La importancia de la medición estática de la distribución de la fuerza vertical en rueda para fines de mantenimiento
Para cualquier tipo de vehículo, una correcta distribución de la carga ejercida por sus puntos de apoyo en el suelo es uno de los requisitos fundamentales para un óptimo comportamiento estático y dinámico.
En el caso de un vehículo ferroviario, una distribución uniforme de la carga es esencial para la seguridad y la calidad de funcionamiento.
Consideremos el siguiente esquema de bogie:
Los principales factores que influyen en la distribución de la carga son esencialmente tres:
- Rigidez de la suspensión primaria en cada rueda;
- Coplanaridad de los puntos de apoyo en la vía;
- Excentricidad de la carga.
La condición ideal para un bogie es:
- muelles de suspensión primaria en perfecto estado y con las mismas rigideces ;
- perfecta coplanaridad de los 4 puntos de apoyo en la vía;
- carga en el centro de gravedad geométrico (sin excentricidad).
Si el factor individual se aleja de la condición ideal, influye en la distribución de carga. En particular, si hay una alteración de los resortes de la suspensión primaria para tener diferentes rigideces, se logra una distribución diferente de la carga por cada rueda, de modo que siempre hay un desequilibrio de la carga en las dos diagonales del carro. Indicamos con Fi las fuerzas ejercida por cada rueda y tendremos (F1 + F4) ≠ (F2 + F3).
Un efecto similar, es decir, el desequilibrio de las diagonales, también se produce en el caso de no coplanaridad de los puntos de apoyo, debido, por ejemplo, a vía alabeada o a una deformación del bastidor del bogie.
Otra circunstancia que puede determinar la no coplanaridad de los puntos de apoyo se da en presencia de un desgaste no uniforme de las cuatro ruedas. Durante la medición de la distribución de la carga por rueda, esta última circunstancia es, en algunos casos, más difícil de verificar que la vía alabeada o giro del bogie, también debido a problemas de accesibilidad a las ruedas.
A diferencia de los otros dos casos, la presencia de carga excéntrica no afecta la diferencia entre las dos diagonales si se verifican las otras dos condiciones ideales, asegurando (F1 + F4) = (F2 + F3). Por otro lado, una carga que no está perfectamente centrada en el centro de gravedad geométrico implica diferentes cargas verticales:
F1 ≠ F2 ≠ F3 ≠ F4
Para entender más fácilmente el comportamiento de un bogie ferroviario, se creó un modelo analítico con el fin de interactuar, cambiar parámetros y verificar cómo estas variaciones afectan las cargas de las ruedas.
A continuación puede encontrar un enlace para acceder a una plataforma llamada Bogie Playground:
BogiePlayground (powerve-156508.web.app)
¿Por qué es importante distribuir correctamente la carga?
Para los vehículos de ruedas y en particular para los vehículos sobre raíles, la distribución de la carga afecta principalmente a dos fenómenos:
Fase de aceleración/frenado
Seguridad al caminar en los carriles izquierdos
Con respecto al primer fenómeno, es decir, la fase de frenado, si aplico un par de frenado a un eje ferroviario, el sistema de fuerzas que actúan sobre la rueda única se puede representar de la siguiente manera:
donde:
Peff = carga por rueda;
Q = fuerza radial ejercida por el freno ;
f ’ = coeficiente de fricción;
fad = coeficiente de adherencia rueda-carril;
En la superficie de contacto surge una fuerza de fricción entre el freno y la rueda, con dirección opuesta :
Fa = Q*f ’
Esta fuerza de rozamiento genera un par de sentido opuesto al del movimiento y de magnitud igual al producto Fa*r por el radio r de la rueda.
Para permanecer en un régimen de macroadherencia, la fuerza de adherencia de una rueda a la interfaz rueda-riel debe permanecer mayor o al menos idéntica a la fuerza ejercida por el freno, es decir
Fa ≤ fad * Peff
Por lo tanto, una distribución desigual de la carga, que se traduce en una variación de Peff por rueda, puede provocar un deslizamiento de una de las dos ruedas, actuando con la misma fuerza de frenado en todo el eje. Esta circunstancia daría lugar a un efecto de guiñada del carro no deseado.
Hemos visto brevemente cómo una distribución desigual de la carga de las ruedas afectaría a la fase de frenado de un vehículo ferroviario. Lo mismo puede decirse de la fase de aceleración.
Veamos ahora cómo un desequilibrio de las fuerzas verticales afecta la seguridad de marcha en vías alabeadas.
Por lo general, la seguridad de marcha está garantizada cuando las fuerzas de interacción rueda-riel se mantienen dentro de ciertos límites que evitan el descarrilamiento del vehículo o la deformación permanente de la vía.
En concreto, un vehículo ferroviario se encuentra en una situación de riesgo cuando la pestaña de la rueda entra en contacto con el carril. En este caso hay que considerar la relación Y/Q entre la fuerza transversal que ejerce la rueda sobre el raíl (Y) y la fuerza vertical de la rueda (Q).
De hecho, debido a la fuerza Y y al coeficiente de fricción en el punto de contacto, la rueda en el punto de contacto tiende a cambiar el eje alrededor del cual gira. El nuevo eje será ortogonal a la superficie de contacto y se encontrará con el punto de contacto entre la pestaña y el riel. En esta nueva condición, la pestaña tiende a levantarse pero es la carga Q la que se opone. Por lo que cualquier causa que pueda suponer una disminución de la carga vertical por rueda puede provocar un aumento de la relación Y/Q y por tanto un aumento del riesgo de descarrilamiento.
Uno de los defectos de vía más significativos que pueden representar un peligro para la seguridad es el giro.
La definición de giro (g definida en milésimas) es la variación a lo largo del eje del carril de la pendiente vertical y se expresa como la relación entre esta diferencia vertical h y una distancia de referencia longitudinal d (normalmente la distancia entre ejes o el centro del bogie):
g (‰) = h/d
El giro representa la causa más común de descarrilamiento ya que, en general, su presencia altera la distribución de carga de las ruedas, induciendo un desequilibrio de carga. Una vez superado un determinado valor crítico, la rueda del vehículo tiende primero a descargar una parta, luego a elevarse, provocando el solapamiento de la pestaña en la parte superior del carril, finalmente el descarrilamiento del material rodante.
Una distribución correcta, y por tanto equilibrada, de las fuerzas verticales por rueda de un vehículo hace que sea más capaz de adaptarse a las irregularidades de la vía.