locomotiva
Veicolo ferroviario munito di motore, atto a trainare su rotaie altri rotabili.
Generalità
Le l. possono essere classificate, secondo la forma di energia che sfruttano, in l. termiche e l. elettriche. Le prime utilizzano energia termica mediante motori a vapore, diesel o a turbina; le seconde, invece, sono mosse da motori elettrici. Le l. sono composte da rodiggio (insieme degli assi), telaio, motore, trasmissione, cassa (carrozzeria e pianale) e impianti ausiliari.
A seconda del servizio cui sono destinate, le l. si distinguono in l. da manovra e l. da treni; queste ultime possono essere l. per treni merci e l. per treni viaggiatori. Nelle l. da manovra, destinate a compiere brevi percorsi a bassa velocità, la potenza è dell’ordine di qualche centinaio di kW, mentre nelle l. da treno si giunge a potenze di migliaia di kW.
Un modo di caratterizzare le l. è dato dal tipo di rodiggio convenzionalmente rappresentato da una sigla che ne riassume le caratteristiche. Le sigle maggiormente usate sono espresse in lettere latine (A,B,C,D ecc.). Nelle l. a vapore, per le quali sia le dimensioni sia il peso richiedono la presenza di assi esclusivamente portanti (soluzione del tutto abbandonata nelle moderne l. elettriche e diesel), questi, nella sigla del rodiggio, sono rappresentati da un numero arabo che ne indica la quantità e che precede o segue la serie di lettere a seconda che questi assi portanti siano anteriori o posteriori. Le moderne l. per treni sono tutte ad aderenza totale, cioè con assi tutti motori, e gli schemi di rodiggio classici sono il B0B0 (due carrelli ciascuno con due assi motori attraverso due motori), il B0B0B0 (tre carrelli ciascuno con due assi motori), il BB (due carrelli monomotori), e infine il C0C0 (due carrelli ciascuno con tre assi motori attraverso tre motori).
Uno degli elementi fondamentali per la sicurezza della circolazione del treno è il freno della l.; inizialmente la frenatura del treno era effettuata a mano: sia la l. sia i veicoli trainati erano dotati di ceppi azionati da agenti di scorta al treno (frenatori). Successivamente si sono sviluppati il freno continuo, la frenatura elettrica e la frenatura combinata. Il freno continuo è composto da una condotta di aria compressa che percorre tutto il treno e viene caricata da un compressore ubicato sulla l. e mantenuta in pressione durante la marcia: l’aria in pressione contrasta l’azione di una molla che tende ad azionare il freno del veicolo.
L. termiche
L. a vapore. - Costituiscono, almeno dal punto di vista storico, un esempio ragguardevole di applicazione di motrice alternativa a vapore. Le prime furono costruite in Inghilterra agli albori dell’Ottocento (➔ ferrovia). Ormai sono pressoché scomparse nelle reti delle aree industrializzate (Europa, America Settentrionale), sostituite dalle l. diesel o elettriche. Un problema che ebbe la sua importanza nell’abbandono della trazione a vapore, in particolar modo in reti ferroviarie ricche di gallerie, come quella italiana, era quello dei fumi che, oltre ad avere influenza sul comfort dei passeggeri e sulla pulizia del materiale, aveva rilevanza anche sulla potenzialità delle linee. Anche se la l. a vapore non sembra avere più prospettive di sviluppo è tuttavia utile, per l’importanza che essa ha avuto nello sviluppo delle ferrovie e, in generale, nell’evoluzione dei trasporti, fornire alcune notizie sulla sua costituzione e sulle sue caratteristiche (fig. 1A). Essa è fondamentalmente costituita da 3 gruppi di organi: la caldaia (forno, caldaia e camino), l’apparato distributore e motore e il carro (telaio e rodiggio). È necessariamente dotata del tender che, destinato a contenere le scorte di carbone e di acqua, può essere un carro a sé o essere parte integrante della locomotiva. La caldaia ha lo scopo di produrre vapore acqueo nella voluta quantità e in determinate condizioni di pressione e temperatura; l’apparato motore ha la funzione di trasformare l’energia termica del vapore in energia meccanica, che viene trasmessa, mediante opportuni cinematismi (manovellismi), all’asse motore al quale sono solidali le ruote; per aumentare il peso aderente all’asse motore sono accoppiati, per mezzo di bielle di accoppiamento, uno o più assi (assi accoppiati), che difficilmente superano i sei. Il vapore, fornito a