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ETSII, UPM
ESTUDIO DE COMPATIBILIDAD DE MONTAJE DE VÍA CON RUEDA DE MATERIAL
FERROVIARIO DE TRÁFICO MIXTO
Trabajo fin de grado 23/01/2017
Autor: Gerardo Jaqueti Moreno Tutor: Juan de Dios Sanz Bobi
Álvaro Hernández Calvo
Agradecimientos
A mi familia, apoyo en los malos momentos y alegría en los buenos. Sin ellos esta
aventura no habría sido posible.
Resumen
Este trabajo fin de grado consiste en el estudio del contacto rueda-carril en vía
ferroviaria, construidos ambos perfiles en acero para ferrocarriles, mediante el desarrollo de
un software utilizando MatLab como lenguaje de programación. El fin último de este
programa es la conclusión de la intercambiabillidad o no de distintas parejas de perfiles
rueda-carril mediante la obtención, gracias al software desarrollado, de la distribución de
presiones, tensiones en la tracción y de deslizamientos, así como los valores aproximados
de tensiones de tracción y lateral de la rueda sobre el carril.
El estudio del contacto rueda-carril ha tenido un amplio estudio, en los cuales se han
aplicado las diferente teorías existentes para el contacto entre sólidos, con el objetivo de
comprender el comportamiento de la rueda al rodar sobre el carril. La bibliografía que trata
esta problemática es extensa y permite hacernos una idea de la importancia que tiene este
estudio en el campo ferroviario, ya que la posibilidad de reducir en la vía ferroviaria tanto el
desgaste de la rueda como del carril posibilita ahorrar importantes cantidades tanto en forma
de mantenimiento como de sustitución de los mismos.
El desarrollo tanto de algoritmos como de softwares ha sido también extenso en el
mundo de la simulación aplicada a la ciencia ferroviaria. Entonces, ¿Por qué se desarrolla
uno nuevo algoritmo que, posiblemente, debido a las restricciones de presupuesto y tiempo,
tenga una exactitud menor que aquellos ya existentes? El fin es principalmente económico.
Es decir, en el ámbito docente universitario, no es factible el gasto de un presupuesto que
suele rondar los 30,000 € en programas de una gran especificidad. Se opta, por tanto, por el
desarrollo de un algoritmo basado en un software cuya licencia ya ha sido obtenida, MatLab,
que nos permita obtener unos resultados que, si bien no son tan exactos ni de una calidad
tan alta como los softwares específicos antes mencionados, tienen una aproximación
bastante decente con respecto a la realidad.
Sin embargo, aunque el desarrollo de programación es el que ha presentado una mayor
complejidad y una dedicación más extensa, la parte verdaderamente importante de este
trabajo fin de grado son las conclusiones obtenidas respecto a la intercambiabilidad de
distintas parejas de rueda-carril. Tomando como perfiles tanto los dos perfiles de carril
(UIC54 y UIC60) como los tres tipos de ruedas (ORE S1002, EPS y 1:40) más utilizados, se
simula la rodadura del material rodante con este montaje. Además se introducen dos
variables más: la inclinación de traviesa (1:10, 1:20 y 1:40) y la zona de rodadura de rueda
sobre carril.
Las partes en las que se ha dividido este trabajo han sido ordenadas de forma que se
comprenda, en primer lugar, el estado del arte del problema, para conocer su localización
dentro del amplio mundo ferroviario. En segundo lugar se expone una base teórica
resumida, de forma que las teorías, definiciones y conocimientos, necesarios para
comprender como se sustenta el estudio, sean más sencillas de comprender o al menos no
se necesite una base previa para ello. La tercera parte expone de forma resumida como se
desarrolla el software creado y utilizado, aunque no se incluye el código, a efectos de no
aumentar innecesariamente la extensión del trabajo. La cuarte parte expone los resultados
de la salida del programa y las conclusiones a las que se llegan tras el análisis de las
mismas, incluyendo dos tablas resumen de la compatibilidad. Finalmente, se incluye un plan
de presupuesto y de organización temporal.
Por último resaltar una posible ampliación de este trabajo para aquellas investigaciones
que sigan el mismo camino sobre el estudio de la intercambiabilidad. Es posible contruir con
el software utilizado nuevos perfiles de rueda y carril de forma que se pueden obtener las
características del contacto, aunque la clasificación de compatibilidad para el intercambio
debe realizarse según el criterio de la persona que esté ante los resultados y no se ha
automatizado.
Palabras clave: contacto rueda-carril, zona de rodadura, intercambiabilidad.
Índice
Índice de figuras .................................................................................................................................................
Índice de tablas ..................................................................................................................................................
Capítulo 1. Estado del Arte .................................................................................................................................
1. Introducción ............................................................................................................................................... 1
2. Objetivos .................................................................................................................................................... 2
3. Metodología ............................................................................................................................................... 2
Capítulo 2. Base teórica, estudio del contacto rueda-carril, contraste teórico y normativa aplicada al estudio
del contacto rueda-carril ....................................................................................................................................
1. Base teórica................................................................................................................................................ 3
1.1. Introducción ...................................................................................................................................... 3
1.2. Instalaciones ferroviarias, carril y rueda ........................................................................................... 3
1.3. Teoría del contacto rueda-carril ...................................................................................................... 10
2. Estudio del contacto rueda-carril. contraste teórico y comparación con otros estudios publicados ...... 21
3. Normativa aplicada en el estudio del contacto rueda-carril .................................................................... 31
3.1. Perfiles de carril ............................................................................................................................... 31
3.2. Perfiles de rueda ............................................................................................................................. 33
3.3. Inclinación de carril ......................................................................................................................... 36
3.4. Zona de rodadura ............................................................................................................................ 36
Capítulo 3. Software ...........................................................................................................................................
1. Introducción ............................................................................................................................................. 39
2. Funciones del programa .......................................................................................................................... 39
2.1. Datos_entrada ................................................................................................................................. 39
2.2. Contacto_rueda_carril .................................................................................................................... 40
2.3. Funciones carril y rueda .................................................................................................................. 40
2.4. Función post-contact....................................................................................................................... 40
2.5. Generación de archivos de texto .................................................................................................... 40
Capítulo 4. Resultados, conclusiones y gráficos de fuerzas y presiones ..............................................................
1. Resultados ................................................................................................................................................ 41
1.1. UIC 60 .............................................................................................................................................. 42
1.2. UIC 54 .............................................................................................................................................. 69
2. Conclusiones de las distribuciones de deslizamiento, presión normal y tensiones tangenciales ........... 96
2.1. Introducción .................................................................................................................................... 96
2.2. Carril UIC 60 .................................................................................................................................... 96
2.3. Carril UIC 54 .................................................................................................................................... 98
3. Gráficos de fuerzas y presiones. conclusiones en cuanto a valores de los mismos. .............................. 101
3.1. Gráficos de fuerzas y presiones ..................................................................................................... 101
3.2. Conclusiones en cuanto a valores de las tensiones ...................................................................... 107
3.3. Validación y verificación ................................................................................................................ 113
Capítulo 5. Planificación temporal y presupuesto ..............................................................................................
1. Planificación y presupuesto del proyecto .............................................................................................. 113
2. Estructura de descomposición de la empresa ....................................................................................... 114
3. Diagrama temporal. GANT ..................................................................................................................... 115
Bibliografía ................................................................................................................................................... 117
Referencias .................................................................................................................................................. 119
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Infraestructura de vía ................................................................................................................................ 3
Figura 2 Perfil de rail tipo Vignole ........................................................................................................................... 4
Figura 3 Coeficiente de rozamiento en carriles teórico .......................................................................................... 6
Figura 4 Relación entre tracción, deslizamiento (creep) y coeficiente de rozamiento ........................................... 7
Figura 5 Dispositivo de arenado .............................................................................................................................. 7
Figura 6 Esquema del montaje de rueda en vía ...................................................................................................... 8
Figura 7 Composición de aceros ferroviarios para rueda y carril ............................................................................ 9
Figura 8 Montaje de rueda elástica......................................................................................................................... 9
Figura 9 Perfil de rueda ......................................................................................................................................... 10
Figura 10 Contacto rueda-carril en función del desplazamiento lateral ............................................................... 11
Figura 11 Contacto entre dos sólidos para: a) Cuerpo no cargado; b) Cuerpo cargado ....................................... 12
Figura 12 Representación de teoría de hertz ........................................................................................................ 13
Figura 13 Montaje de rueda sobre carril............................................................................................................... 14
Figura 14 Gráfica complementaria para teoría de Carter ..................................................................................... 16
Figura 15 Modelización del contacto rueda-carril para teoría de Marter ............................................................ 18
Figura 16 Representación de fuerzas y momentosen el sistema rueda sobre carril ............................................ 20
Figura 17 Simulación del contacto rueda-carril según el estudio de Xin-Zhao& Zili Li ......................................... 21
Figura 18 Resultados en cuanto a deslizamientos en el estudio de Xin-Zhao& Zili Li (i) ....................................... 22
Figura 19 Resultados en cuanto a deslizamientos en el estudio de Xin-Zhao& Zili Li (ii) ...................................... 22
Figura 20 Resultados en cuanto a deslizamientos en el estudio de Xin-Zhao& Zili Li (ii) ...................................... 23
Figura 21 Mallado en el estudio de Sladkowski & Sitarz ....................................................................................... 23
Figura 22 Resultado del estudio de Sladkowski & Sitarz en cuanto a la presión normal (i).................................. 23
Figura 23 Resultado del estudio de Sladkowski & Sitarz en cuanto a la presión normal (ii) ................................. 24
Figura 24 Desplazamiento y=0mm perfil 1:40. Estudio Ortega, Lester ................................................................. 24
Figura 25 Desplazamiento y=0mm perfil s1002. Estudio Ortega Lester ............................................................... 25
Figura 26 Desplazamiento y=0mm perfil eps. Estudio Ortega, Lester .................................................................. 25
Figura 27 Desplazamiento y=-5mm perfil 1:40. Estudio Ortega, Lester ............................................................... 25
Figura 28 Desplazamiento y=-5mm perfil eps. Estudio Ortega, Lester ................................................................. 26
Figura 29 Desplazamiento y=-5mm perfil s1002. Estudio Ortega, Lester ............................................................. 26
Figura 30 Desplazamiento y=10mm perfil 1:40. Estudio Ortega, Lester ............................................................... 26
Figura 31 Desplazamiento y=10mm perfil eps. Estudio Ortega, Lester ................................................................ 27
Figura 32 Desplazamiento y=10mm perfil s1002. Estudio Ortega, Lester ............................................................ 27
Figura 33 Montaje para el estudio mediante ultrasonidos ................................................................................... 28
Figura 34 Algoritmo de cálculo de tensiones mediante ultrasonidos ................................................................... 28
Figura 35 Perfil nuevo y gastado de rueda y carril ................................................................................................ 29
Figura 36 Huella de distribución de presiones normalespara perfil gastado y nuevo en el contacto rueda-carril29
Figura 37 Distribución de presiones normales para perfil nuevo ......................................................................... 29
Figura 38 Distribución de presiones normales para perfil gastado....................................................................... 30
Figura 39 Distribución de deslizamientos en el contacto rueda-carril para perfil nuevo ..................................... 30
Figura 40 Distribución de deslizamientos en el contacto rueda-carril para perfil gastado ................................... 30
Figura 41 Perfil de carril UIC 54 ............................................................................................................................. 31
Figura 42 Perfil de carril UIC 60 ............................................................................................................................. 32
Figura 43 Perfil ORE S1002 .................................................................................................................................... 33
Figura 44 Perfil ORE 1:40....................................................................................................................................... 34
Figura 45 Perfil ORE EPS ........................................................................................................................................ 35
Figura 46 Zonas posibles de rodadura carril-rueda ............................................................................................... 37
Figura 47 Zonas de posible rodadura .................................................................................................................... 41
Figura 48 UIC 60-ORE 1002. Inclinación 1:40. Deslizamientos ............................................................................. 42
Figura 49 UIC 60 - ORE 1002. Inclinación 1:40. Presión normal ............................................................................ 43
Figura 50 UIC 60 - ORE 1002. Inclinación 1:40. Tracción tangencial ..................................................................... 44
Figura 51 UIC 60 - ORE 1002. Inclinación 1:20. Deslizamientos ............................................................................ 45
Figura 52 UIC 60 - ORE 1002. Inclinación 1:20. Presión normal ........................................................................... 46
Figura 53 UIC 60 - ORE 1002. Inclinación 1:20. Tracción tangencial ..................................................................... 47
Figura 54 UIC 60 - ORE 1002. Inclinación 1:10. Deslizamientos ............................................................................ 48
Figura 55 UIC 60 - ORE 1002. Inclinación 1:10. Presión normal ............................................................................ 49
Figura 56 UIC 60 - ORE 1002. Inclinación 1:10. Tracción tangencial ..................................................................... 50
Figura 57 UIC 60 - ORE 1:40. Inclinación 1:40. Deslizamientos ............................................................................ 51
Figura 58 UIC 60 - ORE 1:40. Inclinación 1:40. Presión normal ............................................................................ 52
Figura 59 UIC 60 - ORE 1:40. Inclinación 1:40. Tracción tangencial ..................................................................... 53
Figura 60 UIC 60 - ORE 1:40. Inclinación 1:20. Deslizamientos ............................................................................ 54
Figura 61 UIC 60 - ORE 1:40. Inclinación 1:20. Presión normal ............................................................................ 55
Figura 62 UIC 60 - ORE 1:40. Inclinación 1:20. Tracción tangencial ..................................................................... 56
Figura 63 UIC 60 - ORE 1:40. Inclinación 1:10. Deslizamientos ............................................................................ 57
Figura 64 UIC 60 - ORE 1:40. Inclinación 1:10. Presión normal ............................................................................ 58
