ES2192437B2 - Rueda de ferrocarril. - Google Patents

Abstract

Rueda de ferrocarril, que se constituye en un sólido de revolución alrededor de un eje {al}-{al} y que consta de una llanta (A), un cubo (E) y un velo (C), presentando sobre la llanta un plano mediano teórico (Z) que pasa por el punto de contacto rueda-carril y es perpendicular a dicho eje a-a, uniéndose el velo (C) a la llanta (A) por una superficie interior de acuerdo y una superficie exterior de acuerdo, y uniéndose el velo (C) al cubo (E) por una superficie interior de acuerdo y una superficie exterior de acuerdo determinándose en el velo (C) una línea meridiana teórica que va desde el acuerdo (P) del velo (C) con la llanta (A) al acuerdo (T) del velo (C) con el cubo (E), presentando el velo entre el acuerdo del velo (C) con la llanta (A) y el acuerdo del velo (C) con el cubo (E) una primera, una segunda y una tercera curvatura concatenadas con doble punto de inflexión, siendo el plano de la cara exterior (1) de la llanta (A) aproximadamente tangencial a la superficie exterior de la segunda curvatura del velo (C). De aplicación en ferrocarriles.

Description

Rueda de ferrocarril.

En años precedentes ha cobrado un interés creciente dentro del ámbito ferroviario el problema que representa para la vida en servicio y propiedades físicas de las ruedas de ferrocarril la actuación de los sistemas de freno. Son varios los sistemas de freno existentes en la actualidad y aplicados a vagones y vehículos ferroviarios. Entre ellos cabe mencionar las zapatas de freno actuantes directamente sobre superficies de la rueda, como por ejemplo la banda de rodadura de la llanta, los sistemas de freno por fricción sobre un disco a tal efecto y los sistemas de freno eléctrico con actuación directa sobre el sistema de tracción, así como combinaciones de sistemas diferentes. Cada uno de ellos tiene o puede tener un efecto diferente sobre la rueda ferroviaria pero, en general, la disipación de calor generado por la actuación del sistema de freno a través del volumen de la rueda es un fenómeno posible en principio con cualquiera de los sistemas, bien sea por rozamiento directo de las zapatas sobre la rueda, bien por fenómenos de bloqueo o patinaje de la rueda sobre el carril. Aunque en menor medida, también la presencia de fenómenos de deslizamiento de rueda sobre carril producidos durante las etapas de tracción puede tener efectos térmicos sobre las ruedas ferroviarias.

De entre todos los efectos posibles que sobre las propiedades de la rueda pueden tener los sistemas de freno cabe considerar la aparición de desplazamientos irreversibles axiales de toda o parte de la llanta de la rueda con respecto a la geometría inicial de sólido rígido (en dirección horizontal y perpendicular a la de avance del tren), ya sea durante el tiempo en que debido al calor disipado la rueda se halla a temperaturas superiores a la ambiental, como también tras el enfriamiento hasta esta última temperatura. Un segundo efecto posible sobre la rueda es la variación del valor de las tensiones tangenciales que existen dentro del volumen de la llanta debido a ciclos térmicos de frenado o a frenados intensos de duración relativamente corta. Esta evolución del campo de tensiones modifica obviamente el estado de tensiones tangenciales existente en el momento de la fabricación de la rueda, cuya optimización contribuye a minimizar el riesgo de averías de ruedas en servicio con las consecuencias para la seguridad de marcha del tren que un hecho de esta naturaleza pudiera suponer.

El documento FR 248 993 A comprende una rueda de disco que tiene una masa débil y una elevada estabilidad de forma en una dirección axial. La rueda de disco presenta un velo, un cubo y una llanta, en la que el velo está compuesto de tres partes curvas según una función cosinusoidal entre un punto en el que el velo está conectado a la llanta y el punto en el que el velo está conectado al cubo, en el que el punto en el que el velo está conectado a la llanta y el punto en el que el velo está conectado al cubo están dispuestos en el plano de contacto entre la rueda y el raíl.

