Aplicación.

Vibraciones en las Vías de Ferrocarril

Referencia: Vidal M. A. (2009), Vibraciones en las Vías de Ferrocarril. Universidad Politécnica de Cataluña. España. Recuperado de: http://upcommons.upc.edu/handle/2099.1/8478

1. vibraciones en las vías.

El paso de trenes de alta velocidad genera un gran nivel de tensiones en la estructura ferroviaria debido al aumento de las cargas que se producen por el carácter dinámico de los esfuerzos. Este aumento puede tener múltiples focos de origen pero solo se produce debido a la acción de la carga móvil desplazándose por la vía. En vías con balasto estos esfuerzos deben ser amortiguados y absorbidos por la capa granular del balasto, que sufre un elevado nivel de vibraciones en sus partículas que puede llegar a afectar su comportamiento mecánico, con fenómenos como la licuefacción del balasto, que provoca una descompactación de los granos de la capa, y por tanto ve reducida su capacidad de resistir los esfuerzos generados que se transmiten a través de la traviesa.

       1.2 Efectos dinámicos

La interacción dinámica entre vehículo y carril (en esfuerzos verticales) puede representarse de forma razonable mediante multitud de modelos. La figura 3.2 da un ejemplo claro de un modelo discreto de suspensión del vehículo por muelles y amortiguadores, una viga soportada por otro sistema de mulles y amortiguadores que representa el sistema placa de asiento/traviesa/balasto, y finalmente el sistema de contacto hertziano para describir el contacto entre rueda y carril.

      1.3 Rigidez vertical de la vía

Rigidez vertical de la vía La rigidez vertical de la vía depende de la rigidez de sus componentes: carril, placa de asiento, fijaciones, balasto, subbalasto y plataforma. Esta se obtiene teniendo en cuenta las consideraciones que se describen a continuación. Cuanto mayor es la rigidez vertical de la vía, mayores son sus sobrecargas dinámicas sobre el carril según la formulación de Prud’Homme (1970):

Donde:

• σ ∆QNS representa las sobrecargas dinámicas debidas a las masas no suspendidas del material circulante.

 • a ≈ ,0 42

• b es una variable relacionada con los defectos de vía y del vehículo.

• v es la velocidad de circulación del vehículo, en Km/h.

• mNS es la masa no suspendida por rueda del vehículo, en toneladas.

• k es la rigidez vertical de la vía, en t/mm. 

       1.4 Contacto hertziano:

 El contacto entre dos cuerpos, y las acciones que tienen lugar al interactuar entre ellas es un problema de mecánica clásica resuelto por Hertz en el siglo XIX. Por eso se usa el termino de contacto hertziano para definir para definir el contacto entre la rueda y el carril, que se produce a altas velocidades y en una superficie de contacto muy pequeña.

        Al paso de los trenes a cierta velocidad, ciertas irregularidades en el carril, como desperfectos en la superficie de contacto o soldaduras mal ejecutadas, crean excitaciones de alta frecuencia y onda corta. También los planos existentes en las ruedas más desgastadas crean vibraciones de contacto muy similares. Todas ellas acostumbran a oscilar entre 20 y 100 Hz, con longitudes de onda que abarcan desde centímetros hasta un metro o dos.

       1.5 Vibraciones ocasionadas al paso de elementos fijos del tren y la vía:

 En general las vibraciones provocadas por elementos fijos del tren y la vía, están caracterizadas por la frecuencia de paso por ejes y la frecuencia de paso por los bogies y sus armónicos de orden superior, y por la frecuencia de pasos por las traviesas. Elementos característicos de la vía y el tren

como las traviesas, bogies y ejes, están situados a una distancia fija unos respecto a otros, esto representa un paso de cargas que se repite de forma constante a medida que va pasando el tren a una cierta velocidad, y que crea unas pulsaciones que se transmiten al carril, y en consecuencia a las traviesas y finalmente al balasto. Estas vibraciones pueden provocar frecuencias de 5 a 25 Hz, y pueden llegar a ser muy similares a las frecuencias propias de resonancia de puentes de ferrocarril, hecho que puede provocar situaciones muy negativas como se expondrá más adelante.

En un mismo tren es posible distinguir diferentes mecanismos generadores de vibraciones en la capa de balasto, que pueden actuar en diferentes (aunque similares) bandas de frecuencias, dependiendo de la geometría del tren y del paso periódico de sus elementos y los de la vía:

• M = Distancia entre bogies.

 • L = Distancia entre bogies equivalentes de un a otro vagón.

 • a = Distancia entre ejes de un mismo bogie.

• d = Distancia entre traviesas.