IT201800007444A1

IT201800007444A1 - Sistema di frenatura per un convoglio ferroviario.

Info

Publication number: IT201800007444A1
Application number: IT102018000007444A
Authority: IT
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-01-23

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: “Sistema di frenatura per un convoglio ferroviario”

DESCRIZIONE

Settore tecnico

La presente invenzione si colloca, in generale, nel settore dei sistemi frenanti ferroviari; in particolare, l’invenzione si riferisce ad un sistema di frenatura per un convoglio ferroviario.

Tecnica nota

Nella presente domanda di brevetto si farà riferimento alle seguenti normative Europee:

- EN50126 [“Railway applications. The specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS);

- EN50128 [“Railway applications. Communications, signalling and processing systems. Software for railway control and protection systems”]; e

- EN50129 [“Railway applications. Communication, signalling and processing systems. Safety related electronic systems for signalling”].

In particolare, la norma EN50126 definisce le metodologie per l’assegnazione dei livelli di sicurezza SIL0/1/2/3/4 (con livello di sicurezza SIL4 indicante massimo livello di sicurezza) ai sottosistemi costituenti il sistema in esame, in base ai risultati dell’Analisi di Sicurezza. Le norme EN50128 ed EN50129 definiscono invece i criteri di progettazione da applicarsi alle componenti rispettivamente Software e Hardware in base ai livelli SIL assegnati in funzione di detti risultati dell’Analisi di Sicurezza.

Nel seguito è riportata una analisi approfondita relativa allo stato dell’arte dei sistemi frenanti ferroviari noti agli esperti del settore.

Solitamente, i sistemi frenanti ferroviari sono realizzati principalmente mediante sistemi di frenatura dissipativi a frizione e/o sistemi di frenatura rigenerativi elettrodinamici.

Durante fasi di frenatura di un convoglio ferroviario, un sistema di frenatura dissipativo a frizione trasforma l’energia cinetica del convoglio ferroviario in energia meccanica e termica che viene dispersa senza alcun recupero durante la fase di frenatura.

Tale sistema dissipativo a frizione basa il suo funzionamento su attuatori attivati da pressioni pneumatiche o idrauliche, oppure attivati elettro-meccanicamente. Il sistema dissipativo a frizione trasforma tali pressioni in forze che agiscono su coppie di frizione disco-pastiglia o ruotaceppo. I sistemi di controllo della pressione pneumatica o idraulica, utilizzabili per attivare tali attuatori, sono estremamente semplici. In particolare, le pressioni pneumatiche o idrauliche possono essere modulate attraverso sistemi elettronici ma anche attraverso circuiti pneumatici o idraulici estremamente elementari.

Il vantaggio di detti sistemi frenanti dissipativi a frizione consiste nel fatto che le analisi di sicurezza, disponibilità, affidabilità a loro relative, aggiunte al concetto definito “service proven”, riescono ad ottenere facilmente un livello di sicurezza SIL4. Quest'ultimo aspetto li rende particolarmente adatti a frenature di emergenza.

Gli svantaggi di detti sistemi frenanti dissipativi a frizione sono:

1) l’elevato peso richiedente una elevata quantità di energia per essere accelerati;

2) l'energia che viene totalmente dissipata in fase di frenatura dissipativa a frizione è senza possibilità alcuna di recupero;

3) i sistemi frenanti dissipativi a frizione sono soggetti al consumo di materiali di coppie di frizione; tale consumo, di fatto, richiede la periodica sostituzione di tali coppie di frizione; e

4) durante una frenatura, detti sistemi frenanti dissipativi a frizione generano emissioni di polveri dannose per la salute di un cittadino.

Invece, un sistema di frenatura rigenerativo elettrodinamico basa il suo funzionamento su un sistema di trazione a motori-inverter del convoglio ferroviario. Tale sistema di trazione a motoriinverter riconverte in fase di frenatura l’energia cinetica del convoglio ferroviario in energia elettrica, la quale è possibilmente ritrasferita ad una catenaria per essere riutilizzata da altri convogli ferroviari in esercizio sulla stessa rete, oppure è immagazzinata in sistemi di accumulo a batteria a bordo del convoglio ferroviario stesso per un successivo riutilizzo.

In un caso estremo di indisponibilità contemporanea a ricevere l’energia rigenerata da parte della catenaria e/o del sistema di accumulo a batteria, detta energia elettrica rigenerata può essere dissipata su appositi resistori a bordo del convoglio.