pressioni comprese tra i 12 e i 16 bar, può essere saturo o surriscaldato con temperature intorno ai 300-350 °C. Il combustibile impiegato è generalmente carbone fossile oppure nafta. Le caldaie delle l. sono quasi esclusivamente a tubi di fumo a fiamma diretta. Il motore, costituito da semplici stantuffi, ha per lo più due o quattro cilindri ad assi paralleli collegati al telaio della l. con piastre fissate ai longheroni del telaio. Il telaio sostiene la caldaia e il meccanismo motore ed è formato da due fiancate o longheroni, disposti per lo più internamente alle ruote e collegati da traverse. La caldaia è fissata al telaio solamente nella parte anteriore. Il telaio trasmette il carico agli assi per mezzo delle boccole, le quali abbracciano i perni degli assi. Il collegamento fra i longheroni del telaio e le boccole è effettuato per mezzo di sospensioni (per lo più a balestra), per evitare la trasmissione di urti dalle ruote al telaio. Durante la marcia la l. a vapore è soggetta, oltre che alle perturbazioni, comuni a tutti i rotabili ferroviari, dovute all’armamento e alla costituzione del carro, anche a moti parassiti dipendenti dal meccanismo motore, come moto di rollio, moto di rinculo o serpeggiamento e moto di galoppo.
L. diesel. - Sono azionate da uno o più motori del tipo veloce (1500 giri/min) o semilento (1000 giri/min). L’impiego del motore diesel ha richiesto inizialmente la soluzione del problema della trasmissione della potenza dal motore agli assi della l.: poiché i motori a combustione interna sviluppano potenza e coppia massima in una ristretta gamma di numero di giri, è necessario che per un razionale ed economico sfruttamento del motore esso sia utilizzato proprio in quella gamma. Le trasmissioni impiegate possono essere: meccanica (l. diesel-meccanica), idraulica (l. diesel-idraulica) ed elettrica (l. diesel-elettrica, fig. B). La trazione diesel-idraulica (come la diesel-meccanica) è usata specialmente per l. da manovra o per usi industriali, mentre per uso passeggeri è diffusa nelle unità automotrici a una o più casse.
Nella cassa della l., oltre ai motori diesel e a parte della trasmissione, trovano alloggiamento il compressore d’aria per il circuito di frenatura e per i circuiti di comando, la batteria con il proprio generatore, il radiatore dell’acqua di raffreddamento del motore diesel e quello, nel caso in cui si usi il cambio idraulico, dell’olio del cambio con i relativi ventilatori, il serbatoio del carburante e le sabbiere. Nella cassa è poi situata la cabina del macchinista con tutti i comandi per la marcia raccolti nel banco di manovra.
Le l. diesel-elettriche sono azionate da uno o due motori diesel, direttamente accoppiati con un generatore elettrico, che eroga corrente a tensione variabile tra zero e parecchie centinaia di volt e tale corrente va ad alimentare il circuito dei motori elettrici di trazione. Le l. diesel-elettriche sono più costose, ma raggiungono potenze superiori a quelle delle l. con trasmissione idraulica o meccanica. A seconda del sistema di regolazione adottato, ogni curva caratteristica può corrispondere a una potenza fissa, oppure poco variabile, del motore diesel. La maggior parte delle l. diesel-elettriche è costituita da una cassa e da un telaio poggiante su due carrelli; esse sono usate per servizio passeggeri e merci e per manovra. Nella cassa della l. trovano alloggio, oltre alle normali apparecchiature comuni a tutte le l. diesel, il generatore elettrico principale e quello secondario, che serve all’eccitazione di quello principale, le eventuali resistenze per la frenatura elettrica, il dispositivo di regolazione del motore diesel, i circuiti di comando e la cabina di guida. Essendo, di fatto, il complesso di trazione uguale a quello delle l. elettriche, gli azionamenti delle l. diesel-elettriche hanno subito lo stesso sviluppo: si è passati dal generatore in corrente continua (c. c.) a un alternatore trifase a 200-300 Hz che alimenta un raddrizzatore trifase a ponte di Graetz con diodi al silicio da cui si preleva l’energia in c. c. che va ad alimentare il motore di trazione. Successivamente il motore in c. c. è stato sostituito da motori asincroni trifasi alimentati a tensione e frequenza variabili avendo posto all’uscita del raddrizzatore un inverter (convertitore c. c./c. a.).
