Locomotiva a vapore
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La locomotiva a vapore è un veicolo semovente per convogli ferroviari che utilizza il motore a vapore come propulsore.
La base teorica del funzionamento del motore a vapore è la termodinamica che ha avuto come primo oggetto di studio proprio il motore a vapore nelle sue diverse applicazioni, dato che per molti decenni questo motore fu il motore per antonomasia.
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Per approfondire, vedi la voce macchina ad energia calorica. |
Indice |
[modifica] La storia in breve
La locomotiva a vapore compare agli inizi dell'800 in Inghilterra, come sostituto meccanico del cavallo per il traino di convogli di carrelli di carbone, ma quasi subito se ne intuiscono le potenzialità e quando la Rocket di George e Robert Stephenson vinse la gara di Rainhill l'appalto era per una ferrovia d'uso generale.
La Rocket era già una macchina moderna con soluzioni tecniche che si sarebbero riviste e migliorate, in seguito sui progetti successivi.
Una delle prime caratteristiche progettuali che si affermò fu quella dell'uso di ruote di piccolo diametro per la trazione di merci, di ruote di grande diametro per le macchine passeggeri, destinate alla velocità. Se la prima scelta era dettata dalla volontà di avere una maggiore potenza, la seconda era dettata invece dalla volontà di mantenere basso il numero di giri dell'albero motore, dato che un bilanciamento perfetto delle varie parti risultava arduo.
Nella seconda metà dell'800 le macchine con un solo asse motore cominciarono ad essere troppo poco potenti, e quindi ne venne aggiunto un secondo, per scaricare maggiore potenza. I progetti europei usualmente prevedevano macchine con un asse portante anteriore o posteriore, rigidamente fissato al telaio.
Furono gli americani ad introdurre il carrello portante anteriore a 2 assi dando origine al rodiggio 2'A noto anche come American o American Standard. E' da questa architettura che si dipartirono i più noti rodiggi: per avere più potenza venne sviluppato il rodiggio 1'C (Mogul) che, nei primi modelli americani, si presentava con l'asse motore centrale privo di bordino; per incrementare la larghezza del focolaio e sostenerlo si aggiunse un carrello posteriore, ottenendo il rodiggio 2'A1' (Atlantic), e così via, aggiungendo assi motori o assi al carrello portante.
Quando in Baviera fu costruito il prototipo della S2/6 (150 km/orari), rodiggio 2'C2', l'era delle macchine a 2 assi accoppiati era oramai al tramonto dato che la richiesta portava a mettere in servizio composizioni troppo pesanti per loro.
Le macchine a 3 assi accoppiati furono le regine del periodo d'oro della trazione a vapore, e solo in Nord America vennero soppiantate sul finire da macchine da treni rapidi con 4 assi motori, e la regina per antonomasia è la Pacific, rodiggio 2'C1' o, per francesi e italiani, 2-3-1. A questo tipo di macchine appartengono le detentrici dei primati di velocità, il gruppo 01 delle DRG, la classe A4 della LNER (di cui fa parte Mallard), le efficientissime Chapelon...
Contemporaneamente all'incremento degli assi, gli ingegneri svilupparono dispositivi per aumentare il rendimento termodinamico dei motori a vapore al fine di ridurre i consumi, riducendo i costi ed aumentando l'autonomia.
La prima innovazione fu l'adozione della doppia espansione, che venne realizzata in varie fogge cercando di ottenere i migliori risultati in fatto non solo di rendimento termodinamico ma di economia costruttiva, bilanciamento delle parti in movimento e continuità dello sforzo di trazione.
Una seconda innovazione fu l'adozione del vapore surriscaldato che permetteva economie di esercizio paragonabili alla doppia espansione ma permetteva di usare una meccanica meno complessa e di più facile guidabilità. Di pari passo con l'adozione del vapore surriscaldato ci fu l'abbandono del cassetto di distribuzione, usato fino ad allora, in favore del cilindro in cui non erano significativi gli effetti del vapore ad elevata temperatura sul lubrificante.
L'uso di ambedue questi meccanismi fu limitato ed applicato nelle sole macchine in cui si cercò il massimo dell'efficienza. In Italia solo le locomotive del gruppo 746 adottarono questa soluzione, ma un difetto nella progettazione del motore a doppia espansione ne limitò la capacità di raggiungere velocità elevate.
Infine, come ultima manovra per migliorare il rendimento termodinamico, si adottarono preriscaldatori il cui compito era sfruttare il calore dei gas di scarico per elevare la temperatura dell'acqua da immettere in caldaia.
Legata invece alle economie di manutenzione fu l'adozione della distribuzione Walshaerts o Heusinger al posto della distribuzione Stephenson ad eccentrici nelle sue varie varianti (Gooch ed Allen).