Figura 65 UIC 60 - ORE 1:40. Inclinación 1:10. Tracción tangencial ..................................................................... 59
Figura 66 UIC 60 - ORE EPS. Inclinación 1:40. Deslizamientos ............................................................................. 60
Figura 67 UIC 60 - ORE EPS. Inclinación 1:40. Presión normal ............................................................................. 61
Figura 68 UIC 60 - ORE EPS. Inclinación 1:40. Tracción tangencial ...................................................................... 62
Figura 69 UIC 60 - ORE EPS. Inclinación 1:20. Deslizamientos ............................................................................. 63
Figura 70 UIC 60 - ORE EPS. Inclinación 1:20. Presión normal ............................................................................. 64
Figura 71 UIC 60 - ORE EPS. Inclinación 1:20. Tracción tangencial ...................................................................... 65
Figura 72 UIC 60 - ORE EPS. Inclinación 1:10. Deslizamientos ............................................................................. 66
Figura 73 UIC 60 - ORE EPS. Inclinación 1:10. Presión normal ............................................................................. 67
Figura 74 UIC 60 - ORE EPS. Inclinación 1:10. Tracción tangencial ...................................................................... 68
Figura 75 UIC 54 - ORE s1002. Inclinación 1:40. Deslizamientos ......................................................................... 69
Figura 76 UIC 54 - ORE s1002. Inclinación 1:40. Presión normal ......................................................................... 70
Figura 77 UIC 54 - ORE s1002. Inclinación 1:40. Tracción tangecial ..................................................................... 71
Figura 78 UIC 54 - ORE s1002. Inclinación 1:20. Deslizamientos ......................................................................... 72
Figura 79 UIC 54 - ORE s1002. Inclinación 1:20. Presión normal ......................................................................... 73
Figura 80 UIC 54 - ORE s1002. Inclin ación 1:20. Tracción tangencial .................................................................. 74
Figura 81 UIC 54 - ORE s1002. Inclinación 1:10. Deslizamientos ......................................................................... 75
Figura 82 UIC 54 - ORE s1002. Inclinación 1:10. Presión normal ......................................................................... 76
Figura 83 UIC 54 - ORE s1002. Inclinación 1:10. Tracción tangencial ................................................................... 77
Figura 84 UIC 54 - ORE 1:40. Inclinación 1:40. Deslizamientos ............................................................................ 78
Figura 85 UIC 54 - ORE 1:40. Inclinación 1:40. Presión normal ............................................................................ 79
Figura 86 UIC 54 - ORE 1:40. Inclinación 1:40. Tracción tangencial ..................................................................... 80
Figura 87 UIC 54 - ORE 1:40. Inclinación 1:20. Deslizamientos ............................................................................ 81
Figura 88 UIC 54 - ORE 1:40. Inclinación 1:20. Presión normal ............................................................................ 82
Figura 89 UIC 54 - ORE 1:40. Inclinación 1:20. Tracción tangencial ..................................................................... 83
Figura 90 UIC 54 - ORE 1:40. Inclianción 1:10. Deslizamientos ............................................................................ 84
Figura 91 UIC 54 - ORE 1:40. Inclinación 1:10. Presión normal ............................................................................ 85
Figura 92 UIC 54 - ORE 1:40. Inclinación 1:10. Tracción tangencial ..................................................................... 86
Figura 93 UIC 54 - ORE EPS. Inclinación 1:40. Deslizamientos ............................................................................. 87
Figura 94 UIC 54 - ORE EPS. Inclinación 1:40. Presión normal ............................................................................. 88
Figura 95 UIC 54 - ORE EPS. Inclinación 1:40. Tracción tangencial ...................................................................... 89
Figura 96 UIC 54 - ORE EPS. Incianción 1:20. Deslizamientos .............................................................................. 90
Figura 97 UIC 54 - ORE EPS. Inclinación 1:20. Presión tangencial ........................................................................ 91
Figura 98 UIC 54 - ORE EPS. Inclinación 1:20. Tracción tangencial ...................................................................... 92
Figura 99 UIC 54 - ORE EPS. Inclinación 1:10. Deslizamientos ............................................................................. 93
Figura 100 UIC 54 - ORE EPS. Inclinación 1:10. Presión normal ........................................................................... 94
Figura 101 UIC 54 - ORE EPS. Inclinación 1:10. Tracción tangencial .................................................................... 95
Figura 102 Tensión de tracción en uic 60 en zona a ........................................................................................... 101
Figura 103 Tensión de tracción en UIC 60 en zona B .......................................................................................... 101
Figura 104 Tensión de tracción en UIC 60 en zona D .......................................................................................... 101
Figura 105 Tensión tangencial lateral en UIC 60 en zona A ................................................................................ 102
Figura 106 Tensión tangencial lateral en UIC 60 en zona B ................................................................................ 102
Figura 107 Tensión tangencial lateral en UIC 60 en zona D ................................................................................ 102
Figura 108 Presión normal UIC 60 en zona A ...................................................................................................... 103
Figura 109 Presión normal UIC 60 en zona B ...................................................................................................... 103
Figura 110 Presión normal UIC 60 en zona D ...................................................................................................... 103
Figura 111 Tensión de tracción en UIC 54 en zona A .......................................................................................... 104
Figura 112 Tensión de tracción en UIC 54 en zona B .......................................................................................... 104
Figura 113 Tensión de tracción en UIC 54 en zona D .......................................................................................... 104
Figura 114 Tensión lateral en UIC 54 en zona A .................................................................................................. 105
Figura 115 Tensión lateral en UIC 54 en zona B .................................................................................................. 105
Figura 116 Tensión lateral en UIC 54 en zona D ................................................................................................. 105
Figura 117 Presión normal UIC 54 en zona A ...................................................................................................... 106
Figura 118 Presión normal UIC 54 en zona B ...................................................................................................... 106
Figura 119 Presión normal UIC 54 en zona D ...................................................................................................... 106
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Parámetros de Carter ............................................................................................................................... 19
Tabla 2 Material rodante en el estudio ................................................................................................................. 22
Tabla 3 Tensiones en el Estudio de Ortega, Lester ............................................................................................... 27
Tabla 4 Propiedades carril UIC 54 ......................................................................................................................... 31
Tabla 5 Propiedades de carril UIC 60 .................................................................................................................... 32
Tabla 6 Propiedades ORE S1002 ........................................................................................................................... 33
Tabla 7 Propiedades ORE 1:40 .............................................................................................................................. 34
Tabla 8 Propiedades ORE EPS ............................................................................................................................... 35
Tabla 9 Compatibilidad de cada perfil de rueda para carril UIC 60..................................................................... 111
Tabla 10 Compatibilidad de cada perfil de rueda para carril UIC 54 ................................................................... 112
CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
1
Gerardo Jaqueti Moreno
1. INTRODUCCIÓN
En este trabajo fin de grado se aborda la compatibilidad de montaje de parejas rueda-
carril de material ferroviario, es decir de aceros de contrucción, en vías de trafico mixto, en el
que se permite paso tanto de material rodante de transporte de mercancías como de
viajeros.
Se puede dividir esta tarea en dos bloques principales,de los cuales el primero consiste
en un trabajo de programación basado en lenguaje MatLab, mientras que el segundo se
basa en unas conclusiones para las que se toman los resultados obtenidos en el primer
bloque, apoyándose éstas en teorías de contacto (Hertz, Carter y Kalker) y en los resultados
obtenidos en otros estudios referentes a este mismo campo de investigación.
Incidiendo en el software utilizado, necesario para obtener los resultados de
comportamiento rueda-carril, es imperativo recalcar el empleo del software, de uso libre y
exento de coste adicional, CONTACT Software, desarrollado por la empresa Kalker
Software. Este, como más tarde se especificará, permitirá la obtención de la huella en el
contacto entre rueda y carril. A su vez, es necesario destacar la base principal de este
trabajo, aportada por la Escuela Técnica de Ingeniería de la Universidad del País Vasco,
cuya programación del software se realizó en lenguaje Scilab.
Resaltar también el carácter docente de este estudio, es decir, la exactitud de los
resultados obtenidos siempre se toman desde el conocimiento de que se está trabajando
con simplificaciones, por otra parte necesarias, y con un algoritmo seguramente de calidad
inferior a aquellos en que se basan softwares específicos para el campo en que se
desarrolla este trabajo. Sin embargo, como se refiere en los apartados correspondientes a
verificación, tiene una corrección, al menos a efectos cualitativos, suficiente para predecir el
comportamiento del contacto de distintas parejas rueda-carril en diversas situaciones de
rodadura.
Así pues, resumiendo, se ha desarrollado un algoritmo en MatLab que permite la
generación de los puntos de contacto entre rueda-carril. Utilizando un software externo,
CONTACT, que utiliza estos puntos y las características del material rodante como entrada
para poder obtener la huella resultante del contacto, se genera un documento en formato .txt
que, a su vez, sirve de nuevo como entrada al algoritmo de Matlab. Esta información permite
calcular las fuerzas de contacto y una serie de gráficos en los que se representan los
deslizamientos, las fuerzas de tracción y la presión normal. Posteriormente, a manera de
conclusión, se compararán los resultados obtenidos y se irán estableciendo las conclusiones
referentes al uso, más o menos adecuado, de uno u otro perfil de rueda según el perfil de
carril y la inclinación de traviesa en ese tramo.
Como se explica en el capítulo referente al uso del software, no se contempla la
velocidad como variable de entrada por limitación del software utilizado, aunque en el
estudio se refiere una velocidad de circulación de 180 km/h.
Capítulo 1. Estado del Arte
2
ETSII (UPM)
2. OBJETIVOS
El objetivo principal de este trabajo es el estudio y la justificación de la
intercambiabilidad, o no, de distintas parejas de perfiles rueda-carril.
Se emparejarán los perfiles de carril UIC 60 y UIC 54 con los perfiles de rueda ORE
1002, ORE 1:40 y EPS. Para simular las condiciones de rodadura que pueden darse durante
el recorrido sobre vía del ferrocarril, se irá variando la inclinación de traviesas a valores de
1:10, 1:20 y 1:40 respectivamente, así como la zona de contacto de la rueda sobre el carril,
variando los desplazamientos laterales, siendo estos de 0, 50 y -20 mm.
Las conclusiones del estudio se fundamentarán en las tensiones de tracción,
deslizamientos y presiones normales obtenidas, cualitativamente, y en las tensiones
laterales y normales, cuantitativamente.
Por último, incidir en la aplicación del proyecto a efectos meramente académicos para el
estudio cualitativo del contacto rueda-carril. Este y no otro ha sido el objetivo final de este
trabajo, ya que lo que se intenta es proveer de una herramienta de estudio con un bajo
coste de adquisición y sencillo uso, que facilite la comprensión del comportamiento
mecánico y tribológico del contacto rueda-carril.
3. METODOLOGÍA
Como se ha indicado en los dos apartados anteriores, el trabajo se ha desarrollado
mediante software MatLab, adquirido por la UPM y sin coste para los alumnos, y una interfaz
desarrollada por Kalker Software, de uso libre.
CAPÍTULO 2. BASE TEÓRICA, ESTUDIO DEL CONTACTO
RUEDA-CARRIL, CONTRASTE TEÓRICO Y NORMATIVA
APLICADA AL ESTUDIO DEL CONTACTO RUEDA-CARRIL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
3 Gerardo Jaqueti Moreno
1. BASE TEÓRICA
1.1. INTRODUCCIÓN
En los siguientes apartados que siguen se van a presentar, de la manera más clara y
directa posible, el conjunto de elementos de la infraestructura que afectarán tanto al
comportamiento del carril como al de la rueda. También se enumeran y explican el conjunto
de teorías aplicadas en el estudio del contacto entre dos superficies.
Una vez establecidos los principios de las teorías de contacto (teoría de contacto de
Hertz, teoría de Carter, teoría de Kalker, teoría de Johnson y Vermuelen,…), en el siguiente
apartado se introducen una serie de estudios de simulación por elementos finitos, F.E.A, así
como de estudio por ultrasonidos de la huella de contacto rueda-carril. La información
referente a dichos estudios se ha obtenido de la bibliografía, cuya referencia se muestra en
las primeras páginas de este trabajo. Estos estudios además permiten que se tenga una
idea aproximada del detalle con el que se puede aproximar a la realidad el resultado
obtenido, utilizando herramientas, en principio, más precisas.
1.2. INSTALACIONES FERROVIARIAS, CARRIL Y RUEDA
Como es conocido, los raíles de una instalación ferroviaria funcionan como una guía
para el tren, de forma que este se mueve gracias al movimiento de rodadura de la rueda
sobre el carril, abaratando el coste de transporte y facilitando el mismo. A su vez, se hacen
necesarios otros muchos elementos, como traviesas, sujeciones, balasto, placas de asiento,
etc. que permiten la instalación de los carriles y su alineación y nivelación para ofrecer la
mayor eficiencia y confort.
Normalmente la infraestructura de la vía se divide en dos:
La superestructura: formada por los raíles, las traviesas, el balasto, y el sub-balasto.
La subestructura: que se encuentra situado por debajo del nivel del suelo.
FIGURA 1 INFRAESTRUCTURA DE VÍA
A continuación se procede a explicar cada elemento.
a. Carriles
Proporcionan una superficie de rodadura lisa para el conjunto rueda-bogie-eje
permitiendo el guiado del tren. Soportan las presiones normales, así como las tensiones
tangenciales de tracción, apoyándose en las traviesas, fijados a las mismas mediante
sujeciones, y transmitiendo éstas tensiones hacia el balasto. También permiten la
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
4 ETSII (UPM)
señalización mediante electrificación de los mismos y la posible toma de corriente en suelo
mediante tercer carril.
Los carriles utilizados actualmente, como los del presente trabajo, tienen un perfil I, con
una estructura formada por un patín, la base, una cabeza, de formas redondeadas, y un
alma, que une ambas partes. Los perfiles utilizados en este trabajo son de tipo Vignole, a los
que pertenecen los UIC 60 y los UIC 54.
FIGURA 2 PERFIL DE RAIL TIPO VIGNOLE
Fabricados en aceros de construcción para ferrocarriles, poseen una microestructura
perlítica o ferrítico perlítica fina, a fin de obtener durezas y resistencias mecánicas, que
miden indirectamente la resistencia al desgaste, suficientemente elevadas. En ocasiones se
somete la cabeza del carril a procesos de tratamiento térmico, temple por inducción, a fin de
aumentar aún más la dureza y la resistencia al desgaste.
b. Placas de asiento
Tienen una gran importancia a efectos mecánicos en la sujeción del carril. Se puede
jugar con la flexión o libertad de movimiento del carril aumentando o disminuyendo la rigidez
aportada por las placas.
De uso obligatorio en instalaciones con traviesas de hormigón, permiten además un
aislamiento eléctrico al carril, protegiéndolos a su vez del desgaste y de fenómenos de
fatiga.
c. Traviesas
Son los elementos que se encuentran entre el balasto y los carriles, sirviendo a estos
últimos como soporte, forma de calibrado y alineación. Las principales misiones de las
traviesas son las de mantener la distancia entre carriles y la de absorber las tensiones, tanto
normales como tangenciales, que transmiten los mismos, resultado de la rodadura del tren
sobre ellos.
Existen diversos tipos de traviesas, clasificados según el material de construcción,
encontrándonos con traviesas de hormigón o de madera, como los más utilizados, así como
metálicas, de menor aplicación.
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
5 Gerardo Jaqueti Moreno
d. Balasto y sub-balasto
Balasto es el nombre que recibe la cama de materiales rocosos que rodea las traviesas y
que forma la superficie donde se apoya la superestructura de la vía ferroviaria. La principal
función del mismo es la de distribuir las tensiones, que se transmiten del carril a través de
las traviesas y las sujeciones, hacia tierra.
Normalmente se utilizan materiales como calizas, granitos, escorias, etc. Primando el
carácter económico de los mismos. La uniformidad de la grava que se utiliza, en cuanto a
dureza y tamaño, también es importante, siendo preferibles las formas cúbicas que permiten
mayor agarre entre las mismas.
Por último, el sub-balasto es la superficie que sirve de transición entre el balasto y la
subestructura. Impide el paso del agua y la consiguiente formación de escarcha cuando la
temperatura ambiental es baja. Para este fin suelen utilizarse materiales de naturaleza
arenosa, siempre que cumplan ciertos requisitos determinados en cuanto a impedir la
filtración.
e. Subestructura
La subestructura estará formada por una superficie rocosa o de tierra nivelada, de forma
que se sustente la cama de balasto que se vierte encima posteriormente. Es importante
resaltar la importancia de este componente, que actúa como los cimientos de una vivienda,
en lo referente a su calidad, ya que, una vez se construye la superestructura, no puede ser
sometido a mantenimiento o sustitución.
1.2.1. CARRIL. CARACTERÍSTICAS Y NORMATIVA
Incidiendo sobre los carriles, debido a su importancia en la instalación ferroviaria y a que
su estudio es una de las partes principales de este trabajo, se presentan ciertos conceptos
importantes sobre los mismos, referentes tanto a su naturaleza como a sus características.
