Analisi dell'evoluzione dell'usura di ruote ferroviarie mediante simulazione con codici multi-body = Analysis of wear evolution of railway wheels by simulation with multi-body codes

L’usura dei profili delle ruote ferroviarie e delle rotaie è storicamente uno dei campi di ricerca in ambito ferroviario maggiormente indagati. Tra le ragioni principali emerge la volontà di prevedere l’evoluzione nel tempo dei profili di ruota e di rotaia, in quanto essi, interagendo tra di loro, condizionano il comportamento dinamico del veicolo ferroviario durante il suo esercizio. L’interazione di ruota e rotaia incide sulla stabilità di marcia del veicolo, indispensabile per la valutazione della sicurezza durante l’esercizio ferroviario e sul comfort. Questo lavoro di tesi, svolto in collaborazione con ALSTOM Ferroviaria e con il gruppo di ricerca in ambito ferroviario del Politecnico di Torino, ha come obiettivo principale quello di studiare le potenzialità del modulo d’usura Wheel Profile Wear e dell’algoritmo presente all’interno della routine che ha il compito di gestire ogni ciclo della simulazione e l’aggiornamento automatico dei profili usurati ad ogni ciclo. Modulo ed algoritmo sono parte del software multi-body SIMPACK che affronta la modellizzazione del contatto ruota-rotaia mediante la teoria di Hertz o con modelli quasi-herziani per risolvere il problema del contatto normale, la teoria semplificata di Kalker [21] per quello tangenziale, ed il calcolo dell’usura implementando le leggi d’usura di Krause/Poll e di Archard, quest’ultima utilizzata in questo studio in quanto di più documentata in letteratura. L’attendibilità dei risultati d’usura è stata pesata sulla base del confronto con i dati sperimentali acquisiti dall’azienda, a valle di una campagna di misurazioni di profili usurati, relativi ad una specifica famiglia di treni articolati circolanti sulla rete RFI (Rete Ferroviaria Italiana). Il confronto, tra l’usura simulata e l’usura sperimentale, è stato condotto in termini di profili usurati, volumi d’usura, distribuzione dell’usura lungo la coordinata laterale y del profilo e parametri d’usura normativi (altezza del bordino “h”, spessore del bordino “e”, quota “qR”, conicità equivalente “tanγe”). Il modello numerico del veicolo, appartenente alla famiglia di treni in questione, è stato fornito da ALSTOM. Il tracciato, scelto per realizzare le simulazioni, non rispecchia in modo fedele la geometria di un tracciato presente all’interno di una rete RFI regionale, ma ne rappresenta uno equivalente che contiene la rappresentazione statistica in scala di tutte le tipologie di curve, insieme alla distribuzione percentuale dei tratti rettilinei e delle curve della rete RFI in cui fa servizio il rotabile. Inizialmente, sono state eseguite delle simulazioni preliminari per selezionare dei valori adeguati per quanto riguarda alcuni parametri numerici ed il modello di contatto ruota/rotaia, ovvero il contatto elastico equivalente. Dopo di che l’attività è stata focalizzata sull’individuazione del fattore di scala dei coefficienti di Archard fondamentali per allineare i volumi d’usura simulati con rilevati sperimentalmente, si è deciso di indagare l’influenza sui risultati d’usura di alcuni parametri e condizioni al contorno per indentificare i quali tra di essi avvicinano lo scenario di simulazione ad una condizione maggiormente realistica. Tra questi si evidenziano: irregolarità di tracciato, coefficiente d’usura differenziato tra tavola e bordino, Contact Reference Damping, coefficiente d’attrito. Infine, si è investigato l’impatto che il controllo di trazione, di frenatura elettrica e di frenatura pneumatica potessero avere sui volumi di materiale asportati.