Ma nessuno degli espedienti individuati dai progettisti riuscì a salvare le locomotive a vapore: nel dopoguerra il primato delle vaporiere viene presto minato dall'espansione delle linee elettrificate da un lato e dall'avvento delle macchine diesel dall'altro, la cui tecnologia era oramai matura e consolidata da 5 anni di guerra marittima.
[modifica] Storia in Italia
Le locomotive a vapore in Italia ebbero vita più breve che all'estero. Quando nel 1905 le neonate FF.SS. furono formate, ereditarono un parco macchine variegato e spesso obsoleto, e d'altro canto i buoni risultati ottenuti con la trazione elettrica trifase prime e con la corrente continua poi, portarono a mettere in secondo piano le macchine a vapore, che necessitavano di carbone di importazione (quello del Sulcis, ad esempio, era troppo ricco di zolfo). Per ammodernare il parco l'amministrazione decise di puntare su un ristretto numero di gruppi ottenuti dall'evoluzione dei meglio riusciti, terminando presto lo sviluppo di nuovi modelli e limitandosi invece a ricostruire con miglioramenti macchine esistenti. Per questo il Gruppo 695 rimase solo sulla carta mentre il Gruppo 691 fu ottenuto per trasformazione delle macchine del Gruppo 690 con l'adozione della stessa caldaia delle Gruppo 746. La regina della flotta rimase la 685, anche nella versione S con caldaia a 16 atmosfere e preriscaldatore, mentre il vero cavallo da tiro delle FF.SS. fu rappresentato dal Gruppo 740.
Tipici della scuola costruttiva italiana sono
- Il carrello Zara, o italiano, un carrello articolato che comprende un asse portante e l'adiacente asse motore. I giochi delle bielle consentivano i moderati spostamenti dell'asse motore.
- Preriscaldatore Franco/Crosti, capace di stravolgere la fisionomia di una locomotiva, usualmente montato in coppie, simili a grossi lanciasiluri, a fianco della caldaia. Era caratteristica delle macchine dotate di questo dispositivo l'arretramento del camino presso la cabina o nel tender.
- Distribuzione a valvole Caprotti, che permetteva tra l'altro una migliore immissione del vapore nei cilindri.
- Uso del gruppo Ansaldo per riunire in un unico punto la presa di vapore per vari dispositivi (iniettori, pompa dei freni, soffiante, riscaldamento)
[modifica] Principio di funzionamento
La locomotiva a vapore ottiene l'energia per il suo funzionamento dalla combustione di un combustibile.
Se è vero che il combustibile principe è il carbone (lignite o litantrace) e anche vero che molto diffusi sono stati la legna e l'olio minerale. In generale la scelta del combustibile è stata fatta sulla base di criteri di economicità, quindi dove era facile usare la legna si è usata quella, l'olio minerale è stato utilizzato quando si è rivelato più economico che ottenere il carbone.
In molte locomotive tra quelle di progettazione più recente, l'alimentazione del carbone avviene attraverso un dispositivo meccanico detto stoker che utilizza getti di vapore per indirizzare il carbone frantumato al posto giusto.
In particolari situazioni si sono utilizzati combustibili ancora diversi: la scarsità di carbone ha portato la Baviera a sperimentare la torba, l'Italia a sperimentare il metano; in Pennsylvania, ed in generale nell'ovest degli Stati Uniti, la grande disponibilità di antracite non commerciabile per uso urbano ha fatto nascere locomotive adatte ad usare questo tipo di carbone.
Addirittura, durante la seconda guerra mondiale, la Svizzera ha sperimentato la sostituzione del combustibile con robusti resistori che sfruttavano l'effetto Joule per portare l'acqua ad ebollizione.
I combustibili solidi bruciano su una grata piana mentre per il metano e l'olio minerale si utilizzano bruciatori. In particolare i bruciatori per l'olio minerale lo preriscaldano e lo nebulizzano con un getto di vapore: questo porta ad avere bisogno di un generatore di vapore ausiliario per accendere la locomotiva, oppure ad usare un'alimentazione mista carbone/olio minerale, col carbone utilizzato fintanto che non c'è abbastanza vapore per far funzionare il bruciatore.
La fiamma, attraverso le pareti del forno, ed i gas di combustione, attraverso i tubi di fumo della caldaia, trasferiscono il calore all'acqua che, arrivata all'ebollizione si trasforma in vapore che viene inviato al motore per generare movimento.
Per avere una combustione efficiente è necessario che il combustibile sia costantemente a contatto con aria ricca di ossigeno. L'aria per la combustione è immessa attraverso le portelle del cineratoio ed il tiraggio viene favorito, in corsa, dal vapore di scarico dei cilindri motori che viene soffiato nel camino attraverso una condotta di foggia tale da generare una depressione che aspira l'aria verso la camera a fumo.
