Come funzionavano le locomotive a vapore

[roy67]

Prefazione

Circa trent'anni fa, entrai nel negozio di modellismo, ove ancor oggi mi servo, per acquistare una bella locomotiva a vapore, di quelle belle... Come si conviene, ma senza avere idea di cosa acquistare. Il fascino delle bielle, senza sapere cosa avrei comprato.
Il negoziante mi propose due modelli.
La FS Gr 691 Rivarossi.
La DRG Br 01 Roco.
Erano molto simili, il prezzo era quasi uguale, poche migliaia di lire di differenza.
Ma l'impatto era notevolmente diverso. Benché fossero entrambe a rodiggio "Pacific" (2'C1') la Br 01 era molto più accattivante, pregna, ai lati della caldaia, di aggeggi, tubi, cose... La Gr 691 era assolutamente spoglia, la caldaia era quasi nuda.. Non mi attirava. Acquistai quindi la mia prima Br 01 DRG.
Giunto a casa iniziai a farmi domande. Ma cosa sono tutte queste cose?
A cosa servivano?
Perché quella italiana non le aveva?

Iniziai così ad appassionarmi alle locomotive a vapore tedesche, studiando tutti gli accessori e funzionamenti, apparecchiature ed ingegneri che le progettarono.
Da tutte le mie ricerche e studi, una decina d'anni fa, scrissi un manuale riassunto di tutte le apparecchiature di una locomotiva a vapore di epoca II-III. Per imparare e capire tutte le apparecchiature installate e sfruttando poi, tale sapere, nelle mie autocostruzioni modellistiche.

Il funzionamento delle locomotive a vapore, per quanto semplice possa sembrare, è invece molto complesso ed intricato.
In questo post (benché in rete ve ne siano bizzeffe) vorrei spiegare il funzionamento totale, scomponendo ed analizzando separatamente, ma in modo semplificato, tutte le singole apparecchiature che determinano il perfetto sincronismo e l’assoluta affidabilità della macchina meccanica più complessa che sia stata mai costruita dall’uomo. Soluzioni ve ne furono centinaia, tutte diverse fra loro. Nelle successivi approfondimenti ho spiegato solamente la funzione "in linea di massima", spiegando il concetto di funzionamento, senza approfondire le varie diverse soluzioni adottate dai diversi progettisti.

Come nacque (In breve)

L’Ingegnere meccanico Henry Stephenson, nel 1815, ebbe l'idea vedendo una pentola d’acqua bollire. Il vapore generato al suo interno riusciva a sollevare il coperchio per poi scaricarsi richiudendolo di nuovo, poi, accumulata pressione all'interno della pentola,il coperchio si sollevava di nuovo.
Dopo vari esperimenti e fallimenti, ed in battaglia contro il tempo ed altri rivali nello studio della caldaia a vapore, Stephenson costruì nel 1829 la famosa “Rocket”.
Aveva un autonomia di 40 Km con un carico d’acqua, sviluppava circa 35 Kw ad una velocità di 45 Km/h. Una velocità folle per quel tempo.

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Dopo quasi un centinaio d’anni il successo delle ferrovie portò evoluzioni e miglioramenti, arrivando appunto a trasformare le locomotive in un complicatissimo ma perfetto groviglio d’apparecchiature meccanicamente legate fra loro.

All’inizio del XX secolo le ferrovie si erano già molto sviluppate ed non vi era paese che non avesse la sua ferrovia, la richiesta era altissima ed in costante aumento.
Aumentava la richiesta di vagoni passeggeri, di carri merci, ma, sopratutto, locomotive sempre più potenti.
L’industria ferroviaria continuava ad immettere sul mercato nuovi modelli, sempre più potenti e sofisticati per soddisfare le richieste del pubblico. Le locomotive divennero sempre più grandi, lunghe e pesanti. Al punto da dover aggiungere ruote per attenuare il grande peso che gravava sui binari.

Venne di conseguenza stilato un rapporto per la classificazione delle locomotive in base al numero delle loro ruote (RODIGGIO).
Il rodiggio UIC classifica il tipo di locomotiva in base a tre fattori:

1) Numero delle ruote folli che precedono le ruote motrici (calcolate per asse) indicate con un numero.
2) Numero delle ruote motrici (calcolate per asse) indicate con una lettera.
3) Numero delle ruote folli che seguono le ruote motrici.(calcolate per asse) Indicate con un numero.

