ES2329037T3 - Rueda ferroviaria estable. - Google Patents
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Abstract
Rueda ferroviaria estable con un plano medio (P1), que discurre verticalmente respecto al eje de rotación (Z) de la rueda, compuesta de un cubo (5), de la llanta (1) formada por la superficie de rodadura (2) y la pestaña (3) y de la placa de rueda (4), cuyo perfil transversal se encuentra a lo largo de la línea central teórica, que discurre entre el primer punto A, que se encuentra en la zona de la transición (6) de la placa de rueda (4), los puntos centrales (B, C), que se encuentran en la parte contraria del plano central (P1) que la pestaña (3), y el último punto (D), situado en la zona del inicio de la transición (7) de la placa de rueda al cubo (5), caracterizada por que la línea central de la placa de rueda (4) consta en la zona de su máxima desviación axial de un segmento rectilíneo (BC), que discurre en el plano (P2), que es vertical respecto al eje de rotación (Z), y que, al igual que con el primer punto (A) de la línea central de la placa de rueda (4), también está conectado con su punto final (D), bien mediante dos curvaturas o bien mediante una combinación de curvaturas y segmentos rectilíneos.
Description
Rueda ferroviaria estable.
La solución se refiere a la construcción de una
rueda ferroviaria que, estando en servicio, se somete a esfuerzo al
frenar mediante el calor generado por el freno de zapatas y mediante
las fuerzas de la rueda, con cuya combinación se generan altos
valores de tensión en la construcción de la rueda y deformaciones
de la llanta.
Las ruedas ferroviarias constan de tres partes
principales: el cubo, la llanta y la placa de rueda, que efectúa la
transición entre el cubo y su llanta. Se conocen ruedas cuya placa
presenta una forma recta, pero generalmente se emplean ruedas
equilibradas con distintas placas combadas y conformadas, influyendo
la forma de la placa de rueda en la resistencia contra la carga
mecánica y térmica.
La construcción estándar más extendida hasta
ahora en el servicio ferroviario es la rueda equipada con un perfil
tangencial de la placa, la denominada rueda UIC-ORE.
Esta rueda es resistente a las altas temperaturas en la llanta,
pero su desventaja es que, una vez se enfría, se crea una alta
tensión en la llanta y aparecen deformaciones plásticas a causa de
la baja elasticidad, la cual limita el uso en solicitaciones más
elevadas del eje que, en ese caso, no son suficientes sobre todo
para ruedas para camiones ferroviarios.
Por ello, últimamente se dedica una singular
atención al desarrollo de nuevas formas de la placa de rueda por
todos los fabricantes de ruedas ferroviarias y se habla de ruedas
optimizadas. Se trata de encontrar aquellas formas, dimensiones y
posiciones de la placa de rueda que reduzcan el desplazamiento
axial, es decir, la deformación de la llanta y el nivel de tensión
sobre todo a su vez en la llanta y esto tanto en estado caliente
como en estado frío, una vez enfriado durante el servicio. Con ello,
aumenta, como consecuencia de la estabilidad dimensional de la
distancia entre ruedas del eje y de la baja tensión en la
construcción, la seguridad y fiabilidad de las ruedas en servicio,
y estas características no propician una formación y extensión de
grietas que lleven a roturas catastróficas en cargas de
servicio.
Se conoce, por ejemplo, la solución de la
denominada rueda acampanada conforme a la patente DE 3117572, en la
que la línea central de la placa de rueda, es decir, su eje, forma
una curva regular determinada con una función coseno, cuya
aproximación se consigue a menudo mediante tres curvaturas de radio
congruentes en la práctica. La ventaja de esta rueda es la baja
masa y, tras el frenado, una baja tensión residual en la llanta una
vez enfriada. Sin embargo, en cargas por eje más elevadas se produce
en una construcción de este tipo de la rueda, debido a la
solicitación mecánica, una elevada tensión efectiva y radial en la
placa de rueda, y para conseguir la resistencia a la carga
intermitente necesaria, esta construcción debe tener una placa de
rueda reforzada, pero con ello pierde la ventaja de la baja masa y,
además, empeora el nivel de las tensiones tangenciales residuales
en la llanta, a la vez que aumenta el desplazamiento axial de la
llanta respecto a su cubo, lo que produce una deformación del
cubo.