El documento DE 27 26 871 A describe una rueda de ferrocarril que presenta un cubo previsto sobre un eje, una llanta y un velo que está formado de una parte solidaria en forma de S y montado entre el cubo y la llanta.

El objeto de la presente invención es proponer una rueda de ferrocarril mejorada que palie los problemas anteriormente mencionados y que satisfaga las exigencias de los ferrocarriles modernos.

Este objeto se resuelve con una rueda de ferrocarril según la reivindicación 1.

El hecho de que el punto más saliente de la cara externa del velo sea prácticamente coincidente con el plano de la cara externa de la llanta, asegura la máxima flexibilidad axial y radial del velo, ya que si dicho punto sobresaliera claramente de dicho plano pudieran originarse problemas de montaje o interferencias con otros elementos mecánicos.

Como efecto secundario se consigue una rueda cuya masa es más reducida a la de las ruedas actualmente conocidas para igualdad de carga máxima por eje ferroviario.

Preferentemente la posición de ambos puntos de acuerdo (P), (T) están al mismo lado exterior del plano mediano teórico (Z) para facilitar la flexibilidad y compensar flexiones de las masas llanta-cubo, aunque se admiten otros posicionamientos.

La aparición de desplazamientos irreversibles en caliente o frío de la llanta o partes de la misma en dirección lateral o axial, cualquiera que sea su sentido, supone necesariamente una variación de la distancia existente entre las caras de llanta y las superficies laterales del cubo de la rueda y, por tanto, de la distancia entre las caras internas de las llantas de las ruedas que conforman un eje ferroviario. Un aumento de dicha distancia entre caras de llantas de ruedas provoca un rozamiento excesivo de las pestañas sobre los carriles y su desgaste prematuro. Una disminución de esta distancia, por su parte, aumenta el riesgo de problemas e incluso descarrilamiento al paso del tren por cambios de aguja, aparatos de vía o zonas de mayor distancia entre carriles. Una manera de evitar este problema es la tradicional limitación de la carga por eje y la velocidad de servicio, especialmente en líneas de pendiente importante, a fin de disminuir la disipación de calor generado por la acción de los frenos en servicio normal y en paradas de emergencia. Otra alternativa es la introducción una geometría adecuada de velo que disminuya la tendencia a la aparición de deformaciones del velo en caliente o frío y su posterior traducción a desplazamientos irreversibles de llanta, como es el caso del nuevo concepto de rueda propuesto que, a su vez, presenta como ventaja adicional la disminución del peso total de la rueda con respecto a otros conceptos anteriores.

Aparte del problema de los desplazamientos irreversibles de llanta, descritos en párrafos anteriores, un segundo objetivo del nuevo concepto de rueda aquí presentado en la contención de los valores de las tensiones tangenciales en la llanta en un nivel de saturación aceptable. En efecto, las ruedas ferroviarias monobloc son fabricadas mediante una serie de procesos tendentes a la generación de tensiones tangenciales negativas en el volumen de la llanta que generan un estado compresivo de la misma, que tiende a cerrarla reduciendo su diámetro. No obstante, aplicaciones intensas o repetitivas de los sistemas de freno o de ciclos de frenado son causa de generación de calor que, por elevación intensa de la temperatura de las capas exteriores de la llanta de la rueda, puede conducir en ocasiones a la aparición de fenómenos de transformación estructural del acero que compone las llantas, llegando en el caso más extremo a la aparición incluso de grietas en la superficie de rodadura. En cualquier caso, y aunque transformaciones intensas no tuvieran lugar, los ciclos térmicos conducen en el tiempo a una evolución de las tensiones tangenciales hacia valores más altos, incluso positivos, que tienden ahora a abrir la llanta. Así, pequeñas grietas en rodadura pueden ver favorecido su crecimiento por un mecanismo de fatiga hasta provocar roturas o averías importantes en las ruedas ferroviarias, e incluso poner en riesgo la seguridad de marcha del tren. Como se ha dicho anteriormente, la contención en niveles aceptables del valor de las tensiones tangenciales en servicio es un segundo objetivo del nuevo modelo de rueda propuesto. Tanto este objetivo como el de la minimización del desplazamiento irreversible de la llanta se consigue por medio de una forma de velo de rueda novedosa.

