locomotiva
Indice
Definizione
sf. [sec. XIX; dal francese locomotive (machine), (macchina) capace di muoversi]. Veicolo automotore, atto a trainare convogli ferroviari. Scherzoso: sbuffare come una locomotiva, respirare con affanno. In origine il vocabolo era usato propr. come agg. nella loc. macchina locomotiva, che aveva lo stesso senso.
Classificazione: generalità
Le locomotive vengono suddivise, in base al tipo di motore adottato, in locomotive a vapore (alternative o a turbina), locomotive termiche (dotate di motori Diesel) e locomotive elettriche. Ogni locomotiva è contraddistinta dal rodiggio (numero complessivo degli assi portanti e accoppiati) e dalla potenza dell'apparato motore espressa un tempo in cavalli-vapore, poi in kW. Le locomotive termiche e quelle elettriche sono strutturalmente analoghe: la cassa, generalmente di forma parallelepipeda aerodinamica, ospita la cabina di guida, di solito anteriore, che può mancare nelle motrici rimorchiate; in essa trovano posto gli apparati motore, i sistemi di alimentazione degli apparati ausiliari (motocompressori per l'aria compressa, motogeneratori per media e bassa tensione, motoventilatori per il raffreddamento dei motori), gli apparati di comando, regolazione e controllo; nelle motrici elettriche vi sono anche i gruppi elettrici e sulla cassa gli organi di presa della corrente dalla linea aerea; nelle motrici Diesel vi sono, invece, il cambio, il sistema di trasmissione e (nelle Diesel-elettriche) i generatori di corrente, mentre sotto la cassa sono disposti i serbatoi per il carburante; infine, la cassa appoggia, tramite ralla, perni e idonee sospensioni, sui carrelli motore, generalmente a due o tre assi.
Classificazione: locomotiva a vapore
Le locomotive con motore alternativo normale sono costituite da: caldaia, apparato della distribuzione del vapore, cilindri, bielle e ruote motrici, carro e tender (che può essere separato dal corpo della locomotiva). La caldaia è la parte in cui si ottiene la produzione di vapore sotto pressione e può essere a tubi di fumo (a fiamma diretta) o a tubi d'acqua; entro il focolare annesso alla caldaia viene bruciato carbon fossile (in certi casi sostituito da un sottile getto di nafta); i fumi caldi prodotti, attraversando i tubi di fumo, trasformano progressivamente l'acqua della caldaia in vapore. I fumi, all'uscita dalla caldaia, fuoriescono dal fumaiolo, mentre il vapore si raccoglie in una cupola, sistemata nella parte alta della caldaia (duomo), dove diventa più secco. Dal duomo il vapore passa all'apparato di distribuzione la cui parte fondamentale è il cassetto di distribuzione: nelle locomotive a vapore moderne si usa il glifo Hansinger con cassetto equilibrato cilindrico (distribuzione Walschaerts); la distribuzione a valvole (Caprotti, Lenz, Cossard, ecc.), nonostante i vantaggi, non ha trovato larga applicazione a causa della delicatezza, complessità e costo dei meccanismi. I meccanismi del cassetto di distribuzione, attraverso rinvii meccanici, provvedono a convogliare in sequenza esatta ai cilindri il vapore che proviene dalla caldaia e a convogliare al fumaiolo il vapore che ha compiuto il suo lavoro, cioè dopo che si è espanso entro i cilindri. Nei cilindri avviene la trasformazione dell'energia contenuta nel vapore sotto forma di calore in energia meccanica. I cilindri sono due o quattro, a doppio effetto; il vapore, cioè, viene fatto penetrare alternativamente a uno e all'altro estremo dei cilindri, in modo che i pistoni che si muovono entro di essi vengano sospinti dal vapore in entrambi i sensi, ciò che fornisce complessivamente una maggiore potenza. I cilindri sono collegati, mediante un cinematismo a glifo oscillante, bielle e manovelle, alle ruote motrici che sono quattro o sei, raramente otto o più; l'accoppiamento fra loro di più assi motore è reso necessario allo scopo di aumentare il peso aderente, soprattutto al momento dell'avviamento, e quindi lo sforzo di trazione necessario per movimentare un convoglio, dato che questo tipo di locomotiva raramente sviluppa potenze superiori ai 300 kW per unità motrice. Le locomotive più pesanti, oltre alle ruote motrici, hanno anche ruote portanti, cioè non motrici ma destinate a reggere parte del peso della macchina in testa e in coda, in quanto ogni asse (comprensivo delle due ruote) non può gravare sulla rotaia con un peso superiore alle 15-25 t. Il complesso caldaia-ruote-meccanismi è montato su di una robusta struttura di acciaio (carro) nella quale si trova la cabina di guida, posta dietro il focolare e, nei tipi di locomotive più moderni, anche il tender. La cabina di guida, aperta a un estremo (salvo in un numero limitato di modelli più recenti), alloggia il