Investigación en dinámica de ferrocarriles

Octubre de 2024

El ferrocarril está considerado como el medio de transporte del futuro para desplazamientos interurbanos de corta, media y larga distancia. Si se compara con otros medios de transporte como el avión o el transporte por carretera, su menor consumo energético, alta seguridad, puntualidad y comodidad para el pasaje, lo sitúan en una posición privilegiada. Según establece “European Rail Research Advisory Council” en el documento “Rail 2050 Vision”, el ferrocarril es un agente esencial para el crecimiento económico de los miembros de la Unión Europea. Como consecuencia de este enorme potencial que posiciona al ferrocarril como el medio de transporte del futuro, son cada vez más las administraciones gubernamentales e instituciones privadas que apuestan con firmeza por el desarrollo y la innovación dentro de este sector como herramienta para su propio crecimiento económico.

En las últimas décadas se han presentado proyectos vanguardistas como el sistema Hyperloop o el Maglev, sin embargo, pese a las mejoras aportadas en cuanto a eficiencia del sistema, el alto grado de complejidad técnica para su puesta en funcionamiento y los altísimos costes de infraestructura y puesta en marcha, los mantienen al menos de momento, como proyectos de prueba de concepto. Es por ello, porque el ferrocarril en su configuración tradicional, como vehículo terrestre con ejes rígidos que se desplaza por unos carriles de acero, se sigue considerando como el cimiento de los vehículos ferroviarios del futuro.

Dentro de los grandes retos que se plantean en la industria del ferrocarril pueden destacarse dos: la mejora en la seguridad en la marcha del vehículo y el mantenimiento predictivo del vehículo y la infraestructura. El acercamiento a una consecución de estos dos retos acortaría enormemente las distancias que hoy en día existen en cuanto a nivel de desarrollo tecnológico entre el ferrocarril y otros medios de transporte, como por ejemplo el automóvil. Cabe señalar, como en los últimos años, el sector de la automoción ha experimentado un fortísimo desarrollo conseguido gracias de la introducción de nuevas tecnologías para la conducción autónoma del vehículo, basados en la observación del entorno y la monitorización de parámetros de la marcha. El desarrollo de sistemas similares para el mantenimiento predictivo del vehículo y la vía permitiría a los operadores ferroviarios conseguir una enorme reducción en cuanto a constes de operación de sus infraestructuras, además de una mejora en el confort y la seguridad de sus viajeros.

En este contexto se hace necesario el desarrollo de sistemas avanzados para la observación, estimación y control de la marcha del vehículo ferroviario. Una posible vía de acción es la utilización de sistemas de observación basados en sensores instalados en el vehículo, que estén apoyados en modelos (cinemáticos preferiblemente), que pese su sencillez sean capaces de reproducir con exactitud aceptable su comportamiento. Este es un punto crítico para el ferrocarril debido a la complejidad en el modelado y la simulación del contacto rueda-carril, siendo este quien determina la magnitud de las fuerzas de contacto y estas, en última instancia, la seguridad de la marcha del vehículo. La carencia de tecnologías para la obtención de la cinemática del vehículo en interacción con la vía y que además permitan la estimación de las fuerzas de contacto es el gran reto del ferrocarril actual. El grupo de investigación al que pertenezco lleva más de dos décadas trabajando de forma continuada en el desarrollo de nuevos modelos de simulación de dinámica ferroviaria, cada vez más eficientes y próximos a los retos que se plantean. En los últimos años el grupo está concentrando sus esfuerzos en el desarrollo de sistemas embarcado para la monitorización continua del vehículo y la vía, con el objetivo de obtener:

    + Una medición precisa de la geometría de los perfiles de rueda y del carril. 

    + Medición de las irregularidades de las irregularidades del trazado. 

    + La obtención del movimiento relativo vehículo-vía. 

    + La estimación de las fuerzas de contacto rueda carril.  