Il sistema di frenatura rigenerativo elettrodinamico è estremamente complesso ed è basato su diversi strati di controlli elettronici Hardware/Software. Soprattutto, il controllo degli inverter, è basato su controlli vettoriali e su modelli di flusso dei campi magnetici che regolano il funzionamento dei motori. Tali controlli e modelli sono eseguiti mediante processori di segnale digitale DSP (Digital Signal Processors). Tali DSP richiedono un software spesso scritto, parzialmente o totalmente, in linguaggio assembler specifico per loro. Il linguaggio assembler è un linguaggio poco standardizzato, e non è supportato da tool di controllo, debug e verifica del codice robusti ed affidabili. Tale situazione ha finora reso estremamente complesso e costoso sviluppare sistemi di frenatura rigenerativi elettrodinamici anche solo a livelli di sicurezza SIL2.

Inoltre, i più moderni sistemi frenanti rigenerativi elettrodinamici si basano su motori asincroni polifase o su motori sincroni a magneti permanenti. Come noto, i motori asincroni polifase non sono in grado di generare coppie frenanti al di sotto di una velocità minima, che nelle applicazioni ferroviarie si aggira attorno ai 5 Km/h. Al contrario i motori sincroni a magneti permanenti possono generare coppie frenanti fino alla velocità di rotazione nulla. Tuttavia, a basse velocità di rotazione le ondulazioni di coppia si fanno consistenti, a tal punto da sconsigliare l’uso dei sistemi frenanti rigenerativi basati su motori sincroni a magneti permanenti a bassa velocità. Casualmente, le velocità ove l’ondulazione di coppia diventa non trascurabile e fastidiosa corrisponde nuovamente a circa 5Km/h.

Nei sistemi frenanti ferroviari si distinguono notoriamente differenti modalità di frenatura, tra cui le tre seguenti modalità: frenatura di parcheggio, frenatura di servizio e frenatura di emergenza, altresì nota come frenatura di soccorso o frenatura d’urgenza.

La frenatura di servizio viene utilizzata in condizioni “normali” e serve a decelerare il convoglio ferroviario fino all’arresto, mantenendo livelli di decelerazione confortevoli e costanti per il passeggero. La frenatura di servizio è normalmente controllata da sistemi elettronici di controllo che eseguono parziali controlli di decelerazione, ottenendo ad esempio compensazione di variazioni di un coefficiente di attrito tra una pastiglia ed un disco, nel caso di un freno basato su dischi, oppure tra un ceppo e una ruota, nel caso di un freno basato su ceppo su ruota.

Inoltre, i sistemi elettronici di controllo di frenatura agiscono a favore di un consumo ridotto ed uniforme degli elementi di attrito, effettuando, laddove possibile, una distribuzione uniforme di forza frenante fra tutti i carrelli del convoglio ferroviario, miscelando opportunamente frenatura di frizione e frenatura elettrodinamica rigenerativa. Per una migliore operatività e sincronizzazione, tutti i sistemi elettronici di controllo di frenatura sono interconnessi mediante reti di comunicazione.

Calcoli di sicurezza eseguiti durante la definizione dell’esercizio del convoglio, portano normalmente ad una attribuzione del livello di sicurezza SIL2 alla funzione di frenatura di servizio, secondo la norma EN50126.

Di ovvia conseguenza, è richiesto che i sistemi elettronici di controllo costituenti la frenatura di servizio debbano essere sviluppati secondo il livello di sicurezza non superiore al livello SIL2 secondo le norme EN50128 ed EN50129. Tale requisito è lo stato dell’arte ed è perseguibile con sforzi tecnologici ed economici limitati.

La frenatura di emergenza, rispetto alla frenatura di servizio, viene richiesta quando un evento di frenatura deve portare “certamente” il convoglio all’arresto completo. Qualora la richiesta di frenatura venga causata da eventi considerati per l'appunto “di emergenza”, l’arresto completo del convoglio ferroviari può essere raggiunto senza compromessi e rinunciando al comfort provvisto dal freno di servizio.

Calcoli di sicurezza eseguiti durante la definizione dell’esercizio del convoglio, portano normalmente ad una attribuzione del livello di sicurezza SIL4 alla funzione di frenatura di emergenza, secondo la norma EN50126.

Di ovvia conseguenza, è richiesto che i sistemi contribuenti alla prestazione della frenatura di emergenza siano sviluppati secondo il livello di sicurezza SIL4, e qualora siano essi costituiti da componenti elettronici, secondo le norme EN50128 ed EN50129. Tale requisito è noto essere perseguibile con sforzi tecnologici ed economici elevati, considerabili mediamente dieci volte maggiori ai costi di sviluppo SIL2.

