Corso di Sistemi di Trazione
Lezione 25: Sistemi di trasporto a guida vincolata,
sistemi di frenatura
A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015
Argomenti della lezione
• I tipi di freni utilizzati
– Modelli matematici di freno
– Caratteristiche e prestazioni di funzionamento
• Come avviene la manovra di frenatura
• I sistemi di frenatura in ferrovia
– Distributori
– Attuatori
– Circuiti di frenatura
Freni a ceppi e a disco
Prestazioni dei freni ad attrito
Il freno è composto da un elemento mobile (tamburo o
disco) calettato rigidamente alla ruota (o al cerchione o
all’asse porta ruota) e da un elemento fisso solidale al
telaio del veicolo.
L’applicazione della forza normale P1 alla superficie di
contatto fra i due elementi provoca il sorgere di una forza di
attrito tangenziale Ft fra di loro.
Tipi di freni a ceppi
Disco bullonato - fronte
Disco bullonato - sezione
Elementi del disco
Tipi di dischi
Tipi di palettatura per la
ventilazione(sab-wabco
Dischi per montaggio
frontale su ruota
Schema di freno a ceppi
S
a
b
b = a/b rapporto di moltiplicazione
f’
coefficiente
di
P
attrito fra ceppo e
D cerchione
f’
H
f coefficiente di
Ft
attrito fra binario e
f
Fx
cerchione
Azionamento del freno
Una trasmissione meccanica o idraulica o pneumatica
produce la forza S in conseguenza del comando del
freno.
La forza S genera sull’organo frenante una forza H
funzione del rapporto β (rapporto di moltiplicazione
b/a > 1):
H = βS
Le condizioni di aderenza
Le condizioni di aderenza
H = bS
Fx = Ft = f’H ≤ fP
da cui
bS = H ≤ f/f’P
Le condizioni di massima aderenza
Lo sfruttamento massimo dell’aderenza si ha quando per
qualsiasi condizione di carico e di velocità, il valore della
forza H (per frenatura a fondo, quella per cui si raggiunge
la pressione massima nel cilindro) è al limite della
disuguaglianza.
Le condizioni per l’efficacia massima della frenatura sono:
P = costante
f/f’ = costante
Timoneria
Dispositivo per la variazione del rapporto b di
timoneria nei carri merci
Manicotti
Cilindro freno
Maniglia esterna
Ceppi in ghisa
f’ Coefficiente di attrito (ghisa/acciaio)
Pressione specifica Ps=1,1 kg/cm2
Ps=6,12 kg/cm2
Ps=13 kg/cm2
Km/h
Ceppi metallici
f coeff. di aderenza (rotaia asciutta)
f’ coeff. di attrito (ghisa/acciaio)
Ceppi freddi
Ceppi caldi
f
Ps=1,1 kg/cm2
Ps=6
f’
Ps=13
Km/h
Problemi di compatibilità e resistenza
• Costante di tempo teorica degli organi dissipatori
del lavoro di attrito compatibile con la temperatura
massima accettabile
• Potenza di picco massima sopportabile senza
alterazioni sia pure locali e circoscritte della
struttura del materiale, in particolare degli organi di
rodiggio.
Ceppi e dischi
Consumi dei ceppi
Vantaggi della frenatura a dischi
Contropartite
Riduzione del raggio
*
* Gabarit = sagoma limite
Due situazioni limiti
Problemi termici
Temperature massime
Il sistema di frenatura - definizioni
Il sistema utilizzato sui rotabili ferroviari è del tipo:
• Pneumatico – perché funziona ad aria compressa
• Continuo – perché agisce su tutto il convoglio tramite la
condotta generale
• Automatico - perché entra in azione automaticamente in caso di
fuoriuscite di aria compressa dalla condotta generale causate da
rotture o danneggiamenti alla stessa
• Inesauribile - perché risulta sempre in grado di frenare il
convoglio con la stessa intensità anche dopo ripetute frenature
Posizioni del rubinetto di comando
Sfrenatura, la condotta del serbatoio e la condotta
generale sono collegate.
Posizione neutra, la comunicazione tra le condotte è
interrotta.
Frenatura moderabile, la condotta generale, è posta
in comunicazione gradatamente con l'atmosfera.
Elementi del freno ferroviario
La condotta generale (CG) alimenta gli impianti e comanda l’intervento con le
sue variazioni di pressione.
Il serbatoio ausiliario (SA) raccoglie, durante la fase di carica, l’aria compressa
per la frenatura. È il polmone di accumulo che trasmette aria agli organi di
azionamento.
Il serbatoio di comando (SC) si riempie alla massima pressione raggiunta dalla
condotta generale. È l’organo di “memorizzazione” della pressione in condotta
generale.