Quando la macchina non è in movimento, il tiraggio può essere favorito con l'uso del soffiante, un dispositivo che sostituisce il vapore di scarico dei cilindri con quello prelevato dalla caldaia.
[modifica] La tecnica
Di locomotive a vapore ne esiste una varietà enorme. Ci sono elementi costruttivi di base che possono essere individuati in tutte:
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| Schema di locomotiva a vapore 2'C1' ("Pacific") tender separato di disegno americano | |
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La conformazione più diffusa prevede un generatore di vapore orizzontale a tubi di fumo, poggiante su un carro (formato da telaio e ruote), il cui vapore viene usato dal motore. A seconda dell'autonomia richiesta alla locomotiva le scorte di acqua e combustibile possono essere trasportate su un carro separato (tender) accoppiato rigidamente alla locomotiva oppure essere trasportate in appositi spazi sulla locomotiva, che viene detta locomotiva-tender o locotender.
Il generatore di vapore a sua volta comprende il forno o focolare, costruito in rame o in acciaio e posto nella parte posteriore (fanno eccezione le rare locomotive con cabina anteriore). La costruzione in rame offre una migliore conducibilità termica, la costruzione in acciaio una maggiore robustezza.
Il forno è circondato, superiormente ed ai lati, dalla caldaia, e attraverso queste superfici avviene il riscaldamento diretto dell'acqua da parte della fiamma.
Ma l'essere circondato dalla caldaia implica che quando questa è in pressione sulle pareti esterne del forno viene esercitata una pressione molto superiore a quella dell'aria all'interno. Per non far collassare le pareti del forno, queste sono ancorate alle pareti della caldaia tramite dei tiranti metallici che le sostengono.
Nella parte inferiore del forno c'è la griglia su cui arde il combustibile solido, posteriormente c'è la bocca del forno, chiusa da un portello, attraverso la quale il fuochista vi spala il carbone.
Al di sopra della griglia c'è un voltino in materiale refrattario il cui scopo è aumentare il percorso dei gas di combustione per favorire la completa ossidazione degli stessi ed accrescere l'efficienza. A questo scopo, in alcune caldaie vi è un ulteriore spazio prima della piastra tubiera, detto camera di combustione.
La piastra tubiera posteriore, insieme a quella anteriore, delimitano lo spazio della caldaia che contiene l'acqua da vaporizzare. In questo spazio i tubi di fumo permettono lo scambio termico tra i gas di combustione e l'acqua. Nella parte superiore della caldaia si trovano uno o più duomi (dall'inglese dome, cupola) dove il vapore prodotto attraversa la valvola del regolatore per essere inviato al motore.
Oltre la piastra tubiera anteriore abbiamo la camera a fumo. In questa troviamo lo scappamento dei cilindri motori che viene utilizzato per favorire il tiraggio quando il treno è in movimento, ed il soffiante, un tubo circolare, posto sotto il camino più o meno in corrispondenza dello scappamento. Il tubo presenta una corona di fori nella parte superiore e può essere messo in comunicazione diretta con la caldaia. In questo modo il vapore della caldaia può essere soffiato nel camino per incrementare il tiraggio.
La camera a fumo, anteriormente, presenta un portello di ispezione e manutenzione dal quale gli accudienti possono spalare i residui solidi di combustione (cineraccio).
Nelle locomotive che impiegano la doppia espansione, la camera a fumo ospita generalmente il receiver in cui viene scaricato il vapore dai cilindri AP che deve successivamente essere utilizzato nei cilindri BP.
Nelle locomotive a vapore surriscaldato è impiegato il surriscaldatore. In queste locomotive il vapore raccolto nel duomo a valle della valvola del regolatore viene inviato al surriscaldatore e raggiungerà i cilindri dopo aver vaporizzato l'acqua in sospensione ed accresciuto la sua temperatura.
In alcune di queste il surriscaldamento viene ottenuto da una serie di tubi che circondano la camera a fumo, in altre la camera a fumo ospita una camera in cui il vapore viene smistato in vari tubi che a loro volta sono infilati in alcuni dei tubi della camera a fumo di sezione maggiorata. La figura riproduce schematicamente il fascio tubiero di una caldaia con surriscaldatore di questo tipo.
Il carro è formato dal telaio, la struttura portante della locomotiva, che poggia sulle ruote (seconda componente del carro) attraverso un meccanismo di sospensioni che permette di ripartire i pesi.
Usualmente, per migliorare il comportamento in marcia della locomotiva oppure per sostenere il peso di una griglia del focolaio molto ampia , si aggiungono assi portanti o folli nella parte anteriore o posteriore. Qualora si intenda sfruttare al massimo il peso della locomotiva per la trazione si omettono questi assi e si ha una macchina ad "aderenza integrale".
Il carro trasporta, usualmente nella parte anteriore, i cilindri motori e la distribuzione.
