Studio del contatto ruota-ceppo durante l’operazione di frenatura di veicoli ferroviari merci = Study of the rail wheel-brake block contact during braking operations of freight railway vehicles

Il lavoro di tesi consiste nello studio termo-meccanico del contatto tra la ruota ferroviaria e il freno a ceppi in fase di frenatura. Applicazioni di tale sistema di frenatura si riscontrano particolarmente nel caso di veicoli ferroviari per trasporto merci, grazie alla notevole affidabilità del sistema frenante e alla facile progettazione. Tuttavia, si hanno diversi inconvenienti circa la generazione di calore d’attrito lungo la superficie del cerchione della ruota, ossia nell’interfaccia di contatto tra ruota e ceppo durante l’operazione di frenatura. In particolare, il calore di attrito generato può provocare un effetto globale di deformazione termica della ruota oppure effetti termici localizzati come hot spots o cricche. In aggiunta, gli sforzi del materiale di natura termica e meccanica derivanti dal riscaldamento della ruota potrebbero provocare cambiamenti della microstruttura del materiale, cricche e altri danneggiamenti che influenzerebbero negativamente la vita della ruota. Risulta, quindi, estremamente importante poter prevedere il comportamento termico della ruota in fase di frenatura, per ottimizzare la progettazione del sistema con l’obiettivo di migliorare la diffusione di calore della ruota verso l’ambiente circostante. In passato, la tipica metodologia di studio consisteva nell’eseguire dei tests su banco di prova dinamometrico del modello di freno a ceppi progettato, con l’obiettivo di studiare il comportamento termico in funzione dei tipici parametri di funzionamento come la velocità di rotazione della ruota e la potenza di frenatura. Tale procedura risultava particolarmente onerosa e costosa, specie perché era necessario eseguire nuove prove per ogni modifica di progettazione realizzata. Oggigiorno, è possibile generare dei prototipi virtuali con modelli agli elementi finiti su specifici software di calcolo, con l’obiettivo di prevedere quali scelte progettuali consentano di ottimizzare il problema studiato, ed in seguito validare il modello finale con delle prove di banco dinamometriche opportunamente realizzate. Nel lavoro di tesi si è affrontato lo studio del contatto tra la ruota e il ceppo frenante dal punto di vista meccanico e termico in modo disaccoppiato, con un modello agli elementi finiti sul software “Ansys Mechanical APDL” versione educational 2020. Il problema meccanico del contatto è stato studiato con un modello bidimensionale in stato di tensione piana per la ruota ed il ceppo frenante, impiegando gli elementi TARGE169 e CONTA172 per simulare il contatto tra i due corpi; e l’elemento PLANE183 in stato di tensione piana per la mesh della geometria di ruota e ceppo. Tale studio ha consentito il calcolo della distribuzione di pressione lungo l’interfaccia di contatto tra ruota e ceppo e la valutazione della corretta zona di contatto tra i due elementi. Il problema termico è stato affrontato sulla sola ruota, al fine di predirne la distribuzione di temperatura in fase di frenata. Tale studio è stato eseguito con un’analisi termica transiente con carico termico rotante lungo la superficie esterna della ruota in funzione del tempo di simulazione e della velocità di rotazione della ruota. In questo modo si sono trascurati gli effetti dinamici di natura meccanica che sarebbero nati in una analisi transiente, nel caso in cui il problema meccanico e termico del contatto fossero stati accoppiati, comportando una notevole riduzione del costo computazionale del problema.