Se describe una solución análoga en cuanto a
forma en la solicitud de patente EP 1 225 065 A1 o en la patente CZ
292 087. La desventaja de estas soluciones es que las formas en
ellas detalladas no pueden seguir optimizándose hasta el punto de
que, además de un ahorro de la masa de rueda digna de mención, se
puedan lograr simultáneamente mejoras en algunos parámetros de la
rueda como, especialmente, la reducción de las tensiones efectivas,
la tensión tangencial en la llanta, el desplazamiento axial de la
llanta calentada en servicio o tras el frenado y también la
reducción de las tensiones efectivas y radiales en otras partes de
la rueda fuera de la zona de la llanta.
Las desventajas mencionadas se eliminan en gran
medida con la rueda ferroviaria estable cuyo plano medio se
extiende verticalmente respecto al eje de rotación de la rueda y que
consta de un cubo, de una llanta formada por la superficie de
rodadura y la pestaña, y de la placa de rueda, cuyo perfil
transversal discurre a lo largo de la línea central teórica, que
transcurre entre el primer punto situado en la zona del inicio de
la transición de la placa de rueda a la llanta, los puntos centrales
situados en la parte contraria de la línea central respecto a la
llanta y el último punto situado en la zona del comienzo de la
transición de la placa de rueda al cubo, y cuya esencia reside en
que la línea central de la placa de rueda forma en el lugar de su
máxima desviación axial un segmento recto que está situado en un
plano vertical respecto al eje de rotación de la rueda y que, al
igual que con el primer punto de la línea central de la placa de
rueda, de esta manera está también conectado con su último punto,
bien con dos curvaturas o con una combinación de curvaturas y
segmentos de línea rectos.
Es ventajosa una ejecución de la rueda
ferroviaria en la que el primer punto y el último punto de la línea
central de la placa de rueda están situados en un plano central, si
bien pueden estar cada uno en un lado distinto del plano central o
ambos en el mismo lado de éste.
Es ventajosa una ejecución de la rueda
ferroviaria en la que el primer punto y el último punto de la línea
central de la rueda están situados en el plano central y el opuesto
de estos puntos está situado en cualquier lado del plano
central.
También es ventajoso que la desviación axial, es
decir, la distancia entre el plano con los puntos centrales de la
línea central de la placa de rueda y el plano central, multiplique
como máximo por 0,35 el ancho de la llanta.
La curvatura de una parte de la línea central de
la placa de rueda, entre el segmento rectilíneo de la zona de la
máxima curvatura axial de la placa de rueda y los puntos de la zona
de los inicios de las transiciones de la placa de rueda a la llanta
y al cubo, forma curvas de tercer grado o arcos circulares.
Cuando el segmento rectilíneo de la zona de la
máxima curvatura axial de la línea central de la placa de rueda, al
igual que con el primer punto, también está conectado con el último
punto de la línea central de la placa de rueda mediante dos
curvaturas, se recomienda como adecuado componer el segmento que va
del primer punto de la línea central de la placa de rueda, situado
en la zona del inicio de la transición de la placa de rueda a la
llanta, al primer punto central de la línea central como una
curvatura de un primer radio exterior de la curvatura y de otra
curvatura más a modo de un primer radio interior de la curvatura,
siendo en este segmento el radio interior mayor que el radio
exterior y estando formado el segmento desde el último punto de la
línea central de la placa de rueda, situado en la zona del inicio de
la transición de la placa de rueda al cubo, hasta el segundo punto
central de la línea central por una curvatura con el segundo radio
exterior de la curvatura y por una curvatura con el segundo radio
interior de la curvatura, siendo el radio interior en este segmento
mayor que el radio exterior. Para conseguir los mejores resultados
de una supresión de las deformaciones, se recomienda, además,
componer la línea central de la placa de rueda con dos pares de
partes de curva de tercer grado, constituidos por dimensiones
congruentes, o con arcos circulares. Ambos radios interiores de la
curvatura deben tener el mismo tamaño y los dos radios exteriores de
la curvatura también, si bien en cada uno de los dos segmentos de
la línea central de la placa de rueda el tamaño del radio interior
multiplica por entre 1,5 y 3,5 el tamaño del radio exterior del
segmento dado.