macchinista, che guida il treno operando su leve, rubinetti, manopole di comando, e il fochista, che bada a caricare carbone nel focolare e a controllare il livello dell'acqua nella caldaia. Carbone e acqua sono portati dal tender o carro-scorta, che nei modelli classici è un vagoncino rimorchiato. Ogni locomotiva è completata da freni su tutte le ruote (a ceppi, azionati a vapore, e azionabili meccanicamente), fanali, fischio, strumenti di misura, dispositivi di protezione contro sovrapressioni e velocità eccessive, ecc. Le massime potenze (mai comunque superiori a 500 kW per unità motrice) si ottengono con le locomotive con turbine a vapore a condensazione e trasmissione meccanica: comprendono caldaia, preriscaldatore, surriscaldatore, due o più turbine e il sistema di trasmissione della potenza agli assi del tipo a ingranaggi con riduttore; le turbine possono essere disposte ai due estremi del carro oppure a coppie, una per ogni asse motore. Sono molto dispendiose in quanto non sfruttano tutta l'energia termica a disposizione, ma in compenso hanno massima affidabilità; adottando più motrici accoppiate, con turbine in serie, è possibile ottenere potenze superiori ai 1500 kW. Le locomotive a vapore classiche sono ormai “pezzi da museo”, anche se vengono ancora impiegate su alcune linee nei Paesi del Terzo Mondo.
Classificazione: locomotive termiche
Si intendono per locomotive termiche quelle dotate di motori Diesel sovralimentati , a iniezione, a quattro tempi, analoghi a quelli per autotrazione, il cui avviamento è assicurato da un idoneo motore elettrico a batteria d'accumulatori; la loro potenza per singola unità motrice può variare da 300 kW fino a 2000 kW. Rispetto alle motrici a vapore sono, a parità di potenza, più leggere e flessibili, inoltre bastano anche meno di dieci minuti per portare in condizioni d'esercizio gli apparati ausiliari (compressori per i freni e per l'apertura-chiusura automatica delle porte, sistemi di riscaldamento o di condizionamento, accumulatori per gli impianti elettrici, ecc.), mentre le locomotive a vapore richiedono tempi molto lunghi per “entrare in pressione”. Tali motrici consentono di realizzare cabine di guida confortevoli, operazioni di rifornimento di combustibile (gasolio) assai rapide, non richiedono consumo d'acqua o costose installazioni di linee aeree per la presa di corrente; le loro condizioni d'esercizio sono semplici e relativamente economiche, inoltre forniscono un notevole sforzo di trazione che facilita la ripresa e il rapido raggiungimento della velocità di marcia, mentre il comando individuale degli assi motore diminuisce l'usura dei binari (per tale motivo sono preferite nei servizi di stazione); tuttavia, rispetto alle motrici elettriche, sono molto sensibili alle brusche variazioni di regime tipiche della trazione ferroviaria, per cui risultano molto vantaggiose soprattutto quando non è possibile o è troppo costoso attrezzare linee elettriche aeree, come in America, Asia, Africa. Poiché i motori Diesel non possono trasmettere direttamente la potenza agli assi motori, le locomotive termiche richiedono organi ausiliari per tale funzione, che possono essere meccanici, meccanico-idraulici e meccanico-elettrici. Le locomotive Diesel-meccaniche (DM) hanno la trasmissione essenzialmente costituita da un innesto a frizione, da un cambio di velocità a ingranaggi e da un invertitore di marcia a ingranaggi; tali organi, seppur più robusti e pesanti, sono analoghi a quelli usati per l'autotrazione e il loro rendimento è dell'ordine del 96-97%; tuttavia, l'innesto a frizione non consente di trasmettere potenze superiori a 300 kW per unità motrice, per cui tale sistema viene adottato solo per automotrici leggere. Le locomotive Diesel-idrauliche (DI) hanno una trasmissione idraulica costituita da un accoppiatore idraulico, da un trasformatore di coppia e da un invertitore di marcia a ingranaggi: l'accoppiatore è sostanzialmente simile a un giunto idraulico la cui corona di palette motrici è montata sull'albero del motore Diesel mentre la corona ricevitrice è calettata sull'albero secondario; il trasformatore di coppia è costituito da una pompa collegata all'albero motore e da una turbina collegata agli assi motore, il tutto racchiuso in un carter, inoltre comprende delle palette direzionali poste nel carter e una pompa d'iniezione esterna. Spesso, tali motrici sono dotate di più accoppiatori e convertitori a cascata che consentono di migliorare il rendimento della trasmissione in modo da utilizzare al massimo la piena potenza del motore, anche se il rendimento totale resta inferiore a quello della trasmissione meccanica; da ciò la necessità di utilizzare più motori accoppiati quando si abbia