LABORATORIO MATERIALE ROTABILE Grandezze di misura necessarie per la verifica di conformità di un nuovo rotabile Franco Cavaliere Bologna 5 novembre 2012
La Società Costituita a Firenze nel 2001 per svolgere attività di Ricerca e Certificazione nell ambito dei sistemi di trasporto a guida vincolata. Organismo Notificato (N. 1960 nel registro europeo) per la Certificazione di componenti e sottosistemi ferroviari per linee AV e convenzionali. Verificatore Indipendente di Sicurezza per componenti, sottosistemi e sistemi per uso ferroviario 2
Gli accreditamenti Ministero Infrastrutture e Trasporti No.Bo. (2007) A.N.S.F. V.I.S. (2008) Accredia 45011 e 17020 (2010) 3
Le attività - 1 Come Organismo Notificato Italcertifer svolge le attività di verifica previste nelle Direttive e nelle Specifiche Tecniche di Interoperabilità (TSI), con riferimento a : Materiale Rotabile (Passeggeri & Merci) Segnalamento Infrastruttura Energia Persone a Mobilità Ridotta Sicurezza nelle Gallerie Ferroviarie Rumore 4
Le attività - 2 Come V.I.S. Italcertifer svolge attività nel settore dell infrastruttura e del materiale rotabile per verificare la loro rispondenza alle Disposizioni, Regolamenti e Norme Nazionali. 5
LABORATORIO MATERIALE ROTABILE Numerose sono le prove richieste per la verifica di conformità e la messa in esercizio di un nuovo rotabile (carri, carrozze, locomotori, treni a composizione bloccata, metropolitane, tram, elettrotreni). Riferimenti normativi Procedura di prova e grandezze di interesse da monitorare Prove: Statiche (ad esempio la pesatura del rotabile) Prove dinamiche ( ad esempio la dinamica di marcia) Grandezze Elettriche Grandezze Meccaniche Sinergia e interazione con i Valutatori Indipendenti di Sicurezza (V.I.S.), qualificati secondo modalità definite dall ANSF (Agenzia Nazionale per la Sicurezza delle Ferrovie). 6
Campagne di misura per verifiche di conformità Grandezze di misura da acquisire secondo procedure di prova certificate e con particolare attenzione riguardo: L incertezza di misura e la riferibilità ai campioni nazionali e/o internazionali Opportuna scelta dei componenti e dimensionamento dei parametri per ottenere un incertezza compatibile con i limiti di conformità al fine di ridurre controversie con i committenti. I riferimenti normativi relativi al tipo di prova Taratura periodica dei singoli trasduttori, catene di misura e sistemi di acquisizione. Appropriata archiviazione della documentazione accessoria dei sensori Il laboratorio deve operare in accordo con la norma ISO/IEC 17025: "Requisiti generali per la competenza dei laboratori di prova e di taratura" 7
Grandezze coinvolte nelle prove "meccaniche" Le prove meccaniche e di dinamica di marcia necessitano del monitoraggio di diverse grandezze e conseguentemente di una discreta gamma di sensori. Le prove in linea pongono problemi logistici nella disposizione dei sensori ed in generale per la loro appropriata collocazione ed acquisizione! Ciascun rotabile presenta caratteristiche diverse ed è destinato difatti ad un campo di utilizzo più o meno ampio; ciò incide su: La diversa morfologia che impone la necessità di studiare nuovi layout per la strumentazione e per il cablaggio. Nonostante il recente sviluppo di reti di sensori wireless, il problematico canale radio legato che si sperimenta lungo un treno ne ha scoraggiato l adozione L acquisizione avviene con cablaggi molto lunghi! I parametri per i limiti di conformità di alcune prove (condizioni di omologazione più o meno onerose). 8
Grandezze coinvolte nelle prove "meccaniche" Tra le principali prove in linea effettuate dal laboratorio troviamo: Dinamica di Marcia secondo Fiche UIC 518 OR ed EN14363 Esecuzione di test sperimentali in linea per l'omologazione secondo normative vigenti nelle differenti condizioni di circolazione (ad es. rettilineo, curva). E' prescritta la necessità di misurare le forze di contatto tra ruota e rotaia. 9
Grandezze coinvolte nelle prove "meccaniche" A tale scopo un'attività di fondamentale importanza è la taratura statica delle sale del rotabile, strumentate con opportune (e talvolta complesse) installazioni estensimetriche che permettono di stimare durante le campagne di prove in linea le forze di contatto che si generano all'interfaccia ruota-rotaia. Caratterizzazione metrologica del sistema di misura attraverso la simulazione di carichi statici tramite attuatori idraulici e simulazione del comportamento statico al variare del punto di contatto sul piano di rotolamento. Attraverso il processo di strumentazione e taratura la sala ferroviaria diviene un vero e proprio strumento di misura! 10