Para comprender mejor el objeto de la presente invención, se representa en los planos una forma preferente de realización práctica, susceptible de cambios accesorios que no desvirtúen su fundamento.

La figura 1 es una vista en sección alzada de una realización práctica de la rueda objeto del invento.

Se describe a continuación un ejemplo de realización práctica, no limitativa, del presente invento.

La rueda propuesta es del tipo monobloc (de una sola pieza, más accesorios) y su forma se corresponde con la de un volumen de revolución alrededor de un eje central \alpha-\alpha (salvo por posibles detalles no obtenidos por medio de revolución alrededor de dicho eje, tales como el agujero o agujeros de inyección de aceite, marcas de fabricación, taladros de sujeción de accesorios tales como anillos de insonorización, discos de freno, etc.). En la sección de corte mostrada en la figura 1 se pueden observar las partes fundamentales de la rueda, esencialmente la llanta (A), el acuerdo llanta-velo (B), el velo o alma (C), el acuerdo velo-cubo (D), y el cubo (E) con el agujero de calaje (F).

La llanta (A) puede ser del tipo mostrado en la figura o estar provista de rebajes mecanizados en uno o ambos lados para la sujeción de anillos insonorizadores u otro tipo de accesorios. Dichos anillos pueden estar sujetos por interferencia con el rebaje mecanizado (calaje) o por medio de otros sistemas tales como taladros, agujeros, etc. practicados tanto en la llanta como en otras zonas de la rueda. La presencia o no de límite de desgaste es opcional, no interviniendo en la definición del concepto de rueda propuesto. El paso de la llanta (A) al velo (C) se hace a través del acuerdo (B), consistente esencialmente en la utilización de una geometría aproximadamente circular en ambas caras, hasta la altura del punto (P) donde comienza el velo (C). Dicho punto (P) no está situado necesariamente bajo el centro de llanta (punto de contacto teórico rueda-carril (Z) sobre la banda de rodadura), sino más bien desplazado hacia la cara exterior (1) de la rueda.

Entra dentro del objeto de la Patente que el punto (P) esté desplazado hacia la cara interior de la rueda.

El cubo de rueda (E) conforma un volumen de revolución masivo alrededor del eje \alpha-\alpha, salvo por el agujero de calaje (F) y elementos tales como el agujero o agujeros de inyección de aceite, taladros roscados o no roscados para la sujeción de elementos, etc. El cubo (E) se extiende hasta el acuerdo (D) con el velo, que consiste nuevamente en una superficie de geometría aproximadamente circular en ambos lados de la rueda hasta la altura del punto (T), donde comienza el velo (C).

Finalmente, el velo (C) consiste en un volumen masivo de revolución alrededor del eje \alpha-\alpha, salvo por la presencia posible de taladros en el mismo destinados a usos diversos. La geometría de la sección de corte del velo (C) constituye la innovación básica aportada en este invento. Dicha sección está recorrida por una línea meridiana teórica curvada que transcurre desde el punto (P) hasta el punto (T), pasando sucesivamente a través de los puntos (Q), (R) y (S). Esta línea define el lugar de puntos situados a igual distancia de ambas superficies o caras del velo, a lo largo de su longitud. La línea (P) (S) está construida mediante unión sucesiva de tres segmentos curvos, que se unen en dos puntos de inflexión (Q) y (S).

La definición de los puntos de las superficies exteriores del velo situados "a la altura" de los puntos (P), (R) y (T) ha de entenderse como la de aquellos puntos situados en la intersección con las superficies externas del velo de las líneas paralelas al eje \alpha-\alpha trazadas cada una de ellas por dichos puntos (P), (R) y (T). Por el contrario, los puntos de las superficies exteriores del velo "a la altura" de los puntos (Q) y (S) se definen como aquéllos situados sobre la intersección con dichas caras externas del velo de líneas trazadas cada una de ellas por el punto (Q) ó (S) y el centro de curvatura del contorno de la superficie correspondiente (los puntos (U), (V), (X) e (Y)). Estas definiciones se aplican a los párrafos anteriores y siguientes.

