SEMINARIO SCIENTIFICO SIDT 2015
ROLLING STOCK’S CRITICAL ELEMENTS
FOR FREIGHT TRANSPORT:
A METHOD OF ANALYSIS FOR
DIAGNOSTICS AND MAINTENANCE
AUTORI
Ing. Vincenzo Ivan PITRUZZELLA
Ing. Fabrizio BRUNO
Ing. Eugenio MUZIO
Sign. Awes
BOTELLO
TORINO, 15 SETTEMBRE 2015
LA POTENZIALE CRESCITA DEL TRAFFICO FERROVIARIO MERCI PREVEDE:
 AUMENTO DEI VOLUMI DI MERCE TRASPORTATA
 AUMENTO DELLE DISTANZE PERCORSE DAI CONVOGLI
(NUOVE CONNESSIONI EUROPA-ASIA)
 UTILIZZO DI CONVOGLI PIU LUNGHI E VELOCI
 UTILIZZO DI CARRI CAPACI DI TRASPORTARE MAGGIORE CARICO
GARANTENDO LA SICUREZZA E
L’AFFIDABILITA DEL TRASPORTO
AUMENTO
DELL’AFFIDABILITÀ
DEI CARRI MERCI
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GARANTISCE
L’ AFFIDABILITÀ E
SICUREZZA DEL
SERVIZIO
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SISTEMI INNOVATIVI DI
MANUTENZIONE E
DIAGNOSTICA PER IL
MATERIALE ROTABILE MERCI
SICUREZZA
DELLA MERCE
TRASPORTATA
AFFIDABILITA
E SICUREZZA
DEL SERVIZIO
SICUREZZA
DEL
MATERIALE
ROTABILE
CERTEZZA DI
ESECUZIONE E
DEI TEMPI DI
RESA
AUMENTARE
L’AFFIDABILITA
GIUNGENDO AD UNA
MANUTENZIONE
PREDITTIVA
 CONTROLLARE COSTANTEMENTE NEL TEMPO I PARAMETRI FUNZIONALI DEI VEICOLI
 INTERVENIRE TEMPESTIVAMENTE IN CASO DI GUASTO
 TRACCIABILITÀ COMPLETA DEI CONVOGLI
 REGISTRAZIONE DI DATI UTILI PER OTTIMIZZARE LE PRATICHE MANUTENTIVE IN ACCORDO
ALLA PROGETTAZIONE LOGISTICA DEL SERVIZIO
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Carri merci che si differenziano per caratteristiche dimensionali e
strutturali per meglio adattarsi alla merce da trasportare
Utilizzazione dei carri su linee e in composizione differenti a
seconda delle esigenze di trasporto
PROBLEMATICHE
Assenza di alimentazione elettrica a bordo carro
Coesistenza di carri di vecchia e nuova generazione (parco
eterogeneo)
Un nuovo sistema diagnostico deve integrarsi con le attuali pratiche
manutentive
Analisi degli elementi critici comuni alle diverse tipologie di carri merci
attualmente in esercisio al fine di svilppare dei sistemi di diagnostica mirati
ed integrabili con le attuali metodologie di Gestione del servizio
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MODALITA OPERATIVE
L’attività di ricerca è stata sviluppata in tre Fasi
ATTIVITÀ
1° FASE
Presso operatori
del settore
Attraverso l’analisi, sul campo, delle difficoltà applicative delle attuali
procedure di manutenzione programmata e dell’incidenza sul servizio di
eventuali guasti di componenti
del materiale rotabile, si sono
individuati gli elementi di maggiore criticità del materiale rotabile da
monitorare.
1. Analisi, presso operatori del settore ferroviario merci, dell’efficacia e
delle problematiche relative alla corretta applicazione delle attuali
procedure di manutenzione programmata (verifiche tecniche, azioni
di manutenzione straordinaria, ecc.)
2. Identificazione degli elementi critici del materiale rotabile merci,
attraverso l’analisi delle anomalie maggiormente riscontrabili su ogni
Asset funzionale e delle loro correlazioni.
3. Identificazione della parte funzionale di maggiore criticità in termini
di sicurezza , affidabilità del servizio e monitoraggio.
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MODALITA OPERATIVE
ATTIVITÀ
Realizzazione di un modello matematico che riproduce il
comportamento della parte funzionale, in assenza e presenza di
guasti, identificato nella fase 1.