Figura  1. Sistema de observación embarcado en el vehículo

 

La Fig. 1 muestra de forma esquemática el sistema mecatrónico que se está desarrollando. La idea fundamental consiste en disponer de un vehículo instrumentado con sensores de distinta naturaleza (inerciales, ópticos, distancia, deformación, etc.) cuya medición sea procesada en tiempo real por un ordenador embarcado quien determinará una serie de parámetros fundamentales para la evaluación del estado de la marcha del vehículo. La obtención de dichos parámetros no es ni mucho menos una tarea trivial. Enfrentarse con un sistema altamente no lineal, cuyos parámetros físicos no son siempre conocidos con total exactitud, que se mueve además por un trazado cuya geometría es también una incógnita que se quiere conocer, plantean un problema de altísima complejidad tecnológica.

Encontrar una solución tecnológica fiable para un problema de tal sofisticación requiere disponer de unas infraestructuras experimentales que permitan la validación de los métodos desarrollados. En el año 2012 el grupo de investigación inició un ambicioso proyecto para la construcción de un vehículo ferroviario a escala 1:10 que se emplearía como plataforma para la validación experimental de modelos computacionales. La Fig. 2 muestra la construcción de dicho vehículo y un segmento del trazado ferroviario a escala donde era testeado. 

Figura  7. (a) Primer vehículo a escala. (b) Trazado ferroviario a escala del Parque del Alamillo (Sevilla)

Con mi incorporación en 2016 al grupo de investigación dio comienzo una nueva fase de este proyecto donde, paralelamente al desarrollo de los modelos computacionales para la observación de estados, se inició la construcción de una infraestructura ferroviaria a escala de carácter experimental de características únicas en Europa. Por un lado, en los últimos años he llevado a llevado a cabo el diseño y la construcción de una pequeña flota de vehículos a escala que son en la actualidad empleados como plataforma para la validación experimental de resultados. En la Fig. 3 se muestran los 4 vehículos construidos y que actualmente se encuentra en funcionamiento. El primero de ellos Fig. 3 (a), se denomina Bogie Instrumentado. Se trata de un vehículo con dos wheelset y una suspensión primaria que los conecta con el chasis del vehículo. Este se encuentra instrumentado con una gran diversidad de sensores y un ordenador de control en tiempo real. Por su versatilidad, facilidad de manejo y construcción sencilla, es el vehículo más utilizado en la actualidad. La Fig. 3 (b) muestra el denominado Vehículo de Ruedas Independientes. Con una construcción similar al anterior este vehículo se caracteriza por disponer de un sistema de 4 ruedas, accionadas cada una de ellas por un motor eléctrico. Este vehículo reproduce una de las arquitecturas de construcción más comunes en vehículos de línea ligeros empeladas en la actualidad. Este vehículo se encuentra igualmente equipado con una amplia gama de sensores. La Fig. 3 (c) muestra el llamado Vehículo Auscultador. Se trata de un vehículo de prueba de concepto equipado con distintos sistemas que permiten realizar una auscultación precisa del trazado ferroviario por el que circula. A diferencia de los vehículos convencionales este dispone de un sistema de eje delantero que abraza los raíles por los que circula adaptándose a su geometría. Finalmente, la Fig. 3 (d) muestra el denominado Vehículo Completo. En este caso se tiene una construcción de dos bogies (instrumentado y motorizado) sobre los que descansa un bastidor el cual se conecta a estos a través de una suspensión secundaria.

Figura  3. Flota de vehículos a escala 1:10

La flota vehículo es ensayada en un trazado ferroviario también a escala 1:10 diseñado y construido en 2017 por el grupo de investigación con la financiación obtenida desde el Plan Nacional de Investigación. Se trata de una infraestructura única, con unas capacidades y un potencial investigador desconocido hasta la fecha. El trazado tiene una longitud total de 90 metros, y se encuentra apoyado sobre una serie de bancadas metálicas que descansan sobre la cubierta del edificio principal de ETSI. La vía está formada por tres tramos rectos, y dos secciones de curvatura constante unidas mediante secciones de transición. La principal característica del trazado es el hecho de estar constituido por una serie de traviesas móviles que permiten introducir de forma manual y controlada irregularidades en el trazado (ver Fig. 4). Este trazado es medido regularmente con la ayuda del Vehículo Auscultador mencionado anteriormente, de manera que su geometría real e irregularidades están perfectamente caracterizadas para su utilización como entrada en los modelos computacionales de simulación.

