PARTE A TRASPORTI FERROVIARI - TECNICA DEI TRASPORTI FERROVIARI, MARITTIMI E AEREI
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Università di Pisa - Polo Sistemi Logistici di Livorno – Corso di Laurea in Economia e Legislazione dei Sistemi Logistici Anno Accademico: 2020/21 Insegnamento di TECNICA DEI TRASPORTI FERROVIARI, MARITTIMI E AEREI Docente: Marino Lupi TRASPORTI FERROVIARI PARTE A
RETE E TRAFFICO FERROVIARIO NEI PRINCIPALI PAESI Fonte: Petriccione S. e Carlucci F., “ Economia dei Trasporti”, CEDAM, 2006. EU PECO USA Russia Cina India Giappone Italia 109Pass-Km / Passeggeri 103Km di rete 1,76 0,58 1,00 1,83 1,00 8,59 12,10 2,88 109Tonn-Km / Merci 1,84 1,08 10,11 13,53 29,97 6,05 1,10 1,31 103Km di rete PECO:Repubblica Ceca, Repubblica Slovacca, Ungheria, Polonia, Slovenia. Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 2
Dati al 31 dicembre 2020 Lupi M., "Tecnica dei Trasporti Terrestri, Marittimi e Aerei", Scuola di Ingegneria, Università di Pisa, A.A. 2020-21 3
EUROPA A 27 STATI –Traffico merci - Spostamenti in Europa Source: tables 2.2.4c to 2.2.7, estimates 2.2.1 Fonte: EU Transport in figures 2020 . Statistical Pocket Book 2020. 9
2.2.3 Fonte: EU Transport in figures 2020. Statistical Pocket Book 2020. billion tonne-km Source: tables 2.2.4d, 2.2.5, 2.2.6, 2.2.7 11
2.1.2 Transport Growth EU-28 Passengers, Goods, GDP 1995-2013 145 140 Il trasporto merci è fortemente 135 influenzato 130 dall’andamento 125 economico (per 1995=100 120 quello passeggeri la 115 sensibilità è 110 inferiore; ma per 105 quanto riguarda la 100 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 pandemia da Passengers (1) (pkm) Goods (2) (tkm) GDP (at constant year 2000 prices) COVID 19 si è Source: Eurostat, tables 2.2.2 and 2.3.2 verificato l’inverso Note s : (1) : passenger cars, pow ered tw o-w heelers, buses & coaches, tram & metro, railw ays, intra-EU air, intra-EU sea (2) : road, rail, inland w aterw ays, oil pipelines, intra-EU air, intra-EU sea GDP: at constant year 2005 prices and exchange rates Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 12
SISTEMI DI TRASPORTO E LORO CONSUMO ENERGETICO EU energy consumption in tons of oil equivalent per thousand unit of traffic (1 tonkm or 10 pkm) – source: European Commission (EC), year 2006. 2006 Road 0,116 Rail 0,019 = ≈6 Rail 0,019 Inland navigation 0,034 Road 0,116 Aviation 0,899 Maritime 0,004 1 Tons of Oil Equivalent (TOE) = 41,868 GJ = 11,63 MWh (OECD definition) Fonte “The Impact of Oil Prices Fluctuations on Transport and its related Sectors”, Directorate-General for Internal Policies, European Parliament, 2009 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 13
Fonte: Faberi S., Paolucci L., (ISIS), Lapillonne B. , Pollier K. (Enerdata) “ ODYSSE - MURE 2012, “Trends and policies for energy savings and emissions in transport”, 2015. 14
SISTEMI DI TRASPORTO E LORO SICUREZZA IN EUROPA Fonte: Eurostat; Transport Statistic database Numero di morti in Notevole miglioramento, poi più incidenti nell’UE/28 contenuto 2006 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Strada 43.000 28.126 25.956 25.974 26.134 25.644 25.257 25.213 Ferrovia 1.370 1.134 1.129 1.054 958 964 977 885 Aereo 47 11 11 3 155 2 3 8 Nave n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. collisioni 25 34 7 4 6 44 4 11 deragliamenti 7 0 86 1 0 11 6 3 passaggi a livello 360 372 307 293 296 256 298 258 investimenti 953 719 723 751 656 651 663 610 altri modi 25 9 6 5 0 2 6 3 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 15
SISTEMI DI TRASPORTO E LORO SICUREZZA IN EUROPA Total revenue equivalent Numero di morti in tonnkm in billions(1 eq. incidenti per tonnkm = 1 tonkm or 10 miliardo di tonkm pkm) by mode – source: equivalenti percorse European Commission, nell’UE, anno 2006 year 2006 valore indice Strada 2.608 16,49 2.035 Ferrovia 482 2,84 351 Aereo 58 0,81 100 Rapporto fra gli indici Strada/Ferrovia=16,49/2,81=2035/351= 5,8 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 16