2° FASE
Presso
Politecnico di Torino
Aziende Costruttrici
1. Identificazione delle componenti strutturali, caratterizzanti la
parte funzionale, sul carro scelto come campione.
2. Analisi del comportamento degli elementi strutturali durante il
loro normale funzionamento.
3. Realizzazione di un modello matematico che descriva la risposta
del sistema in presenza ed assenza di guasti.
4. Implementazione del modello attraverso codice di calcolo
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MODALITA OPERATIVE
ATTIVITÀ
Prove sperimentali sul carro campione al fine di calibrare il
modello ed elaborare l’architettura di un sistema di misura,
installabile a bordo carro, che si interfacci con esso.
3° FASE
Presso
Ambrogio Trasporti S.p.a
1. Identificazione di una strumentazione di misura, con
componentistica commerciale, facilmente installabile a bordo
di diverse tipologie di carri ed interfacciabile col modello
matematico.
2. Campagna di misure, a carro fermo, volte a calibrare il
modello matematico, attraverso il confronto con i dati reali
acquisiti.
3. Determinare curve limite di accettabilità, stabilendo il campo
di variabilità ammesso per gli effettivi scostamenti dei
parametri funzionali monitorati.
4. Campagna di misura durante il normale esercizio del carro
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1° FASE
ELEMENTI CRITICI DEL MATERIALE
ROTABILE MERCI
ASSET FUNZIONALI
Per ogni Tipologia di anomalia
 ANALISI DELLE PROCEDURE DÌ MANUTENIONE
 INCIDENZA DELL’ANOMALIA SULL’AFFIDABILITA
DEL SERVIZIO
 CAPACITA DÌ RILEVABILITA DEL DIFETTO
 INTERAZIONE TRA ASSET FUNZIONALI
SFACCETTATURE
RUOTA MONOBLOCCO
L’insorgere di alcune usure sul piano di
rotolamento è influenzato dal cattivo
funzionamento dell’impianto frenante
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1° FASE
IDENTIFICAZIONE DELLA PARTE
FUNZIONALE DI MAGGIORE CRITICITÀ
PARTE PNEUMATICA DEL
SISTEMA FRENANTE
 IMPORTANZA CHE RIVESTE AI FINI DELLA SICUREZZA
 INFLUENZA SULL’INSORGERE DI ANOMALIE SU ALTRI ELEMENTI
(ES. RODIGGIO, SISTEMI DI TRAZIONE)
LA DISPOSIZIONE DEI
COMPONENTI VARIA A SECONDA
DELLA TIPOLOGIA DI CARRO E DI
SISTEMA FRENANTE ADOTTATO
 MAGGIORI ONERI IN CASO DI GUASTO
 DIFFICOLTÀ D’INDIVIDUARE ANOMALIE DURANTE VERIFICHE TECNICHE
PREVISTE DALLE PROCEDURE DÌ MANUTENZIONE ORDINARIA
 È PRESENTE IN QUASI LA TOTALITÀ DEI CARRI FERROVIARI
 RISENTE DELLE VARIAZIONI DI CARICO DEL CARRO
 AGISCE A LIVELLO CARRELLO
 SE MONITORATO PERMETTE DÌ REGISTRARE LE AZIONI DÌ FRENATURA IN FUNZIONE DEL CARICO E DALLA LINEA
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2° FASE
IDENTIFICAZIONE CARRO TIPO
Carro serie :
Sggmrs
Proprietario:
Ambrogio Trasporti S.p.A
Costruttore:
Cima
Sistema frenante: Faiveley Transport S.p.A
Valvola VCAV tipo 1P-1E con
funzione differenziale
Cilindro freno
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2° FASE
MODELLO MATEMATICO DEL SOTTOSISTEMA
MODELLO SEMPLIFICATO A
TALE APPROCCIO PERMETTE:
PARAMETRI CONCENTRATI
 RIPRODURRE GLI ANDAMENTI DEI TRANSITORI DI
CORRELA LA :
PRESSIONE
 DINAMICA DELLA VALVOLA RELE VCAV
RELAZIONE AL CARICO DEL CARRO.
