Veicoli su rotaia

Veicoli su rotaia
Ing. Maurizio Fantini – Novembre 2014
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Veicoli su rotaia
• La ferrovia (strada ferrata), sistema di trasporto terrestre
a guida vincolata, esiste da quasi 190 anni: la prima in
Inghilterra nel 1825 (in Italia nel 1839).
• La rete ferroviaria mondiale ha oggi uno sviluppo di
1.300.000 km circa.
• Bastano pochi dati per comprendere le peculiarità della
ferrovia:
la possibilità di trasportare 60.000 passeggeri all’ora per
direzione (servizi urbani e suburbani) , di trasportare
1100 passeggeri a 300 km/h (collegamenti ad alta
velocità), di effettuare convogli merci di oltre 30.000 t.
Veicoli su rotaia
• I maggiori vantaggi del trasporto su rotaia rispetto agli altri sistemi:
- i bassi consumi energetici, grazie alle ridotte resistenze al moto;
- il basso inquinamento;
- la guida direzionale affidata alla stessa via (sistema di guida molto
semplice rispetto a quello di altri sistemi guidati);
- la possibilità di concentrare elevate potenze motrici;
- la sicurezza , le ferrovie in particolare quelle europee,
rappresentano il sistema di trasporto più sicuro.
** Secondo dati di fonte giapponese, l’energia necessaria per
trasportare un passeggero per un km con un treno ad alta velocità
(Shinkansen serie 700) è di 64 kcalorie, un terzo dell’energia
necessaria a un autobus di linea, circa un sesto di quella assorbita
da un aereo di recente generazione, un decimo di quella necessaria
ad un’auto privata.
** Per quanto riguarda l’emissione di CO2 per pass.-km, rispetto al
treno AV, l’autobus è 7 volte più inquinante, l’aereo 10 volte e l’auto
privata oltre 16 volte.
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• Nella definizione di un sistema di trasporto è la capacità di traffico, in
termini di passeggeri (passeggeri-km) e/o di merci (tonnellate-km)
che determina la sua convenienza economica; occorre tuttavia
tenere presente anche altri fattori, quali l’impatto ambientale, che
possono orientare la scelta sul sistema ferroviario.
• La sede ferroviaria occupa poco territorio; basti pensare che la
superficie impegnata dall’intera linea ad alta velocità Parigi-Lione,
lunga 450 km, è inferiore a quella occupata dall’aeroporto di Parigi
Roissy.
• Le dimensioni contenute e le caratteristiche intrinseche al sistema
ferroviario hanno favorito la realizzazione di grandi opere, come il
tunnel sotto la Manica (costituito da due gallerie principali di 50 km
ed una galleria ausiliaria), il tunnel sottomarino del Seikan, in
Giappone, lungo 53,8 km ed il traforo di base del San Gottardo
costituito da due gallerie di 57 km, completato recentemente.
Veicoli su rotaia
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Veicoli su rotaia
Gli elementi che costituiscono la ferrovia
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Il binario: è costituito da due rotaie appoggiate su traverse (di legno trattato, di
cemento o acciaio), ancorate a queste per mezzo di attacchi; le traverse
appoggiano sulla massicciata o ballast ,costituita da pietrisco, o su piattaforme di
cemento provviste di elementi elastici per limitare le vibrazioni.
Le rotaie sono unificate esistono di vari tipi : es. 36 kg/m, 50 kg/m, 60 kg/m.
Le rotaie sono costituite da spezzoni uniti da giunti di dilatazione, ora vengono
saldate, grazie ai nuovi attacchi ed al maggiore numero di traverse.
Le rotaie ferroviarie sono a fungo, quelle tranviarie a gola.
L’insieme di rotaie e traverse è comunemente chiamato armamento (ferroviario).
Il filo superiore della rotaia viene normalmente chiamato piano del ferro (p.d.f.)
Lo scartamento : distanza tra le facce interne delle rotaie
Scartamento normale 1435 mm (tranviario italiano 1445 mm), ridotto 1000 mm
(950 mm in Italia), 1067 mm, largo 1520 mm (Russia), 1600 mm (Brasile, Irlanda),
1668 mm (Spagna, Portogallo). Lo scartamento normale riguarda circa il 60%
della rete mondiali.
Vi sono treni a scartamento variabile (es, Talgo RD)
Lo scambio o deviatoio è l’elemento che consente il cambio di direzione, presenta
in corrispondenza del cuore una discontinuità (spazio nocivo). Sulle linee ad alta
velocità gli scambi sono a ‘cuore mobile’.
La sagoma limite: è l’ingombro massimo entro cui deve rimanere il rotabile;
con lo scartamento è l’elemento base per consentire l’interoperabilità dei rotabili
(in Europa fiche UIC 505- sagoma limite dinamica).
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Binario e sala ferroviaria
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Ruota ferroviaria
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Sistemi di trazione
Esistono due sistemi di trazione: elettrica e termica (vapore, diesel, turbina a gas).
Il treno è nato grazie alla macchina a vapore; oggi questo tipo di trazione si trova in alcuni servizi turistici.
Fino a poche decine d’anni fa in India e in Cina venivano ancora prodotte locomotive a vapore.
La scelta del sistema di trazione è normalmente funzione del traffico.
La trazione elettrica è nata sperimentalmente negli USA nel 1869 e dieci anni dopo in Germania.
Inizialmente venne utilizzata per i sistemi urbani, con tensione di 500-600 V in corrente continua (tranvie di
Parigi e Berlino nel 1881 e metropolitana di Londra 1890).
All’inizio del ‘900 venne sperimentata l’alimentazione in corrente alternata. In Italia nel 1902 vennero
elettrificate in tensione alternata trifase le linee della Valtellina.
Attualmente esistono nel mondo circa 220.000 km di linee elettrificate.
La trazione elettrica consente di realizzare locomotive di elevata potenza (ai cerchioni),fino a 7 MW (su 4 assi).
L’alimentazione può essere effettuata da linea di contatto aerea (monofilare o a catenaria) o da terza rotaia.