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| distribuzione sistema Walshaerts/Heusinger | |
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Il cilindro di distribuzione riceve il vapore che è transitato attraverso la valvola del regolatore e provvede ad inviarlo alternativamente nelle due parti del cilindro motore regolando nel contempo la percentuale della corsa che il cilindro motore compie sotto la spinta di vapore immesso dalla caldaia e conseguentemente quella compiuta sotto la spinta del vapore in espansione.
Una nota sulle nomenclature. Il nome asta di comando del cassetto rimane anche nelle locomotive che utilizzano il cilindro di distribuzione (tutte quelle a vapore surriscaldato, ad esempio). E' uno dei casi di permanenza per traslato di termini anche quando la componente cambia. Un altro esempio è la leva con cui si manovra l'inversione di marcia (e si regola il grado d'introduzione), che in molte macchine è stata sostituita da un volantino.
[modifica] Condotta
[modifica] I controlli
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«Quanto segue è solo una descrizione indicativa che non ha e non vuole avere lo scopo di mettere una persona in grado di guidare una locomotiva a vapore. Lo scopo è invece di tentare di conservare memoria di quello che è stato il lavoro del personale di macchina al tempo in cui in ferrovia servivano i muscoli.»
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Nella cabina di guida sono presenti vari dispositivi: valvole, leve, manometri, più una serie di attrezzi. Possiamo suddividerli grossomodo in tre categorie:
- relativi alla condotta della caldaia
- relativi alla condotta del treno
- ausiliari
I primi sono usualmente di pertinenza del fuochista, o degli accudienti durante gli stazionamenti.
Abbiamo quindi la pala con cui si spala il carbone ed i "ganci" per intervenire sul fuoco nel forno (ad esempio per rompere i depositi di scorie o risistemare il carbone all'inizio ed alla fine dello stazionamento)
All'estero, dove le locomotive a vapore si sono evolute più che in Italia, sono state realizzate locomotive con uno "stoker" meccanico, un dispositivo in grado di trasportare il carbone dalla carboniera alla fornace.
Un'altro dispositivo assente sulle macchine italiane è quello che consente di rovesciare la griglia del forno per facilitarne ed accelerarne la pulitura.
Attaccati direttamente alla parte posteriore della caldaia troviamo gli indicatori del livello dell'acqua, che deve essere sempre sufficiente a coprire la sommità del forno (cielo del focolaio - la cui posizione è indicata da una apposita targhetta) pena il surriscaldamento e la fusione dei tappi di sicurezza, con conseguente immobilizzazione della locomotiva (e relative sanzioni). Lo scoprimento del cielo del focolaio può avere conseguenze anche più disastrose e tragiche della fusione dei tappi, come lo scoppio della caldaia..
L'indicazione è data dal livello che l'acqua raggiunge in uno o due tubetti di vetro in comunicazione con la caldaia. Una serie di rubinetti consente di verificare il buon funzionamento degli stessi portandoli in comunicazione con l'atmosfera. Di ausilio all'indicatore, che può danneggiarsi in corsa, ci sono tre rubinetti che attingono alla caldaia ad altezze diverse. In condizioni normali dal più alto dovrebbe uscire solo vapore, dal più basso acqua, dal mediano una miscela. Viste le temperature in gioco, la manovra di questi rubinetti non è semplice. Dal pavimento fuoriescono poi le leve per azionare le saracinesche che permettono lo svuotamento della caldaia (ad esempio per la sua pulitura).
Per la regolazione del tiraggio abbiamo la valvola che permette di inviare al soffiante vapore prelevato dalla caldaia, creando un tiraggio artificiale, e, fuoriuscenti dal pavimento, le leve per il controllo delle portelle del cineratoio (o ceneratoio o cineraio, a seconda delle influenze dialettali) usate per ridurre l'afflusso di aria al forno e calare quindi la fiamma (effetto opposto al soffiante).
Infine, tra i dispositivi per la condotta della caldaia, ci sono i dispositivi per rifornire d'acqua la caldaia: se le primissime locomotive si fermavano quando l'acqua in caldaia finiva ed in quelle di poco successive la pressione del vapore era sufficientemente bassa da essere vinta con una pompa a mano, nelle locomotive la cui pressione di caldaia supera le 10 atmosfere sono necessari dei dispositivi meccanici (iniettori) che riescano a vincere la pressione del vapore. Il tipo di iniettore più comune sfrutta il vapore della caldaia stessa per trascinare l'acqua con forza sufficiente da vincere la pressione che il vapore esercita sulla valvola di ritenuta.
Gli iniettori si attivano aprendo la relativa valvola del vapore, quindi il rubinetto dell'acqua. In certe situazioni si può intervenire sulla valvola di ritenuta per inviare il vapore al tender attraverso la condotta dell'acqua o per spurgare la stessa o per riscaldare il contenuto del tender quando la temperatura è particolarmente rigida.
