EQUIPO DE SENSADO Y ACTUACIÓN DE FRENOS PARA TRANSPORTE FERROVIARIO

Roberto C. Leegstra1, Roberto J. de la Vega1, Silvano R. Rossi1-2 y Guillermo A. Santillán1 1 Departamento de Ingeniería Electromecánica, Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de

del Centro de la Pcia. de Buenos Aires Av. del Valle 5737, Olavarría, Pcia. Bs. As., Argentina

correo-e: rleegs@fio.unicen.edu.ar. 2 CIFICEN (UNCPBA, CICPBA, CONICET)

RESUMEN

En la operación de ferrocarriles de carga resulta necesario disponer de un equipo que permita el sensado de variables en el último vagón, a fin de posibilitarle al maquinista conocer el estado del sistema de frenos a lo largo de la formación. Ante la necesidad concreta de una empresa de transporte ferroviario de disponer de un equipo de estas características y prestaciones, de fabricación nacional, se desarrolló el proyecto en la Facultad de Ingeniería, UNCPBA, con el trabajo de docentes y estudiantes avanzados del Departamento de Ingeniería Electromecánica, con el acompañamiento de la empresa durante el proceso. Se realizó su posterior transferencia tecnológica a la empresa, viabilizada mediante un acuerdo de desarrollo tecnológico y provisión de equipamiento. Se desarrolló un sistema electrónico/electromecánico para medir y transmitir variables funcionales entre la locomotora y el último vagón de la formación ferroviaria, en conjunto con la parte mecánica del dispositivo. El Equipo de Sensado y Actuación de Frenos (ESAF) se compone de dos unidades, una instalada en el puesto de mando de la locomotora denominada Unidad de Cabina (UC) y otra que se ubica en el último vagón de la formación, denominada Unidad de Fin de Tren (UFT). Ésta última se alimenta por una batería y se vincula al sistema de aire para accionamiento de frenos de la formación mediante un acople-válvula. Estos equipos se comunican entre sí mediante un radio enlace de UHF. Se presentan los resultados vinculados al desarrollo del equipo, pruebas de campo y mejoras implementadas a lo largo del acuerdo.

Palabras Claves: Transporte ferroviario, sensado y actuación de frenos, frenado de emergencia.

1. INTRODUCCIÓN

En el campo de la operación y seguridad ferroviaria resulta relevante disponer de dispositivos o

sistemas de medición para proporcionarle al operador de la locomotora información sobre las

condiciones y estado de variables en fin de tren, que se consideran críticas para el funcionamiento

normal de la formación, por ejemplo, la presión de la tubería de freno [1].

Las unidades de fin de tren más elementales están constituidas básicamente por una baliza

intermitente y un transductor fotoeléctrico para hacer que la luz se encienda cuando la iluminación

exterior natural descienda por debajo de un umbral determinado. Su principal uso se asocia al

servicio de transferencia a corta distancia. En los equipos más sofisticados la información de

diferentes variables se transmite vía radio a la cabina de la locomotora, la cual dispone de un

equipo para recibir, decodificar y mostrar los datos en un display, pudiéndose monitorear la

integridad de la tubería del tren a medida que el maquinista presuriza la línea de frenos, liberando

las zapatas de las ruedas [2].

Se considera al ferrocarril de la costa este de Florida, en los Estados Unidos, pionero en el

desarrollo e implementación de dispositivos de fin de tren, hacia fines de la década de 1960 y

principios de 1970 [2-3]. Posteriormente este tipo de sistemas fue propagándose hacia otros

ferrocarriles, principalmente en Norteamérica, ya en la década de 1980. Los primeros

equipamientos de este tipo transmitían datos desde el fin de tren, a la cabina de la locomotora, de

forma unidireccional. Actualmente se requiere que los ferrocarriles implementen dispositivos

bidireccionales, considerándose un equipamiento de telemetría que permite el sensado y la

actuación de frenos en fin de tren, necesario en casos de emergencia [4-5].

Si bien este tipo de sistemas ha tenido gran desarrollo en Norteamérica, no ha ocurrido lo mismo

en otras partes del mundo o, al menos, ha tenido una implementación más gradual [6].