Oggi esistono principalmente 4 sistemi di elettrificazione ferroviaria, due in alternata e due in continua:
1500 V cc, 3000 V cc, 15kV 16 2/3 Hz , 25kV 50 Hz
L’elettrificazione urbana è a 600 V / 750 V cc (questa con alimentazione a terza rotaia è presente anche sulla
rete ferroviaria inglese a sud di Londra).
I valori di tensione sopra indicati sono nominali; la tensione alla linea di contatto varia tra un valore minimo e un
valore massimo stabilito dalle norme (es. la IEC n. 38 indica per la corrente continua, variazioni di tensione
- 33% + 20%).
Le nuove linee ad alta velocità sono elettrificate in alternata (potenze elevate con minore numero di
sottostazioni e migliore captazione, grazie alla linea di contatto più leggera). Ricordiamo che la potenza è data
dal prodotto della tensione per la corrente (P=VI).
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I vantaggi della trazione elettrica si possono così sintetizzare:
- Grande capacità di sovraccarico dei motori elettrici e quindi dei mezzi di trazione
- Possibilità di installare a bordo potenze unitarie elevate
- Elevate prestazioni in termini di accelerazione d’avviamento e di decelerazione di
frenatura e quindi di velocità commerciale, elementi fondamentali nel trasporto urbano e
suburbano a frequenti fermate
- Elevate prestazioni in termini di massa dei singoli convogli e di velocità, caratteristiche
importanti su linee acclivi, come quelle di valico
- Elevate potenzialità nel traffico viaggiatori e merci e ad alta velocità (conseguenza dei
punti precedenti
- Possibilità di ricorrere nelle centrali elettriche a fonti energetiche diverse (es. energia
idraulica)
- Economia di esercizio
- Assenza di gas di scarico, particolarmente nocivi nei percorsi in galleria
- Riduzione della rumorosità
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La trazione diesel
ha avuto le prime applicazioni ferroviarie dopo il 1920. In Italia le prime automotrici (Littorine)
sono apparse fra il 1920-1930. Inizialmente i mezzi erano di bassa potenza, con cambio
meccanico ad ingranaggi di tipo automobilistico.
Trasmissioni più diffuse: elettrica, idraulica
La trasmissione elettrica, la più diffusa, consente la realizzazione di mezzi di trazione di elevata
potenza dotati di motori elettrici. Le locomotive diesel-elettriche possono avere una potenza
installata (riferita al motore diesel) superiore a 4 MW .
La trazione diesel è molto diffusa al di fuori dell’Europa (dove la maggior parte delle linee è
elettrificata). Su un parco mondiale di oltre 80.000 locomotive il 65% è a trazione diesel, di
queste circa il 45% opera in Nord America (Stati Uniti e Canada).
La trasmissione idraulica è diffusa nei mezzi leggeri e nelle locomotive fino a un massimo di 2
MW di potenza.
Come motore termico a volte viene impiegata la turbina a gas (di solito turbine d’elicottero);
grazie alla sua potenza massica superiore a quella di un motore diesel è possibile realizzare
mezzi di trazione di potenza elevata, mantenendo limitata la massa per asse.
Tra il 1970 e il 1980 in Francia sono stati realizzati dei treni automotori a turbina a gas
(turbotreni), per collegamenti intercity; turbotreni sono stati forniti dall’industria francese negli
Stati Uniti, in Iran e in Egitto.
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Il progetto di un rotabile ferroviario
Elementi che condizionano il progetto:
-Lo scartamento della rete
-La sagoma limite
-Le
. Norme di riferimento (unificazione, interoperabilità - STI)
-Le caratteristiche della linea/rete: massa massima per asse , tracciato
(curve, pendenze, traghettamento,ecc.)
-Il sistema di trazione
-Il sistema di frenatura
-Compatibilità coi rotabili esistenti (accoppiamenti meccanici, elettrici, ecc.)
-Condizioni climatiche
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Tram-Treno Avanto SNCF
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Classificazione dei rotabili
Si distinguono in trainanti (locomotive) e trainati (materiale rimorchiato). Il materiale
rimorchiato si suddivide in veicoli per il trasporto di persone (carrozze o vetture ad uno o a due
piani) e per il trasporto merci (carri di varia tipologia: pianali per trasporto containers, chiusi a
pareti scorrevoli, cisterna, frigorifero, tramoggia, per trasporto automobili, ecc.).
La maggior parte del materiale rimorchiato è dotata di carrelli a due assi, esistono anche carri
merci a due assi.
Vi sono delle vetture passeggeri dotate di cabina di guida ad un’estremità (vetture semipilota)
che consentono dei servizi navetta o push-pull.
Le locomotive si distinguono per il tipo di trazione (elettrica, termica). Le locomotive di
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produzione
più recente sono e 4 e a 6 assi motori, normalmente sono dotate di 2 carrelli a due
o a tre assi o di 3 carrelli a due assi. Le locomotive da manovra possono essere anche ad assi
rigidi (a due e a tre assi).
La potenza nominale o continuativa di una locomotiva elettrica è quella misurata all’uscita
degli alberi dei motori elettrici. Per ottenere la potenza alle ruote è sufficiente moltiplicare per il
rendimento degli ingranaggi (che varia dal 96% al 98%).
La potenza normalmente indicata per una locomotiva diesel è quella nominale (UIC) misurata
all’albero del motore termico, è espressa in kW, ma viene anche indicata in HP (Horse Power)
soprattutto nei paesi anglosassoni (1HP = 0,746 kW). Per calcolare la potenza alle ruote
occorre riferirsi alla potenza nominale del motore ridotta per tenere conto delle condizioni
ambientali (derating) e depurata della potenza per i servizi ausiliari, si ottiene così la potenza
disponibile per la trazione (net-input), occorre poi tenere conto del rendimento della
trasmissione (elettrica o idraulica) e del rendimento degli ingranaggi.
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Un’altra categoria di rotabili sono i mezzi di trazione a potenza distribuita (a differenza delle
locomotive che sono a potenza concentrata) che si distinguono in unità di trazione elettriche o
elettromotrici / elettrotreni o EMU (Electric Multiple Unit) e in unità di trazione diesel o automotrici
/ autotreni o DMU (Diesel Multiple Unit). Si tratta di mezzi a uno o due piani per trasporto
passeggeri, normalmente dotati di carrelli motori e di carrelli portanti. I carrelli motori possono
essere disposti sotto un’unica vettura (motrice) e quelli portanti sotto un'unica vettura (rimorchio
o rimorchiata).