La frenatura di parcheggio viene invece richiesta quando è necessario porre il convoglio in condizione di stazionamento permanente, senza personale operativo. La frenatura di parcheggio viene generalmente eseguita mediante una porzione specifica di uno o più cilindri frenanti appartenenti al veicolo ferroviario. Detta porzione contiene una o più molle mantenute precaricate con opportuni sistemi pneumatici o idraulici o elettromeccanici durante l’esercizio del veicolo. Le molle vengono rilasciate in fase di frenatura di parcheggio in modo da esercitare una forza frenante permanente in grado di mantenere bloccato il veicolo stesso. Le specifiche per questa funzione variano di caso.

Allo stato attuale, essendo richiesto il fatto che un sistema riguardante la frenatura di servizio sia sviluppato secondo il livello di sicurezza SIL2, è comunemente utilizzato un sistema di frenatura rigenerativa elettrodinamica, compensato quando necessario da un sistema di frenatura dissipativo a frizione.

Il requisito di sicurezza SIL2 permette una relativamente semplice ed economica realizzazione di sistemi elettronici di controllo relativi sia alla frenatura dissipativa a frizione sia dei sistemi di frenatura rigenerativa elettrodinamica.

Allo stato attuale, la frenatura di emergenza viene comunemente effettuata utilizzando esclusivamente un sistema di frenatura dissipativo a frizione, il quale, come precedentemente descritto, viene controllato durante la frenatura di soccorso in modo puramente pneumatico/idraulico secondo architetture “service proven”, di cui è facilmente dimostrabile il raggiungimento del livello di sicurezza SIL4 a costi di realizzazione estremamente contenuti.

Nuove aspettative e requisiti a favore dell’ecologia e della riduzione dei costi di esercizio stanno giungendo dagli operatori in relazione ai veicoli e convogli ferroviari.

Un convenzionale sistema di trazione, opportunamente dimensionato, può supplire egualmente ai requisiti prestazionali di trazione e frenatura. Un sistema di trazione opportunamente progettato, soddisfacente ai requisiti di sicurezza SIL4, potrebbe facilmente evitare la necessità di equipaggiare il convoglio ferroviario con sistemi di frenatura dissipativi a frizione. Anche in caso di basse velocità, ove la frenatura elettrodinamica diventa insufficiente, il sistema frenante di parcheggio può facilmente supplire la forza frenante necessaria all’arresto totale del convoglio secondo livelli di sicurezza SIL4.

Una architettura per un sistema di frenatura di emergenza basato esclusivamente su un sistema di frenatura rigenerativa elettrodinamica assistito in bassa velocità dal sistema di frenatura di parcheggio è descritto e rivendicato in EP2794338.

I vantaggi offerti da tale sistema sono rappresentati dalla eliminazione dei pesi legati al sistema frenante dissipativo a frizione, una vantaggiosa politica di gestione energetica legata a tale riduzione di peso, un design di carrello estremamente efficace grazie alla eliminazione dei cilindri frenanti e relativa tuberia, l’eliminazione dei costosi cicli manutentivi relativi a detto sistema frenante dissipativo a frizione.

Detti benefici possono giustificare gli investimenti per lo sviluppo di un sistema frenante rigenerativo elettrodinamico secondo il livello di sicurezza SIL4.

Sintesi dell'invenzione

Uno scopo della presente invenzione è dunque quello di proporre un sistema di frenatura in cui la frenatura di emergenza è basata su un sistema di frenatura rigenerativa elettrodinamica e le prestazioni di frenatura del convoglio in caso di livelli di aderenza degradati dovuti a condizioni ambientali esterne sfavorevoli sono migliorate.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi sono raggiunti, secondo un aspetto dell’invenzione, da un sistema di frenatura per un convoglio ferroviario avente le caratteristiche definite nella rivendicazione 1. Forme di attuazione preferenziali dell’invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione dei disegni

Verranno ora descritte le caratteristiche funzionali e strutturali di alcune forme di realizzazione preferite di un sistema di frenatura per un convoglio ferroviario secondo l’invenzione. Si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la figura 1 illustra un convenzionale convoglio ferroviario.

Descrizione dettagliata

Prima di spiegare nel dettaglio una pluralità di forme di realizzazione dell’invenzione, va chiarito che l’invenzione non è limitata nella sua applicazione ai dettagli costruttivi e alla configurazione dei componenti presentati nella seguente descrizione o illustrati nei disegni. L’invenzione è in grado di assumere altre forme di realizzazione e di essere attuata o realizzata praticamente in diversi modi. Si deve anche intendere che la fraseologia e la terminologia hanno scopo descrittivo e non vanno intese come limitative. L’utilizzo di “includere” e “comprendere” e le loro variazioni sono da intendersi come ricomprendenti gli elementi enunciati a seguire e i loro equivalenti, così come anche elementi aggiuntivi e gli equivalenti di questi.

