Modelo de los efectos de la no linealidad de los amortiguadores transversales en los bogies ferroviarios

摘要

Uno de los aspectos más relevantes en la dinámica ferroviaria es la estabilidad de los bogies del tren. En los vehículos ferroviarios la inestabilidad dinámica se caracteriza por el hecho de que por encima de una velocidad de circulación, denominada velocidad crítica, cualquier oscilación producida en la marcha del vehículo tiende a amplificarse, provocando a nivel de rodadura que las pestañas de las ruedas choquen violentamente con las caras interiores de los carriles, disminuyendo la seguridad de marcha y el confort, y aumentando el deterioro de la geometría de la vía y el desgaste de la rueda, lo que conlleva un elevado coste económico.. udEn este proyecto por tanto se plantean las ecuaciones de la dinámica del bogie para estudiar los efectos de la no linealidad que aparece en los amortiguadores transversales. Se han realizado múltiples estudios, pero considerando linealidad en la amortiguación, dando como resultado un sobredimensionamiento de los esfuerzos que aparecen en el bogie. Además, se caracterizan matemáticamente la no linealidad del contacto rueda – carril y de los amortiguadores anti – lazo, llegando a incorporar el primero en uno de los modelos. udPartiendo del modelo más sencillo de bogie rígido, con ecuaciones y solución bien conocidas, se va añadiendo suspensión y amortiguación en diferentes modelos por separado, para conocer bien los efectos de cada uno sobre la dinámica del bogie. udAñadiendo amortiguación lineal al modelo sencillo, se obtiene un sistema inestable para cualquier velocidad de circulación. Incorporando la no linealidad de los amortiguadores transversales, se obtiene una amplitud de oscilación 45% inferior, tendiendo a alcanzar un ciclo limite, aunque al final termina siendo inestable el sistema. Por ello es necesario siempre la incorporación de suspensión en el sistema. udIncorporando suspensión se consigue estabilizar el sistema. La velocidad crítica considerando los amortiguadores transversales lineales es de 238,5 km/h. Suponiendo no linealidad en los mismos se reduce la velocidad crítica a 222,8 km/h tras modificar las condiciones iniciales a unas más realistas y de inferior valor. Al añadir suspensión, el hecho de considerar la no linealidad del amortiguador empeora la dinámica del bogie, cuando en el modelo sin amortiguación ocurría lo contrario. La amplitud de las oscilaciones alcanzada es ligeramente superior. Además, el modelo pasa de funcionar en la parte estable a dejar de funcionar porque se sale de rango alguna de las variables, no siendo posible la simulación completa de la zona inestable. udSi se añade una forzante senoidal en el modelo, para cualquier valor de frecuencia de dicha forzante, el sistema, que era estable en ausencia de excitación externa, se convierte en un sistema inestable. Se observa una variación no lineal de la amplitud de las oscilaciones con la frecuencia. Además, el amortiguador alcanza valores de velocidad donde produce ganancias, lo cual, a pesar de no tener sentido físico a priori, sucede en realidad. Asimismo, se obtiene la frecuencia de resonancia del modelo: 4.1 rad/s. La resonancia será el otro factor determinante para determinar la inestabilidad del modelo ya que su presencia provoca un adelantamiento de la inestabilidad. La amplitud de las oscilaciones crece conforme se aproxima la frecuencia de la forzante a la de resonancia, fenómeno que resulta muy perjudicial para el desgaste de las ruedas por violentos choques de las pestañas de rueda contra el carril. udDeberá por tanto reforzarse la amortiguación para obtener un sistema estable a pesar de haber condiciones climatológicas extremas, corrigiendo así la inestabilidad del modelo. Este estudio indica claramente que el viento incidente es una de las principales causas del aumento del número de choques de pestaña de rueda contra carril, poniendo en juego la seguridad y el confort de la marcha, además de las consecuencias económicas que se derivan de este fenómeno. udEn todos los modelos, el movimiento de giro del bogie (momento de guiñada) es mucho menor que el movimiento transversal, a pesar de la existencia del movimiento de lazo. Por ello se llega a la conclusión que el parámetro más influyente en la estabilidad lateral del bogie es el de la rigidez de los muelles transversales además de los parámetros de amortiguación. Incrementando diez veces esta rigidez se produce una disminución de la amplitud del movimiento transversal del 60%, dando lugar a un ahorro importante a nivel de desgaste de rueda, en torno al 8%. udPor último, se incorpora la no linealidad del contacto rueda – carril, mediante dos aproximaciones diferentes: una polinómica y otra exponencial. Se obtiene un modelo válido en un rango muy acotado de velocidades por lo que se concluye que deberá revisarse más dicha aproximación recogiendo más información acerca del mismo. No obstante, se observa que la aproximación exponencial funciona mucho mejor que la polinómica, siendo ésta primera una aproximación más realista. udMejorando la dinámica del bogie, se reducirán los desgastes de rueda y carril, con el consecuente ahorro económico en el mantenimiento de la infraestructura y del propio material rodante. udCon este trabajo se contribuye además a la disminución del ruido, dando lugar a una contribución con el medioambiente y provocando un mayor confort y seguridad de marcha de cara al viajero, parámetros muy valorados por las distintas compañías operadoras ferroviarias como pueda ser Renfe Operadora.