Ferrocarriles DISEÑO DE RIELES
DISEÑO DE LOS RIELES Antecedentes
La característica técnica más importante del ferrocarril es el contacto de la rueda provista de pestaña y el riel. Tanto la rueda provista de pestaña como el riel o carril fueron desarrollados en la primera mitad del siglo XX y continúan unidas para constituir la base de este medio de transporte. El desarrollo en gran escala de estos dos elementos ferroviarios se caracteriza por el aumento de las cargas por eje desde 3 a más de 30 ton y por las velocidades comerciales superiores a 300 Km/hora.
DISEÑO DE LOS RIELES Antecedentes
La característica técnica más importante del ferrocarril es el contacto de la rueda provista de pestaña y el riel. Tanto la rueda provista de pestaña como el riel o carril fueron desarrollados en la primera mitad del siglo XX y continúan unidas para constituir la base de este medio de transporte. El desarrollo en gran escala de estos dos elementos ferroviarios se caracteriza por el aumento de las cargas por eje desde 3 a más de 30 ton y por las velocidades comerciales superiores a 300 Km/hora.
C o m p o n e n t e s d e l r i el el
Un riel está compuesto por : Cabeza. Alma. Zapata o patín.
Función del Riel
El riel constituye el elemento fundamental de la estructura de la vía y actúa como calzada, dispositivo de guiado y elemento conductor de la corriente eléctrica. Debe cumplir, por lo tanto, los siguientes propósitos: Resistir directamente las tensiones que recibe del material rodante y transmitirlas, a su vez, a los otros elementos que componen la estructura de la vía. Realizar el guiado de las ruedas en su movimiento. Servir de conductor de la corriente eléctrica para la señalización y la tracción en las líneas electrificadas.
Características Generales del Riel
En primer lugar, resulta necesario, como consecuencia del carácter de calzada del riel, que la superficie de rodadura sea lo más lisa posible, así como que la deformación bajo carga de ésta sea de tal naturaleza que sus características geométricas se encuentren dentro del intervalo que delimita una calzada de buena calidad. En este sentido es de mayor interés que los rieles tengan una elevada rigidez. Sin embargo, para evitar su rotura sería adecuado un material capaz de absorber energía en forma de deformación elástica.
Características Generales del Riel
Por otro lado, si bien desde un punto de vista técnico la robustez del riel, y por tanto su peso, es deseable, con el objeto de garantizar la seguridad de los trenes con grandes cargas por eje y elevadas velocidades, desde el punto de vista económico sería preferible un riel de poco peso, debido a que su repercusión en el costo del kilómetro de vía es importante.
Características Generales del Riel
Dado que es inevitable la existencia de acciones dinámicas entre el vehículo y la vía, y que éstas tienen lugar a través de los rieles, interesa que éstos sean elásticos, lo que resulta difícil de conseguir de un modo general, como consecuencia de las elevadas presiones que tienen lugar en la reducida zona de contacto ruedariel, y que pueden originar deformaciones plásticas en éste.
Material
Los primeros rieles de que se tiene noticia fueron de piedra y bronce en el siglo V AC. Mucho después, en el siglo XV, aparecen los rieles de madera en las minas; finalmente en el siglo XVIII se emplea el hierro y, por último en el siglo XIX, el acero se incorpora como material de los rieles.
Los primeros rieles metálicos modernos eran de corta longitud y estaban construidos en hierro fundido, material que, debido a su fragilidad pronto se mostró inadecuado para resistir la acción de las ruedas sobre él. Vino a continuación una larga etapa de utilización de rieles de hierro laminado, con longitudes mayores que los fundidos; sin embargo, el incesante aumento de las cargas por eje y de las velocidades de circulación hicieron precisa su continua sustitución a causa de su incapacidad para resistir el desgaste. Con la llegada del acero se produjo, no obstante, un cambio radical, pues ya de los primeros rieles de acero se dijo que tuvieron duraciones de dieciséis años en lugares donde era preciso reemplazar los de hierro cada tres meses.
La cabeza del riel debe tener un ancho y altura suficiente desde el punto de vista de las cargas a soportar y de la altura de la pestaña de la rueda. La transmisión del esfuerzo no debe tener lugar bajo la forma de un contacto puntual, sino la forma de la superficie de rodadura debe garantizar una buena repartición de los esfuerzos aplicados y parecerse a un perfil de desgaste. La inclinación de las caras laterales de la cabeza es un compromiso entre las necesidades de circulación en recta, donde no se produce normalmente ningún contacto lateral y la circulación en curva, donde la presión unitaria de la pestaña sobre el riel debe ser lo más reducida posible.
