L’evoluzione tecnologica delle sale montate ferroviarie: dalla ruota a cerchione riportato ai sistemi monoblocco

Nell'ingegneria ferroviaria si definisce sala montata l'insieme costituito da due ruote e dall'asse corrispondente (assile o sala) di un veicolo ferroviario. Nel caso di rotabili automotori o locomotive una sala montata viene definita sala motrice quando ad essa è applicata una coppia motrice in seguito all'accoppiamento con un qualsiasi tipo di motore e pertanto serve a far muovere il rotabile. Si definisce invece sala portante quando svolge soltanto la funzione di sostenere il carico per asse applicato. Fra le sale o i carrelli e la cassa viene interposto il telaio su cui poggia la cassa stessa. Il telaio è una struttura metallica costituita da due travi longitudinali (longheroni) collegate fra di loro mediante traverse di estremità e intermedie. Per assicurare la necessaria rigidità dell'insieme, detti elementi sono anche collegati su strutture diagonali.

La struttura tradizionale: la sala a cerchione riportato

Le sale montate con cerchioni riportati sono di fabbricazione tradizionale, le sale monoblocco sono venute in tempi più recenti. Le ruote sono costituite dal mozzo, che viene calettato sulla portata dell'asse, dal disco e dal cerchione. Le moderne ruote ferrotranviarie sono composte da due elementi: il disco ed il cerchione. Il calettamento a caldo del cerchione sul centro della ruota di una sala montata è un processo che impone uno stato di trazione all'interno del cerchione stesso, il quale favorisce purtroppo l'avanzamento di cricche che si possono formare sulla superficie di rotolamento.

Come è noto, dopo un certo numero di chilometri che le sale percorrono, i profili delle superfici di rotolamento vengono torniti per riportarli alle giuste conicità; ovviamente questa operazione può essere fatta un limitato numero di volte, cioè fino a che lo spessore del cerchione lo consente dato che ogni tornitura asporta parte del materiale. Dal momento che nelle sale a cerchione riportato, il cerchione è un pezzo di metallo differente dal centro ruota, una volta che si è raggiunto il diametro minimo, è possibile scalettare lo stesso dal centro ruota e sostituirlo con uno nuovo. Questo è un primo vantaggio delle sale montate a cerchio riportato specialmente nei mezzi di trazione, visto che generalmente i centri ruota sono interessati anche dalla presenza degli organi della trasmissione, mentre per le sale dei mezzi rimorchiati lo svantaggio è meno sentito.

Le sfide termomeccaniche e la manutenzione

Per contro, può accadere che a causa di una condotta anomala del freno continuo nelle lunghe discese, su mezzi con freni a ceppi e sale montate a cerchi riportati, si verifichi che le superfici di rotolamento surriscaldate dall'attrito dei ceppi raggiungano temperature tali da determinare una dilatazione del cerchione stesso, e quindi un suo scorrimento rispetto al centro ruota. Le ruote cerchiate sono andate in disuso per due principali motivi: laddove si aveva frenatura a ceppi, le grandi quantità di calore liberate dall'attrito fra ceppo e cerchione potevano essere tali da rilassare le tensioni residue nel cerchione e generare scorrimenti fra questo e centro ruota, andando incontro a fenomeni come sfaccettature sulla superficie di rotolamento o corrosione da sfregamento sulla superficie di accoppiamento.

Dopo un percorso dell'ordine di 100.000/150.000 chilometri, il profilo del cerchione si è, di regola, attenuato oltre il limite sopportabile ed occorre quindi procedere alla ritornitura di esso. Quando poi lo spessore del profilo del cerchione si sia ridotto a meno di 28-30 mm, occorre procedere alla sua sostituzione integrale.

La transizione verso le ruote monoblocco

Peraltro, in tempi relativamente recenti, i progressi della metallurgia nel settore degli acciai hanno ridato attualità alle ruote monoblocco che vengono ora proficuamente impiegate nel settore della circolazione ad alta velocità. A partire dall’approvazione della TSI HS nel 2002, le ruote monoblocco sono le uniche a poter beneficiare della conformità da parte della normazione europea. Poiché composte da un solo elemento strutturale, non hanno problemi derivanti dalla forza centrifuga, né termomeccanici. La ruota monoblocco è fornita già completa da parte del costruttore, fatta eccezione per il foro del mozzo, che si rifinisce in funzione del calettamento sull’assile. Per le sale monoblocco occorre sostituire tutto il centro ruota che poi viene fuso, a differenza della semplice sostituzione del cerchione.

