In ferrovia è sempre più sentita l’esigenza di una maggiore affidabilità e sicurezza, soprattutto sulle linee principali e su quelle ad alta velocità. Nello stesso tempo, per ragioni di competitività, si esigono minori costi globali di esercizio. La «meccatronica» altamente sofisticata del sistema SKF BoMo di monitoraggio dei carrelli va incontro a queste esigenze apparentemente contraddittorie.
Compatti sensori integrati acquisiscono dai cuscinetti delle boccole ferroviarie dati operativi di importanza vitale, mentre per registrare i parametri operativi e ricavare indicazioni utili circa i fattori più critici riguardanti la sicurezza, si applicano tecniche moderne di monitoraggio e analisi dei segnali. Gli esiti sono pienamente compatibili con il flusso di dati e assicurano la corretta trasmissione dei segnali e suggeriscono le modalità per ottimizzare la manutenzione.

Organi importantissimi
In ferrovia, i cuscinetti sono organi importantissimi per quanto riguarda la sicurezza. Le loro condizioni di lavoro sono spesso gravose e ad essi si richiede di operare per molti anni senza manutenzione. Per rispondere alle crescenti esigenze di sempre maggiore affidabilità e sicurezza, la SKF ha realizzato nuove unità cuscinetto pronte per il montaggio, pre-lubrificate e con protezioni incorporate. Si tratta di unità a rulli conici, le cosiddette TBU, alle quali sono state abbinate varie funzioni, espletate da sensori integrati che consentono la misurazione dei parametri di funzionamento dell’intero carrello.
In Europa, Nord America e Asia i treni ad alta velocità stanno entrando sempre più in concorrenza con il traffico aereo. In queste applicazioni di nuova generazione la SKF gioca un ruolo molto importante e per la maggior parte di esse fornisce svariate unità cuscinetto, in particolare unità sensorizzate, altamente sofisticate. Molte decine di migliaia di unità munite di diversi tipi di sensori sono già in esercizio, specialmente in Italia, Portogallo, Slovenia e Svizzera sui treni ad alta velocità ad assetto variabile della famiglia del Pendolino e sugli ETR 500 ad alta velocità italiani, nonché su varie locomotive italiane e polacche e su carrozze di vario tipo. In ogni applicazione l’interfaccia con i sensori viene adattata alle specifiche esigenze.
La sensorizzazione non comporta parti sensibili in movimento né richiede il mantenimento di tolleranze particolari. Le prime soluzioni SKF sono state unità cuscinetto pronte per il montaggio, con un sensore di velocità integrato, e come tali sono state regolarmente utilizzate su treni passeggeri a partire dal 1991. Da allora tali unità sensorizzate si sono ulteriormente evolute con l’integrazione di sensori di temperatura, diventando sempre più uno standard nei moderni veicoli ferroviari. I sensori SKF per le boccole ferroviarie sono approvati dall’UIC (Union Internationale des Chemins de Fer).
Oggi la tecnologia dei sensori sta interessando altri campi e in particolare il controllo delle vibrazioni. Questa funzionalità migliora notevolmente la validità all’insieme delle misurazioni effettuate, grazie anche al fatto che il sistema SKF BoMo di monitoraggio è dotato di potenti strumenti di elaborazione elettronica, in grado di eseguire controlli e diagnosi continue delle condizioni di esercizio. Si viene in tal modo a creare un sistema «meccatronico» completo, che parte dalle boccole e arriva al quadro di controllo del treno.

Il compito del sistema SKF BoMo di monitoraggio dei carrelli è quello di effettuare misurazioni e registrazioni atte a rilevare:

• le condizioni dei cuscinetti e delle ruote
• l’eventuale instabilità del carrello
• la possibilità di deragliamento

I sensori
I sensori sono sistemati su un piccolo circuito stampato, racchiuso in un contenitore in lega, fissato su una parte metallica del sistema di tenuta dell’unità cuscinetto. Un cavo porta i segnali a un adattatore situato sul coperchio della boccola, dal quale parte un cavo, robusto e ben protetto, che serve per trasmettere i segnali all’unità elettronica situata sul veicolo.
A sua volta, questa unità comunica digitalmente con un dispositivo di scambio che ne indirizza le informazioni verso l’unità elettronica centrale del treno.

I sensori di velocità si basano sulla misurazione senza contatto della variazione del flusso magnetico di un anello a impulsi rotante. Al contrario di quelli passivi, i sensori attivi sono alimentati dalla corrente. A seconda delle esigenze, sono previste tre configurazioni:

• magnetoresistore passivo singolo, basato su una variazione ohmica con forma d’onda sinusoidale;
• magnetoresistore attivo full bridge, basato su una corrente transitoria con forma d’onda digitale quadrata;
• magnetoresistore attivo full bridge, basato su una tensione transitoria con forma d’onda digitale quadrata.

