ES2251452T3 - Rueda de ferrocarril. - Google Patents

Abstract

Rueda de ferrocarril constituida por un sólido de revolución alrededor de un eje -, que está compuesto por una llanta (A), un cubo (B) y un disco (C) que presentan sobre la llanta un plano (Z) medio teórico que pasa por el punto de contacto rueda-raíl y que es perpendicular a este eje -, estando el disco (C) unido a la llanta (A) mediante una superficie interior de unión y una superficie exterior de unión, y estando unido el disco (C) al cubo (E) mediante una superficie interior de unión y una superficie exterior de unión que permite determinar sobre el disco (C) una línea media teórica que va desde la unión (P) del disco (C) con la llanta (A) hasta la unión (T) del disco (C) con el cubo (A), presentando dicho disco, entre la unión del disco (C) con la llanta (A) y la unión del disco (C) con el cubo (E), una primera, una segunda y una tercera curvatura con un doble punto de inflexión, caracterizada porque el plano de la cara (1) exterior de la llanta (A) es aproximadamente tangencial a la superficie externa de la segunda curvatura del disco (C), y encontrándose la unión (P) del disco (C) con la llanta (A) y la unión (T) del disco (C) con el cubo (E) desplazadas del plano (Z) medio teórico de contacto rueda-raíl.

Description

Rueda de ferrocarril.

Durante los últimos años, el problema que representa la acción de los sistemas de frenado para la vía en servicio y las propiedades físicas de las ruedas de ferrocarril ha suscitado un interés cada vez mayor. Actualmente, existen varios sistemas de frenado que se aplican a los vagones y a los vehículos ferroviarios. Ente ellos, deben mencionarse los patines de freno que actúan directamente sobre las superficies de la rueda, como, por ejemplo, la banda de rodadura de la llanta, los sistemas de frenado por fricción sobre un disco con este fin, y los sistemas de frenado eléctrico con acción directa sobre los sistemas de tracción, así como combinaciones de diferentes sistemas. Cada uno de ellos tiene, o puede tener, un efecto diferente sobre la rueda ferroviaria, aunque, en general, la disipación del calor generado por la acción del sistema de frenado a través del volumen de la rueda es, en principio, un fenómeno posible, en cualquier sistema, ya sea por frotación directa de los patines sobre la rueda o por fenómenos de bloqueo o de patinaje de la rueda sobre el raíl. Si bien, en menor medida, la presencia de fenómenos de deslizamiento de la rueda sobre el raíl que se producen durante las etapas de tracción puede tener igualmente efectos térmicos sobre las ruedas ferroviarias.

Entre todos los efectos posibles que pueden tener los sistemas de frenado sobre las propiedades de la rueda, hay que considerar la aparición de desplazamientos irreversibles axiales de toda la llanta o de una parte con respecto a la geometría inicial de sólido rígido (en sentido horizontal y perpendicular al de la marcha del tren), ya sea durante el tiempo en el que, teniendo en cuanta el calor disipado, la rueda se encuentra a temperaturas superiores a la temperatura ambiente, o después, igualmente, del enfriamiento hasta esta última temperatura. Un segundo efecto posible sobre la rueda es la variación del valor de tensiones tangenciales que existen en el volumen de la llanta, debido a los ciclos térmicos de frenado o a los frenados intensos de una duración relativamente corta. Esta evolución del campo de tensiones modifica, evidentemente, el estado de las tensiones tangenciales que existen en el momento de la fabricación de la rueda, cuya optimización contribuye a minimizar el riesgo de averías de las ruedas en servicio (y, en consecuencia, para la seguridad en marcha del tren, que podría suponer un hecho de esta naturaleza.

Se conocen ya unas ruedas que intentan solucionar los problemas mencionados y que permiten obtener una reducción de los desplazamientos irreversibles de la llanta gracias a la modificación de la geometría del disco.

Se conoce una rueda de ferrocarril que tiene un disco modificado por el documento EP 0 798 136, en el que se describe una rueda de ferrocarril con un plano medio perpendicular en el eje XX' de revolución de la rueda, y que presenta un disco con una primera curvatura en la unión entre el disco y la llanta, que se prolonga por una segunda curvatura en la unión entre el disco y el cubo, estando la primera curvatura a la derecha del plano medio y la segunda a la izquierda del plano meridiano, y de forma simétrica.