I dispositivi relativi alla guida del treno comprendono "il regolatore", la leva con cui il macchinista comanda la valvola che regola la quantità e la pressione del vapore inviato al motore. La funzione è paragonabile a quella dell'acceleratore nella comune automobile, solo che non c'è un minimo, a regolatore chiuso non passa vapore.
La direzione ed il grado d'introduzione del vapore si controllano con la "leva". Questa può essere una lunga leva incernierata al pavimento della cabina oppure di un volantino calettato su un albero con una vite senza fine. Ambedue i dispositivi agiscono sull'asta di comando dell'inversione che a sua volta alza o abbassa la testa della leva del corsoio nel glifo ed hanno un dispositivo che blocca il comando sulla posizione prescelta.
La funzione di questo dispositivo è in qualche modo paragonabile a quella del cambio nelle automobili in quanto permette sia di invertire la marcia sia di regolare la quantità di energia da utilizzare per una certa quantità di spostamento.
Le posizioni estreme in cima ed in fondo al glifo sono quelle di massima introduzione, in cui si utilizza la quantità massima di energia (ovvero vapore) per la corsa del pistone (si introduce vapore prelevato dalla caldaia per il 75% della corsa del pistone, e lo si lascia espandere per il rimanente 25%) mentre la posizione al centro, neutra, è quella in cui il motore non è in grado di muoversi. In marcia usualmente si lavora con gradi di introduzione del 25%/30%.
Quando la locomotiva è in situazioni di aderenza difficile si attivano le sabbiere per soffiare sabbia sotto le ruote per non farle slittare.
Chiudono l'elenco dei comandi di condotta quelli dei vari freni, quello manuale, meccanico, usato negli stazionamenti in quanto di lenta manovra ed attivo sulla sola locomotiva, quello moderabile, anche questo agisce sulla sola locomotiva ed infine il freno continuo, generalmente il Westinghouse. In Inghilterra si è usato il freno a vuoto, analogo come funzionamento con la differenza che nella condotta dei freni c'è il vuoto pneumatico invece di aria in pressione. Il freno a vuoto, potendo contare solo sulla pressione atmosferica, permette frenate meno energiche. Originariamente non si poteva regolare l'azione del freno continuo, da qui il nome di moderabile dato all'altro freno.
Sempre relativa al freno pneumatico c'è la valvola che permette di inviare vapore alla pompa che riempie i serbatoi d'aria dei freni. E' questa pompa la responsabile del rumore ritmico che si sente vicino ad una locomotiva in sosta ed in attesa di partire.
Chiude la carrellata la valvola che permette di inviare vapore nelle condotte del riscaldamento dei vagoni.
In Italia, come abbiamo visto, il soffiante, le valvole per gli iniettori, quella per la pompa dei freni e quella per il riscaldamento delle carrozze sono riunite nel "gruppo Ansaldo".
[modifica] Il lavoro
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«Ora che le locomotive a vapore appartengono all'archeologia industriale è giusto conservare la memoria di un lavoro duro, ma svolto sempre con orgoglio.»
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Per una locomotiva a vapore è necessario il lavoro di varie persone:
- Un Accenditore per l'accensione del fuoco
- Accudienti "generici" per le soste prolungate
- Uno (o due) fuochisti per la condotta della caldaia
- Un macchinista, per la condotta del treno in corsa.
Partendo a macchina spenta, con la caldaia riempita al punto giusto, si prepara il forno all'accensione utilizzando legna e stoppacci.
Una volte che il legname ha preso fuoco si comincia ad aggiungere carbone e si prepara il fuoco di stazionamento, portando lentamente (oggi, sulle macchine preservate, si consiglia 1 atmosfera/ora) la caldaia alla pressione di stazionamento che è di circa 4/5 atmosfere.
La salita di pressione deve essere lenta in quanto riscaldamenti repentini possono portare tensioni tra le varie parti che si sono riscaldate in modo differente, tensioni che possono causare danni soprattutto in presenza di materiali diversi con diverso coefficiente di dilatazione.
Il lavoro degli accudienti è solo relativamente facile dato che la macchina è ferma. Il "salsicciotto" del fuoco di stazionamento è comunque nella parte avanzata del forno e la bocca del forno è stretta: centrarla con la pala e far finire il carbone al posto giusto richiede pratica.
La locomotiva rimane in questa condizione fino ad alcune ore prima della partenza, momento in cui il fuochista prende le consegne e comincia a portare la macchina, sempre lentamente, alla pressione di lavoro. Cambia la disposizione del fuoco, spostando il carbone sui lati per incrementare il trasferimento di calore. Altro carbone acceso viene messo sotto la bocca da forno, per impedire all'aria fredda di entrare nel forno da quella parte.