Esistono veicoli articolati nei quali le estremità di due casse adiacenti appoggiano sul
medesimo carrello (es. gli elettrotreni «Coradia Meridian» ETR425 di Trenitalia e di Trenord).
. possibile avere dei rimorchi dotati di cabina di guida (rimorchiate pilota o semipilota).
E’
L’unità può essere costituita da un’unica vettura (es. le automotrici Aln 663) Le unità di trazione
possono essere accoppiate in multiplo. Sono unità di trazione anche i veicoli per servizio urbano
(metropolitane e tram).
I treni ad alta velocità sono delle unità bloccate (elementi separabili solo in deposito / officina) a
potenza concentrata con una o due locomotive, es. il TGV francese e l’ETR 500, o a potenza
distribuita, es. l’ICE 3 della Deutsche Bahn (DB) e l’ETR 600 (Pendolino).
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alta velocità
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Veicoli su rotaia
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Veicoli su rotaia
servizi regionali
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Veicoli su rotaia
TSR6 TRENORD
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trasporti di massa
Veicoli su rotaia
alta capacità - trasporto merci
ROLA (autostrada viaggiante)
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LKAB (11,8 MW - 68 carri - 8520 t - 740 m)
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La vita media di un rotabile ferroviario si può considerare intorno ai 30-35 anni; le
parti meccaniche dei mezzi a trazione elettrica possono superare anche i 40 anni,
mentre le parti termiche dei mezzi a trazione diesel hanno una durata di circa 20 anni
(in realtà si trovano in circolazione rotabili di oltre 60 anni).
Al fine di assicurare le lunghe durate di cui sopra, nel piano di manutenzione di
ciascun rotabile, dopo un certo numero di milioni di chilometri percorsi (circa a metà
vita del rotabile) è prevista la così detta riparazione ciclica, che interessa tutte le
apparecchiature e gli organi di bordo, che vengono per quanto possibile riportati alle
.
stesse condizioni di origine.
Sui mezzi per servizio passeggeri è necessario intervenire ogni 10-15 anni con
un’attività di restyling o di vero e proprio revamping, per adeguarne le caratteristiche
alle nuove esigenze di comfort (es. Trenitalia ha attrezzato con impianti di
climatizzazione delle carrozze MD costruite alla fine degli anni ’80).
Veicoli su rotaia
La sicurezza della circolazione ferroviaria e la regolarità dell’esercizio sono ottenute con
programmi di manutenzione preventiva. Non essendo evitabile che si verifichino dei
guasti accidentali, è necessariamente prevista anche una manutenzione correttiva.
In sede di approvvigionamento del materiale rotabile vengono indicate ben precise
clausole affidabilistiche, dette con terminologia inglese norme RAMS (Affidabilità,
Disponibilità, Manutenibilità, Sicurezza) atte a garantire il buon funzionamento.
L’Affidabilità tiene conto del periodo di buon funzionamento che un rotabile deve
garantire con continuità e si esprime in un numero minimo di km che deve intercorrere fra
un guasto significativo e il seguente. Normalmente si indica il numero massimo di guasti
per
. milione di km percorsi.
La Disponibilità tiene invece conto della quantità di rotabili che deve essere sempre
garantita in esercizio e viene espressa in un numero percentuale indicante la quantità
minima di rotabili appartenenti ad una serie da garantire sempre a disposizione per
l’esercizio.
La Manutenibilità da il valore massimo in Euro (di ore di manodopera e di materiali) che
possono essere spesi per mantenere in piena efficienza una determinata serie di rotabili;
viene espressa in funzione dei km percorso.
La Sicurezza da le regole e le garanzie che deve offrire un determinato rotabile dal punto
di vista della sicurezza per tutti coloro che lo utilizzano e che vi lavorano.
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Il rodiggio o disposizione degli assi, consente di individuare con una serie di sigle (costituite da
lettere e cifre) se un numero di sale appartiene allo stesso carrello, se si tratta di sale motrici o
portanti, ecc. Ad esempio una locomotiva a 4 assi dotata di due carrelli ciascuno con due motori
di trazione (come la E402) ha rodiggio BoBo , una locomotiva con tre carrelli monomotori (come
la E633) ha rodiggio BBB. Un semplice rimorchio con due carrelli a due assi ha rodiggio 22;
ciascuna motrice dell’ETR 600 (Pendolino) ha rodiggio 1AA1.
Elementi tipici del rotabile ferroviario
La sala ferroviaria: è costituita da due ruote, che possono essere monoblocco o con cerchione
riportato od elastiche, calettate su un’assile. L’assile è provvisto di fuselli sui quali vengono
montate le boccole, normalmente a rotolamento che fanno da supporto alla sospensione
primaria.
Il cerchione ha una fascia di rotolamento e un bordino che ha la funzione di guida. La fascia di
rotolamento è conica per compensare la differenza di percorso delle due ruote in curva. Le curve
ferroviarie sono dotate di sopraelevazione e lo scartamento viene maggiorato di alcuni millimetri.
A causa dell’usura il diametro di rotolamento diminuisce e si modifica anche il profilo del bordino,
pertanto è necessario, dopo una determinata percorrenza, effettuare la riprofilatura dei cerchioni.
Di conseguenza il diametro di rotolamento varia da ruote nuove a ruote a massima usura. Il
diametro delle ruote è determinato in funzione del carico verticale.
Esistono anche veicoli ferroviari / tranviari a ruote indipendenti (es. Talgo, Eurotram, ecc.).
Il bordino tranviario è piatto in quanto appoggia nella gola della rotaia quando impegna uno
scambio.
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Marcia di un veicolo ferroviario in curva
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Veicolo ad assetto variabile a pendolamento attivo (ICE D)
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Pendolino Virgin WCML
ETR600 Trenitalia ‘Frecciargento’
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I carrelli
La maggior parte dei veicoli su rotaia appoggia su carrelli, normalmente a due assi. L’impiego
di carrelli, oltre a consentire la realizzazione di rotabili di maggior lunghezza (quindi carrozze e
carri di maggiore capacità e mezzi di trazione di potenza più elevata), presenta vantaggi in
termini di qualità di marcia (comfort) e delle sollecitazioni al binario (migliore iscrizione nelle
curve, ecc.).
