Al considerar todos los componentes y subconjuntos que conforman un sistema de material rodante y su entorno, resulta útil trazar una línea imaginaria a lo largo de la parte superior del riel. Esta línea divide el sistema en dos grupos principales. El primer grupo, ubicado por encima de la línea, es el “material rodante”, representado por un bastidor de bogie (o una combinación de dos bastidores laterales y una cruceta) junto con la suspensión primaria y secundaria y el vagón. El segundo grupo, ubicado por debajo de la línea, es “el camino”, representado por los rieles, sujetadores, traviesas, balasto y otros componentes. La interfaz entre los dos grupos es el eje con un juego de ruedas.
Si bien muchos de los elementos más simples de este sistema pueden tratarse mediante pruebas de componentes básicos, la evaluación de un componente o subconjunto dentro del material rodante requiere considerar tres factores igualmente importantes: fatiga, rendimiento y comodidad.
Aunque la vida útil de la fatiga puede no ser lo que el pasajero aprecia (o incluso piensa) durante el viaje, sin embargo representa una parte muy importante en el diseño y servicio del material rodante. A lo largo del último siglo, la industria ferroviaria ha llegado a comprender y reconocer la importancia de las pruebas de fatiga en el diseño y la fabricación de componentes ferroviarios. Con el fin de garantizar una vida útil constante frente a la fatiga y la seguridad de los pasajeros, se han desarrollado muchas normas de certificación.
CUMPLIMIENTO DE LAS NORMAS DE CERTIFICACIÓN
Los fabricantes de componentes y subsistemas ferroviarios deben probar componentes y subsistemas para cumplir con las normas de certificación pertinentes, incluidas las normas internacionales como M-202-97 para travesaños, M-203-05 para bastidores laterales y UIC 615 para bogies. Estas normas ayudan a definir las pruebas que se utilizan para establecer la vida útil a la fatiga y la durabilidad de los nuevos componentes, y son esenciales para garantizar el funcionamiento seguro y a largo plazo de las líneas ferroviarias de pasajeros, de mercancías y ligeras.
Las pruebas de certificación de bogies, travesaños y bastidores laterales requieren que los fabricantes realicen pruebas de seguridad y confiabilidad en estructuras y componentes de bogies en configuraciones específicas. Se aplican cargas estáticas y dinámicas para evaluar el rendimiento, la fuerza y la resistencia. Los resultados de las pruebas incluyen el rendimiento y los niveles de carga de falla máxima, así como los datos de la vida útil por fatiga.
Se requieren tres cargas para probar los apoyos correctamente: carga de rocas, rebote en el centro y rebote en los bordes (consulte la Figura 1). Estas cargas representan las fuerzas a las que está sometido el cabezal en su entorno real de servicio. Para el bastidor lateral, también se requieren tres cargas: torsión vertical, transversal y central (consulte la Figura 2). Todos estos vectores de fuerza separados son importantes para presentar las cargas adecuadas y la distribución de la tensión en la probeta y ayudar a garantizar una vida útil adecuada a la fatiga.
Para probar los cabezales y los bastidores laterales, lo ideal es un bastidor de carga de suelo con una clasificación adecuada y que sea relativamente sencillo de instalar. Sin embargo, las pruebas de fatiga del bastidor del bogie son más sofisticadas y complejas. LLas pruebas de certificación de bogies están definidas por normas internacionales y locales, y requieren un mayor número de canales y una sujeción mucho más complicada. Las configuraciones de carga para la prueba se basan en la configuración del bogie. El número de ejes por bogie, el número de bogies por vagón y el peso combinado del bogie y del vagón son algunos de los parámetros que determinan las cargas necesarias para la prueba. Las pruebas de certificación requieren un sistema de carga multicanal y de alta fuerza, y normalmente se realizan millones de ciclos. Durante una prueba, se recogen y analizan la deformación y otras señales para ayudar a los diseñadores a entender la dinámica de carga del entorno de servicio, identificar las áreas de alta tensión y mejorar los diseños como corresponde. Al comparar las respuestas de deformación con los modelos de análisis de elementos finitos (FEA), los ingenieros pueden validar los modelos, lo que mejora los diseños futuros.
PRUEBAS AVANZADAS DE FATIGA
Las normas de certificación son rigurosas e implican millones de ciclos de carga, pero se centran exclusivamente en el conjunto mínimo de cargas (verticales, transversales y de alabeo) necesarias para verificar una vida útil a la fatiga y el factor de seguridad adecuados. Estas cargas son mucho más altas que las esperadas durante el funcionamiento normal. Los historiales de carga son deliberadamente conservadores para garantizar una tasa de fallas lo más cercana posible a cero en todas las combinaciones posibles de uso. Este enfoque ha demostrado ser adecuado para los bogies de carga comunes y se ha adoptado (de una forma u otra) en todo el mundo.