La línea central discurre en este caso a través
de la llanta a la zona del denominado circuito de contacto, donde
teóricamente entran en contacto la superficie de rodadura y el
centro de la cabeza del carril.
Se recomienda una construcción de rueda en la
que la distancia del primer punto de la línea central de la placa
de rueda al eje de rotación de la rueda se mueva en un rango entre
0,7 y 0,90 veces el radio exterior de la rueda ferroviaria y en la
que la distancia del último punto de la línea central de la placa de
rueda al eje de rotación de la rueda se mueva en un rango entre 0,3
y 0,45 veces el radio exterior de la rueda.
También es ventajosa una ejecución de la rueda
ferroviaria en la que la línea central de la placa de rueda entre
el segmento rectilíneo situado en la zona de la máxima desviación
axial y los puntos situados en la zona de los comienzos de
transición de la placa de rueda a la llanta y al cubo esté formada
por una combinación de arcos circulares o curvas de tercer grado y
segmentos rectilíneos. Los segmentos rectilíneos comienzan en el
primer y último punto de la línea central de la placa de rueda y
están conectados mediante una curvatura al segmento central recto
de la línea central de la placa de rueda.
También es ventajosa otra ejecución de la rueda
ferroviaria en la que el grosor de la placa de rueda es constante a
lo largo de la línea central de la placa de rueda desde el primer
punto de la línea central hasta la zona de la máxima desviación
axial, y también es constante en el segmento recto en su parte
central y, en dirección al último punto de la línea central,
aumenta uniformemente o, dado el caso, conforme a una curva de
segundo o tercer grado.
La ventaja de esta rueda ferroviaria es su
reducida masa, presentando buenas propiedades en estado calentado,
lo que significa valores bajos de las tensiones efectivas y radiales
y de las tensiones tangenciales en la llanta, y también valores
bajos de desviación axial de la llanta. También es ventajoso que
esta construcción en estado enfriado, manteniendo los parámetros
del resto de soluciones ya conocidas y descritas, presenta
tensiones efectivas y radiales más bajas.
Esta construcción de rueda es especialmente apta
para camiones ferroviarios, pero también se puede emplear
ventajosamente en todos los vehículos ferroviarios con ruedas
sometidas a esfuerzo mediante el calor y fuerzas, incluidos los
automotores y locomotoras.
La rueda puede fabricarse de todas las calidades
de acero empleadas en el ferrocarril conforme a las normas técnicas
conocidas, por laminado, forjado, dado el caso por fundición. Al
frenar con el freno de zapatas, la rueda puede absorber
repetidamente periodos de frenado con una potencia de 55 kW y una
duración de 45 minutos, sin consecuencias negativas como una
deformación de llanta y aumento de los esfuerzos de tracción
tangenciales en la llanta al enfriarse la llanta tras el
calentamiento producido por el frenado o como consecuencia del
servicio. No se producen cambios en la distancia entre ruedas del
eje montado y, por tanto, aumenta la seguridad del tráfico al pasar
por agujas de cambio y cruces, y disminuye la posibilidad de que los
vagones descarrilen.
En las figuras 1 y 2 están representadas en
sección transversal algunas de las posibles ejecuciones, siempre de
una mitad de la rueda ferroviaria.