SISTEMI DI TRASPORTO E LORO SICUREZZA IN EUROPA Total revenue equivalent Numero di morti in tonnkm in billions(1 eq. incidenti per tonnkm = 1 tonkm or 10 miliardo di tonkm pkm) by mode - source equivalenti percorse European Commission, nell’UE, anno 2011 year 2011 valore indice Strada 2.279 13,28 13.280 Ferrovia 470 2,41 2.410 Aereo 61 0,10 100 Rapporto fra gli indici Strada/Ferrovia=12,38/2,41=13280/2410= 5,5 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 17
SISTEMI DI TRASPORTO E LORO SICUREZZA IN EUROPA Numero di morti in Total revenue equivalent tkm incidenti per miliardo di in billions (1 eq. tkm = 1 tkm tkm equivalenti or 10 pkm) by mode - source percorse nell’UE, anno European Commission, year 2012 2012 valore indice Strada 2.205 12,75 9.808 Ferrovia 449 2,99 2.300 Aereo 60,3 0,13 100 Rapporto fra gli indici Strada/Ferrovia=12,75/2,99=9808/2300= 4,3 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 18
SISTEMI DI TRASPORTO E LORO SICUREZZA IN EUROPA Total revenue equivalent Numero di morti in tonnkm in billions(1 eq. incidenti per tonnkm = 1 tonkm or 10 miliardo di tonkm pkm) by mode – source: equivalenti percorse European Commission, nell’UE, anno 2013 year 2013 valore indice Strada 2.251 11,53 8.869 Ferrovia 459 2,46 1.892 Aereo 60 0,13 100 Rapporto fra gli indici Strada/Ferrovia=11,53/2,46=8869/1892= 4,7 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 19
SISTEMI DI TRASPORTO E LORO SICUREZZA IN EUROPA Total revenue equivalent Numero di morti in tonnkm in billions(1 eq. incidenti per tonnkm = 1 tonkm or 10 miliardo di tonkm pkm) by mode – source: equivalenti percorse European Commission, nell’UE, anno 2014 year 2014 valore indice Strada 2.267 11,46 22.920 Ferrovia 464 2,27 4.540 Aereo 62,5 0,05 100 Rapporto fra gli indici Strada/Ferrovia=11,46/2,27=22920/4540= 5,0 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 20
SISTEMI DI TRASPORTO E LORO SICUREZZA IN EUROPA Total revenue equivalent Numero di morti in tonnkm in billions(1 eq. incidenti per tonnkm = 1 tonkm or 10 miliardo di tonkm pkm) by mode – source: equivalenti percorse European Commission, nell’UE, anno 2015 year 2015 valore indice Strada 2.307 11,33 496,3 Ferrovia 472 2,04 89,4 Aereo 67,9 2,28 100 Rapporto fra gli indici Strada/Ferrovia=496,3/89,4=496,3/89,4= 5,6 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 21
SISTEMI DI TRASPORTO E LORO SICUREZZA IN EUROPA Total revenue equivalent Numero di morti in tonnkm in billions(1 eq. incidenti per tonnkm = 1 tonkm or 10 miliardo di tonkm pkm) by mode – source: equivalenti percorse European Commission, nell’UE, anno 2016 year 2016 valore indice Strada 2.355 10,89 40.464,3 Ferrovia 468 2,06 7.652,3 Aereo 74,3 0,03 100 Rapporto fra gli indici Strada/Ferrovia=10,89/2,06=40463,3/7652,3= 5,3 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 22
SISTEMI DI TRASPORTO E LORO SICUREZZA IN EUROPA (*) Fonte: European Commission, Statistical pocketbook 2019 Total revenue equivalent Numero di morti in tonnkm in billions(1 eq. incidenti per tonnkm = 1 tonkm or 10 miliardo di tonkm pkm) by mode – source: equivalenti percorse European Commission (*), nell’UE, anno 2017 year 2017 valore indice Strada 2.423 10,42 26.050 Ferrovia 479 2,04 5.100 Aereo 80,7 0,04 100 Rapporto fra gli indici Strada/Ferrovia=10,42/2,04=26.050/5.100= 5,11 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 23
SISTEMI DI TRASPORTO E LORO SICUREZZA IN EUROPA (*) Fonte: European Commission, Statistical pocketbook 2020 Total revenue equivalent Numero di morti in tonnkm in billions(1 eq. incidenti per tonnkm = 1 tonkm or 10 miliardo di tonkm pkm) by mode – source: equivalenti percorse European Commission (*), nell’UE, anno 2018 year 2018 valore indice Strada 2.439 10,34 11.489 Ferrovia 488 1,81 2.011 Aereo 85,5 0,09 100 Rapporto fra gli indici Strada/Ferrovia=10,34/1,81=11.489/2.011=5,71 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 24
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Comunque la situazione della sicurezza stradale fuori dall’Europa (e dalle altre cosiddette “rich countries”) è ben peggiore. Fonte: “Road deaths- Driving to an early grave”, The Economist, Jan 25th 2014 , Print edition. Fonte: Road Safety - Reinventing the wheel, The Economist, Jan 25th 2014, Print edition. Le previsioni per il futuro (dato lo sviluppo della motorizzazione in atto nelle “poor countries”) sono ancora peggiori! 28
