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Rompere un blocco tecnologico per rendere più efficienti i sistemi di trasporto ferroviario
Introduzione
Tutti si aspettano e vogliono una maggiore efficienza nel trasporto ferroviario, ma a causa della concentrazione urbana e della mancanza di fondi, sembra molto improbabile che l'infrastruttura venga ampliata. L'unico modo per migliorare le prestazioni del trasporto ferroviario è quindi far circolare più treni all'ora sui binari esistenti. A tal fine, dobbiamo superare la sfida delle limitazioni delle prestazioni di frenata dovute all'aderenza tra ruote e rotaie.
Il sistema Wheel Slide Protection (WSP) è la chiave per ottimizzare l'uso dell'aderenza disponibile, migliorando così le prestazioni di frenata garantite.
In situazioni normali, le prestazioni sono fisicamente limitate dall'aderenza tra rotaia e ruota, ma problemi esterni come le condizioni atmosferiche e l'inquinamento possono causare una riduzione dell'aderenza effettiva disponibile. La prima conseguenza di ciò è un'alterazione delle prestazioni, ma può anche portare a un costoso deterioramento. La funzione principale di un WSP è sfruttare al meglio l'aderenza disponibile in qualsiasi condizione esterna, evitando al contempo lo scenario peggiore del bloccaggio degli assi. Viene anche utilizzato per limitare il deterioramento che potrebbe avere un impatto sul materiale rotabile o sull'infrastruttura.
Il seguente documento presenta i risultati più recenti di Wabtec in questo settore, il risultato di un lavoro continuo sia in laboratorio utilizzando strumenti di simulazione e test ad alte prestazioni, sia sul campo.
Le sfide
Le condizioni meteorologiche avverse e l'inquinamento hanno un impatto negativo sull'aderenza ruota-rotaia dei sistemi di trasporto ferroviario, prolungando gli spazi di frenata dei treni. Per limitare questo problema, gli operatori necessitano di migliori sistemi di protezione contro lo slittamento delle ruote.
Gli attuali sistemi WSP sono progettati considerando le tipiche condizioni di adesione degradata definite negli standard, che a volte si discostano notevolmente dalle condizioni effettive. Se l'aderenza è inferiore a questo livello standard, può comportare l'estensione degli spazi di frenata di oltre il 50% rispetto alla ferrovia asciutta e il deterioramento delle ruote (ruote piatte), obbligando gli operatori a riprofilarle. Questo processo riduce la disponibilità dei treni e riduce la durata delle ruote, generando costi di manutenzione aggiuntivi. Se l'aderenza si degrada ulteriormente, è necessario prendere in considerazione regole operative restrittive, come la riduzione delle velocità consentite o la gestione della pulizia delle ferrovie.
I sistemi WSP attualmente in uso sono qualificati e testati sulla base dei modelli di adesione definiti nella norma EN15595 (o UIC 541-05). È un processo lungo e costoso realizzato prima tramite banchi di prova, poi con test sul campo; il processo richiede diverse settimane per ogni nuova implementazione di un veicolo.
Un'impostazione fissa non può coprire l'ampia gamma di condizioni create dalle condizioni ambientali o dal sistema frenante stesso:
- L'aderenza effettiva sulla rotaia può variare da 0,01 (ad esempio, con vecchie foglie sul binario) a 0,17; gli standard considerano un intervallo di impostazione tipico per condizioni di aderenza degradata compreso tra 0,05 e 0,08.
- Miglioramento dell'aderenza lungo il treno dovuto alla corsa successiva degli assi.
- Stato della massa (da AW0 a AW3) e sua variazione dinamica dovuta ai trasferimenti di massa.
- Rendimento della coppia di attrito (da pastiglia a disco o da blocco a ruota), il cui coefficiente di attrito varia in base alla velocità, alla temperatura e all'umidità.
Nel 2014, nell'ambito del progetto europeo Shift2Rail, l'industria ferroviaria - produttori e operatori - ha deciso di lavorare su questo problema e Wabtec ha risposto alla sfida Shift2Rail (progetti PINTA1 e PINTA2).
Il primo passo è stato quello di comprendere meglio il degrado dell'aderenza ruota-rotaia in condizioni e ambienti di utilizzo reali, in particolare l'effetto «pulente» che può manifestarsi lungo il treno durante il servizio a causa del successivo passaggio delle ruote. Ciò è stato possibile grazie a un'attenta analisi di numerosi risultati di test e a un ampio lavoro su un banco di prova dedicato.
Questo banco di prova, noto come Roller, è stato sviluppato per simulare con precisione l'azione dei contaminanti che degradano l'adesione tra ogni ruota e la rotaia. È uno strumento unico sviluppato da Wabtec. Questo banco di prova è un dispositivo in scala ridotta che consente ai tester di frenare su più assi che percorrono la stessa pista. Si crea un'aderenza degradata sulla pista e su ogni asse è possibile modulare lo sforzo frenante e valutare l'aderenza risultante.
