ES2395542A2

ES2395542A2 - Perfil de rueda de ferrocaril para bogies de doble ancho uic e ibérico.

Info

Publication number: ES2395542A2
Application number: ES201131045A
Authority: ES
Inventors: Javier SANTAMARÍA MANRIQUE; Jesus HERREROS KILDAL; Ernesto GARCÍA VADILLO
Original assignee: Euskal Herriko Unibertsitatea
Current assignee: Euskal Herriko Unibertsitatea
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2031-06-21
Also published as: ES2395542R1; ES2395542B2

Abstract

Perfil de rueda de ferrocarril para bogies de doble ancho UIC e ibérico.Perfil de rueda de ferrocarril para bogies de doble ancho UIC e ibérico formado por una sucesión de tramos rectos y arcos de circunferencia, con continuidad en la primera derivada en la zona de contacto con el carril, formado por una pestaña, una zona de transición, una banda de rodadura y una zona externa de la rueda. el perfil ha sido optimizado por medio de algoritmos genéticos y presenta un mejor comportamiento del contacto rueda-carril en ambos tipos de vía, tanto en recta como en curva, manteniendo la misma estabilidad dinámica en vías de ancho UIC, y una mejora sustancial de la inscripción en curva en ambos tipos de vías, reduciendo el desgaste.

Description

Perfil de rueda de ferrocaril para bogies de doble ancho UIC e ibérico.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca dentro del ámbito del diseño de elementos mecánicos. En particular, la invención se refiere a un nuevo perfil de rueda de ferrocarril apto para diversos anchos de vía.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El perfil de rodadura de una rueda de ferrocarril es un elemento crítico del diseño de los vehículos ferroviarios, que debe garantizar que éstos tengan un buen comportamiento en curva con un desgaste reducido de ruedas y carriles, un bajo coeficiente de descarrilamiento por remonte de pestaña y una alta velocidad crítica en recta, que asegure evitar inestabilidades dinámicas de los ejes montados durante la marcha. El perfil de rodadura siempre consta de tres zonas: la banda de rodadura, de forma más o menos troncocónica, la transición hacia la pestaña y la propia pestaña. Los perfiles de rodadura de las ruedas han sido muy estudiados en el pasado y actualmente existen una diversidad de perfiles disponibles, cada uno de los cuales resulta más indicado para un tipo de vehículo o para unas condiciones de circulación. En los ferrocarriles de alta velocidad en Europa existen dos aprobados que son: el perfil GV80 y el perfil ORES1002.

La geometría del contacto rueda-carril constituye un elemento clave en la resolución de la dinámica de un vehículo ferroviario. Es bien sabido que la forma con la que se diseña tanto el perfil de la rueda en la zona de rodadura como la cabeza del carril condiciona fuertemente la respuesta del vehículo desde el punto de vista de diversos factores, como son la estabilidad, ausencia de vibraciones, la capacidad de inscripción en curva, el desgaste de ruedas y carriles y la seguridad de rodadura entre otros. Es por ello por lo que surge la necesidad de obtener unos perfiles lo más idóneos en la medida de lo posible para las condiciones de circulación previstas. De este modo se consigue una respuesta dinámica mejorada, aumentando por ejemplo la estabilidad del vehículo, o bien reduciendo el desgaste de los perfiles y las fuerzas transmitidas a la vía en tramos curvos. Tradicionalmente los perfiles de rueda se han obtenido en base a la experiencia e intuición del diseñador, teniendo en cuenta el tipo de carril sobre el que iban a entrar en contacto, así como las características del vehículo y de la vía. No es una tarea sencilla ya que la sensibilidad de la dinámica del vehículo a la geometría de los perfiles es muy alta, y un mismo perfil de rueda puede mostrar un buen comportamiento para un vehículo o vía determinada, y sin embargo ofrecer una mala respuesta cuando se cambia alguna condición de circulación. Algunas solicitudes y patentes concedidas relacionas son las EP0800933A2 y la US7669906B .