El solicitante considera que esta geometría no logra superar suficientemente los problemas mencionados y las exigencias de los ferrocarriles modernos.

El documento FR 248 993 A, que forma el estado de la técnica más próximo según el preámbulo de la reivindicación 1, comprende una rueda de disco que tiene poca masa y una gran estabilidad de forma en una dirección axial. La rueda de disco presenta un disco, un cubo y una llanta, en la que el disco está compuesto de tres partes curvas según una función cosinusoidal entre un punto en el que el disco está unido a la llanta y el punto en el que el disco está unido al cubo, en el cual el punto en el que el disco está unido a la llanta y el punto en el que el disco está unido 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 disco que está formado por una parte solidaria en forma de S y colocado 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 alcanza por una rueda de ferrocarril según la reivindicación 1.

El solicitante considera que es esencial dotar a la rueda de una flexibilidad sustancialmente superior y, por ello, desarrolla una rueda que se caracteriza porque el disco presenta, entre la unión del disco con la llanta y la unión del disco con el cubo, una primera, una segunda y una tercera curvatura que se encadenan con un doble punto de inflexión, siendo el plano de la cara exterior de la llanta aproximadamente tangencial a la superficie exterior de la segunda curvatura del disco.

Con esta geometría del disco se alcanzan los objetivos buscados de reducción de las deformaciones, reducción de las tensiones residuales y aumento de la flexibilidad con el fin de absorber las cargas de impacto o vibratorias en el sentido radial.

El hecho de que la línea de carga radial (cargas verticales sobre el punto (Z) esté muy cerca del punto central (T) de la unión disco-cubo, permite que el momento que ejerce la carga vertical (permanente en el tren) sobre la unión disco-cubo sea muy inferior en la rueda de la invención que en la rueda descrita en el documento EP 0 798 136, en caso de igualdad de carga vertical de la concepción. Al ser esta zona de unión disco-cubo la más solicitada durante un servicio normal, la reducción del momento aplicado sobre esta zona (y, consecuentemente, el aumento de las tensiones de tracción debidas a éste momento sobre la superficie de la unión) supone necesariamente un aumento notable de la resistencia a la fatiga mecánica en servicio de la rueda.

El hecho de que el punto más saliente de la cara externa del disco coincida prácticamente con el plano de la cara externa de la llanta asegura el máximo de flexibilidad axial y radial del disco, ya que, si este punto sobrepasara claramente este plano, podría haber problemas de montaje o interferencias con otros elementos mecánicos.

Como efecto secundario, se obtiene una rueda cuya masa es más reducida que la de las ruedas conocidas actualmente, para una misma carga máxima por eje ferroviario.

La posición de los dos puntos (P), (T) de la unión será, preferiblemente, por el mismo lado exterior del plano (Z) medio teórico, con el fin de facilitar la flexibilidad y compensar las flexiones de las masas llanta-cubo, si bien se admiten otras posiciones.

