|
|
|
|
Dr. Ing. Giulio GIOVANARDI
Tratto da Ingegneria Ferroviaria – Gennaio 1968
Il testo riproduce fedelmente l'originale anche nelle scelte tipografiche quali titoli, sigle, abbreviazioni e simili.
Torna agli articoli sulla storia delle ferrovie
Nel quadro dell'ammodernamento e potenziamento delle F.S. il Servizio Materiale e Trazione ha progettato una locomotiva elettrica – gruppo 444 – atta a marciare alla velocità di 200 km/h e quindi a rendere competitive, sui medi percorsi le comunicazioni ferroviarie rispetto ad altri mezzi concorrenziali
L'alta velocità è stata ottenuta attraverso una originale impostazione delle caratteristiche elettromeccaniche dei quattro motori di trazione, con eccitazioni in serie, provvisti di avvolgimento di compensazione al 97 % e poi conferendo, con opportune soluzioni, nel dispositivo di trasmissione e del movimento alle ruote, di molleggio e di trazione bassa, elevata stabilità congiunta ad elasticità nella ripartizione dei carichi sulle ruote e perfetta aderenza di quest'ultime al binario nelle varie condizioni di marcia. I circuiti di trazione, con avviamento in parte automatizzato, e le apparecchiature ausiliarie si richiamano a quelle da lungo tempo collaudate dei precedenti tipi di locomotive F.S., debitamente aggiornati.
Il comportamento della locomotiva alle alte velocità è risultato assai soddisfacente fornendo valori ridottissimi sulle spinte orizzontali misurate tra boccole e fusello, sia in rettilineo che. in curva.
Viene descritta la corsa di prova della nuova locomotiva sul percorso Roma-Napoli e ritorno.
La mattina dell'8 novembre 1967, in Stazione di Roma Termini, i tecnici dei Servizi Trazione, Lavori ed Impianti Elettrici dell'Azienda Autonoma delle Ferrovie dello Stato si sono stretti attorno al loro Direttore Generale, Ing. FIENGA, per assistere al battesimo della nuova locomotiva E. 444, cui è stato dato il nome di « Tartaruga », e per prendere poi parte al viaggio di prova ufficiale per Napoli.
Il Presidente del Consiglio On. MORO, il Ministro dei Trasporti On. SCALFARO, i Presidenti delle Commissioni Trasporti del Senato e della Camera, Parlamentari, tecnici e giornalisti, con la loro presenza hanno voluto dare il giusto risalto alla semplice cerimonia e partecipando poi al viaggio si sono potuti rendere direttamente conto dei notevoli progressi che l'Amministrazione delle F.S. ha conseguito alla scadenza del primo quinquennio del « Piano Decennale di ammodernamento »; i tecnici delle Ferrovie dello Stato hanno potuto così dimostrare ai rappresentanti del Governo, del Parlamento e alla Nazione tutta, che gli 800 miliardi del primo piano quinquennale sono stati ben spesi a favore della collettività e nell'interesse del Paese, e che allo scadere dei 10 anni previsti dal piano si potrà contare su una rete ferroviaria finalmente ammodernata e posta in condizioni di parità con le Nazioni sia europee che extraeuropee all'avanguardia nel campo della tecnica ferroviaria.
Il merito del risultato più che soddisfacente della corsa di prova va innanzitutto ai tecnici del Servizio Materiale e Trazione ed in particolare degli Uffici Studi, che hanno interamente progettato la locomotiva E. 444 ed elaborato le vetture in composizione al treno prova, e a quelli addetti ai controlli non distruttivi dei materiali per aver messo a punto sistemi di esame dei vari organi del rodiggio (assili, centri ruota e cerchioni) interessanti la sicurezza dell'esercizio, ai tecnici e maestranze dell'Officina di Foligno che hanno costruito i motori di trazione della locomotiva prototipo ed infine ai tecnici e maestranze dell'Officina di Torino per l'assiemamento delle sale montate. Va tenuto in debita considerazione il contributo apportato dai tecnici del Servizio Lavori e Costruzioni che hanno studiato e realizzato sensibili miglioramenti alla strada ferrata consentendo velocità fino a 210 km/h, da quelli del Servizio Impianti Elettrici che hanno concepito e messo a punto notevoli migliorie alla linea aerea di contatto consentendone il perfetto accoppiamento con il pantografo che ha derivato, nel campo di velocità tra i 150 e 200 km/h, potenze dell'ordine dei 4000 kW ed infine dal personale delle Ditte che hanno collaborato con il personale F.S. per la realizzazione del materiale rotabile e dell'armamento.