Grandezze coinvolte nelle prove "meccaniche" Le forze normali al piano di rotolamento possono essere acquisite inoltre attraverso l'utilizzo di trasduttori di spostamento posti sul carrello (passando per il modulo di elasticità delle sospensioni primarie). Di fondamentale importanza sono le misure di accelerazione eseguite strumentando il rotabile con accelerometri monoassiali e triassiali, opportunamente scelti e tarati per il tipo di sollecitazioni riscontrate sui carrelli. Tramite inclinometri è effettuata la misura del coefficiente di souplesse dinamica e delle accelerazioni non compensate. Ai fini dell'omologazione di un rotabile questi dati devono essere monitorati, acquisiti ed elaborati con attenzione da personale altamente qualificato. La campagna di prove dovrà seguire un iter ben preciso, con salite in velocità progressive. 11
Grandezze coinvolte nelle prove "meccaniche" Le prove di dinamica di marcia possono essere integrate con l'apposita strumentazione di una curva piana per prove quasi statiche (EN 14363). Sono inoltre effettuate: Prove a fatica di componenti tramite estensimetri. Valutazione del rischio dell esposizione umana alle vibrazioni trasmesse al corpo intero secondo la Norma UNI ISO 2631-1, prove di comfort. Anche in questo caso sono misurate accelerazioni e angoli di inclinazione mediante l'attento posizionamento dei relativi sensori. 12
Grandezze coinvolte nelle prove "meccaniche" Misure di pressione EN14067 Misura di pressione differenziale interno/esterno cassa nelle varie condizioni operative (incrocio treni, galleria..ecc). Vengono utilizzati trasduttori di Pressione differenziali ad alta sensibilità. Il campo di misura in questo tipo di prove spazia di norma tra ±5kPa 13
Grandezze coinvolte nelle prove "meccaniche" Prove degli impianti frenanti Prove dedicate alla verifica funzionale e prestazionale degli impianti freno installati su qualsiasi tipo di rotabile. Verifica della prestazione in linea, definizione della percentuale di massa frenata, prove di lancio (prova di frenatura di veicoli isolati, di locomotiva, dei treni automotori) Vengono utilizzati numerosi sensori, in particolare per il controllo della pressione e della temperatura (termocoppie) 14
Grandezze coinvolte nelle prove "meccaniche" Le prove statiche/quasi statiche di questo settore di prove possono essere effettuate con appositi banchi di prova già predisposti: Prova di pesatura UNI EN 50215 La pesatura viene realizzata con celle di carico opportunamente tarate. Prova per la verifica della sicurezza rispetto allo svio su sghembi di binario (EN 14363) Gli attuatori per realizzare lo sghembo sono controllati con celle di carico. Prove di souplesse: Realizzata su apposito banco che permette l inclinazione del rotabile con misura di angoli e spostamenti. 15
Grandezze coinvolte nelle prove "meccaniche" Misure di aderenza del profilo ruote secondo norma FICHE 519 Un ulteriore prova fondamentale è la verifica del profilo ruote dei nuovi rotabili (misura della conicità equivalente, diametro, eccentricità); questa viene effettuata con diverse tecniche, a seconda delle esigenze o delle disponibilità del cliente: Con sistemi manuali o semimanuali : palpatore ed apposito sistema di acquisizione. Con uno specifico banco dotato di binario in fossa e sistema di misura dotato di encoder e sensori a triangolazione laser. Quest ultimo ha il vantaggio di operare in modo fortemente automatizzato per mezzo di un acquisizione real time, il che rappresenta un grande vantaggio nel caso in cui sia necessario o consigliabile verificare i profili di tutte le ruote di un rotabile. 16
Grandezze coinvolte nelle prove "meccaniche" Prove di verifica statica ed al banco della funzionalità dell impianto frenante e dei suoi componenti. Misura al banco dei parametri caratteristici di funzionamento dei sistemi antipattinanti per la verifica della conformità. Test di verifica di dischi, ruote, guarnizioni frenanti e ceppi tramite prove di frenatura al Banco Dinamometrico (che permette la simulazione della massa del veicolo e della coppia frenante). 17
Grandezze coinvolte in prove "elettriche" Un altra categoria di prove sui cui viene posta particolare enfasi ed attenzione ai fini dell omologazione dei rotabili riguardano verifiche di tipo elettrico; le grandezze monitorate spaziano tra correnti e tensioni di grande entità ai campi elettromagnetici (generati per lo più dalla trazione dei veicoli e dalla catenaria soprastante). Verifica dell emissione di componenti armoniche della corrente di trazione secondo la Specifica Tecnica FS n. 370582 e allegato 3 della disposizione 62/2007 di RFI. Prova per la determinazione della qualità di captazione secondo le norme EN 50317 ed EN 50367. 18