Existe además otro factor que hace particularmente complicado el proceso de obtención de un perfil optimizado: el desgaste inevitable que se producirá sobre el propio perfil como consecuencia de la rodadura en los primeros miles de kilómetros de circulación. El desgaste no sólo es perjudicial desde el punto de vista económico (se elimina material y es necesario retornear o sustituir periódicamente las ruedas, por lo que siempre se trata de minimizar ese desgaste en todos los casos); también hace cambiar la forma del perfil inicialmente obtenido. Esto conduce en mayor o menor medida a la pérdida de las características dinámicas del contacto rueda-carril que se han tratado de implantar en la fase de diseño inicial del perfil. Si el desgaste de la rueda se produce rápidamente, el perfil obtenido en la fase de diseño y que ofrecía buenas prestaciones sólo podrá aprovecharse un corto periodo de tiempo, por lo que en realidad no será un buen diseño.

En fechas recientes se ha producido una situación novedosa en España, debido a la coexistencia de dos anchos de vía diferentes, que ha dado lugar a vehículos ferroviarios con bogies de doble ancho circulando en alta velocidad en un tipo de vía, y en velocidad convencional en el otro. Esta misma situación se presenta en otros países en los que coexisten dos anchos de vía o bien forman frontera con países con anchos de vía diferentes: Rusia; Finlandia, Hungría, Rumania, Bulgaria, Letonia, Estonia y Lituania; Brasil; India; Australia; etc. Los vehículos de doble ancho desarrollados están destinados a circular por vías de alta velocidad y por vías de velocidad convencional. La propia estrategia de explotación busca que un mismo vehículo realice trayectos aprovechando un tramo principal de vía de alta velocidad que se combina con otro tramo secundario, o antena, sobre vía convencional con destino a otras capitales de menor población. Tanto el ancho de vía como la forma de las cabezas de los carriles son diferentes en las vías de alta velocidad con respecto a los de las vías de velocidad convencional. En la actualidad estos vehículos utilizan los mismos perfiles de rueda que los de alta velocidad destinados a circular exclusivamente por vías de alta velocidad.

La invención tiene por objeto paliar los problemas técnicos citados en el apartado anterior. Para ello, propone un perfil de rueda diseñado tras un complejo proceso de cálculo, que se comporta de manera óptima tanto en lo tramos de vía de alta velocidad como en los de vía convencional, y tanto desde el punto de vista de desgaste de ruedas y carriles como de seguridad de rodadura y estabilidad dinámica de la marcha.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente:

La figura 1 representa el perfil de rueda según la invención.

La figura 2 muestra la definición geométrica del perfil de rueda inventado, especificando sus dimensiones nominales.

En la figura 3 se representa las curvas de conicidad equivalente del perfil de rueda inventado en función del desplazamiento lateral y (mm) del eje montado, tanto en vía de alta velocidad AVE (en trazo continuo) como en vía de ancho ibérico (en trazo discontinuo).

La figura 4 muestra la distribución de los puntos de contacto entre rueda y carril en vía de alta velocidad AVE a lo largo del perfil de la rueda.

La figura 5 muestra la distribución de los puntos de contacto entre rueda y carril en vía de ancho ibérico a lo largo del perfil de la rueda.

Las figuras 6-9 muestran gráficas comparativas entre un perfil conocido y el de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

El perfil de la presente invención se ha obtenido mediante una metodología de síntesis de perfiles de rueda optimizados para dos condiciones de circulación simultáneas: vía de alta velocidad española con ancho UIC, carril 60E1 (UIC-60) e inclinación de carril 1:20, y vía de ancho ibérico, con carril 54E1 (UIC-54) e inclinación de carril

1:20. El objeto del diseño es la obtención de un perfil de rueda que se comporte de forma idónea en ambas situaciones, teniendo en cuenta entre otros parámetros la estabilidad del vehículo y la reducción del desgaste en tramos curvos.