L. a turbina. - Adottano un motore a turbina invece del normale motore alternativo. Hanno avuto sviluppo in Francia, dove i primi esperimenti ad alta velocità furono condotti con un turbotreno composto da due l. e tre carrozze, hanno trovato principale diffusione sulle reti americane, ma, risultate antieconomiche, non sono più in uso.
L. elettriche
In genere dotate di più di un motore, ricevono energia elettrica dall’esterno attraverso la linea elettrica di contatto che può essere aerea (fig. C) o a terra (terza rotaia, sistema ormai in uso esclusivamente per le metropolitane). La potenza delle l. elettriche è andata sempre più aumentando in considerazione del fatto che si tende a fare treni merci sempre più pesanti e treni viaggiatori più veloci: si hanno infatti l. con potenza di 6000-6500 kW utilizzate per treni con velocità oltre i 220 km/h.
Una considerazione a parte riguarda le l. per Alta Velocità (AV), che si differenziano dalle l. elettriche tradizionali per il fatto che esse non sono simmetriche, dovendo andare in composizione bloccata con le carrozze che costituiscono il convoglio e avere un profilo aerodinamico molto spinto per ridurre la resistenza dell’aria ad alta velocità. Nei treni AV, quindi, si hanno due l. per convoglio, del tutto identiche, una in testa e una in coda al treno la cui potenza complessiva arriva a 12.000 kW e consente di superare i 300 km/h. Le l. asimmetriche si stanno sviluppando anche per treni non AV. La tendenza a ridurre il più possibile le manovre all’interno delle stazioni porta alla necessità di treni reversibili composti da una l. ubicata a una delle estremità del treno comandabile anche dall’altra estremità attraverso una particolare carrozza con cabina di comando (carrozza semipilota). La caratteristica asimmetrica di queste l. le rende adatte anche all’impiego in doppia trazione contigua dando luogo così a un’unità bidirezionale di elevatissima potenza per treni merci molto impegnativi. Per poter ricorrere a motori veloci e quanto più possibile leggeri, è necessario che la coppia disponibile al loro albero sia trasmessa agli assi della l. a mezzo di ingranaggi di riduzione. La trasmissione può essere rigida, elastica o articolata a seconda che la connessione tra motore e sala sia attuata attraverso un giunto rigido, elastico o mobile (generalmente cardanico). Sulla quasi totalità delle l. italiane si è fatto ricorso a carrelli con trasmissione ad albero cavo, che è una trasmissione elastica e articolata, nella quale la coppia motrice del motore, a mezzo di ingranaggi di riduzione, è trasmessa a un albero cavo, che ha cuscinetti solidali con la carcassa del motore; l’albero cavo trasmette poi elasticamente la coppia alle ruote; la sala (insieme asse-ruote) è posta all’interno dell’albero cavo stesso.
Le l. elettriche ricevono energia da una linea elettrica esterna (linea di contatto) attraverso speciali organi di presa di corrente; se la linea è a terza rotaia la presa avviene con un pattino (➔ presa) mentre se è una linea aerea la presa è effettuata con un pantografo, che per l. per alta velocità è un organo di delicata e attenta progettazione. Nelle l. a corrente alternata l’elevata tensione viene ridotta, prima di essere applicata ai motori, mediante un trasformatore a prese variabili che ne consente anche la regolazione.