Facendo inizialmente riferimento alla figura 1, è illustrato un sistema di frenatura per un convoglio ferroviario T che comprende una pluralità di carrelli motori 101, 103, 105 ed una pluralità di carrelli portanti 102, 104, 106.

In tale figura 1 esemplificativamente illustrato un caso in cui il convoglio ferroviario T è composto da tre veicoli ferroviari comprendenti rispettivi carrelli 101, …, 106. Il numero dei veicoli ferroviari componenti il convoglio ferroviario possono ovviamente anche essere diversi.

Tale sistema di frenatura comprende un sistema di frenatura di emergenza rigenerativo elettrodinamico che include una pluralità di motori 108.

Il sistema di frenatura di emergenza rigenerativo elettrodinamico è predisposto per effettuare una frenatura di emergenza fino a quando una velocità di percorrenza del convoglio ferroviario T è maggiore di una velocità di percorrenza minima.

Il sistema di frenatura comprende inoltre almeno un sistema frenante dissipativo a frizione.

Tale sistema frenante dissipativo a frizione è associato ad almeno uno di detti carrelli portanti 102, 104, 106 del convoglio ferroviario T.

Il sistema frenante dissipativo a frizione può essere predisposto per effettuare la frenatura quando l'aderenza tra ruote e rotaia risulta essere degradata.

Tale velocità minima potrà corrispondere ad una velocità in cui i motori 108 del sistema frenante rigenerativo elettrodinamico diventano inefficienti o non adeguati.

Ad esempio, la velocità minima potrà essere sostanzialmente uguale a 5 km/h.

In questo modo, il sistema frenante dissipativo a frizione sarà in grado di esercitare una forza e dissipare una energia tali da compensare la incapacità di frenatura a basse velocità, ad esempio inferiori a 5Km/h, propria del sistema di frenatura di emergenza rigenerativo elettrodinamico.

Per meglio spiegare il concetto inventivo su cui si basa la presente invenzione, è riportato un esempio pratico comprensivo di formule matematiche, riferito alla figura 1, in cui il convoglio ferroviario T è esemplificativamente composto da tre veicoli ferroviari comprendenti rispettivi carrelli 101, …, 106. Per comodità esemplificativa, una prima metà dei carrelli che compongono il convoglio ferroviario è rappresentata da carrelli motori 101, 103, 105, e una seconda metà dei carrelli è rappresentata da carrelli portanti 102, 104, 106. Chiaramente, la distribuzione dei carrelli portanti e dei carrelli motori potrebbe anche essere diversa in forme di realizzazione alternative.

Sempre per semplicità esemplificativa, su ciascun carrello, motore o portante, grava una massa M. In altre parole, ciascuna cassa ha un peso pari a due volte detta massa M.

Sono note le formule:

ove Ff è la forza frenante, m è la massa da decelerare, Fa la forza di attrito, µ il coefficiente di attrito tra ruota e rotaia, mc è la massa gravante sul punto di contatto e g è l'accelerazione di gravità.

Per poter frenare il convoglio si deve verificare la condizione

ovvero,

nell’esempio di figura 1, per ciascuna cassa m = 2*M e ma = M.

Volendo ottenere una decelerazione a=1m/s<2 >bisognerà avere la disponibilità di un coefficiente di attrito tra ruota e rotaia µ ≥ 0.2, valore realmente disponibile in caso di rotaia asciutta e pulita.

È fatto scientificamente noto che in caso di pioggia detto coefficiente µ può scendere a valori prossimi a µ = 0.15, insufficiente per raggiungere la decelerazione attesa a=1m/s<2>.

In questi casi, come ampiamente noto nel mondo ferroviario, si ricorre a metodi di recupero della aderenza quali ad esempio l’iniettare in tempo reale sabbia di opportuna granulometria tra la ruota e la rotaia, azione che riporta immediatamente il valore di aderenza ai valori richiesti µ ≥ 0.2. In alternativa, ove disponibili, si attivano i pattini frenanti elettromagnetici, i quali oltre a produrre essi stessi una forza ritardante sul convoglio, provvedono a pulire la rotaia dal materiale riducente il coefficiente di attrito, grazie alla azione di sfregamento meccanico.