A diferencia de los métodos tradicionales, la optimización se lleva a cabo minimizando una función objetivo utilizando Algoritmos Genéticos (AG) complementados con métodos tradicionales de optimización. Debido a la alta sensibilidad del problema a la forma de los perfiles de rodadura, los métodos tradicionales de optimización por sí solos no ofrecen buenos resultados, conduciendo frecuentemente a mínimos relativos que pueden estar muy lejos de la solución óptima. La función objetivo escogida es una curva de conicidad ideal, que refleje un buen comportamiento del vehículo tanto en recta como en curva, un desgaste pequeño y una geometría realista del perfil.

Las ventajas técnicas de la presente invención respecto al estado de la técnica son: un mejor comportamiento del contacto rueda-carril en ambos tipos de vía, tanto en recta como en curva, manteniendo la misma estabilidad dinámica en vías de ancho UIC, y una mejora sustancial de la inscripción en curva en ambos tipos de vías, reduciendo el desgaste hasta en un 70% en vías de ancho UIC y hasta en un 85% en vías de ancho ibérico, incrementando de forma notable el coeficiente de seguridad de rodadura, y disminuyendo las presiones en el contacto y por tanto el índice de fatiga superficial.

Debido a los elevados pesos que soporta cada rueda (entre 17 y 20 toneladas por eje, en los trenes relacionados con esta invención), a las muy altas velocidades a las que circulan estos trenes, y por tratarse de contacto de acero con acero, la circulación normal de cualquier ferrocarril conlleva considerables desgastes no sólo del carril sino también del perfil de la rueda, que obligan a retornear periódicamente las ruedas para devolverles su perfil original, a costa de reducir ligeramente su diámetro de rodadura cada vez. Con cada nuevo retorneo de perfiles de rueda se elimina una capa adicional de la zona de rodadura, precisamente la más endurecida. Esto provoca que con los sucesivos retorneos esa rueda cada vez se desgaste de forma más rápida. Una vez que se ha llegado al límite de retorneo esa rueda debe desecharse como chatarra. La presente invención consigue ralentizar este proceso de desgaste, especialmente el que se produce cuando estos vehículos se adentran en vía convencional, llegando a reducir el desgaste en este tipo de vía hasta en un 85%.

Existe otro problema que consiste en el riesgo de descarrilamiento por remonte de pestaña en curva, que se cuantifica por medio del cociente entre la fuerza horizontal que la rueda exterior a la curva ejerce sobre su correspondiente carril, respecto a la fuerza vertical que se transmite en ese mismo contacto rueda-carril. Valores moderadamente altos de ese cociente alertarían de riesgo de descarrilamiento. Otra ventaja de la invención es que, sin perjudicar los demás factores, logra que ese cociente de seguridad de rodadura se reduzca, especialmente en vía convencional, aumentando así la seguridad de circulación.

Una ventaja adicional es la reducción de las presiones máximas en el contacto en ambos tipos de vía, con lo que se limita la fatiga superficial sufrida por el acero que compone la rueda, incrementando de esta forma la vida útil de esta última. Otra ventaja es que la distribución de los puntos de contacto entre rueda y carril resulta además más uniforme. Ello redunda en una mejora sensible en cuanto a la suavidad de la marcha del vehículo y por

consiguiente en el confort de los pasajeros. La invención mantiene en todas las velocidades un buen comportamiento dinámico en recta frente a la inestabilidad dinámica de los ejes montados, tanto en vía de alta velocidad como en vía convencional.

En relación a su geometría, el perfil de la invención está formado por una sucesión de tramos rectos y arcos de circunferencia, con continuidad en la primera derivada en la zona de contacto con el carril. El perfil consta de cuatro zonas bien diferenciadas: la pestaña, la zona de transición, la banda de rodadura y la zona externa de la rueda. La forma de la banda de rodadura y la de la zona de transición constituyen los aspectos más característicos y relevantes del perfil y son los que confieren un comportamiento mejorado a la invención respecto a otros perfiles existentes. Es la zona activa del perfil y el objeto de esta invención.