Figura  4. Trazado ferroviario experimental a escala 1:10

Dentro de los trabajos que realizo dentro del grupo de investigación puede definirse dos líneas fundamentales: la medición experimental de fuerzas de contacto y la observación del estado de la vía y obtención de irregularidades a partir de técnicas de visión computacional o filtrado de Kalman.

Medición experimental de fuerzas de contacto rueda-carril

La estimación de fuerzas de contacto rueda-carril es importantísima en la operación ferroviaria. Los criterios de seguridad de la marcha de vehículos ferroviarios están basados en los valores que toman las fuerzas de contacto rueda-carril. Estos criterios son: El criterio de descarrilamiento de Nadal, el criterio de Prud'homme, el criterio de seguridad frente al vuelco y el criterio de seguridad frente a descarga. Estos criterios bien establecidos en la industria ferroviaria permiten comprender que el conocimiento de las fuerzas de contacto rueda/carril es determinante para poder evaluar objetivamente la seguridad de la marcha de un vehículo ferroviario. La medida de fuerzas de contacto con ejes dinamométricos es el método más preciso empleado hasta la fecha para su obtención. Lamentablemente, dado su elevado conste y complejidad de fabricación y calibración, son muy pocos en el mundo los vehículos laboratorio que cuentan con este tipo de sistemas. 

Con el objeto de poder medir de manera experimental fuerzas de contacto rueda carril en los vehículos a escala, llevé a cabo el diseño, fabricación y calibración de un eje dinamométrico a escala, mostrado en la Fig. 5, el cual está instrumentado con una serie de bandas extensométrica por telemetría y láseres de precisión micrométrica instalados en la caja de grasas que permiten obtener una medición bastante precisa de las cargas lateral y verticales que actúan sobre una de las ruedas del vehículo. Los detalles del desarrollo del proceso pueden encontrarse en el artículo que tengo publicado al respecto.

Figura  5. Eje dinamométrico a escala.

A partir de las medidas de deformación obtenidas con las bandas extensométricas y las deflexiones del velo y la suspensión primaria del vehículo medidas con los láseres de distancia pueden determinarse las fuerzas de laterales y verticales de contacto. En la Fig. 6 se muestran los resultados obtenidos mediante este sistema, los cuales son además comparados con la estimación de fuerzas obtenida a partir del modelo de simulación del vehículo.

Figura  6. Medición experimental de fuerzas de contacto con el eje dinamométrico a escala.

Alternativamente también desarrollé un método para la obtención experimental de las fuerzas de contacto a partir de la medida de los sensores utilizando en este caso algoritmos basado en inteligencia artificial. Concretamente se diseñó una red neuronal con estructura multicapa (Fig. 7) que de una forma más eficiente (en cuanto a procedimiento de cálculo) obtenía resultados equivalentes a los conseguidos mediante el método convencional de cancelación de armónicos. La Fig. 8 muestra los resultados obtenidos comparados con el método anteriormente mencionado.

Figura  7. Estructura de una red neuronal multicapa

Figura  8. Resultados de la carga lateral con el método ANN, cancelación de armónicos y modelo computacional.

Observación del estado de la vía y obtención de irregularidades

Las irregularidades de vía se definen como las variaciones experimentadas por la línea central de la vía real con respecto a su geometría de referencia o de diseño (Fig. 9). Su existencia es debida tanto a errores durante el proceso de construcción del trazado como al efecto de su utilización. En función de la magnitud de las mismas sus consecuencias pueden traducirse en una simple falta de confort en el vehículo, hasta llegar a suponer un riesgo potencial para su marcha segura. Por este motivo su conocimiento preciso resulta de enorme importancia para los operadores de una infraestructura ferroviaria.