La aparición de desplazamientos irreversibles, en caliente o en frío, de la llanta o de partes de ésta en el sentido lateral o axial, cualquiera que sea el sentido, supone necesariamente una variación de la distancia existente entre las caras de la llanta y las superficies laterales del cubo de la rueda y, por tanto, de la distancia ente las caras internas de las llantas de las ruedas que constituyen un eje ferroviario. Un aumento de esta distancia entre las caras de las llantas de las ruedas provoca un frotamiento excesivo de las pestañas sobre los raíles y su desgaste prematuro. Una disminución de esta distancia, por su parte, incrementa el riesgo de problemas e incluso el descarrilamiento al paso del tren por el nivel de las agujas, aparatos de vía o zonas de mayor distancia entre los raíles. Una manera de evitar este problema es la limitación tradicional de la carga por eje y de la velocidad de servicio, especialmente sobre las líneas en gran pendiente, con el fin de disminuir la disipación del calor generado por la acción de los frenos en servicio normal y durante las paradas de urgencia. Otra alternativa consiste en la introducción de una geometría apropiada del disco, que disminuye la tendencia a la aparición de deformaciones del disco, en caliente o en frío, lo que se traduce posteriormente en desplazamientos irreversibles de la llanta, como es el caso del nuevo concepto de rueda propuesto que, al mismo tiempo, 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 la llanta, descritos en los párrafos anteriores, un segundo objetivo de nuestro concepto de rueda presentado en el presente documento es el limitar los valores de las tensiones tangenciales en la llanta a un nivel de saturación aceptable. En efecto, las ruedas ferroviarias monobloque se fabrican por medio de una serie de procesos que tienden a producir tensiones tangenciales negativas en el volumen de la llanta, que generan un estado de compresión de ésta, que tiende a cerrarla reduciendo su diámetro. Sin embargo, las aplicaciones intensas o repetitivas de los sistemas o ciclos de frenado son la causa de la producción de calor que, como consecuencia del gran aumento de la temperatura de las capas exteriores de la llanta de la rueda, puede dar lugar en ciertas ocasiones a la aparición de fenómenos de transformación estructural del acero que compone las llantas, y puede darse incluso, en los casos más extremos, la aparición de grietas sobre la superficie de rodamiento. En cualquier caso, e incluso si no hay transformaciones intensas, los ciclos térmicos llevan, con el tiempo, a una evolución de tensiones tangenciales de valores más elevados, incluso positivos, que tienden entonces a abrir la llanta. Así, las pequeñas grietas de rodamiento pueden tener un incremento favorecido por un mecanismo de fatiga que puede llegar hasta a provocar roturas o averías importantes en las ruedas de los vehículos ferroviarios, incluso a poner en peligro la seguridad del tren en marcha. Tal como ha sido el caso anteriormente, el limitar a niveles aceptables el valor de las tensiones tangenciales en servicio es un segundo objetivo del nuevo modelo de rueda propuesto. Tanto este objetivo, como el de minimizar el desplazamiento irreversible de la llanta, se alcanzan gracias a una forma de disco de la rueda innovadora.

Para comprender mejor la presente invención, se ha representado sobre los planos una forma preferida de realización práctica, susceptible de cambios accesorios que no alteran el fundamento.

La figura 1 es una vista en sección vertical de una realización práctica de la rueda objeto de la invención.

Se describe a continuación un ejemplo de realización práctica, no limitativo, de la presente invención.

La rueda propuesta es de tipo monobloque (de una sola pieza, más los accesorios) y su forma se corresponde con la de un volumen de revolución alrededor de un eje central \alpha-\alpha (salvo para los detalles posibles no obtenidos por medio de la revolución alrededor de este eje, tales como el o los orificios de inyección de aceite, las marcas de fabricación, los orificios de perforación de fijación de accesorios tales como anillos de insonorización, discos de freno, etc.). En la sección en corte mostrada en la figura 1, se pueden observar las partes esenciales de la rueda, especialmente la llanta (A), la unión llanta-disco (B), el disco o alma (C), la unión disco-cubo (D) y el cubo (E) con el orificio de reglaje (F).

La llanta (A) puede ser del tipo mostrado en la figura o puede estar dotada de refuerzos mecanizados sobre un lado o sobre los dos, para la fijación de anillos de insonorización o de cualquier otro tipo de accesorios. Estos anillos pueden estar fijados por interferencia con el refuerzo mecanizado (reglaje) o mediante otros sistemas tales como orificios, agujeros, etc. practicados tanto en la llanta como en otras zonas de la rueda. La presencia o no de límite de desgaste es opcional y no interviene en la definición del concepto de rueda propuesto. El paso de la llanta (A) al disco (C) se realiza por medio de la unión (B), que consiste esencialmente en el uso de una geometría aproximadamente circular sobre las dos caras, hasta la altura del punto (P) en el que comienza el disco (C). Este punto (P) no está necesariamente situado por debajo del centro de la llanta (punto (Z) de contacto teórico rueda-raíl sobre la banda de rodamiento), sino más bien desplazado hacia la cara exterior (1) de la rueda.

El hecho de que el punto (P) esté desplazado hacia la cara interior de la rueda entra en el objeto de la patente.

El cubo (E) de rueda forma un volumen de revolución macizo alrededor del eje \alpha-\alpha, salvo por el hecho del orificio (F) de reglaje y de los elementos tales como el o los orificios de inyección de aceite, los orificios de perforación roscados o no para la fijación de elementos, etc. El cubo (E) se extiende hasta la unión (D) con el disco, que consiste, de nuevo, en una superficie que tiene una geometría aproximadamente circular sobre los dos lados de la rueda hasta la altura del punto (I) en el que comienza el eje (C).