Greenhouse House Gas (GHG) Emissions Dopo un’iniziale chiara diminuzioni le “GHG Emissions” negli ultimi anni, nella UE, sono “oscillanti”. Per quanto riguarda il settore dei trasporti, negli ultimi 2-3 anni si è verificato un aumento. 29
Aumento delle emissioni dovute al trasporto aereo A partire dalla crisi economica mondiale (2007-2008): diminuzione delle emissioni dovute ai trasporti in generale ( al trasporto stradale, ma anche al trasporto marittimo). In questi anni c’ è stata una diminuzione del traffico merci in Europa. Però negli EEA: European Environment Agency ultimi anni c’è Fonte: EU Transport in figures 2020. Statistical Pocket Book, 2020, pag.135. nuovamente un aumento. 30
Il sistema di trasporto stradale è quello che “inquina” di più E’ in aumento la percentuale dovuta ai trasporti 31
Il trasporto stradale risulta quello al quale si deve in modo netto la maggiore emissione di Greenhouse Gas. 32
Consumo di Energia per settore (MTOE) A livello europeo (EU-27) i trasporti pesano per il 31%. A livello italiano pesano per il 31,1% (Germania, 27,7%; Francia 32,4%; UK 34,3 %;Spagna 39,6%) Anno 2019 Germania: 82,9 mio Polonia: 38 mio Francia: 67.2 mio UK: 66,8 mio Italia:60.4 Spagna: 46.7 33
Lo studio del sistema di trasporto ferroviario sarà affrontato esaminando i seguenti argomenti Elementi di Tecnica dei Trasporti Ferroviari • Organi di rotolamento • Sovrastruttura ferroviaria • Resistenze al moto • Caratteristica Meccanica • Diagramma di Trazione Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 34
Al fine di determinare la capacità di una linea ferroviaria, da confrontare con la domanda prevista, dobbiamo trattare il problema del distanziamento spaziale e temporale fra due treni e perciò le Caratteristiche della Circolazione Ferroviaria CARATTERISTICHE DELLA CIRCOLAZIONE FERROVIARIA DISTANZIAMENTO SPAZIALE E TEMPORALE FRA DUE TRENI Confronto (Interazione) DOMANDA PREVISTA SULLA CAPACITÀ DI UNA LINEA FERROVIARIA (da LINEA FERROVIARIA Modelli di Domanda e Assegnazione alla Rete di Trasporto Ferroviaria)
Elementi di Circolazione Ferroviaria che tratteremo: • Studio dei Regimi di Circolazione - Blocco elettrico automatico a circuito di binario. - Blocco elettrico automatico conta assi. - Blocco radio (nuove linee ad alta velocità). • Capacità di una sezione di linea: linee omotachiche e linee eterotachiche. • Il segnalamento Europeo ERTMS/ETCS:livello 1, livello 2 e livello 3. • I sistemi di ausilio alla condotta -Sistema Controllo Marcia Treno (SCMT). -Sistema di Supporto alla Condotta (SSC). • Il Movimento dei treni nelle stazioni: logica degli apparati centrali e loro sintetica descrizione • I Sistemi di Esercizio 36
Il sistema di trasporto ferroviario è un sistema a guida vincolata La funzione della guida è svolta dalla via Vantaggi: • Semplificazione degli organi di rotolamento. • Possibilità di comporre convogli di notevole lunghezza . • Possibilità di utilizzare l’energia elettrica per la trazione. attraverso l’elettrificazione della via. • Regolazione della marcia basata su segnalamento. • Ridotte dimensioni trasversali . Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 37
SEDE FERROVIARIA scartamento intervia (linea 2,12 mt V
APPARECCHI DI DEVIAZIONE consentono di variare la direzione del moto L controrotaia sx tallone/cerniera traversa limite (212) controago sx sx ago tirante aghi dx cuore controago dx α R tgα R [m] L [m] V [Km/h] 0,1200 170 25 30 controrotaia dx 0,0740 400 39 60 0,0550 1.200 69 100 0,0340 3.000 109 160 0,0150 4.000 208 200 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 39
Organo di rotolamento Sala montata asse ferroviario c.d. assile 2 ruote “calettate” Fusello: parte esterna dell’asse. Sui fuselli appoggia, tramite le sospensioni, la cassa del veicolo ferroviario. Fonte: Malavasi, in Cantarella (a cura di) , “Introduzione alla Tecnica dei Trasporti e del Traffico con elementi di Economia dei Trasporti”, UTET, Torino., 2001 Bordino: elemento di guida laterale, su cui agisce l’”azione” della via (rotaia). 40