Il carrello pur lasciando alla cassa la libertà di movimento che la sospensione richiede, deve
trasmettere le forze di trazione e frenatura che si generano al contatto ruota-rotaia e consentire
le rotazioni relative rispetto ad un asse verticale.
Il carrello presenta due ordini di sospensioni, la primaria, che è la sospensione propria del
carrello, e la secondaria che è portata dal telaio del carrello e che sostiene la cassa.
La sospensione primaria può essere realizzata con molle ad elica di acciaio o con molle di
gomma (normalmente di gomma/acciaio). Sui rotabili meno recenti troviamo delle molle a
balestra, costituite da foglie di acciaio, che sono normalmente utilizzate per le sospensioni dei
veicoli ad assi singoli.
La sospensione secondaria può essere realizzata con diverse soluzioni. Più comunemente
troviamo delle molle ad elica di acciaio o degli elementi di gomma/acciaio (in alcuni carrelli per
locomotive) o delle molle pneumatiche, queste ultime in veicoli con grandi variazioni di carico,
come le metropolitane e i treni suburbani, e in alcuni treni ad alta velocità (es. TGV).
Veicoli su rotaia
Veicoli su rotaia
Boccola
Veicoli su rotaia
La trasmissione del moto
Se la potenza erogata dal motore viene fornita sotto forma di moto alternativo (è il caso delle
macchine a vapore) la trasmissione deve essere necessariamente effettuata con bielle; se il
moto è rotante si possono impiegare ingranaggi (cilindrici o conici), alberi cardanici e alberi cavi.
Ponti e cardani : vengono impiegati quando l’asse di rotazione del motore (sia elettrico che
termico) è disposto in senso longitudinale.
Il moto di rotazione intorno ad un asse longitudinale viene trasformato in rotazione della sala
motrice mediante una coppia di ingranaggi conici a 90°.
Trasmissione ad ingranaggi
con motore sospeso a naso
Nei veicoli urbani e in quelli ferroviari a velocità massima non elevata (120-140 km/h) il motore di
trazione elettrico appoggia da un lato sull’assile e dall’altro lato a una traversa del telaio. La
sporgenza del motore che si appoggia all’assile è chiamata naso e la sospensione sospensione
a naso. Il motore trasmette il moto alla sala attraverso una coppia di ingranaggi con opportuno
rapporto di riduzione.
ad albero cavo
Al fine di ridurre le sollecitazioni all’armamento e agli organi di rotolamento è opportuno limitare
le masse non sospese, il cui effetto nocivo è sensibile alle velocità elevate; per ottenere ciò si
ricorre alle trasmissioni del moto mediante albero cavo.
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Trasmissione a cardani
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Trasmissione con sospensione a naso
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Sospensione ad albero cavo
La struttura dei veicoli
Veicoli su rotaia
Tutti i rotabili hanno una struttura metallica avente come base un telaio che appoggia sul
rodiggio o sui carrelli. I veicoli per trasporto passeggeri sono dotati di una cassa autoportante.
La struttura è costituita da elementi di carpenteria normalmente uniti mediante saldatura.
Nei veicoli passeggeri, in particolare quelli per servizio urbano, suburbano e ad alta velocità,
dove la riduzione della massa assume una particolare importanza, è diffuso l’impiego di
strutture a grandi estrusi in lega di alluminio e di materiali compositi.
Le specifiche tecniche d’interoperabilità STI o TSI (Direttiva 2001/16/CE) prevedono che le
strutture dei veicoli debbano avere una resistenza (sicurezza passiva) in caso di collisione
non solo con altri rotabili ferroviari. Le norme prevedono la possibilità di una collisione con un
ostacolo, come un autocarro pesante a un passaggio a livello, con minime deformazioni ai
comparti che contengono i passeggeri e il guidatore.
Molto importante è anche la sicurezza nei confronti degli incendi
I parametri che caratterizzano il comportamento al fuoco dei materiali che compongono il
vicolo sono:
- la reazione al fuoco
- la densità ottica dei fumi
- la tossicità dei fumi
Le norme indicano prestazioni differenziate a seconda dell’impiego dei veicoli, divisi per
‘categorie di rischio’. Le norme più restrittive si applicano ai veicoli che operano in galleria
(Direttiva 2008/163/CE) .
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Struttura di una cassa a grandi estrusi di alluminio (ICE DB)
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Locomotiva elettrica (Rh1216 ÖBB)
Veicoli su rotaia
Cabina di guida AGV ETR575 .italo NTV
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Il comfort di bordo e rispetto ambientale
Diversi aspetti concorrono nella scelta di un mezzo di trasporto da parte del viaggiatore, quali
la sicurezza, la regolarità, il tempo di percorrenza ridotto, il rispetto delle esigenze sociali, il
comfort. Aspetti che sono legati oltre che alla gestione del servizio, anche e soprattutto al
materiale rotabile.
La regolarità di un sistema chiuso a guida vincolata come la ferrovia, è certamente più elevata
rispetto a quella di altri sistemi di trasporto, tuttavia per mantenerla alta è necessario utilizzare
apparecchiature affidabili e non lesinare sulla manutenzione.
Per quanto riguarda il rispetto delle esigenze sociali occorre tenere conto del trasporto di
persone con limitazioni fisiche e/o che necessitano di aiuto e quindi non solo delle persone a
mobilità ridotta, ma anche degli anziani, dei bambini, delle donne incinte, dei viaggiatori con
bagagli ingombranti, ecc. (Direttiva 2008/164/CE). Il veicolo deve prima di tutto essere
facilmente accessibile (pavimento ribassato almeno in corrispondenza della soglia d’ingresso,
ecc.).
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Un altro elemento importante è il rispetto ambientale, che deve essere tenuto presente non
solo per il comfort dei viaggiatori, ma anche per riguardo di chi vive nelle vicinanze di una
strada ferrata. In tale ambito occorre considerare vari fattori tra cui:
- La rumorosità interna ed esterna dei veicoli (Direttiva 2006/66/CE)
- L’inquinamento (i gas di scarico per i veicoli termici, l’inquinamento elettromagnetico per
quelli elettrici (Norma CEI EN 50121))
- l fluidi utilizzati (negli impianti di climatizzazione, di raffreddamento, negli estintori, ecc.)
