Contribución al estudio de las vibraciones producidas por el contacto rueda-carril y su transmisión al entorno

Abstract

La principal causa de las vibraciones generadas por la circulación de un tren reside en el contacto rueda-carril, concretamente en las fluctuaciones de la fuerza de contacto provocadas por las irregularidades del perfil de ruedas y carriles. La medición experimental del estado dinámico de estas vibraciones requiere del empleo de un procedimiento de medición complejo. Adicionalmente, el conocimiento de la influencia de los diversos elementos de la vía en la generación y transmisión de la vibración al paso de un tren, es importante a la hora de diseñar y ejecutar nuevos trazados de ferrocarriles subterráneos, de cara a evaluar el impacto ambiental y para la selección de los tipos de vía más adecuados desde el punto de vista de sus características antivibratorias. Por todo lo anterior, se ha desarrollado un modelo matemático que permite predecir la fuerza de contacto generada en la zona de interacción rueda-carril. La modelización incluye una caracterización de la vía ferroviaria y de sus elementos constitutivos, las características de la suspensión del coche, y el empleo de la teoría no lineal de Hertz para estudiar el contacto ruedacarril. A partir de la historia temporal de la fuerza de contacto rueda-carril, se obtienen registros descriptivos del comportamiento vibratorio de un tren que se desplaza a velocidad constante sobre la vía. El registro temporal de vibración del carril al paso de una rueda se obtiene mediante una metodología de convolución de núcleo variable. Para ello ha sido necesario hallar las respuestas impulsionales de la vía, correspondientes a diferentes distancias entre un punto de excitación de vibraciones del carril y el punto donde se desea conocer la respuesta vibratoria del mismo. La respuesta frecuencial del sistema se calcula para el rango de frecuencias comprendido entre 10 y 400 Hz, adecuado para las bajas velocidades de desplazamiento, usuales en los ferrocarriles existentes en una vía suburbana. En algunas redes metropolitanas se han instalado tramos en los cuales la vía se encuentra sostenida por una losa intermedia de concreto, sobre la cual es posible emplear cualquier tipo de vía. La presente tesis doctoral evalúa la influencia de la losa en la respuesta dinámica de la vía. Para ello se ha realizado una modelización de la misma, incorporándola al modelo de vía descrito. En este trabajo se describe además, un análisis cuantitativo destinado a comparar el comportamiento de distintos tipos de vía, utilizadas usualmente en ferrocarriles suburbanos, en cuanto a la generación y transmisión de vibraciones a la base de la vía, considerando la influencia de las características de inercia, rigidez y amortiguamiento de cada tipo de vía. Los resultados obtenidos mediante el modelo propuesto, se han validado mediante medidas experimentales efectuadas en distintas líneas del Ferrocarril Metropolitano de Barcelona para diversos tipos de vía. La transmisión de las vibraciones generadas por el contacto rueda-carril en los trenes de un ferrocarril suburbano hacia el entorno del túnel y los edificios colindantes es a menudo causa de molestias para el vecindario. Por tal motivo, se propone una metodología para estimar el nivel de vibración en la pared del túnel y en las zonas aledañas a la vía al paso de un tren. Esta metodología se basa en la utilización del modelo analítico que describe el comportamiento dinámico del sistema rueda-vía, y en la utilización de un modelo de propagación de las vibraciones desde la vía hacia la pared del túnel, ajustado experimentalmente. Para comprobar la bondad de la estimación obtenida con el método de propagación propuesto, se han contrastado los resultados obtenidos a través de la simulación numérica con medidas obtenidas en diversas líneas del Ferrocarril Metropolitano de Barcelona. Estas medidas se han realizado mediante acelerómetros colocados en el carril, en el centro de la vía y en la pared, y corresponden a la velocidad de vibración en dirección vertical.