Funzioni delle ruote ferroviarie: supportare il peso del veicolo fornire sforzi longitudinali di trazione e di frenatura fornire adeguate forze trasversali per il controllo della traiettoria del veicolo La ruota ferroviaria ha una forma troncoconica ed è dotata di bordino elemento di guida laterale su cui agisce l’”azione” della via e che in curva assicura la stabilità Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 41
scartamento “europeo” 2s = 1435 mm (-2 ÷ +5 mm) 2c = 1416 mm (± 9 mm) 2s – 2c ≅ 19mm Spagna e Portogallo: 1676 mm Finlandia e Russia: 1524 mm Fonte : Orlandi, Meccanica dei trasporti, Pitagora, 1990. 2s = scartamento di binario: distanza fra gli intradossi delle rotaie misurata 14 mm sotto il piano di rotolamento 2c = scartamento di bordino: distanza fra gli estradossi dei bordini misurata 10 mm sotto il piano di rotolamento 42
ARMAMENTO insieme costituito da rotaie traverse organi di attacco rotaia-traversa del Traffico con elementi di Economia dei Trasporti”, UTET, Torino., 2001 Fonte: Malavasi, in Cantarella (a cura di) , “Introduzione alla Tecnica dei Trasporti e ≈ rotaie forma tipo doppio T perché resiste meglio agli sforzi di flessione. rotaia “Vignole” 43 43
Per realizzare una maggiore aderenza le rotaie sono montate inclinate sul piano di appoggio di 1/20 . In questo modo si ottiene una maggiore superficie di contatto fra rotaia e ruota ferroviaria data la forma troncoconica del cerchione con medesima inclinazione. Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 44
Traverse Originariamente in legno, ottimo materiale elastico e leggero (60÷80 kgf), ma facile a deteriorarsi a causa dell’acqua. Per poter durare circa 20 anni dovevano essere trattate con procedimenti tossici e inquinanti. Fonte: Malavasi, in Cantarella, 2001 Attualmente sono in cemento armato precompresso, resistono molto di più nel tempo, ma sono più pesanti (220÷350 kgf) e, di conseguenza, presentano un costo di trasporto superiore. Fonte: Malavasi, in Cantarella, 2001 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 45
SOVRASTRUTTURA FERROVIARIA insieme costituito da armamento (rotaie + traverse + organi di attacco) massicciata (“ballast”) . le traverse sono “annegate” nella massicciata Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 46
Funzioni della massicciata 1. Distribuire i carichi in modo che le tensioni non superino la portanza del terreno di imposta del rilevato. peso per asse delle locomotive elettriche moderne ≅ 22 tf ≈ 45° 2. Mantenere la geometria del binario: le traverse sono “annegate” nel ballast. 3. Fornire un appoggio elastico per il binario: la massicciata è formata da materiale quasi monogranulare, 3 ÷ 6 cm, che genera la presenza di molti vuoti. Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 47
Le escursioni termiche delle rotaie si “trasformano” in deformazioni : necessità di prevedere soluzioni di continuità fra un tratto di rotaia ed il successivo che genera ”discontinuità” nell’appoggio; maggiore usura dei cerchioni e minore comfort a bordo. Le lunghe rotaie saldate consentono l’eliminazione delle discontinuità nell’appoggio: le escursioni termiche si “trasformano” in tensioni; si rende necessario ancorare in modo più saldo le rotaie alle traverse. Necessario l’utilizzo di traverse in cemento armato precompresso e di attacchi robusti fra traversa e rotaia. Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 48
organi di attacco rotaia-traversa attacco indiretto di tipo “rigido” attacco diretto elastico di tipo Pandrol Attacco indiretto elastico l’inclinazione del piano di posa è realizzata direttamente sulla traversa Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 49
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RESISTENZE AL MOTO NEI VEICOLI FERROVIARI Affinché un veicolo si possa spostare per un tratto l è necessario spendere un lavoro L: L = R⋅l R resistenze al moto resistenze ordinarie ● al rotolamento (in rettilineo ed ● dell’aria (mezzo fluido in cui si muove il veicolo) orizzontale) ● dovute alla pendenza resistenze accidentali ● dovute alla curve Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 51