Per capire meglio, si guardi foto della Rocket (più sopra). Questa ha (vista lateralmente) una grande ruota anteriore legata al pistone (quindi motrice) ed una piccola ruota posteriore.
Il suo rodiggio sarà dunque 0-A-1, in quanto:
0) Nessuna ruota precede la ruota motrice
A) Una sola ruota motrice (asse motore)
1) Una sola ruota a folle segue la ruota motrice (asse supporto folle).

Se, come nel nostro caso, non dovessero esserci ruote, tale dicitura viene omessa. Quindi, la Rocket, non ha un rodiggio 0-A-1, ma semplicemente A-1. Se la ruota, motrice o di supporto, è installata su carrello snodato, il numero viene seguito da un apostrofo.

Nelle locomotive tedesche il rodiggio evidenzia anche il tipo di motore e il tipo di vapore che alimenta i cilindri.

Ad esempio: Una Br 58 ha un rodiggio di 1'E h3.

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Che significa:
1': Un asse portante su carrello
E: Cinque assi accoppiati
h: Vapore surriscaldato (dal tedesco heissdampf)
3: Tre cilindri a semplice espansione

Una Br 59 invece ha un rodiggio di 1'F h4v

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1': Un asse portante su carrello
F: Sei assi accoppiati
h: Vapore surriscaldato
4: Quattro cilindri
v. A doppia espansione (da tedesco verbund)

La BB II (Br 98.7) bavarese aveva un rodiggio B'B n4v.

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B': Due assi motori installati su carrello
B: Due assi motori
n: Vapore saturo (dal tedesco Nassdampf)
4: Quattro cilindri
v: A doppia espansione

Talvolta (ma non sempre), nelle locotender, si può trovate la lettera "t", che sta a significare che il rodiggio completo è "terminato", non segue il rodiggio del tender.

Ad esempio, la Br 94.5/17 (Ex T16.1 prussiana, nonché la nostra amata Pierina)
ha un rodiggio di E h2t

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E: Cinque assi accoppiati
h: Vapore surriscaldato
2: Due cilindri a semplice espansione
t: Tenderlokomotive

Questo ci mette già su un altra strada e ci fa capire che il rodiggio di una normale locomotiva a vapore non è terminato. Infatti, senza il tender, le locomotive non potevano funzionare che per soli pochi chilometri, in quanto la caldaia doveva essere costantemente alimentata da acqua e carbone. Normalmente, però, il rodiggio del tender non viene allacciato al rodiggio della locomotiva. Questo perché vi erano tanti tipi di tender e non è detto che su "quel tipo di locomotiva" venisse agganciato "quel tipo di tender".
Il rodiggio del tender viene spiegato come per le locomotive:
- Numero di assi, se su carrelli o meno
- Metri cubi di acqua contenuti nella vasca

Questa Br 55, ad esempio, installa un tender 3 T 16,5

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Cioè :
- Tre assi
- 16, 5 metri cubi d'acqua

Una Br 58 (ex G 12 prussiana) installava un tender 3 T 20, simile al precedente ma leggermente più grande.

Una Br 50 aveva (normalmente) un tender 2'2' T 26
- 2': Due assi su carrello
- 2': Due assi su carrello
- T 26: Ventisei Mc acqua.

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Ma furono costruiti tender anche più grandi, come il 2'2'T34...

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oppure il mastodontico 2'3T38:

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- 2': Due assi su carrello
- 3: assi fissi portanti
- T38: Trent'otto Mc acqua

Abbiamo fatto un breve riassunto delle particolarità di una locomotiva a vapore tedesca

Di seguito andremo ad analizzare il funzionamento totale di una locomotiva a vapore, nel dettaglio.
Non analizzeremo una locomotiva in particolare, ma un fac-simile di una Br 58 o qualcosa di molto somigliante, potrebbe anche essere intesa come Br 50 oppure Br 52.. Insomma una locomotiva qualsiasi con rodiggio 1'E con motore h2 / h3v / n4v......

La spiegazione dettagliata sarà fatta a capitoli, che inserirò gradualmente, a causa degli innumerevoli schemi e disegni, in modo da separare le varie apparecchiature ed avere una lettura leggera ed affascinante.