A partire dalla fine degli anni 1970, con lo sviluppo dell’elettronica di potenza, la motorizzazione delle l. elettriche è risultata indipendente dal sistema di alimentazione. Il primo grosso sviluppo si è avuto con la messa a punto del chopper . L’azionamento a chopper è costituito da un filtro di rete che ha il compito di ridurre le armoniche prodotte dalla parzializzazione della corrente e ridurre l’ondulazione, l’induttanza di livellamento e il diodo di ricircolo che mantiene la circolazione di corrente nel motore anche nei periodi di non conduzione, prelevando l’energia necessaria dal filtro di rete, e dal chopper vero e proprio costituito da più colonne di tiristori in serie a loro volta collegate in parallelo. Attraverso il chopper è quindi possibile evitare tutto il complesso sistema di regolazione proprio delle tradizionali regolazioni reostatiche dei motori in c. c. consistente nel reostato di avviamento e nei combinatori serie-parallelo dei motori, con evidenti vantaggi per il rendimento della macchina. Inoltre, la particolarità dei circuiti elettronici di potenza consente, attraverso opportune tarature, di automatizzare e ottimizzare molte fasi della marcia della l. (avviamento e frenatura). Successivamente alla messa a punto degli azionamenti a chopper, l’introduzione di un ulteriore stadio di conversione statica c. c./c. a. tramite l’inverter (➔ invertitore) ha aperto la strada allo sfruttamento del motore asincrono trifase. L’inverter, composto da tiristori del tipo GTO, consente di disporre ai capi del motore di un sistema trifase regolabile in tensione e frequenza, il che permette di sfruttare al massimo la caratteristica meccanica del motore asincrono trifase una volta che siano variabili tensione e frequenza. L’impiego del motore asincrono trifase, che è sempre stato un obiettivo dei progettisti di l. elettriche, presenta vari vantaggi: assenza di collettori, spazzole, anelli e parti non isolate dei motori di trazione, assenza di contatti e di parti mobili in tutta l’apparecchiatura di potenza, assenza di fenomeni di slittamento degli assi, possibilità di ottenere elevati sforzi di trazione in ogni condizione di marcia. Di contro, esso richiede un più accurato studio del sistema di sospensione della l., del motore e del sistema di trasmissione del moto dal motore alle ruote; tale approfondimento si è reso necessario sia per l’elevato numero di giri che presenta, sia per la necessità di limitare le perdite riducendo il traferro tra statore e rotore del motore.
L’azionamento di trazione posto a valle della linea di contatto in c. c. è costituito per le l. a c. a. da un chopper che riduce la tensione a un valore compatibile con quella di ingresso dell’inverter, da un inverter che dà luogo a un sistema trifase a tensione e frequenza variabile, dai motori di trazione e, infine, dal complesso di regolazione e controllo che consente la marcia della l. secondo una caratteristica fissata (banco di manovra). Per le linee di contatto in c. a. a tutta la catena è anteposto un trasformatore riduttore e un raddrizzatore. Nelle l. con azionamento a chopper (penultima generazione) i motori sono necessariamente in c. c., e la catena è come quella descritta sopra mancando però l’inverter.
Le apparecchiature di comando di una l. elettrica con regolazione reostatica sono costituite essenzialmente da un combinatore (detto anche controller), che per le l. a c. c. può far variare, secondo una determinata successione e impedendo manovre errate, il valore della resistenza del reostato di avviamento o di frenatura, il collegamento e il valore del flusso dei campi principali dei motore di trazione. Per le l. a c. a., invece, tale combinatore determina la variazione della tensione di alimentazione dei motori, andando ad agire sul variatore del rapporto di trasformazione del trasformatore, e comanda lo shuntaggio dei campi dei motori di trazione. Il combinatore offre al macchinista diverse caratteristiche di marcia che consentono di adeguare lo sforzo di trazione a quello resistente e di regolare quindi la velocità del convoglio. In genere il comando è automatico: il macchinista invece di comandare ogni passaggio del combinatore da una posizione alla successiva si limita a scegliere una caratteristica di marcia, mentre i passaggi intermedi si succedono automaticamente al momento opportuno; sempre più spesso tale complesso di operazioni è controllato e comandato da un micro-processore opportunamente programmato. Le parti in alta tensione delle l. elettriche non sono accessibili quando la macchina è sotto tensione; l’azio;namento delle relative apparecchiature avviene mediante comandi in bassa tensione o ad aria compressa. Le l. elettriche sono inoltre provviste di un interruttore principale il quale ha la funzione di connettere con la linea di contatto il circuito di trazione e quelli ausiliari della l. e di intervenire rapidamente e automaticamente in caso di anormalità del regime di alimentazione. Le apparecchiature ausiliarie comprendono i generatori, destinati a fornire le appropriate tensioni di alimentazione, il compressore per il circuito di frenatura e i gruppi ventilatori per il raffreddamento.