La figura 1 muestra los diferentes tramos que componen cada una de las cuatro zonas descritas mientras que la figura 2 detalla la definición geométrica de cada uno de los tramos anteriores.

La pestaña se encuentra formada por cuatro tramos circulares designados como A, B, C y D y un tramo recto denominado E. El tramo A es un arco de circunferencia con radio R1 y centro en C1, y está delimitado por sus extremos P1 y P2. El tramo B es un arco de circunferencia con radio R2 y centro en C2, y está delimitado por sus extremos P2 y P3. El tramo C es un arco de circunferencia con radio R3 y centro en C3, y está delimitado por sus extremos P3 y P4. El tramo D es un arco de circunferencia con radio R4 y centro en C4, y está delimitado por sus extremos P4 y P5. El tramo E es una recta que forma un ángulo de 70º con la horizontal en sentido horario, y está delimitado por sus extremos P5 y P6.

La zona de transición está constituida por tres tramos circulares denominados F, G y H. El tramo F es un arco de circunferencia con radio R5 y centro en C5, y está delimitado por sus extremos P6 y P7. El tramo G es un arco de circunferencia con radio R6 y centro en C6, y está delimitado por sus extremos P7 y P8. El tramo H es un arco de circunferencia con radio R7 y centro en C7, y está delimitado por sus extremos P8 y P9.

La banda de rodadura está compuesta por un tramo recto denominado I. Este tramo I es una recta de 2,5% de pendiente, y está delimitado por sus extremos P9 y P10.

La zona externa del perfil la componen dos tramos rectos designados como J y K. El tramo J es una recta de 15% de pendiente, y está delimitado por sus extremos P10 y P11. El tramo K es una recta de 100% de pendiente, y está delimitado por sus extremos P11 y P12.

Los valores nominales de cada uno de los parámetros utilizados en la figura 2 se encuentran recogidos en las tablas 1, 2 y 3. La tabla 1 contiene los valores de los radios de los arcos de circunferencia, la tabla 2 indica los valores adoptados por las coordenadas de los centros de cada arco de circunferencia y la tabla 3 recoge los valores de las coordenadas de los puntos extremos de cada uno de los tramos. El sistema de coordenadas utilizado tiene su origen en el punto X0=0 e Y0=0 situado sobre la circunferencia nominal de rodadura de la rueda.

Existen unos intervalos de valores que puede adoptar cada uno de los parámetros anteriores dentro de los cuales se mantienen las ventajas de la invención. En la tabla 4 se muestran los rangos de valores que pueden adoptar las coordenadas de los puntos extremos de cada tramo para desviaciones del 10% en torno al valor nominal. En la tabla 5 se indican los rangos de tolerancia que pueden adoptar los valores de los radios R5, R6 y R7, cuyos centros C5, C6 y C7 varían en consonancia sus coordenadas para conseguir la continuidad del perfil y la condición de tangencia entre las diferentes curvas.

Tabla 1. Radios de los arcos del perfil:

Radio: R (mm)

R1: 20,5

R2: 12

R3: 12

R4: 20

R5: 12,034

R6: 74

R7: 212

Tabla 2. Coordenadas de los centros de los arcos

Centro: X (mm) Y (mm)

C1: -49,500 9,519

C2: -55,000 16,000

C3: -55,500 16,000

C4: -59,055 8,836

C5: -27,479 15,744

C6: -8,565 74,753

C7: 6,848 211,889

Tabla 3. Coordenadas de los puntos extremos de cada tramo

Punto: X (mm) Y (mm)