Su questa base, è stato progettato e implementato un nuovo sistema Adaptive WSP. Per ogni veicolo, le apparecchiature elettroniche digitali, combinate con una serie di sensori e attuatori, integrano un software basato su un algoritmo adattivo che utilizza il metodo dei minimi quadrati medi (LMS). Include l'autoregolazione dinamica dell'algoritmo WSP tenendo conto delle condizioni di adesione reali.
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Fuori dal laboratorio di Wabtec, questo nuovo sistema è stato testato sul banco di prova WSPER nel Regno Unito, sul banco di prova accreditato EN15595 di DBST e durante i test sul campo con un veicolo EUSkoTren a Bilbao, in Spagna.
WSP adattivo DistanceMaster™
I risultati
L'esame dell'impatto del dispositivo DistanceMaster™ Adaptive WSP sugli spazi di frenata, un parametro di sicurezza essenziale, mostra un miglioramento significativo rispetto ai sistemi WSP standard conformi alla norma EN 15595:2011 e 2018. Con Adaptive WSP, abbiamo osservato un miglioramento nell'estensione della distanza di arresto in condizioni di scarsa aderenza standard EN/UIC. Rispetto alle distanze di arresto in condizioni asciutte, l'estensione è di circa l'8%, rispetto al 12% della generazione precedente di Wabtec WSP, e un massimo accettabile del 20% specificato dagli standard.
Una valutazione è stata effettuata sul banco di prova WSPER; questo banco di valutazione WSP è stato sviluppato da DB-ESG, parte di DB System Technik, a Derby, nel Regno Unito.
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[Confronto degli spazi di frenata a 90 km/h dell'Adaptive WSP rispetto al WSP della generazione precedente]
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[Confronto delle prestazioni di frenata dell'Adaptive WSP rispetto al WSP della generazione precedente in condizioni di bassa aderenza sostenuta.]
Inoltre, il consumo di aria compressa (e quindi il consumo di energia necessario per mantenere la pressione sulla linea principale) è significativamente ridotto rispetto ai WSP della generazione precedente durante tutti i test utilizzando l'algoritmo adattivo ottimizzato.
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[Confronto del consumo d'aria del WSP adattivo rispetto al WSP della generazione precedente in condizioni di bassa adesione sostenuta.]
Un'altra valutazione è stata effettuata sul banco di prova accreditato EN di DBST situato a Minden, in Germania.
Durante la convalida dell'A-WSP sul banco di prova del DBST, l'algoritmo è stato sottoposto a più di 1.000 test, inclusi test funzionali e di tipo utilizzando vari profili di adesione e regimi di frenata.
La convalida è stata eseguita su un rimorchio con una velocità massima di 400 km/h.
La tabella seguente presenta l'estensione media dello spazio di arresto e del consumo d'aria in base alla velocità di frenata e all'algoritmo WSP. Lo spazio di frenata dell'A-WSP è inferiore rispetto al WSP della generazione precedente in entrambi i casi; anche il consumo d'aria è inferiore grazie all'algoritmo adattivo.
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[Estensione media dello spazio di frenata e del consumo d'aria sul banco di prova del DBST, sul WSP e sull'A-WSP della generazione precedente.]
La tabella seguente presenta i test condotti nel laboratorio di DBST con l'A-WSP e il WSP di generazione precedente. L'A-WSP e l'AEF-91 sono conformi alla norma EN 15595:2011. L'A-WSP è inoltre conforme a tutti i test obbligatori e opzionali previsti dalla norma EN 15595:2018.
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[EN15595: programma di test 2011 e 2018 sul banco di prova di DBST, WSP e A-WSP di generazione precedente.]
Un ulteriore miglioramento
La compensazione della decelerazione
Il passo successivo necessario per migliorare ulteriormente questa situazione è tenere conto della variazione di aderenza al passaggio di assi successivi; a tal fine, è stato progettato e implementato un sistema di compensazione della decelerazione. Questo sistema (disponibile nei sistemi integrati di controllo dei freni dei tipi Metroflexx e Regioflexx sviluppati da Wabtec) mira a ridurre ulteriormente lo spazio di frenata in condizioni di aderenza degradata grazie a un migliore utilizzo dell'aderenza disponibile lungo il treno.
Il sistema mira a ridistribuire lo sforzo frenante lungo il treno per raggiungere l'obiettivo di decelerazione a livello del treno. Ogni centralina locale dei freni verifica l'aderenza disponibile e può aumentare lo sforzo frenante fino al limite, garantendo al contempo il massimo comfort per i passeggeri. Questa funzione di compensazione della decelerazione può essere utilizzata anche in caso di frenata di emergenza grazie all'elevato livello di sicurezza (SIL4) presente nei sistemi frenanti Metroflexx e Regioflexx di Wabtec (sistemi frenanti rispettivamente per metropolitane e treni a unità multiple).
Questa funzione è gestita localmente (dall'apparecchiatura di controllo dei freni di ciascun carrello o veicolo) e non richiede la comunicazione tra le diverse unità di controllo dei freni del treno. Quando l'operatore sceglie di implementarla, questa funzione è completamente configurabile (aderenza massima richiesta, pressione massima del cilindro del freno, ecc.).
