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Corso di Sistemi di Trazione Lezione 25: Sistemi di trasporto a guida vincolata, sistemi di frenatura A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam.

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1 Corso di Sistemi di Trazione Lezione 25: Sistemi di trasporto a guida vincolata, sistemi di frenatura A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA

2 Argomenti della lezione I tipi di freni utilizzati –Modelli matematici di freno –Caratteristiche e prestazioni di funzionamento Come avviene la manovra di frenatura I sistemi di frenatura in ferrovia –Distributori –Attuatori –Circuiti di frenatura

3 Freni a ceppi e a disco

4 Prestazioni dei freni ad attrito Il freno è composto da un elemento mobile (tamburo o disco) calettato rigidamente alla ruota (o al cerchione o all’asse porta ruota) e da un elemento fisso solidale al telaio del veicolo. L’applicazione della forza normale P1 alla superficie di contatto fra i due elementi provoca il sorgere di una forza di attrito tangenziale Ft fra di loro.

5 Tipi di freni a ceppi

6 Disco bullonato - fronte

7 Disco bullonato - sezione

8 Elementi del disco

9 Tipi di dischi Dischi per montaggio frontale su ruota Tipi di palettatura per la ventilazione(sab-wabco

10 Schema di freno a ceppi  = a/b rapporto di moltiplicazione S a b H Ft Fx D P f’ coefficiente di attrito fra ceppo e cerchione f coefficiente di attrito fra binario e cerchione f f’

11 Azionamento del freno Una trasmissione meccanica o idraulica o pneumatica produce la forza S in conseguenza del comando del freno. La forza S genera sull’organo frenante una forza H funzione del rapporto β (rapporto di moltiplicazione b/a > 1): H = βS

12 Le condizioni di aderenza H = bS Fx = Ft = f’H ≤ fP da cui bS = H ≤ f/f’P

13 Le condizioni di massima aderenza Lo sfruttamento massimo dell’aderenza si ha quando per qualsiasi condizione di carico e di velocità, il valore della forza H (per frenatura a fondo, quella per cui si raggiunge la pressione massima nel cilindro) è al limite della disuguaglianza. Le condizioni per l’efficacia massima della frenatura sono: P = costante f/f’ = costante

14 Timoneria

15 Dispositivo per la variazione del rapporto  di timoneria nei carri merci Cilindro freno Maniglia esterna Manicotti

16 f’ Coefficiente di attrito (ghisa/acciaio) Pressione specifica Ps=1,1 kg/cm 2 Ps=13 kg/cm2 Ps=6,12 kg/cm 2 Km/h Ceppi in ghisa

17 Ceppi metallici f coeff. di aderenza (rotaia asciutta) f’ coeff. di attrito (ghisa/acciaio) Km/h Ceppi freddi Ceppi caldi f’ f Ps=1,1 kg/cm 2 Ps=6 Ps=13

18 Problemi di compatibilità e resistenza Costante di tempo teorica degli organi dissipatori del lavoro di attrito compatibile con la temperatura massima accettabile Potenza di picco massima sopportabile senza alterazioni sia pure locali e circoscritte della struttura del materiale, in particolare degli organi di rodiggio.

19 Ceppi e dischi

20 Consumi dei ceppi

21 Vantaggi della frenatura a dischi

22 Contropartite

23 Riduzione del raggio * Gabarit = sagoma limite *

24 Due situazioni limiti

25 Problemi termici

26 Temperature massime

27 Il sistema di frenatura - definizioni Il sistema utilizzato sui rotabili ferroviari è del tipo: Pneumatico – perché funziona ad aria compressa Continuo – perché agisce su tutto il convoglio tramite la condotta generale Automatico - perché entra in azione automaticamente in caso di fuoriuscite di aria compressa dalla condotta generale causate da rotture o danneggiamenti alla stessa Inesauribile - perché risulta sempre in grado di frenare il convoglio con la stessa intensità anche dopo ripetute frenature

28 Posizioni del rubinetto di comando Sfrenatura, la condotta del serbatoio e la condotta generale sono collegate. Posizione neutra, la comunicazione tra le condotte è interrotta. Frenatura moderabile, la condotta generale, è posta in comunicazione gradatamente con l'atmosfera.

