburante. Gli ingegneri di Wabtec hanno adottato un approccio completamente diverso. Hanno reinventato il motore come una «centrale elettrica» per la locomotiva e hanno trovato il modo di ridurre le emissioni, aumentando al contempo le miglia per gallone: una vera svolta».
Questa innovazione ha introdotto il motore della serie Evolution nel settore ferroviario. Gli ingegneri di Wabtec hanno testato nuovi modi per fornire carburante al motore (e valore aggiunto per il cliente), approdando infine a un sistema common rail ad alta pressione che ha consentito di controllare la pressione di iniezione del carburante indipendentemente dalla velocità del motore. Miglioramenti pratici e fantasiosi nella progettazione complessiva del motore hanno aiutato Wabtec non solo a soddisfare le esigenze di conformità dei clienti, ma anche ad aggiungere valore aggiunto grazie a una ritrovata efficienza nei consumi di carburante, una delle principali leve dei costi nel settore ferroviario.
E così come l'aggiunta degli standard di conformità non si è fermata, così come la creatività degli ingegneri di Wabtec. Quando sono emersi gli standard sulle emissioni Tier 4, che richiedono una maggiore riduzione del particolato e degli NOx, la maggior parte dei produttori di locomotive ha adottato un approccio di «post-trattamento», introducendo catalizzatori costosi e piuttosto ingombranti a base di urea nella miscela di carburante e motore.
Non Wabtec. Pur esplorando le diverse opzioni di post-trattamento, i tecnici hanno spinto oltre i limiti del loro approccio all'ingegneria dei sistemi, innovando il metodo di post-trattamento per fornire non solo una soluzione completamente conforme ma anche meglio ottimizzata per le ferrovie nordamericane con la locomotiva Tier 4 della serie Evolution. Per gli ingegneri di Wabtec, la conformità al livello 4 è stata la spinta necessaria, ma le prestazioni e la creazione di valore sono rimasti l'obiettivo.
La locomotiva Tier 4 della serie Evolution di Wabtec, che offre efficienza e aderenza ottimali, è la scelta indiscussa delle ferrovie nordamericane per soddisfare le loro esigenze di nuova potenza di trazione. Con quasi 1.200 unità consegnate fino ad oggi, l'approccio ottimizzato di ingegneria dei sistemi di Wabtec allo sviluppo del prodotto continua a essere convalidato dal mercato.
Sfida: trasformare i dati di utilizzo delle locomotive in un vantaggio prestazionale per il cliente
Innovazione: tecnologia di controllo Wabtec
Oltre a promuovere innumerevoli innovazioni hardware per locomotive, l'approccio all'ingegneria dei sistemi di Wabtec ha portato anche a una rivoluzione del software che sta ancora trasformando il settore. Grazie ai progressi nella telemetria e nell'acquisizione dei dati a bordo, e mentre Wabtec seguiva letteralmente i binari con i suoi clienti per comprendere meglio le loro esigenze e vedere «da vicino» come operano, gli ingegneri di Wabtec hanno trovato il modo di trasformare i dati in prestazioni migliorate.
La prima e più importante tra queste innovazioni software è Trip Optimizer, un sistema intelligente di gestione dell'energia e cruise control per treni che considera il terreno, la composizione del treno, i limiti di velocità e le condizioni operative per calcolare un profilo di velocità ottimale. Lanciato nel 2009, Trip Optimizer ha recentemente raggiunto un traguardo impressionante: un miliardo di miglia in esercizio, facendo risparmiare alle principali ferrovie di tutto il mondo oltre 750 milioni di galloni di gasolio e riducendo le emissioni fino al 10 percento.
«Le nostre numerose innovazioni nei sistemi di controllo, dal nostro miglior controllo della trazione delle locomotive (aderenza), all'alimentazione/fasatura del motore e al controllo ausiliario delle locomotive a velocità variabile (emissioni/efficienza), LOCOTROL (potenza distribuita) e Air Brake Control (freni) a Trip Optimizer dimostrano che i nostri ingegneri stanno portando il nostro approccio all'ingegneria dei sistemi a un livello superiore», riflette Hamilton. «Trip Optimizer, ad esempio, ha richiesto una sorta di salto metaforico, considerando l'intera rete ferroviaria come un sistema e utilizzando gli input di quel sistema per ottimizzare l'uso dell'energia di un treno».
Questo tipo di ottimizzazione del software, che comprende i progressi nell'apprendimento automatico e nell'analisi predittiva, è tutt'altro che statico. Oggi, ad esempio, le nuove locomotive a batteria, in grado di immagazzinare l'energia prodotta dalla frenata, aggiungono un altro elemento dinamico all'equazione della gestione dell'energia, aprendo nuove frontiere dell'efficienza dei consumi.
Wabtec si basa su queste innovazioni e guarda al futuro. Avanzando all'avanguardia negli attuali sistemi di segnalamento e nelle soluzioni per l'efficienza della rete, l'azienda si sta impegnando per aumentare la capacità ferroviaria di spostare più merci in treno. Wabtec sta lavorando per ridurre le emissioni della flotta di locomotive esistente attraverso soluzioni per l'efficienza del carburante e testando diesel e biodiesel rinnovabili. Inoltre, sta guidando lo sviluppo di tecnologie di propulsione alternative.
Wabtec ha già sviluppato la prima locomotiva elettrica per trasporti pesanti al mondo, la FLXDrive TM. L'azienda consegnerà il primo FLXDrive commerciale da 7 megawattora entro la fine dell'anno per le operazioni di linea nell'esigente regione di Pilbara, nell'Australia occidentale.
Gli ingegneri di Wabtec stanno inoltre esplorando l'idrogeno come combustibile del futuro per la decarbonizzazione delle ferrovie. L'azienda sta conducendo una ricerca collaborativa con l'Oak Ridge National Laboratory e l'Argonne National Laboratory per portare avanti lavori all'avanguardia su un motore a combustione interna a idrogeno. In un percorso di ricerca separato per una locomotiva a idrogeno di nuova generazione, Wabtec sta collaborando con partner tecnologici per sviluppare locomotive in grado di utilizzare celle a combustibile a idrogeno come fonte alternativa di generazione di energia.
«Guardando indietro alla recente storia di innovazione di Wabtec e guardando al futuro, penso che i nostri leggendari fondatori ne sarebbero orgogliosi», conclude Hamilton. «Siamo riusciti dove i nostri concorrenti non sono riusciti a farlo pensando, sognando e agendo in grande e collaborando a stretto contatto con i nostri clienti. Il nostro approccio all'ingegneria dei sistemi ci ha aiutato a puntare più in alto e a ottenere di più assicurando che le nostre innovazioni funzionassero insieme in armonia, proprio come un'orchestra deve suonare insieme per fare ottima musica».