Il distributore (D) confronta la pressione di CG con quella di SC, decidendo la
frenatura o la sfrenatura.
Il cilindro del freno (CF) converte la pressione dell’aria compressa in forza
applicata sui dischi o ceppi in ragione del tipo di freno installato. Organo di
azionamento che interviene quando il distributore ordina di eseguire la
frenatura.
La condotta generale (CG)
Parte dalla locomotiva e si estende per tutto il treno.
Ad ogni depressione in CG corrisponde un’azione
frenante.
Maggiore è la depressione, maggiore sarà la forza
frenante agente sui ceppi/dischi di ogni singolo
carrello.
La frenatura rapida si attua con la repentina
dispersione in atmosfera dell’aria presente in CG.
Schema semplificato di freno pneumatico
11
9
12
10
2
6
5
12
1
3
4
7
La condotta generale CG (1) munita alle estremità di rubinetti d’intercettazione (2) e
semiaccoppiatori flessibili (3), che collegano tra loro i vari vagoni e la locomotiva.
Collegato alla condotta generale si trova il distributore (4), cui fanno capo il serbatoio
ausiliario (5), il serbatoio di comando (6) ed il cilindro del freno (7).
Il cilindro freno muove la timoneria di comando dei ceppi o delle pinze dei freni.
La locomotiva ha il compressore (9), che ricarica il serbatoio principale (10).
Il macchinista comanda la frenatura con il rubinetto di comando (11), che varia la pressione
della CG collegandola con l’atmosfera o con il serbatoio principale.
Schema semplificato di un distributore
Frenatura
Il PdC agendo sul rubinetto del freno scarica l’aria dalla
Condotta Generale (C.G.).
La diminuzione della pressione in C.G. modifica l’equilibrio
esistente all’interno dei distributori.
Tramite il serbatoio di comando si provoca l’invio d’aria dal
serbatoio ausiliario ai cilindri freno attuando così l’azione
frenante che è proporzionale alla depressione effettuata in
condotta generale.
Sfrenatura
Il Personale di Comando (PdC), tramite il rubinetto del
freno, alimenta la condotta generale fino a portarla
nuovamente alla pressione di regime 5 bar.
Tale operazione ripristina l’equilibrio iniziale nei
distributori.
I cilindri a freno sono messi in comunicazione con
l’atmosfera, l’aria defluisce all’esterno e attua la
sfrenatura.
Azionamento del freno
Il freno continuo può essere azionato tramite
i seguenti dispositivi:
rubinetto del freno in cabina di guida
azionabile dal personale di condotta
freno di emergenza situato all’interno delle
carrozze e azionabile in caso di emergenza
allarme Passeggeri situato all’interno delle
carrozze e azionabile in caso di emergenza
rubinetti di emergenza - di colore rosso ad uso del personale in servizio
Freno di emergenza
Allarme Passeggeri
Rubinetto di emergenza
Specie di unioni
Sistema con valvola tripla
Serbatoio
principale
CS
Compressore
B
B Rubinetto di intercettazione
CG Condotta generale del freno
CS Condotta serbatoio
V Valvola del freno diretto
I
Rubinetto di testata
L
Tubo flessibile di testata
Rubinetto di comando
I
CF
L
V
CG
VT
T
Locomotiva
H
I L
SA
CF Cilindro del freno
T Timoneria del freno
VT Valvola tripla
SA Serbatoio Ausiliario
H Rubinetto di emergenza
M Maniglia di emergenza
M
CG
I
CF
VT
T
Vettura
I
SA
L
La valvola tripla
È un sistema tradizionale che permette il collegamento tra la
condotta generale CG e un serbatoio ausiliario SA, tra il
serbatoio ausiliario e i cilindri del freno, tra i cilindri del freno e
l'atmosfera.
La valvola ha un cursore T (cursore di graduazione) riportato in
posizione di riposo da una molla M e da un pistone che agisce,
tramite il suo stelo, sul cassetto di distribuzione C e su una
valvola costituita da un foro di scarico che può essere chiuso da
un otturatore (valvola di graduazione).
Una faccia del pistone ha la pressione di SA, l’altra ha la
pressione di CG.
System in application position - Frenatura
Valvola tripla in posizione di frenatura
Il pistone si sposta per lo squilibrio di pressione sulle sue facce.
La fessura di alimentazione k permette all'aria della cg di passare nel SA.
ll pistone trascina il cassetto fino alla posizione limite a sinistra, aprendo
completamente la comunicazione tra SA e cilindri del freno .