Ejemplo
1
La rueda ferroviaria según la fig. 1 presenta un
radio exterior (R1) y consta de una llanta (1) con la superficie de
rodadura (2) y la pestaña (3), de la placa de rueda (4) y del cubo
(5), de la transición (6) de la placa de rueda (4) a la llanta (1)
y de la transición (7) de la placa de rueda (4) al cubo (5). La
llanta está limitada por un borde exterior (8) y un borde interior
(9) y tiene una anchura (H1). En la línea central de la placa de
rueda se encuentran el punto (A) en la zona del inicio de la
transición (6) de la placa de rueda (4) a la llanta (1), los puntos
centrales (BC) en la zona de la máxima desviación axial y el último
punto (D) en la zona del inicio de la transición (7) de la placa de
rueda (4) al cubo (5). El primer punto (A) de la línea central de la
placa de rueda (4) está situado en el plano (P3), el cual discurre
en vertical respecto al eje de rotación (Z) de la rueda, y está
desplazado respecto al plano central (P1) hacia el borde exterior
(8) de la llanta (1) en una distancia (H4), y el último punto (D)
de la línea central de la placa de rueda está situado en el plano
central (P1), que discurre en vertical respecto al eje de rotación
(Z) de la rueda y presenta una distancia (H3) respecto al borde
interior (9) de la rueda. En la zona de su máxima desviación axial,
la línea central de la placa de rueda (4) forma el segmento
rectilíneo central (BC), que es un segmento largo (L) recto situado
en el plano (P2) que discurre verticalmente respecto al eje de
rotación (Z) de la rueda y que está desplazado del plano central
(P1) en dirección al borde exterior (8) de la llanta (1) en una
distancia (H2), que equivale a la multiplicación máxima por 0,35 del
ancho (H1) de la llanta (1). Una parte de la línea central de la
placa de rueda (4), entre el punto (A) situado en la zona de la
transición (6) de la placa de rueda (4) a la llanta (1) y el punto
central (B), consta de un segmento rectilíneo (AF) y un arco
circular (FB) con el radio (R5). Una parte de la línea central de la
placa de rueda (4), entre el último punto (D) situado en la zona de
la transición (7) de la placa de rueda (4) al cubo (5) y el punto
central (C), consta de un segmento rectilíneo (DE) y de un arco
circular (EC) con el radio (R6). El primer punto (A) de la línea
central de la placa de rueda (4) está situado en el radio (R2), que
multiplica por 0,8 el radio exterior (R1) de la rueda, y el último
punto (D) de la línea central de la placa de rueda (4) está situado
en el radio (R3), el cual multiplica por 0,4 el radio exterior (R1)
de la rueda. La placa de rueda (4) tiene en el segmento (DB) un
grosor constante de (T2), que disminuye uniformemente desde el
punto (B), pasando por el punto (F), hasta el primer punto (A),
donde la placa de rueda tiene un grosor de (T1).
Ejemplo
2
La rueda ferroviaria según la fig. 2 presenta un
radio exterior (R1) y consta de una llanta (1) con la superficie de
rodadura (2) y la pestaña (3), de la placa de rueda (4) y del cubo
(5), de la transición (6) de la placa de rueda (4) a la llanta (1)
y de la transición (7) de la placa de rueda (4) al cubo (5). La
llanta está limitada por un borde exterior (8) y un borde interior
(9), y su anchura es (H1). En la línea central de la placa de rueda
se encuentran el punto (A) en la zona de la transición (6) de la
placa de rueda (4) a la llanta (1), los puntos centrales (BC) se
encuentran en la zona de la máxima desviación axial y el último
punto (D) en la zona de inicio de la transición (7) de la placa de
rueda (4) al cubo (5). Por la llanta (1) atraviesa el plano central
(P1), que discurre en vertical respecto al eje de rotación (Z) de
la rueda y que presenta una distancia (H3) respecto al borde
interior (9) de la llanta (1). El primer punto (A) de la línea
central de la placa de rueda (4) está situado en el plano (P3), el
cual discurre en vertical respecto al eje de rotación (Z) de la
rueda y está desplazado respecto al plano central (P1) hacia el
borde exterior (8) de la llanta (1) en una distancia (H4), y el
último punto (D) de la línea central de la placa de rueda está
situado en el plano (P4), que discurre verticalmente respecto al eje
de rotación (Z) de la rueda y que está desplazado respecto al plano
(P1) en dirección al borde interior (9) de la llanta (1) en una
distancia (H5). En la zona de su máxima desviación axial, la línea
central de la placa de rueda (4) forma el segmento rectilíneo
central (BC), que es un segmento largo (L) recto situado en el plano
(P2), que discurre verticalmente respecto al eje de rotación (Z) de
la rueda y que está desplazado del plano central (P1) en dirección
al borde exterior (8) de la llanta (1) en una distancia (H2), que
equivale a la multiplicación máxima por 0,35 del ancho (H1) de la
llanta (1). Una parte de la línea central de la placa de rueda (4),
entre el punto (A) situado en la zona de la transición (6) de la
placa de rueda (4) a la llanta (1) y el punto central (B), consta de
un arco circular con un primer radio exterior (R4) y un arco
circular con el primer radio interior (R5). Una parte de la línea
central de la placa de rueda (4), entre el último punto (D) situado
en la zona de la transición (7) de la placa de rueda (4) al cubo
(5) y el punto central (C), consta de un arco circular con un
segundo radio exterior (R7) y un arco circular con un segundo radio
interior (R6). Los radios interiores (R5) y (R6) tienen el mismo
tamaño y son mayores que los radios exteriores congruentes (R4) y
(R7). El primer punto (A) de la línea central de la placa de rueda
(4) está situado en el radio (R2), que multiplica por 0,8 el radio
exterior (R1) de la rueda, y el último punto (D) de la línea central
de la placa de rueda (4) está situado en el radio (R3), que
multiplica por 0,4 el radio exterior (R1) de la rueda. La placa de
rueda tiene en la zona del primer punto (A) al punto central (C) un
grosor constante y éste aumenta uniformemente del punto (C) al
punto (D) hasta alcanzar un grosor de (T2) en el punto (D).