- Il tipo di toilette
- La riciclabilità dei materiali usati per la costruzione
Dei fattori connessi alla tecnica ferroviaria il più importante è il comfort vibratorio che è
legato alla qualità di marcia. Al comfort di marcia contribuiscono anche altri elementi quali:
l’area per posto a sedere, il modulo dei sedili.
Particolarmente importante è anche il comfort acustico ,sia a veicolo fermo (rumore delle
apparecchiature), che in marcia. Nei veicoli ad alta velocità, soprattutto se le linee
presentano percorsi in galleria, occorre prevedere anche la tenuta ai colpi di pressione
(pressurizzazione).
Altri aspetti che contribuiscono a rendere confortevole il veicolo ferroviario sono: la
climatizzazione (norma UNI EN 13129), l’illuminazione, i servizi di bordo (servizi di
ristorazione, bar, prese per personal computer, ecc.), la pulizia.
Non ultimo per importanza il design, che ha una valenza estetica e funzionale.
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Meccanica della locomozione
Nel moto dei veicoli entrano in gioco le seguenti forze:
- F: forze di trazione nel senso del moto, forze frenanti in senso opposto al moto
- R: resistenze al moto in senso opposto al moto
- Forze d’inerzia
Considerando un veicolo od un insieme di veicoli, come punto materiale, di
massa opportuna, l’equazione del moto risulta:
F – R = me.a
.
L’aderenza
Le forze tangenziali F e il carico verticale G si trasmettono tra ruota e rotaia attraverso l’area
d’impronta; il fenomeno in virtù del quale ciò avviene si chiama aderenza.
Si hanno condizioni di aderenza, se una ruota soggetta al peso G e alla forza tangenziale F,
se essa rotola. Aumentando F la ruota continua a rotolare fino al valore Fad
(limite di aderenza), oltre il quale la ruota comincia a slittare.
Si definisce coefficiente di aderenza il rapporto:
f = Fad / G
Affinché non ci sia slittamento occorre che sia sempre soddisfatta la condizione:
F ≤ Fad cioè F ≤ f.G
Nelle condizioni di cui sopra si ha l’aderenza naturale. Quando le forze F vengono trasmesse
in tutto o in parte mediante organi diversi dalle ruote che sopportano il peso del veicolo, si ha
l’aderenza artificiale; per esempio nelle ferrovie a cremagliera la F viene esercitata da
apposite ruote dentate, nelle funicolari dalla fune traente.
Per un mezzo di trazione dotato di N sale motrici ai fini dell’aderenza in trazione, occorre
distinguere tra la massa totale m e quella che grava sulle sale motrici, massa aderente mad.
Si definisce rapporto di aderenza:
α = mad / m
Esso vale 1 per i convogli a piena aderenza. In frenatura valgono le stesse considerazioni;
normalmente tutti gli assi sono frenati, pertanto α =1
Per una determinata copia cinematica il coefficiente f dipende essenzialmente dalla velocità
di marcia v e diminuisce al crescere di questa. Esistono formule o curve sperimentali che
danno l’andamento di f in funzione di v.
L’aderenza a veicolo fermo si può considerare 0,33 con rotaie asciutte e 0,25 con rotaie
umide (sulla strada può variare da 0,60 a 0,85 con superfici asciutte, da 0,40 a 0,65 con
superfici bagnate pulite e può scendere fino a 0,15 in presenza di ghiaccio).
In ferrovia si usa sabbiare il binario per migliorare l’aderenza.
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Le resistenze al moto
La resistenza al moto R è la somma delle resistenze all’avanzamento in rettilineo
e orizzontale Ro e della resistenza accidentale dovuta al tracciato Re:
R = Ro + Re
Ro comprende la resistenza al rotolamento dovuta alla coppia perno-cuscinetto e
alla coppia ruota-rotaia e la resistenza dell’aria
Re comprende la resistenza dovuta alla pendenza Ri e la resistenza dovuta alle
curve Rc
Spesso si considerano le resistenze unitarie: r = R / G , anche se la componente
dovuta alla resistenza dell’aria non è proporzionale al peso G del veicolo
Ad esempio si possono utilizzare le seguenti formule, con V in km/h:
Treno passeggeri ro (N/kN) = (1,25 - 2,0) + (0,016 - 0,025). (V/10)²
Treno merci ro (N/kN) = (1,5 – 2,5) + (0,024 – 0,040).(V/10)²
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Le resistenze accidentali
La pendenza della via provoca una resistenza Ri che è la componente del peso G parallela
alla strada, considerando che la pendenza i è uguale alla tangente dell’angolo α tra il piano
orizzontale e la rampa e che nelle ferrovie ad aderenza naturale la pendenza massima non
supera il 40‰ (nuova linea AV Francoforte-Colonia per soli treni viaggiatori),
eccezionalmente nelle linee secondarie può arrivare al 90 ‰ (linea a scartamento ridotto
St. Gervais-Chamonix), si può scrivere:
Ri = G.senα ≈ G.tgα = G.i
da cui
ri = i
La resistenza in curva è dovuta all’attrito causato dagli strisciamenti dovuti al parallelismo
tra le sale, in quanto la conicità dei cerchioni compensa solo parzialmente la differenza di
percorso delle ruote, e dagli attriti che la superficie laterale del fungo della rotaia esercita
sul bordino delle sale mediante le quali in veicolo viene guidato in curva. Le cause sopra
considerate provocano un lavoro resistente Lc proporzionale al peso G del convoglio. Se S
è lo spazio percorso in curva, a Lc si può fare corrispondere una resistenza media al moto
Rc= Lc/S. La resistenza unitaria è rc = Rc /G
La resistenza al moto complessiva risulta:
R = r.G = (ro ± i + rc).G
Veicoli su rotaia
La caratteristica meccanica del mezzo di trazione
La forza F che un asse motore sviluppa per effetto della sua coppia motrice e
che viene trasmessa tangenzialmente alla rotaia attraverso l’area d’impronta,
si chiama forza di trazione al cerchione.