Dinamica del moto: l'importanza della geometria

La sala montata può considerarsi come un bicono che si muove sulle rotaie e, sulla conicità delle ruote si fonda l’azione di guida esercitata dalle rotaie sulla sala montata. Infatti, se una sala in movimento su un binario in rettilineo, per una ragione qualsiasi, non è centrata, i raggi di rotolamento delle ruote, per effetto della conicità dei cerchioni, non saranno uguali e l’assile risulterà inclinato rispetto al piano del ferro delle rotaie. Si verifica quindi il cosiddetto moto di serpeggiamento che manda i bordini delle ruote ad urtare alternativamente contro le rotaie. Le oscillazioni trasversali, grazie alla particolare conformazione dell’accoppiamento sala-rotaia, si smorzano gradualmente e la sala si autocentra naturalmente sul binario.

Tuttavia, il passo del carrello influisce notevolmente. Un passo maggiore, come quello riscontrato in alcuni rotabili regionali moderni (2800 mm), implica maggiori difficoltà di inscrizione in curva e una maggiore usura dei bordini, nonostante la presenza di dispositivi come gli ungibordo. L'aumento di passo viene solitamente considerato quando si ricerca una maggiore stabilità di marcia alle alte velocità. L'usura del bordino è solitamente più deleteria della classica "spiattellata" (spesso causata da frenate brusche con antislittante guasto), poiché costringe ad una maggiore asportazione di materiale in fase di tornitura per ritrovare il corretto profilo ruota.

Il rodiggio e l'interazione con l'armamento

Il rodiggio è il complesso degli assi, delle ruote e delle boccole. Nell'asse, di forma cilindrica, si riscontra, a ciascuna estremità, il fusello da inserire nella boccola, e la “portata” su cui viene calettato il mozzo della ruota. Il peso del veicolo viene trasmesso ai fuselli delle ruote per il tramite delle boccole che possono essere ad attrito radente oppure volvente. Nel dimensionamento delle ruote assume grande importanza il rapporto fra il peso gravante sull'asse e il diametro della ruota. Al crescere dei carichi è necessario, per contenere le sollecitazioni sul cerchione, aumentare il diametro delle ruote. Ciò peraltro determina sia l'innalzamento del baricentro con svantaggi per la stabilità di marcia, sia quello del piano di carico con relativi inconvenienti per il servizio viaggiatori e merci.

Organizzazione della manutenzione rotabili

Ai fini della sicurezza e regolarità di circolazione, è essenziale la massima efficienza non solo degli impianti fissi ma anche del materiale rotabile. A tale scopo esisteva una struttura organizzativa a livello esecutivo per garantire l'esercizio della manutenzione dei rotabili secondo programmi rigorosamente prestabiliti. I Depositi Locomotive erano centri tecno-amministrativi strategicamente ubicati nella rete, dotati di una "Squadra Rialzo" per la manutenzione ordinaria. Le Officine Materiale Rotabile, invece, erano impianti in genere importanti dotati delle attrezzature necessarie ad effettuare la manutenzione integrale del materiale.

I rotabili ferroviari erano sottoposti a visita prima dell'inizio di ogni servizio nonché a revisioni periodiche a determinati intervalli di tempo o di percorrenza. Alla visita dei mezzi di trazione prima dell'inizio di ciascun servizio provvedeva il personale di macchina, mentre la visita ai rotabili trainati era affidata ai verificatori dislocati in appositi posti di verifica presso le stazioni. Per gli interventi di maggiore importanza, le locomotive ed i veicoli venivano inviati nelle Squadre Rialzo o nelle Officine di Grande Manutenzione.

Innovazioni moderne e sostenibilità

Oggi, aziende leader come Lucchini RS focalizzano il proprio operato sulla "manutenzione basata sulle condizioni", utilizzando tecnologie avanzate e intelligenza artificiale per ottimizzare gli intervalli di ispezione. Le moderne soluzioni includono acciai ad alte prestazioni e sistemi di riduzione del rumore, che permettono di limitare le emissioni sonore delle ruote. L'attenzione alla sostenibilità è diventata parte integrante del processo produttivo, con iniziative di riciclo delle ruote ferroviarie e quantificazione dell'impronta di carbonio, garantendo che ogni componente rispetti standard internazionali severi, in un'ottica di sicurezza per le generazioni future.

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