29 Elementi del freno ferroviario La condotta generale (CG) alimenta gli impianti e comanda l’intervento con le sue variazioni di pressione. Il serbatoio ausiliario (SA) raccoglie, durante la fase di carica, l’aria compressa per la frenatura. È il polmone di accumulo che trasmette aria agli organi di azionamento. Il serbatoio di comando (SC) si riempie alla massima pressione raggiunta dalla condotta generale. È l’organo di “memorizzazione” della pressione in condotta generale. Il distributore (D) confronta la pressione di CG con quella di SC, decidendo la frenatura o la sfrenatura. Il cilindro del freno (CF) converte la pressione dell’aria compressa in forza applicata sui dischi o ceppi in ragione del tipo di freno installato. Organo di azionamento che interviene quando il distributore ordina di eseguire la frenatura.

30 La condotta generale (CG) Parte dalla locomotiva e si estende per tutto il treno. Ad ogni depressione in CG corrisponde un’azione frenante. Maggiore è la depressione, maggiore sarà la forza frenante agente sui ceppi/dischi di ogni singolo carrello. La frenatura rapida si attua con la repentina dispersione in atmosfera dell’aria presente in CG.

31 Schema semplificato di freno pneumatico La condotta generale CG (1) munita alle estremità di rubinetti d’intercettazione (2) e semiaccoppiatori flessibili (3), che collegano tra loro i vari vagoni e la locomotiva. Collegato alla condotta generale si trova il distributore (4), cui fanno capo il serbatoio ausiliario (5), il serbatoio di comando (6) ed il cilindro del freno (7). Il cilindro freno muove la timoneria di comando dei ceppi o delle pinze dei freni. La locomotiva ha il compressore (9), che ricarica il serbatoio principale (10). Il macchinista comanda la frenatura con il rubinetto di comando (11), che varia la pressione della CG collegandola con l’atmosfera o con il serbatoio principale. Il dispositivo di frenatura d’emergenza (12) è presente sulle carrozze viaggiatori

32 Schema semplificato di un distributore

33 Frenatura Il PdC agendo sul rubinetto del freno scarica l’aria dalla Condotta Generale (C.G.). La diminuzione della pressione in C.G. modifica l’equilibrio esistente all’interno dei distributori. Tramite il serbatoio di comando si provoca l’invio d’aria dal serbatoio ausiliario ai cilindri freno attuando così l’azione frenante che è proporzionale alla depressione effettuata in condotta generale.

34 Sfrenatura Il Personale di Comando (PdC), tramite il rubinetto del freno, alimenta la condotta generale fino a portarla nuovamente alla pressione di regime 5 bar. Tale operazione ripristina l’equilibrio iniziale nei distributori. I cilindri a freno sono messi in comunicazione con l’atmosfera, l’aria defluisce all’esterno e attua la sfrenatura.

35 Freno di emergenza Allarme Passeggeri Rubinetto di emergenza Azionamento del freno Il freno continuo può essere azionato tramite i seguenti dispositivi: rubinetto del freno in cabina di guida azionabile dal personale di condotta freno di emergenza situato all’interno delle carrozze e azionabile in caso di emergenza allarme Passeggeri situato all’interno delle carrozze e azionabile in caso di emergenza rubinetti di emergenza - di colore rosso - ad uso del personale in servizio

36 Specie di unioni

37 Sistema con valvola tripla

38 La valvola tripla È un sistema tradizionale che permette il collegamento tra la condotta generale CG e un serbatoio ausiliario SA, tra il serbatoio ausiliario e i cilindri del freno, tra i cilindri del freno e l'atmosfera. La valvola ha un cursore T (cursore di graduazione) riportato in posizione di riposo da una molla M e da un pistone che agisce, tramite il suo stelo, sul cassetto di distribuzione C e su una valvola costituita da un foro di scarico che può essere chiuso da un otturatore (valvola di graduazione). Una faccia del pistone ha la pressione di SA, l’altra ha la pressione di CG.

39 System in application position - Frenatura

40 CG SA Cassetto C CF Pistone Otturatore Cursore T Valvola tripla in posizione di frenatura Il pistone si sposta per lo squilibrio di pressione sulle sue facce. La fessura di alimentazione k permette all'aria della cg di passare nel SA. ll pistone trascina il cassetto fino alla posizione limite a sinistra, aprendo completamente la comunicazione tra SA e cilindri del freno.