A presto con il primo capitolo.

[roy67]

Capitolo I

Il telaio

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Il telaio è la parte principale che supporta l'intera locomotiva, sopra il quale poggiano tutti i meccanismi, e dal quale viene scaricato tutto il peso, attraverso le ruote, sulle rotaie (frecce fucsia).
Una locomotiva a vapore era pesantissima, se consideriamo il peso in servizio, ovvero con focolare acceso e caldaia piena d'acqua, spesso si raggiungevano le 100 tonnellate. Se consideriamo anche che, all'epoca, molte linee ferroviarie avevano binari che reggevano fino a 16 tonnellate asse, va da se che si doveva aggiungere un numero di ruote che scaricasse tale peso in modo uniforme.
Infatti, se prendiamo lo schema precedente e consideriamo un peso verosimile di 92 tonnellate, supportate da 6 assi, otterremo 15,3 tonnellate per ogni asse (7,6 tonnellate per ogni ruota), scaricate sui binari. Il peso della caldaia gravava direttamente sulle ruote accoppiate, mentre il carrello anteriore scaricava il peso dei cilindri e camera fumi, attraverso il punto di appoggio "2".
(Vi erano tanti tipi di carrelli, con tecnologie differenti, quindi prendete questa informazione come "superficiale").

Tante ruote, però, incidevano nell'iscrizione in curva. Quindi il carrello anteriore era imperniato (1) al telaio, mentre le ruote accoppiate potevano oscillare lateralmente (non tutte). Talvolta alcune ruote avevano i bordini ridotti nello spessore, oppure ne erano addirittura sprovviste.

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Un altra funzione fondamentale, applicata al telaio, erano le sospensioni.
Queste non servivano ad attutire buche come per le automobili, ma per attenuare le vibrazioni che si creavano sui binari e si scaricavano sulle parti "roventi" della caldaia, che, oltretutto, era anche in pressione.

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Per non che crepasse ed esplodesse la caldaia, venivano installate della sospensioni a balestra sulle ruote accoppiate, per attutire, appunto, le vibrazioni generate dal rotolamento delle ruote sui binari.

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La cabina era il luogo ove risiedevano tutti i comandi della locomotiva, nonché tutte le funzioni di alimentazione e mantenimento della caldaia.
La cabina era installata sul telaio e meccanicamente separata dalla caldaia, in quanto, l'alta temperatura di quest'ultima, generava derive termiche (allungamento) di oltre due centimetri, deformando (eventualmente) la struttura metallica della cabina stessa. Rimanendo separata meccanicamente, la caldaia era libera di allungarsi, per riscaldamento, o ritirarsi, per raffreddamento, liberamente, senza alcun vincolo.

[Massimo Salvadori]

Ciao Roberto, sto aspettando le altre puntate. Bravo, ottima idea !

[adobel55]

Interessante spiegazione.
Ciao
Adolfo

[roy67]

La caldaia

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Nella cabina di comando c’è il portello d’accesso del focolaio (1) per il carico del carbone. Il calore, che quest’ultimo sviluppava bruciando, attraversava i tubi d’irraggiamento (2) della caldaia, arrivando alla camera fumi (3) dove questi venivano condensati ed espulsi dal fumaiolo (7).
L’acqua contenuta nella caldaia (4) riceveva calore dai tubi d’irraggiamento arrivando ad ebollizione.
Il vapore acqueo che si formava, per ebollizione, veniva raccolto nel duomo (5).
La cenere che si formava dopo la combustione del carbone veniva raccolta nel ceneraio (6) posto sotto il focolaio.

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Per mantenere la pressione del vapore era assolutamente necessario alimentare il focolaio regolarmente con carbone.
Questo veniva caricato a badile dal fuochista prelevandolo dal tender, il quale poteva trasportare fino a 15 ton. di carbone (1) e 30 metri cubi d’acqua (2).

Anche l’acqua terminava all‘interno della caldaia, quindi, c’era una procedura molto complicata per lo riempimento senza che questa esplodesse.
Lo si poteva fare azzerando la pressione fino quasi a spegnere il focolaio.
Una volta terminata l’operazione bisognava attendere che la caldaia ritornasse in pressione, dopo aver rianimato il fuoco nel focolaio.
Per non gravare sui tempi dei passeggeri, normalmente, ad ogni stazione, veniva sostituita la locomotiva con una già pronta. L’altra veniva portata in deposito per il carico acqua, carico carbone e svuotamento ceneraio. ma c'era anche un'altra procedura, che vedremo in seguito.

