Influencia de los pasajeros en la mejora del confort en trenes de alta velocidad con Actuadores Apilados Piezoeléctricos

Resumen

En la actualidad, la tendencia hacia trenes cada vez más rápidos y ligeros hace que mantener los niveles de confort y seguridad sea un reto para los ingenieros. El diseño de las cajas actuales, más ligeras y sofisticadas, tiene como consecuencia acercar las frecuencias fundamentales de la estructura a la zona más sensible para el confort de las personas. La reducción de las vibraciones que perciben los pasajeros se puede abordar desde distintas partes del tren, por ejemplo, las suspensiones primaria y secundaria o actuando directamente sobre la propia estructura. La ventaja de esta última solución reside en la actuación directa sobre el sistema y su influencia residual sobre la dinámica del tren.
La incorporación a la caja de actuadores apilados piezoeléctricos (PSA) conectados a circuitos derivativos, se ha mostrado en trabajos anteriores como una opción factible para disminuir las vibraciones debidas a los modos flexibles de la caja. Los PSA junto a los circuitos derivativos, permiten aumentar el amortiguamiento estructural de manera pasiva, transformando la deformación mecánica inducida en desplazamiento de carga eléctrica y finalmente en fuerza. Cuando el circuito derivativo se sintoniza a la frecuencia del modo de vibración que se pretende amortiguar, se consigue maximizar la actuación de los PSA.
Por otro lado, la reducción de peso de la estructura ha propiciado que los propios pasajeros sean importantes e influyentes en el comportamiento vibratorio de la caja. En la literatura, se ha demostrado que actúan como absorsores dinámicos, aumentando el amortiguamiento modal de los primeros modos flexibles. Esto significa menores niveles de vibración a estas frecuencias y por tanto un mejor confort de los pasajeros, aunque la reducción depende del número de pasajeros y su posición.
En este trabajo, se evalúa la capacidad de los PSA junto a circuitos derivativos bajo distintos estados de carga en el coche. Se han realizado simulaciones de un sistema mecánico equivalente de un tren y se han añadido pasajeros simplificados como sistemas mecánicos de un grado de libertad, además se han modelado el comportamiento electromecánico de los PSA y se ha incluido en el modelo.
Los resultados muestran que el aumento de amortiguamiento del primer modo flexible de la estructura debido a los pasajeros tiene como consecuencia un deterioro de la capacidad de los PSA para mitigar vibraciones. Por tanto, según sean las condiciones de trabajo, el empleo de PSA junto a circuitos derivativos puede no estar justificado.