La curva che da la forza di trazione totale ai cerchioni in funzione della
velocità di marcia costituisce la caratteristica meccanica del mezzo di
trazione.
La potenza ai cerchioni : Pc = F.v
Esprimendo F in kN e V in km/h
Pc (kW) = F.V/3,6
Nella fase d’avviamento la caratteristica meccanica può essere limitata
dall’aderenza o dalla coppia massima disponibile ai motori di trazione.
Veicoli su rotaia
Caratteristica meccanica S101 “Velaro”
Veicoli su rotaia
Diagramma di trazione
Il diagramma di trazione di un convoglio rappresenta l’andamento della sua
velocità e dello spazio percorso in funzione del tempo .
Il diagramma di trazione si traccia conoscedo l’andamento della forza di trazione
ai cerchioni F e delle resistenze al moto R :
F-R = me.a
Il diagramma di trazione per una tratta percorsa dal convoglio è composto dalle
seguenti fasi: avviamento, regime, marcia per inerzia (coasting) e frenatura.
Velocità media e commerciale
Se S è la lunghezza di una tratta tra due fermate e to è il tempo impiegato a
percorrerla, la velocità media è : Vm = S/to
In un percorso contenente diverse tratte con tempi di sosta ts si definisce velocità
commerciale : Vc = ∑S / (∑ts +∑ ts)
La riduzione dei tempi di sosta è ottenibile facilitando l’accesso alle vetture
(numero e ampiezza delle porte, riduzione del dislivello da superare tra banchine
delle stazioni e piano di calpestio delle vetture) e rendendo più rapide e sicure
l’apertura e la chiusura delle porte .
Veicoli su rotaia
Diagramma di trazione
Veicoli su rotaia
Sistemi di frenatura
L’apparecchiatura del freno è una delle parti più importanti della tecnica del trasporto su
rotaia. Dal suo grado di efficienza dipende buona parte della sicurezza della circolazione
ferroviaria
La frenatura dei treni può essere continua (realizzata col freno meccanico ad attrito), a
mano, mista (freno continuo + freno a mano) o combinata (freno continuo + freno elettrico
dei mezzi di trazione).
La frenatura meccanica
Tutti i veicoli sono provvisti di un sistema di frenatura meccanica ad attrito, che nei rotabili
ferroviari agisce con ceppi (di ghisa o sintetici) sui cerchioni delle ruote e/o con guarnizioni
su dischi solidali alle sale. Il comando del freno è normalmente ad aria compressa. Nei
veicoli urbani privi di impianto pneumatico (‘all electric’), il freno meccanico è comandato
ed azionato da circuiti ausiliari elettrici od elettroidraulici.
In alcuni paesi esistono sistemi di frenatura ‘a vuoto’, dove l’azione frenante è ottenuta
creando negli organi di comando una depressione.
Veicoli su rotaia
.
Il freno ad aria compressa dei mezzi su rotaia deve essere:
- continuo, cioè azionabile da un unico posto di comando.
- automatico, nel senso che deve entrare immediatamente in azione se la condotta si
interrompe; Comandi di emergenza a disposizione dei viaggiatori, possono mettere
allo scarico la condotta determinando la frenatura automatica del treno, questi
comandi sono normalmente inibiti per motivi di sicurezza in caso di incendio nelle
metropolitane e nei treni che percorrono lunghe gallerie.
- moderabile, cioè graduabile sia in fase di frenatura che di sfrenatura, condizione
necessaria alla sicurezza specialmente nelle lunghe discese e sulle forti pendenze.
- inesauribile, nel senso di garantire una riduzione contenuta della sua efficacia (non
oltre il 10-15%), anche dopo numerose frenature.
Veicoli su rotaia
La frenatura elettrica
Nei rotabili a trazione elettrica e diesel-elettrica, grazie alla reversibilità dei motori elettrici, si
può disporre della frenatura elettrica.
La frenatura elettrica può essere reostatica dove l’energia prodotta dai motori di trazione
viene dissipata in un reostato e a recupero di energia, nei veicoli alimentati da linea di
contatto, purché la linea sia in grado di ricevere l’energia prodotta.
La frenatura elettrica consente di limitare l’impiego dei sistemi ad attrito. Essa risolve in modo
vantaggioso il problema della frenatura di trattenuta in discesa.
La frenatura elettromagnetica a pattini
Oltre ai sistemi di frenatura agenti sulle sale, nei veicoli urbani ed in qualche caso in ferrovia,
si usa anche un freno costituito da pattini elettromagnetici che vengono a contatto diretto con
le rotaie e producono quindi per attrito una forza frenante indipendente dall’aderenza.
Veicoli su rotaia
Marcia strumentale (segnalamento)
Le decelerazioni realizzabili coi veicoli su rotaia sono fortemente penalizzate dai bassi valori del
coefficiente d’aderenza. Lo spazio di frenatura: sf = v²max/2af per velocità massime vmax di
140-160 km/h , supera i 1000 m e raggiunge i 5000 m per vmax = 300 km/h.
Il controllo della circolazione è quindi strumentale, basato cioè sul rispetto dei segnali che
indicano (o comandano) l’inizio della frenatura.
La linea è divisa in sezioni, il treno che occupa una sezione predispone a via impedita i segnali di
. o due sezioni precedenti. Il rispetto dei segnali è affidato normalmente al macchinista che è
una
aiutato dai sistemi di ripetizione a bordo (cab signalling). Un ulteriore passo avanti è il controllo
continuo della velocità, attuato con circuiti di binario a correnti codificate che forniscono al treno,
in ogni singola sezione di blocco, le limitazioni di velocità da osservare e comandano
automaticamente la frenatura non appena la velocità effettiva superi tali limitazioni. Sistemi
terra/treno di scambio continuo di informazioni sono indispensabili sulle linee AV dove i segnali
fissi a terra possono anche mancare (es. rete TGV francese). Sistemi che consentono la marcia
completamente automatica senza macchinista a bordo sono presenti nel trasporto urbano
(metropolitane) e nelle navette aeroportuali.