L'alimentazione cilindri a vapore saturo

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L'alimentazione ai cilindri avveniva tramite tubi che prelevavano, come già spiegato, il vapore saturo che si accumulava nel duomo (1). La pressione della caldaia veniva mantenuta stabile dalla valvola di sicurezza (4) che sfiatava vapore in caso di superamento della pressione massima.
Dalla cabina si apriva la manopola vapore (5) e, tramite la valvola (2), si iniettava vapore saturo ai cilindri.

Alimentazione cilindri a vapore surriscaldato

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L'alimentazione a vapore surriscaldato era identica, come manovra, ma con la differenza che la caldaia era dotata di "surriscaldatore".
Il surriscaldatore era un altra serie di tubi, frapposti ai tubi di irraggiamento, che portavano a surriscaldare il vapore prelevato dal duomo, facendogli attraversare nuovamente la caldaia. Questa prassi faceva si che il vapore saturo venisse portato ad una temperatura superiore e quindi privo assolutamente di particelle acquee, come per il vapore saturo, ma solo e puro stato gassoso.

[roy67]

La distribuzione vapore ai cilindri

In un primo momento si potrebbe pensare che il vapore va allo stantuffo, lo spinge in avanti e la locomotiva si muove.
Non è così, in quanto una volta avanzato, lo stantuffo, deve arretrare e come in una sorta di moto perpetuo alternato deve avanzare di nuovo per poi arretrare.
Il sistema di alimentazione è quindi molto complesso. Esistono diversi metodi di alimentazione vapore, quello che analizzeremo è il sistema Heusinger, chiamato in Italia Walschaerts, nome che deriva dall'ingegnere che lo progettò, nel 1844.

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Il vapore, attraverso il tubo di alimentazione (1), arriva al cassetto di distribuzione (2) comandato dal biellismo (capitolo che analizzeremo in seguito). Il vapore viene indirizzato, a seconda della posizione del cassetto, passando dall’apposito ugello, nello stantuffo principale (3) spingendolo avanti fino al finecorsa.

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A questo punto, le ruote hanno girato, di conseguenza il biellismo si troverà in condizione da invertire la posizione del cassetto di distribuzione, che devierà il flusso del vapore nel secondo canale (quello che prima era azzurro ora diviene giallo), la valvola di anticipo sarà avanzata dal punto in cui si trovava nello schema precedente, aprendo lo scarico (4) nella parte posteriore, per cui il cilindro si troverà ad avere pressione di spinta nel senso inverso e la parte che prima era in pressione (parte azzurra) si troverà in scarico (parte gialla) verso il camino e viceversa.
Lo scappamento del vapore di scarico dagli stantuffi veniva convogliato verso il camino per due motivi. Il primo è per favorire l’uscita dei fumi della caldaia. Il secondo è per la visibilità. Se i vapori di scarico fossero emessi in gran quantità direttamente dai cilindri i macchinisti non sarebbero riusciti a vedere nulla dalla cabina, oltre la fitta nuvola di vapore .
Nel caso di alimentazione a doppia espansione, il vapore emesso dal cilindro (detto al alta pressione), anziché essere convogliato verso lo scarico, verrà immesso in un altra valvola di alimentazione, che a sua volta alimenterà il cilindro interno, detto "a bassa pressione" per poi essere finalmente emesso.
Per il corretto funzionamento degli stantuffi era necessario che il biellismo fosse assolutamente in fase perfetta.

[marione]

Confermo l'interesse e l'entusiasmo per quanto ci scrivi !
Un completo ripasso, ogni tanto, fa davvero bene !
Grazie

Marione

[Andreacaimano656]

Complimenti Roberto, spiegazioni molto interessanti, hai mai pensato di scriverci un libro?
Ciao
Andrea

[roy67]

Grazie a voi per l'interesse, ragazzzi.

Proseguiamo.

Il biellismo

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Lo stantuffo principale (arancio), messo in pressione, muove il giunto a croce (fucsia), il quale viaggia su guide che lo sostengono (blu). Questo, avanzando, spinge la biella motrice (gialla) la quale, a sua volta, è imperniata alle bielle di accoppiamento (rosse) facendo girare le ruote.
Questo è il semplice meccanismo di trasmissione del moto. ma, come ho anticipato, a questo punto bisogna invertire il flusso del vapore nel cassetto di alimentazione cilindro.

