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12 de julio de 2016 | por: Equipo Comunicación | 0 comentarios

Dinámica ferroviaria, un área de conocimiento fundamental para el diseño ferroviario

El movimiento de un material rodante a través de las vías, conocido como dinámica ferroviaria, es uno de los temas más complicados de abordar en el diseño de un tren. Aunque es evidente que se rigen por los mismos principios de dinámica que cualquier otro sistema, el hecho de que la excitación parte de un área de contacto entre dos cuerpos elásticos cargados, dotados de una geometría no obvia, en condiciones de rodadura, hace que su planteamiento sea especialmente complejo.

La base del comportamiento dinámico de un vehículo parte de lo que se conoce coloquialmente como “eje rígido”, que no es más que dos ruedas caladas en un eje. Cómo son las ruedas, es otro tema y su desarrollo, como muchos otros, ha partido de la intuición y experiencia de los ingenieros ferroviarios. En los orígenes del ferrocarril, cuyas velocidades eran bajas, el objetivo fundamental era reducir la resistencia a la rodadura, para poder optimizar el uso del número de caballos que tiraban de la carga y por eso el uso del contacto acero-acero. La solución de utilizar la pestaña en la rueda parte del siglo XVII y fueron colocadas tanto en el lado interior, como en el exterior, como en ambos lados y tenía un objetivo claro de “encarrilar” el eje.

Más tarde se introdujo la conicidad en las ruedas, con el objetivo de mejorar el desgaste de la pestaña y colateralmente mejorar la inscripción en curva. El uso de la conicidad en las ruedas quedó fijado por George Stephenson en 1821 en su  “Observations on Edge and Tram Railways”. También deja claro en el texto la aparición del movimiento que caracteriza a todo eje ferroviario: su movimiento senoidal por la vía o movimiento de lazo.

Dinámica ferroviaria

Perfil geométrico de Rueda Ferroviaria

La aparición de este movimiento fue objeto de muchos estudios, pero fue en 1883, cuando Klingel mostró el primer análisis matemático de este fenómeno. La fórmula de Klingel muestra que la frecuencia de oscilación del movimiento depende de la velocidad del vehículo. Lo que no pudo demostrar Klingel es por qué existe una inestabilidad denominada inestabilidad de lazo a una determinada velocidad, conocida como velocidad crítica.

Dinámica ferroviaria

Movimiento de lazo

 

La progresiva necesidad de hacer del transporte ferroviario más competitivo, exigió ir consiguiendo un incremento progresivo de la velocidad del vehículo y un aumento del confort del viajero, siempre en condiciones de seguridad. Gracias a los avances en las ciencias matemáticas, la física, tribología y el desarrollo del cálculo computacional, la dinámica ferroviaria ha pasado de ser una rama de la ciencia ferroviaria más intuitiva (quiero subrayar que la intuición a cierto nivel de la dinámica, suele ser mala consejera) a ser una ciencia con una gran base teórica y práctica, lo que ha permitido el gran avance en este modo de transporte.

El resultado último de la dinámica ferroviaria es conseguir que el vehículo circule a la velocidad para la que ha sido diseñado en condiciones de máxima seguridad y confort para el viajero.

Para conseguir esto es necesario una decisión de todos los valores que puedan afectar a dicho objetivo y que como se puede imaginar y tratándose de dinámica de cuerpos en movimiento, son muchos.

Retomando el tema del eje o del bogie, si queremos que la velocidad a la que se produce la inestabilidad de lazo sea superior, en general en un 10% a la velocidad máxima de circulación, tanto en condiciones de diseño como degrada, debemos decidir valores tales como las rigideces laterales y longitudinales de las suspensiones primarias y secundaria, el empate del bogie, la inercia de la masa no suspendida, la conicidad del perfil. Téngase en cuenta que además, el vehículo debe circular por curvas y en general, valores buenos para la dinámica en recta son opuestos a los de la dinámica en curva.

Dinámica ferroviaria

Modelo dinámico de un mercancías de dos ejes

Si queremos analizar el confort del viajero, debemos atender a parámetros que influyen en la respuesta de la caja, como son las suspensiones secundarias, si el tren es articulado o no, conexiones entre bogies y cajas… etc.

Y si queremos analizar las interacciones verticales con la infraestructura, debemos atender a los parámetros que caracterizan las suspensiones verticales tanto de la primaria como de la secundaria, longitudes de las cajas, alturas de los centros de gravedad respecto a los centros instantáneos de rotación de las suspensiones, peso por eje… etc.

Dinámica ferroviaria

Récord de velocidad del ICE

Realizado el diseño del vehículo y una vez que se ha construido un prototipo, la dinámica debe ser validada en ensayos reales en vía, donde se miden la interacciones entre la rueda y carril (mediante unos sensores especiales denominados, ejes dinamométricos) , aceleraciones de bogies y cajas, además de proceder a un filtrado de la señal y a un procesamiento estadístico que depende de lo que se pretenda analizar.

Autor: Emilio García, profesor del Máster en Infraestructuras Ferroviarias

Máster en Infraestructuras Ferroviarias

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