Il convoglio di prova trainato dalla locomotiva E 444.001, prima delle quattro unità prototipo costruite da un'industria nazionale, era costituito da un bagagliaio-posta del gruppo 93250 e da sei carrozze viaggiatori di recente costruzione, e precisamente una carrozza di 1' cl. tipo UIC Y, quattro carrozze di 1* cl tipo UIC X ed una carrozza di 2* cl con bar, sèmpre del tipo UIC X. Essendo il peso medio delle carrozze di t 46, compreso il carico di viaggiatori, e quello del bagagliaio di t 38, il peso totale del convoglio raggiungeva le 314 t, cui vanno aggiunte le 79 t della locomotiva; pertanto il peso totale del treno ascendeva a 393 tonnellate.
Il treno TV 33069 Roma Termini - Napoli Mergellina è partito da Roma alle ore 9 precise raggiungendo Napoli Mergellina alle ore 10,28 con una percorrenza di 88'; il treno TV 34020 Napoli Mergellina - Roma Termini è, invece, partito da Napoli alle ore 11,17 arrivando a Roma Termini alle ore 12,41 1/2 con una percorrenza di 84' 1/2 essendo la distanza che separa le Stazioni di Roma Termini e di Napoli Mergellina di209,83 km, il treno TV 33069 ha tenuto una velocità media di 143 km/h ed il treno TV 35020 quella leggermente superiore di 150 km/h.
Si riportano le zone tachimetriche dei due treni suddetti; mentre in ordinate sono indicate le velocità in km/h, sulle ascisse sono indicati i tempi in minuti primi ed i corrispondenti valori degli spazi percorsi in km; dall'esame delle zone in questione si rileva che il treno 33069 ha marciato a velocità superiore ai 200 km/h per oltre 10 km, ed esattamente dal km 44 tra Campoleone e Cisterna, transitando a 205 km/h sugli scambi di quest'ultima stazione e mantenendo tale velocità fino al km 55, con punte massime di velocità del valore di 207 km/h.
|
|
|
|
La velocità è stata ridotta al di sotto del minimo d'impostazione di 145 km; h solo dove richiesto dal tracciato e precisamente a 110 km/h al transito delle . stazioni di Formia e Pozzuoli; alla stazione di Villa Literno la riduzione di velocità per il treno dispari è stata fino a 60 km/h mentre per il treno pari è stata solo a 120 km/h, essendo stato posto in opera dal Servizio Lavori un nuovo scambio simmetrico (tangente 0,055) che può essere appunto impegnato a tale velocità.
La considerazione più importante da fare è, a parere dello scrivente, quella che risultati così brillanti sono stati conseguiti ricorrendo ad una locomotiva che, pur presentando soluzioni originali sia per la parte meccanica che per quella elettrica, come meglio preciseremo in seguito, segue la tecnica tradizionale di progettazione dei rotabili automotori delle F.S. e a carrozze ed a un bagagliaio che, pur essendo tra i più recenti del parco, sono a centinaia già in servizio sulla rete F.S.; anche la strada ferrata è quella tradizionale con le innovazioni suggerite dal progredire della tecnica e la linea aerea di contatto e le sottostazioni di alimentazione della medesima erano in normali condizioni di esercizio.
In altre parole ciò vuoi dire che dal punto di vista tecnico non vi sono difficoltà da risolvere e che ciò che è stato realizzato a titolo di prova potrà essere trasferito al normale esercizio quando all'Amministrazione F.S. verranno dati fondi adeguati per le necessario rettifiche delle linee, per l'estensione del blocco automatico e per la ripetizione dei segnali a bordo delle locomotive.
