Calcolo dell'usura di ruote ferroviarie: simulazione mediante codice multibody = Calculation of the railway wheel wear: simulation by multibody code

La previsione dell’usura di ruota e rotaia è un problema cruciale nel campo ferroviario poiché influisce sulla stabilità di marcia del veicolo, quindi sulla sicurezza e sul comfort, e sui costi di manutenzione. Questi ultimi possono essere ridotti grazie ad una buona pianificazione degli interventi di manutenzione sulle ruote (ritornitura). Tra gli strumenti offerti dagli attuali software di simulazione multi-body, tra cui il codice commerciale SIMPACK, vi sono modelli per il calcolo del contatto ruota – rotaia e per il calcolo dell’usura. Il software SIMPACK è dotato, tra gli altri, del modello di contatto FASTSIM e di un modulo per il calcolo dell’usura di ruote e rotaia in cui sono implementate le leggi di usura di Krause/Poll ed Archard. In questo lavoro vengono simulate la dinamica e l’usura di un modello MBS dell’automotrice ALn 663, già oggetto di studio di lavori precedenti, su un tracciato realizzato ad hoc e non corrispondente ad alcun tracciato realmente esistente. Questo è caratterizzato da curve di diverso raggio e diversa orientazione, intervallate da tratti rettilinei. Le ipotesi di base riguardo al tracciato sono: assenza di irregolarità, assenza di lubrificazione in curva (effetti ungi-bordo) ed usura delle rotaie trascurabile. Lo scopo di tale lavoro non è stimare l’usura per un determinato veicolo su un tracciato reale, ma studiare l’algoritmo di usura del software SIMPACK, effettuarne la validazione e/o proporre soluzioni al fine di migliorare l’algoritmo di calcolo, qualora vengano riscontrati problemi ed inefficienze. La prima parte del lavoro riporta una descrizione degli organi di rotolamento ferroviari, dei profili ruote e lo studio del contatto ruota – rotaia. Segue uno stato dell’arte relativo alla tribologia del contatto ruota – rotaia ed all’usura ferroviaria, riportando da letteratura gli studi ritenuti più interessanti. Il corpo successivo del lavoro mostra la realizzazione del modello numerico del veicolo, del tracciato ed i modelli di usura utilizzati nel software. Viene spiegata la routine esterna di gestione dei cicli di simulazione e di aggiornamento dei profili, vengono riportate le prime analisi di dinamica ed usura del veicolo al fine di validare il modello. Merita particolare attenzione lo studio preliminare dell’algoritmo di usura del software, basato su un’analisi dell’effetto sull’usura di due parametri caratterizzanti l’interpolazione e l’approssimazione dei profili: “rediscretization step” e “approximation smoothing”. Ulteriore corpo del lavoro è inerente alla valutazione dell’usura delle ruote del veicolo. Viene studiato, in particolare, l’effetto del moltiplicatore d’usura sull’usura stessa e sulla dinamica del veicolo. I profili ruota simulati in SIMPACK, vengono successivamente analizzati in Matlab. Infine, vengono riportate le conclusioni e gli sviluppi futuri. E’ stato appurato che il parametro di smoothing ha una notevole influenza sull’approssimazione dei profili e, conseguentemente, sui risultati di usura, ma al contempo il suo effetto può essere valutato soltanto empiricamente; tale parametro incide esclusivamente sull’interpolazione iniziale del profilo originario e ciò comporta risultati non molto accurati nell’aggiornamento dei profili: risulta necessario, quindi, implementare una routine esterna, attraverso Matlab, che re-interpoli correttamente i profili usurati tra un ciclo di simulazione e quello successivo.