Ciertas relaciones entre los diversos radios de acuerdo son preferibles a fin de obtener la máxima elasticidad axial y radial del velo, y con ellas los objetivos finales definidos en apartados anteriores. De esta forma, el radio de acuerdo (R_{2}) de la cara externa del velo entre las alturas de los puntos (P) y (Q) es similar al radio (R_{0}) del acuerdo llanta-velo (B) en dicha cara. Este radio (R_{0}) es también similar al radio (R_{6}) de la cara externa del velo entre las alturas de los puntos (S) y (T), a su vez parecido al radio (R_{4}) de curvatura del acuerdo velo-cubo (D) en dicha cara exterior. Estos radios (R_{0}), (R_{2}), (R_{6}), (R_{4}) pueden ser, además, iguales a los radios (R_{1}), (R_{3}) de los acuerdos llanta-velo (B) y velo-cubo (D) en la cara interna de la rueda. Finalmente, pueden ser también iguales entre sí también el radio (R_{7}) de acuerdo de la cara interna entre la altura de los puntos (P) y (Q) y el radio (R_{8}) de acuerdo de la misma cara interna entre la altura de los puntos (S) y (T). Finalmente, los radios (R_{9}), (R_{5}) de acuerdo de las caras interna y externa del velo entre las alturas de los puntos (Q) y (S) son necesariamente diferentes entre sí. En la nueva rueda que se propone, es precisamente la combinación adecuada de los radios de curvatura de las caras internas y externas de cada uno de los tres tramos de velo comprendidos entre los puntos (P) y (T), la posición de los respectivos centros de curvatura y la posición del conjunto del velo con respecto a la llanta y al cubo lo que permite la obtención de los objetivos propuestos. En particular, mediante la utilización de una combinación tal que permita:

- La máxima curvatura triple del velo entre los puntos (P) y (T), de tal forma que la cara externa del velo a la altura del punto (R) coincide aproximadamente con la cara externa de llanta, pudiendo sobresalir de ésta o quedar en una posición ligeramente más interior en función de las necesidades del diseño particular o tolerancias de fabricación.

- La consecución de transiciones suaves entre los diferentes tramos de las superficies externas del velo, y de éstas con los acuerdos llanta-velo y cubo-velo.

De modo preferente y de modo aproximado las superficies exteriores de la primera, segunda y tercera curvatura del velo tienen similar radio de curvatura. En general las relaciones dimensionales entre los radios que hasta aquí se han explicado son una preferencia y un ejemplo, sin que ello suponga que el objeto de la Patente no cubra relaciones no-similares entre los radios.

Se puede decir que de modo preferente el contorno de la superficie externa y de la superficie interna de velo de la figura 1, se corresponde con la sucesión de tres segmentos circulares unidos suavemente, este hecho no es esencialmente necesario, pudiendo tratarse de tres segmentos de línea curva de órdenes mayores. Tampoco es esencialmente necesario que sean iguales entre sí los valores de los radios de curvatura de cada uno de los seis segmentos, tres en cada cara, que conforman el contorno de velo.

La rueda está fabricada de acuerdo con las normas y especificaciones existentes en la actualidad, publicadas o a falta de publicación (p.e.prEN 13262).

Finalmente, cabe mencionar que la presencia de desviaciones dimensionales debidas a los procesos de fabricación pueden hacer variar de manera más o menos significativa las dimensiones reales de la rueda con respecto a los criterios dimensionales definidos en los párrafos anteriores.

Como aplicación particular del concepto de rueda expuesto anteriormente se ha desarrollado una rueda con un sistema de frenado por zapata sobre la banda de rodadura en que la carga máxima por eje se establece en principio 22.5 toneladas (aunque es aplicable posiblemente a mayores cargas), y bajo unas condiciones de frenado como las definidas para dicha carga en el proyecto de norma UIC 510-5.