Basándonos en la definición aportada en el siguiente libro[1], la capacidad de una línea
se define como la sección de la misma que permite la circulación del menor número posible
de trenes. Permitirá por tanto el cálculo del volumen de tráfico que puede circular por una
misma vía y evaluar la magnitud de tráfico suplementario que podría admitirse si esta se
encontrase ya abierta. De este último concepto surge el grado de saturación, definido como:
𝑮𝒓𝒂𝒅𝒐 𝒅𝒆 𝒔𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂𝒄𝒊ó𝒏 =número de trenes en circulación
número de trenes posible en circulación
En cuanto a métodos de cálculo de este último concepto existen algunos como el AAR.
Enfocándonos en el presente trabajo, se ha utilizado, según la norma hoy día, el método
UIC. Este presenta la ventaja de generalizar la nomenclatura de las vías. Sus principios se
basan en:
Posibilidad de ser aplicado en todas las redes ferroviarias.
Sencillez de aplicación
Necesidad de considerar la heterogeneidad del tráfico de las líneas.
Inclusión de las características propias de las instalaciones de las líneas.
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
6 ETSII (UPM)
El cálculo de la capacidad de línea según la norma UIC se realiza de la siguiente forma:
𝐿 =𝑇
𝑡𝑓𝑚 + 𝑡𝑟 + 𝑡𝑧𝑛
Siendo:
𝑇: tiempo de referencia. En principio se toma el día como unidad.
𝐿: número de trenes en el periodo de referencia.
𝑡𝑓𝑚: intervalo medio de sucesión mínima entre trenes consecutivos [min].
𝑡𝑟: margen de incidencias (margen de regularidad) [min].
𝑡𝑧𝑛: tiempo suplementario [min].
Es importante, cuando hablamos de carriles, hacer también referencia a la resistencia al
avance, más aún si cabe cuando las velocidades de recorrido del tren superan los 160 km/h.
Aparte de la formulación experimental, que coincide con la de vehículos automóviles, es
necesario referirnos al coeficiente de rozamiento 𝝁.
De forma general y aplicable al movimiento relativo rueda-carril, existen dos fuerzas de
rozamiento, en función del tipo de movimiento que se esté dando:
Fuerza de rozamiento estática: si no existe movimiento.
Fuerza de rozamiento cinética: en el caso de que exista movimiento.
El coeficiente de rozamiento variará en función de lo mismo, sin embargo, para mayor
sencillez en los cálculos, nos referiremos a pares de contacto metálico, con una 𝝁 de valores
entre 0,3 − 1,0.
El coeficiente de rozamiento también está relacionado con el posible deslizamiento que
se produce al rodar la rueda sobre el carril.
Es necesario, por tanto, especificar el deslizamiento en función del tipo de contacto entre
rueda y carril, es decir, de la zona de rodadura. Idealmente, se tendría lo siguiente:
FIGURA 3 COEFICIENTE DE ROZAMIENTO EN CARRILES TEÓRICO
Evidentemente, estos fenómenos de deslizamiento afectan a la capacidad tractora del
tren. La acción del coeficiente de trozamiento y, por ende del deslizamiento, sobre la
capacidad de tracción, y viceversa, puede verse resumida en la siguiente figura:
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
7 Gerardo Jaqueti Moreno
FIGURA 4 RELACIÓN ENTRE TRACCIÓN, DESLIZAMIENTO (CREEP) Y COEFICIENTE DE ROZAMIENTO
Necesitaremos métodos para variar el coeficiente de fricción y así poder actuar sobre
estos fenómenos de deslizamiento (creep en la literatura anglosajona). Las posibilidades
abarcan desde lubricación en carril y recubrimientos en el mismo para evitar corrosiones y
desgaste, hasta el arenado de la vía para aumentar la fricción rueda-carril. La descripición,
breve, de ambos se da a continuación.
El arenado consiste básicamente en la adición de un material abrasivo, arena, que
aumenta significativamente el coeficiente de fricción rueda-carril. Este aumento es necesario
para contrarrestar fenómenos como la humedad en carril o la caída de hojas en otoño, las
cuales, al mojarse y aplastarse debido a la presión del contacto, forman una pasta muy
resbaladiza y que reduce significativamente la capacidad de tracción y frenado del tren.
Debido a estas posibilidades también se usan sistemas mixtos que utilizan agua a presión
para limpiar el carril y un eyector de arena que la deposita sobre el carril.
FIGURA 5 DISPOSITIVO DE ARENADO
La lubricación, por otra parte, es un fenómeno con una literatura bastante extensa, que
supera los propósitos de este trabajo. A modo de pincelada sobre el asunto, pueden
indicarse las razones de su uso:
Disminuir el desgaste en la pestaña de rueda y en la banda de rodadura del
carril.
Reducción de la energía consumida en la tracción.
Disminución del ruido.
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
8 ETSII (UPM)
1.2.2. RUEDA. CARACTERÍSTICAS Y NORMATIVA
De gran importancia en el comportamiento del tren, tanto cinemática como
dinámicamente, el estudio de las características de las ruedas es fundamental, aparte de ser
uno de los elementos principales del presente estudio.
Las ruedas de un ferrocarril actúan montadas sobre un eje que, generalmente, se acopla
a un bogie. La forma cónica de las ruedas permite afrontar los problemas de deslizamiento
en curva, para los que se utiliza el diferencial en automóviles, ya que permite “regular” la
velocidad angular de las ruedas de modo que el tiempo de recorrido en curva del par de
ruedas del mismo eje coincida.
FIGURA 6 ESQUEMA DEL MONTAJE DE RUEDA EN VÍA
Normalmente las ruedas poseen diámetros comprendidos entre 600 y 900 mm, en
función del servicio a prestar por las mismas, disminuyendo para aplicaciones tranviarias y
aumentando para el caso de redes de metro.
Los esfuerzos que se producen en el tránsito del material rodante sobre la vía, se
transmiten íntegramente a la misma a través de las ruedas por lo que, evidentemente, las
características mecánicas de las ruedas son de importancia capital. Los temas de
vibraciones y ruido producidos, sobre todo en redes de metro, también han sido
ampliamente estudiados, para los que se han desarrollado ruedas especiales, denominadas
“elásticas”.
Dentro de los distintos materiales para la construcción de ruedas podemos encontrar,
según el libro1:
De acero: son las más utilizadas. Con una composición que las sitúan dentro de
los aceros de construcción, poseen una microestructura perlítica en la que la
dureza y la resistencia mecánica puede variarse al disminuir o aumentar la
distancia interlaminar entre las láminas de ferrita y cementita, aumentando o
disminuyendo, respectivamente, las propiedades mecánicas.
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
9 Gerardo Jaqueti Moreno
FIGURA 7 COMPOSICIÓN DE ACEROS FERROVIARIOS PARA RUEDA Y CARRIL
De fundición: debido al potencial que tienen las fundiciones, gracias a los nuevos
métodos de fabricación, se está empezando a sustituir en parte a los aceros para
estas aplicaciones y fueron ampliamente utilizadas en el pasado.
Elásticas: debido a las exigencias sociales para la disminución del ruido
producido por las vibraciones en la rodadura sobre vía, se han ido desarrollando
medios para absorber estas y evitar el ruido excesivo. El funcionamiento se basa
en el intercalado de zonas elásticas de caucho u otro material que absorben la
vibración transmitida por las partes metálicas, que aportan rigidez al conjunto.
El montaje puede observarse en la siguiente imagen.
FIGURA 8 MONTAJE DE RUEDA ELÁSTICA
En cuanto a las normas de fabricación de ruedas, se pueden citar las más utilizadas
actualmente: la UIC812-3 y la ISO 1005, para las cuales existe un gran número de normas
específicas ISO y DIN.
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
10 ETSII (UPM)
La norma utilizada en este trabajo se basa en la norma DIN, concretamente en la UNE-
EN 13715:2007+A1, para la que se define un perfil de rueda general como el que se
muestra a continuación.
FIGURA 9 PERFIL DE RUEDA
1.3. TEORÍA DEL CONTACTO RUEDA-CARRIL
1.3.1. INTRODUCCIÓN
Como es lógico deducir, debido al gran número de teorías y simplificaciones de la
mecánica del contacto entre rueda y carril en aplicaciones ferroviarias, el comportamiento de
los materiales durante el contacto no es para nada inmediato. La complejidad del mismo se
debe, además de otras variables, a la conicidad que presenta la rueda, sumada a la del
carril y la inclinación del mismo respecto al plano horizontal del suelo dado por la traviesa,
que transforma el eje de rodadura en un amplificador mecánico, donde el juego lateral de las
pestañas de la rueda actuará como limitador, y que a su vez presentará deslizamientos en el
movimiento.
Aunque existen estudios en los que la conicidad se considera como variable y a la vez el
perfil de contacto muestra discontinuidades, en el presente estudio no se consideraran
estas, es decir no se emplea el modelo de contacto no Hertziano ni un perfil de carril
gastado.
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
11 Gerardo Jaqueti Moreno
1.3.2. TEORÍA DEL CONTACTO RUEDA-CARRIL
El contacto entre la rueda y el carril no se produce de forma puntual, sino que, como se
verá en los resultados obtenidos, se distribuye de forma variable, en función de las
condiciones de rodadura, sobre una superficie de contacto que, en ocasiones, se presenta
duplicada, es decir con doble punto de contacto, en función del desplazamiento lateral de la
rueda sobre el carril.
FIGURA 10 CONTACTO RUEDA-CARRIL EN FUNCIÓN DEL DESPLAZAMIENTO LATERAL
Este contacto rueda-carril puede producirse en dos lugares: la zona de rodadura y la
pestaña de la rueda. Esta división de los lugares posibles para el contacto durante el
desplazamiento del vehículo sobre la vía, nos permite clasificar el contacto rueda-carril
según zonas o regiones. La nomenclatura utilizada en este estudio se referirá a las
siguientes. A saber:
Zona A: a pesar de no ser una zona corriente de contacto rueda-carril en el
que el desgaste es elevado y el guiado del vehículo es deficiente, se ha
tomado como circunstancia posible, ya que se están estudiando
combinaciones de rueda-carril que podrían ser no válidas.
Zona B: zona más frecuente de contacto en recta y en curvas de radio
elevado, propias de vías de mayor velocidad. Se obtendrá, por lo general, las
distribuciones de tensiones y de deslizamientos más homogéneas y, por
tanto, más favorables.
Zona D: zona de contacto con la pestaña de la rueda. Se producirá un
contacto severo que provocará un desgaste elevado.
Es interesante introducir un concepto que, aunque en la práctica de este trabajo no se
vaya a utilizar directamente, resume bien la acción conjunta de las conicidades de la rueda,
el carril y la inclinación de la traviesa, antes citada: es la conicidad equivalente. Se define
como la conicidad de una rueda, cónica, que tuviese un comportamiento equivalente para un
desplazamiento lateral concreto. Formulada de la forma que sigue, es necesario conocer
que es variable con respecto del tiempo debido al desgaste de los materiales que provoca
variación morfológica de los mismos:
𝛾𝑒 =∆𝑟
2 · 𝑢
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
12 ETSII (UPM)
Finalmente, de forma breve, se darán unas pinceladas sobre el modelo de desgaste que
se podría aplicar para calcular el desgaste producido en la rueda y el carril a partir de los
datos obtenidos como output en el software. El estudio de estos parámetros de desgaste
sobrepasa la temática de este trabajo, sin embargo los parámetros de diseño, eficiencia y
confort actuales obligan a introducir un modelo básico de cálculo de desgaste.
Actualmente, debido a su sencillez y la aceptable exactitud que posee, frente a modelos
como el de Zobory o el de Pearce y Sherratt, el modelo de Archards de desgaste es
ampliamente utilizado. Tomando como variables el efecto de la presión normal sobre el
contacto, afectando a rail y rueda por igual, el efecto de la velocidad linear, afectando más a
la rueda, y el efecto del ratio de deslizamiento, se tendrá:
𝑉 = 𝐾𝐶 ·𝑋 · 𝐹𝑁
𝐻
1.3.3. CONTACTO NORMAL
El contacto normal entre dos superficies se estudia aplicando la teoría desarrollada por
Heinrich Hertz. Dentro de esta teoría, deberemos diferenciar entre la desarrollada para el
conjunto de los contactos entre dos superficies, que se desarrollará brevemente al comienzo
del apartado, y la teoría aplicada al contacto entre la rueda y el carril, más específica, cuyo
estudio tiene una amplia aplicación.
1.3.3.1. TEORÍA GENERAL
Antes de desarrollar los principios de esta teoría, hay que tener en cuenta las
condiciones de aplicabilidad de la misma:
Comportamiento elástico de los cuerpos en el contacto.
Espacios semi-infinitos.
Curvatura del radio mucho mayor que el área de contacto.
Curvatura constante dentro de la zona de contacto.
La superficie de contacto es una elipse.
La superficie de contacto se considera plana.
La superficie de contacto es una semi-elipsoide.
FIGURA 11 CONTACTO ENTRE DOS SÓLIDOS PARA: A) CUERPO NO CARGADO; B) CUERPO CARGADO
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
13 Gerardo Jaqueti Moreno
Teniendo como hipótesis lo anterior, Hertz definió la geometría de contacto entre dos
cuerpos con superficies lisas suponiendo el contacto sin deformación de los ejes cartesianos
en el origen O, siendo Oz su normal común y xy el plano tangente común, de forma que la
separación paralela al eje z queda expresada por:
ℎ ≅ 𝐴 · 𝑥2 + 𝐵 · 𝑦2
𝐴 =1
2 · 𝑅′ ; 𝐵 =
1
2 · 𝑅′′
Siendo 𝑅′𝑦 𝑅′′ funciones principales de los radios principales de curvatura:
𝜌′1,𝜌′′1 𝑦 𝜌′2,𝜌′′2 .
Hertz realizó una aproximación, de forma que los términos de mayor orden se descartan,
basándose en las pequeñas distancias de O en relación a los radios de curvatura de la
superficie. De estas aproximaciones resulta una huella elíptica de semiejes:
𝑎′
𝑏′= √
𝐵
𝐴
A su vez, se diferencia el desplazamiento normal elástico dentro y fuera del área de
contacto:
𝑤1(𝑥, 𝑦) + 𝑤2(𝑥, 𝑦) = 𝛿 − 𝐴 · 𝑥2 − 𝐵 · 𝑦2
𝑤1(𝑥, 𝑦) + 𝑤2(𝑥, 𝑦) > 𝛿 − 𝐴 · 𝑥2 − 𝐵 · 𝑦2
Gráficamente puede apreciarse:
FIGURA 12 REPRESENTACIÓN DE TEORÍA DE HERTZ
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
14 ETSII (UPM)
1.3.3.2. TEORÍA APLICADA AL CASO DE CONTACTO RUEDA-CARRIL
La aplicación al caso que nos ocupa en este trabajo se realiza tomando como cuerpos
rígidos la rueda y el carril. El peso del material rodante actúa como fuerza normal, formando
una región de contacto en el punto donde ambos materiales se tocan. La morfología de esta
región será elíptica, tal y como la teoría general de Hertz para contacto normal nos indica.