P1: -70,000 9,519

P2: -62,763 25,151

P3: -55,250 28,000

P4: -50,166 26,753

P5: -40,261 15,677

P6: -38,787 11,628

P7: -31,152 4,284

P8: -16,830 1,216

P9

1,550

-: 0,044

P10

35,000

-: 0,881

P11: 60,000 -4,631

P12: 65,000 -9,631

Tabla 4. Coordenadas (en mm) de los puntos extremos de cada tramo del perfil con una desviación del 10%

Punto: Xmin Xmax Delta X Ymin Ymax Delta Y

P1: -77,000 -63,000 14,000 8,567 10,471 1,904

P2: -69,039 -56,487 12,553 22,636 27,666 5,030

P3: -60,775 -49,725 11,050 25,200 30,800 5,600

P4: -55,183 -45,149 10,033 24,078 29,428 5,351

P5: -44,287 -36,235 8,052 14,109 17,245 3,135

P6: -42,666 -34,909 7,757 10,465 12,791 2,326

P7: -34,268 -28,037 6,230 3,856 4,713 0,857

P8: -18,513 -15,147 3,366 1,094 1,337 0,243

P9: 1,395 1,705 0,310 -0,049 -0,040 0,009

P10: 31,500 38,500 7,000 -0,969 -0,793 0,176

P11: 54,000 66,000 12,000 -5,094 -4,168 0,926

P12: 58,500 71,500 13,000 -10,594 -8,668 1,926

Tabla 5. Rango de valores de los radios de los arcos principales del perfil de la invención

Radio: Rmin (mm) Rmax (mm) Delta R (mm)

R5: 10 14 4

R6: 63 85 22

R7: 180 244 64

El perfil mostrado presenta un mejor comportamiento dinámico en cuanto a suavidad de marcha. En la figura 3 se representan las curvas de conicidad equivalente del perfil de rueda inventado, obtenidas mediante un modelo de contacto rígido, tanto en vía de alta velocidad AVE con ancho UIC y carril 60E1 (en trazo continuo) como en vía convencional con ancho ibérico y carril 54E1 (en trazo discontinuo). En ambos casos se mantiene la estabilidad en recta debido al tramo de pendiente constante de 2,5% que constituye la banda de rodadura. No obstante, se mejora apreciablemente la inscripción en curva en relación con los perfiles actualmente empleados, debido a la sucesión de los tres arcos de circunferencia con curvaturas progresivamente crecientes y con radios de 212 mm, 74 mm y 12,034 mm respectivamente. En vía AVE, el incremento de conicidad se realiza de forma escalonada en tres fases: el primer escalón se produce a partir de un desplazamiento de 5,2 mm del eje desde su posición centrada respecto de la vía, el segundo escalón aparece con un desplazamiento del eje de 6 mm y el tercer salto ocurre a partir de 6,8 mm de desplazamiento del eje. Por su parte, cuando el vehículo ferroviario circula por vía de ancho ibérico la variación de la conicidad presenta asimismo tres escalones: el primero a 4 mm de desplazamiento del eje, el segundo a 5,4 mm y el tercero a 6,2 mm. Existe un desajuste entre las curvas de conicidad de cada tipo de vía debido a que el juego entre carril y pestaña se reduce en el caso de ancho ibérico en comparación con el existente en vía AVE.

La mejora en cuanto a la distribución de los puntos de contacto entre la rueda inventada y carril es considerable respecto a la situación de los perfiles actuales. La figura 4 muestra la distribución de los puntos de contacto entre rueda y carril en vía de alta velocidad AVE a lo largo del perfil de la rueda. Para el análisis del contacto, se ha aplicado un modelo de contacto elástico que aborda de forma más adecuada las situaciones de doble punto de contacto que el modelo de contacto rígido. La correcta resolución de las situaciones de doble punto de contacto, que como es sabido ejercen una gran influencia en el comportamiento dinámico del vehículo, redunda en una simulación más ajustada a la realidad. Según se aprecia, se produce una distribución muy homogénea de los puntos de contacto a lo largo del perfil de rueda, lo que repercutirá en una mayor suavidad de marcha, mayor confort y un menor desgaste de la rueda con la consiguiente conservación de la forma inicial del perfil durante un tiempo de vida más prolongado. Este aspecto es muy relevante en el sentido de que, a medida que se producen desgastes en un perfil de rueda, éste ve modificada su forma de diseño inicial, y esta variación de forma del perfil puede llegar a provocar unas respuestas dinámicas del vehículo diferentes a las esperadas originalmente.