Con la rettifica della Firenze-Roma (che avvicinerà queste due città di ben 52 km, riducendo la distanza che le separa da 316 a 264 km) ed il potenziamento delle sottostazioni elettriche, così come è stato possibile andare da Napoli a Roma in meno di un'ora e mezza, sarà possibile coprire il percorso Roma-Firenze in un'ora e 45', la percorrenza tra Firenze e Bologna potrà ridursi a 50', e quella tra Bologna e Milano, con alcune modeste rettifiche, ad un'ora e 30'; in totale, tenendo conto delle soste a Roma, Firenze e Bologna e dei necessari allungamenti di percorrenze da prevedere per lavori in linea ecc., sarà possibile con un normale treno viaggiatori a carrozze, andare da Napoli a Milano in sei ore, risparmiando così due ore sulla attuale percorrenza della « Freccia del Vesuvio », cioè del nostro convoglio più veloce effettuato con elettrotreni.
Ed ora alcuni dati sulle nuove loc. E.444.
| Rodiggio | Bo-Bo |
| Lunghezza totale fra i respingenti | m 16,84 |
| lunghezza della cassa | m 15,6 |
| Distanza tra i perni dei carrelli | m 9 |
| Passo rigido del carrello | m 2,60 |
| Diametro delle ruote a cerchioni nuovi | m 1,250 |
| Rapporto di trasmissione | 41/77 |
| Numero di motori | 4 |
| Potenza continua (resa) | kW 3040 |
| Potenza oraria (resa) | kW 3420 |
| Velocità massima ammessa | km/h 180 |
| Peso totale in servizio | t 79 |
| Peso per asse | t 19,75 |
| Peso motore di trazione | t 5 |
| Peso carrello senza motori | t 13,5 |
| Peso carrello con motori | t 23,5 |
| Peso equipaggiamento elettrico | t 14,5 |
| Peso cassa | t 16,7 |
| Peso parte meccanica | t 43,7 |
| Peso parte elettrica | t 34,5 |
| Sforzo di trazione al cerchione all'avviamento, in corrispondenza ad una corrente di 850 A: | kg 20200 |
| Sforzo di trazione al cerchione in corrispondenza della potenza continua ed alla velocità di chilometri orari 91: | t 11,550 |
Ha un ingombro di 1100 mm in lunghezza e di 1240 mm in larghezza, un peso di 5000 kg, può erogare una potenza continua di 760 kW a 740 giri/min ed una potenza oraria di 855 kW a 710 giri/min a pieno campo. (Vedi figure 1 e 2).
|
|
|
|
Il motore con eccitazione serie è a 6 poli principali e a 6 poli ausiliari; è provvisto di avvolgimento di compensazione (la compensazione è pari al 97%), per cui il funzionamento del motore è più che regolare fino alla percentuale di shuntaggio utilizzata del 65%.
E' completamente isolato in classe F, a ventilazione forzata con una portata d'aria di 110 m3/min: la resistenza interna del motore alla temperatura del riferimento di 110° C è di 0,099 *. Il grado di elasticità del motore, in corrispondenza della corrente continua, è pari a 1,67.
Nella figura 3 sono rappresentate le curve caratteristiche (sforzo di trazione in kg in ordinate, velocità in km/h in ascisse) della locomotiva in corrispondenza del rapporto di ingranaggi prescelto (41/77); dall'esame delle predette curve si rileva che la potenza continua della locomotiva può essere sfruttata, nella combinazione di parallelo, da 91 a 153 km/h; in corrispondenza di detti valori delle velocità lo sforzo di trazione varia da 11550 a 7000 kg.
|
|
Per evitare eccessivi pesi non sospesi gravanti sull'assile e in considerazione dell'elevata velocità di utilizzazione, si e fatto ricorso alla trasmissione del movimento ad albero cavo e, poiché quella ad anello danzante utilizzata per le locomotive E.646 ha dato ottimi risultati in esercizio, si è ricorsi alla stessa trasmissione per la locomotiva in oggetto.