En el ámbito nacional su desarrollo ha sido incipiente y se han adoptado mayoritariamente equipos

importados. Ese es uno de los aspectos que motivó el desarrollo tecnológico presentado en este

trabajo y que se diferencia con equipos existentes en el mercado, fundamentalmente, porque ha

surgido como desarrollo para dar respuesta a la sustitución de importaciones y ha sido adaptado a

las necesidades de ferrocarriles que operan en nuestro territorio. Como resultado del desarrollo

mencionado, se presenta un sistema electrónico/electromecánico para medir y transmitir variables

funcionales entre la locomotora y el último vagón de la formación ferroviaria, en conjunto con la

parte mecánica del dispositivo. El sistema se denomina Equipo de Sensado y Actuación de Frenos

(ESAF) y se compone de dos unidades, una instalada en el puesto de mando de la locomotora

denominada Unidad de Cabina (UC) y otra ubicada en el último vagón, denominada Unidad de Fin

de Tren (UFT). La UFT se alimenta por una batería y se vincula al sistema de aire para

accionamiento de frenos de la formación mediante un acople-válvula. La UFT y la UC se

comunican entre sí mediante un radio enlace de UHF.

Dada la escasez de documentación en el ámbito nacional, se optó por emplear la experiencia

norteamericana en implementación y regulación de sistemas de fin de tren. El diseño general del

ESAF obedece al apartado 49 (Transporte) del Code of Federal Regulations (CFR) [7]. El protocolo

de mensaje del ESAF está basado en las recomendaciones especificadas en el manual de

comunicaciones y señales de la American Railway Engineering and Maintenance of Way

Association (AREMA) [8].

2. METODOLOGÍA E IMPLEMENTACIÓN

Ante la necesidad concreta de una empresa de transporte ferroviario de disponer de un equipo de

las características mencionadas y de fabricación nacional, se realizó un acuerdo de desarrollo

tecnológico y provisión de equipamiento, definiéndose características y funciones principales a

cumplir por el equipo, que dio como resultado el equipo de sensado y actuación de frenos ESAF.

Se definió y diseñó un gabinete para la UFT que fue teniendo sucesivas mejoras en cuanto a

tamaño, practicidad, facilidad de montaje y operación. Paralelamente se desarrollaron y

seleccionaron tanto hardware (placas, componentes, sensores, actuadores y soportes) como

software para la ejecución de las funcionalidades requeridas por los equipos. También se logró un

desarrollo del acople-válvula de aire, a nivel local, así como también el bloque para la neumática y

un gabinete de alta resistencia para la UC.

Se desataca que se contó con el acompañamiento permanente de la empresa, en lo referido a las

pruebas en campo e interacción con el personal usuario, en las diferentes fases del proyecto.

2.1. Equipo de Sensado y Actuación de Frenos - ESAF

El ESAF está compuesto por el conjunto UFT – UC y la comunicación bidireccional entre las

unidades se establece por un enlace de radio frecuencia, empleando de equipos de radio UHF. En

la Figura 1 se ilustra el funcionamiento del sistema. Cuando la UFT opera en conjunto con la UC,

esta última permite a la conducción de la locomotora: a) visualizar el valor de la presión del sistema

de freno de aire comprimido mediante un indicador digital, b) visualizar el movimiento del último

vagón, c) visualizar el estado del equipo de comunicaciones, d) visualizar el estado de la batería de

la UFT, e) visualizar el estado de la baliza, f) habilitar el freno de emergencia y g) disponer de

alarma de umbral de presión de freno y batería baja. El ESAF provee una instancia de seguridad o

armado, para permitir que la UC dispare el freno de emergencia en la UFT. El armado es una

operación que se requiere para activar la funcionalidad del pulsador de emergencia de la UC.

Figura 1: Funciones del ESAF en una formación ferroviaria.

El sistema de frenos de la formación de trenes de carga funciona por presión de aire y los vagones

están vinculados entre sí y la locomotora por una línea de aire, compuesta por tuberías y una

válvula y manga de conexión en cada extremo de vagón. El compresor de la locomotora se

encarga de presurizar dicha línea, a fin de lograr la liberación de las zapatas de freno. En este

estado, la formación se encuentra en condiciones de rodar. Para actuar los frenos el maquinista

reduce la presión en la tubería, haciendo que las zapatas entren en contacto con las ruedas y

ejerzan su acción de frenado.

2.2. Comunicaciones

El diseño del sistema ESAF obedece al apartado 49, parte 232 de la CFR [7] y sus prestaciones

se logran mediante la comunicación de las dos unidades en forma periódica y programada. Cada

UFT se identifica con un código único e irrepetible, grabado en un dispositivo de memoria en la

placa principal o unidad microcontroladora. El identificador se incluye en cada reporte transmitido,

con lo cual la UC hace caso omiso de reportes de UFT de otros trenes cercanos, estableciéndose

una forma de comunicación segura. De igual manera, la UC incluye, en la comunicación, el

identificador de su UFT asociada. Dadas las características del enlace de tipo half-duplex, ambos

módulos se encuentran continuamente en modo Recepción (Rx). El módulo UFT transmite reportes

hacia la UC en forma periódica, con períodos programados, excepto cuando se presentan

modificaciones en las variables medidas. El módulo UC transmite reportes hacia la UFT en forma

aperiódica, en las “ventanas temporales” que posee la comunicación del conjunto.