Resistenza al rotolamento dei veicoli ferroviari ordine di grandezza ≈ 2 N/KN (a bassa velocità) 120 ÷ 130 rr = (0,65 ÷ 0,70) + + 0,009V [N / kN ] p p: peso per asse [KN] V: velocità [Km/h] Esempio: E 402B + 15 carrozze (Intercity pesante) Materiale Rotabile Motore. CIFI, Roma. Fonte:Piro G. e Vicuna G (2000) Il Locomotiva E402B Carrozza UIC-Z1 di 2a classe 870 500 = 217,5 [KN ] ≈ = 125 [KN ] 4 4 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 52
Esempio: E 402B + 15 carrozze (Intercity pesante) = 1,70 [N / KN ] ⇐ V = 50 [Km / h] 125 rr = 0,675 + + 0,009 ⋅ V = 2 ,15 [N / KN ] ⇐ V = 100 [Km / h] 217,5 = 2,69 [N / KN ] ⇐ V = 160 [Km / h] = 2,12 [N / KN ] ⇐ V = 50 [Km / h] 125 rr = 0,675 + + 0,009 ⋅ V = 2,58 [N / KN ] ⇐ V = 100 [Km / h] 125 = 3,12 [N / KN ] ⇐ V = 160 [Km / h] V = 50 [Km / h] Rr (50) = 870 ⋅ 1,70 + 15 ⋅ 500 ⋅ 2,12 = 17739 [N ] (1479=8 , 3%) V = 100 [Km/h ] Rr (100) = 870 ⋅ 2,15 + 15 ⋅ 500 ⋅ 2,58 = 21220 [N ] (1870 =8,8%) V = 160 [Km/h ] Rr (160) = 870 ⋅ 2,69 + 15 ⋅ 500 ⋅ 3,12 = 25740 [N ] ( 2340 =9 ,1%) Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 53
Resistenza dell’aria per un veicolo da trasporto Cause: • sovrappressione sulla superficie frontale del veicolo • depressione sulla superficie posteriore del veicolo • attrito dei filetti fluidi sulle superfici laterali e sul sottocassa del veicolo, che contribuisce in misura maggiore rispetto alle altre due componenti (nel caso il veicolo da trasporto sia un treno). Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 54
Resistenza dell’aria per un veicolo da trasporto 1 Ra = Crδ S vr2 [N ] Formula cosiddetta “francese”. 2 Ra = C xδ S vr2 [N ] Formula cosiddetta “inglese ” (il coefficiente di forma Cx è metà del coefficiente Cr) Cr coefficiente di forma vr velocità relativa fra veicolo e mezzo (aria) [m/sec] δ densità dell’aria 1,226 [Kgm/m3] S superficie frontale [m2] proiezione su un piano normale alla direzione del moto, della superficie del veicolo investita S dall’aria. Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 55
Resistenza dell’aria per i veicoli ferroviari Ra = 0,0473 Cr S Vr2 [N] [m2] [Km/h] Cr S Locomotive elettriche moderne 0,5 9 Vecchie locomotive elettriche 0,7 9 Rotabili “sagomati” (elettromotrici, automotrici) 0,40 ÷ 0,45 7÷9 Vetture passeggeri (“Association of American Railroads” ) Ra = 0,0716 V 2 [Km/h] Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 56
Esempio: E 402B + 15 carrozze (Intercity pesante) Ra (50) = 0,0473 ⋅ 0,5⋅ 9 ⋅ 50 2 + 15 ⋅ 0,0716 ⋅ 50 2 = 3217 [N ] ( 532 =16 , 5%) Ra (100) = 0,0473 ⋅ 0,5⋅ 9 ⋅100 2 + 15 ⋅ 0,0716 ⋅100 2 = 12869 [N ] ( 2129 =16 , 5%) Ra (160) = 0,0473 ⋅ 0,5⋅ 9 ⋅160 2 + 15 ⋅ 0,0716 ⋅160 2 = 32943 [N ] ( 5449 =16 , 5%) Resistenza dell’aria Rr (50) = 870 ⋅1,70+ 15 ⋅ 500 ⋅ 2,12 = 17739 [N ] (1479 =8, 3%) Rr (100) = 870 ⋅ 2,15+ 15 ⋅ 500 ⋅ 2,58 = 21220 [N ] (1870 =8,8%) Resistenza al rotolamento Rr (160) = 870 ⋅ 2,69+ 15 ⋅ 500 ⋅ 3,12 = 25740 [N ] (già viste in precedenza) ( 2340 = 9 ,1%) R0 (50) = 3217 + 17379 = 20596 [N ] R0 (100) = 12869 + 21220 = 34089 [N ] Resistenze totali ordinarie R0 (160) = 32943 + 25740 = 58683 [N ] Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 57
Vediamo, a proposito dei treni merci, delle formule recenti . Resistenza al rotolamento per carri merci e per locomotive (2016) R[V ] = 6,5 ⋅ p + 80 ⋅ n + 0,046 ⋅V ⋅ p + 0,096 ⋅ V 2 R in N • p = peso [t] del carro merci (o della locomotiva) • n = numero di assi • V = velocità [km/h]. Fonte: F. Szanto, 2016. “Rolling resistance revisited”. Proceedings of the Conference Of Railway Excellence (CORE) 2016, Melbourne, 16-18 May 2016 58
• Si considera un treno merci “tipo”: locomotiva E189 (peso 87t, 4 assi) + 1234 t trainate • Le 1234t trainate corrispondono a: 24 carri pianali sgns da 17,5 t + 2,6 TEU/carro, per un totale di 62,5 TEU/treno. I TEU ha un peso medio di 13,04 t • Come velocità si considera 100 km/h in quanto è la massima velocità per cui sono omologati i carri (esclusi i treni merci “veloci” i cui carri sono omologati per 120 km/h) Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 59