El alma del riel debe asegurar la transmisión óptima de las solicitaciones exteriores desde la cabeza hasta el patín. Hay que tener en cuenta los efectos posibles de la corrosión y de las solicitaciones transversales para elegir el espesor del alma. El patín del riel debe tener una anchura suficiente con el fin de aumentar la rigidez de la vía para asegurar una repartición correcta de la carga sin volteo del riel. Con este fin se ha estudiado que la relación óptima entre la altura del riel y el ancho del patín, la que debería ser del orden de 1,1 a 1,2. En cuanto al espesor del patín, es conveniente que la relación espesor/ancho tenga un valor inferior a 0,075 y que el espesor exterior del patín no sea nunca inferior a 11 mm, con el fin de evitar un enfriamiento irregular en la soldadura en las vías con rieles soldados.
Perfiles Normalizados AREMA
Pese a que en Norteamérica existe una gran variedad de perfiles normalizados, AREMA tiene sólo algunos perfiles vigentes. Estos son los que se muestran en la Tabla 7-8 a continuación de la figura 7-1 siguiente, que contiene el perfil normal AREMA.
TABLA 7-8 Perfiles Normales AREMA
Perfiles Utilizados en Chile
Además de los perfiles normalizados AREMA, hay una serie de perfiles anteriores, que en su época eran normalizados, algunos de los cuales se utilizan en Chile. Dada la gran antigüedad de los trazados ferroviarios en Chile, aún hay instalada una gran variedad de perfiles de riel diferentes.
Perfiles Europeos
Los rieles utilizados en Europa tienen algunas características diferentes a los rieles de la norma AREMA, por lo que no se recomienda utilizarlos en Chile: El diseño de la cabeza es algo diferente al norteamericano, para el cual está adaptado el perfil de las ruedas del equipo rodante que circula en Chile. El diseño del patín del riel UIC es también diferente y tiene menor inclinación, lo que produce desajustes en las sujeciones (clavos, tirafondos, clips elásticos). La dureza del riel UIC es también menor, lo que provocará su desgaste prematuro con las llantas utilizadas en Chile, cuya dureza es compatible con los rieles norma AREMA.
Los rieles europeos que se utilizan en la actualidad son: UIC 54 de peso 54,43 kg/m.
UIC 60 de peso 60,34 kg/m.
ORE 71 de peso 71,24 kg/m.
Con propósitos informativos, el esquema siguiente muestra el perfil de riel UIC.
PERFIL RIEL UIC
Dis eñ o d e rieles Peso óptimo del riel:
Para determinar el peso óptimo del riel no hay un método con bases teóricas que considere todos los factores relevantes. Hay que tomar en cuenta que usar rieles de mayor peso que el determinado en forma estricta por consideraciones estructurales, acarrea en la práctica otros beneficios:
Una mayor duración de la vía y de los rieles.
Una disminución de la resistencia al avance de los trenes.
Una reducción de los gastos de conservación vía.
En la práctica, se han propuesto varias fórmulas empíricas para determinar el peso óptimo del riel, siendo las más completas las siguientes:
1. La fórmula de Shajunianz:
en que: q
es el peso por metro lineal del riel en kg
a
es un coeficiente que es 1,2 para los vagones y 1,13 para locomotoras
T
es el tráfico anual en millones de toneladas brutas
V
es la velocidad máxima de circulación en km/h
P
es la carga por eje en toneladas
La fórmula propuesta en la norma AREMA:
en que: V
es la velocidad máxima de circulación en km/h
P
es la carga por eje en toneladas
Longitud de los Rieles
Durante mucho tiempo, la longitud de los rieles osciló alrededor de los 12 m, debido principalmente a las condicionantes del transporte y a la necesidad de dejar entre dos rieles consecutivos una juntura de dilatación para evitar el posible pandeo de la vía por la dilatación térmica de los rieles. Con una longitud mayor de los rieles, el ancho de la juntura de dilatación sería mayor, lo que es incompatible con el confort de marcha y con la conservación del material. Sin embargo, posteriormente este problema se ha subsanado con las técnicas de la vía soldada en forma continua, lo que permitiría en teoría producir barras de riel de cualquier longitud. Sin embargo, las dificultades de laminación y especialmente de transporte y manipulación permanecen, por lo que el largo más común de fabricación de los rieles se mantiene entre 11,89 m (39 pies) y 25 m
Marc ación de los rieles. Para poder identificar los rieles , éstos se marcarán en la superficie de rodado del riel y a no menos de 500 mm. de su extremo, se indicará con pintura, la clasificación del riel y en el siguiente orden :
Tipo (perfil) del riel, en letras mayúsculas. Calidad del riel (n = nuevo; r = reempleo y e = excluido), en letras minúsculas. Clasificación del riel : 1A,1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4 ó 5 en el caso de rieles de reempleo, y 1a ó 2a en el caso de rieles excluidos. Longitud del riel, expresado en metros y separado por un guión de la letra y/o número citado anteriormente.