Dentro de la industria del ferrocarril se definen cuatro tipos de irregularidades geométricas, divididas a su vez en irregularidades absolutas y relativas (Fig. 10). Las irregularidades absolutas son denominadas alineamiento y nivelación. Son una medida de la variación de la línea central de la vía con respecto a su geometría de referencia en el plano horizontal y vertical respectivamente. Su obtención no es inmediata, y requiere de métodos basado en medición topográfica (proceso lento pero preciso) u observación a partir de la respuesta dinámica del vehículo (rápida pero compleja). 

Figura  9. Definición gráfica de las irregularidades de vía.

Figura  10. Irregularidades de alineamiento (a) y nivelación (b).

Las irregularidades relativas son las denominadas variación de ancho y perfil vertical. Su obtención es más sencilla que las anteriores, ya que pueden obtenerse por medición directa sobre el trazado con dispositivos sencillos para la medida de distancia e inclinación. De una forma analítica las cuatro irregularidades mencionadas pueden definirse como:

La medición de irregularidades verticales con sensores inerciales pese a presentar importantes dificultades, puede realizarse con suficiente precisión si se emplean los métodos adecuados. La obtención de las irregularidades laterales supone un reto mucho más complejo que no puede ser abordado exclusivamente con sensores inerciales. Ello se debe al hecho de que las ruedas del vehículo, por su geometría cónica, experimental el denominado movimiento de hunting o movimiento de lazo, que da lugar a trayectorias diferentes a las curvas descritas por los carriles. Como se presenta en una de las publicaciones del grupo, la dinámica lateral y vertical del vehículo puede modelarse de forma desacoplada con buenos resultados. Por este motivo, la auscultación de irregularidades geométricas laterales es mucho más difícil de realizar desde un vehículo laboratorio.  Para la medición experimental de las irregularidades de vía, estoy trabajando junto con mi equipo de investigación en el desarrollo de dos tecnologías paralelas. La primera de ellas se basa en la utilización de cámaras de video de alta frecuencia de adquisición y el procesado digital de las imágenes. La segunda metodología se basa en una medición parcialmente directa de las irregularidades combinada con el empleo de técnicas de filtro de Kalman.

La Fig. 11 muestra de una forma esquemática el sistema para la medición de irregularidades de vía basado en el empleo de sensores inerciales y ópticos. El grupo de investigación ha publicado en los últimos años varios trabajos relacionados con el desarrollo de este sistema, así como ha conseguido patentar dicho método. El sistema está integrado por dos cámaras y dos láseres de proyección instalados en el bastidor del bogie, apuntando cada pareja hacia uno de los carriles. El haz de luz proyectado en el plano del láser intersecciona la cabeza del carril (zona que se quiere observar) según se muestra en la Fig. 11. Las cámaras de video utilizadas, a través de su FPGA integrada capturan exclusivamente los píxeles iluminados por el haz, Fig. 12 (b). 

Figura  11. Sistema para la medición de irregularidades de vía basado en sensores inerciales y cámaras de visión.

Figura  12. (a) Imagen real monocromo captada directamente por el sensor. (b) Imagen procesada por la FPGA de la cámara.

El algoritmo de auscultación geométrica desarrollado permite obtener las cuatro componentes de la irregularidad de la vía a partir de la resolución de un sistema de ecuaciones algebraico indeterminado. El proceso de auscultación geométrica se completa con un algoritmo de fusión de sensores que combine dicho sistema de ecuaciones y sus derivadas con la información proporcionada por el sensor inercial instalado en el vehículo. Dicho algoritmo se basa en la utilización de un filtro de Kalman y un modelo cinemático del vehículo (Fig. 13). Como puede deducirse, la observación del estado de la vía a partir de la respuesta dinámica de un vehículo instrumentado en movimiento es un proceso muy complejo.