Para el estudio mecánico del conjunto rueda-carril se utiliza un sistema de coordenadas
como el que se indica en la figura:
FIGURA 13 MONTAJE DE RUEDA SOBRE CARRIL
El cálculo de los parámetros geométricos de la huella elíptica, así como de las
distribuciones de presión en la misma, sigue los siguientes pasos, de forma resumida:
i. Parámetros de rueda (𝑤 ≡ 𝑤ℎ𝑒𝑒𝑙):
𝑑2𝑤1
𝑑𝑥2= 2 · 𝐴1 ≈
1
𝑟𝑛
𝑑2𝑤1
𝑑𝑦2= 2 · 𝐵1 ≈
1
𝑅𝑤𝑥
ii. Parámetros de carril ( 𝑟 ≡ 𝑟𝑎𝑖𝑙):
𝑑2𝑤2
𝑑𝑦2= 2 · 𝐵2 ≈
1
𝑅𝑟𝑥
iii. Semiejes (estando m y n en función de 𝜃):
𝐴 = 𝐴1; 𝐵 = 𝐵1 + 𝐵2
𝑐𝑜𝑠𝜃 =|𝐵−𝐴|
𝐵+𝐴 ; estando 𝜃 tabulado
𝑎 = 𝑚 · [3
2· 𝑁 ·
1−𝜐2
𝐸·
1
𝐴+𝐵]
1
3 ; 𝑏 = 𝑛 · [
3
2· 𝑁 ·
1−𝜐2
𝐸·
1
𝐴+𝐵]
1
3; 𝑁 ≡ 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙
𝑔 =𝑏
𝑎
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15 Gerardo Jaqueti Moreno
Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑖𝑝𝑠𝑒 = 𝜋 · 𝑎 · 𝑏
iv. Quedando la distribución media de presiones como:
Distribución media: 𝜎 =𝑁
𝜋·𝑎·𝑏
Distribución máxima: 𝜎 =1.5·𝑁
𝜋·𝑎·𝑏
Una vez desarrollado este cálculo, es necesario saber que, aunque la teoría de Hertz se
desarrolla para un contacto estático, se necesitan conocer una serie de variables que sí que
van a generar una respuesta directa en la forma y distribución de las tensiones en la rueda.
Estas, aunque no se detallan en la aplicación de esta teoría, serán determinantes en el
desarrollo de las fuerzas tangenciales y deslizamientos, cuyo estudio forma parte del output
del modelo software desarrollado.
1.3.4. CONTACTO TANGENCIAL
1.3.4.1. INTRODUCCIÓN
Para el contacto rueda-carril, fijando ahora la atención en las fuerzas tangenciales,
tendremos un contacto de fricción por rodadura, que presentará dos áreas a estudiar: un
área de adhesión y otra de deslizamiento. Esta última aumentará a medida que se aumente
la velocidad de deslizamiento. Se desarrollarán por lo tanto tres teorías para justificar el
contacto tangencial: teoría de Carter, teoría de Kalker, simplificada, y teoría de Johnson.
1.3.4.2. TEORÍA DE CARTER
La teoría de Carter se basa en la modelización de las tensiones tangenciales sobre el
conjunto rueda-carril, teniendo como función principal la relación entre la tensión tangencial
y el deslizamiento longitudinal producido en el movimiento de la rueda sobre el carril.
Basándose en la hipótesis, lógica, en la que el área de contacto entre rueda-carril varía
en función del desgaste de ambos cuerpos, se tendrá una evolución del perfil de contacto. El
desgaste provoca un aplanamiento del carril que hace que este se pueda aproximar a una
banda transversal. En base a esto último, el contacto se considera como un cilindro, perfil de
rueda, rodando sobre una plataforma gruesa, perfil de carril, cilíndrica. Gracias a esta
simplificación, el problema se resuelve de forma bidimensional y se considera solo el
desplazamiento longitudinal en la rodadura de ambos perfiles. Ambos perfiles, cilíndricos, se
toman de radios iguales y opuestos, ejerciendo presiones opuestas y complementarias
mientras se produce el movimiento de rodadura. Debido a este acoplamiento geométrico y a
la simetría del problema, se puede resolver el problema de forma que la distribución normal
de presión entre ambas superficies no influya sobre la componente tangencial, que es la que
se está estudiando.
Queda la resolución de la relación entre deslizamiento y tracción o tensión tangencial,
que se puede representar de forma gráfica mediante las siguientes figuras:
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
16 ETSII (UPM)
FIGURA 14 GRÁFICA COMPLEMENTARIA PARA TEORÍA DE CARTER
Figura (a) Distribución local de Carter: se tienen tres zonas a comentar dentro de la
figura.
La recta A’OA representa el intervalo de contacto rueda-carril, siendo A’ el punto
inicial de contacto y A el punto en el que este se finaliza.
La curva límite, o ideal, de tracción se representa mediante la superficie dada por
A’BA, estando la curva real de tracción representada por la curva entre A’CD que,
evidentemente, nunca rebasa la ideal.
El contacto real entre superficies, incluyendo el comportamiento de adhesión
entre las mismas, viene representado por la curva ADC, estando estas
completamente unidas y siendo los esfuerzos constantes. Debido a que el
movimiento relativo entre superficies no se puede dar, la variación de esfuerzos
no es posible, ya que se requeriría una variación igual y opuesta al del otro
miembro.
En la zona A’C la presión existente entre ambas superficies es insuficiente para
que se puedan soportar los esfuerzos de tracción, existiendo un deslizamiento
con tensión tangencial limite, según la curva A’CB.
Figura (b) Ley de fuerzas de deslizamiento de Carter: queda por tanto definir la
relación entre el deslizamiento longitudinal y la fuerza de tracción, ley encontrada por
Carter y que es la que sigue:
𝑓 = [𝜋 · 𝐺 · (𝜆 + 𝐺)
2 · (𝜆 + 2 · 𝐺)· 𝑅 · 𝑙 · 𝑁]
12
·𝑞
1 − (1 − 𝑞)12
𝑞 ∶ 𝐹
𝐹𝑥
𝐹: esfuerzo de tracción total en rueda.
𝐹𝑥: fuerza tangencial en la dirección tangencial.
𝑎: semieje longitudinal de la elipse.
𝑏: semieje transversal de la elipse.
𝑅: radio de la rueda.
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
17 Gerardo Jaqueti Moreno
𝑓: fuerza de tracción por unidad de deslizamiento en la dirección longitudinal.
𝑙: longitud equivalente del contacto transversal al carril.
𝑁: fuerza normal total.
𝐺: módulo de rigidez.
𝜎: ratio de Poisson.
𝜆 =2·𝐺
1−2·𝜎· 𝜎: constante de Lamé.
1.3.4.3. TEORÍA DE JOHNSON Y VERMUELEN
La teoría de Carter tiene como desventaja su no aplicabilidad para problemas en los que
el vehículo en estudio se encuentra en movimiento así para ruedas motrices. Se tendrán que
considerar al mismo tiempo tanto las fuerzas en dirección lateral como el movimiento en la
dirección de rodadura, quedando por tanto una teoría que abarca tres dimensiones frente a
la bidimensional de Carter.
Esta nueva teoría se basa en los siguientes puntos:
1. La forma y el tamaño del área de contacto son predecibles mediante el uso de la
teoría de Hertz, siendo también válida para el cálculo de la presión normal.
Quedarán, como se ha especificado anteriormente, los semiejes de la elipse en
función de la curvatura del carril y de la rueda y el área de contacto en función de la
presión normal.
2. Se generaliza la teoría de Carter sobre el deslizamiento en rueda-carril, según la
expresión:
𝜉̅ · �̅� = (𝜉 − 𝜙 · 𝑦, 𝜂 + 𝜙 · 𝑥) · 𝑉
𝑥: coordenadas en la dirección de la rodadura.
𝑦: coordenadas en la dirección lateral.
𝜉̅ · 𝑉:̅ deslizamiento rígido.
𝜉:̅ deslizamiento rígido relativo.
𝜉: pseudodeslizamiento longitudinal.
𝜂: pseudodeslizamiento lateral.
𝑉: velocidad de rodadura; 𝑉 =1
2· |�̅�𝑇 + �̅�𝐶|
𝜙: pseudeslizamiento de giro.
3. Se considera un eje montado sobre la vía moviéndose con velocidad lineal,𝑽𝑻 ,
circunferencial 𝑽𝑪, lateral �̇� y angular 𝛀. La rueda se encuentra girada un ángulo 𝜶
respecto del carril, con velocidad angular �̇�.
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
18 ETSII (UPM)
4. El pseudodeslizamiento longitudinal aparece debido a la diferencia del radio efectivo
de rodadura provocado por la conicidad de las mismas así como a las aceleraciones,
frenadas y rotación �̇� del ángulo 𝜶.
5. Se produce también un pseudodeslizamiento lateral, provocado por la diferencia
entre 𝑽𝑻 y 𝑽𝑪.
6. Se produce también un pseudodeslizamiento de giro, provocado por �̇� . Este
deslizamiento consta de dos componentes: una debida a la velocidad del ángulo de
giro �̇� y otra debida a la conicidad, que provoca el que no exista paralelismo entre el
plano de contacto y la velocidad angular de la rueda. Quedará definido por tanto
como:
𝜙 = −�̇�
𝑉+
sin Υ
𝑅𝑤
Todo este desarrollo teórico sirve como introducción a la teoría simplificada de Kalker,
que es la utilizada en el software de CONTACT, para el cálculo de la huella en el contacto
rueda-carril, y que se expone en el siguiente sub-apartado.
1.3.4.4. TEORÍA SIMPLIFICADA DE KALKER
Al igual que la teoría anterior, ya que es una simplificación de esta, se tiene un
planteamiento tridimensional, tomando condiciones cuasiestáticas. Como hipótesis, se toma
toda la zona de contacto, calculándola mediante la teoría de Hertz, como zona de
adherencia.
La simplificación de esta teoría frente a las teorías lineales es de gran utilidad cuando se
aplica a un modelo computacional, obteniéndose unos resultados con una aproximación
bastante satisfactoria.
Como ejemplo gráfico, se modela como un conjunto de muelles que actúan como
restricciones en el movimiento de la rueda sobre el carril, quedando algo como la siguiente
figura.
FIGURA 15 MODELIZACIÓN DEL CONTACTO RUEDA-CARRIL PARA TEORÍA DE MARTER
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
19 Gerardo Jaqueti Moreno
La formulación de esta teoría se realiza teniendo en cuenta los siguientes conceptos:
A. Fuerzas de deslizamiento:
a. Longitudinal: 𝐹𝑥 = −𝑓33 · 𝜉𝑥 𝜉𝑥 =𝑣−𝜔·𝑟𝑣+𝜔·𝑟
2
b. Lateral: 𝐹𝑦 = −𝑓11 · 𝜉𝑦 − 𝑓12 · 𝜉𝑠𝑝
c. De giro: 𝑀𝑧 = −𝑓21 · 𝜉𝑦 − 𝑓22 · 𝜉𝑠𝑝
B. Coeficientes de deslizamiento:
𝑓11 = (𝑎 · 𝑏) · 𝐺 · 𝐶22 𝑓12 = (𝑎 · 𝑏)2
3 · 𝐺 · 𝐶23
𝑓22 = (𝑎 · 𝑏)2 · 𝐺 · 𝐶33 𝑓33 = (𝑎 · 𝑏) · 𝐺 · 𝐶11
Siendo:
𝐺 =𝐸
2·(1+𝜐):módulo de rigidez
𝜉𝑥, 𝜉𝑦𝑦 𝜉𝑠𝑝:deslizamiento longitudinal, lateral y de giro.
𝑎: semieje de la elipse de contacto en la dirección de rodadura.
𝑏: semieje de la elipse de contacto en la dirección lateral.
𝐶𝑖𝑗 :coeficientes de deslizamientos y de giro, que dependerán exclusivamente del
coeficiente de Poisson y de la relación entre semiejes de la elipse.
𝜎: coeficiente de Poisson.
TABLA 1 PARÁMETROS DE CARTER
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
20 ETSII (UPM)
FIGURA 16 REPRESENTACIÓN DE FUERZAS Y MOMENTOSEN EL SISTEMA RUEDA SOBRE CARRIL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
21 Gerardo Jaqueti Moreno
2. ESTUDIO DEL CONTACTO RUEDA-CARRIL. CONTRASTE TEÓRICO Y COMPARACIÓN
CON OTROS ESTUDIOS PUBLICADOS
2.1.1. ESTUDIO DEL CONTACTO RUEDA-CARRIL MEDIANTE SIMULACIÓN POR FEA
El estudio del contacto rueda-carril mediante la simulación del mismo en programas que
permiten el análisis por elementos finitos ha sido ampliamente utilizado y permite estudiar el
comportamiento de diversos tipos de perfil y de sus diversas combinaciones de pares rueda-
carril.
En el presente trabajo se realiza el estudio mediante un modelo que permite obtener las
correspondientes huellas y distribuciones de tensiones tanto en dos como en tres
dimensiones, utilizando dos perfiles de carril y tres de rueda. Se ha elegido trabajar, a
efectos de extraer conclusiones, con resultados en 2-D, debido a la mayor facilidad para
estudiar las zonas de mayor o menor deslizamiento y de mayor o menor presión en el
contacto.
A continuación, se presentan una serie de ejemplos utilizados para la comprobación del
modelo que se ha realizado mediante MatLab. Se tratarán de modelos simulados con
diversas herramientas software, trabajando con una base teórica similar y un modelado con
elementos finitos.
Se tiene el primer ejemplo en el modelo expuesto en el siguiente artículo [2]
Se utiliza la misma base teórica utilizada en el presente trabajo (Hertz, Carter y Kalker),
teniendo como soporte el algoritmo desarrollado por CONTACT y el método Bogdansky de
elementos finitos. En este artículo, se estudian tanto la presión normal en el contacto rueda-
carril como el pseudodeslizamiento o microslip.
El modelado del sistema rueda carril que se utiliza queda definido en la siguiente figura y
en la tabla anexa, que indica las características del material rodante simulado.
FIGURA 17 SIMULACIÓN DEL CONTACTO RUEDA-CARRIL SEGÚN EL ESTUDIO DE XIN-ZHAO& ZILI LI
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
22 ETSII (UPM)
Valores de parámetro utilizados
parámetros valores
Masa suspendida 𝑀𝐶 13.4 t
Diámetro de rueda, 𝜙 0.92 m
Masa de rueda, 𝑀𝑤 900 kg
Coeficiente de rozamiento, 𝑓 0.5
Velocidad lineal 140 km/h
Rigidez de suspensión primaria, 𝐾 1150 kN/m
Amortiguación de la suspensión
primaria, 𝜍
2500 N·s/m
Módulo de Young del material, E 210 GPa
Coeficiente de Poisson del material, 𝜐 0.3
Densidad del material, 𝜌 7800 kg/m3 TABLA 2 MATERIAL RODANTE EN EL ESTUDIO
Utilizando:
Un perfil de carril según la norma 54E1.
Un tiempo de contacto definido por la condición de estabilidad de Courant.
Un coeficiente de fricción de intervalo 0.5.
Un desplazamiento lateral de la rueda sobre el carril nulo y las características del
material rodante dispuesto en la tabla.
Los resultados que se obtuvieron hacen referencia al pseudodeslizamiento obtenido, de
gran importancia en la estimación del desgaste de la rueda. Estos pueden observarse en las
gráficas que se muestran a continuación.