Desg aste y deform ación d e rieles
Como todo material, los rieles también se van desgastando según el uso que se les hace a través del tiempo, éstos se desgastan en la parte superior, la cabeza, que es la que hace contacto con las ruedas del ferrocarril. Para que el riel siga cumpliendo con su función y no haya problemas de seguridad, existe un valor de desgaste máximo que es permitido, el cual es de 3/8 (10 mm.). DESGASTE DE CABEZA : ”
Desgaste lateral de la cabeza del riel : Es el desgaste de la superficie lateral de la cabeza del riel, medido transversalmente a una distancia de la superficie de apoyo del riel igual a la altura del riel nuevo disminuida en 16 mm. Desgaste vertical de la cabeza del riel : Es el desgaste de la superficie de rodado del riel, medido en su eje vertical. Desgaste ondulatorio de la cabeza del riel : Desgaste discontinuo de la superficie de rodado del riel que se caracteriza por una sucesión alternada de zonas altas brillantes y zonas bajas (baches) oscuras. Encalladuras : Cavidades de poca profundidad que se forman en la superficie de rodado de los rieles por desprendimiento del material autotemplado a causa del patinaje de las ruedas de los vehículos ferroviarios.
Otro daño que sufren los rieles es la desalineación de éstos, los cuales serían :
DESALINEACIÓN HORIZONTAL
DESALINEACIÓN VERTICAL : doblez hacia zapata.
DESALINEACIÓN VERTICAL : doblez hacia cabeza.
DEFECTO EN LOS RIELES. Algunos de los defectos que se encuentran en los rieles son : Fisura transversal. Fisura compuesta. Fractura superficial. Encalladura. Defecto en la soldadura. Grieta horizontal en la cabeza. Grieta vertical en la cabeza. Grieta en el alma. Entubadura de riel. Separación cabeza - riel. Grieta próxima al agujero del perno. Zapata quebrada. Quebradura ordinaria. Riel dañado. Tales rieles que presenten algunos de estos defectos deberán ser retirados de la vía.
C am b io d e ri el es .
En el extranjero se cambian rieles más o menos cada 10 años Lo que se hace es sacar el riel que está dañado o desgastado de la vía y se lleva a la planta. En este lugar se van perfilando, se limpian, lo soldan y se dejan barras de 100 m. de longitud y luego se soldan en terreno. Reacondicionamiento de rieles : Es el proceso a que se someten los rieles para dejarlos aptos para su utilización en vías férreas.
J u n tu r a de ri el es .
Por qué los rieles de la línea de tren tienen una pequeña separación? Esto es debido a los cambios de volumen que sufren los rieles, lo cual se refiere a los cambios que sufre la materia en relación al espacio que ocupan. Los cambios de volumen son dos : contracción y dilatación. Contracción es la disminución de volumen que sufre el riel al enfriarse. La contracción se entiende porque al enfriarse los cuerpos, las partículas están más cercanas unas de otras, disminuye su movimiento y como consecuencia disminuye su volumen. Dilatación es el aumento de volumen de los rieles que ocurre debido a las altas temperaturas, por lo cual es necesario dejar esta pequeña abertura (juntura) a lo largo de los rieles que conforman la vía férrea.
Peraltes
Cuando en la vía se presenta una curva , los rieles deberán ir peraltados, éste puede llegar hasta 200 mm. dependiendo del radio de la curva, de la velocidad permitida en la vía, del ancho que se le va a dar a la trocha para que pueda girar. El peralte se debe iniciar antes de la curva y después de ella produciéndose un enlace de peralte. En la curvatura las vías deben ir ensanchándose levemente para que el carro pueda doblar sin ningún problema, ya que al ser las partes de éste rígidas, al querer doblar nunca van a quedar perfectamente alineados. Se tiene que a un menor radio hay un mayor ensanche, por ejemplo para una curva de 600 m. de radio el ensanche es de 6mm., para una curva menor de 250 m. el ensanche alcanza hasta los 25mm.
ACORDAMIENTO :
Los desarrollos de curvas requieren además un tramo de enlace que se denomine acordamiento o rampla. Los radios mínimos en líneas de primer orden es mínimo 400 m., solo en casos especiales se usan hasta 250 m. Los radios mínimos en líneas de segundo orden van de 300 m., pudiendo bajarse a 200 m. en casos especiales. El acordamiento debe tener una longitud no inferior a 400 veces el valor del peralte de la curva.
Pern os Rielero s Los rieles y las eclisas van unidos mediante pernos rieleros, hay de diferentes tipos, algunos son : Tirafondo Rielero : El cual se usa para la fijación de los rieles y otros elementos de la vía férrea. Este debe ir recubierto con aceite.
Clavo Rielero Ferrocarriles : El cual se usa para la fijación de los rieles y otros elementos de la vía férrea. Este debe ir recubierto con aceite.
Clavo Rielero Tipo Americano : El cual se usa para la fijación de los rieles y otros elementos de la vía férrea. Este debe ir recubierto con aceite.