Por último, el eje (C) consiste en un volumen macizo de revolución alrededor del eje \alpha-\alpha, salvo por el hecho de la posible presencia de orificios de perforación en el mismo, destinados a diversos usos. La geometría de la sección en corte del disco (C) constituye la innovación de base que se aporta a esta invención. Esta sección está recorrida por una línea mediana teórica curva, que va del punto (P) al punto (T), pasando sucesivamente por los puntos (Q), (R) y (S). Esta línea define el lugar de puntos que se sitúan a igual distancia de las dos superficies o caras del disco, sobre toda su longitud. La línea (P) (S) está constituida gracias al ensamblaje sucesivo de tres segmentos curvos, que se unen en dos puntos (Q) y (S) de inflexión.

La definición de los puntos de las superficies exteriores del disco situados "a la altura" de los puntos (P), (R) y (T) debe comprenderse como la de los puntos situados en la intersección con las superficies externas del disco de las líneas paralelas al eje \alpha-\alpha, pasando cada una de ellas por el punto (Q) o (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 a los siguientes.

Ciertas referencias entre los diferentes radios de unión son preferibles, con el fin de obtener el máximo de elasticidad axial y radial del disco, y con ellas, los objetivos finales definidos en los párrafos anteriores. De esta manera, el radio (R_{2}) de unión de la cara externa del disco entre las alturas de los puntos (P) y (Q) es similar al radio (R_{0}) de unión (B) llanta-disco sobre esta cara. Este radio (R_{0}) es también similar al radio (R_{6}) de la cara externa del disco entre las alturas de los puntos (S) y (T), a su vez similar al radio (R_{4}) de curvatura de la unión (D) disco-cubo sobre esta cara exterior. Estos radios (R_{0}), (R_{2}), (R_{6}), (R_{4}) pueden ser, además, iguales a los radios (R_{1}), (R_{3}) de las uniones (B) llanta-cubo y (B) disco-cubo sobre la cara interna de la rueda. Por último, el radio (R_{7}) de unión de la cara interna entre la altura de los puntos (P) y (Q) y el radio (R_{8}) de unión entre la propia cara interna y la altura de los puntos (S) y (T) pueden también ser iguales entre sí. Finalmente, los radios (R_{9}), (R_{5}) de unión de las caras interna y externa del disco 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 apropiada de los radios de curvatura de las caras internas y externas de cada uno de los tres trozos de disco comprendidos entre los puntos (P) y (T), la posición de los centros respectivos de curvatura y la posición del conjunto del disco con respecto a la llanta y al cubo, lo que permite obtener los objetivos propuestos. Especialmente, gracias al uso de una combinación tal que permite:

-

la triple curvatura máxima del disco entre los puntos (P) y (T), de tal modo que la cara externa del disco, a la altura del punto (R) coincida aproximadamente con la cara externa de la llanta, pudiendo sobresalir sobre ésta o permanecer en una posición ligeramente más interna, en función de las necesidades de la concepción particular o de las tolerancias de fabricación;

-

la obtención de transiciones suaves ente los diferentes tramos de las superficies externas del disco y de éstas con las uniones llanta-disco y cubo-disco;

Preferiblemente, y de forma aproximada, las superficies exteriores de la primera, segunda y tercera curvatura del disco tienen un radio de curvatura similar. En general, las relaciones dimensionales entre los radios que se han explicado hasta ahora son una preferencia y un ejemplo, sin que ello suponga que el objeto de la patente no cubra relaciones no similares entre los radios.

Puede decirse que, de forma preferida, el contorno de la superficie externa y de la superficie interna del disco de la figura 1 corresponde a la sucesión de tres segmentos circulares unidos con suavidad. Este hecho no es esencialmente necesario, ya que puede tratarse de tres segmentos en línea curva de mayor orden. Tampoco es esencialmente necesario que los valores de los radios de curvatura de cada uno de los seis segmentos, tres por cada cara, que constituyen el contorno del disco, sean iguales entre sí.

La rueda está fabricada conforme a las normas y especificaciones actualmente existentes, publicadas o carentes de publicación (p. ej. prEN 13262).

