Ingo Kaiser, profesor de la Politécnica Nebrija, participó del 18 al 20 de septiembre en el vigésima Congreso Internacional sobre Vehículos Ferroviarios en Dresde (Internationale Schienenfahrzeugtagung Dresden). Su ponencia llevó por título Influencia de la elasticidad estructural del eje montado y del carril y de la geometría del contacto en el comportamiento de marcha y en el contacto rueda-carril – modelización extensa y resultados (Einfluss der Strukturelastizität von Radsatz und Schiene und der Kontaktgeometrie auf das Laufverhalten und auf den Rad-Schiene-Kontakt –erweiterte Modellierung und Ergebnisse”).
Como hizo recientemente en otro encuentro en Praga, Kaiser presentó su investigación más reciente de la interacción dinámica entre un vehículo ferroviario y una vía férrea. Esta dinámica es relevante tanto para el comportamiento dinámico que afecta la seguridad de operación como para el desgaste que tiene una gran influencia en el esfuerzo de mantenimiento necesario y, con ello, en la economicidad del sistema entero “ferrocarril” compuesto del material rodante y de la infraestructura.
La investigación de la dinámica de vehículos ferroviarios es uno de los temas de investigación principales del Grupo Nebrija de Investigación en Ingeniería Aplicada y de Vehículos (GREEN).
La descripción del desgaste requiere una modelización muy detallada y precisa del contacto rueda-carril. La dificultad es que las ecuaciones que describen el contacto requieren una solución iterativa que resulta de un esfuerzo computacional muy alto. Por esta razón, durante mucho tiempo se consideraba la integración de un modelo tan detallado del contacto rueda-carril en un modelo entero del sistema vehículo-vía como prácticamente imposible.
Contacto rodante
En un artículo científico publicado en el año 1993 se estimó que el cálculo de cinco segundos del comportamiento dinámico de un único eje montado ferroviario que usa la teoría exacta del contacto rodante desarrollada por Joost Jacques Kalker requería casi 100 años de computación. Usando un portátil gaming actual Ingo Kaiser pudo realizar el cálculo de cinco segundos del comportamiento de un coche de pasajeros con cuatro ejes montados usando la teoría exacta de Kalker por todos los ocho contactos rueda-carril en dos a tres días.
Con ello, es posible calcular los datos requeridos para el cálculo de desgaste simultáneamente con el comportamiento dinámico, mientras que simulaciones convencionales usan modelos diferentes para calcular el comportamiento dinámico y para determinar el desgaste cuya combinación puede ser problemática y requiere una preparación separada de los datos.
El contacto rueda-carril es muy sensitivo a la cinemática relativa entre la rueda y el carril, es decir cambios pequeños en los movimientos relativos pueden causar cambios distintos de la posición y de la forma del contacto. Estos movimientos dependen no sólo de los movimientos del eje montado entero, sino también de deformaciones estructurales del eje montado y del carril como, por ejemplo, flexión y torsión. Por eso, en el modelo del sistema vehículo-vía que desarrolló Ingo Kaiser se combina el modelo detallado del contacto rueda-carril con modelos que describen tanto los ejes montados como los carriles como cuerpos flexibles.
La imagen Eje montado flexible muestra varios modos de vibración del eje montado, y la imagen Carril flexible muestra varios modos de vibración del carril.
Carril flexible
Eje montado flexible
Además, en las redes diferentes de los países europeos se usan geometrías de vía diferentes que se definen por el perfil del carril, por la inclinación del carril al centro de la vía y por el ancho de vía. Con ello, en países diferentes el contacto tiene formas diferentes y está ubicado en posiciones diferentes de la superficie del carril. También es posible que el mismo vehículo muestra comportamientos dinámicos diferentes cuando está circulando en países diferentes. Las siguientes cuatro imágenes muestran la distribución de la presión del contacto sobre la cabeza del carril, es decir la “huella” del contacto, mientras que el coche está circulando con 200 km/h en una vía bien mantenida con irregularidades pequeñas.
- España (líneas de AVE), Francia, Italia, Bélgica: Perfil del carril 60E1, inclinación del carril 2,862°, ancho de vía 1435 mm. La imagen V200_P3_1R_ES_FR_IT_BE.png muestra que con una velocidad de 200 km/h en una vía bien mantenida el contacto queda situado en una zona muy estrecha donde se concentra el desgaste.
- Polonia: Perfil del carril 60E1, inclinación del carril 1,432°, ancho de vía 1435 mm. La imagen V200_P3_1R_PL.png muestra que en este caso la zona del contacto es más ancha y la presión es más baja. Se reconocen ondas que indican una oscilación lateral del eje montado. Esto es el movimiento de lazo que sirve para la guía automática del eje montado.
- Austria, Suiza: Perfil del carril 60E1, inclinación del carril 1,432°, ancho de vía 1437 mm. La imagen V200_P3_1R_AT_CH.png muestra ondas más distintas en la distribución de la presión. Esto indica que en este caso el movimiento de lazo del eje montado es más pronunciado.
- Alemania: Perfil del carril 60E2, inclinación del carril 1,432°, ancho de vía 1436 mm. La imagen V200_P3_1R_DE.png muestra que las ondas del contacto son más largas y aún más distintas. Esto indica que el movimiento de lazo del eje montado tiene una frecuencia más baja.
Esta comparación muestra que ya pequeñas variaciones de la geometría de vía pueden causar cambios distintos del comportamiento dinámico del vehículo y del desgaste. Este hecho es particularmente importante para vehículos usado en el tráfico internacional. El modelo detallado del sistema vehículo-vía permite una comprensión más profunda del comportamiento del sistema y puede servir como base para optimizaciones que simultáneamente mejoren la economicidad y aseguren la seguridad de operación.
470 participantes
El Congreso de Dresde, que tiene lugar cada dieciocho meses, es uno de los eventos más importantes de la comunidad ferroviaria germanohablante que incluye Alemania, Austria y Suiza. Organizado por DB Systemtechnik, en colaboración con la HTW (Hochschule für Technik und Wirtschaft -“Escuela Superior de Técnica y Economía-) y Eurailpress, integra 4 conferencias plenarias sobre temas generales actuales y 48 presentaciones organizadas en 4 secciones. Este año han participado 470 personas. Entre ellas, ingenieros de empresas fabricantes de vehículos ferroviarios y de sus componentes, ingenieros de empresas operadoras de vehículos y de empresas de infraestructuras, investigadores de instituciones científicas como universidades, y consultores del campo ferroviario.
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Foto de portada: Ingo Kaiser y Thomas Kolbe, presidente de la sesión del Congreso de Dresde y director de ensayos de interacción vehículo-vía de DB Systemtechnik.