In tutte le città e le aree suburbane del mondo il trasporto di massa sta diventando sempre più importante e negli ultimi tempi sono entrate in esercizio nuove generazioni di veicoli muniti di nuovi sistemi di trazione.L’industria ferroviaria è interessata a sistemi altamente efficienti e affidabili e dai fornitori si attende un’offerta diversificata, dalle opere di ingegneria e di manutenzione al project financing, che tenga conto della variabilità delle esigenze. In questo settore l’innovazione è quindi un fattore essenziale per la creazione di profitto e per la stessa sopravvivenza.

Recentemente, proprio una forte innovazione ha caratterizzato la realizzazione di treni suburbani, metropolitane e tranvie. Le carrozze con pianale ribassato per facilitare l’accesso sono sempre più diffuse, anche se pongono non pochi problemi tecnici, in quanto il pianale sottrae spazio al sistema di trazione. La SKF, in collaborazione con importanti aziende quali l’Adtranz, ha dato vita a nuove soluzioni di cuscinetti per gli assili, le ruote indipendenti e i nuovi sistemi di trazione, comprese le applicazioni che integrano le ruote nel motore.

Adtranz è un importante fornitore a livello internazionale di servizi, sistemi e materiale rotabile per le ferrovie. Fondata nel 1996, opera sotto la ragione sociale Daimler Chrysler Rail Systems e dà lavoro a circa 22.000 persone. L’offerta comprende sistemi completi su rotaia con relativi servizi, «people mover», tram e metropolitane, treni pendolari e regionali, intercity e treni ad alta velocità, segnaleria e installazioni fisse. Presente in 64 paesi, ha stabilimenti in 19 e filiali e rappresentanze legali in 40. Dispone di 24 agenti in ogni parte del mondo. Nel 1999 ha denunciato entrate per 3,6 miliardi di euro.

Sistemi di trazione

I sistemi di trazione dei treni devono essere potenti, non inquinanti, economici e richiedere poca manutenzione. Si tratta di esigenze molto più severe di quelle imposte dalle auto, ad esempio perché gli intervalli di manutenzione devono essere molto più lunghi. Le nuove locomotive per le linee primarie compiono in media 1.000 chilometri al giorno e sono soggette a manutenzione ordinaria con una certa frequenza, ma gli interventi più importanti si fanno dopo percorrenze che vanno da un milione a un milione e mezzo di chilometri.

I propulsori Adtranz vengono prodotti a Wiener Neudorf, vicino a Vienna, in un centro che ha una lunga tradizione nella progettazione dei sistemi di trazione. Il centro oggi è responsabile di sviluppo, progettazione, vendita e marketing di sistemi di propulsione per tutti i tipi di materiale rotabile. Per più di 20 anni ha avuto in produzione una nuova generazione di motori di trazione asincroni a corrente alternata trifase, raffreddati ad acqua additivata con antigelo e antiruggine, e destinati principalmente ai veicoli per il trasporto di massa.

La tecnologia adottata dalla Adtranz offre diversi vantaggi, quali:

• bassa rumorosità,
• massa e ingombro ridotti, grazie all’alta velocità di rotazione,
• poca manutenzione, grazie all’esecuzione completamente chiusa,
• possibilità di ricuperare il calore per riscaldare il veicolo,
• assenza di filtri dei ventilatori e di condotte d’aria.

In ferrovia i sistemi di trazione servono a trasmettere la coppia dal motore (che generalmente opera ad alta velocità) alle ruote, tramite un riduttore, il numero degli stadi del quale dipende dalla velocità del motore stesso e da quella del veicolo.
Normalmente, le locomotive equipaggiate con motori raffreddati ad aria e con potenze da 500 a 1.700 kW impiegano un riduttore monostadio con un rapporto di riduzione da 3 a 5.

Sistemi per il trasporto di massa

Per il trasporto di massa si impiegano motori di trazione a quattro poli raffreddati ad aria o ad acqua, con potenze da 60 a 200 kW. La velocità massima è di 6.000 giri/min, corrispondente ad una frequenza di corrente di 200 Hz. In questo caso si impiegano riduttori mono o bistadio. I riduttori bistadio sono progettati per rapporti di riduzione da 6 a 11. Negli odierni sistemi di trazione, il motore e il riduttore sono separati. Il primo è tradizionalmente munito di due cuscinetti sistemati negli scudi. Da un lato dell’albero è previsto il pignone per la trasmissione della coppia.

