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Modello di usura

La previsione dei fenomeni di usura all'interfaccia ruota-rotaia è una questione fondamentale nel settore ferroviario; infatti la conseguente evoluzione dei profili di rotaia e ruota comporta gravi effetti sulle caratteristiche dinamiche e sulla stabilità dei veicoli. Dal punto di vista della sicurezza, le modifiche nei profili delle ruote e della rotaia possono compromettere la stabilità del veicolo e anche aumentare il rischio di deragliamento a causa delle ruote che scavalcano la rotaia. La variazione dei profili porta anche a costi di manutenzione più elevati, riguardanti principalmente le periodiche operazioni di riprofilatura delle ruote e le sostituzioni delle rotaie, necessarie per ristabilire i profili originali.

Un modello di usura affidabile può essere utilizzato per ottimizzare i profili di partenza della ruota e della rotaia e per ottenere una usura più uniforme sulle superfici di rotolamento. In tal modo la quantità complessiva di materiale usurato può essere ridotta, il tempo medio tra due interventi di manutenzione può essere aumentato e, allo stesso tempo, la prestazione dinamica del contatto ruota-rotaia possono essere mantenute approssimativamente costante tra due successivi interventi di riparazione. È stata realizzata una procedura per stimare l'evoluzione dei profili di ruota e rotaia, in caso di usura sviluppata in reti ferroviarie complesse.

L’architettura generale del modello si compone di due parti reciprocamente interattive: il modello del veicolo (modello multibody e modello 3D dei contatti globali) e il modello di usura (modello di contatto locale, evoluzione dell’usura e aggiornamento dei profili). L'architettura generale del modello sviluppato per lo studio dei fenomeni di usura su linee ferroviarie complesse è illustrato nello schema a blocchi, in cui sono presenti due parti principali: il modello del veicolo necessario per eseguire l'analisi dinamica e il modello di usura. Il modello di veicolo è costituito dal modello multibody del veicolo ferroviario benchmark e il modello di contatto globale 3D che, durante la simulazione dinamica, interagisce direttamente sulla linea creando un ciclo. Ad ogni passo del tempo di integrazione, il primo modello valuta le variabili cinematiche (posizione, orientamento e loro derivati) rispetto al set di ruote e di conseguenza rispetto ad ogni contatto ruota-rotaia. A questo punto, partendo dalle grandezze cinematiche, il modello di contatto globale 3D calcola le variabili globali di contatto (punti di contatto e forze di contatto, aree di contatto e di creep globali), questo modello si basa sia su un algoritmo innovativo per la rilevazione dei punti di contatto sia sulle teorie globali di Hertz e Kalker per la valutazione delle forze di contatto. Le variabili di contatto globali vengono poi passate al modello multibody per portare avanti la simulazione dinamica del veicolo.

I principali inputs del modello di veicolo sono il modello multibody del veicolo ferroviario e la corrispondente linea ferroviaria, rappresentato in questo lavoro dal ALSTOM DMU Aln 501 Minuetto. Nella stima dell’usura, la definizione della tratta è un compito critico dovuto alla complessità delle reti ferroviarie da analizzare: infatti la simulazione della dinamica del veicolo e l'evoluzione dell’usura su tutta la rete ferroviaria risulta essere troppo costosa sia per quanto riguarda i tempi di calcolo ed il consumo della memoria che riguardo la disponibilità e la raccolta dei dati sperimentali necessari per la validazione del modello. Per superare queste limitazioni, è stato sviluppato un approccio statico per ottenere risultati significativi in tempi ragionevoli; in particolare, l'intera rete ferroviaria considerata, è stato sostituita con un set di differenti tratti curvilinei (classificati secondo raggio, sopraelevazione e velocità di percorrenza) statisticamente equivalenti alla rete originale. Il modello di usura è la parte della procedure riguardante la previsione della quantità di materiale usurato da rimuovere dalle superfici della ruota e rotaia e si compone di tre fasi distinte: il modello di contatto locale, l’evoluzione dell’usura e l’aggiornamento del profilo.

Il modello di contatto locale (basato sulla teoria locale di Hertz e sull’algoritmo semplificato di Kalker), partendo dalle variabili globali di contatto, stima le pressioni di contatto locali e di creep all'interno della zona di contatto e rileva la zona di slip e l'area di contatto. Successivamente viene calcolata la distribuzione di materiale rimosso sulla ruota e sulla superficie della rotaia solo all'interno dell’area di slip utilizzando una relazione empirica tra la rimozione del materiale e l'energia dissipata per attrito nell'interfaccia di contatto. Infine i profili usurati di ruota e rotaia sono realizzati partendo ​​da quelli originali attraverso una strategia di aggiornamento appropriata. I nuovi profili aggiornati di ruota e rotaia (un profilo medio per tutte le ruote del veicolo e per tutte le tratte di rotaia considerate) vengono quindi restituiti come input al modello di veicolo e tutta l'architettura del modello può procedere con le iterazioni successive.

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