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Nella parte inferiore del giunto a croce è imperniata la "biella di precessione" (verde), che a sua volta è imperniata alla "biella collegamento di precessione" (azzurra). Quest'ultima biella ha 3 punti di fissaggio. Uno l'abbiamo già visto ( con la biella di precessione), il secondo punto snodato di fissaggio è con il perno di comando dei cassetti di alimentazione (arancio). Il movimento del cilindro principale fa si che il giunto a croce porti la biella di precessione a pilotare la posizione dei cassetti, ma solo al 50%.
Il terzo punto è più superiore, ed ora lo andremo ad analizzare con un altro schema.

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Sullo stesso perno, ove spinge la biella motrice sulla ruota, è installata la manovella d’anticipo (giallo) leggermente avanzata. Su questa manovella è installata la biella di alimentazione (azzurra), che si impernia sul "glifo cavo" (rosso). Il glifo è a sua volta imperniato al telaio (blu) e funziona come un bilanciere. All'interno del glifo (parte posteriore) vi è una guida, ove scorre un perno, legato alla biella del corsoio (rosa), che a sua volta è legata al terzo punto della biella di collegamento precessione.
Ora, analizzando lo schema, si intuisce che:
In base alla posizione della testa a croce e della posizione della ruota su cui è installata la manovella d'anticipo, il cassetto di alimentazione apre o chiude il vapore nelle camere cilindri, con un certo anticipo, per prevenire contropressioni. Infatti, i punti saldi di questo biellismo sono la biella di precessione e la biella del corsoio. In base alla loro posizione il punto centrale della biella di collegamento precessione si troverà ad essere spinto avanti o indietro, pilotando il cassetto, deviando quindi il flusso del vapore alla bisogna nel cilindro.
Ma non è tutto.

Analizziamo ora il seguente schema:

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Al supporto del glifo è collegato un altro supporto fisso, sul quale è imperniato il braccio di inversione (fucsia). Questo braccio è imperniato a sua volta alla biella di sollevamento (verde) che si collega alla biella del corsoio. Dall'altro lato è imperniato all'asta di comando (gialla), la quale arriva in cabina.

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Tirando semplicemente l'asta di comando, dalla cabina, si agisce sulla biella di sollevamento che alzerà, scorrendo sul glifo, la biella del corsoio, spingendo il cassetto di alimentazione nell'altro senso.
Abbiamo così invertito il senso di marcia della locomotiva, azionando la marcia indietro.

[roy67]

Il motore a 2 cilindri (h2)

Premessa:

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Il complicato meccanismo del biellismo era molto pesante, quindi per ovviare a pericoli di deragliamento dovuti a vibrazioni da sbilanciamento, le ruote venivano controbilanciate dalla parte opposta della biella con un contrappeso a mezzaluna per ottenere così una rotazione perfetta. Molto spesso, su locomotive a doppia espansione, a 3 o 4 cilindri, oppure in locomotive con bielle motore interne e bielle di alimentazione esterne, la posizione di queste veniva studiata in modo che fossero già controbilanciate, quindi il contrappeso non serviva o era molto piccolo.

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Abbiamo visto come funziona l'intero biellismo, su un lato della locomotiva, tenendo in considerazione un solo cilindro, dando per scontato che la locomotiva ne abbia due, uno per lato. Nel precedente schema si nota il biellismo di accoppiamento dal lato "vista" (rosso), mentre il biellismo dall'altro lato della locomotiva è evidenziato in verde.
Se la locomotiva si fosse fermata con gli stantuffi a fine corsa, si sarebbe creata una situazione di stallo cioè ripartendo il biellismo si sarebbe mosso inversamente oppure si sarebbe bloccato. Per ovviare a questo inconveniente le bielle del lato destro locomotiva (verde) e del lato sinistro (rossa) erano montate a 90° l’una rispetto all’altra. In questo modo almeno una biella era sempre in condizione di ripartire nel senso voluto trainando in modo corretto l’altra.