Nella fig. 4 è rappresentato il gruppo motore-sala e la trasmissione de1 movimento; per la prima volta su locomotive F.S. per l'accoppiamento motore-albero cavo si sono utilizzati cuscinetti a rotolamento a rulli.
|
|
Nella fig. 5 è indicato come è stata realizzata l'unione dei due motori di trazione tra loro e dei medesimi con il telaio del carrello; il carrello non ha la forma classica ad H, ma si presenta come un O in quanto è stata eliminata la trave centrale e ciò allo scopo di avvicinare tra loro i due motori e di ridurre così il valore del momento di inerzia rispetto all'asse verticale di rotazione del carrello stesso.
|
|
Come già detto i motori hanno un peso di 5 t ciascuno e con tale accorgimento rispetto alla soluzione classica sono ridotte le spinte assiali sulle sale; inoltre attraverso il collegamento delle carcasse dei motori fra di loro e delle zampe di collegamento sottoboccole del motore trave di testata del telaio, si è conseguito un adeguato irrigidimento nel senso longitudinale del carrello stesso.
La trasmissione della coppia del motore all'albero cavo è ottenuta attraverso un accoppiamento diretto pignone corona con il rapporto di riduzione 41/77; con tale realizzazione è derivato un valore del passo del carrello di 2,60 m, che è risultato adeguato ad ottenere soddisfacenti condizioni di stabilità di marcia anche alle massime velocità e che, peraltro, ha consentito di tenere nei limiti prestabiliti sia i pesi che gli ingombri.
Per ridurre al minimo, compatibilmente con la sagoma limite, il cabraggio del carrello, si è fatto ricorso alla trazione bassa come indicato nella fig. 6.
|
|
L'asse ideale di trazione risulta a soli 250 mm dal piano del ferro; la trave inferiore, di appoggio della carcassa dei motori, porta il perno cerniera il quale viene collegato alla struttura della cassa a mezzo di due tiranti realizzati con funi metalliche a trefoli. E’ ovvio che per ogni carrello, secondo il senso di marcia, interverrà a trazione uno solo dei due tiranti.
Nella fig. 7 è rappresentato l'insieme delle sospensioni primaria e secondaria della locomotiva, che sono state realizzate totalmente con molle ad elica.
|
|
La sospensione secondaria, come risulta dalla sezione EF, è costituita per ogni boccola da due perni di trazione che trovano alloggio a bagno d'olio nelle sedi cilindriche portate dal corpo boccola; un elemento elastico per ogni perno, mentre assorbe le spinte assiali, consente i movimenti relativi dell'asse rispetto al telaio del carrello; i giochi tra perni e cilindri di guida, sono ridotti al minimo (dell'ordine di decimi di mm), e ciò sempre ai fini della stabilità di marcia.
Poiché è stata eliminata la classica trave oscillante, la struttura portante della cassa e precisamente le due fiancate, poggiano direttamente sulle molle ad elica della sospensione primaria; attraverso due bilanceri e due pendini il peso della cassa va a scaricarsi sulle fiancate del carrello a mezzo di una trave ausiliaria; detta trave consente la completa rotazione del carrello rispetto alla cassa in quanto è collegata alla struttura della cassa stessa a mezzo di due biellette contrapposte cernierate elasticamente alle estremità.
L'appoggio della trave ausiliaria sulle fiancate dei carrelli è realizzata a mezzo pattini fenoplasto-acciaio, immersi in bagno d'olio.
Con tale realizzazione si sono ottenuti i seguenti cedimenti per tonnellata locomotiva:
| sospensione primaria | 1,09 mm/t |
| sospensione secondaria | 3,31 mm/t |
| in totale | 4,40 mm/t |
Nella fig. 8 è rappresentata la vista longitudinale del carrello.
|
|
La struttura costituente il telaio della cassa e la cassa stessa sono realizzate completamente con lamiere d'acciaio Aq saldate elettricamente tra loro; il telaio è stato sottoposto con esito più che soddisfacente ad una prova di compressione di 200 t; le testate sono calcolate e predisposte per ricevere l'applicazione dell'aggancio automatico.
Nella fig. 9 è rappresentata una fotografia della locomotiva stessa.
|
|
Passiamo ora a descrivere il circuito di trazione che è rappresentato nella fig. 10.
|
|
Dai due pantografi del tipo 52 F.S. collegati in parallelo tra loro, attraverso i coltelli sezionatori e quello di messa a terra, si alimenta l'interruttore extrarapido del tipo JRM 29 della CGE, identico a quello utilizzato sulle preesistenti locomotive in servizio.
