Estimación de magnitud de fuerza lateral de contacto rueda/rail mediante extensometría en un prototipo de ferrocarril a escala

Resumen

La interacción rueda-rail es el principal factor que determina el comportamiento dinámico de un vehículo. En la industria ferroviaria, el conocimiento de las fuerzas de contacto rueda-rail durante el funcionamiento del vehículo se considera una información valiosa para cualquier fabricante y también es necesario para la homologación del vehículo. La norma EN-14363 define los ensayos para la aceptación del comportamiento dinámico de los vehículos ferroviarios, y en todos ellos se requiere de la medición de las fuerzas de contacto rueda-rail aunque no especifican el método a utilizar.
Este artículo presenta una metodología para la estimación experimental de la fuerza lateral de contacto rueda-rail basado en medidas extensiométricas. Para ello se ha empleado un ferrocarril a escala 1:10 donde uno de sus ejes cuenta con una rueda que ha sido instrumentada con parejas de galgas formando 6 medios puentes de Wheatstone. Las galgas se han distribuido radialmente
en el velo de la rueda, e instalado en la cara interior y exterior de la misma, de manera que a partir de la configuración de medio puente se puede determinar la deformación a causa de la fuerza lateral.
Una vez instrumentada la rueda, se ha realizado una cuidadosa calibración de los 6 medios puentes. Para ello, a partir de un banco de calibración a escala se han aplicado distintas fuerzas laterales a la rueda, obteniéndose así la relación lineal entre la fuerza lateral y la tensión eléctrica medida a la salida de los puentes.
Tras calibrar las galgas, se han realizado varios experimentos de campo con el ferrocarril instrumentado en la vía a escala de 5 pulgadas de anchura situada en la azotea de la ETSI de la Universidad de Sevilla. Ya que es imprescindible conocer con precisión la orientación de las galgas en todo momento, uno de los ejes del ferrocarril cuenta con un encoder para medir la posición angular. A partir de las señales medidas por la deformación de las galgas, se han postprocesado todos los datos para estimar la fuerza lateral de contacto.
El posprocesado se realiza mediante un método de extracción de armónicos utilizado para el análisis modal operacional de aerogeneradores. Los aerogeneradores son estructuras que vibran según sus modos naturales de vibración y además están sometidos a excitaciones armónicas cuya frecuencia y amplitud varían ligeramente en los tiempos de medición característicos. Así, las señales de vibración se pueden caracterizar mediante senoidales de amplitud y frecuencia variantes. Y ésta es, exactamente, la naturaleza de todas las señales de deformación que se miden en las galgas colocadas en el velo de las ruedas del modelo de tren, siendo la amplitud proporcional a las fuerzas laterales y la frecuencia igual a la velocidad angular de las ruedas. Identificando los parámetros de este modelo de señal se estima la fuerza lateral instantánea.
Tras la aplicación de la metodología a las señales de deformación, se observa que la fuerza lateral estimada es coherente con la geometría de la vía, ya que la magnitud de la fuerza lateral en los tramos curvos es coherente con aquella calculada por un modelo multicuerpo a escala.