Integrità strutturale di ruote ferroviarie: procedure per la ... - AIAS

XXXIV CONVEGNO NAZIONALE AIAS – MILANO, 14-17 SETTEMBRE 2005
risultati di queste misure a modelli di danneggiamento per la previsione dell’usura, della fatica
superficiale e di quella sub-superficiale. Alla ricerca partecipano 3 unità: le Università di Brescia e di
Cagliari ed il Politecnico di Milano.
Per quanto riguarda il problema della determinazione delle condizioni di contatto ruota/rotaia si è
sviluppata una tecnica basata sulla riflessione degli ultrasuoni che è già stata applicata nell’ambito di
condizioni statiche di contatto tra ruote e rotaie esercite, ottenendo risultati che mostrano la grande
variabilità dell’entità delle pressioni e della loro distribuzione [1-3]. L’impiego delle onde ultrasoniche
nell’ingegneria meccanica è ormai fatto consolidato da molti decenni, anche se il loro principale
campo di applicazione risulta essere quello relativo ai controlli non distruttivi, ambito nel quale le
tecniche UT hanno assunto nel tempo un ruolo di estrema rilevanza. Tuttavia, in tempi più recenti,
accanto a questo impiego che potrebbe essere definito definire “tradizionale”, sono state messe a punto
altre possibilità di utilizzo nei settori della meccanica sperimentale; in particolare, da qualche decennio
è stata valutata la possibilità di sfruttare la riflessione e trasmissione delle onde ultrasoniche dalla
superficie di separazione tra due mezzi, per studiare i problemi di contatto e l’efficienza di diversi tipi
di accoppiamenti. Già sul finire degli anni ‘50, il tedesco Krachter osservava che la riflessione delle
onde ultrasoniche alla superficie di separazione tra provini metallici compressi, subiva sostanziali
riduzioni quando essi erano sottoposti a livelli di carico crescenti [1]. Tali studi, ripresi nei primi anni
’70 [2-3], portarono ad un tentativo di definizione rigorosa dell’interazione degli ultrasuoni con
interfacce di contatto sottoposte ad un dato regime di stress. In circa 30 anni, si è potuto assistere ad un
notevole progresso nell’applicazione di metodi ultrasonici a problemi di contatto, tanto che oggi si
dispone di numerosi modelli teorici di propagazione delle onde ultrasoniche su interfacce generate
dall’accoppiamento di materiali di interesse ingegneristico, nonché di una notevole mole di risultanze
sperimentali ottenute in condizioni differenti per ciò che concerne i livelli di carico applicati, le
condizioni di rugosità superficiale e il tipo di materiali testati.
Passando a considerare il danneggiamento, le ruote ferroviarie possono incorrere in diversi fenomeni:
la rottura per fatica della cartella, la fatica termica (nel caso di ruote frenate a ceppi) e i
danneggiamenti tipici della zona di contatto con la rotaia (usura, pitting, spalling, shelling profondo,
ecc.). Questi ultimi sono più difficili da indagare: la loro analisi richiede infatti la conoscenza di
molteplici e complessi parametri, quali le storie dei carichi di contatto tra ruota e rotaia nelle diverse
condizioni operative e la corrispondente distribuzione degli sforzi normali e tangenziali, lo stato di
sforzo all’interno dei componenti nella zona interessata al contatto, l’effetto di un eventuale fluido
interposto tra ruota e rotaia (acqua), la resistenza all’usura e il comportamento ciclico (compresa la
legge di incrudimento) dei materiali impiegati, l’effetto dei difetti intrinseci del materiale ed altro
ancora [4-6]. Per tale motivo, le ricerche sui fenomeni di danneggiamento per contatto ciclico delle
ruote (e delle rotaie) ferroviarie, seppur di sempre maggior interesse e diffusione, non sono ancora
scaturite in riconosciute indicazioni generali di tipo progettuale, né, tanto meno, in risultati recepiti a
livello normativo.
Peraltro, oltre a comportare importanti oneri economici, i danneggiamenti per contatto ciclico possono
compromettere la stabilità di marcia dei veicoli ferroviari e in alcuni casi metterne fortemente a
repentaglio la sicurezza. E’ perciò particolarmente importante sviluppare dei criteri di previsione per
tali fenomeni, che consentano di indicare il tipo di danneggiamento atteso in funzione della tipologia
del componente e delle condizioni di esercizio. Questi criteri possono risultare utili sia in fase di
progettazione, in particolare per scegliere la miglior combinazione di materiali e geometrie in funzione
dei dati operativi del componente, sia in fase di manutenzione, per stabilire gli intervalli di ispezione e
di sostituzione delle ruote e delle rotaie.
Una classificazione più generale dei danneggiamenti per contatto ciclico delle ruote ferroviarie
consiste nel suddividerli in tre categorie fondamentali: l’usura, la fatica superficiale e la fatica
subsuperficiale (causata da micro o macro difetti interni). Questi fenomeni sono potenzialmente
concomitanti, ma la loro soglia di attivazione dipende dal tipo di materiale e dalle condizioni
operative: in uno specifico caso non è quindi detto che si verifichino tutti contemporaneamente.
Inoltre, alcuni di questi fenomeni sono in competizione tra loro (ad esempio l’usura e la fatica
superficiale) ed in tal caso il cedimento del componente (inteso come messa fuori servizio) sarà
causato da quello prevalente.