Le Ferrovie Federali Svizzere sviluppano un nuovo gancio automatico per vagoni merce
In questo articolo raccontiamo come la simulazione computazionale ha consentito alle Ferrovie Federali Svizzere (FFS) di accelerare il processo di modernizzazione in corso presso le Officine di Bellinzona.
Attraverso l’utilizzo di ganci automatici, le Ferrovie hanno reso i propri vagoni merce ancora più efficienti.
Un progetto che è partito nel 2016, con non poche difficoltà, e che ha visto raggiungere gli obiettivi ipotizzati solo dopo anni di studio. In questo processo ha giocato un ruolo di primaria importanza la scelta di impiegare la simulazione nel processo di ricerca e sviluppo.
“I risultati della simulazione computazionale parlano molto più delle parole”.
Roger Bertolaso, responsabile della Divisione di Ingegneria Meccanica del reparto Manutenzioni delle Officine di Bellinzona.
Modernizzazione dei dispositivi
Accrescere l’efficienza e la sicurezza delle operazioni di manutenzione erano gli obiettivi del progetto avviato nel 2016 dalle FFS. Lo sviluppo di un gancio automatico per i propri carri merce pianali faceva parte di questo processo di modernizzazione diretto dall’ingegnere Roger Bertolaso.
“Il gancio automatico, combinato con i test dei freni automatici, è alla base di una delle fasi dell’innovazione di domani, chiamata “operazioni di manovra a singolo uomo” – ha spiegato – Renderà il processo non solo più veloce, ma anche più sicuro riducendo la possibilità di incidenti. Allo stato attuale, sono necessarie due persone per svolgere questa operazione: il supervisore di manovra, che accoppia o disaccoppia i vagoni e monitora i freni durante il test, e il macchinista del convoglio, che esegue le sue indicazioni a bordo della locomotiva. In futuro, questa operazione potrà essere realizzata da una sola persona”.
Gli specialisti della simulazione a supporto del processo di R&S
“Poiché queste sfide altamente tecnologiche non erano comuni per il nostro team FFS, abbiamo chiesto il supporto ingegneristico degli specialisti ticinesi di progettazione e calcolo di SAECON”, spiega Roger Bertolaso.
Oltre agli aspetti legati alla resistenza strutturale, per la Divisione FFS erano di fondamentale importanza anche il rispetto di alcuni criteri economici e tecnici. “Questo perché poniamo molta attenzione sulla semplicità del design, che rende fondamentale che l’oggetto sia facile da assemblare e funzioni senza problemi, così da tenere il più basso possibile il costo di conversione”. I carri merce sono infatti già dotati di uno spazio nel loro telaio che consente l’alloggiamento di un gancio automatico, ma che non include alcun dispositivo di trasmissione delle forze al telaio stesso. Si è resa quindi necessaria un’analisi strutturale dei componenti corrispondenti che ha riguardato, tra gli altri, il sistema di trasmissione del carico nel telaio, le saldature che collegano il sistema di accoppiamento al telaio e il telaio stesso del veicolo, incluse le saldature.
“La simulazione ci ha fornito lo strumento che ci ha permesso di osservare in profondità le strutture dei carri”.
(R. Bertolaso – FFS)
La linea guida FKM è la base del concetto di sforzo nominale
Alla base dei calcoli realizzati dagli ingegneri FFS troviamo la linea guida generale FKM (Forschungskuratorium Maschinenbau) per le verifiche strutturali dei componenti meccanici che è adatta ad essere impiegata per vari tipi di metallo: acciaio, alluminio e ghisa.
Con la linea guida FKM un concetto di sollecitazione nominale può essere calcolato in maniera estremamente semplice, anche a mano, sia per le saldature, sia per le geometrie semplici.
Quando però ci troviamo di fronte a geometrie più complesse e ad un elevato numero di saldature da prendere in considerazione, il calcolo a mano diventa insostenibile e lascia spazio a quello computazionale, nettamente più potente e performante.
È in questa fase del processo che le Ferrovie si sono rivolte agli ingegneri SAECON che avevano a disposizione lo strumento software adatto, il tool FKM all’interno della suite Ansys. Questo tool permette di determinare automaticamente e rapidamente il grado di utilizzo del materiale e nei cordoni di saldatura, anche per geometrie molto complesse.
Le soluzioni ottenute con il calcolo FKM
Le prime valutazioni secondo FKM hanno mostrato chiaramente che il grado di utilizzo del distanziale per il trasferimento del carico al telaio del carro merci, raccomandato da un fornitore FFS, avrebbe superato di gran lunga i limiti accettabili.
“Abbiamo quindi deciso di ottimizzare il design passo a passo insieme a SAECON”, spiega Roger Bertolaso.
L’attenzione si è concentrata soprattutto sull’ottimizzazione dell’introduzione delle forze nel telaio del carro merci, ma anche su diversi altri aspetti migliorativi. Dopo analisi e test si è quindi arrivati alla creazione di una soluzione facile da usare con un distanziale a fusione per il gancio automatico. La geometria ottimizzata devia le forze dall’interno verso le aree laterali del telaio, per distribuire i carichi in modo più uniforme e quindi evitare distribuzioni di sforzo asimmetriche sul telaio.
Risultati convincenti e diminuzione dei rischi di incidenti
Il nuovo gancio automatico è stato quindi testato e introdotto gradualmente in più di 50 carri e in circa una dozzina di locomotive.
Il focus di queste attività non è stato solo quello di ottenere risparmi di tempo ed economici, ma soprattutto quello di ridurre il rischio di incidenti con danni materiali o addirittura lesioni alle persone.