• Per il calcolo della resistenza a rotolamento si utilizza la formula: R[V ] = 6,5 ⋅ p + 80 ⋅ n + 0,046 ⋅V ⋅ p + 0,096 ⋅ V 2 R in N • Calcolo della resistenza a rotolamento della locomotiva E189: R[100 ] = 6,5 ⋅ 87 + 80 ⋅ 4 + 0,046 ⋅100 ⋅ 87 + 0,096 ⋅100 2 = 2245 ,7 [N ] • Calcolo della resistenza a rotolamento di un carro pianale sgns. 2,6 TEU/carro ciascun TEU ha un peso medio di 2,6 x 13,04 = 33,9 t e perciò tara+carico = 51,4 t R[100 ] = 6,5 ⋅ 51,4 + 80 ⋅ 4 + 0,046 ⋅100 ⋅ 51,4 + 0,096 ⋅100 2 = 1850 .54 [N ] • Resistenza al rotolamento totale: locomotiva + 24 carri: R[100 ] = 2245 ,7 + 24 ⋅1850 ,54 = 46658 ,7[N ] 60
Resistenza dell’aria per treni “intermodali” (treni che trasportano contenitori) (2008): ● Si utilizza la formula “usuale”: R = 0,0473 ∙ Cr ∙ S ∙ Vr2 ● Il valore di Cr ∙ S è dato dal prodotto di “Adjusted factor”per “Drag area” : Per metterla nella formula deve essere trasformata in m2 61
• k mi dice la “posizione” della locomotiva o del carro all’interno del treno: se k = 1 vuol dire che è “in testa” al treno • In caso di trazione singola, k = 1 si riferisce alla locomotiva e k = 2 è relativo al carro immediatamente successivo alla locomotiva. In caso di doppia trazione con due locomotive in testa, k = 1 è relativo alla prima locomotiva, k = 2 è relativo alla seconda locomotiva, e k = 3 al primo carro. Fonte: Y.C. Lai, C.P.L. Barkan, H. Onal, 2008. “Optimizing the aerodynamic efficiency of intermodal freight trains”. Transportation Research Part E, vol. 44, pp. 820–834. Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 62
Per il calcolo della resistenza aerodinamica si può redigere un foglio di calcolo Excel come il seguente, che implementa, per la locomotiva e per i 24 carri, la formula: R = 0,0473 ∙ Cr ∙ S ∙ Vr2 drag area drag area k (ft^2) (m^2) adj_ factor R [N] 1 31,62 2,94 1,54 2146,46 2 28,80 2,68 1,41 1781,07 3 26,70 2,48 1,30 1530,65 4 25,13 2,33 1,23 1356,22 5 23,96 2,23 1,17 1232,96 6 23,09 2,15 1,13 1144,87 7 22,44 2,08 1,10 1081,13 8 21,95 2,04 1,07 1034,85 9 21,59 2,01 1,06 1000,95 10 21,32 1,98 1,04 976,02 100 20,47 1,90 1,00 899,33 63
Nel caso in esame, k = 25 in quanto il treno è costituito da 1 loco- motiva + 24 carri. I valori da k = 11 a k = 25 sono stati determinati mediante interpolazione lineare. drag area drag area k (ft^2) (m^2) adj_ factor R [N] 11 21,31 1,98 1,04 975,15 12 21,30 1,98 1,04 974,28 13 21,29 1,98 1,04 973,41 14 21,28 1,98 1,04 972,55 15 21,27 1,98 1,04 971,68 16 21,26 1,98 1,04 970,81 17 21,25 1,97 1,04 969,94 18 21,24 1,97 1,04 969,08 19 21,23 1,97 1,04 968,21 20 21,23 1,97 1,04 967,34 21 21,22 1,97 1,04 966,48 22 21,21 1,97 1,04 965,61 23 21,20 1,97 1,04 964,75 24 21,19 1,97 1,04 963,89 25 21,18 1,97 1,03 963,02 64
• La resistenza totale è data dalla somma degli elementi della colonna relativa alle resistenze (la colonna con i numeri scritti in rosso), per k da 1 a 25. La resistenza totale del treno dovuta all’aria è pari a 27821,39 N. La resistenze totali ordinarie (rotolamento + aria) : Rtotali ordinarie = 46658 ,7 + 27821,4 = 74480 ,1N Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 65
Formule globali per le resistenze ordinarie r = a + bV + cV 2 [N / KN ] Formula trinomia r = a + bV 2 [N / KN ] Formula binomia Con queste formule sono valutate le resistenze specifiche: quindi ipotizzando che le resistenze siano proporzionali al peso del veicolo. Questo è senz’altro vero, con buona approssimazione, nel caso della resistenza al rotolamento. Nel caso della resistenza dell’aria, in generale , in un veicolo da trasporto, non c’è proporzionalità con il peso. Però nel caso di un treno, poiché la resistenza dell’aria è proporzionale alla lunghezza del treno, e perciò al peso del treno, la trattazione in termini di resistenze specifiche [N/KN] può essere accettata per tutte le resistenze ordinarie. Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 66
Modalità per misurare, sperimentalmente, le resistenze e calibrare le formule precedenti I si misura la corrente assorbita I c’è una relazione che lega I alla coppia alle ruote C(I) C (I ) Coppia alle ruote T= r Raggio delle ruote dv equazione generale del moto: T − R = Me dt dv nel caso di moto uniforme: = 0 R =T dt misurando I misuro R Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 67
