I costi di esercizio vanno ridotti già in fase di progetto. I tecnici SKF hanno fatto propria questa massima nel realizzare una nuova unità a rulli conici per impieghi ferroviari, la Compact TBU.In un veicolo ferroviario i cuscinetti dei fuselli sono componenti molto importanti. Nonostante le condizioni di lavoro siano spesso gravose, essi devono operare con la massima affidabilità per molti anni senza manutenzione. Per realizzarli occorrono quindi conoscenze e risorse.
   La soluzione adottata dalla SKF è costituita da un’unità cuscinetto prelubrificata e pronta per il montaggio. Le protezioni integrate e il distanziatore di polimero contrastano efficacemente l’ingresso di sostanze contaminanti. In questo modo, infatti, gli intervalli di manutenzione possono essere più lunghi, se vengono avvantaggiate durata, prestazioni e sicurezza.
   L’unità, di disegno compatto, permette di ridurre la lunghezza dell’assile e quindi di limitarne l’inflessione.
   Il progetto della Compact TBU aveva come obiettivo principale quello di rendere minima la fretting corrosion e i rischi di contaminazione. L’attenzione si è così concentrata su una protezione integrata e uno speciale distanziatore di polimero. Parallelamente è stato previsto un nuovo grasso di lunga durata ed è stata perfezionata la gabbia di polimero. L’unità è stata anche dotata di uno speciale “sensore compatto” che permette la misurazione di velocità, di temperatura e di vibrazioni.
   La Compact TBU permette di prolungare gli intervalli di manutenzione, migliorare la sicurezza, ridurre i pesi e semplificare i particolari adiacenti.

Le soluzioni tradizionali
Molti tipi di veicoli ferroviari sono muniti di unità TBU. Quelle tradizionali comprendono anelli di tenuta di gomma, che strisciano su speciali anelli di usura. Tutte le parti sono composte in modo da rendere l’unità pronta per il montaggio. Queste unità si impiegano specialmente in applicazioni esposte direttamente all’ambiente esterno.
   Le unità tradizionali in pollici sono standardizzate dall’American Association of Railroads (AAR), e per esse la SKF ha ricevuto la piena approvazione sin dal 1977. All’inizio i cuscinetti a rulli AAR erano destinati a sostituire le bronzine e, data la presenza di un assile relativamente lungo che tendeva a inflettersi, su molte parti del sistema – specialmente sulle superfici di strisciamento dell’anello di usura – si verificava la formazione di particelle da fretting corrosion che potevano penetrare nei cuscinetti stessi, riducendone la durata.
   Sul mercato europeo si usano soprattutto boccole monoblocco. Il coperchio frontale, di tipo chiuso, protegge bene il cuscinetto e si possono usare tenute a labirinto con minore attrito. Per soddisfare varie esigenze sono nate diverse esecuzioni con dimensioni metriche, che prevedono assili meno lunghi di quelli AAR, ma, in certe applicazioni, un analogo processo di fretting corrosion riduce la durata di esercizio.

La nuova Compact TBU
Lo scopo principale della nuova unità è quello di ottenere minori costi di esercizio, derivanti da intervalli di manutenzione più lunghi. A ciò contribuiscono quattro particolarità:

• le protezioni integrali, per contrastare la contaminazione,

• un distanziatore di polimero, per evitare la fretting corrosion nell’area di contatto tra l’anello interno e l’anello di appoggio,

• un nuovo grasso di lunga durata, per assicurare migliori prestazioni,

• una gabbia di polimero perfezionata, per migliorare sicurezza e prestazioni.

L’unità è costituita da un minor numero di parti, con una conseguente riduzione dei pesi e dell’ingombro, e offre l’opportunità di semplificare il progetto. Per esempio, si può accorciare l’assile e quindi limitarne le inflessioni. Volendo, la Compact TBU si può predisporre in modo da permettere il controllo di velocità, di temperatura e di vibrazioni nell’ambito di un BoMo Bogie Monitoring System.
   I principali benefici offerti all’utilizzatore sono pertanto:

• minori costi di esercizio
• maggiore sicurezza
• riduzione dei pesi
• possibilità di semplificare le parti adiacenti

Protezioni integrate a basso attrito
La nuova esecuzione compatta non rende necessari distanziatori o anelli di usura supplementari. La funzione di tenuta è integrata nell’unità e si dispone fra l’anello esterno e quello interno, facendo risparmiare spazio e rendendo quindi minima l’inflessione dell’assile in molte applicazioni. La protezione è di tipo a basso attrito ed è costituita dalla combinazione di un labirinto, un labbro di gomma e un centrifugatore. La migliore protezione contro la contaminazione aumenta la durata di esercizio.
   Rispetto ad una soluzione con anello di tenuta tradizionale si ottiene una riduzione del 75 % della coppia d’attrito e di conseguenza una diminuzione della temperatura di 20 °C, cosa che va a vantaggio della durata del grasso e dei consumi di energia. Prove effettuate dalla SKF per valutare l’influenza della contaminazione e dell’acqua hanno confermato l’efficacia della configurazione adottata. La nuova protezione integrale, che è anche stata sottoposta a prove di durata in presenza di condizioni di lavoro assai severe, ha superato tutti i test AAR.