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In questo schema, di una locomotiva a 2 cilindri, si notano i cilindri (rosa) ai due lati del telaio ed il biellismo. Lato destro in verde, lato sinistro in rosso (ricordo che è vista da sotto, come se fossimo coricati sui binari). I cubi gialli evidenziano gli snodi del biellismo, per dar modo alle ruote di traslare in curva, snodando le bielle fra loro.

[Docdelburg]

Mi prendo un sacco di popcorn, una bibita e aspetto le puntate successive.....Grande Roberto!

[MrPatato76]

Ottima discussione!!
Non sono appassionato di macchine tedesche ma solamente italiane.
Comunque i concetti fondamentali sono gli stessi.

[liftman]

Ottima discussione, consiglio per "integrare" il DVD "come funzionano una locomotive a vapore" di DueGi.

[roy67]

Esatto Roberto. I concetti sono identici. Le locomotive italiane, perché italiane, non avevano certi ammenicoli, ma il concetto del sistema Walschaerts è proprio quello tedesco. Il surriscaldamento vapore è identico, vedasi la Gr 880 (ad esempio), oppure il motore "compound" della Gr 746, identico in tutto e per tutto alla S3/6 bavarese, chiamato "h4v", ma di compound si tratta (4 cilindri a doppia espansione, che presto vedremo nel dettaglio)..
Ma proseguiamo per gradi.

Abbiamo visto il motore a 2 cilindri (uno per lato) chiamato "h2" ma potrebbe essere inteso anche come "n2". Il fatto che il vapore sia saturo o surriscaldato non cambia le cose (vedere spiegazione più sopra).
Nei primi anni del XX secolo si pensò di aumentare la forza trattiva delle locomotive, aggiungendo un motore centrale. Incassato nel telaio. Ogni gruppo motore aveva un biellismo a se stante, ma i motori erano 3. Uno interno e due esterni.

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Abbiamo visto che, per motivi tecnici, il biellismo aveva un angolo di 90° fra bielle destre e sinistre.
Ciò accadeva per le locomotive a 2 cilindri. Ma se, come anticipato, la locomotiva fosse stata a tre cilindri (due esterni ed uno interno), il biellismo avrebbe avuto un angolo di 120°. Rimanendo, le bielle, rosse e verdi esterne, le bielle color arancio sono quelle interne.

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In questo schema, di una locomotiva a tre cilindri, si nota il biellismo interno. I perni delle ruote sono dotati di collo d'oca (azzurro). La parte rossa è il cilindro centrale e le bielle interne sono in arancio.

[MrPatato76]

I motori tri-cilindrici sono una soluzione tipicamente tedesca.
La fasatura a 120gradi permette di avere le fasi distribuite omogeneamente durante il giro ruota con migliore uniformità di marccia del mezzo.
Stessa cosa per le macchine a 4 cilindri: fasi regolarmente sfasate di 90 gradi.
Per loro natura i motori con più di due cilindri hanno sempre più pistoni che sono lontani dai punti morti: sono quindi avvantaggiate in fase di avviamento della locomotiva.
Per i motori bicilindrici, il discorso e' un po' diverso:
Per motori a vapore saturo o surriscaldato a semplice espansione, i cicli sono sfasati di 90 gradi perché , in caso di arresto della macchina, al riavvio uno dei due pistoni era sempre in spinta.
Per motori a doppia espansione bicilindrici, questa cosa non è' possibile.
Infatti in questi motori, solo il cilindro ad alta pressione e' alimentato direttamente dalla caldaia, mentre il cilindro a bassa pressione viene alimentato dal vapore di scarico del cilindro alta pressione.
Questo implica una fasatura dei pistoni di 180gradi.
E se una macchina bicilindrica a doppia espansione si ferma con i pistoni ai punti morti, l'unico modo per farla ripartire e spingerla!!! O dotarla di dispositivi appositi detti di incamminamento.
Queste difficoltà sono una delle ragioni per cui in Italia la doppia espansione non ha avuto seguito nelle FS.

[Egidio]

Bellissima condivisione Roberto. Davvero interessantissima. Saluti. Egidio.

[roy67]

In Italia non hanno avuto seguito, i motori compond perché implicavano anche un peso enorme della locomotiva. I binari italiani avevano un carico esiguo assiale, rispetto a quelli tedeschi.