R (Vi ) = r (Vi ) resistenza specifica misurata alla velocità Vi Ptreno r (Vi ) = a + bVi + cVi 2 [N / KN ] yi = β1 xi1 + β 2 xi 2 + β 3 xi 3 1 equazione per ogni misura (T misure) r (Vi ) = a + bVi 2 [N / KN ] yi = β1 xi1 + β 2 xi 2 1 equazione per ogni misura (T misure) Modello di regressione Y = X β+ e lineare T ×1 T × K K ×1 T ×1 2 se binomia K= Estimatore dei minimi 3 se trinomia b = ( X'X ) X'Y −1 quadrati Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 68
r nel caso della formula binomia • • r = aˆ + bˆV 2 • • • •• • • • • • • V2 Stimo l’intercetta ed il coefficiente angolare con il metodo dei minimi quadrati. Sono state ottenute le seguenti formule (fonte FS) V 2 r = 2 + 2,8( ) Treni viaggiatori con materiale ordinario 100 V 2 r = 2,5 + 3( ) Treni merci e locomotive isolate 100 V 2 Treni viaggiatori con materiale cosiddetto r = 1,9 + 2,6( ) 100 “leggero” Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 69
Per quanto riguarda il materiale viaggiatori più recentemente ( rispetto alla formula r= 2+2,8(V/100)2 ) è stata suggerita la seguente formula (per materiale cosiddetto “moderno”) V 2 r = (1,25 ÷ 2) + (1,6 ÷ 2,5)( ) Treni passeggeri (Vmax = 200 km / h) 100 Per tranvie, metropolitane con sagoma non aerodinamica è stata proposta la seguente formula (è un po’ antiquata): V 2 r = 2,5 + 4( ) V< 100km/h (elettromotrici e rimorchi). 100 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 70
Resistenze ordinarie per treni ad alta velocità Fonte : Perticaroli, Sistemi elettrici per i Trasporti, Casa Editrice Ambrosiana, 2001 formule sintetiche ETR 500 sperimentale (ETR Y) V 2 ra = 1 + 1,25( ) all’aperto [N/KN] 100 V 2 rg = 1 + 2,07( ) in galleria [N/KN] 100 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 71
Resistenze addizionali – Resistenza dovuta alla pendenza Ri = Psenα ≅ Ptgα (α piccolo) Fonte:Ferrari e Giannini, 1991 i Ri i Ri = P ri = = 1000 P 1000 resistenza specifica Ri i N i N N ri = = = 1000 =i P 1000 N 1000 KN KN la ri espressa in N/KN è data dal numero che esprime la pendenza in per mille Se i ‰ = 3 ‰ ri = 3 [N]/[KN] Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 72
Nel caso del treno merci; E189 + 24 carri 87 + 24x51,4 = 1321 t abbiamo visto un valore della resistenza totale ordinaria Rordinarie (100) = 46658,7 + 27821,4 = 74480,1 [N ] Vediamo la resistenza addizionale su una livelletta del 12 ‰ R pendenza = 13210 ⋅ 12 = 1585200 [N ] La resistenza dovuta alla pendenza su una livelletta del 12 ‰ è più di due volte quella in piano alla velocità di 100 km/h. Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 73
Resistenze addizionali – Resistenza dovuta alle curve E’ dovuta fondamentalmente: all’attrito, ed urti, fra bordino della ruota e rotaia; allo slittamento delle ruote sulle rotaie: infatti gli assi dei carrelli ferroviari sono sempre paralleli e la ruota esterna ed interna di un asse sono collegate rigidamente fra loro ( l’”effetto differenziale”, dovuto alla forma troncoconica, limita, ma non elimina, gli strisciamenti ). La resistenza in curva può essere calcolata con la formula di Von Rockl: a rc = [N/KN ] R − b [m] a e b coefficienti opportunamente tabellati in funzione del valore del raggio della curva R 74
Sperimentazioni effettuate da FS hanno portato ai valori di resistenza specifica riportati in tabella R 1000 900 800 700 600 500 450 400 350 300 250 200 180 r 0,5 0,6 0,8 1 1,2 1,5 1,7 2,0 2,4 2,8 3,4 4,2 4,5 Confronto fra i valori FS e quelli della formula di Von Rockl Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 75
Le linee FS sono state classificate per gradi di prestazione che esprimono (determinano) le resistenze dovute al tracciato (addizionali): ossia la somma della resistenza dovuta alle curve e alla pendenza. N/KN Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 76
Il Grado di Prestazione, delle diverse tratte che compongono una linea ferroviaria, è dichiarato dal Gestore dell’Infrastruttura, Rete Ferroviaria Italiana (RFI), in prospetti contenuti in documenti, specifici di ciascuna linea: cosiddetti Fascicoli Circolazione Linee.