Pistone
CG
SA
CF
Cursore T
Cassetto C
Otturatore
Air brake system in release position Sfrenatura
Valvola tripla in posizione di sfrenatura
I pistone si sposta per lo squilibrio di pressione sulle sue facce.
La fessura di alimentazione k permette all'aria della cg di passare nel SA.
C, spinto dallo stelo del pistone verso la posizione estrema a destra, apre la
comunicazione tra cilindri del freno e l'atmosfera.
Pistone
Cursore T
k
CG
Foro di scarico Otturatore
SA
Atmosfera
Cassetto C
CF
Air brake system in lap position Neutra
Schemi alternativi con CP e CG
La condotta principale (CP), aggiunta alla CG, è dedicata
all’alimentazione diretta dei serbatoi ausiliari dei singoli
vagoni.
Questo accorgimento permette di evitare ogni rischio
d’esauribilità e garantisce una più veloce sfrenatura
specialmente delle ultime carrozze.
La ricarica della condotta generale è più veloce, non
essendole affidato il compito di riempire i serbatoi svuotati
nella frenatura.
Sistema con CP e CG
Condotta Principale (CP)
Rubinetto isolamento
del serbatoio ausiliario
Funicella
Serbatoio
ausiliario
CF
Condotta Generale (CG)
D
Serbatoio di
comando
Distributore
Rubinetto
isolamento
distributore
Il sistema di frenatura
LOCOMOTORE
VETTURA
TIMONERIA
DEL FRENO
CILINDRO FRENO
RUBINETTO
DI COMANDO
PRODUZIONE
ARIA
COMPRESSA
COMPRESSORI
SERBATOIO
PRINCIPALE
COMPRESSORI
CONDOTTA GENERALE
Valvole
SERBATOIO
AUSILIARIO
Tirantino
valvola di
scarico
SERBATOIO
COMANDO
Distributore
Valvola scarico atmosfera
RUBINETTO DI
ISOLAMENTO
CONDOTTA PRINCIPALE
Pagina integrata con animazione
La frenatura
TIMONERIA
DEL FRENO
CILINDRO FRENO
RUBINETTO
DI COMANDO
PRODUZIONE
ARIA
COMPRESSA
Valvole
SERBATOIO
PRINCIPALE
SERBATOIO
AUSILIARIO
CONDOTTA GENERALE
VALVOLA
DI SCARICO
SERBATOIO
COMANDO
Distributore
Valvola scarico atmosfera
RUBINETTO DI
ISOLAMENTO
CONDOTTA PRINCIPALE
Pagina integrata con animazione
La sfrenatura
TIMONERIA
DEL FRENO
CILINDRO FRENO
RUBINETTO
DI COMANDO
PRODUZIONE
ARIA
COMPRESSA
Valvole
SERBATOIO
PRINCIPALE
SERBATOIO
AUSILIARIO
CONDOTTA GENERALE
Valvola
di scarico
SERBATOIO
COMANDO
Distributore
Valvola scarico atmosfera
RUBINETTO DI
ISOLAMENTO
CONDOTTA PRINCIPALE
Pagina integrata con animazione
Isolamento dal freno
CILINDRO FRENO
RUBINETTO
TIMONERIA
DEL FRENO
DI COMANDO
PRODUZIONE
ARIA
COMPRESSA
Valvole
SERBATOIO
PRINCIPALE
SERBATOIO
AUSILIARIO
CONDOTTA GENERALE
Valvola
di scarico
SERBATOIO
COMANDO
Distributore Valvola scarico atmosfera
RUBINETTO DI
ISOLAMENTO
CONDOTTA PRINCIPALE
Pagina integrata con animazione
Electro-pneumatic brake E-P Brake
In a pure air brake system, a natural restriction is
imposed by the maximum allowed brake pipe pressure
and in the proportion of volume between the auxiliary
reservoir and the brake cylinder.
In an e-p equipped train, the main reservoir supply is not
restricted, so it would be possible to go on pumping air
into the brake cylinder until it burst. Of course, this will
not happen because the brake cylinder is fitted with a
safety valve set at the maximum pressure normally
obtained in full braking.
A Simple E-P Brake System
A main reservoir pipe is provided along the length of the train so
that a constant supply of air is available on all cars.
A connection pipe is provided between the main reservoir and
the brake cylinders on each car.
An "application valve" in this connection pipe will open when
required to allow main reservoir air into the brake cylinders.
Because the brake pipe is fully charged during an e-p
application, the triple valve is in the release position so the brake
cylinder is connected to the exhaust. For e-p operation, a
"holding valve" is added to the triple valve exhaust.
When an e-p application is called for, the holding valve closes
and prevents brake cylinder air escaping through the exhaust.
E-P brake system
Connection pipe
E-P brake in application position
E-P brake in release position