necessità di disporre di elevate potenze per una maggiore velocità d'esercizio; comunque, la potenza massima trasmessa è dell'ordine di 1500 kW. Le locomotive Diesel-elettriche (DE) hanno un equipaggiamento schematicamente costituito da un motore Diesel sovralimentato accoppiato a un generatore elettrico a corrente continua o a un gruppo alternatore-raddrizzatore; dei motori elettrici di trazione (uno per ciascun carrello) a corrente continua collegati fra loro in parallelo ed eccitati in serie, che sono alimentati dal generatore; degli invertitori per cambiare il senso della corrente degli induttori dei motori onde permettere l'inversione della direzione di marcia; dei contattori per isolare il generatore dai motori; un sistema di trasmissione del moto alle ruote, di solito ad albero cavo a ingranaggi; un idoneo sistema di regolazione. Quest'ultimo è di norma automatico, comandato da una dinamo autoregolatrice che agisce sia sul generatore sia sui regolatori del sistema di iniezione del Diesel (oggi a comando elettronico), garantendo così una costanza nell'erogazione di energia elettrica ed evitando un sovraccarico del motore termico; esso, inoltre, permette di utilizzare la potenza massima del Diesel entro una vasta gamma di velocità e di ripartirla su un numero variabile di assi motore, nonché di poter disporre nel contempo sempre della massima energia possibile necessaria per l'alimentazione degli apparati ausiliari. Rispetto alle DI, la trasmissione delle DE ha peso superiore per unità di potenza trasmissibile e costi complessivi superiori, tuttavia, la DE presenta un miglior rendimento e consente minori consumi di carburante, possibilità di regolazione decisamente più versatile, potenza massima trasmissibile nettamente superiore tanto che con generatori a corrente continua si può arrivare a 2000 kW, mentre utilizzando gruppi alternatore-raddrizzatore i limiti sono rappresentati solo dall'impossibilità di montare su una sola motrice motori Diesel con potenze specifiche superiori a 2500 kW. Pertanto (soprattutto negli USA, dove tali motrici sono praticamente le sole utilizzate) si ricorre a soluzioni modulari che permettono di trainare pesanti convogli a elevate velocità (oltre i 200 km/h): ogni modulo prevede un motore Diesel da 2000 kW accoppiato a un gruppo alternatore-raddrizzatore e la motrice con cabina di guida viene collegata ad altre (fino a tre) prive di cabina; in tal caso i comandi e i sistemi di regolazione sono unificati nella motrice di testa mentre le altre possono portare una maggiore riserva di carburante, il che consente di coprire lunghi percorsi senza rifornimenti.
Classificazione: locomotiva elettrica
Queste motrici sono strutturalmente simili a quelle termiche rispetto alle quali recano sul tetto della cassa gli organi di presa della corrente dalla linea di contatto aerea, costituiti da un pantografo a uno o due striscianti, e, naturalmente, sono prive di serbatoi per il carburante, il che ne fa diminuire il peso complessivo. Schematicamente, una motrice elettrica è dotata di motori elettrici di trazione, di sistemi di avviamento, comando e regolazione, di apparato frenante che può essere a recupero di corrente, di apparati ausiliari principali e secondari e di dispositivi di protezione degli equipaggiamenti elettrici. I motori di trazione sono posti sui carrelli-motore e sono sospesi alla cassa; sono a corrente continua del tipo a collettore eccitato in serie, a 4 o 6 poli, con poli ausiliari di commutazione per invertire il senso di rotazione (marcia indietro); di recente introduzione sono i motori asincroni trifase alimentati da un idoneo convertitore elettronico di potenza (inverter) controllato elettronicamente; questi motori hanno il vantaggio di poter essere utilizzati sia con corrente continua sia con corrente alternata monofase, nel qual caso è necessario però un trasformatore che alimenta un raddrizzatore il quale alimenta a sua volta il convertitore elettronico. Poiché un motore sopporta un limite del valore massimo di tensione applicabile, per la trazione di un convoglio è necessario utilizzare almeno due (o multipli di due) motori collegati fra loro; pertanto l'equipaggiamento in genere è a 4 o 6 motori tutti collegati in serie oppure a gruppi di 2 o di 3; con l'equipaggiamento a 4 motori è possibile avere 2 motori in serie e 2 in parallelo oppure tutti in parallelo; il rendimento varia da 0,72 a 0,75 per cui si tende a preferire la soluzione a 6 motori che, per di più, in avviamento consente un assorbimento di energia costante e regolare in funzione del tempo; con questi equipaggiamenti si possono ottenere potenze complessive da 2000 a oltre 6000 kW. L'avviamento dei motori avviene, tradizionalmente, mediante