Progetti innovativi

L’ideazione, la progettazione e la pro- 45 totipazione di sistemi di sensing ad elevata integrazione destinati ad applicazioni di diagnostica nei veicoli, hanno come presupposto una molteplicità di indagini preliminari in ambiti molto diversi. Anche se le istanze di tipo tecnico e ingegneristico sono alquanto specifiche per ogni diversa tipologia di veicolo (automobile, treno, aeromobile, ecc.) e siano quindi di fondamentale importanza nella definizione di dettaglio del sistema di diagnostica, le strategie progettuali di fondo individuate nel corso della ricerca sono senza dubbio trasversali e la loro applicabilità è generale. Un esempio è rappresentato dall’architettura del sistema, così come dalle logiche di controllo adottate per la raccolta e interpretazione dei dati.

Tale premessa è utile a comprendere come, nonostante l’ambito di applicazione rappresentato dai mezzi di trasporto su rotaia sia apparso il più idoneo a raccog liere nell’immediato i benefici dei sistemi di diagnostica di nuova generazione, questo non sia da intendere come un confine stretto delle applicazioni possibili. Tanto per l’attività di progettazione quanto per la comprensione dell’importanza di questi dispositivi, è opportuno conoscere le problematiche di affidabilità che interessano i convogli ferroviari, sia quelli di nuova generazione in procinto di uscire dai cantieri, sia quelli di vecchia generazione che viaggiano quotidianamente sulle reti nazionali ed extranazionali.

Accanto alle criticità tecniche che contribuiscono a definire il livello complessivo di sicurezza del convoglio, e che sono di competenza esclusiva del progettista, sono da valutare altri tipi di problematiche. Anzitutto, quelle di tipo organizzativo e metodologico che investono i piani di prevenzione, ad esempio per la pianificazione degli interventi di manutenzione programmata da parte dei soggetti responsabili. Poi le criticità di tipo normativo, rappresentate dalla eccessiva distanza fra l’ideale e auspicabile coinvolgimento di una capillarità gerarchica di controlli e controllori con invece la reale lacunosità di piani di monitoraggio obbligatori. Si osserva come attualmente le spinte più rilevanti in campo di innovazione per la prevenzione e l’affidabilità in ambito ferroviario siano alimentate da necessità di mercato, come la riduzione dei guasti nei periodi di garanzia oppure il contenimento dei blocchi della linea, piuttosto che da ragionati processi volti alla salvaguardia dell’incolumità delle persone. Resta inteso che il problema non riguarda le singole realtà nazionali, ma si osserva come esso sia esteso all’intera Unione Europea. Insomma, la preliminare analisi dello scenario in cui l’invenzione dovrà operare è di primaria importanza per l’inventore, poiché l’oggetto del suo lavoro sarà tanto più efficace per la collettività quanto meglio saprà rispondere alle carenze in essere nel sistema.

Le attività di studio e progettazione sono state condotte presso il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Torino con il supporto di un gruppo di ricerca operante da tempo sia nel settore ferroviario sia in quello delle microtecnologie. Ben coniugando questi due ambiti scientifici, il lavoro svolto si è prefissato l’obiettivo di fornire uno strumento per la diagnostica di bordo di veicoli di grande diffusione, quali sono i convogli ferroviari.

Il risultato della ricerca è applicabile sia ai treni adibiti al trasporto passeggeri, sia a quelli adibiti al trasporto merci. Molti veicoli appartenenti alla seconda categoria di convogli sono attualmente quasi del tutto sprovvisiti di sistemi di diagnostica volti al monitoraggio anche dei più semplici e fondamentali parametri di marcia. Inoltre, i convogli sono spesso impiegati in viaggi extranazionali e il controllo della loro dislocazione sul territorio nazionale e continentale è assai difficile; altrettanto difficoltoso è il mantenimento di un database relativo alle tempistiche di manutenzione, ai momenti di sosta programmata e alla sostituzione dei componenti usurati. Queste carenze, unite al basso livello tecnologico complessivo che caratterizza i convogli, hanno ovviamente fortissime ripercussioni sull’affidabilità dei mezzi e sulla sicurezza dei passeggeri e delle persone in generale, come è emerso dalle riflessioni avviatesi a seguito di alcuni recenti incidenti, come quello del 2009 a Viareggio per il cedimento di un asse o quello del 15 febbraio 2010 a Buizingen (Belgio) per la mancanza di rilevatori automatici dei segnali di stop.

Le caratteristiche del dispositivo che è stato ideato e progettato, coniugano da un lato la possibilità di effettuare un monitoraggio dello stato di salute dei componenti rotabili più criticamente sollecitati durante la marcia e di valutarne le proprietà di resistenza istante per istante, dall’altro il soddisfacimento delle specifiche industriali necessarie a una applicazione rapida e di vasta scala.