Figura  13. Cinemática del vehículo instrumentado con el sistema de visión.

Una alternativa a este primer método descrito en la cual estoy trabajando junto con mi equipo, consiste en la utilización de un eje instrumentado el cual es arrastrado por un vehículo a lo largo del trazado que se quiere medir. Este nuevo sistema ha sido diseñado en una versión a escala reducida y se ha testeado en las instalaciones ferroviarias de la Universidad de Sevilla. El sistema, según se observa en la Fig. 14, está basado en una pareja de carros móviles y un sistema de muelles que mantienen en todo momento unas ruedas laterales en contacto con los carriles que se quieren medir. Uno de los carros se mantiene fijo a la guía, de manera que es el segundo el que se irá desplazando lateralmente en función de la geometría del trazado. El eje se encuentra instrumentado con un sensor de desplazamiento tipo LVDT a partir del cual se obtiene la variación del ancho, una IMU que captura la respuesta dinámica del eje en interacción con la vía y un sistema de odometría basado en encoder incremental y sistema de balizas que permiten posicionar con exactitud el sistema auscultador a lo largo del trazado. Para realizar la auscultación, el eje auscultador se empuja o se remolca con algún vehículo de vía. En la Fig. 15 se muestra el eje auscultador mientras es empujado por un bogie motorizado.

Figura  14. Representación CAD del eje auscultador.

Figura  15. Eje auscultador empujado durante la medición del trazado ferroviario

Este segundo sistema de auscultación geométrica de vías presentado, permite obtener de una forma más sencilla las cuatro irregularidades geométricas, si se compara con el empleo del sistema de cámaras de visión. La contrapartida de utilizar este método está en el hecho de tener que utilizar un sistema independiente al vehículo principal para realizar la auscultación. El eje auscultador, al encontrarse en todo momento en contacto con los carriles, produce en los sensores de medición una respuesta directamente relacionada con la geometría del trazado, quedando de esta manera desacoplada la dinámica lateral y vertical del propio vehículo, así como del vehículo propulsor. A partir de la utilización de un algoritmo de fusión de sensores basado en filtro de Kalman, el eje auscultador permite realizar una auscultación rápida y precisa del trazado por donde circula. En uno de los trabajos publicados por el grupo, se describen las características del método de medición empleado. En la Fig. 16 se muestra de forma esquemática la descripción de la cinemática del método. Se asume que el patín izquierdo donde se encuentra instalada la IMU se mantiene en todo momento en contacto con la línea central del carril izquierdo (punto Q), mientras que el patín derecho sigue la geometría del otro carril (punto P).

Figura  16. Cinemática del eje auscultador de vías.

Conocida la geometría de diseño de la vía (punto que se tratará más adelante en esta memoria), la velocidad de avance del vehículo y su posición absoluta obtenidas mediante el sistema de odometría, y la respuesta de los sensores (IMU y LVDT), el algoritmo de observación diseñado permite la obtención de las cuatro irregularidades de vía buscadas. En la Fig. 17 se muestran las observaciones de la irregularidad proporcionados por el método en una medición real de la vía a escala. Se representan simultáneamente tres señales: en azul la medición de referencia de la irregularidad obtenida por medición manual directa, en verde la medición obtenida con el eje auscultador y una estación total (método muy preciso, pero extremadamente lento), y en rojo la estimación obtenida exclusivamente con el eje auscultador. Como puede observarse, el método de medición propuesto es capaz de obtener una medición con resultados muy aceptables de las cuatro irregularidades geométricas de la vía. Las secciones del gráfico señaladas con la letra T mayúscula indican la posición de los tramos de transición del trazado. Recordemos que el trazado ferroviario a escala donde se han realizado estos experimentos consta de un tramo recto, seguido de un tramo curvo de radio amplio, un nuevo tramo recto, otro tramo curvo de radio estrecho y un último tramo recto final.