Veicoli su rotaia
L’aspetto più problematico, che ostacola l’interoperabilità dei mezzi di trazione, è la presenza
di sistemi di segnalamento diversi da nazione a nazione (molte reti hanno poi due sistemi,
uno per le linee convenzionali ed uno per le linnee AV); ciò impone di avere a bordo diversi
tipi di apparecchiature (dai ripetitori in cabina ai captatori sui carrelli).
Questo problema sarà risolto con la progressiva applicazione del nuovo sistema di
segnalamento europeo ERTMS/ETCS (European Rail Traffic Management System /
European Train Control System), il cui Livello 2 è basato sulla trasmissione dati via radio.
Sistemi con marcia a vista sono presenti nei trasporti urbani di superficie con velocità non
superiore a 50-60 km/h.
Linee ad alta velocità
(velocità non inferiori a 250 km/h)
Nazione
In esercizio
km
In costruzione
km
In progetto
km
Totali
km
Cina
9.867
9.081
3.777
22.725
Giappone
2.664
779
179
3.622
Spagna
2.515
1.308
1.702
5.525
Francia
2.036
757
2.407
5.200
Germania
1.334
428
495
2.257
Italia
923
58
337
1.318
Turchia
444
603
1.758
2.805
Corea del Sud
412
186
49
647
Stati Uniti
362
0
777
1.139
Taiwan
345
0
0
345
Belgio
209
0
0
209
Olanda
120
0
0
120
Gran Bretagna
113
0
204
317
Austria
93
0
0
93
Svizzera
35
72
0
107
Arabia Saudita
0
550
0
550
Marocco
0
200
480
680
21.472
14.022
12.165
47.659
Totale km
Rete ferroviaria spagnola (ADIF)
.
.
Alta velocità
Die Bahn hat Zukunft
Sistemi automatici di trasporto
a guida vincolata
tradizionali e non tradizionali
Ing. Maurizio Fantini – Novembre 2014
Sistemi automatici di trasporto
(tecnologia)
•
•
•
•
•
•
Su rotaia ad aderenza naturale
Su rotaia con motore lineare (LIM)
Su gomma
Su monorotaia
A fune
A sostentamento magnetico (MAGLEV)
Si ricorda anche l’esistenza di sistemi su cuscino d’aria «Hovertrain» (ad esempio l’Aerotrain
sperimentale degli anni ’60-’70).
Di questi sistemi, in servizio commerciale c’è l’Otis Hovair (navette aeroportuali, per centri
commerciali, ospedali, etc.)
Perché un sistema automatico?
• Riduzione dei costi di esercizio (meno personale)
• Maggiore flessibilità di esercizio (più treni in caso di
affollamento)
• Riduzione dei costi di costruzione (gallerie a sezione ridotta,
stazioni con banchine corte)
• Frequenza elevata (un treno ogni 60 s)
Perché un sistema non tradizionale?
• Indipendente dall’aderenza (possibilità di affrontare
pendenze elevate)
• Minore impatto ambientale
• Minore costo delle opere d’arte e in certi casi minore
costo dell’infrastruttura
• Materiale rotabile più leggero
Vantaggi e svantaggi dei sistemi non tradizionali
Sistemi su gomma
Vantaggi
- Aderenza elevata (possibilità di pendenze elevate)
- Silenziosità
Svantaggi
- Maggiori consumi energetici (maggiori resistenze al moto)
- Maggiore usura dei pneumatici rispetto alle ruote di acciaio
- Maggiore sensibilità agli eventi atmosferici (neve e ghiaccio)
- Scambi più complessi
Esempi di sistemi su gomma
APM (Automated People Mover) Las Colinas (Dallas) 1989
AEG-Westinghouse (ora Bombardier)
Esempi di sistemi su gomma
APM (Automated People Mover) Las Colinas (Dallas) 1989
AEG-Westinghouse (ora Bombardier)
Vantaggi e svantaggi dei sistemi non tradizionali
Sistemi su rotaia (LIM)
Vantaggi
- Aderenza elevata (possibilità di affrontare pendenze elevate)
- Minore sensibilità agli eventi atmosferici (neve e ghiaccio)
- Assenza di trasmissioni meccaniche
Svantaggi
- Necessità di mantenere il traferro del LIM a valori contenuti (di
conseguenza maggiore controllo sull’usura delle ruote)
- Via più costosa (rotore sviluppato linearmente)
Esempi di sistemi LIM
Skytrain Vancouver 1986
Sistema ALRT UTDC (ora Bombardier)
Esempi di sistemi LIM
Metro Osaka (tratta sperimentale) 1990
Vantaggi e svantaggi dei sistemi non tradizionali
Sistemi a fune
Vantaggi
- Semplicità del sistema
- Opere d’arte di costo limitato
Svantaggi
- Capacità limitata
- Sviluppo in lunghezza limitato
Esempio di sistema a fune
SK Villepinte – Parigi 1993-1999 (solo sperimentale)
Vantaggi e svantaggi dei sistemi non tradizionali
Sistemi a levitazione magnetica (Maglev)
Vantaggi
- Indipendente dall’aderenza (possibilità di pendenze elevate)
Svantaggi
- Elevati costi di sistema (complessità degli scambi)
Alcune realizzazioni sperimentali sono state abbandonate:
Il Maglev dell’aeroporto di Birmingham, lungo 600 m, operativo dal 1982 al 1995, è
stato sostituito con un sistema a fune.
La M-Bahn realizzata dall’AEG a Berlino (1,6 km) è stata operativa soltanto dal 1989 al
1991
Si è orientati ad utilizzare la tecnologia Maglev per collegamenti ad altissima velocità.
Un esempio è il sistema che dal 2004 collega l’aeroporto internazionale di Pudong a
Shanghai (tecnologia tedesca Transrapid) che ha una velocità massima di 431 km/h.
