Raccolta casi Working Model, visualNastran & SimWise - IL FENOMENO DEL GALOPPAMENTO


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IL FENOMENO DEL GALOPPAMENTO:
IL SOBBALZO SULLA GIUNTA DI ROTAIA

QUALCHE CENNO STORICO

I metodi di giunzione delle rotaie hanno subito una lunga evoluzione.
Il metodo pi semplice, molto usato in passato, prevedeva l'uso di piastre metalliche con 4 fori dette stecche di giunzione, come in figura 1, poste a coppie lateralmente sul gambo delle 2 rotaie da unire e imbullonate mediante chiavarde di giunzione.



Fig. 1 - Tipica giunta di rotaia


Per permettere al metallo di espandersi quando riscaldato dal sole senza generare sforzi interni o deformare la traccia nella costruzione dei binari si lasciava volontariamente qualche millimetro tra una tratta e l'altra, appunto come in figura 1.
Le piastre di fissaggio erano per questo dotate di fori leggermente ovali, per permettere l'adattamento a queste variazioni termiche.
La giuntatura avveniva in passato in Italia nello stesso punto per ambedue i binari seguendo il modello inglese.
Questo metodo aveva però la caratteristica di indurre un certo galoppamento dei rotabili in transito, dato che il punto di giunzione tendeva a muoversi verticalmente e a far saltellare la ruota, inducendo il noto fenomeno del galoppamento.

In seguito si passati al metodo americano di giuntare te tratte di rotaia in maniera sfalsata, soluzione che rendeva pi stabile al transito tale punto critico (essendocene uno per volta, alternativamente a destra e a sinistra), ma induceva in cambio un vero e proprio ondeggiamento del convoglio lungo la marcia.

Con questi tipi di fissaggio sui punti di giunzione, vuoi appiati o sfalsati tra tratte di rotaia di destra e di sinistra, si creano comunque fastidiose vibrazioni e scossoni che rappresentano un punto di debolezza meccanica della rotaia.
Oggi questo metodo viene utilizzato solo per costruzioni di linee e raccordi in grande economia, o mantenuto per forza maggiore su linee di vecchia costruzione.



Fig. 2 - Tipica saldatura alluminotermica di rotaia


Attualmente il metodo preferito è quello della saldatura alluminotermica delle tratte di rotaia come in fig. 2 che forma un sistema complesso di lunga rotaia saldata, accoppiato ad un sistema di ancoraggio del materiale rotabile che rende superflua l'interruzione sulla tratta di rotaia per consentire la dilatazione termica.


LA SIMULAZIONE DEL GALOPPAMENTO

Un'interessante dimostrazione del fenomeno del galoppamento proposta con il modello semplificato SimWise 4D presentato in figura 3.



Fig. 3 - Semplificazione del modello di calcolo in SimWise 4D


Si confrontano due tratte di rotaia con due diverse soluzioni di giunta e si simula il passaggio di una sfera sulla giunta stessa.
In primo piano (davanti in figura) le due tratte di rotaia sono semplicemente accostate e sotto di esse posto un tassello di pari spessore, con condolo di saldatura laterale su ciascuna delle due tratte di rotaia. Ovviamente le due tratte di rotaia sono perfettamente livellate e alle opposte estremità sono incastrate su due supporti verticali.
Per confronto in secondo piano (dietro in figura) le due stesse tratte di rotaia, parimenti incastrate su due analoghi supporti verticali, sono invece saldate tra di loro su tutta la reciproca superficie di accoppiamento.
L'unica differenza tra i due casi simultaneamente proposti, quindi, sulla saldatura delle tratte di rotaia sulla giunta centrale.

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Fig. 4 - Risultato della simulazione in SimWise4D
Fare doppio click sulla figura qui sopra per visionare il filmato MP4


Confrontando ora il comportamento delle due soluzioni, si vede come la struttura in primo piano sia diversamente sollecitata da quella in secondo piano al passaggio della stessa sfera.
In particolare, esaminando il filmato ottenuto dalla simulazione si apprezza come la tratta di rotaia in primo piano a destra tenda a sollevare il bordo terminale al passaggio della sfera da destra verso sinistra, che così saltella sulla giunta. Al moto di ritorno, con il passaggio della sfera da sinistra verso destra, e` invece la tratta di rotaia a sinistra a sollevarsi rispetto a quella di destra.

Pur con le ovvie semplificazioni e limitandosi ad un'analisi lineare fem con Nastran lanciata automaticamente in SimWise 4D ad ogni passo di simulazione cinetodinamica, e pur risolvendo il contatto della sfera con la trave in prima approssimazione con il teorema dell'impulso, e quindi senza far ricorso a modelli di contatto più sofisticati disponibili in SimWise, e` decisamente apprezzabile come in pochi passi il software dia subito una prima evidenza macrosopica del fenomeno del galoppamento senza dover necessariamente ricorrere a sofisticate analisi non lineari nella meccanica del continuo.

Arrichendo poi il modello con il profilo corretto della rotaia, ancora per semplicità in Fig. 5 senza traversine, ed inserendo ruote, assali, cuscinetti e portacarrelli esterni (sui quali si ripartisce la massa del vagone), si può evidenziare così in SimWise 4D come il galoppamento influenzi la distribuzione delle sollecitazioni anche dopo il passaggio sulle giunte di rotaia.



Fig. 5 - Sollecitazione sul carrello ferroviario
(modello CAD importato in SimWise 4D dal Forum Creo Parametric in www.cad3d.it)



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