L'ingegner Cappa fece storia, verso la fine dell'800, con le locomotive della rete sicula, tutte motorizzate a doppia espansione. Comunque in Italia ne hanno circolato parecchie, anche se il peso era enorme (vedasi la Gr 680, Gr 685, Gr 746, etc) ma venne comunque preferita la semplice espansione, a motori interni, con comando distribuzione esterno (Gr 640, Gr 623, Gr 625) o addirittura "tutto esterno" come le Gr 740, e tutte le sue derivate Gr 741 e 743 e Gr 940.

La sfasatura dei quattro cilindri rimaneva di 90° fra i cilindri ad alta pressione, mentre era di altri 90° per quelli a bassa pressione.

Ma come funzionava il motore a doppia espansione?

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Il vapore surriscaldato (perché era indispensabile fosse surriscaldato, per non fargli perdere vigore) arrivava dalla caldaia (1 - colore blu) ed entrava nell'alimentazione del cilindro esterno (2), da qui ripartito allo stantuffo (3) che muoveva le ruote.
Il vapore di scarico, emesso dallo stesso cilindro (azzurro) veniva convogliato all'alimentazione del secondo cilindro (4), per spingere lo stantuffo interno (5). Solo da qui veniva emesso verso lo scappamento (6)

Il biellismo era dunque come segue:

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Nello schema appena sopra abbiamo il biellismo totale. Bielle rosse e verdi lato esterno locomotiva.
Le bielle arancio e blu sono interne al telaio.

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In questo schema, di una locomotiva a quattro cilindri, si nota il doppio collo d'oca sui perni delle ruote, i due cilindri interni (rosa e giallo) mentre i due gruppi di bielle sono blu e arancio.

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Motore a 4 cilindri, a doppia espansione, di una Br 18.4, esposto al museo di Nuenkirchen (Germania).

Abbiamo così terminato il complicato funzionamento del biellismo. Ma una locomotiva non è tutta qua. Vi sono altre decine di apparecchiature al suo interno.

[roy67]

Foto della RA 500, poi 790, infine Gr 670 FS, del 1901.
Si nota come i 4 cilindri siano disposti in modo asimmetrico.

Lato destro i 2 cilindri ad alta pressione
Lato sinistro i 2 cilindri a bassa pressione

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Questa era la tipica disposizione del motore "Plancher".

[roy67]

Il compressore pneumatico

Tante apparecchiature di una locomotiva funzionavano pneumaticamente cioè con l’ausilio di aria compressa. Era quindi indispensabile la presenza del compressore d’aria.

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Il compressore funziona a vapore. Girando, in cabina, la manopola (1) si apriva il flusso del vapore, tramite la valvola (2), in arrivo dal duomo e lo si incanalava al compressore dell'aria (3). Al suo interno, un meccanismo a cilindri, simile al biellismo, ma molto più piccolo, iniziava un moto alternato, scaricando il vapore esausto dallo scarico (4). Il moto alternato muoveva uno (o due) pistoni (5) che aspiravano aria dall'ambiente e la pompavano, attraverso un tubo ai serbatoi principali (8). La parte aspirante della pompa dell'aria era dotata di alette di raffreddamento per raffreddare l'aria aspirata, in quanto, essendo azionato a vapore, tendeva a divenire bollente.
Anche questo sistema era dotato di valvola di massima pressione (6) ed in cabina vi era un manometro (7) che segnalava la pressione presente nei serbatoi principali. Da questi ultimi l'aria, veniva incanalata ai serbatoi ausiliari (9), dai quali prelevata per tutte le necessità.
Tramite i tubi accoppiatori, si mandava l'aria compressa anche a carri o carrozze agganciati, sia davanti che dietro, per alimentare i loro serbatoi ausiliari.

[roy67]

Il freno a ceppi

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Il dispositivo frenante principale della locomotiva era il freno a ceppi ed era comandato pneumaticamente.
Dai serbatoi ausiliari dell’aria compressa (6) partiva un tubo che si collegava alla valvola automatica del freno (1) situata nella cabina di comando. Da questa valvola era possibile selezionare sei diverse posizioni:

I : Posizione di scarico
II : Posizione di marcia
III: Posizione mediana
IV: Posizione di chiusura
V: Posizione di frenata normale (con regolazione dell’intensità di frenata)
VI: Posizione di frenata rapida