Meno frequentemente, esistono casi ove a causa di agenti esterni non controllabili quali fogliame, o inquinamento, o ruggine sulla rotaia, il valore di aderenza può scendere a valori µ = 1 o anche inferiori. In questi casi, sistemi di recupero di aderenza, quali ad esempio quelli precedentemente descritti, non sono in grado di ricuperare completamente il valore di aderenza necessario ad ottenere la decelerazione desiderata.

In tal caso si deve ricorrere alla disponibilità dei carrelli portanti, ciascuno dei quali, offre punti di contatto tra ruote e rotaia adatti a fornire punti di applicazione ulteriori di forze ritardanti.

Prendendo come esempio il convoglio di figura 1, supponendo di avere un coefficiente di attrito disponibile µ = 0.18, inferiore quindi al valore di aderenza inferiore a quanto necessario per decelerare il convoglio ad una decelerazione a = 1m/s<2>, e di avere ad esempio il carrello portante 102 dotato di un sistema frenante adeguato, l’equazione della decelerazione risulta essere

Ovvero, è possibile raggiungere la decelerazione a = 1m/s<2 >con ancora margine disponibile.

Svolgendo l’equazione in funzione della decelerazione a per ottenere µ:

ovvero, l’aggiunta di un carrello frenante consente di raggiungere l’accelerazione desiderata a = 1m/s<2 >con valori di aderenza ridotti sino a µ = 0.15.

Ulteriormente, calcolando la decelerazione raggiungibile con l’utilizzo esclusivo del sistema frenante aggiuntivo di cui è stato dotato il carrello 103, avendo a disposizione una aderenza µ = 0.15

Considerando quanto precedentemente descritto, ovvero supponendo che il sistema di frenatura rigenerativo elettrodinamico cessi di essere attivo a circa 5Km/h, ovvero 1.39 m/s, si può dedurre che la distanza di arresto da 5 km/h con una decelerazione a = 1m/s2 corrisponde a 0.96 m e che la distanza di arresto con una decelerazione a = 0.25m/s<2 >corrisponde a 3.8 m. La differenza tra le due distanze di arresto è quindi di circa 3 m, abbondantemente inferiore alle tolleranze ammesse nel calcolo delle distanze di arresto di un veicolo ferroviario durante la frenatura di emergenza.

Quanto finora discusso porta a concludere che, qualora si decidesse di sviluppare un convoglio ferroviario dotato di frenatura di emergenza basata esclusivamente su un sistema di frenatura rigenerativa elettrodinamica tramite carrelli motori, risulta necessario e sufficiente l’aggiunta di un limitato numero di carrelli portanti dotati di un convenzionale sistema frenante dissipativo a frizione per migliorare sostanzialmente le prestazioni del convoglio in caso di livelli di aderenza degradati da condizioni ambientali esterne sfavorevoli.

Si evidenzia inoltre la possibilità di decelerare il convoglio utilizzando esclusivamente l'uno o più carrelli portanti equipaggiati con un freno dissipativo a frizione.

Si può evidenziare dalle precedenti equazioni come, vantaggiosamente, all’aumentare di carrelli portanti dotati di sistema frenante dissipativo a frizione si possano accettare livelli decrescenti di aderenza, mantenendo invariata la decelerazione richiesta.

Sono stati descritti diversi aspetti e forme di realizzazione di un sistema di frenatura per un convoglio ferroviario secondo l’invenzione. Si intende che ciascuna forma di realizzazione può essere combinata con qualsiasi altra forma di realizzazione. L’invenzione, inoltre, non è limitata alle forme di realizzazione descritte, ma potrà essere variata entro l’ambito definito dalle rivendicazioni annesse.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema di frenatura per un convoglio ferroviario (T) comprendente una pluralità di carrelli motori (101, 103, 105) ed una pluralità di carrelli portanti (102, 104, 106); detto sistema di frenatura comprende un sistema di frenatura di emergenza rigenerativo elettrodinamico comprendente una pluralità di motori (108); detto sistema di frenatura di emergenza rigenerativo elettrodinamico essendo predisposto per effettuare una frenatura di emergenza fino a quando una velocità di percorrenza del convoglio ferroviario (T) è maggiore di una velocità di percorrenza minima; detto sistema di frenatura essendo caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sistema frenante dissipativo a frizione associato ad almeno uno di detti carrelli portanti (102, 104, 106) del convoglio ferroviario (T).
2. Sistema di frenatura per un convoglio ferroviario (T) secondo la rivendicazione 1, in cui la velocità minima è la velocità a cui la frenatura elettrodinamica diventa inefficiente.