Il distanziatore di polimero
Come detto più sopra, la fretting corrosion non solo provoca l’ingresso di particelle nel cuscinetto, ma incrementa anche il gioco assiale, a scapito delle prestazioni e dell’affidabilità. L’intento è stato quello di evitare la fretting corrosion sostituendo i contatti acciaio su acciaio con quelli acciaio su polimero. Sui componenti del cuscinetto viene fissato un distanziatore di polimero rinforzato. Dopo lunghe prove, in alcuni casi equivalenti a una percorrenza di 800.000 Km, non si sono riscontrate tracce di fretting corrosion.

Il grasso di lunga durata
La SKF, che ha un ruolo assai attivo nello sviluppo di grassi per i cuscinetti, ha studiato un grasso polivalente di lunga durata per le varie applicazioni sulle boccole ferroviarie, soprattutto quelle in cui sono in gioco alte velocità e carichi elevati.
   Il nuovo grasso ha superato tutte le prove di tipo chimico, meccanico e tribologico in conformità con la norma europea EN 12081 e quelle relative alle prestazioni prescritte dalla norma EN 12082. Le prove di durata si sono svolte sui banchi SKF R3. I risultati hanno confermato le aspettative in termini di stabilità meccanica e termica, oltre che di resistenza alla corrosione. Il nuovo grasso consente di prolungare gli intervalli normali di manutenzione e di dilazionare nel tempo le revisioni complete.

La gabbia di polimero
La SKF ha iniziato a montare le gabbie di polimero sulle TBU nel 1990 e oggi vanta una vasta esperienza in varie applicazioni, tra cui i carri merci che operano in Europa e in Cina. Gabbie di polimero sono impiegate anche su diversi veicoli per treni pendolari, unità multiple e carrozze passeggeri, oltre che su treni ad alta velocità.
   La gabbia di polimero rinforzato offre eccellenti prestazioni. I principali vantaggi sono attrito, slittamento dei rulli, usura e temperatura di lavoro ridotti e maggiore sicurezza. Anche in situazioni di emergenza essa consente alle unità di funzionare senza bloccarsi. In occasione del progetto della Compact TBU, le sue caratteristiche sono state ulteriormente affinate per soddisfare le particolari esigenze in termini di ingombro.

Le prove
Per verificare l’affidabilità e le prestazioni del materiale rotabile nel lungo termine occorrono rigorose procedure di prova. A tale scopo la SKF ha concentrato la maggior parte delle attrezzature necessarie presso il Railway Test Centre del proprio Engineering and Research Centre in Olanda. Il centro sottopone a prove sia boccole complete, inserite in strutture che riproducono le applicazioni reali, quali l’intelaiatura dei carrelli, sia unità cuscinetto e componenti, quali le protezioni e le gabbie.
   Le verifiche sulle prestazioni sono state effettuate secondo la nuova norma europea EN 12082, su speciali banchi prova R3, nei quali due boccole vengono sottoposte a cicli ripetuti di carico che rispecchiano fedelmente le condizioni di esercizio reali. Le prestazioni sono misurate rilevando la temperatura di lavoro. Nel 2000, i banchi per le prove di durata hanno operato per circa 30.000 ore, equivalenti a circa 4 milioni di Km.
   Oltre che a questo metodo di prova quasi statico la Compact TBU è stata sottoposta a condizioni di lavoro realistiche, utilizzando il sofisticato banco denominato THISBE (Test rig for HIgh-Speed train BEarings), capace di simulare le condizioni di lavoro di carattere dinamico. Cuscinetto e boccola sono installati sulla sezione di un vero carrello ferroviario, comprendente il sistema di sospensione, con molle e smorzatori.
   Il banco è controllato via computer e utilizza i segnali ottenuti registrando e analizzando i carichi, l’accelerazione e gli spostamenti effettivi delle boccole in esercizio. Il THISBE permette la realizzazione di soluzioni in grado di soddisfare le esigenze di velocità, capacità di carico ed economie sempre maggiori.
   Le prove sul campo di vari componenti della Compact TBU erano già cominciate molti anni fa. Nel 1999, le prime unità cuscinetto complete entrarono in esercizio su carri merci e carrozze passeggeri. Le esperienze acquisite finora confermano le aspettative delle prove di laboratorio.

L’assortimento
Un ulteriore obiettivo del progetto era quello di realizzare un assortimento idoneo per la maggior parte delle esigenze del mercato. La nuova gamma di prodotti è indirizzata sia ai clienti del primo montaggio sia a quelli del ricambio. A richiesta si possono fornire Compact TBU di altre dimensioni. La larghezza degli anelli esterni della Compact TBU è la stessa di quelle TBU standard; per adattare le applicazioni esistenti occorre solo modificare leggermente l’anello di appoggio e il coperchio anteriore.

Prospettive
Le prove al banco sui parametri operativi per i veicoli merci e passeggeri confermano le attese riposte nella nuova unità a rulli conici. Una gamma estesa di tipi con dimensioni metriche e in pollici è stata impostata per reggere carichi diversi sull’assile.

   Marc Defossez, Railway quality and test centre manager, SKF Industrie S.p.A., Villar Perosa, Italia;
   Gottfried Kuře, SKF global railway marketing manager, SKF Österreich AG, Steyr, Austria,
   e Maurizio Martinetti, TBU e sensor engineering manager, SKF Industrie S.p.A., Italia