Avvia anche la pompa che carica il serbatoio dei freni: al momento di entrare in servizio la pressione deve essere al "livello di timbro" (al massimo) ed i serbatoi dei freni pronti all'uso. Ma mai far soffiare la valvola di sicurezza, che è tutta energia sprecata. E nemmeno utilizzare il soffiante in stazione dato che non si deve recar disturbo ai passeggeri con una pioggia di fuliggine (queste regole oggigiorno non vengono più rispettate o per lo meno non con l'attenzione di un tempo, ed anzi il fischio della valvola di sicurezza Coale è uno dei soggetti più fotografati in stazione).
metti l'olio nei stantuffi..
Il macchinista che prima della partenza verifica di tutti i punti di lubrificazione del motore è entrato anche nella musica popolare.
Il macchinista prende in consegna la macchina più tardi, esegue personalmente un giro di ispezione per accertarsi che tutto sia a posto e riempire i vari serbatoi del lubrificante situati in vari punti del biellismo.
Al momento di partire il macchinista porta l'introduzione al massimo, sfrena la macchina ed apre il regolatore. In corsa regolerà la velocità agendo sia sul regolatore che sul grado d'introduzione, che comunque si cerca di tenere il più bassa possibile per sfruttare al meglio l'espansione del vapore.
In marcia il lavoro del fuochista si complica. Tanto per cominciare il treno è in movimento e quando spala il carbone deve avere un piede sul tender ed un piede sulla locomotiva.
Potete sperimentare la stabilità della cosa sostando brevemente - laddove consentito - nell'intercomunicante tra due vagoni, ma quello che potrete sperimentare è comunque poca cosa rispetto a quello che tocca al personale in cabina.
Deve rifornire la caldaia di acqua, per reintegrare quella utilizzata come vapore e deve far sì che la pressione sia sempre al massimo.
E quando immette l'acqua in caldaia la raffredda, quindi immediatamente deve provvedere a spalare il carbone.
E poi bagnarlo, per non aver l'aria piena di polvere di carbone. Ed anche spazzar via quanto cade, che lo spazio non è né molto né stabile, meglio non ci siano cose estranee sotto i piedi.
Spazza, bagna, spala, carica l'acqua, spazza, bagna, spala... avanti così per tutto il viaggio. Alla fine la sua pala avrà caricato in forno alcune tonnellate di carbone.
Per il macchinista la vita non è certo più facile. Ha la responsabilità della condotta del treno, tenendo d'occhio la linea ed i suoi segnali. E deve pure lui tenere d'occhio il livello dell'acqua in caldaia. Se questo scende troppo i tappi di sicurezza sul cielo del focolaio rimangono scoperti, si surriscaldano e fondono, facendo inondare e spegnere il fuoco della locomotiva, che resta immobilizzata. Ed ogni tanto prende anche lui in mano la pala, che prima di avere i fregi d'oro sul berretto ha portato anche lui quelli d'argento da fuochista...
[modifica] Le infrastrutture
Le locomotive a vapore avevano bisogno di alcune infrastrutture la cui utilità è stata considerata cessata con la cessazione dei servizi a vapore. Oggi, per i servizi a vapore turistici e rievocativi si deve ricorrere a dei sostituti.
Nei depositi locomotive erano presenti i dispositivi per caricare il carbone nelle carboniere delle locomotive. Si partiva dai rudimentali cesti trasportati a spalla per passare alle enormi gru a ponte che venivano usate nei maggiori depositi, dove grosse benne riempivano continuamente delle carboniere "intermedie" dalle quali il carbone cadeva nella carboniera della locomotiva da rifornire. Comuni erano sollevatori che alzavano piccoli carrelli decauville e ne ribaltavano il contenuto nei tender delle locomotive. Oggigiorno si ricorre ad escavatrici oppure si torna nuovamente ad utilizzare le ceste.
C'erano anche aspiratori destinati a creare un tiraggio artificiale in fase di accensione delle locomotive, un fabbricato dedicato al rifornimento ed all'accensione delle lanterne a petrolio (lampisteria) e fosse dove scaricare le ceneri dal forno e dalla camera a fumo.
Sempre nei depositi e nelle rimesse erano presenti le piattaforme di giratura. Nelle zone di montagna o dove comunque la manutenzione delle piattaforme sarebbe risultata problematica, vennero realizzate particolari configurazioni di binari, il triangolo o la stella, più compatta del precedente.
Molte piattaforme non sopravvissero alla scomparsa della trazione a vapore ed oggi si cerca di organizzare treni a vapore su percorsi ad anello o toccando località dove c'è una piattaforma che permetta di girare la locomotiva, anche riducendosi a fare la manovra in due tempi, prima la locomotiva e poi il tender (in gergo "taglio del tender").
La cosa buffa è che l'uso di locomotive elettriche monocabina, come le E.464 italiane, ha reso di nuovo utili queste piattaforme e quindi ne sono state costruite di nuove, come a Venezia-Mestre.