Per soddisfare le nuove esigenze è stato approntato un progetto interamente nuovo, con l’introduzione per il motore di un sistema a tre cuscinetti, due per sostenere il pignone e l’altro per sostenere l’albero del rotore dal lato opposto. Per la connessione del riduttore al motore, è previsto un giunto a membrana, cedevole alla flessione, ma rigido alla torsione. Il giunto è completamente di metallo, senza componenti di gomma. L’albero di uscita comanda, tramite un giunto elastico, un albero cavo, collegato a sua volta alle ruote con un secondo giunto elastico. Il sistema, così congegnato, non viene influenzato da carichi dinamici addizionali.

Nuovi sistemi per le metropolitane

La prima applicazione di questo nuovo sistema, equipaggiato con motori di trazione trifase raffreddati a liquido, è stata effettuata per le carrozze DT4 della metropolitana di Amburgo, la Hamburger Hochbahn AG (HHA).

Dati tecnici delle carrozze della metropolitana di Amburgo

Tipo veicolo:	DT4
Lunghezza veicolo:	60.28 m
Altezza pianale alle porte:	1,030 mm
Capacità:	554 passeggeri
Velocità massima:	80 km/h
Motore di trazione, tipo:	4 WXA 3553
Potenza:	8 x 125 kW
Velocità max. motore:	6,000 giri/min

Per questa applicazione si è adottato il sistema interamente sospeso e con tre cuscinetti. Da un lato, l’albero del motore monta uno speciale cuscinetto a rulli cilindrici derivato dal tipo NUB 212 ECM, caratterizzato da un anello esterno munito di due orletti integrali con il suo gruppo rulli e da un anello interno molto largo, per consentire il massimo spostamento assiale possibile, necessario soprattutto al montaggio. Il cuscinetto ha una gabbia di ottone guidata sui rulli e un gioco interno radiale C4.

In totale, ci sono in esercizio 800 motori di trazione ad Amburgo e a Vienna, dove viene adottato un sistema analogo. I cuscinetti sono progettati per funzionare per 3 milioni di km o per circa 25 anni, ipotizzando 120.000 km di percorrenza annua. L’intervallo di manutenzione dipende dall’usura delle ruote di gomma. Sono stati raggiunti anche intervalli di manutenzione di 1,5 milioni di km.

Sui motori della metropolitana di Amburgo la manutenzione consiste essenzialmente nella rilubrificazione dei cuscinetti, effettuata agevolmente in fossa presso il deposito. Il grasso viene distribuito nella quantità voluta tramite un disco rotante.

La procedura prevista è la seguente:

• prima rilubrificazione dopo 600.000 km,
• seconda rilubrificazione dopo altri 500.000 km,
• dopo altri 400.000 km, raggiunto l’intervallo principale di manutenzione di 1,5 milioni di km, si effettua lo smontaggio del sistema di trazione e dei cuscinetti.

Per verificare la correttezza della procedura, una volta raggiunti i 450.000 km, si ispezionano alcuni cuscinetti dei motori ogni 150.000 km, per accertare le condizioni del grasso. L’ultima ispezione, effettuata nel 2000 dopo più di un milione km, ha dato la conferma di essere sulla strada giusta. Ad Amburgo ci sono in esercizio 86 treni, ciascuno dotato di otto motori di trazione. La percorrenza complessiva di tali treni è prossima ai 400 milioni di km, che equivalgono a 500 viaggi andata ritorno dalla terra alla luna. Un obiettivo da conseguire nel medio termine è quello di utilizzare nuovi grassi e guarnizioni di tenuta che evitino la lubrificazione sul campo.

Nuovi sistemi per tram a pianale ribassato

Un sistema analogo a quello adottato per la metropolitana di Amburgo è applicato su molti tram a pianale ribassato. Solo per il 30 % della lunghezza della carrozza il pianale è più alto per dare spazio ai carrelli motori. I nuovi sistemi di trazione Adtranz sono in funzione su molti tram in Germania, a Bielefeld, Darmstadt, Erfurt, Essen, Friburgo, Heidelberg, Karlsruhe, Lipsia, Ludwigshafen, Magdeburgo, Mannheim e Rostock, e in Belgio, ad Anversa – De Lijn.

La coppia e la potenza massima di 65 – 127 kW possono essere variate modificando la lunghezza del ferro del rotore e dello statore, il che permette l’impiego degli stessi cuscinetti, degli stessi scudi e dello stesso tipo di lamelle.

Il tipo di cuscinetto impiegato per i motori di trazione è lo stesso dei motori delle metropolitane, salvo per quanto riguarda le dimensioni, che sono quelle più piccole del tipo NUB 210 ECM. Un esempio lo troviamo nel tram articolato a pianale basso di Rostock.