Come per le locomotive E.646, è prevista l'esclusione dell'extrarapido e l'utilizzazione di un circuito di prova d'isolamento per il circuito di trazione e per quello del riscaldamento elettrico carrozze.
Come per le locomotive E.646 l'interruttore extrarapido è a monte della derivazione per i servizi ausiliari e per il riscaldamento elettrico.
In considerazione delle notevoli potenze in gioco per il passaggio dalla combinazione di serie a quella di parallelo è stato scelto il sistema di transizione a ponti che consente il passaggio dall'una all'altra combinazione con i quattro motori sempre attivi.
I contattori utilizzati sul circuito di trazione sono 25 e di due tipi diversi; il primo tipo, denominato P 800, utilizzato come contattore di linea e per la combinazione dei motori, nonché per la esclusione delle resistenze n. 1 e 2 di valore superiore ad 1 Q; il secondo tipo, denominato R 800, utilizzato unicamente per l'esclusione delle rimanenti 17 resistenze del reostato; entrambi i contattori sono del tipo elettropneumatico ed hanno una portata continuativa di 800 A.
In considerazione sempre delle notevoli potenze in gioco, per ottenere un avviamento rapido e graduale sfruttando i limiti dell'aderenza si è ritenuto opportuno eseguire una esclusione fine del reostato (43 tacche in serie e 21 in parallelo) ricorrendo ad un avviatore automatico a comando elettrico.
Si fa rilevare che per aumentare gradualmente lo sforzo di trazione in avviamento a reostato incluso l'inserzione della locomotiva avviene con i quattro motori con il massimo grado di shuntaggio; restando l'avviatore in posizione di O, il combinatore di shuntaggio fa variare attraverso cinque posizioni la percentuale di indebolimento del valore massimo dal 65 a zero.
Si fa rilevare ancora che per realizzare 62 tacche di reostato con soli 19 contattori si è ricorso all'artificio di reinserire periodicamente parte del reostato stesso; precisamente esistono 6 resistenze da *1 a *6 (ciascuna da 0,405 *) il cui valore supera di 0,073 * la somma dei valori delle 4 resistenze 6, 7, 8, e 9 o 10, 11, 12 e 13, ciascuna del valore di 0,083 *.
Periodicamente, dopo l'esclusione delle 4 resistenze 6, 7, 8 e 9 o 10, 11, 12 e 13, avviene contemporaneamente l'esclusione di una delle resistenze somma e la reinserzione delle 4 resistenze.
L'esclusione dell'ultimo valore di resistenze nella combinazione di serie viene realizzata con la chiusura del contattore 15 che collega direttamente i due rami dei motori; contemporaneamente si reinseriscono le resistenze 1, dalla 4 alla 13 e dalla *1 alla *6.
La transizione serie parallelo viene effettuata in tre fasi: nella prima si apre il contattore 14, nella seconda si chiudono i contattori C e 16 e si ha la predisposizione per il parallelo dei due rami di motori, nella terza si apre praticamente senza passaggio di corrente il contattore 15 che lascia così i motori collegati in parallelo con le resistenze, di cui si è sopra accennato, inserite.
Come già detto in precedenza, il cabraggio dei carrelli è stato praticamente eliminato con la trazione bassa; rimane, invece, il cabraggio della cassa; per eliminarlo si è ricorso ad un dispositivo di anticabraggio simile a quello utilizzato sulle locomotive E.645; praticamente nella composizione di serie i motori del carrello anteriore senso marcia risultano inseriti con una percentuale di shuntaggio che è sempre superiore di un grado a quella dei motori del carrello posteriore; nella combinazione di parallelo, invece, i motori del carrello posteriore sono inseriti con una percentuale di shuntaggio superiore di un grado a quella dei motori del carrello anteriore.
Per realizzare lo shuntaggio di campo si è fatto ricorso a due combinatori di shuntaggio di caratteristiche uguali a quelli utilizzati sulle locomotive E.646.