Grandezze coinvolte in prove "elettriche" Per mezzo di un apposito banco è possibile effettuare prove di tipo dinamico sulle varie componenti di un pantografo, ad integrazione delle prove di captazione in linea. A tal scopo è possibile generare sollecitazioni controllate in frequenza ( da 0 ad oltre 40Hz), in controllo di forza (±500 N) o di spostamento (±300mm) in vari punti e direzioni, rendendo possibile: La certificazione della catena di misura del pantografo strumentato, in accordo alle normative EN-50317, EN-50367; Test EN-50206 compliant; Un eventuale analisi modale. 19
Grandezze coinvolte in prove "elettriche" Viste le potenze assorbite e le tensioni in gioco risulta fondamentale caratterizzare le emissioni EM dei rotabili (in particolare dei dispositivi di trazione), sia da un punto di compatibilità elettromagnetica con altri dispositivi, sia riguardo l esposizione umana (personale di bordo e passeggeri) Prova delle caratteristiche di emissione EMC secondo le norme della serie EN 50121 Rilievi dell esposizione umana ai campi elettromagnetici secondo la norma EN50500 Viene utilizzata una procedura di analisi che permette di valutare il livello di esposizione al campo magnetico non solo dovuto alla canonica componente armonica a 50 Hz, ma anche a tutte le altre componenti in frequenza comprese nell intervallo 5-20000 Hz. Sono utilizzate specifiche sonde ed analizzatori. Le misure sono effettuate nelle diverse condizioni di stazionamento e marcia del rotabile. 20
Grandezze coinvolte in prove "elettriche" Le prove in linea possono essere integrate con verifiche effettuate in camera semianecoica dotata di banco a rulli (unica esistente in europa, presso il nostro laboratorio). Prove di compatibilità elettromagnetica secondo normative vigenti con possibilità di svolgere test combinati con quelli di dinamica e prestazioni del banco a rulli. Prove di EMC su componenti e sistemi presso un sito caratterizzato da un punto di vista elettromagnetico Alcune caratteristiche: predisposizione per locomotori a 4 assi; Velocità massima 360 km/h; motori da 900 kva - 42 knm cadauno; assi e singole ruote controllati indipendentemente; sistema di aspirazione gas di scarico per veicoli diesel; sistema di climatizzazione e raffreddamento rotabile dedicato. 21
Grandezze coinvolte in prove "elettriche" Più in dettaglio: Sarà possibile effettuare in un ambiente chiuso e controllato le misure di emissione ed i test di immunità per un rotabile completo in condizioni dinamiche, che vede il rotabile al di sopra di una superficie non perfettamente riflettente (EN 50121-2, EN 50121-3-1). La norma EN 50121 prevede che il treno debba oltrepassare un antenna su un vero binario ferroviario ad una distanza di 10m. Nella camera il treno è fermo, ma in funzione sul banco a rulli e l antenna si muove ad una distanza di 10m attraverso un sistema di posizionamento automatico. Per quanto concerne le misure di emissioni radiate del rotabile in condizioni dinamiche, queste includeranno il campo elettrico ed il campo magnetico irradiato direttamente dal rotabile e quello dovuto alle correnti che fluiranno lungo il tratto di catenaria di alimentazione installato all interno della camera. 22
Grandezze coinvolte in prove "elettriche" Ulteriori prove di tipo elettrico: Prove sui convertitori statici dei rotabili ferroviari secondo la fiche UIC 550-2; Prova per il rilievo dei disturbi indotti sui captatori RSC secondo la specifica tecnica FS 371425; Prove di prestazioni del materiale rotabile secondo la norma CEI EN 50215 e secondo le STI; Prove su componenti ad alta tensione dei rotabili ferroviari. 23
Grandezze coinvolte in prove "elettriche" Tornando invece sui fattori di rischio della salute del personale di bordo, dei passeggeri ed in generale della popolazione che si trova ai margini dell infrastruttura ferroviaria vengono effettuati diversi rilievi fonometrici: A bordo treno All esterno Naturalmente le verifiche sono effettuate con l ausilio di fonometri e microfoni calibrati per verificare il rispetto dei normali limiti di legge per i vari tipi di esposizione. 24
In conclusione Le prove richieste per la verifica di conformità e la messa in esercizio di un nuovo rotabile sono numerose. Le relative procedure e le grandezze di misura da monitorare devono essere elaborate attentamente secondo i riferimenti normativi inerenti, dimostrando la competenza del laboratorio e fronteggiando le avversità operative tramite la scelta ottimale della strumentazione da installare sul rotabile in prova. 25
Grazie per l attenzione! f.cavaliere@italcertifer.com 26