 DINAMICA DEL CILINDRO FRENO
DURANTE LE FASI DI
FRENATURA IN
 ATTRAVERSO LA DIVISIONE IN SOTTOFASI, PERMETTE
 VALORI E TEMPI DÌ ACCUMULO/AUMENTO DÌ
DI TENERE CONTO DEL CONTRIBUTO DEGLI ELEMENTI
PRESSIONE NELLE:
STRUTTURALI CHE CARATTERIZZANO LA
- CAMERE DELLA VALVOLA RELE VCAV
VCAV E IL
CILINDRO FRENO
- CAMERA DEL CILINDRO FRENO
- CAMERA DEL SERBATOIO AUSILIARIO
ATTRAVERSO L’ANALISI DEL FUNZIONAMENTO DEI
SINGOLI
ELEMENTI
INDIVIDUANO
LE
DEL
SOTTOSISTEMA
SOTTOFASI
CARATTERIZZANO LE AZIONI DÌ:
 FRENATURA
 SFRENATURA
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SI
CHE
AD OGNI SINGOLA FASE CORRISPONDE UN
SISTEMA DÌ EQUAZIONI DIFFERENZIALI CHE NE
IDENTIFICA IL COMPORTAMENTO
VENGONO INDIVIDUATI I VALORI DÌ SOGLIA DÌ
GRANDEZZE CARATTERISTICHE (PRESSIONE
/SPOSTAMENTO) IL CUI RAGGIUNGIMENTO
DETERMINA
IL
PASSAGGIO
TRA
UNA
SOTTOFASE E LA SUCCESSIVA.
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2° FASE
MODELLO MATEMATICO DEL SOTTOSISTEMA
VALVOLA VCAV
È
POSSIBILE SUDDIVIDERE
IL SISTEMA IN TRE AREE:
 CIRCUITO DI COMANDO
 CIRCUITO PRINCIPALE
 CIRCUITO INFERIORE
QUATTRO SOTTOFASI DI FUNZIONAMENTO:
 PRIMA
FASE
DI
FRENATURA,
FINO
AL
RAGGIUNGIMENTO IN
CAMERA PILOTA DI UNA
PRESSIONE PARI A 0,67÷0,75 BAR.
 SECONDA FASE DI FRENATURA, DAL SUPERAMENTO
DEL SUDDETTO VALORE FINO AL RAGGIUNGIMENTO
DELLA PRESSIONE MASSIMA DI FRENATURA
 PRIMA FASE DI SFRENATURA
 SECONDA FASE DÌ SFRENATURA
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2° FASE
MODELLO MATEMATICO DEL SOTTOSISTEMA
Cilindro freno
QUATTRO SOTTOFASI DI FUNZIONAMENTO:
 PRIMA FASE DI FRENATURA, IN CUI LA PRESSIONE IN CAMERA A È TALE DA MUOVERE LO STELO DEL
CILINDRO.
 SECONDA FASE DI FRENATURA, IL VOLUME DELLA CAMERA RIMANE COSTANTE
 PRIMA FASE DI SFRENATURA, IL VOLUME DELLA CAMERA A RIMANE COSTANTE.
 SECONDA FASE DÌ SFRENATURA, LO STELO DEL CILNDRO RIENTRA NELLA SUA SEDE.
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2° FASE
MODELLO MATEMATICO DEL SOTTOSISTEMA
A FRONTE DEL SEGNALE DI PRESSIONE Pd DI COMANDO DEL DISTRIBUTORE,
IL VALORE DI PRESSIONE PEt RAGGIUNTO IN CAMERA PILOTA DELLA VCAV
DETERMINA IL PASSAGGIO TRA UNA FASE E LA SUCCESSIVA
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2° FASE
MODELLO MATEMATICO DEL SOTTOSISTEMA
1° FASE DI
FRENATURA
2° FASE DI
FRENATURA
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2° FASE
MODELLO MATEMATICO DEL SOTTOSISTEMA
EQUAZIONI DI FLUSSO
 CAMERE VALVOLA RELE VCAV
 CAMERA CILINDRO FRENO
I SISTEMI DI EQUAZIONI DIFFERENZIALI NON LINEARI
POSSONO
ESSERE
RISOLTI
INTRODUCENDO
LE
EQUAZIONI DINAMICHE DEL CILINDRO FRENO E DELLE
VALVOLA RELÈ VCAV, MEDIANTE METODI NUMERICI
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2° FASE
MODELLO MATEMATICO DEL SOTTOSISTEMA
Le equazioni che identificano il modello matematico vengono risolte
attraverso il metodo alle differenze finite, utilizzando il codice di calcolo
Matlab
Si trascurano le perdite di carico localizzate e distribuite lungo le
tubazioni di collegamento
IPOTESI
Si trascura il contributo dei termini inerziali e di attrito degli
elementi costituenti la valvola VCAV
Si considerano costanti i volumi della camera equilibratrice e pilota
della valvola VCAV
ASSENZA DI GUASTI
SIMULAZIONI
PRESENZA DI GUASTI
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2° FASE
