Simulazione termica del contatto ruota-ceppo per veicoli ferroviari trasporto merci = Thermal simulation of wheel-shoe contact for rail freight vehicles

Il traffico delle merci su rotaia negli ultimi anni sta segnando un forte incremento a seguito inoltre della spinta green delle commissioni europee. I carri merci sono tradizionalmente equipaggiati con impianti frenanti a ceppi in ghisa oppure in materiale composito. L’azione frenante avviene mediante l’accostamento con forza dei ceppi sulla tavola delle ruote e a causa dell’attrito si ha un aumento delle temperature all’interfaccia tra ruota-ceppo. Il materiale dei ceppi adottati ha particolare influenza sulla ripartizione del calore tra ruota e ceppi, infatti, i ceppi in ghisa permettono una migliore ripartizione del calore a differenza dei ceppi in composito, tuttavia, problematiche legate all’instabilità termo-elastica delle ruote e alla rumorosità hanno fatto sì che i ceppi in composito siano sempre più diffusi negli impianti frenanti dei treni merci. Oltre ai fattori appena menzionati, le operazioni di “frenatura di arresto” (stop braking) oppure di “trascinamento” (drag braking) influiscono sulla quantità di calore generato all’interfaccia tra ceppo e ruota. L’obbiettivo del presente elaborato è quello di determinare l’evoluzione della temperatura sulla superficie della ruota a seguito di manovre di frenatura di carri merci equipaggiati con freni a ceppi e a questo scopo si sono sviluppati due modelli FEM: uno modello strutturale del contatto che risolve il problema del contatto conforme tra la ruota e il ceppo e un modello termico che permette di simulare l’apporto termico alla ruota, ricavato dall’andamento di pressione, nelle diverse operazioni di frenatura e configurazione dei ceppi. Il modello termico tiene conto non solo del calore entrante nella ruota generatosi per l’attrito con il ceppo, ma anche del raffreddamento per convezione con l’aria e del fenomeno del “rail chill”, ossia del raffreddamento dovuto al contatto tra la ruota surriscaldata e la rotaia fredda. Al fine di mantenere ridotti i tempi di calcolo, i due modelli sono disaccoppiati, ossia non simulano la mutua influenza tra stress termici e meccanici né considerano l’usura dei corpi a contatto.