Esempi di sistemi Maglev
Maglev Aeroporto di Birmingham
M-Bahn Berlino
Esempi di sistemi Maglev
Transarapid Aeroporto di Pudong - Shanghai 2004
Siemens
Esempi di sistemi Maglev
Transarapid Aeroporto di Pudong - Shanghai 2004
Siemens
Vantaggi e svantaggi dei sistemi non tradizionali
Sistemi su monorotaia
Vantaggi
- Maggiore flessibilità
- Minori costi delle opere d’arte
Svantaggi
- Cattivo impatto ambientale nei centri storici
- Difficoltà di soccorso in caso di avaria
Esempi di monorotaie
Monorotaia Von Roll (ora Bombardier)
Sydney 1988
Monorotaia Von Roll (Bombardier)
Aeroporto di Newark (USA) 1996
Sistemi automatici di trasporto
(impiego)
• People mover (navette aeroportuali)
(collegamenti con fiere / centri commerciali)
• PRT Personal Rapid Transit (veicoli di limitata capacità)
• ICTS (metropolitane di media capacità)
• Metropolitane «pesanti»
Sistemi automatici di trasporto
dai people mover ai metrò «pesanti»
I people mover utilizzati come navette aeroportuali sono tra le prime e più
diffuse applicazioni dei sistemi automatici.
Il sistema su gomma denominato Transit Expressway progettato dalla
Westinghouse Electric a Pittsburgh negli anni ‘60 è stato l’origine delle
navette aeroportuali più diffuse. La prima applicazione all’aeroporto di
Tampa (USA) nel 1971.
L’evoluzione di questo sistema appartiene alla Bombardier Transportation.
Singapore Changi Airport Skytrain
(Bombardier Innovia APM100)
Navette aeroportuali
Sistema Otis Aeroporto di Dallas Fort Worth
Livello di automazione
(IEC standard 62290-1)
Automatic Train Control (ATC)
An ATC system for mass transit applications is part of an overall signalling system with
interlocking, automatic train supervision, track vacancy detection and communication
functions.
• Automatic train protection (ATP) is the system and all equipment responsible for
basic safety: avoids collision, red signal overrunning, exceeding speed limits by
applying brakes automatically. A line equipped with ATP corresponds to GoA1
• Automatic train operation (ATO) insures partial or complete automatic train
piloting and driverless functionalities. The ATO system performs all functions of the
driver except for the closing of the doors. The driver only needs to press two
buttons to close the doors and if the way is clear, then the train will automatically
proceed to the next station (GoA2). Most systems elect to maintain a driver, or at
least an attendant (who may have the status of a semi-skilled driver/train
operator), to mitigate risks associated with failures or emergencies (GoA3).
• Automatic Train Control (ATC) performs automatically normal signaller operations
such as route setting and train regulation. The ATO and ATC systems will work
together to maintain a train within a defined tolerance of its timetable. The
combined system will marginally adjust operating parameters such as the ratio of
power to coast when moving and station dwell time, in order to bring a train back
to the timetable slot defined for it (GoA4)
Esempi di sistemi automatici
Metrò leggero Genova 1990 (GoA2)
Metro «pesante» San Francisco
BART 1972 (GoA2)
Esempi di sistemi automatici
Doklands Light Rail DLR Londra 1987 (GoA3)
ICTS – Intermediate Capacity Transit System
(6.000 – 15.000 passeggeri/ora/direzione)
• AGT Automated Guideway Transit (su gomma) Kawasaki
Giappone - Kobe 1981
• VAL Véhicule Automatique Léger (su gomma) Matra (ora Siemens)
Francia – Lilla 1983
• ALRT Advanced Light Rail Transit (su rotaia con LIM)- UTDC (ora
Bombardier) Canada - Vancouver 1986
• Metrò Automatico AnsaldoBreda (su rotaia)
Danimarca – Copenaghen 2002
Il sistema AGT
Realizzato dalla Kawasaki Heavy Industries (KHI) l’AGT di Kobe (Giappone) è il primo
sistema automatico (UTO) di media capacità in servizio commerciale.
La prima linea «Portliner» è operativa dal 1981 , inizialmente lunga 6,4 km , nel 2006
con l’estensione al nuovo aeroporto di Kobe, ha raggiunto i 10,7 km con 12 stazioni.
La seconda linea «Rokko Line» è operativa dal 1990, è lunga 4,6 km con 6 stazioni. La
capacità con frequenze di 120 sec è di 9000 passeggeri/ora per direzione e raddoppia
con una frequenza di 60 sec.
.
.
Il sistema VAL
Il VAL è il sistema automatico più diffuso. Realizzato dalla Matra, è entrato in
servizio a Lilla nel 1983. E’ il sistema utilizzato per le metropolitane di Tolosa
(Francia) dal 1993, di Taipei (Brown line ) dal 1996, di Rennes (Francia) dal
2002 e di Torino dal 2006 e come navetta negli aeroporti di Parigi Orly dal
1991 e Charles-de-Gaulle dal 2007 e di Chicago O’Hara dal 1993.
Dai veicoli iniziali serie 206 (corrispondente alla loro larghezza in cm) si è
passati alla serie 256.
Le metropolitane automatiche di Parigi (linea 14 - 1998) e di Lione (linea D 1992) hanno fatto ricorso ad alcune tecnologie del sistema VAL .
La tecnologia Matra acquisita dalla Siemens, a seguito della collaborazione
con la Lohr ha dato origine al NEOVAL che presenta un’evoluzione del VAL in
particolare per avere adottato il sistema di scambio Translohr.
Il sistema VAL
Il VAL 206 di Lilla
Il metrò automatico AnsaldoBreda
E’ il sistema adottato per la metropolitana automatica di
Copenaghen inaugurata nel 2002. Lo stesso sistema è stato
adottato per metropolitana di Brescia e la linea 5 di Milano
entrate in servizio nel 2013 e per la linea 4 di Milano, il cui primo
troco sarà attivato nel 2015.
Le metropolitane automatiche di Riyadh, di Taipei (Yellow line),
di Roma (linea C), di Salonicco (lavori attualmente sospesi) e di
Honolulu utilizzano la stessa tecnologia AnsaldoBreda , che si
basa su armamento ferroviario tradizionale con scartamento
normale 1435 mm.
Il metrò automatico AnsaldoBreda
Metropolitana automatica
di Copenaghen
Metropolitana automatica
di Brescia
(UI
Developments and trends
Un esempio di retrofit to driverless operation è la Jubilee Line di
Londra . L’esercizio con guida automatica è operativo dal giugno
2011.
Porte di banchina
in una stazione della
Jubilee Line di Londra
.