Equazione generale del moto dv Me = M ⋅ (1 + β ) T − R = Me Massa Equivalente dt si introduce il concetto di massa equivalente per tenere conto delle masse rotanti: • ruote • pistoni, alberi, organi del cambio e volano (veicoli equipaggiati con motore a combustione interna) • rotore (veicoli equipaggiati con motore elettrico) Tipologia Locomotiva Automotric Veicolo Treno Locomotiva rotabile elettrica e elettrica rimorchiati completo diesel β 0,15 ÷ 0,20 0,10 ÷ 0,15 0,05 ÷ 0,06 0,06 ÷ 0,08 0,05 ÷ 0,4 Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 78
Forma dell’equazione generale del moto (seconda equazione della dinamica in cui sono esplicitate le resistenze). [N] [N]/[KN] ‰ [KN] [m2] [Km/h] [KN] [m/sec] P dv T − (rr ± i ) P − 0,0473 ⋅ Ca ⋅ S ⋅ V 2 − 1000 (1 + β ) =0 g dt [m/sec2] [sec] Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 79
Caratteristica meccanica di trazione La caratteristica meccanica di trazione di un veicolo da trasporto è una curva T(V) che fornisce il valore massimo della trazione ad una determinata velocità A B η N max = cost Caratteristica Meccanica Ideale (è quella che vorrei avere) Si individuano: Zona della • una zona detta dell’aderenza potenza C • una zona detta della potenza Fonte:Vicuna G. (1986) Organizzazione e Tecnica Ferroviaria. CIFI, Roma. A basse velocità la Tmax è limitata dall’aderenza, mentre a velocità più alte la Tmax è limitata della potenza: T V = η Nmax Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 80
Diagramma di trazione Il diagramma di trazione indica la variazione della velocità in funzione del tempo, fra due fermate successive, per un veicolo da trasporto: V=F(t) Si ottiene integrando l’equazione generale del moto dv T − R = Me dt Vediamo la prima parte del diagramma di trazione: il cosiddetto diagramma di avviamento Integro l’equazione generale del moto alle differenze finite ∆v Me T − R = Me ∆t = ∆v ∆t T −R Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 81
Considero una serie di intervalli K di velocità costante ∆v (quanto più questo è piccolo, tanto più l’integrazione con il metodo alle differenze finite è preciso) ∆V T, R (T − R) R (V , i ) T (V , i ) Vmax V Km/h Si valuta lo sforzo acceleratore T-R in corrispondenza di un determinato salto di velocità ∆V (costante, per esempio: 5 km/h). Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 82
Si valuta il tempo necessario al veicolo da trasporto per fare il salto di velocità ∆v (in m/sec) : k M (1 + β ) ∆v m/sec ∆t = k ∆v k ∆v T (vi + ) − R (vi + ) 2 2 ∀ intervallo k tik = t kf −1 con ti1 = 0 k k k t f = ti + ∆t k=1,2……K S ik = S kf −1 con Si1 = 0 k k k k ∆v S f = S i + ∆t (vi + ) 2 vik = v kf −1 con v1i = 0 k v f = k ∆v Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 83
Costruisco il diagramma di avviamento per punti (∆V, ∆t) V ∆V SPAZIO PERCORSO velocità di regime (T-R) = 0 ∆t t All’aumentare della velocità diminuisce lo sforzo acceleratore (T-R) e ∆t aumenta V tempo per arrivare alla velocità di regime velocità di regime Questo è l’errore che commetto SPAZIO PERCORSO a = cost t In molti casi pratici il diagramma di avviamento si semplifica considerando un’accelerazione, a, costante nella fase di avviamento (l’area sotto il diagramma di trazione rappresenta lo spazio percorso). 84
Forme del diagramma di trazione Il diagramma di trazione indica la variazione della velocità in funzione del tempo, fra due fermate successive, per un veicolo da trasporto: V=F(t) Quando si determina il diagramma di trazione sono dati: - a: accelerazione in fase di avviamento, che, per semplicità, si suppone costante e pari al valore medio. - b : decelerazione costante in fase di frenatura. - Vr : velocità di regime (fra due fermate successive). - S : distanza fra due fermate successive. - t f : tempo medio di fermata. - c : decelerazione in fase di “coasting” (= R / M) Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 85
Diagramma di trazione: forma trapezia tR v a b vr S Vrunning Vcomm t tf vR2 vR2 Ricavo tR dalla seguente relazione: S = + vRtR + 2a 2b vR vR Ricavo t t = + tR + a b S S Ricavo vrunning e vcomm vrunning = vcomm = t tf +t Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 86
Diagramma di trazione: forma con fase di lancio a vR c vrunning vc b vcomm tf t vR2 vR2 − vc2 vc2 Ricavo vc dalla seguente relazione: S = + + 2a 2c 2b v R v R − vc vc Ricavo t t= + + a c b S S Ricavo vrunning e vcomm vrunning = vcomm = t tf +t Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 87
Diagramma di trazione: forma con fase di regime e di lancio tR c vR a vrunning vc b vcomm tf t Ricavo vc o tR dalla seguente relazione (fissando tR o vc ): vR2 vR2 − vc2 vc2 S= + vR tR + + 2a 2c 2b vR vR − vc vc Ricavo t t= + tR + + a c b S S Ricavo vrunning e vcomm vrunning = vcomm = t tf +t 88
La forma con fase di lancio e di regime è considerata la migliore perché: • rappresenta un compromesso fra il diagramma migliore da un punto di vista del livello di servizio (quello trapezio) e quello migliore da un punto di vista energetico (quello con sola fase di lancio); • rende soprattutto il servizio più affidabile in quanto permette il recupero di ritardi accumulati alla fermate con la conseguenza di mantenere la cadenza del servizio. vmax v vR tf t t t’f t’ t’’f t’’ 89
Diagramma orario Vcommerciale Vrunning tempo Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 90
Capacità (potenzialità) di una linea (treni) 60 Cn. max treni = [n. treni]/[ora] t minimo fra due passaggi successivi [minuti] Capacità (potenzialità) di una linea (in passeggeri o tonnellate) [passeggeri]/[ora] Cpasseggeri o tonnellate = Ctreno Cn. max treni [tonnellate]/[giorno] [passeggeri]/[treno] [treni]/[ora] [tonnellate]/[treno] [treni]/[giorno] Lupi M. :"Trasporti Ferroviari, Marittimi e Aerei" - Univ. Pisa, Polo Sistemi Logistici di Livorno - A.A.2020-21 91
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