Figura  17. Resultados experimentales de la medición del trazado a escala. Comparativa de métodos.

Plan investigador actual

En base a todos los resultados y logros conseguidos en los últimos años que se han mostrado arriba, actualmente me encuentro trabajando en una serie de nuevos proyectos que a continuación os presento:

Estimación de la geometría de diseño de un trazado ferroviario

Pese a poder considerarse que el sistema de observación de la respuesta dinámica de vehículos ferroviarios se encuentra en un punto de elevado desarrollo, se hace necesaria la implementación de una serie de mejoras que lo aproximen definitivamente a su catalogación como sistema de calidad industrial para la auscultación geométrica de vías.

La primera de estas mejoras en la que se está trabando ya, consiste en dotar al sistema de observación con un algoritmo que, a partir de la medida de la IMU y una señal GPS sea este capaz de obtener la geometría de diseño de la vía por la que circula el vehículo. Este problema que a priori puede resultar trivial tiene una enorme importancia. Los métodos para la observación del estado del vehículo y la medición de irregularidades desarrollados por el grupo hasta la fecha suponen conocida la geometría de diseño del trazado que se desea observar, siendo esta, input del sistema. Sin embargo, la realidad es bastante distinta, ya que, es habitual encontrarse con operadores de infraestructuras ferroviarias que desconocen la geometría teórica de sus vías bajo operación. Esto puede deberse tanto a errores durante la construcción primitiva del trazado, modificaciones realizadas a posteriori por necesidades de mantenimiento, o directamente por falta de una medición precisa del trazado original antes de su puesta en operación.

Con objeto de solventar este problema y dotar al sistema de observación de una nueva funcionalidad, se trabaja activamente en el desarrollo de un algoritmo que, empleado la medición del giróscopo de la unidad inercial y la señal del GPS, estime la trayectoria seguida por el vehículo, y en base a ella determine cuál sería la geometría de diseño del trazado que le correspondería. Para ello se parte de la premisa que un trazado ferroviario es una sucesión de tramos rectos y tramos de curvatura constante unidos por tramos de transición (curvas clotóides). El GPS proporcionará una medición absoluta de baja precisión de la posición del vehículo, mientras que la señal del giróscopo permitirá identificar su entrada y salida de tramos curvos. A partir de un algoritmo de optimización se quiere conseguir aquella geometría teórica que mejor se adapte a la señal real medida por el GPS y la IMU.

Este trabajo tiene además un alto potencial para la creación de un sistema portátil de medición de geometría teórica de vías. Ha de tenerse en cuenta que, en la actualidad, cualquier teléfono móvil dispone de GPS e IMU, con lo cual se podría plantear en un futuro la creación de un a APP móvil que permitiese a cualquier usuario obtener de una manera precisa y muy rápida la geometría teórica del trazado sobre el que pueda estar en ese momento trabajando.

Medición del desgaste ondulatorio en carriles ferroviarios

Otro de los grandes retos dentro del campo del mantenimiento ferroviario está en la caracterización del desgaste ondulatorio de los carriles, también conocido como corrugación. Se trata de un defecto que aparece sobre la cabeza de los carriles, especialmente en tramos curvos, en forma de pequeñas “bañeras” que se van repartiendo uniformemente a lo largo del tramo corrugado. En la Fig. 18 puede observarse dicho fenómeno sobre dos secciones distintas, estando en el caso de la derecha muy avanzado ya el desgaste.

Figura  18. Desgaste ondulatorio de la cabeza del carril, (a) leve, (b) elevado.

La solución a este proceso de desgaste pasa por un costoso proceso de amolado de la cabeza del carril, más complejo y costoso cuanto más avanzado se encuentre la corrugación. La medición de este tipo de desgaste se realiza en la actualidad con ayuda de carros de vía de propulsión manual, los cuales permiten una medición precisa del fenómeno, pero sumamente lenta. No siendo una operación que pueda realizarse con la asiduidad que requiere dado su alto coste logístico. En este contexto se hace necesario el desarrollo de un sistema alternativo que permita una observación y caracterización del desgaste ondulatorio del carril desde un vehículo en marcha.