FIGURA 18 RESULTADOS EN CUANTO A DESLIZAMIENTOS EN EL ESTUDIO DE XIN-ZHAO& ZILI LI (I)
FIGURA 19 RESULTADOS EN CUANTO A DESLIZAMIENTOS EN EL ESTUDIO DE XIN-ZHAO& ZILI LI (II)
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
23 Gerardo Jaqueti Moreno
FIGURA 20 RESULTADOS EN CUANTO A DESLIZAMIENTOS EN EL ESTUDIO DE XIN-ZHAO& ZILI LI (II)
En el siguiente estudio [3], se utilizan modelos simulados mediante software como
Vampire o Catia, obteniendo resultados como los que se indican a continuación.
FIGURA 21 MALLADO EN EL ESTUDIO DE SLADKOWSKI & SITARZ
FIGURA 22 RESULTADO DEL ESTUDIO DE SLADKOWSKI & SITARZ EN CUANTO A LA PRESIÓN NORMAL (I)
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
24 ETSII (UPM)
FIGURA 23 RESULTADO DEL ESTUDIO DE SLADKOWSKI & SITARZ EN CUANTO A LA PRESIÓN NORMAL (II)
Como puede apreciarse en la figura, el perfil de carril no es ni UIC54 ni UIC60, utilizados
en nuestra simulación. Sin embargo, se da una idea de cómo es la distribución estándar de
tensiones en el contacto rueda-carril.
Otro ejemplo de simulación del contacto rueda-carril [4], presenta una simulación muy
parecida a la que ocupa el presente trabajo, utilizando las ruedas de perfil ORE S1200, EPS
y 1:40 según la norma UNE-EN 13715:2007, un perfil de carril 50E6, según la norma UNE-
EN 13674-1:2006+A1:2008. También se especifica la inclinación del carril 1:20 y un
desplazamiento lateral de 0, +5,+10, -5 y -10mm.
Los resultados que se obtuvieron se muestran en las siguientes figuras.
A. Desplazamiento lateral y=0mm
a) Perfil 1:40
FIGURA 24 DESPLAZAMIENTO Y=0MM PERFIL 1:40. ESTUDIO ORTEGA, LESTER
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
25 Gerardo Jaqueti Moreno
b) Perfil S1002
FIGURA 25 DESPLAZAMIENTO Y=0MM PERFIL S1002. ESTUDIO ORTEGA LESTER
c) Perfil EPS
FIGURA 26 DESPLAZAMIENTO Y=0MM PERFIL EPS. ESTUDIO ORTEGA, LESTER
B. Desplazamiento lateral y=-5mm
a) Perfil 1:40
FIGURA 27 DESPLAZAMIENTO Y=-5MM PERFIL 1:40. ESTUDIO ORTEGA, LESTER
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
26 ETSII (UPM)
b) Perfil EPS
FIGURA 28 DESPLAZAMIENTO Y=-5MM PERFIL EPS. ESTUDIO ORTEGA, LESTER
c) Perfil S1002
FIGURA 29 DESPLAZAMIENTO Y=-5MM PERFIL S1002. ESTUDIO ORTEGA, LESTER
C. Desplazamiento lateral y=+10mm
a) Perfil 1:40
FIGURA 30 DESPLAZAMIENTO Y=10MM PERFIL 1:40. ESTUDIO ORTEGA, LESTER
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
27 Gerardo Jaqueti Moreno
b) Perfil EPS
FIGURA 31 DESPLAZAMIENTO Y=10MM PERFIL EPS. ESTUDIO ORTEGA, LESTER
c) Perfil S1002
FIGURA 32 DESPLAZAMIENTO Y=10MM PERFIL S1002. ESTUDIO ORTEGA, LESTER
Las tensiones (MPa) de presión de contacto que se registran son las mostradas en la
siguiente tabla:
S1002 EPS 140
y = 0 mm 716,2 625,8 866,8
y = +5 mm 921 626 867
y = +10 mm 1133 1062 1060
y = -5 mm 2032 1739 866
y = -10 mm 1547 1409 1577
TABLA 3 TENSIONES EN EL ESTUDIO DE ORTEGA, LESTER
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
28 ETSII (UPM)
2.1.2. ESTUDIO DEL CONTACTO RUEDA-CARRIL MEDIANTE ULTRASONIDOS
El estudio del contacto rueda-carril utilizando como herramienta los ultrasonidos es
interesante para el trabajo que nos ocupa, ya que puede ser utilizado como apoyo para la
simulación mediante elementos finitos.
En el estudio reflejado en los siguientes artículos [5] [6]:, que se resumen a continuación,
se calcula el desgaste producido por el contacto rueda-carril mediante el método de los
ultrasonidos, a la vez que se utiliza un algoritmo FASTSIM, como el utilizado en el presente
estudio.
A modo de introducción a este método de inspección, los ultrasonidos, ondas de
frecuencia 20kHz, son utilizados como método de inspección no destructivo, reflejando las
zonas interiores de un material, en este caso el acero del carril o rueda. Cuando se produce
una deformación debido a una presión exterior, existe una compresión del material,
rodeándose esta de microaspiraciones. Estos “huecos” en el material quedan reflejados en
la pantalla del equipo de ultrasonidos, que actúa como salida de información.
FIGURA 33 MONTAJE PARA EL ESTUDIO MEDIANTE ULTRASONIDOS
El algoritmo de ejecución de esta técnica quedaría reflejado en el esquema que sigue:
FIGURA 34 ALGORITMO DE CÁLCULO DE TENSIONES MEDIANTE ULTRASONIDOS
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
29 Gerardo Jaqueti Moreno
Es evidente que la distribución de tensiones no es la misma sobre un carril desgastado
que sobre uno nuevo. Ya que no se ha tomado en cuenta esta variable en el presente
trabajo, si que pueden apreciarse estas diferencias en las siguientes figuras, donde el
desgaste del carril y de la rueda, dados por la variación del perfil en una rodadura normal
quedaría del siguiente modo:
FIGURA 35 PERFIL NUEVO Y GASTADO DE RUEDA Y CARRIL
La huella, obtenida por el estudio mediante ultrasonidos, reflejando la variación entre
perfiles desgastados y nuevos quedaría:
FIGURA 36 HUELLA DE DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES NORMALESPARA PERFIL GASTADO Y NUEVO EN EL CONTACTO RUEDA-CARRIL
FIGURA 37 DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES NORMALES PARA PERFIL NUEVO
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
30 ETSII (UPM)
FIGURA 38 DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES NORMALES PARA PERFIL GASTADO
FIGURA 39 DISTRIBUCIÓN DE DESLIZAMIENTOS EN EL CONTACTO RUEDA-CARRIL PARA PERFIL NUEVO
FIGURA 40 DISTRIBUCIÓN DE DESLIZAMIENTOS EN EL CONTACTO RUEDA-CARRIL PARA PERFIL GASTADO
Lo que implica que un carril-rueda desgastada por el primer, o consiguientes usos,
tiene una distribución más uniforme en cuanto a tensiones, lo que coincide con la teoría
disponible.
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
31 Gerardo Jaqueti Moreno
3. NORMATIVA APLICADA EN EL ESTUDIO DEL CONTACTO RUEDA-CARRIL
En este apartado se especifican los perfiles, dados por la normativa vigente, en función a
su geometría, dimensiones, materiales y las propiedades de los mismos. A su vez, se hace
hincapié en los distintos tipos de inclinación de carril, y su uso en función de la
infraestructura ferroviaria, así como las distintas zonas de rodadura sobre el carril,
enumerando los efectos que se producen a efectos de presiones, tracción y desgastes.
3.1. PERFILES DE CARRIL
Como se ha indicado en los primeros apartados de este estudio, los perfiles de carril
utilizados han sido un UIC54 y un UIC 60. La normativa aplicada y las geometrías de los
mismos son las siguientes:
A. PERFIL DE CARRIL UIC 54
Tendremos el perfil UIC 54E2 dado por la norma EN 13674-1:2011. La geometría y las
propiedades mecánicas se dan a continuación:
FIGURA 41 PERFIL DE CARRIL UIC 54
Característica Valor Unidades
Área de la sección transversal 68.56 𝒄𝒎𝟐
Masa lineal 53.82 𝒌𝒈
𝒎
Momento de inercia vertical 2307.4 𝒄𝒎𝟒
Módulo resistente - cabeza 276.4 𝒄𝒎𝟑
Módulo resistente - patín 297.6 𝒄𝒎𝟑
Momento de inercia horizontal 341.5 𝒄𝒎𝟒
Módulo resistente horizontal 54.6 𝒄𝒎𝟑 TABLA 4 PROPIEDADES CARRIL UIC 54
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
32 ETSII (UPM)
B. PERFIL UIC 60
Tendremos el perfil UIC 60E2 dado por la norma EN 13674-1:2011. La geometría y las
propiedades mecánicas se dan a continuación:
FIGURA 42 PERFIL DE CARRIL UIC 60
Característica Valor Unidades
Área de la sección transversal 76,48 𝒄𝒎𝟐
Masa lineal 60,03 𝒌𝒈
𝒎
Momento de inercia vertical 3021,5 𝒄𝒎𝟒
Módulo resistente - cabeza 330,8 𝒄𝒎𝟑
Módulo resistente - patín 374,5 𝒄𝒎𝟑
Momento de inercia horizontal 510,5 𝒄𝒎𝟒
Módulo resistente horizontal 68,10 𝒄𝒎𝟑
TABLA 5 PROPIEDADES DE CARRIL UIC 60
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
33 Gerardo Jaqueti Moreno
3.2. PERFILES DE RUEDA
Los perfiles de rueda utilizados son los dados por la ORE S1002, 140 y EPS. Regidos
por las normas y con las características que se muestran a continuación:
A. PERFIL ORE S1002
Tendremos el perfil ORE S-1002 dado por la norma EN 13715:2006+A1:2010. La
geometría y las propiedades mecánicas se dan a continuación:
FIGURA 43 PERFIL ORE S1002
Con zonas características: D1 - B1, B1 – A1, A1 – I
TABLA 6 PROPIEDADES ORE S1002
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
34 ETSII (UPM)
B. PERFIL ORE 1/40
Tendremos el perfil ORE 1/40 dado por la norma EN 13715:2006+A1:2010. La
geometría y las propiedades mecánicas se dan a continuación:
FIGURA 44 PERFIL ORE 1:40
Las zonas características y puntos característicos serán:
D1 – D1a, D1a- C11a, B1a – A1, A1 – I
TABLA 7 PROPIEDADES ORE 1:40
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
35 Gerardo Jaqueti Moreno
C. PERFIL ORE EPS
Tendremos el perfil ORE EPS dado por la norma EN 13715:2006+A1:2010. La
geometría y las propiedades mecánicas se dan a continuación:
FIGURA 45 PERFIL ORE EPS
Con zonas y puntos característicos:
D1 – C1b, C1b – C11b, C11b – C12, C12 – B1b, B1b – A1, A1 – I
TABLA 8 PROPIEDADES ORE EPS
Capítulo 2. Base Teórica, estudio del contacto…
36 ETSII (UPM)
3.3. INCLINACIÓN DE CARRIL
Las cuestiones referentes a la inclinación del carril vienen dadas por el tipo de
explotación de la vía. Es decir, si la vía es de uso único, para transporte de viajeros o para
transporte de mercancías, o si bien es de uso mixto, en la que se alternan diversos tipos de
explotación. Esto es importante de cara a la velocidad adquirida por el ferrocarril,
especialmente en las zonas de curva. La explicación se fundamenta en la fuerza centrífuga
adquirida por el material rodante, el cual, para una velocidad demasiado reducida en
relación con la inclinación del carril, puede producir una caída de la rueda y un choque de la
pestaña con el mismo. Este choque produce un desgaste excesivo no permisible a efectos
de longevidad de la rueda.
Es necesario también introducir o recordar el movimiento de lazo del tren. Debido a la
conicidad de la rueda, necesaria por el efecto semejante al diferencial de un automóvil, que
impide que la velocidad lineal de las ruedas en curva sea distinta y que provoque un
movimiento de “trompo”. El movimiento de lazo es intrínseco al tren. Al circular en recta, la
conicidad de la rueda provoca que, al producirse avances de una con respecto a la otra en
el mismo eje, el diámetro de rodadura sea distinto. Esta diferencia de radio de rodadura, tan
útil en la curva, produce un movimiento de lazo o serpenteante en el material rodante.
Basándonos en los dos párrafos anteriores, la justificación de la elección de las
inclinaciones utilizadas en este trabajo es el siguiente, y se basa además en la utilización
actual de los mismos.
La inclinación 1:20 se basa en el concepto de reducción del posible desgaste de la rueda
al presionar la pestaña con el carril en una curva donde la velocidad no sea la suficiente,
normalmente en vías de tráfico mixto. Para impedir el desgaste excesivo, se hace coincidir
la inclinación del carril con el de la llanta, o viceversa, adecuando la conicidad a la
instalación en vía.
Las inclinaciones 1:40, sin embargo, pueden sustituir, como en zonas de Latinoamérica,
a las 1:20, aunque las segundas son actualmente más comunes. Esta sustitución se basa
en un criterio de reducción del movimiento de lazo del material rodante, el cual se reduce al
aumentar el radio de la rueda y disminuyendo su conicidad. Recordar que la conicidad en
rueda se hace coincidir con la inclinación del carril.
En cuanto a las inclinaciones de 1:10 utilizadas, aunque en bastante menor medida, han
sido objeto de ensayos y estudios, como el de Templer (1992), marcando esta inclinación
como la máxima utilizable, siendo conocida la poca tracción existente en contacto acero-
acero.
3.4. ZONA DE RODADURA
La zona de rodadura no está incluida en un tipo de norma específica. Es evidente, como
se ha tratado en parte en apartados anteriores, que la zona por donde se desplaza la rueda
sobre el carril es harto importante. Las tensiones, el desgaste y la calidad de la rodadura del
material rodante, en cuanto a ruidos, vibraciones y confort se refiere, depende en gran
medida de la zona de rodadura donde se dé el contacto rueda-carril.
Se considera que no es necesaria una explicación mucho más detallada de esta variable
de forma teórica. Las implicaciones en cuanto a las variables físicas de salida, comentadas
en el párrafo anterior, se visualizan y comprenden de forma más efectiva si se observa con
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
37 Gerardo Jaqueti Moreno
atención el apartado correspondiente a los resultados de este trabajo. Sin embargo se da
una pincelada a modo de recordatorio de lo especificado en el apartado 1.3.2:
FIGURA 46 ZONAS POSIBLES DE RODADURA CARRIL-RUEDA
Zona A: a pesar de no ser una zona corriente de contacto rueda-carril en el
que el desgaste es elevado y el guiado del vehículo es deficiente, se ha
tomado como circunstancia posible.
Zona B: zona más frecuente de contacto en recta y en curvas de radio
elevado, propias de vías de mayor velocidad. Se obtendrá, por lo general, las
distribuciones de tensiones y de deslizamientos más homogéneas y, por
tanto, más favorables.