un reostato che realizza la transizione serie-parallelo con la quale si ottiene il valore di resistenza necessario a mettere in movimento i motori, evitando a questi un sovraccarico pericoloso; contemporaneamente entra in funzione la ventilazione forzata che garantisce un buon raffreddamento dei motori anche a bassa velocità o durante la sosta nelle stazioni; nella fase successiva una serie di dispositivi elettrici (contattori) escludono progressivamente il reostato e stabiliscono la sequenza di collegamento dei motori che permette alla motrice la marcia regolare anche a diverse velocità; la trasmissione del moto alle ruote avviene, generalmente, con un sistema a ingranaggi ad albero cavo, ad anello danzante, corredato da giunti elastici e cardanici. La grande variabilità del regime di marcia richiede, per i motori a corrente continua, un sofisticato sistema di regolazione basato sull'indebolimento di campo: questo viene realizzato agendo sul numero di spire dell'avvolgimento di campo dei motori che allo scopo è suddiviso in più parti collegabili fra loro in modi diversi secondo la tensione necessaria al momento; oggi è largamente impiegato il controllo elettronico della tensione attuato mediante chopper, il quale permette d'impostare la tensione più idonea alla velocità di marcia, consente di eliminare il reostato di avviamento e facilita la frenatura elettrica a recupero. Nei motori alimentati con corrente alternata monofase la regolazione è più semplice in quanto il trasformatore di cui sono equipaggiati reca, sul secondario, un dispositivo graduatore che permette di variare la tensione entro un campo abbastanza ampio; anche questo sistema è a controllo elettronico. Per motivi di sicurezza dei macchinisti, l'avviamento e la regolazione sono a comando indiretto, che consente di operare con correnti ausiliarie di piccola entità che alimentano i contattori; tale sistema è costituito essenzialmente da un controller principale automatico azionato da un motorino elettrico a sua volta controllato da un relè di accelerazione; nel sistema a sequenza di blocco il controller principale è abolito e i vari contattori, elettropneumatici o elettromagnetici, sono controllati da relè interbloccati che inviano impulsi di chiusura-apertura secondo sequenze predeterminate in funzione del comando scelto. Completano l'equipaggiamento gli apparati ausiliari principali: l'invertitore di marcia, azionato da un'elettrovalvola, che consente al motore di ruotare in senso opposto; il combinatore per l'indebolimento di campo, sostanzialmente un piccolo controller a correnti ausiliarie, che aziona i contattori elettropneumatici o elettromagnetici; i coltelli escluditori dei motori, interruttori-sezionatori che escludono dal circuito uno o più gruppi di motori in caso di avaria; il comando multiplo, costituito da un accoppiatore cui giunge un cavo a più conduttori a bassa tensione sul quale sono inseriti in parallelo tutti i controllers principali di comando delle singole motrici (nel caso di treni a più motrici), i comandi per i servizi ausiliari, le condotte per l'aria compressa dei freni. Gli equipaggiamenti elettrici sono protetti da vari dispositivi, tra cui i principali sono: l'interruttore extrarapido per impedire immediatamente ogni possibile danno dovuto a cause esterne; il relè di massima corrente, con funzioni analoghe al precedente ma che interviene in caso di guasti di origine interna; il relè di minima tensione, che protegge l'equipaggiamento nel caso la tensione di linea scenda sotto un prefissato valore; il dispositivo antislittamento per evitare perdite di aderenza in fase di avviamento. I servizi ausiliari comprendono: due gruppi motocompressori per l'aria compressa, il cui motore è allacciato alla linea con interposto interruttore, che servono per il movimento del pantografo, per il funzionamento dei contattori elettropneumatici, per l'azionamento delle porte, per l'impianto frenante, ecc.; un gruppo elettrogeneratore per l'alimentazione di tutti gli apparati a bassa tensione in corrente continua, che può essere una dinamo o un alternatore nel caso esistano impianti di condizionamento, in connessione atampone con batterie di accumulatori a 24, 36, 72 V; il sistema di riscaldamento elettrico, costituito da una condotta principale ad alta tensione da cui vengono derivate le “scaldiglie” dei singoli scompartimenti o delle vetture open space; un piccolo motocompressore ausiliario, alimentato a batteria, che serve a fornire l'aria compressa per l'innalzamento del pantografo dopo lunga inattività, in modo che questo possa fornire, captandola dalla linea aerea, l'energia elettrica necessaria al funzionamento degli apparati principali.