Dati tecnici dei tram articolati di Rostock:

Tipo veicolo:	6NGTWDE
Lunghezza veicolo:	30.4 m
Altezza pianale alle porte:	300 mm
Capacità:	173 passeggeri
Velocità massima:	70 km/h
Motore di trazione, tipo:	4 WXA 2544
Potenza:	4 x 95 kW
Velocità massima motore:	6,000 r/min

A Rostock i tram percorrono circa 55.000 km all’anno. Gli intervalli di rilubrificazione sono ogni 350.000 km o circa sei anni.

Nel medio termine si prevede la seguente procedura:

• prima rilubrificazione dopo 350.000 km,
• seconda rilubrificazione dopo altri 250.000 km,
• terza rilubrificazione dopo altri 200.000 km,
• dopo altri 100.000 km, si raggiunge l’intervallo principale di 900.000 km, che corrisponde a 16 anni di esercizio ossia a due periodi di collaudo generale, secondo le specifiche tedesche.

Dal 1994 sono entrati in esercizio più di 2.500 motori di trazione di questo tipo.

Nuovo sistema di trazione diretta

Una semplificazione radicale del sistema è rappresentata dalla trazione diretta. In questo caso il motore aziona direttamente la ruota e agisce come supporto e guida della ruota senza l’interposizione del riduttore e dei giunti. Il motore, raffreddato a liquido, ha lo statore interno. Il rotore esterno comanda direttamente la ruota sospesa su molle di gomma. Questo sistema di ridotto ingombro è adatto per tram con il pianale ribassato per tutta la loro lunghezza, quindi senza scalini o piani inclinati al loro interno.

L’asse, fisso, è munito di un circuito per il raffreddamento dello statore. Gli scudi di ferro di quest’ultimo sono fissati direttamente sull’asse stesso e tenuti fermi assialmente da speciali anelli di ancoraggio. I cavi elettrici dell’avvolgimento statorico sono collegati al veicolo mediante una speciale giunzione. Nell’alloggiamento è sistemata una spazzola e un anello per la messa a terra. Se richiesto può essere fissato sul mozzo un freno a disco.

In funzionamento, i cuscinetti devono reggere carichi dinamici supplementari, dovuti ad esempio ad anomalie delle rotaie o a urti negli incroci. Sono previsti due cuscinetti a rulli cilindrici, uno tipo NUP per la posizione di vincolo assiale, e uno tipo NU nella posizione non di vincolo. Ciascun cuscinetto è munito di una gabbia monoblocco di ottone tipo MRD, a guida mista, ossia dai rulli durante le condizioni di lavoro normali e anche dagli orletti dell’anello esterno quando sono presenti gli urti. Questa particolarità esige tolleranze di lavorazione molto ristrette, ottenibili con la nuova tecnologia SKF di tornitura su forma. Il gioco interno radiale è stato scelto appositamente per questa applicazione. Se necessario, entrambi i cuscinetti si possono rilubrificare e sono protetti contro le sostanze estranee e i trafilamenti con doppi labirinti.

I primi prototipi erano stati provati sui tram articolati Variobahn a pianale ribassato a Chemnitz in Germania, da dove sono poi partiti i primi ordini per la serie.

Dati tecnici dei tram articolati Chemnitz:

Tipo veicolo:	Variobahn
Lunghezza veicolo:	31.4 m
Altezza pianale alle porte:	315 mm
Capacità:	211 passeggeri
Velocità massima:	70 km/h
Motore di trazione, tipo:	8 WXA 3442
Potenza:	8 x 45 kW
Velocità massima motore:	750 giri/min

Veicoli analoghi sono in funzione a Duisburg, Helsinki e Sydney. In esercizio ci sono più di 500 motori a trazione diretta.

Prospettive

Poiché l’intento è di ridurre ulteriormente le operazioni di manutenzione, viene sempre meno richiesta la lubrificazione sul campo; nel medio termine si dovrebbero raggiungere i 1,5 milioni di km senza rilubrificazione. Il raggiungimento di tale obiettivo, tuttavia, dipende moltissimo dalle singole condizioni operative. Vantaggi sono ottenibili con i nuovi tipi di grasso e con unità cuscinetto sigillate, quali le unità TMBU per motori di trazione, che sono già pronte per il montaggio e prelubrificate e che si possono fissare direttamente agli scudi del motore tramite flangia.

Harald Neudorfer

Adtranz, Wiener Neudorf, Austria

Gottfried Kure

SKF global railway marketing, Austria