41 Air brake system in release position - Sfrenatura

42 CG SA Cassetto C CF Pistone Atmosfera Foro di scarico Otturatore Cursore T k Valvola tripla in posizione di sfrenatura I pistone si sposta per lo squilibrio di pressione sulle sue facce. La fessura di alimentazione k permette all'aria della cg di passare nel SA. C, spinto dallo stelo del pistone verso la posizione estrema a destra, apre la comunicazione tra cilindri del freno e l'atmosfera.

43 Air brake system in lap position - Neutra

44 Schemi alternativi con CP e CG La condotta principale (CP), aggiunta alla CG, è dedicata all’alimentazione diretta dei serbatoi ausiliari dei singoli vagoni. Questo accorgimento permette di evitare ogni rischio d’esauribilità e garantisce una più veloce sfrenatura specialmente delle ultime carrozze. La ricarica della condotta generale è più veloce, non essendole affidato il compito di riempire i serbatoi svuotati nella frenatura.

45 Sistema con CP e CG Condotta Generale (CG) Condotta Principale (CP) Serbatoio ausiliario D Serbatoio di comando CF Funicella Distributore Rubinetto isolamento del serbatoio ausiliario Rubinetto isolamento distributore

46 COMPRESSORI SERBATOIO PRINCIPALE PRODUZIONE ARIA COMPRESSA RUBINETTO DI COMANDO CILINDRO FRENO Distributore SERBATOIO COMANDO SERBATOIO AUSILIARIO RUBINETTO DI ISOLAMENTO TIMONERIA DEL FRENO CONDOTTA GENERALE CONDOTTA PRINCIPALE Valvole Valvola scarico atmosfera Tirantino valvola di scarico LOCOMOTORE VETTURA Pagina integrata con animazione Il sistema di frenatura

47 SERBATOIO PRINCIPALE PRODUZIONE ARIA COMPRESSA RUBINETTO DI COMANDO CILINDRO FRENO Distributore SERBATOIO COMANDO SERBATOIO AUSILIARIO RUBINETTO DI ISOLAMENTO TIMONERIA DEL FRENO CONDOTTA GENERALE CONDOTTA PRINCIPALE Valvole Valvola scarico atmosfera VALVOLA DI SCARICO Pagina integrata con animazione La frenatura

48 SERBATOIO PRINCIPALE PRODUZIONE ARIA COMPRESSA RUBINETTO DI COMANDO CILINDRO FRENO Distributore SERBATOIO COMANDO SERBATOIO AUSILIARIO RUBINETTO DI ISOLAMENTO TIMONERIA DEL FRENO CONDOTTA GENERALE CONDOTTA PRINCIPALE Valvole Valvola scarico atmosfera Valvola di scarico Pagina integrata con animazione La sfrenatura

49 SERBATOIO PRINCIPALE PRODUZIONE ARIA COMPRESSA RUBINETTO DI COMANDO CILINDRO FRENO Distributore SERBATOIO COMANDO SERBATOIO AUSILIARIO RUBINETTO DI ISOLAMENTO TIMONERIA DEL FRENO CONDOTTA GENERALE CONDOTTA PRINCIPALE Valvole Pagina integrata con animazione Valvola di scarico Valvola scarico atmosfera Isolamento dal freno

50 Electro-pneumatic brake E-P Brake In a pure air brake system, a natural restriction is imposed by the maximum allowed brake pipe pressure and in the proportion of volume between the auxiliary reservoir and the brake cylinder. In an e-p equipped train, the main reservoir supply is not restricted, so it would be possible to go on pumping air into the brake cylinder until it burst. Of course, this will not happen because the brake cylinder is fitted with a safety valve set at the maximum pressure normally obtained in full braking.

51 A Simple E-P Brake System A main reservoir pipe is provided along the length of the train so that a constant supply of air is available on all cars. A connection pipe is provided between the main reservoir and the brake cylinders on each car. An "application valve" in this connection pipe will open when required to allow main reservoir air into the brake cylinders. Because the brake pipe is fully charged during an e-p application, the triple valve is in the release position so the brake cylinder is connected to the exhaust. For e-p operation, a "holding valve" is added to the triple valve exhaust. When an e-p application is called for, the holding valve closes and prevents brake cylinder air escaping through the exhaust.

52 E-P brake system Connection pipe

53 E-P brake in application position

54 E-P brake in release position


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