Se le locomotive a vapore hanno bisogno di carbone, ancora maggiore è la necessità di acqua e maggiore è la necessità di rifornirsene. Allo scopo varie stazioni erano dotate di una torre piezometrica e di una o più colonne idriche. Alcune di queste, a volte in modo rocambolesco, sono sopravvissute attive fino ai giorni nostri. Ai giorni d'oggi si utilizzano, all'occorrenza, autopompe.
[modifica] La varietà
Le locomotive a vapore sono state costruite con in una varietà di forme ed architetture che probabilmente non è più stata vista con nessun'altro mezzo ferroviario.
La tipologia descritta più sopra è certamente la più comune. Ma non l'unica.
Ad esempio in Ungheria ed altri Stati circolarono locomotive con la caldaia Brotan che presentava un forno in materiale refrattario con tubi d'acqua ed una caldaia convenzionale a tubi di fumo. L'acqua dalla caldaia poteva raggiungere per gravità i tubi d'acqua del forno ed ambedue i dispositivi inviavano il loro vapore in un serbatoio dotato di un duomo da cui poi veniva inviato al motore
Più visibili furono le differenze nella posizione della cabina di guida. Ad esempio la cabina di guida fu messa a cavallo della caldaia nelle già citate locomotive costruite nell'ovest degli Stati Uniti per bruciare l'antracite inidonea all'uso per il riscaldamento domestico (culm). Questa insolita configurazione era dovuta al fatto che per bruciare l'antracite era necessario utilizzare un forno con una griglia così ampia che le sue dimensioni non solo rendevano necessarie due bocche da forno per rifornirlo di combustibile, ma rendevano anche estremamente problematica la visibilità anteriore. L'uso di queste macchine cessò quando la regolamentazione sancì come troppo pericolosa la presenza del macchinista al di sopra delle bielle in movimento.
Non ebbero questo problema le locomotive in cui la cabina venne installata nella parte anteriore per cercare migliore aerodinamica o per avere migliore visibilità. Locomotive di questo tipo venero prodotte in Italia, Francia, Regno di Prussia, Germania, Inghilterra, Unione Sovietica e dalla compagnia ferroviaria statunitense Southern Pacific che ne fece un uso così ampio da farle diventare simbolo del proprio servizio.
Ma le macchine della Southern Pacific non si discostavano dalle locomotive di tipo comune solo per la cabina posta nella parte anteriore.
Infatti erano anche macchine articolate, ovvero si poggiavano su due carri, uno dei quali snodato rispetto al resto della locomotiva. Questo riduceva il passo rigido facilitando l'inscrivibilità in curva. Macchine articolate in questo modo ne vennero costruite in tutto il mondo, ma solo negli Stati Uniti si ebbero i giganti come le già citate Cab Forward, le Big Boy, le Allegheny e le altre enormi locomotive che trainarono treni merci e non solo (durante la campagna elettorale per la rielezione di Bill Clinton una Challenger della Union Pacific tornò a trainare un convoglio passeggeri). Altrove le locomotive articolate furono invece impiegate come macchine di elevata potenza su linee a scartamento ridotto, dove i raggi di curvatura sono spesso stretti.
In Europa (e nelle colonie dei paesi europei) le locomotive articolate furono spesso Mallet (dal nome del progettista, Anatole Mallet) ovvero macchine con motore a doppia espansione col carro posteriore mosso da cilindri ad alta pressione ed il carro anteriore mosso dai cilindri a bassa pressione come si può vedere nella figura più sopra per il fatto che i cilindri anteriori sono di dimensioni maggiori di quelli posteriori (verso i quali si dirige pure una condotta fuoriuscente dal duomo).
La ricerca di una migliore inseribilità in curva portò sia allo sviluppo di veri incubi meccanici, come nelle piccole locomotive della Ferrovia della Val Gardena, sia alla ricerca di modi per costruire locomotive in cui tutti i carri o i carrelli fossero in grado di ruotare rispetto al corpo centrale. Tipiche della scuola britannica furono le Garrat, locomotive ove la caldaia con la cabina, le scorte di carbone e quelle di acqua erano tutte e tre su un solo grande telaio, poggiante alle estremità su due carri, ciascuno con ruote motrici e portanti. Oggi queste macchine si possono ancora ammirare in funzione in Sud Africa e Zimbabwe.
Negli USA si svilupparono invece delle tipologie di locomotive in cui due o tre carrelli motori a due assi ricevevano il movimento attraverso un albero di trasmissione mosso dai pistoni del motore a vapore. Ci sono tre tipologie principali:
- Le Climax, in cui i cilindri erano disposti in modo tradizionale e trasmettevano il moto ad un asse cieco. Questo, tramite ingranaggi, metteva in moto l'albero di trasmissione centrale che a sua volta azionava i carrelli. Per semplificare la meccanica era possibile che gli ingranaggi fossero usati per muovere un solo asse per carrello accoppiato all'altro tramite una biella.