RISULTATI DELLE SIMULAZIONI
SIMULAZIONI IN ASSENZA DI
GUASTI:
REGIME DI FRENATURA
VIAGGIATORI (P)
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2° FASE
RISULTATI DELLE SIMULAZIONI
SIMULAZIONI IN ASSENZA DI
GUASTI:
REGIME DI FRENATURA P –
VARIAZIONE DI CARICO
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2° FASE
RISULTATI DELLE SIMULAZIONI
SIMULAZIONI IN PRESENZA DI
GUASTI:
BLOCCAGGIO DEL CILINDRO FRENO
DURANTE LA FASE DI FRENATURA
L’andamento di pressione non presenta più la fase di primo tempo, ed il gradiente
è più elevato rispetto all’andamento atteso in assenza di guasto. Il sistema
raggiunge comunque la pressione massima di frenatura
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2° FASE
RISULTATI DELLE SIMULAZIONI
SIMULAZIONI IN PRESENZA DI
GUASTI:
MAGGIORE CORSA DEL PISTONE
Una maggiore corsa del cilindro determina una fase di primo
tempo più lunga
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2° FASE
RISULTATI DELLE SIMULAZIONI
SIMULAZIONI IN PRESENZA DI
GUASTI:
ANOMALIE RISCONTRABILI NEL
FUNZIONAMENTO DELLA VALVOLA
DI PESATURA
Si determina una pressione massima al cilindro freno inferiore a quello
attesa dal sistema in condizioni ordinarie di funzionamento
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3° FASE
ARCHITETTURA DEL SISTEMA DI MISURA
LA PROGETTAZIONE DELL’ARCHITETTUTA DEL SISTEMA DÌ MISURA TIENE CONTO :
 PARAMETRI D’INGRESSO E DI USCITA DEL MODELLO MATEMATICO
 COMPONENTI VERSATILI CHE POSSANO ESSERE INSTALLATI CON FACILITÀ A BORDO CARRO,
 ADATTABILITÀ A TIPOLOGIE DI CARRI MERCI DIVERSE DA QUELLO ESAMINATO
TIPOLOGIA DI SENSORI
 3 TRASDUTTORI DI PRESSIONE
 1 POTENZIMETRO LINEARE A FILO
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3° FASE
MISURE SPERIMENTALI
IL SISTEMA DI MISURE PERMETTE DI ACQUISIRE:
Andamento di pressione in uscita dal distributore pdi
Andamento di pressione all’interno della camera del cilindro freno pCF
Andamento di pressione in uscita dal serbatoio ausiliario pSA
Andamento del cilindro freno xCF
CONFRONTABILI
COL MODELLO
MATEMATICO
CAMPAGNA PROVE PRESSO AMBROGIO TRASPORTI SpA
 1°STEP - ACQUISIRE A VEICOLO FERMO GLI ANDAMENTI DÌ PRESSIONE E SPOSTAMENTO PER DIVERSE TIPOLOGIE
DÌ FRENATA IN ACCORDA ALLA PROCEDURA DELLA PROVA FRENO
 2°STEP - RIPETERE LE PROVE A VEICOLO FERMO IN PRESENZA DÌ GUASTI
 3°STEP – RIPETERE LE PROVE CON VEICOLO NELLE NORMALI CONDIZIONI D’ESERCIZIO
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CONCLUSIONI
Il modello permette di monitorare i transitori di pressione in fase di frenatura e
sfrenatura in diverse condizioni di carico
Il modello permette di simulare la risposta del cilindro freno in presenza di
anomalie come:
 bloccaggio del cilindro freno
 maggiore corsa del pistone
 guasti della valvola di pesatura
 guasti del dispositivo VCAV
perdite lungo le condotte
Il modello presenta caratteristiche di funzionamento veloci, in accordo con la
realizzazione di un sistema di monitoraggio in continuo del sistema frenante
La metodologia utilizzata è adattabile a diverse tipologie di carri di nuova e
vecchia generazione
Utilizzo di un solo sensore posto alla bocca del cilindro freno per evidenziare
guasti al sottosistema frenante
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GRAZIE
PER
L’ATTENZIONE