 

En el grupo de investigación de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Sevilla se ha empezado a trabajar en el desarrollo de un método que permita realizar dicha medición a partir de la aceleración registrada por una serie de acelerómetro piezoeléctricos instalados en las cajas de grasa. Dentro de la literatura científica este procedimiento suele denominarse ABA “Axle-Box Acceleration”. La complejidad del proceso reside en el posterior análisis digital de la señal, a partir del cual se debe reconstruir con suficiente exactitud el perfil corrugado por el que ha pasado el vehículo durante la auscultación.

Con el objetivo de analizar de forma cuantitativa el efecto de la longitud de onda y la amplitud de la corrugación en las vibraciones experimentadas por el vehículo, se va a llevar a cabo el mecanizado de las cabezas de una serie de railes a escala con una combinación de cuatro harmónicos (7, 10, 20 y 30 mm) y cuatro amplitudes (30, 45, 60 y 75 micras). Estos carriles ya desgastados serán instalados en uno de los tramos rectos de la vía experimental a escala de la Universidad de Sevilla. Las cajas de grasa del bogie ferroviario a escala de la Fig. 21, serán equipadas con una serie de acelerómetros piezoeléctricos que registrarán las aceleraciones experimentadas por el vehículo en las tres direcciones del espacio. El objetivo del método es determinar con suficiente exactitud, la longitud de onda y amplitud de la corrugación basado en el espectro de frecuencias de las aceleraciones registradas y la función de transferencia del sistema de contacto rueda-carril. Se habrá de analizar también el efecto del factor de escala dentro del proceso de auscultación, siendo probable que no exista una extensión directa a un sistema a escala real en un futuro y se necesite realizar ciertos ajustes al método propuesto. Estudios previos encontrados en la bibliografía parecen señalar que las aceleraciones de las cajas de grasa son una buena vía para estimar el desgaste ondulatorio debido a que la naturaleza de la ondulación resulta independiente de la velocidad de avance del vehículo.

Obtención de la geometría de rueda a partir de la respuesta dinámica del vehículo

Como es bien sabido, el contacto rueda-carril determina en gran medida la dinámica de un vehículo ferroviario. Un conocimiento preciso de la geometría de la rueda y el carril en contacto resulta fundamental a la hora de desarrollar un modelo de simulación del vehículo que sea preciso. El desgaste de los perfiles de rueda es otro de los grandes problemas presentes en la industria ferroviaria, siendo muy habituales los procesos de retorneado de las ruedas como operación regular de mantenimiento de un vehículo. El grupo de investigación del candidato está trabajando también en el desarrollo de una metodología experimental que permita llevar a cabo una monitorización del estado del perfil de la rueda, así como del desgaste de la cabeza del carril. En base a esas estimaciones será posible actualizar los parámetros de entrada del modelo de observación (geometría de la rueda y del carril). Para ello se propone una metodología basada en la utilización de técnicas de visión artificial y su fusión con la respuesta inercial del vehículo. La Fig. 19 muestra una representación esquematizada de lo que será el futuro sistema. Se empleará una cámara de visión de alta frecuencia de muestreo y un láser de proyección que ilumine simultáneamente la cabeza del carril y el perfil de la rueda. A partir del procesado digital de las imágenes capturadas y la respuesta dinámica del eje detectada por la unidad inercial se quiere determinar aquella geometría de perfil de rueda y carril que mejor se adapten a dicha respuesta. Este sistema quedaría integrado dentro del sistema de observación de estados de la marcha del vehículo que se está desarrollando en el grupo y ha sido presentado previamente en esta memoria. La tecnología que se pretende desarrollar se enmarca en lo que actualmente se denominan gemelos digitales de sistemas mecánicos.