La UFT transmite datos a la UC por medio de un equipo transceptor de radio con potencia nominal

de 5 W, transmitiendo típicamente a una frecuencia de 458,075 MHz y recibiendo comandos,

desde la UC, a la misma frecuencia, que corresponde al valor normalizado para operaciones en

territorio argentino.

2.3. Unidad de Fin de Tren (UFT)

La UFT se monta en el gancho de acople del último vagón de la formación, se alimenta mediante

una batería de Níquel–Cadmio y se conecta al sistema de freno de aire comprimido por medio del

conector de tubería o manga de aire. En la Figura 2 se muestran dos vistas de la UFT.

Figura 2: Vistas de la Unidad de Fin de Tren y su protección de policarbonato.

La UFT está equipada con un transductor de presión con rango de 0-10 bar, permitiendo al

maquinista obtener valores cuantitativos de presión del sistema de freno dentro del rango

mencionado. Desde la UFT se mide la presión de la tubería de aire y demás variables cada un

segundo, transmitiendo, aproximadamente, un reporte por minuto cuando la presión y las otras

variables están estables y con más frecuencia ante desviaciones importantes. El monitoreo

realizado por la UFT incluye: a) estado de la baliza, b) condición de carga de la batería, c)

detección de movimiento, d) estado de la válvula de emergencia y e) presión de aire.

A continuación se describen las partes constitutivas de la UFT.

2.3.1 Electrónica

La UFT se compone de tres subsistemas principales: a) placa de la unidad microcontroladora

(MCU), que cumple las funciones de control, transmisión y recepción de datos, componiéndose de

diversos bloques funcionales, b) placa UFT, donde se implementan las funciones de alimentación,

acondicionamiento de variables, la matriz de LED de la baliza y encendido de la MCU, y c) placa

display, que maneja el visor del identificador y variables de test. Al sistema lo complementa el

transceptor con su respectiva antena.

2.3.2 Bloque neumático

Sobre el bloque, mostrado en la Figura 3, se pueden apreciar dos sensores (presostato y

transductor de presión) y un actuador (electroválvula). Dicho bloque posee una galería que conecta

los sensores y la entrada de la electroválvula con la línea proveniente del acople-válvula;

permitiendo así que la UFT se conecte al sistema de aire y se puedan obtener las mediciones

correspondientes y posible actuación sobre el acople-válvula (frenado de emergencia).

2.3.3 Acople-válvula

Este elemento posee una doble función, por un lado, permite acoplar la línea de aire de la UFT a la

manga del último vagón de la formación, tal como se aprecia en la Figura 3. Por otro lado,

mediante el accionamiento de la electroválvula del bloque neumático (despresurización), se realiza

la actuación de la válvula de escape de aire para el frenado de emergencia.

Figura 3: Bloque neumático y acople-válvula de la UFT.

2.3.4 Gabinete UFT

El gabinete está fabricado en plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV), a base de resina

poliéster, con la premisa de una relación peso-resistencia optimizada. En su diseño se buscó

facilitar su manipulación (peso y tamaño), respetando los lineamientos de la normativa.

El gabinete incorpora un soporte para montaje sobre el gancho central del vagón, con un

mecanismo de ajuste sencillo. El sistema cuenta con una protección adicional de policarbonato

compacto, como primera barrera contra impactos propios del uso y del vandalismo, como se puede

apreciar en la Figura 1.

2.4. Unidad de Cabina (UC)

La UC se monta en la cabina de la locomotora, utilizando, para tal fin, un soporte estándar con

traba de fijación, alimentándose por medio del sistema de potencia que proviene de la locomotora.

El panel frontal de la UC contiene una serie de visores e indicadores luminosos, una alarma

audible indicadora de problemas potenciales y las teclas de funciones de mando. En virtud de esto,

los indicadores, visores y teclas son altamente visibles y de fácil operación, para facilitar las tareas

del operario. Cuando la UC recibe un mensaje desde la UFT, procesa la información y la presenta

en los visores correspondientes y, además, produce las indicaciones necesarias a través del panel

indicador de variables. En la figura 4 se muestra la vista frontal de la UC en funcionamiento, donde

se puede apreciar la presión de frenos en unidad psi, el código identificador de la UFT asociada, la

verificación de comunicación (en color verde), la indicación de presión baja (en color amarillo), el

teclado de interfaz y el botón de parada de emergencia.

Figura 4: Vista frontal de la Unidad de Cabina.