- Le Heisler, in cui l'albero di trasmissione disposto al centro della locomotiva, era azionato direttamente dalle bielle del motore a vapore, quest'ultimo coi cilindri disposti a V. Anche nelle macchine Heisler poteva capitare che, per semplificare la meccanica, gli ingranaggi fossero usati per muovere un solo asse per carrello accoppiato all'altro tramite una biella.
- Le Shay, le più famose, con cilindri verticali e l'albero di trasmissione posti su un solo lato ed il moto sempre trasmesso a tutti gli assi tramite ingranaggi. Per bilanciare il posizionamento asimmetrico dei cilindri la caldaia veniva scentrata verso il lato opposto. Queste macchine ebbero larga diffusione, non solo nel continente americano ma anche a Taiwan.
Un'ultima "deviazione" dalla struttura standard la troviamo in molte locomotive a cremagliera, dove l'intera caldaia, e di conseguenza la cabina, sono montate in modo da controbilanciare la pendenza della linea.
Questa disposizione consente di mantenere la caldaia orizzontale nonostante la pendenza della linea. Nel 1992 e nel 1996 la SLM Svizzera costruì alcune macchine di questo tipo per la Brienz-Rothorn-Bahn. Sono macchine tradizionali solo nell'aspetto, costruite da un allievo del grande Livio Dante Porta, efficienti nell'uso del combustibile e fluide nel movimento.
[modifica] Oggi e Domani
[modifica] Servizio regolare e nuovi progetti
Le locomotive a vapore stanno spegnendo i fuochi, per il servizio regolare, in molte parti del mondo, è praticamente scomparsa dall'Europa (con una piccola eccezione in Polonia e nel Nord America.
D'altro canto la scarsità di petrolio ha convinto il governo Cinese a procrastinare la radiazione delle ultime vaporiere in servizio, che era prevista per il 2006 e più di qualcuno ritorna a pensare che probabilmente ci sarà ancora spazio per locomotive a vapore costruite in modo moderno come le quelle costruite da SLM per la ferrovia Brienz-Rothorn.
In america centrale ed meridionale, grazie soprattutto al genio di Livio Dante Porta, sono in servizio locomotive che hanno ricevuto miglioramenti notevoli relativamente all'efficienza. A Cuba l'ingegner Porta ha progettato locomotive in grado di bruciare biomasse tra cui gli scarti della produzione dello zucchero di canna. La crisi dell'industria dello zucchero ha però messo in dubbio la realizzazione della locomotiva LVM 800 (sempre progettata da Porta).
Altrove, come in Eritrea, si conservano gelosamente ed in modo egregio le vecchie Mallet di costruzione Ansaldo impiegate sulla splendida linea Massawa-Asmara.
Vi sono anche progetti per la realizzazione di vaporiere progettate con tutti gli accorgimenti che i grandi progettisti hanno introdotto per migliorarne l'efficienza, e realizzate con materiali moderni di derivazione aeronautica. Si tratta di locomotive adatte all'utilizzo per la trazione di treni veloci e in grado di raggiungere, in teoria, i 200 km/h per poter transitare sulle linee principali senza problemi di intralcio alla circolazione degli altri treni.
Tra i lavori più interessanti oggi in sviluppo vi è la 5AT dell'ingegner David Wardale, una 4-6-0 da 3500 cavalli disegnata in stile anni trenta ma realizzata con materiali attuali. L'entrata in servizio è prevista per il 2010, anche se il progetto non ha ottenuto tutto il successo sperato.
Pare purtroppo destinato a rimanere lettera morta il progetto statunitense ACE.3000.
[modifica] Preservare la memoria
Da qualche anno a questa parte, locomotive a vapore vengono restaurate ed impiegate per il loro elevato fascino su itinerari turistici e rievocazioni storiche, come accade in Germania, Austria, Svizzera, Francia, Belgio, Stati Uniti D'America, Irlanda e ovviamente in Regno Unito dove sono nate (a volte il giorno dopo la chiusura di alcuni "rami secchi" come nel caso della Blue Bell Line) associazioni di appassionati di ferrovie dedite a questa branca della archeologia industriale.
Un caso particolare è l'Italia dove questi appassionati lavorano quasi esclusivamente su materiale che è tuttora di proprietà Trenitalia e circola sulle linee RFI. Fanno eccezione il Museo Ferroviario Piemontese, le cui macchine sono ora immatricolate dalla GTT, la Ferrovia Turistico Museale Carnia-Tolmezzo, che al momento non ha in carico materiale a vapore, e la Società Veneta Ferrovie di Padova, che ha ricevuto in custodia la 880.001
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