Figura  19. Sistema para la monitorización del estado de la rueda y del carril.

Para poder llevar a cabo una validación experimental del método se van a llevar a cabo una serie de experimentos con los vehículos a escala del grupo de investigación. Concretamente se van a fabricar unos ejes híbridos que combinen un buje fabricado en acero inoxidable de alta calidad, sobre el cual se instalaran una serie de perfiles de rueda fabricados con impresión 3D en resina cerámica. La Fig. 20 muestra de forma esquematizada en qué consistiría el diseño. A partir de la fabricación en 3D se podrán generar diferentes geometrías de rueda, con distintas conicidades y distintos niveles de desgaste. A partir de la respuesta dinámica experimentada por el vehículo y siendo conocida con total exactitud la geometría del contacto rueda-carril, se llevará a cabo el desarrollo de un modelo de observación que permita a partir de la respuesta dinámica del vehículo registrada por los sensores inerciales, la geometría real de las ruedas. Este sistema, llevado a un nivel de desarrollo con carácter industrial, permitiría a los operadores de vehículos ferroviarios disponer de una herramienta orientada al mantenimiento predictivo del desgaste de la rueda. Con ello podrían optimizase los tiempos de retorneado del perfil y conseguirse importantes reducciones en costes de operación. Este proyecto está iniciado a día de hoy y se han empezado a fabricar las primeras bandas de rodadura cerámicas. Esperamos poder compartir muy pronto grandes resultados.

Figura  20. Sistema de eje a escala con perfiles de rueda desmontables.

Desarrollo de un eje auscultador a escala real para la medida de irregularidades

Partiendo de los excelentes resultados de medida de irregularidades de vía conseguidos con el eje auscultador a escala y las técnicas de filtrado por Kalman, se ha empezado a trabajar en el desarrollo de un eje auscultador de vías a escala real. Este nuevo eje a escala completa será testado en las instalaciones de Metro de Sevilla tras haber conseguido en enero de 2024 un acuerdo bilateral de colaboración para el desarrollo industrial de dicho sistema. La Fig. 21 muestra un diseño preliminar del sistema en desarrollo. A diferencia del sistema a escala que ya ha sido testeado, en el nuevo eje a escala completa se pretende mantener el contacto de las ruedas laterales por la cara interna de los carriles. Esto se debe al hecho de que circulará por un trazado ferroviario real y deberá ser capaz de sortear cualquier aparato de vía (cambios de aguja, balizas, etc.) que se encuentre durante su funcionamiento. El diseño se ha planteado de manera que, el volumen que contiene a las ruedas guía laterales no supere nunca el volumen de una rueda ferroviaria estándar. Un punto crítico en el diseño del eje es su sistema de compresión. En base a las simulaciones realizadas, se han observado variaciones en el comportamiento dinámico del eje en función de la presión ejercida lateralmente sobre los carriles, así como también en función del número de contactos (tres o más ruedas laterales) existentes. Estos aspectos serán estudiados en detalle durante el proceso final de diseño y prototipado. El objetivo final es conseguir disponer de un eje instrumentado que pueda ser remolcado por un vehículo bivial y que de una manera rápida sea capaz de realizar una auscultación completa del trazado por el que circula. Dentro de este sistema se procurará integrar el anteriormente mencionado algoritmo para la detección de la geometría de diseño de la vía.

Figura  20. Eje auscultador de vía a escala completa.

Dada la complejidad técnica del este proceso y su elevado coste, paralelamente se está trabajando en la actualidad en el desarrollo de una modificación del eje auscultador a escala que incorpora el sistema de compresión de rueda lateral contra la cara interna de los carriles. La Fig. 21 muestra el diseño que se ha realizado.

Figura  21. Rediseño del eje instrumentado a escala reducida.

Actualmente disponemos ya de una versión prototipo del eje auscultador a escala real (Fig, 22), el cual esperamos poder poner muy pronto en marcha sobre un trazado ferroviario real.