La protezione di massima corrente del circuito di trazione viene realizzata attraverso l'intervento diretto dell'extrarapido tarato a 2000 A; un relè differenziale agente sull'intero circuito di trazione interviene per squilibri superiori a 250 A; su ciascuno dei due rami di motori è inserito un relè differenziale sensibile a squilibri superiori a 85 A.
L'avviatore è comandato da un relè di avanzamento Ral e da un relè di ritorno Ra2 - Ra3 con due bobine agenti su ciascuno dei due rami dei motori; con questo ultimo relè ci si protegge da anormali sovraccarichi in ambedue le combinazioni.
Sempre nella figura 10 è rappresentato il circuito di frenatura.
A mezzo di apposito combinatore i 4 motori di trazione vengono collegati a due a due in parallelo, mentre i 4 avvolgimenti di eccitazione, collegati in serie, ed il reostato di trazione vengono circuitati come indicato nello schema semplificato di fig. 10.
L'eccitazione dei motori risulta così del tipo indipendente e viene ottenuta a mezzo di due gruppi trasformatore-raddrizzatore in tampone con la batteria a 24 V.
Per mantenere pressoché costante e pari a circa kg 7700 lo sforzo di frenatura nell'intervallo di velocità da 180 a 140 km/h, sono state previste 5 posizioni del combinatore di frenatura; a ciascuna posizione corrisponde un valore diverso della resistenza ohmica del reostato attivo: per valori della velocità varianti tra 140 ed 85 km/h lo sforzo di frenatura decresce da 7700 a 4500 kg; alla velocità di 85 km/h il circuito di frenatura si apre e cessa l'azione della frenatura elettrica.
L'azionamento del combinatore è automatico e comandato da apposito relè di corrente.
Da notare inoltre che la frenatura elettrica e la frenatura pneumatica vengono comandate a mezzo di unico dispositivo (rubinetto del freno) e che per frenature non di. emergenza e per velocità di marcia superiori a 160 km/h uno speciale selettore consente la sola frenatura elettrica; per velocità comprese tra 160 e 85 km/h i due sistemi di frenatura si integrano come peraltro avviene anche per velocità maggiori di 160 km/h nel caso di frenatura di emergenza.
Le protezioni dei circuiti e delle macchine durante la frenatura sono del tipo classico (relè di massima corrente tarati a 600 A e relè di massima tensione tarato a 4000 V circa).
II circuito dei servizi ausiliari in alta tensione si riduce, oltre al circuito di riscaldamento delle cabine di guida, alla alimentazione dei due gruppi motoalternatori da 45 kVA; i motori a c.c. 3000 V sono di nuova progettazione, per una corrente continua di 23 A; ogni motore è protetto ad una resistenza zavorra da 70 Q, di cui 50 escludibili automaticamente dopo l'avviamento. Ciascun gruppo è protetto da un relè differenziale e da una valvola FER da 31,5 A.
Gli alternatori tritasi alimentano a 220 V – 50 Hz i seguenti apparecchi:
Nel corso delle prove eseguite per valutare il comportamento dinamico della locomotiva, specie nel campo di velocità compreso tra i 150 ed i 200 km/h, si è riscontrata un'ottima stabilità di marcia ed i valori delle spinte orizzontali misurate tra boccola e fusello sia in rettilineo che in curva, sono risultati ridottissimi e vengono riportati sulla tabella allegata e confrontati con quelli corrispondenti misurati sulle loc. E.646.
|
|
Risultati tanto lusinghieri, specie se si considera che sono stati ottenuti con un prototipo, sono stati possibili grazie alla stretta collaborazione di tutti i tecnici dell'Ufficio Locomotive del Servizio Materiale e Trazione per la passione con cui hanno eseguito la progettazione della locomotiva, ne hanno seguita poi la costruzione e preso viva parte all'esecuzione delle prove. Attualmente sono in corso le trattative per l'assegnazione all'industria nazionale della costruzione di 50 locomotive E.444, identiche ai quattro prototipi per quanto riguarda la parte meccanica, ma la cui potenza continua salirà a 3760 kW a seguito dell'aumento della potenza dei motori di trazione e del necessario adeguamento del reostato e della ventilazione sia dei motori che del reostato stesso.