Se trata de una rueda fabricada en acero al carbono mediante forja y laminación, con superficies externas completamente mecanizadas. El diámetro de rodadura de la rueda en su estado inicial (fabricación) es de 920 mm, estando el punto de contacto rueda-carril (Z) situado a 70 mm de la cara interna de llanta. El nacimiento del velo se produce en el punto (P), situado 15 mm desplazado hacia la cara exterior con respecto al punto (Z). Los tres tramos de la cara exterior del velo presentan radios de curvatura de, sucesivamente, 50, 62.09 y 50 mm. A su vez, los radios de curvatura de los tres tramos de la superficie interna de velo son iguales a 70, 42.66 y 70 mm. Finalmente, los radios de acuerdo en ambas caras, externa e interna, entre la llanta y el velo, y también entre el velo y el cubo, son de 50 mm. El espesor del velo decrece paulatinamente de 28 mm en el punto (T) hasta 17 mm en el punto (P).

El punto (T) está desplazado 10 mm hacia el exterior con respecto al punto (Z) de contacto sobre la banda de rodadura. Los centros de curvatura de las dos caras del tramo intermedio del velo se sitúan en el mismo plano, separados 4.57 mm. La cara externa del tramo intermedio, por su parte, coincide en su punto más saliente con el nivel de la cara externa de la llanta.

Los resultados obtenidos con esta rueda han sido claramente superiores a los obtenidos con una rueda de doble curvatura.

Claims (6)

1. Rueda de ferrocarril, que se constituye en un sólido de revolución alrededor de un eje \alpha-\alpha, y que está compuesta de una llanta (A), de un cubo (E) y de un velo (C), presentando sobre la llanta un plano mediano teórico (Z) que pasa por el punto de contacto rueda-carril y es perpendicular a dicho eje \alpha-\alpha, uniéndose el velo (C) a la llanta (A) por una superficie interior de acuerdo y una superficie exterior de acuerdo, y uniéndose el velo (C) al cubo (E) por una superficie interior de acuerdo y una superficie exterior de acuerdo determinándose en el velo (C) una línea mediana teórica que va desde el acuerdo (P) del velo (C) con la llanta (A) al acuerdo (T) del velo (C) con el cubo (E), dicho velo presenta, entre el acuerdo del velo (C) con la llanta (A) y el acuerdo del velo (C) con el cubo (E) una primera, una segunda y una tercera curvaturas concatenadas con un doble punto de inflexión,

caracterizada porque

el plano de la cara exterior (1) de la llanta (A) es aproximadamente tangencial a la superficie exterior de la segunda curvatura del velo (C), y

el acuerdo (P) del velo (C) con la llanta (A) y el acuerdo (T) del velo (C) con el cubo (E) se encuentran desplazados del plano (Z) mediano teórico de contacto rueda-raíl.

2. Rueda de ferrocarril según la reivindicación anterior, caracterizada porque el acuerdo (P) del velo (C) con la llanta (A) y el acuerdo (T) del velo (C) con el cubo (E) están al mismo lado exterior del plano mediano teórico (Z) de contacto rueda-carril.

3. Rueda de ferrocarril según la primera reivindicación, caracterizada porque de modo aproximado las superficies exteriores de la primera, segunda y tercera curvatura del velo tienen similar radio de curvatura.

4. Rueda de ferrocarril según la primera reivindicación, caracterizada porque de modo aproximado las superficies internas de la primera, de la segunda y de la tercera curvaturas del velo tienen similar radio de curvatura.

5. Rueda de ferrocarril según la primera reivindicación, caracterizada porque la superficie exterior de la primera curvatura es prolongación con la misma concavidad, centro y radio que la superficie exterior de acuerdo llanta velo, y la superficie exterior de la tercera curvatura es prolongación con la misma concavidad, centro y radio que la superficie exterior de acuerdo velo-cubo.

6. Rueda de ferrocarril según la primera reivindicación, caracterizada porque el acuerdo (T) del velo (C) con el cubo (E) está próximo al plano mediano (Z).