Por último, debe mencionarse que la presencia de desviaciones dimensionales debidas a los procesos de fabricación puede variar, de manera más o menos significativa, las dimensiones reales de la rueda con respecto a los criterios dimensionales definidos en los párrafos anteriores.

A modo de aplicación particular del concepto de rueda expuesto anteriormente, se ha desarrollado una rueda con un sistema de frenado por patín sobre la banda de rodamiento, en el que la carga máxima por eje se establece, en principio, en 22,5 toneladas (si bien es posible aplicar cargas superiores), y en condiciones de frenado tales como las que se definen para esta carga, en el proyecto de la norma UIC 510-5.

Se trata de una rueda fabricada en acero al carbono por medio de forja y laminado, con superficies externas completamente mecanizadas. El diámetro de rodamiento de la rueda en su estado inicial (fabricación) es de 920 mm, estando situado el punto (Z) de contacto rueda-raíl a 70 mm de la cara interna de la llanta. El nacimiento del disco tiene lugar en el punto (P), situado a 15 mm con desplazamiento hacia la cara exterior con respecto al punto (Z). Los tres tramos de la cara exterior del disco presentan radios de curvatura de, sucesivamente, 50, 62,09 y 50 mm. Al mismo tiempo, los radios de curvatura de los tres tramos de la superficie interna del disco son iguales a 70, 42,66 y 70 mm. Por último, los radios de unión sobre las dos caras, externa e interna, entre la llanta y el disco, e igualmente entre el disco y el cubo, son de 50 mm. El espesor del disco disminuye poco a poco, yendo de 28 mm en el punto (T) a 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 rodamiento. Los centros de curvatura de las dos caras del trozo intermedio del disco están situados sobre el mismo plano, estando separados 4,57 mm. La cara externa del tramo intermedio, por su parte, coincide en su punto más sobresaliente 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 constituida por un sólido de revolución alrededor de un eje \alpha-\alpha, que está compuesto por una llanta (A), un cubo (B) y un disco (C) que presentan sobre la llanta un plano (Z) medio teórico que pasa por el punto de contacto rueda-raíl y que es perpendicular a este eje \alpha-\alpha, estando el disco (C) unido a la llanta (A) mediante una superficie interior de unión y una superficie exterior de unión, y estando unido el disco (C) al cubo (E) mediante una superficie interior de unión y una superficie exterior de unión que permite determinar sobre el disco (C) una línea media teórica que va desde la unión (P) del disco (C) con la llanta (A) hasta la unión (T) del disco (C) con el cubo (A), presentando dicho disco, entre la unión del disco (C) con la llanta (A) y la unión del disco (C) con el cubo (E), una primera, una segunda y una tercera curvatura con un doble punto de inflexión, caracterizada porque el plano de la cara (1) exterior de la llanta (A) es aproximadamente tangencial a la superficie externa de la segunda curvatura del disco (C), y encontrándose la unión (P) del disco (C) con la llanta (A) y la unión (T) del disco (C) con el cubo (E) desplazadas del plano (Z) medio teórico de contacto rueda-raíl.

2. Rueda de ferrocarril según la reivindicación anterior, caracterizada porque la unión (P) del disco (C) con la llanta (A) y la unión (T) del disco (C) con el cubo (E) se encuentran en el mismo lado exterior del plano (Z) medio teórico de contacto rueda-raíl.

3. Rueda de ferrocarril según la primera reivindicación, caracterizada porque, de manera aproximada, las superficies externas de la primera, de la segunda y de la tercera curvatura del disco tienen un radio de curvatura similar.

4. Rueda de ferrocarril según la primera reivindicación, caracterizada porque, de manera aproximada, las superficies internas de la primera, de la segunda y de la tercera curvatura del disco tienen un radio de curvatura similar.

5. Rueda de ferrocarril según la primera reivindicación, caracterizada porque la superficie externa de la primera curvatura es una prolongación que tiene la misma concavidad, centro y radio que la superficie externa de unión llanta-disco, y porque la superficie externa de la tercera curvatura es una prolongación que tiene la misma concavidad, centro y radio que la superficie externa de unión disco-cubo.

6. Rueda de ferrocarril según la primera reivindicación, caracterizada porque la unión (T) del disco (C) con el cubo (E) está próxima al plano (Z) medio.