2.4.1 Electrónica

La UC se compone de: a) unidad microcontroladora (MCU), que cumple las funciones de control,

transmisión y recepción de datos, b) placa de indicadores, donde se implementan las funciones de

alimentación, manejo de visor de presión, pulsador de freno de emergencia e indicadores

lumínicos, c) placa display, que maneja el visor del identificador y variables de test y d) teclado. Al

sistema lo complementa el transceptor con su respectivo conector de antena.

2.4.2 Gabinete UC

El mismo fue desarrollado en aluminio, con refuerzos para lograr peso y rigidez, como puede verse

en la Figura 4, dado que en operación el equipo se encuentra sometido a altos niveles de

vibración. Incorpora anclajes y gatillo de sujeción para la base estándar disponible en la cabina de

la locomotora. Sobre la misma se montan los paneles metálicos frontal y trasero, generando una

jaula de Faraday que permite el apantallamiento ante señales de interferencia.

4. PRUEBAS EN CAMPO

Una vez montados los primeros prototipos se efectuaron numerosas pruebas y ajustes en campo,

además de viajes de prueba en las formaciones. Esto permitió interactuar con los operarios

(usuarios) de estos equipos. Así, se relevó el funcionamiento y se estableció una realimentación

con el personal de la empresa en lo que se refiere a sugerencias e inquietudes acerca de la

operación, por el término de tres a cuatro años, que viabilizó su posterior transferencia tecnológica

a la empresa. En la Figura 5 se muestra el ESAF instalado y operando en la línea ferroviaria.

Figura 5: Equipo ESAF operando en la línea ferroviaria.

Entre las mejoras implementadas en la versión actual se destacan, el modelo final del gabinete de

la UC, en términos de refuerzos y peso, producto de lo sugerido por el personal y corroborado en

las diferentes pruebas en campo; el empleo de montajes anti-vibratorios de los transceptores, tanto

en la UC como en la UFT, que minimizó la tasa de fallas en las comunicaciones, también

corroborado en campo; la inclusión de un display en la UFT para realizar el test de comunicación,

batería, presión y código de identificación; la optimización de la relación peso-resistencia del

gabinete UFT y la inclusión de morsa de sujeción al gancho central del vagón.

5. CONCLUSIONES

A partir de una necesidad concreta, como la de contar con un equipo de las características y

prestaciones presentadas y de fabricación nacional, se desarrolló este proyecto en la Facultad de

Ingeniería-UNCPBA, con el trabajo de docentes-investigadores y estudiantes.

A partir de la interacción con la empresa se logró el armado, puesta a punto y mejoras de

prototipos de los equipos, que se encuentran en funcionamiento.

Se ha aportado, de esta manera, a la solución de un problema de alcance regional, motivado

fundamentalmente por la necesidad de sustitución de importaciones.

Durante las fases iniciales del proyecto se detectó el desarrollo incipiente de dispositivos de fin de

tren, de origen nacional y, además, escasez de información nacional en relación a la regulación de

estos sistemas.

Además del desarrollo y montaje del equipo prototipo en sí, se realizaron tanto tareas de

capacitación al personal de las empresas, como vinculación entre actores de la comunidad

universitaria con operarios del sector ferroviario.

6. REFERENCIAS

[1] Trackside Guide. Trackside Guide – Your introduction to: train watching, locomotives and cars,

how railroads work, travel by train. Trains Magazine, 2010. http://www.TrainsMag.com

[2] McGonial R.S. End-of-train devices - Bringing up the rear. Trains Magazine, May 1, 2006.

[3] Kull R.C. End-of-train monitor system for caboose elimination. 35th IEEE Vehicular Technology

Conference, Colorado, E.E.U.U., Volumen 35, pp. 299-303, 1985.

[4] Report to Congressional Committees. Train Braking - DOT’s Rulemaking on Electronically

Controlled Pneumatic Brakes Could Benefit from Additional Data and Transparency. United

States Government Accountability Office (GOA), 2016.

[5] Innowag. Deliverable D1.1: Benchmark and Market Drivers for and Integrated Intelligent and

Lightweight Wagon Solution. Innovative Monitoring and Predictive Maintenance Solutions on

Lightweight Wagon, 2016.

[6] Guillaumin B. Safe practical end of train functions. 7th World Congress on Railway Research

(WCRR 2006) – Security and Safety, Montreal, Canadá, 2006.

[7] CFR–Title 49. Transportation. Code of Federal Regulations, USA. https://www.ecfr.gov [8] Arema C&S Manual – Part 22.3.1. Recommended Guidelines, Considerations and Radio

Frequency Requirements for Train Information Systems. American Railway Engineering and

Maintenance-of-Way Association - AREMA, 2001.

Agradecimientos Los autores de este trabajo agradecen a la empresa Ferrosur Roca. Los autores también desean agradecer a la Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires (CICPBA), por el apoyo brindado; S.R.R. es Investigador Asociado a la CIC.