PERFIL DE RUEDA DE FERROCARIL PARA BOGIES DE DOBLE ANCHO UIC E IBÉRICO.

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.

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...

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,

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 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