Zona D: zona de contacto con la pestaña de la rueda. Se producirá un
contacto severo que provocará un desgaste elevado. La velocidad insuficiente
o una inclinación excesiva provocan este tipo de contacto
CAPÍTULO 3. SOFTWARE
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
39 Gerardo Jaqueti Moreno
1. INTRODUCCIÓN
A continuación se va explicar y justificar el software desarrollado y utilizado en la
obtención de los datos, expuestos en el siguiente capítulo. Como se ha comentado
anteriormente, este software es una traducción a MatLab del algoritmo desarrollado por la
universidad del País Vasco en lenguaje Scilab. Como es lógico, se han sustituido ciertas
funciones y comandos de Scilab por sus homólogos en MatLab, de forma que se ha
respetado el funcionamiento original del programa, a la par que se ha ampliado su
funcionamiento para diversos perfiles de rueda- carril.
2. FUNCIONES DEL PROGRAMA
2.1. DATOS_ENTRADA
Como datos de partida se introducen tanto el perfil de carril como el de rueda a simular,
pudiendo elegir entre los perfiles presentados en la primera parte de este estudio. Estos se
corresponderán con sendas funciones que contienen la información necesaria para el dibujo
de su perfil, basado en la normativa expuesta en el capítulo anterior.
Como variables principales en el contacto, se tendrán: el desplazamiento lateral de la
rueda con respecto del carril y la inclinación de la traviesa, y por ende del carril, con
respecto a la horizontal. El desplazamiento permite variar la zona de rodadura donde se
produce el contacto, variando así la huella de contacto y, a su vez, las tensiones y las
condiciones de desgaste carril-rueda, mientras que la inclinación permite simular las
condiciones de rodadura en los tres tipos de inclinación de vía más comunes.
Como variable correspondiente al método de cálculo por elementos finitos tendremos el
tamaño de división de la malla. En este estudio se ha optado por un tamaño de división de
0.2 mm.
Es lógico preguntarse por el efecto de la velocidad, tanto en el pseudodeslizamiento de
la rueda sobre el carril como en las fuerzas ejercidas en la misma pareja de contacto. El
presente trabajo hubiera representado, en ese caso, una extensión y, posiblemente, unas
conclusiones más extensas e interesantes que las que realmente se han podido obtener. Sin
embargo, teniendo en cuenta que el desarrollo de este algoritmo se ha realizado a nivel
docente y en el marco de un trabajo fin de grado, las restricciones impuestas en el mismo
obligan a que el contacto se de en un punto elegido a priori. Esto se debe a que la
simulación se hace considerando un contacto puntual, en el que tanto la velocidad como las
variables físicas del ferrocarril, como el número de ruedas, la carga, así como el movimiento
de lazo, se hayan tomado como constantes de entrada a la función con la que se obtiene la
nube de puntos de contacto.
Al utilizar el perfil ORE 1002, como se conoce experimentalmente, si se sobrepasan
velocidades de 180 km/h, el tren descarrila. Sin embargo, al tomar como condición de
restricción precisamente que el contacto exista, el descarrilamiento no se toma como opción
a tener en cuenta en la salida del programa.
Capítulo 3. Software
40 ETSII (UPM)
2.2. CONTACTO_RUEDA_CARRIL
Se trata del núcleo principal de funcionamiento del software. El algoritmo de obtención
del punto de contacto rueda-carril se encuentra en esta función.
2.3. FUNCIONES CARRIL Y RUEDA
Se han simulado los perfiles tanto de la rueda como del perfil basándonos en la norma
referida en el capítulo anterior. Las variables para cada perfil, a efectos prácticos, serán los
radios de curvatura, así como sus centros, y las distancias de frontera.
2.4. FUNCIÓN POST-CONTACT
Utilizando la salida de Kalker Contact, leyendo el archivo de texto resultante,
obtendremos tres gráficas mediante plot3d. A saber: deslizamientos, presión normal y fuerza
tangencial. También se obtienen, de forma cualitativa, las componentes de las fuerzas
tangenciales.
2.5. GENERACIÓN DE ARCHIVOS DE TEXTO
En el anexo correspondiente se explican sobre los ejemplos de entrada y de salida, las
variables utilizadas y su significado a efectos físicos.
CAPÍTULO 4. RESULTADOS, CONCLUSIONES Y GRÁFICOS DE
FUERZAS Y PRESIONES
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
41 Gerardo Jaqueti Moreno
1. RESULTADOS
La presentación de los resultados va a seguir una estructura que se divide, en primer
lugar, en los dos perfiles de carriles. Posteriormente, para cada carril, se incluyen los datos
referentes al contacto de los tres tipos de rueda seleccionados con el anterior. Dentro de
este contacto carril-rueda, se divide el estudio según la zona de contacto para cada
inclinación de las traviesas. Para una mejor lectura y comprensión de los datos de salida, se
incluye un esquema de clasificación (equivalente para el perfil UIC 54).
UIC 60
ORE 1002
1:40
Zona A
Zona B
Zona D
1:20
Zona A Zona B
Zona D
1:10
Zona A
Zona B
Zona D
ORE 1:40
1:40
Zona A
Zona B
Zona D
1:20
Zona A
Zona B
Zona D
1:10
Zona A
Zona B
Zona D
ORE EPS
1:40
Zona A
Zona B
Zona D
1:20
Zona A
Zona B
Zona D
1:10
Zona A
Zona B
Zona D
FIGURA 47 ZONAS DE POSIBLE RODADURA
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
42 ETSII (UPM)
1.1. UIC 60
1.1.1. ORE 1002
1.1.1.1. INCLINACIÓN 1:40
A. DESLIZAMIENTOS
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 48 UIC 60-ORE 1002. INCLINACIÓN 1:40. DESLIZAMIENTOS
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
43 Gerardo Jaqueti Moreno
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 49 UIC 60 - ORE 1002. INCLINACIÓN 1:40. PRESIÓN NORMAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
44 ETSII (UPM)
C. TENSIONES TANGENCIALES
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 50 UIC 60 - ORE 1002. INCLINACIÓN 1:40. TRACCIÓN TANGENCIAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
45 Gerardo Jaqueti Moreno
1.1.1.2. INCLINACIÓN 1:20
A. DESLIZAMIENTOS
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 51 UIC 60 - ORE 1002. INCLINACIÓN 1:20. DESLIZAMIENTOS
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
46 ETSII (UPM)
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 52 UIC 60 - ORE 1002. INCLINACIÓN 1:20. PRESIÓN NORMAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
47 Gerardo Jaqueti Moreno
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 53 UIC 60 - ORE 1002. INCLINACIÓN 1:20. TRACCIÓN TANGENCIAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
48 ETSII (UPM)
1.1.1.3. INCLINACIÓN 1:10
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 54 UIC 60 - ORE 1002. INCLINACIÓN 1:10. DESLIZAMIENTOS
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
49 Gerardo Jaqueti Moreno
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 55 UIC 60 - ORE 1002. INCLINACIÓN 1:10. PRESIÓN NORMAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
50 ETSII (UPM)
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 56 UIC 60 - ORE 1002. INCLINACIÓN 1:10. TRACCIÓN TANGENCIAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
51 Gerardo Jaqueti Moreno
1.1.2. ORE 1:40
1.1.2.1. INCLINACIÓN 1:40
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 57 UIC 60 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:40. DESLIZAMIENTOS
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
52 ETSII (UPM)
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 58 UIC 60 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:40. PRESIÓN NORMAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
53 Gerardo Jaqueti Moreno
TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 59 UIC 60 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:40. TRACCIÓN TANGENCIAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
54 ETSII (UPM)
1.1.2.2. INCLINACIÓN 1:20
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 60 UIC 60 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:20. DESLIZAMIENTOS
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
55 Gerardo Jaqueti Moreno
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 61 UIC 60 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:20. PRESIÓN NORMAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
56 ETSII (UPM)
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 62 UIC 60 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:20. TRACCIÓN TANGENCIAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
57 Gerardo Jaqueti Moreno
1.1.2.3. INCLINACIÓN 1:10
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 63 UIC 60 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:10. DESLIZAMIENTOS
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
58 ETSII (UPM)
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 64 UIC 60 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:10. PRESIÓN NORMAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
59 Gerardo Jaqueti Moreno
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 65 UIC 60 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:10. TRACCIÓN TANGENCIAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
60 ETSII (UPM)
1.1.3. ORE EPS
1.1.3.1. INCLINACIÓN 1:40
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 66 UIC 60 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:40. DESLIZAMIENTOS
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
61 Gerardo Jaqueti Moreno
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 67 UIC 60 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:40. PRESIÓN NORMAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
62 ETSII (UPM)
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 68 UIC 60 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:40. TRACCIÓN TANGENCIAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
63 Gerardo Jaqueti Moreno
1.1.3.2. INCLINACIÓN 1:20
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 69 UIC 60 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:20. DESLIZAMIENTOS
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
64 ETSII (UPM)
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 70 UIC 60 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:20. PRESIÓN NORMAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
65 Gerardo Jaqueti Moreno
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 71 UIC 60 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:20. TRACCIÓN TANGENCIAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
66 ETSII (UPM)
1.1.3.3. INCLINACIÓN 1:10
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 72 UIC 60 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:10. DESLIZAMIENTOS
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
67 Gerardo Jaqueti Moreno
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 73 UIC 60 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:10. PRESIÓN NORMAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
68 ETSII (UPM)
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 74 UIC 60 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:10. TRACCIÓN TANGENCIAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
69 Gerardo Jaqueti Moreno
1.2. UIC 54
1.2.1. ORE 1002
1.2.1.1. INCLINACIÓN 1:40
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 75 UIC 54 - ORE S1002. INCLINACIÓN 1:40. DESLIZAMIENTOS
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
70 ETSII (UPM)
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 76 UIC 54 - ORE S1002. INCLINACIÓN 1:40. PRESIÓN NORMAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
71 Gerardo Jaqueti Moreno
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 77 UIC 54 - ORE S1002. INCLINACIÓN 1:40. TRACCIÓN TANGECIAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
72 ETSII (UPM)
1.2.1.2. INCLINACIÓN 1:20
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 78 UIC 54 - ORE S1002. INCLINACIÓN 1:20. DESLIZAMIENTOS
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
73 Gerardo Jaqueti Moreno
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 79 UIC 54 - ORE S1002. INCLINACIÓN 1:20. PRESIÓN NORMAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
74 ETSII (UPM)
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 80 UIC 54 - ORE S1002. INCLIN ACIÓN 1:20. TRACCIÓN TANGENCIAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
75 Gerardo Jaqueti Moreno
1.2.1.3. INCLINACIÓN 1:10
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 81 UIC 54 - ORE S1002. INCLINACIÓN 1:10. DESLIZAMIENTOS
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
76 ETSII (UPM)
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D FIGURA 82 UIC 54 - ORE S1002. INCLINACIÓN 1:10. PRESIÓN NORMAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
77 Gerardo Jaqueti Moreno
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 83 UIC 54 - ORE S1002. INCLINACIÓN 1:10. TRACCIÓN TANGENCIAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
78 ETSII (UPM)
1.2.2. ORE 1:40
1.2.2.1. INCLINACIÓN 1:40
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 84 UIC 54 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:40. DESLIZAMIENTOS
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
79 Gerardo Jaqueti Moreno
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 85 UIC 54 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:40. PRESIÓN NORMAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
80 ETSII (UPM)
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 86 UIC 54 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:40. TRACCIÓN TANGENCIAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
81 Gerardo Jaqueti Moreno
1.2.2.2. INCLINACIÓN 1:20
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 87 UIC 54 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:20. DESLIZAMIENTOS
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
82 ETSII (UPM)
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 88 UIC 54 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:20. PRESIÓN NORMAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
83 Gerardo Jaqueti Moreno
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 89 UIC 54 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:20. TRACCIÓN TANGENCIAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
84 ETSII (UPM)
1.2.2.3. INCLINACIÓN 1:10
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 90 UIC 54 - ORE 1:40. INCLIANCIÓN 1:10. DESLIZAMIENTOS
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
85 Gerardo Jaqueti Moreno
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 91 UIC 54 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:10. PRESIÓN NORMAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
86 ETSII (UPM)
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 92 UIC 54 - ORE 1:40. INCLINACIÓN 1:10. TRACCIÓN TANGENCIAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
87 Gerardo Jaqueti Moreno
1.2.3. ORE EPS
1.2.3.1. INCLINACIÓN 1:40
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 93 UIC 54 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:40. DESLIZAMIENTOS
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
88 ETSII (UPM)
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 94 UIC 54 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:40. PRESIÓN NORMAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
89 Gerardo Jaqueti Moreno
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 95 UIC 54 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:40. TRACCIÓN TANGENCIAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
90 ETSII (UPM)
1.2.3.2. INCLINACIÓN 1:20
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 96 UIC 54 - ORE EPS. INCIANCIÓN 1:20. DESLIZAMIENTOS
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
91 Gerardo Jaqueti Moreno
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 97 UIC 54 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:20. PRESIÓN TANGENCIAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
92 ETSII (UPM)
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 98 UIC 54 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:20. TRACCIÓN TANGENCIAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
93 Gerardo Jaqueti Moreno
1.2.3.3. INCLINACIÓN 1:10
A. DESLIZAMIENTO
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 99 UIC 54 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:10. DESLIZAMIENTOS
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
94 ETSII (UPM)
B. PRESIÓN NORMAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 100 UIC 54 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:10. PRESIÓN NORMAL
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
95 Gerardo Jaqueti Moreno
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Zona A Zona B
Zona D
FIGURA 101 UIC 54 - ORE EPS. INCLINACIÓN 1:10. TRACCIÓN TANGENCIAL
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
96 ETSII (UPM)
2. CONCLUSIONES DE LAS DISTRIBUCIONES DE DESLIZAMIENTO, PRESIÓN
NORMAL Y TENSIONES TANGENCIALES
2.1. INTRODUCCIÓN
A priori, utilizando la teoría disponible para el contacto rueda-carril, los resultados del
estudio deberían ser, previsiblemente, los siguientes:
Las zonas de contacto A y D tendrán un peor comportamiento en el contacto. Esto
quiere decir que la distribución de fuerzas y tensiones, así como los valores de
deslizamiento, serán más irregulares o de mayor magnitud, respectivamente, que los
que se obtendrán cuando la zona de rodadura sea la estándar B.
La inclinación del carril 1:40 y 1:20 serán las que supongan un mejor
comportamiento mecánico, sobre todo a efectos tribológicos, debido al no rozamiento
de la pestaña sobre el carril como se indicó en el apartado correspondiente. La 1:10
será la que presente un peor comportamiento, siendo esta la correspondiente a la
máxima inclinación permisible en tracción acero-acero, y como tal debería
presentarse en los resultados.
El efecto del cambio de pareja de contacto rueda-carril no cuenta en principio con un
estudio exhaustivo, al menos según la bibliografía consultada y los artículos
disponibles en el banco de la UPM. Así pues es este el punto de mayor interés de
este trabajo y el que puede arrojar informaciones más interesantes.
2.2. CARRIL UIC 60
2.2.1. EFECTO DEL TIPO DE RUEDA EN LOS RESULTADOS
A. DESLIZAMIENTOS
En la zona de contacto A, serán más uniformes para la rueda ORE EPS aunque también
de magnitud superior. Para las ruedas ORE 1:40 y ORE 1002, se tendrá una distribución en
la cual el deslizamiento mayor se da en los extremos del diámetro de la rueda, siendo
prácticamente nulo en el punto coincidente con el eje vertical.
En el resto de zonas de contacto no se aprecian diferencias significativas en cuanto a
deslizamientos al variar el perfil de rueda.
B. PRESIÓN NORMAL
No se aprecian diferencias significativas en la huella de presiones normales al variar el
perfil de la rueda para cualquiera de las regiones de contacto.