Durante la marcia, la valvola, era girata ovviamente sulla posizione “II“, ma quando ci si avvicinava ad una stazione o un segnale di stop era necessario chiudere il vapore e azionare il freno.
Portando la leva della valvola sulla posizione “V” si apriva progressivamente il flusso dell’aria nel tubo di mandata del freno (tubo azzurro) il quale azionava la valvola di attuazione (2) che dal serbatoio dell’aria compressa (azzurro) apriva il flusso dell’aria verso il cilindro del freno (3).
Questo avanzava spingendo la leva del freno (4) la quale a sua volta spingeva i ceppi (5) contro le ruote, ottenendo così la frenata della locomotiva.
Data la grande massa da frenare ogni vagone era provvisto di ceppi del freno e l’impianto di frenata era sincronizzato dal tubo del freno che portava il comando a tutti i rotabili trainati.
Per ripartire era necessario girare la valvola automatica in posizione “I”, per scaricare la pressione, il cilindro del freno arretrava liberando i ceppi e selezionare la posizione “II” per la partenza.

[roy67]

Il freno in contropressione

Sulle locomotive che operavano su linee di montagna, era installato, molto spesso, ma non sempre, il freno Riggenbach a contropressione e funzionava come una sorta di freno motore.
Non era in grado di fermare il convoglio, ma di eseguire lunghe frenate e rallentarlo durante la percorrenza di lunghe discese per non rovinare i ceppi o surriscaldare, per l’attrito prolungato, i cerchi delle ruote.

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Muovendo la leva (3), in cabina di comando, si agiva sulla valvola di strozzamento (2), la quale chiudeva il flusso di scarico del vapore in arrivo dai cilindri. Il vapore, non potendo scaricarsi totalmente, generava una contropressione all'interno del cilindro. Cioè, la parte in scarico (gialla) rimaneva in pressione, benché spinta dalla parte azzurra in pressione di spinta dalla caldaia (1).
Regolando la valvola 5, in cabina, era possibile regolare il flusso di scarico tramite la valvola di regolazione frenata (4).
Lo scarico del vapore avveniva dagli ugelli di strozzamento (6) che appunto scaricavano il vapore in modo esiguo (dipendendo anche dalla quantità di apertura della valvola) mantenendone la maggior parte all’interno dei cilindri. A questi ugelli era installato un silenziatore per ridurre il fragore del sibilo emesso dal vapore di scarico in uscita

Essendo difficoltoso lo scarico, dalla caldaia non arrivava più vapore di spinta, benché fosse aperta completamente la valvola, in quanto la pressione esercitata contrariamente dalla strozzatura era superiore a quella presente all'interno della caldaia. Ciò creava una sorta di pressione inversa nei cilindri, generando una "frenata controllata".

[roy67]

Esempi di freno Riggenbach installati su varie locomotive:

Freno installato su una Br 94
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Si può notare il tubo che esce dalla parte superiore dei cilindri, che s'innesta ad una valvola, per andare al silenziatore, nella parte davanti al fumaiolo.

Freno installato su una Br 58
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In questo caso il silenziatore è installato nella parte posteriore al fumaiolo.

[MrPatato76]

Foto della RA 500, poi 790, infine Gr 670 FS, del 1901.
Si nota come i 4 cilindri siano disposti in modo asimmetrico.

Lato destro i 2 cilindri ad alta pressione
Lato sinistro i 2 cilindri a bassa pressione

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Questa era la tipica disposizione del motore "Plancher".

La disposizione asimmetrica di questo motore a 4 cilindri ha permesso di utilizzare due distributori invece di 4: questo ha permesso di semplificarne la costruzione ma purtroppo non permetteva di variare i gradi d'introduzione del vapore sia per i cilindri alta pressione sia per quelli a bassa pressione.

[Massimo Salvadori]

Bellissimo e chiaris simo, a quando le ulteriori puntate ? Sto aspettando !

[Fabrizio]

Topic molto interessante Roberto

Non ho solo capito una cosa. Dici che, quando l'acqua terminava all'interno della caldaia, era necessario abbassare il fuoco prima di ricaricare, quindi le macchine venivano sostituite nelle stazioni con altre già pronte.

Dunque, a cosa serviva portarsi dietro l'acqua nel tender? Visto che la manovra di carico acqua avveniva in stazione, non si poteva usare un deposito di acqua della stazione?