Un passo avanti decisivo per il WSP adattivo e la compensazione della decelerazione
L'uso congiunto di queste due funzioni è stato testato da DB-ESG sul banco di prova WSPER con i seguenti risultati (considerando il caso di riferimento dell'Euskotren).
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La compensazione della decelerazione, in combinazione con il sistema Adaptive WSP descritto sopra, riduce l'estensione dello spazio di frenata, nelle condizioni di aderenza degradata di riferimento, a circa il 6% rispetto allo spazio di frenata a secco. Rispetto all'intervento di un sistema WSP che agisce da solo, la combinazione dei due sistemi consente un miglioramento del 50% [estensione del 6% anziché 12%] delle prestazioni di frenata in condizioni di aderenza degradate. Ciò costituisce un importante miglioramento della sicurezza, in particolare tenendo maggiormente conto della variabilità delle condizioni di aderenza delle ruote ferroviarie.
I vantaggi relativi di questi due sistemi innovativi sono riassunti nella seguente tabella.
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La riduzione del degrado delle prestazioni di frenata rispetto alle prestazioni del WSP della generazione precedente nelle condizioni di aderenza degradata di riferimento va dal 34% (solo Adaptive WSP) al 50% (Adaptive WSP plus Deceleration Compensation).
Si tratta di un miglioramento significativo nel controllo della velocità di frenata di emergenza garantita, uno dei criteri principali per la sicurezza dei sistemi di trasporto ferroviario.
- I risultati dei test mostrano un netto miglioramento della frenata e del suo controllo in condizioni di aderenza degradate e/o variabili. Ciò dovrebbe consentire agli operatori di far fronte meglio alle condizioni climatiche e/o stagionali (foglie cadute, condizioni autunno/inverno, ecc.) proteggendo al contempo il materiale rotabile (evitando che le ruote si forino). Indipendentemente dal sistema di distanziamento tra i treni in uso, garantire una riduzione dello spazio di frenata di emergenza in condizioni degradate è fondamentale per le operazioni su tali linee, in quanto aumenta la sicurezza delle prestazioni di frenata previste. Offre al conducente una maggiore sicurezza e potrebbe evitare (o limitare) la necessità di restrizioni operative come riduzioni di velocità.
- Per i sistemi di segnalazione a blocchi mobili (come ETCS L3 e CBTC) utilizzati principalmente su nuove linee, la considerazione di queste migliori prestazioni di frenata garantite può aprire la porta a una riduzione dei progressi e al miglioramento delle capacità delle linee.
- Costi di manutenzione ridotti: i sistemi WSP standard hanno un'impostazione fissa ottimizzata per un tipo di adesione degradata standard. Adaptive WSP si autoregola in modo permanente, quindi può sfruttare al meglio l'adesione disponibile anche in caso di adesione estremamente bassa. Ciò riduce notevolmente il rischio di danni alle ruote. In base ai risultati dei test, la frequenza di foratura delle ruote può essere ridotta di circa il 50%. I difetti di foratura delle ruote hanno notevoli conseguenze economiche: la riprofilatura delle ruote riduce la durata utile delle ruote e la disponibilità dei treni a causa delle operazioni di manutenzione; numerose forature possono portare a sollecitazioni eccessive sui binari, con conseguenti ulteriori operazioni di manutenzione e talvolta danni.
- La messa in servizio di nuovi veicoli potrebbe essere semplificata: Adaptive WSP non richiede una lunga campagna di test per regolare le sue impostazioni. Il sistema è autoregolante e ottimizza la frenata in base all'aderenza disponibile sin dalla prima frenata.
Implementazione di questi sistemi
Un'unità Adaptive WSP è stata testata in servizio per un anno da Amtrak sul mercato nordamericano con notevoli vantaggi in termini di usura delle ruote. L'Adaptive WSP e la compensazione della decelerazione consentiranno agli operatori di NYCT (NewYork) ed Euskotren (Bilbao) di equipaggiare i treni completi per i test di quattro stagioni; queste iniziative entreranno in servizio nel quarto trimestre del 2021 e nel primo trimestre del 2022.
Adaptive WSP è attualmente in fase di certificazione EN. La sua combinazione con il sistema di compensazione della decelerazione può essere presa in considerazione per la progettazione di nuovo materiale rotabile. Questo sistema completo sarà disponibile per gli operatori che desiderano migliorare l'efficienza della propria flotta.
Va notato che l'implementazione del solo Adaptive WSP è possibile anche, senza la necessità di pesanti modifiche hardware, su veicoli esistenti già dotati di Wabtec WSP.
Riepilogo
Sebbene vi siano ancora misure da adottare per ridurre l'avanzamento dei treni, come l'implementazione di sistemi di segnalamento a blocchi variabili e un'adeguata velocità di frenata di emergenza garantita (GEBR), che contribuiscono entrambi alla progettazione completa del sistema ferroviario, l'innovativo pacchetto di adesione di Wabtec sopra descritto fornisce elementi costitutivi molto solidi e supera una grande sfida tecnologica.