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Solo se aprecia una ligera diferencia para la rueda EPS en la zona de contacto A, siendo
el resto de huellas prácticamente idénticas, no existiendo diferencias apreciables al variar el
perfil de rueda..
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
97 Gerardo Jaqueti Moreno
2.2.2. EFECTO DE LA INCLINACIÓN DEL CARRIL EN LOS RESULTADOS
A. DESLIZAMIENTOS
Los menores deslizamientos se dan con la inclinación 1:40, con una distribución que
tiene su máximo en la zona exterior de la rueda, ya que se evita el contacto de la pestaña
con el carril. Sin embargo, para las inclinaciones 1:20 y 1:10 se producen unos
deslizamientos mayores, siendo la distribución en la segunda bastante más uniforme que en
la anterior. Estos resultados coinciden con lo que la teoría predice.
B. PRESIÓN NORMAL
Para la inclinación 1:40 la distribución de presiones normales se diferencia, más que
respecto a la magnitud, en su distribución. Es decir, para las zonas A y D tendremos unas
distribuciones más uniformes que para la zona B, normal de rodadura, estando esta última
algo desplazada lateralmente hacia el exterior de la zona de rodadura de la rueda. De
cualquier manera, para todas las zonas estudiadas, la presión máxima sobre el carril se
encuentra en la zona central de rodadura de la rueda.
Para la inclinación 1:20 la distribución es prácticamente idéntica a la anterior con alguna
diferencia: En primer lugar, el desplazamiento de la huella es la especular para la rodadura
en la zona de contacto B, existiendo un doble contacto para la rodadura en la zona de
contacto D.
Para la inclinación 1:10, las distribuciones en las zonas de contacto A y B se
homogeneizan. Se produce un doble contacto para la rodadura en la zona D, ya que esta
inclinación es propensa a la circulación con contacto de pestaña.
C. TENSIÓN TANGENCIAL
La distribución de tensiones tangenciales en la tracción, según la huella producida, tiene
claramente un peor comportamiento para la inclinación 1:20 de la traviesa, produciéndose
un evidente desplazamiento respecto de la zona central del carril. Es necesario destacar la
anomalía en el contacto para 1:10 en la zona de contacto D.
2.2.3. EFECTO DEL CAMBIO DE LA ZONA DE CONTACTO EN LOS RESULTADOS
A. DESLIZAMIENTOS
Para las inclinaciones 1:40 y 1:20 se observan unos resultados, al variar la zona de
contacto, muy similares. Para la zona de contacto A, la huella de deslizamientos es más
alargada, presentando la mayor magnitud de los mismos en los extremos diametrales,
mientras que en las zonas B y D las huellas son más elípticas. En estas, la principal
diferencia se da en la distribución a lo largo de la rueda, mucho más uniforme en la zona de
contacto B, aunque siendo de mayor magnitud que en la zona D. Esta última presenta una
distribución de magnitud ascendente respecto a la coordenada longitudinal 𝒙, aparte de
presentar una segunda zona de contacto de pequeña superficie. Esto implica un desgaste
más uniforme de la rueda.
Para la inclinación 1:10, la distribución de deslizamiento es mucho más uniforme aunque
aumenta de forma considerable en magnitud, como es de preveer, aumentando a su vez la
superficie del segundo punto de contacto en la zona D de contacto.
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
98 ETSII (UPM)
B. PRESIÓN NORMAL
La huella de presiones normales va uniformizándose a medida que pasamos de una
zona de contacto A a la D, quedando una distribución en la zona B que tiende a aumentar la
presión de contacto en la zona exterior de rodadura de la rueda, haciéndose el contacto más
puntual. A su vez, se sigue manteniendo el doble contacto rueda-carril para la zona de
rodadura D.
Esa tendencia se rompe para el contacto de la rueda EPS. En esta, la mayor uniformidad
de presiones se da para la zona B de rodadura. Hay que destacar la anomalía que se
produce para la zona D.
C. TENSIÓN TANGENCIAL
En cuanto a las tensiones tangenciales, tendremos un comportamiento claramente
inferior para la zona de rodadura A. Se muestra una distribución de tensiones que cambia de
sentido a mitad de la distribución. Esto implica una tensión de cizalladura que,
evidentemente, provoca unas tensiones en el carril y en la rueda que no serán próximas a
las ideales.
Para las zonas de rodadura B y D tendremos un comportamiento bastante similar para la
rueda ORE 1002, aunque en la segunda la uniformidad es mayor que en la primera. En la
zona B la tensión tangencial de tracción de la rueda sobre el carril se extiende más hacia el
exterior que en la zona D.
Para la rueda ORE 1:40, sin embargo, la zona B tiene una distribución mucho más
concentrada y algo desplazada hacia el exterior de la rueda, siendo la distribución en la
zona D más uniforme.
Finalmente, en la rueda EPS, tanto la zona A y B se homogeneizan mientras que la zona
D presenta una anomalía en el contacto.
2.3. CARRIL UIC 54
2.3.1. EFECTO DEL TIPO DE RUEDA EN LOS RESULTADOS
A. DESLIZAMIENTOS
No existe ninguna diferencia apreciable en cuanto a magnitud ni distribución utilizando la
misma inclinación y para la misma zona de rodadura.
B. PRESIÓN NORMAL
No existe ninguna diferencia apreciable en cuanto a magnitud ni distribución utilizando
la misma inclinación y para la misma zona de rodadura.
C. TENSIÓN TANGENCIAL
No existe ninguna diferencia apreciable en cuanto a magnitud ni distribución utilizando la
misma inclinación y para la misma zona de rodadura.
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
99 Gerardo Jaqueti Moreno
2.3.2. EFECTO DE LA INCLINACIÓN DEL CARRIL EN LOS RESULTADOS
A. DESLIZAMIENTOS
La principal diferencia se da en la zona de rodadura B para una inclinación de 1:20. Para
estas condiciones de rodadura se observa un contacto doble.
Se produce también un aumento de la magnitud de deslizamiento a medida que se va
aumentando la inclinación. Es decir, para una inclinación de 1:40 el deslizamiento es de
menor módulo que para una de 1:10, estando esta última, sin embargo, con una distribución
más uniforme.
Se observa que, en una rodadura para la zona D, aparece un doble punto de contacto
tanto con la inclinación 1:20 como con la 1:10. Sin embargo, este doble punto se da en la
zona exterior de rodadura de la rueda en la inclinación 1:20, mientras que en la 1:10 se
desarrolla para la zona próxima a la pestaña, debido a la mayor caída de la rueda.
B. PRESIÓN NORMAL
Para una inclinación de 1:40, la distribución de presión normal es bastante homogénea
para todas las zonas de contacto, desplazándose cierta distancia hacia el interior de la zona
de rodadura, según el eje axial, para la zona de rodadura B.
Cuando pasamos a una inclinación de 1:20 en traviesa, se comienza a desarrollar un
contacto doble, tanto para la zona de rodadura B, disminuyendo la superficie de esta huella
de contacto secundario al pasar a una rodadura sobre zona D.
Se observa que, al pasar a una inclinación de 1:10, la zona secundaria de contacto en la
zona normal de rodadura, B, se pierda, homogeneizándose la distribución de presiones. Por
el contrario, para una rodadura en la zona D en la misma inclinación de traviesa, la
superficie secundaria de contacto aumenta a la par que se desplaza a la zona interior de la
rodadura.
C. TENSIÓN TANGENCIAL
Para la inclinación de traviesa 1:40 se tiene una distribución de tensiones tangenciales
de tracción bastante homogéneas, existiendo un punto de equilibrio en una zona de la rueda
para la rodadura normal, en zona B. Se observa que la distribución, que en principio es
bastante homogénea, tiene un punto en el que la tracción es nula, reduciéndose por tanto
las superficie total de tracción que trabaja. Con rodadura sobre traviesa de inclinación 1:20,
se vuelve a observar la aparición de una zona de contacto secundaria, tanto en rodaduras
en zona normal, B, como en zona D. Al igual que con la presión normal, esta superficie
secundaria en la zona B de rodadura, desaparece al aumentar la inclinación a 1:10 y, a su
vez, aunque disminuya, se da en la zona interior de la huella de contacto.
Hay que destacar el comportamiento en la rodadura en la zona A para la inclinación de
traviesa 1:10. Se tendrá un cambio de sentido y dirección en la fuerza de tracción de la
rueda sobre el carril, produciéndose una tensión de cizalladura.
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
100 ETSII (UPM)
2.3.3. EFECTO DEL CAMBIO DE LA ZONA DE CONTACTO EN LOS RESULTADOS
A. DESLIZAMIENTOS
En general, podemos decir que la homogeneidad de la huella de deslizamiento va
aumentando a medida que se va desplazando la zona de rodadura hacia el exterior de
rueda. Se hace necesario comentar tres casos con ciertas diferencias respecto a esta regla
general:
Para la inclinación 1:40, con rodadura normal, en zona B, se tiene un deslizamiento
prácticamente nulo, con un aumento de su magnitud para la zona de contacto exterior en el
eje diametral mayor de la elipse de contacto.
Para la inclinación de traviesa 1:20, en la zona de rodadura normal, B, se desarrolla una
zona de deslizamiento secundaria que se elimina al aumentar la inclinación de traviesa a
1:10, posiblemente producida por la mayor caida de la rueda hacia el interior.
B. PRESIÓN NORMAL
Se tendrá, para la inclinación de traviesa 1:40, una distribución de presiones normales
que prácticamente no varía al ir rodando sobre las distintas zonas del carril que se han ido
tomando como referencia anteriormente.
Como ha ocurrido en el apartado anterior, para una inclinación de traviesa de 1:20, se
tiene de nuevo una doble huella de presiones para la zona normal de contacto, B, que, de
nuevo, se va reduciendo al aumentar la inclinación de la traviesa a 1:10. Esto se dará
también para la zona D.
C. TENSIÓN TANGENCIAL
La variación de la distribución de tensiones tangenciales, tomando como variable la zona
de contacto, prácticamente se ha abordado en su totalidad en el apartado que toma como
variable la inclinación de la traviesa. Por tanto, para no aumentar más de lo deseable la
extensión de este trabajo, se recomienda consultar el punto 2.3.2.
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
101 Gerardo Jaqueti Moreno
3. GRÁFICOS DE FUERZAS Y PRESIONES. CONCLUSIONES EN CUANTO A VALORES DE LOS
MISMOS.
3.1. GRÁFICOS DE FUERZAS Y PRESIONES
3.1.1. UIC 60
3.1.1.1. FNX
ZONA A
FIGURA 102 TENSIÓN DE TRACCIÓN EN UIC 60 EN ZONA A
ZONA B
FIGURA 103 TENSIÓN DE TRACCIÓN EN UIC 60 EN ZONA B
ZONA D
FIGURA 104 TENSIÓN DE TRACCIÓN EN UIC 60 EN ZONA D
0.00E+00
5.00E+08
1.00E+09
1.50E+09
2.00E+09
2.50E+09
3.00E+09
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
Pa
1:40
1:20
1:10
2.15E+09
2.20E+09
2.25E+09
2.30E+09
2.35E+09
2.40E+09
2.45E+09
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
Pa
1:40
1:20
1:10
2.10E+09
2.15E+09
2.20E+09
2.25E+09
2.30E+09
2.35E+09
2.40E+09
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
Pa
1:40
1:20
1:10
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
102 ETSII (UPM)
3.1.1.2. FNY
ZONA A
FIGURA 105 TENSIÓN TANGENCIAL LATERAL EN UIC 60 EN ZONA A
ZONA B
FIGURA 106 TENSIÓN TANGENCIAL LATERAL EN UIC 60 EN ZONA B
ZONA D
FIGURA 107 TENSIÓN TANGENCIAL LATERAL EN UIC 60 EN ZONA D
0.00E+00
1.00E+08
2.00E+08
3.00E+08
4.00E+08
5.00E+08
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
Pa
1:40
1:20
1:10
0.00E+00
5.00E+08
1.00E+09
1.50E+09
2.00E+09
2.50E+09
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
Pa
1:40
1:20
1:10
0.00E+00
5.00E+07
1.00E+08
1.50E+08
2.00E+08
2.50E+08
3.00E+08
3.50E+08
4.00E+08
4.50E+08
5.00E+08
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
Pa
1:40
1:20
1:10
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
103 Gerardo Jaqueti Moreno
3.1.1.3. PRESIÓN NORMAL
ZONA A
FIGURA 108 PRESIÓN NORMAL UIC 60 EN ZONA A
ZONA B
FIGURA 109 PRESIÓN NORMAL UIC 60 EN ZONA B
ZONA D
FIGURA 110 PRESIÓN NORMAL UIC 60 EN ZONA D
4.75E+03
4.76E+03
4.77E+03
4.78E+03
4.79E+03
4.80E+03
4.81E+03
4.82E+03
4.83E+03
4.84E+03
4.85E+03
4.86E+03
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
MP
a 1:40
1:20
1:10
0.00E+00
2.00E+03
4.00E+03
6.00E+03
8.00E+03
1.00E+04
1.20E+04
1.40E+04
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
MP
a 1:40
1:20
1:10
0.00E+00
1.00E+03
2.00E+03
3.00E+03
4.00E+03
5.00E+03
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
MP
a 1:40
1:20
1:10
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
104 ETSII (UPM)
3.1.2. UIC 54
3.1.2.1. FNX
ZONA A
FIGURA 111 TENSIÓN DE TRACCIÓN EN UIC 54 EN ZONA A
ZONA B
FIGURA 112 TENSIÓN DE TRACCIÓN EN UIC 54 EN ZONA B
ZONA D
FIGURA 113 TENSIÓN DE TRACCIÓN EN UIC 54 EN ZONA D
0.00E+00
5.00E+08
1.00E+09
1.50E+09
2.00E+09
2.50E+09
3.00E+09
ORE1002
ORE1:40
ORE EPS
Pa 1:40
1:20
1:10
0.00E+00
5.00E+08
1.00E+09
1.50E+09
2.00E+09
2.50E+09
3.00E+09
ORE1002
ORE 1:40 ORE EPS
Pa 1:40
1:20
1:10
0.00E+00
5.00E+08
1.00E+09
1.50E+09
2.00E+09
2.50E+09
3.00E+09
ORE1002
ORE 1:40 ORE EPS
Pa 1:40
1:20
1:10
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
105 Gerardo Jaqueti Moreno
3.1.2.2. FNY
ZONA A
FIGURA 114 TENSIÓN LATERAL EN UIC 54 EN ZONA A
ZONA B
FIGURA 115 TENSIÓN LATERAL EN UIC 54 EN ZONA B
ZONA D
FIGURA 116 TENSIÓN LATERAL EN UIC 54 EN ZONA D
0.00E+00
1.00E+07
2.00E+07
3.00E+07
4.00E+07
5.00E+07
6.00E+07
7.00E+07
8.00E+07
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
Pa
1:40
1:20
1:10
0.00E+00
2.00E+08
4.00E+08
6.00E+08
8.00E+08
1.00E+09
1.20E+09
1.40E+09
1.60E+09
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
Pa
1:40
1:20
1:10
0.00E+00
5.00E+07
1.00E+08
1.50E+08
2.00E+08
2.50E+08
3.00E+08
3.50E+08
4.00E+08
ORE 1002 ORE 1:40 ORE EPS
Pa
1:40
1:20
1:10
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
106 ETSII (UPM)
3.1.2.3. PRESIÓN NORMAL
ZONA A
FIGURA 117 PRESIÓN NORMAL UIC 54 EN ZONA A
ZONA B
FIGURA 118 PRESIÓN NORMAL UIC 54 EN ZONA B
ZONA D
FIGURA 119 PRESIÓN NORMAL UIC 54 EN ZONA D
0.00E+00
1.00E+03
2.00E+03
3.00E+03
4.00E+03
5.00E+03
6.00E+03
ORE1002
ORE 1:40 ORE EPS
MP
a 1:40
1:20
1:10
0.00E+00
5.00E+02
1.00E+03
1.50E+03
2.00E+03
2.50E+03
ORE1002
ORE 1:40 ORE EPS
MP
a 1:40
1:20
1:10
0.00E+00
1.00E+03
2.00E+03
3.00E+03
4.00E+03
5.00E+03
6.00E+03
ORE1002
ORE1:40
ORE EPS
MP
a 1:40
1:20
1:10
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
107 Gerardo Jaqueti Moreno
3.2. CONCLUSIONES EN CUANTO A VALORES DE LAS TENSIONES
En cuanto a las tensiones que se definen esta vez de forma cuantitativa, aunque se
insiste en el carácter cualitativo de este trabajo, que resultan del contacto rueda-carril, se
han dividido los resultados en función de la zona donde se da la rodadura (A=+50mm,
B=0mm, D=-10mm) comparando cada perfil de rueda para cada tipo de carril en una misma
inclinación. Hay que especificar que la tensión tangencial se ha dividido en la fuerza de
tracción 𝑭𝒏𝒙 y en la lateral 𝑭𝒏𝒚 , siendo la presión normal la que corresponde con la
componente vertical de los esfuerzos del tren.