Alcune proprietà del sistema di monitoraggio sono state appositamente studiate al fine di:

- non necessitare di alimentazione esterna per mezzo di complessi sistemi di cavi elettrici che avrebbero rivoluzionato la struttura delle carrozze; al contrario il sistema è autoalimentato per mezzo di micro-generatori di potenza in grado di convertire le vibrazioni del treno in energia elettrica (la tecnolgia di recente sviluppo afferente ai MEMS - micro electro mechanical systems - è stata adottata per la loro progettazione e fabbricazione)

;- non necessitare di connessioni fisiche per la trasmissione dei dati, che avviene in modalità wireless tra i nodi della rete tramite un protocollo di comunicazione specifico;

- essere facilmente integrabili a bordo veicolo per mezzo della semplice sostituzione di una delle viti presenti sul coperchio della boccola (componente che vincola il gruppo ruote-riduttore al telaio del carrello) con una vite modificata, la quale contiene al suo interno il sistema di rilevamento;

- non richiedere la omologazione della carrozza dopo la strumentazione, poiché nessuna parte strutturale della stessa è stata soggetta a riprogettazione.

Le grandezze fisiche di accelerazione e temperatura sono misurate dal dispositivo esattamente nei punti strutturalmente più vulnerabili e poi trasmesse a una centralina di controllo che provvede alla loro interpretazione e a fornire un segnale di allarme in caso di anomalia. Le due grandezze fisiche lette, per mezzo di una opportuna calibrazione del sistema effettuata sulla base dei dati storici di marcia dei convogli, permettono di comprendere in tempo reale se le parti rotanti siano soggette a vibrazioni anomale o surriscaldamenti, entrambi sintomi di malfunzionamenti e, nei casi più gravi, di cedimenti strutturali. L’applicabilità commerciale e industriale della presente ricerca è evidente e ne è stato uno dei motori. E’ stata in particolare perseguita la necessità, apparsa evidente allo stato attuale, di proporre una soluzione per la modernizzazione e l’avanzamento tecnologico in un settore molto attivo e dalla consistente presenza sul territorio nazionale come quello ferroviario. Le nuove tecnologie quali sono i microstemi hanno permesso di realizzare il cuore del dispositivo frutto dell’attività di ricerca, ovvero il micro-generatore di potenza in grado di alimentare in modo autonomo il sistema di monitoraggio.

Le successive integrazioni dei componenti e l’originale assemblaggio sono volte alla comoda, rapida e numericamente estesa applicazione del dispositivo sui convogli ferroviari attualmente già in circolazione senza eccessivo sforzo industriale. Resta valida inoltre l’applicazione sui convogli di nuova fabbricazione. La complessità di fabbricazione del sistema di diagnostica integrato è limitata, essendo questo in gran parte costituito da componenti di facile reperibilità e basso costo. La produzione del micro-generatore impiegato per l’alimentazione di ciascun nodo rientra nelle attuali competenze di molti costruttori di componenti microelettronici; per sua natura, la tecnologia dei microsistemi consente il contenimento dei costi di produzione grazie alla serialità e all’automatizzazione dei processi di fabbricazione (ne è testimonianza la vasta diffusione che i sensori MEMS hanno conosciuto negli ultimi 4-5 anni).

I vantaggi potenziali dell’applicazione del sistema di diagnostica descritto, battezzato ‘smart screw’ (ossia ‘vite intelligente’), sono evidenti e immediati se il confronto parte dall’analisi delle attuali strategie di monitoraggio dei convogli ferroviari per il trasporto di merci, che percorrono la rete e sfrecciano nelle stazioni delle nostre città ogni giorno. Mentre i treni passeggeri, specialmente quelli di media e alta fascia, sono dotati di un maggior numero di strumenti di controllo resi necessari dalle loro elevate velocità, i treni merci non possono essere monitorati a bordo veicolo, ma solamente da terra. Questo presupposto, conseguenza della mancanza di un cablaggio elettrico sui vagoni, pone notevoli limitazioni all’efficacia e al dettaglio delle rilevazioni, nonché alla loro tempestività. Di fatto, il monitoraggio delle parti più sollecitate avviene attraverso portali fissi montati sulla linea e dotati di termocamere ai raggi infrarossi e telemetri; tali portali forniscono una mappa delle temperature del convoglio, piuttosto grossolana vista la distanza di puntamento, e un rilievo di massima della sagoma limite dei vagoni. Un ulteriore contributo viene talvolta fornito da sensori laser posti in prossimità delle rotaie che, osservando il treno dal basso, ne determinano le temperature massime. Anche se la risoluzione di tali sistemi rimane un problema, la loro limitazione più grande risiede nello scarso numero di stazioni di rilevazione poste sulla linea, dettato sia dal costo elevato del singolo portale sia dalla presenza di ostacoli fisici non sempre aggirabili.

La conseguenza è una frequenza molto bassa delle rilevazioni (si parla di una media di un portale ogni 50 chilometri per le reti degli Stati europei più all’avanguardia nel settore) che riduce sensibilmente la capillarità di questo approccio di monitoraggio e che porta a rilevazioni intempestive delle eventuali anomalie, nel caso queste avvengano lontano dai punti di rilevamento. La strategia vincente pare essere quella di ripensare a sistemi di diagnostica di bordo, più economici, affidabili e tempestivi di quelli di terra, a patto però di riuscire ad ovviare alle problematiche di alimentazione e trasmissione che riguardano convogli dai contenuti tecnologici molto bassi. La ricerca sembra essere in grado di proporre soluzioni adatte, come questo caso dimostra. Le prossime fasi di prototipazione, già in corso, e di prova a bordo veicolo, daranno le prime risposte.