Una rueda ferroviaria estable, con tensiones y
deformaciones minimizadas, se puede emplear en todas las ruedas de
vehículos ferroviarios frenadas en la superficie de rodadura con
zapatas de freno o sometidas a solicitación térmica de otro modo,
pero sobre todo se puede utilizar en camiones ferroviarios,
automotores y locomotoras. Con respecto a una buena elasticidad
radial con suficiente resistencia a la carga intermitente en la
zona crítica de la rueda, en la transición de la placa de rueda al
cubo, también se puede emplear esta construcción de rueda para
vagones ferroviarios en los que no se utiliza un freno de zapatas,
sino discos de freno independientes como, por ejemplo, en los
frenos de coches de viajeros.
\vskip1.000000\baselineskip
- \bullet DE 3117572 [0005]
- \bullet CZ 292087 [0006]
\bullet EP 1225065 A1 [0006]
Claims (6)
1. Rueda ferroviaria estable con un plano medio
(P1), que discurre verticalmente respecto al eje de rotación (Z) de
la rueda, compuesta de un cubo (5), de la llanta (1) formada por la
superficie de rodadura (2) y la pestaña (3) y de la placa de rueda
(4), cuyo perfil transversal se encuentra a lo largo de la línea
central teórica, que discurre entre el primer punto A, que se
encuentra en la zona de la transición (6) de la placa de rueda (4),
los puntos centrales (B, C), que se encuentran en la parte contraria
del plano central (P1) que la pestaña (3), y el último punto (D),
situado en la zona del inicio de la transición (7) de la placa de
rueda al cubo (5), caracterizada por que la línea central de
la placa de rueda (4) consta en la zona de su máxima desviación
axial de un segmento rectilíneo (BC), que discurre en el plano (P2),
que es vertical respecto al eje de rotación (Z), y que, al igual
que con el primer punto (A) de la línea central de la placa de
rueda (4), también está conectado con su punto final (D), bien
mediante dos curvaturas o bien mediante una combinación de
curvaturas y segmentos rectilíneos.
2. Rueda ferroviaria según la reivindicación 1,
caracterizada por que el primer punto (A) y el último punto
(D) de la línea central de la placa de rueda (4) se encuentran en
el plano central (P1).
3. Rueda ferroviaria según la reivindicación 1,
caracterizada por que el primer punto (A) y el último punto
(D) de la línea central de la placa de rueda (4) se encuentran cada
uno en un lado distinto del plano central (P1).
4. Rueda ferroviaria según la reivindicación 1,
caracterizada por que el primer punto (A) y el último punto
(D) de la línea central de la placa de rueda (4) se encuentran en
el mismo lado del plano central (P1).
5. Rueda ferroviaria según la reivindicación 1,
caracterizada por que el primer punto (A) y el último punto
(D) de la línea central de la placa de rueda (4) se encuentran en
el plano central (P1) y el opuesto de estos puntos se encuentra en
cualquier lado del plano central (P1).
6. Rueda ferroviaria según las reivindicaciones
de la 1 a la 5, caracterizada por que la distancia (H2) entre
el plano central (P1) y el plano (P2) multiplica como máximo por
0,35 el ancho (H1) de la llanta (1).
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