Las tensiones tangenciales 𝑭𝒏𝒙 longitudinales de la rueda sobre el carril indican la
capacidad de tracción de la rueda.
La fuerza 𝑭𝒏𝒚 nos indica la tensión que se produce transversalmente en el contacto de la
rueda sobre el carril. Estas tensiones, al contrario que las 𝑭𝒏𝒙, no tienen la finalidad de hacer
posible el movimiento, de forma que nos indicarán el esfuerzo con la que la pestaña puede
chocar con el carril o bien la tensión producida por la inercia lateral del movimiento de lazo
del tren.
La presión normal nos indicara la transferencia del peso total del material rodante a los
carriles a través de las ruedas. Esto se traduce en que el mejor comportamiento mecánico
será aquel que consiga disminuir esta transferencia, a efectos de reducir los efectos sobre
los carriles, ejes, ruedas y demás elementos que sufren efectos de fatiga.
3.2.1. CARRIL UIC 60
3.2.1.1. 𝑭𝒏𝒙.
ZONA B
Es interesante comenzar el analisis por la zona de rodadura estandar o recomendada,
sin desplazamiento lateral y para la que se diseña tanto la banda de rodadura del carril
como la rueda. El comportamiento de los diferentes perfiles es practicamente, por no decir
completamente, iguales. Se aprecia una menor tracción para la inclinación 1:40 sin
embargo, así como una ligera caida en el perfil S1002.
ZONA A
Podemos ver claramente que el comportamiento de las inclinaciones 1:40 y 1:20 es el
peor, aunque sean estas las de mayor utilización.
Las ruedas de perfil S1002 y 1:40 presentan menor tracción que la de perfil EPS.
ZONA D
Para la zona D, al igual que para la normal de rodadura B, se tiene un comportamiento
idéntico para todos los perfiles. Se aprecia un peor comportamiento en la tracción en la
inclinación 1:20, presentando las otras dos inclinaciones un comportamiento muy similar.
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
108 ETSII (UPM)
3.2.1.2. 𝑭𝒏𝒚
ZONA A
Se comprueba que el mejor comportamiento se da para el perfil EPS, dándose las
menores tensiones tangenciales para la inclinación 1:10. El comportamiento de los perfiles
S1002 y 1:40 es peor desde el punto de vista mecánico, aumentando las tensiones
tangenciales sin que estas proporcionen una ventaja mecánica.
ZONA B
Para la zona normal de rodadura, sin desplazamiento lateral, se observa un buen
comportamiento reduciendose las tensiones transversales al mínimo para todos los perfiles
en las inclinaciones de traviesa 1:20 y 1:10. El perfil S1002 provoca una tensión transversal
más elevada, sobre todo con inclinación 1:40.
ZONA D
No se encuentran diferencias significativas en el comportamiento de los distintos perfiles.
Las tensiones que se producen en la dirección transversal son ascendentes en el sentido
1:10, 1:40 y 1:20.
3.2.1.3. PRESIÓN NORMAL
ZONA A
Los mejores resultados se obtienen al disminuir la inclinación de traviesa. Al ir
aumentando esta inclinación se va incrementando la presión que se transmite siendo el
perfil EPS el que peor trabaja a efecto de presión.
ZONA B
Para la zona regular de rodadura, sin embargo, aunque se sigue la misma tendencia que
anteriormente en cuanto inclinaciones se refiere, el peor comportamiento se da para el perfil
S1002
ZONA D
Para la zona D el perfil de rueda es indiferente a efectos de comportamiento, teniendo
tanto la inclinación 1:20 y 1:40 presiones normales bastante menores que la inclinación 1:10.
3.2.2. CARRIL UIC 54
3.2.2.1. 𝑭𝒏𝒙
ZONA A
Las mayores fuerzas de tracción se dan para las inclinaciones 1:40 y 1:20,
independientemente del tipo de perfiles.
Para la inclinación 1:10, sin embargo, se tiene una mejor tracción para el perfil EPS
siendo practicamente igual entre los perfiles S1002 y 1:40.
ZONA B
La capacidad de tracción en esta zona de rodadura no depende del tipo de perfil de
rueda. Se tendrán mejores resultados en cuanto a tracción para las inclinaciones 1:20 y
1:10, siendo mucho menor para las inclinaciones 1:40.
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
109 Gerardo Jaqueti Moreno
ZONA D
En esta zona de rodadura no se tienen diferencias significativas entre los distintos tipos
de perfil de rueda ni las inclinaciones de carril. La única diferencia apreciable se da para el
perfil EPS y la inclinación 1:10.
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
110 ETSII (UPM)
3.2.2.2. 𝑭𝒏𝒚
ZONA A
Las diferencias más acusadas en cuanto a tensión transversal se dan para el perfil EPS,
estando el pico de tensión para la inclinación 1:20, siguiendole la inclinación 1:10 y la 1:40.
ZONA B
Para la zona de rodadura sobre la banda se tienen las mismas tensiones para todos los
perfiles de rueda, siendo la inclinación 1:40 la que provoca mayor presión sobre el carril.
ZONA D
Con los perfiles de rueda S1002 y 1:40 no se tienen unas diferencias significativas,
siendo las inclinaciones 1:20 y 1:10 las que provocan mayores presiones, en orden
decreciente.
Para el perfil de rueda EPS se provoca un pico de tensión con la inclinación 1:10 y un
mínimo para la 1:20.
3.2.2.3. PRESIÓN NORMAL
ZONA A
Para los perfiles S1002 y 1:40 se tienen unas presiones normales relativamente
elevadas teniendo un mínimo de presión para el perfil EPS.
ZONA B
Para la zona de rodadura normal, se tienen unos valores de presión que no presentan
diferencias entre si en cuanto a comparación entre perfiles. Para la inclinación 1:40 se
obtiene la menor presión.
ZONA D
Al contrario que en la zona de rodadura A, para el perfil EPS se tiene el máximo valor de
presión para los tres ángulos de inclinación de traviesa.
Para los perfiles S1002 y 1:40 la distribución de tensiones no presenta diferencias
significativas.
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
111 Gerardo Jaqueti Moreno
TABLA 9 COMPATIBILIDAD DE CADA PERFIL DE RUEDA PARA CARRIL UIC 60
S1002 EPS 1::40
Fnx (Tracciones) Buena Buena Buena
Fny (Desgaste) Buena Buena Buena
Presiones Aceptable Mala Aceptable
Fnx (Tracciones) Buena Buena Buena
Fny (Desgaste) Buena Buena Buena
Presiones Mala Buena Buena
Fnx (Tracciones) Buena Buena Buena
Fny (Desgaste) Aceptable Aceptable Aceptable
Presiones Mala Mala Mala
Fnx (Tracciones) Mala Buena Mala
Fny (Desgaste) Mala Buena Mala
Presiones Aceptable Aceptable Aceptable
Fnx (Tracciones) Buena Buena Buena
Fny (Desgaste) Buena Buena Buena
Presiones Aceptable Buena Buena
Fnx (Tracciones) Mala Mala Mala
Fny (Desgaste) Mala Mala Mala
Presiones Buena Buena Buena
Fnx (Tracciones) Mala Buena Mala
Fny (Desgaste) Mala Buena Mala
Presiones Buena Aceptable Buena
Fnx (Tracciones) Mala Mala Mala
Fny (Desgaste) Mala Aceptable Aceptable
Presiones Buena Buena Buena
Fnx (Tracciones) Buena Buena Buena
Fny (Desgaste) Aceptable Aceptable Aceptable
Presiones Buena Buena Buena
Zona A
Zona B
Zona D
UIC 60
1::10
1::20
1::40
Zona A
Zona B
Zona
Zona A
Zona B
Zona D
Capítulo 4. Resultados, conclusiones, …
112 ETSII (UPM)
TABLA 10 COMPATIBILIDAD DE CADA PERFIL DE RUEDA PARA CARRIL UIC 54
S1002 EPS 1::40
Fnx (Tracciones) Mala Buena Mala
Fny (Desgaste) Aceptable Mala Aceptable
Presiones Mala Buena Mala
Fnx (Tracciones) Buena Buena Buena
Fny (Desgaste) Buena Buena Buena
Presiones Mala Mala Mala
Fnx (Tracciones) Buena Mala Buena
Fny (Desgaste) Aceptable Mala Aceptable
Presiones Buena Mala Buena
Fnx (Tracciones) Buena Buena Buena
Fny (Desgaste) Buena Mala Buena
Presiones Mala Buena Mala
Fnx (Tracciones) Buena Buena Buena
Fny (Desgaste) Buena Buena Buena
Presiones Mala Mala Mala
Fnx (Tracciones) Buena Buena Buena
Fny (Desgaste) Aceptable Buena Aceptable
Presiones Buena Mala Buena
Fnx (Tracciones) Buena Buena Buena
Fny (Desgaste) Buena Buena Buena
Presiones Mala Buena Mala
Fnx (Tracciones) Mala Mala Mala
Fny (Desgaste) Mala Mala Mala
Presiones Aceptable Aceptable Aceptable
Fnx (Tracciones) Buena Buena Buena
Fny (Desgaste) Buena Buena Buena
Presiones Buena Mala Buena
Zona B
Zona C
UIC 54
1::10
Zona A
Zona B
Zona C
1::20
Zona A
Zona B
Zona C
1::40
Zona A
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
113 Gerardo Jaqueti Moreno
3.3. VALIDACIÓN Y VERIFICACIÓN
La validación del trabajo actual no se ha realizado tanto en cuanto no se dispone de
material ni de las instalaciones necesarias para realizar la medición del contacto de rueda-
carril en la rodadura del material rodante sobre la vía.
En cuanto a la verificación del mismo, este trabajo se ha basado contra normativa, tanto
en la obtención y diseño de los perfiles de carril y de rueda como en la inclinación de
traviesa. A continuación se enumeran estas normas UNE: EN 13674-1:2011, EN 13674-
1:2011, EN 13715:206+A1:2010, EN 13715:2006+A1:2010, EN 13715:2006+A1:2010.
También es importante resaltar la concordancia obtenida, salvando la mayor exactitud de
un software especifíco para el estudio del contacto rueda-carril, con el proyecto fin de
carrera [1].
CAPÍTULO 5. PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
113 Gerardo Jaqueti Moreno
1. PLANIFICACIÓN Y PRESUPUESTO DEL PROYECTO
La planificación del proyecto se realiza basándose en un esquema dado por la estructura
de descomposición del proyecto (EDP) que se utiliza como base para realizar el GANT. El
cálculo del presupuesto para la realización del proyecto se ha realizado según la siguiente
descomposición:
Trabajo diario de ingeniero graduado en tecnologías industriales:
Se descuentan los fines de semana y los días festivos.
Se realiza un desplazamiento hasta el lugar de trabajo.
No se incluye gasto de dieta.
El trabajo diario abarca un periodo de aproximádamente cinco horas.
Material y licencias necesarias:
Matlab requiere de licencia, obtenida por la UPM, por lo que no existe
coste extra.
CONTACT software de uso libre, por lo que no existe coste extra.
Se cuenta con odenador personal así como los disponiblesen el
departamento de ingeniería gráfica.
Coste de impresión y encuadernado del proyecto.
Tomando como base la aportada por el Colegio Oficial de Ingenieros Industriales de
Madrid (COIIM), el salario recomendado para un graduado en la titulación del autor de este
proyecto sería de 25€/h. Teniendo como base el diagrama temporal GANT y no teniendo en
cuenta los costes de transporte, el resultado se fija en:
𝐸𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜𝑟𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜: 88 𝑑í𝑎𝑠
𝐷í𝑎𝑠 𝑛𝑜 𝑙𝑎𝑏𝑜𝑟𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠 (𝑓𝑒𝑠𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 𝑦 𝑓𝑖𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎): 41 𝑑í𝑎𝑠
𝐷í𝑎𝑠 𝑙𝑎𝑏𝑜𝑟𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠: 47 𝑑í𝑎𝑠
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙: 𝟓𝟏𝟐𝟓 €
Capítulo 5. Planificación temporal y presupuesto
114
2. ESTRUCTURA DE DESCOMPOSICIÓN DE LA EMPRESA
Estudio de compatibilidad de montaje de vía
115 Gerardo Jaqueti Moreno
3. DIAGRAMA TEMPORAL. GANT
Capítulo 5. Planificación temporal y presupuesto
116
117 Gerardo Jaqueti Moreno
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119 Gerardo Jaqueti Moreno
REFERENCIAS [1] González Fernández, F & Fuentes Losa, J (2006), Ingeniería Ferroviaria. Madrid: UNED.
[2] Xin Zhao & Zili Li (2011). The solution of frictional wheel–rail rolling contact with a 3D
transient finite element model: Validation and error analysis. Faculty of Civil Engineering and
Geosciences, Delft University of Technology: The Netherlands.
[3] Sladkowski,A & Sitarz,M (2003). Analysis of wheel–rail interaction using FE
software.Department of Railway Transport. Poland: Silesian Technical University, Krasinski.
[4] Ortega Lester,E (2012). Simulación del contacto rueda-carril con Pro/ENGINEER.
Leganés: Universidad Carlos III.
[5] Rovira.A, Roda.A, Marshall. M.B, Brunskill.H, Lewis. R (2011). Experimental and
numerical modelling of wheel–rail contact and wear. Valencia, Spain: Universitat Politecnica
de Valencia, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Sheffield, UK: University of Sheffield, Dep. of
Mechanical Engineering.
[6] Pau. M, Aymerich. F, Ginesu. F (2002). Distribution of contact pressure in wheel–rail
contact area Department of Mechanical Engineering. Cagliari (Italy): University of Cagliari.