Sentire il caldo: rilevamento dei difetti ferroviari

Dec 30, 2023

Nello spettro tecnologico, le ferrovie sembrerebbero certamente inclinate verso il lato brutalmente semplicistico delle cose. Un paio di strisce di acciaio, alcune traverse di legno e zavorra di ghiaia per tenere tutto a posto, del materiale rotabile con ruote flangiate su assi fissi, e hai le basi che spostano merci e passeggeri almeno dal XVIII secolo.

Ma quella semplicità di base nasconde la vera complessità di una ferrovia, dove anche solo mantenere i treni sui binari può essere un compito arduo. Le forze che un treno a pieno carico può esercitare non solo sui binari ma su se stesso sono difficili da comprendere, e il potenziale di disastro è spesso solo una componente fallita di distanza. Ciò è diventato dolorosamente evidente con il recente deragliamento del Norfolk Southern nella Palestina orientale, Ohio, che ha provocato un incidente legato a materiali pericolosi che nessuna comunità è pronta ad affrontare.

Date le forze in gioco, mantenere i treni in rettilineo non è un'impresa da poco, e i progettisti ferroviari hanno ideato una rete di sensori e sistemi per aiutarli nel compito di tenere d'occhio cosa sta succedendo al materiale rotabile di un treno. treno. Diamo un'occhiata ad alcuni degli interessanti aspetti tecnici alla base di questi rilevatori di difetti lungo la strada.

A rischio di affermare l'ovvio, i treni hanno due caratteristiche essenziali che rendono necessari sistemi di monitoraggio: sono pesanti e sono lunghi. Il peso di un treno è un problema perché, anche se l'architettura di base di una ferrovia riduce l'attrito volvente tra una ruota e il terreno, non fa nulla per ridurre l'attrito tra gli assi del vagone e i camion che li trasportano. Questo è il compito dei cuscinetti delle ruote, che come qualsiasi altro componente meccanico sono soggetti a usura, danni ed eventuali guasti, con il rischio di conseguenze catastrofiche.

Per quanto riguarda la lunghezza di un treno, ciò diventa un problema quando la maggior parte del materiale rotabile è fuori dal campo visivo diretto delle persone che viaggiano sul treno. In passato, le limitazioni alla potenza delle locomotive tendevano a mantenere i treni relativamente corti, consentendo ai conducenti e agli macchinisti di tenere d'occhio ogni vagone. Ciò è stato reso più semplice dall'invenzione della cambusa; nella sua configurazione classica con la cupola finestrata che sporge sul tetto della carrozza e dalla sua posizione all'estremità del treno, i conducenti potevano osservare l'intera lunghezza del treno, soprattutto in curva. Dato che i cuscinetti delle ruote dell'epoca erano spesso semplici boccole in scatole di giornale imbottite con fibre imbevute d'olio, era generalmente facile individuare un guasto dei cuscinetti della "scatola calda" dal fumo e dalle fiamme che emettevano, un indicatore di problemi altrettanto poco evidente quanto ci sia mai stato.

I progressi ingegneristici, come la sostituzione dei cuscinetti a scorrimento con cuscinetti a rulli, hanno reso possibile la costruzione di vagoni ferroviari sempre più grandi. Oggigiorno i vagoni merci che operano sulle ferrovie nordamericane possono avere un peso lordo di 315.000 libbre (143 tonnellate), una quantità sbalorditiva di peso trasportata da soli otto cuscinetti a rulli. I miglioramenti nella progettazione delle locomotive hanno anche consentito ai treni costruiti con queste carrozze sovradimensionate di diventare sempre più lunghi; il treno merci medio nel 2017 era lungo tra 1,2 e 1,7 miglia (da 1,9 a 2,7 chilometri), con alcune ferrovie che utilizzavano regolarmente treni lunghi 3 miglia (4,8 km). Su un treno del genere, qualcosa di più di una dozzina di vagoni dietro le locomotive di testa è fuori dal campo visivo diretto del macchinista e del capotreno e funziona in modo completamente inosservato.

Il monitoraggio lungo i binari è la risposta ai problemi presentati dal ridimensionamento dei treni fino a dimensioni così enormi. Noti collettivamente nel settore ferroviario come "rilevamento dei difetti", i sensori e i sistemi installati periodicamente lungo i binari ferroviari scansionano automaticamente eventuali problemi con il materiale rotabile di un treno che potrebbero provocare un incidente.

Per una buona ragione, la maggior parte del rilevamento dei difetti si concentra sulle condizioni delle ruote e dei cuscinetti di ciascun vagone del treno. E poiché il nemico è l’attrito, la maggior parte dei rilevatori tiene conto del calore di questi componenti critici per valutarne le condizioni. Una tipica installazione di sensori lungo il percorso includerà sia rilevatori di hot-box (HBD) che rilevatori di ruota calda (HWD) su entrambi i binari. Entrambi i sensori sono generalmente basati su array di microbolometri come quelli delle termocamere. Per gli HBD, i sensori sono generalmente montati all'esterno del binario e rivolti verso l'alto, per poter osservare bene le scatole dei cuscinetti all'estremità di ciascun asse. Anche gli HWD sono generalmente montati all'esterno di ciascun binario, ma hanno lo scopo di guardare direttamente il lato della ruota mentre passa. Le caratteristiche termiche delle ruote e dei cuscinetti sono piuttosto diverse: le ruote possono diventare molto più calde dei cuscinetti prima di essere considerate un difetto, quindi gli HBD e gli HWD sono calibrati in modo diverso.