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 2014-2015

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

Freni a ceppi e a disco

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.

Tipi di freni a ceppi

Disco bullonato - fronte

Disco bullonato - sezione

Elementi del disco

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

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

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

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

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

Timoneria

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

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

Ceppi metallici f f’ f coeff. di aderenza (rotaia asciutta) f’ coeff. di attrito (ghisa/acciaio) Km/h Ceppi freddi Ceppi caldi f’ f Ps=1,1 kg/cm2 Ps=6 Ps=13

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.

Ceppi e dischi

Consumi dei ceppi

Vantaggi della frenatura a dischi

Contropartite

Riduzione del raggio * * Gabarit = sagoma limite

Due situazioni limiti

Problemi termici

Temperature massime

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 27

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. 28

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. 29

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. 30

Schema semplificato di freno pneumatico 12 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 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. 31

Schema semplificato di un distributore 32

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. 33

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. 34

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 Freno di emergenza Allarme Passeggeri Rubinetto di emergenza 35

Specie di unioni 36

Sistema con valvola tripla Compressore I L CF T VT SA V M H Rubinetto di comando B CG Locomotiva Vettura CS B Rubinetto di intercettazione CG Condotta generale del freno CS Condotta serbatoio V Valvola del freno diretto I Rubinetto di testata L Tubo flessibile di testata CF Cilindro del freno T Timoneria del freno VT Valvola tripla SA Serbatoio Ausiliario H Rubinetto di emergenza M Maniglia di emergenza Serbatoio principale 37

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. 38

System in application position - Frenatura 39

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  . CG SA Cassetto C CF Pistone Otturatore Cursore T 40

Air brake system in release position - Sfrenatura 41

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. CG SA Cassetto C CF Pistone Atmosfera Foro di scarico Otturatore Cursore T k 42

Air brake system in lap position - Neutra 43

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. 44

isolamento distributore 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 45

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

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

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

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

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. 50

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. 51

E-P brake system Connection pipe 52

E-P brake in application position 53

E-P brake in release position 54