La figura 5 representa la distribución de los puntos de contacto entre rueda y carril en vía de ancho ibérico a lo largo del perfil de la rueda, pudiendo aplicarse las mismas consideraciones que las efectuadas para el caso de vía AVE.

En las figuras 6 y 7 se muestran, para cada tipo de vía, las gráficas comparativas respecto a la tasa de desgaste calculada en la rueda exterior del primer bogie (la más representativa) obtenida en condiciones cuasiestáticas al paso por curvas diferentes radios. La tasa de desgaste (en Newtons) se obtiene como el producto escalar de la fuerza des pseudo-deslizamiento por el valor del pseudo-deslizamiento en el contacto. Las gráficas comparan la tasa de desgaste obtenida con el perfil original (el empleado habitualmente en este tipo de vías, denominado GV-80) y el de la invención según los valores de la tabla 3. Se ha considerado en todos los casos una

5 aceleración no compensada máxima de 1 m/s2. Es especialmente destacable la fuerte reducción de desgaste obtenida para el ancho UIC, entre un 60% y un 70% e incluso, para el caso de ancho ibérico, entre un 75% y un 85% con respecto a la GV-80. Como consecuencia de este menor desgaste se derivan unos beneficios económicos muy apreciables, al reducirse el coste de mantenimiento tanto de la rueda como de la cabeza del carril.

En las figuras 8 y 9 se puede apreciar una comparación de las presiones máximas de contacto (en

10 Pascales) que aparecen en la rueda GV-80 y en la rueda según la invención para curvas con diferentes radios, tanto en ancho UIC como en ancho ibérico. Se observa que se consigue una notable reducción de los valores de las presiones máximas en los puntos de contacto Q1 y Q2 situados respectivamente sobre la banda de rodadura y sobre la pestaña.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Perfil de rueda de ferrocarril para bogies de doble ancho UIC e ibérico formado por una sucesión de tramos rectos y arcos de circunferencia, con continuidad en la primera derivada en la zona de contacto con el carril, formado por una pestaña, una zona de transición, una banda de rodadura y una zona externa de la rueda,

5 caracterizado porque la zona de transición está constituida por tres tramos circulares denominados F, G y H, siendo el tramo F un arco de circunferencia con radio R5 y centro en C5, delimitado por P6 y P7, G un arco de circunferencia con radio R6 y centro en C6, delimitado por P7 y P8, H un arco de circunferencia con radio R7 y centro en C7, delimitado por sus extremos P8 y P9, estando la banda de rodadura compuesta por una recta I de 2,5% de pendiente, delimitada por sus extremos P9 y P10 y donde los valores de Pn y Cn toman los siguientes

10 valores ± un 10% según un sistema de coordenadas que tiene su origen en el punto X0 Y0 en situado sobre la circunferencia nominal de rodadura de la rueda:

Punto

X (mm) Y (mm)

P6

-38,787 11,628

P7

-31,152 4,284

P8

-16,830 1,216

P9

1,550 -0,044

P10

35,000 -0,881

C5

-27,479 15,744

C6

-8,565 74,753

C7

6,848 211,889

y donde los radios R5, R6 y R7 toman valores en los siguientes rangos:

Radio

Rmin (mm) Rmax (mm) Delta R (mm)

R5

10 14 4

R6

63 85 22

R7

180 244 64