Incorporando un circuito elettrico basato su un magnetoresistore passivo doppio o un magnetoresistore doppio full bridge si può anche rilevare il senso di rotazione.

La misurazione della velocità serve per vari scopi. I dispositivi WSP (Wheel Slip Protection) la utilizzano per i controlli della trazione e del sistema di frenatura, per rendere ottimali le prestazioni del veicolo e limitare l’usura delle ruote e delle rotaie.
Nei sistemi ATC (Automatic Train Control) di controllo automatico del treno, i sensori SKF forniscono dati per il rilevamento della velocità e del senso di rotazione. In un sistema ATC, segnali ricevuti via radio dalla linea tra le due rotaie servono a determinare il massimo valore ammissibile della velocità per ciascun segmento di binario e quindi per regolare in modo continuo la velocità del convoglio. I sensori per ATC soddisfano le severe specifiche emesse dalle competenti autorità ferroviarie per il rilevamento della posizione, della velocità e del senso di marcia dei treni.
I sistemi a tachigrafo utilizzano i sensori di velocità per inviare segnali ai dispositivi che registrano la velocità e la distanza percorsa dal treno.
Nei sistemi di monitoraggio dei carrelli con i nuovi sensori SKF, anche gli algoritmi di analisi delle vibrazioni, che interpretano le condizioni dei cuscinetti e delle ruote, utilizzano i segnali di velocità.
La misurazione della temperatura dei cuscinetti si basa su un sensore apposito, sistemato sullo stesso circuito stampato su cui è installato il sensore di velocità e senso di marcia. In tal modo la temperatura viene rilevata direttamente. Dato che il punto di misurazione è molto vicino al cuscinetto, la precisione di rilevamento è di molto superiore a quella ottenibile con i sistemi a distanza comunemente applicati.
La SKF ha anche elaborato un sistema di sensori per rilevare le accelerazioni assiali e verticali. Anche in questo caso i sensori sono alloggiati in un contenitore leggero e di poco ingombro, fissato al sistema di tenuta del cuscinetto. Il segnale di vibrazione, opportunamente elaborato, fornisce una vera e propria ‘impronta’, utilizzabile per caratterizzare il comportamento del cuscinetto nel tempo. È così possibile accorgersi in anticipo di anomalie, che diversamente si potrebbero rilevare solo ad un stadio avanzato, con misure di temperatura. Il tempestivo riconoscimento delle anomalie è di grande aiuto nella manutenzione ed evita le interruzioni di servizio non programmate.
Il controllo delle vibrazioni va oltre lo stesso cuscinetto: infatti è anche possibile verificare online i difetti di rotondità delle ruote e dei cerchioni, con possibilità di evitare le ispezioni periodiche. Il controllo continuato delle vibrazioni da bordo è un altro elemento essenziale per la sicurezza, stante la possibilità di rilevare immediatamente un rischio di deragliamento del carrello.

Condition monitoring
La SKF ha elaborato il sistema BoMo insieme alla svizzera Sécheron, un’azienda all’avanguardia nella fornitura di componenti elettronici di controllo per le ferrovie, quali dispositivi per l’acquisizione, l’archiviazione dei dati e l’elaborazione di informazioni riguardanti la sicurezza del materiale rotabile. I vari algoritmi di analisi sono una combinazione di condizionatori, filtri e tecniche di analisi adattive e di inviluppo, ciascuno dedicato ad un particolare aspetto delle condizioni di funzionamento dei cuscinetti, delle ruote e del carrello. Il sistema in questione consente anche una diagnosi continua dei componenti critici durante il funzionamento dei veicolo, un significativo passo avanti.
Un importante aspetto del sistema è l’efficace gestione dei dati, che comporta la memorizzazione dei dati stessi nel breve e nel lungo termine, (si pensi ad esempio alla «scatola nera»). Le informazioni riguardanti la sicurezza sono gestite secondo principi rigorosamente definiti. Diversi protocolli sono previsti per assicurare la compatibilità delle comunicazioni e la disponibilità di segnali destinati ad altre funzioni, ad es. per il WSP (Wheel Slip Protection System).
In conformità con le informazioni acquisite dal sistema e con i criteri prefissati dai clienti per la configurazione del sistema di monitoraggio dei carrelli, vengono generati segnali di stato e di allarme. Segnali di serio pericolo possono essere veicolati direttamente al sistema centrale di controllo del treno, il quale avverte tempestivamente il conduttore. Indicatori di stato generale e parametri relativi alle condizioni dei componenti sono resi disponibili online al sistema diagnostico del treno e memorizzati in un’apposita base dati e servono per ottimizzare la manutenzione e ridurre i costi di esercizio.

Gottfried Kure,
SKF Österreich AG, Steyr, Austria
e John Skiller,
SKF Engineering & Research Centre B.V. (ERC), Nieuwegein, Olanda