Sin embargo, en el material rodante de pasajeros moderno, los bogies, las suspensiones y la interfaz del automóvil son mucho más complejos que con el transporte de mercancías. Los bogies de pasajeros de alta velocidad son piezas soldadas complejas. Elementos como amortiguadores, eslabones de suspensión y componentes auxiliares (compresores, pinzas de freno) presentan cargas adicionales al bogie. Estas cargas a menudo se componen de vectores y ubicaciones de carga muy diferentes a los descritos por la norma de certificación. Las ubicaciones, magnitudes, vectores y fases de estas cargas son importantes para los ingenieros de pruebas interesados en reproducir el entorno de funcionamiento real del bogie de la forma más realista posible.
La complejidad se convierte rápidamente en un problema en estas circunstancias. Si bien las pruebas de certificación suelen utilizar menos de 10 canales (en la mayoría de los casos, menos de seis), las pruebas de desarrollo más avanzadas pueden necesitar más de 20 (y en algunos casos más de 30) canales de control. Combinar las cargas adicionales con las establecidas en las normas de certificación supone un gran reto en términos de sujeción.
Abordar esta complejidad es fundamental. Durante los últimos 10 a 15 años, la demanda ha crecido considerablemente entre los usuarios finales de material rodante que brinde mayor confiabilidad, mejor desempeño y mayor comodidad. Para satisfacer estas necesidades, los fabricantes están desarrollando materiales y métodos de fabricación que no estaban disponibles cuando se establecieron por primera vez las normas de certificación. Los nuevos materiales, y sobre todo los nuevos métodos de reducción de peso, que se utilizan en el diseño y la fabricación de prácticamente todos los componentes del sistema ferroviario han creado la necesidad de nuevos procedimientos de pruebas de desarrollo que quedan fuera del ámbito de las pruebas de certificación tradicionales.
Para estas aplicaciones estructurales más grandes, se requieren portales de dos o cuatro columnas con configuraciones de actuador personalizadas (consulte la Figura 3). Debido a que muchas de las fuerzas en un bogie son altas, los actuadores que se utilizan para replicar estas cargas son grandes. La aplicación directa de actuadores a los puntos de carga puede requerir que varios actuadores ocupen el mismo espacio físico al mismo tiempo. Se trata de un problema que requiere una gran experiencia en sujeción y mecanismos cinemáticos para resolverlo. Se utilizan combinaciones de actuadores, palancas, puntales (columnas de carga) y cojinetes para aplicar los vectores de carga en las ubicaciones correctas. Los sensores de carga se pueden instalar en actuadores, puntales de carga y/o accesorios de reacción. Los cojinetes giratorios en ambos extremos de los puntales y actuadores eliminan las cargas laterales y de flexión. En algunos casos, la probeta se puede invertir para permitir un mejor acceso a los puntos de carga.
El acoplamiento cruzado, cuando la acción de un actuador afecta a otro, presenta serios problemas de control que deben superarse. El controlador digital y el software deben trabajar juntos para coordinar la amplitud y la fase de los canales afectados para eliminar el riesgo de interferencia y garantizar una carga precisa. Por lo general, se utilizan técnicas de control avanzadas. Todo el sistema, incluida la probeta, el bastidor y el subsistema del actuador, puede contener algunas no linealidades naturales. Tener en cuenta estas no linealidades puede requerir modificar las señales de activación para lograr el historial de carga deseado en la probeta.
Los ajustes suelen realizarse con un software avanzado de procesamiento de señales, como el MTS Remote Parameter Control (RPC®), que se basa en la matriz de función de respuesta de frecuencia (FRF) de todo el sistema. El software mide el comando del controlador y lo compara con la amplitud y fase de las respuestas de la probeta en el rango de frecuencia deseado. Se genera una matriz de acoplamiento cruzado que incluye todos los acoplamientos cruzados y otras diferencias lineales entre el comando y la respuesta. Luego, esta FRF se invierte y se multiplica por la respuesta deseada. El resultado es un archivo de accionamiento del actuador que compensa el acoplamiento cruzado y los problemas relacionados. Las contribuciones no lineales se corrigen calculando el error, creando un archivo de corrección correspondiente y aplicando la corrección al archivo de accionamiento anterior. Este proceso iterativo se repite hasta que se alcanza la precisión deseada. La aplicación de estas técnicas de compensación de control permite que la prueba se ejecute con precisión a una frecuencia mucho mayor, lo que reduce el tiempo de la prueba y aumenta su calidad.
Mientras esto ocurre, los ingenieros deben ser capaces de recoger y gestionar grandes cantidades de datos. El sistema de pruebas puede necesitar acomodar, por ejemplo, hasta 250 canales de calibres extensométricos y de desplazamiento para encontrar posibles vulnerabilidades en el diseño. Algunos de estos datos se deben recopilar en tiempo real para utilizarlos en el sistema de control, mientras que otras cantidades de datos aún mayores se deben recopilar para el análisis fuera de línea y la comparación con modelos de ingeniería asistida por computadora (CAE).
Superar todos estos retos es difícil, pero vale la pena la inversión. Los resultados permiten a los fabricantes de componentes optimizar los diseños, diferenciar las ofertas de nuevos productos y brindar la confianza que los clientes necesitan en la calidad y confiabilidad de los nuevos componentes.
