FALLAS EN EL CONTACTO RUEDA-CARRIL Y FORMA DE PREVENIRLO

Leonardo Plaun 1, Adrian Norberto Doipe 2

1 Universidad Tecnologica Nacional-Facultad Regional Buenos Aires Medrano 951-C1169AAQ Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina

correo-e: lplaun@gmail.com lplaun@frba.utn.edu.ar

2 Consultora Ejecutiva Nacional Del Transporte (CENT) Maipú 267-Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina

RESUMEN

El material rodante en vehículos ferroviarios nos indica el modo de desplazamiento que se utiliza. El

mismo, está compuesto por el par Rueda-Carril (vía), ambos, en general de acero. La excepción se

da en algunos casos en los que se utiliza para el desplazamiento ruedas dotadas de neumáticos

(p.ej. subterráneo de Santiago de Chile) o fenómenos de electromagnetismo.

La misión de las ruedas de tren es la de sustentar, guiar, transmitir al carril los esfuerzos, lograr

circular en curvas y frenar. Cada una de estas funciones induce esfuerzos mecánicos y térmicos en

las ruedas.

Las piezas sometidas a repetidos ciclos de carga y descarga están sometidas a fatiga y se debilitan

a lo largo del tiempo. Si además tienen defectos en su interior, éstos actúan como concentradores

de tensión acelerando la formación y crecimiento de las fisuras.

El fenómeno de fatiga bajo cargas de contacto en servicio, conocido en la mayoría de la bibliografía

por su denominación en inglés “Rolling Contact Fatigue” o por sus siglas RCF [1] es un tema cada

vez más importante para el ferrocarril.

La posible aparición de fallas catastróficas puede resultar muy costoso tanto desde un punto de

vista económico como, desde un punto de vista humano. Sin embargo, sin llegar a estas fallas, la

aparición temprana de grietas puede resultar muy cara económicamente en lo que se refiere al

mantenimiento de los trenes. Para conocer los tipos de defectos que pueden producirse en las

ruedas debido en gran medida a la presencia de inclusiones en los aceros, se van a desarrollar los

principales tipos de fallas que existen en las ruedas.

Conociendo los tipos de fallas, se podrá planificar el mantenimiento de ruedas ayudado por la

información aportada por programas de elementos finitos sobre el daño acumulado en ruedas en

servicio.

Palabras Clave: RUEDA-CARRIL-FALLAS- MANTENIMIENT

1. INTRODUCCIÓN

La función principal de las partes de estructuras y de máquinas es resistir las cargas exteriores a

que son sometidas. Dichos miembros, no deben sufrir daño estructural, es decir, no deben dejar de

cumplir satisfactoriamente la función para la cual fueron diseñados.

La resistencia de materiales se planteó, como problema fundamental, obtener relaciones entre las

cargas aplicadas a un miembro resistente y alguna magnitud física que sea significativa en el

fenómeno de la falla de dicho elemento.

Los pasos, para diseñar un elemento cuya función esencial es resistir cargas, son:

1) Determinar el modo de falla más probable de la pieza construida de un material dado, bajo

determinadas solicitaciones y condiciones de servicio.

2) Determinar una relación, entre las cargas y la magnitud que se considere significativa en la

falla de la pieza y que limite su capacidad resistente, incluyendo las dimensiones de la

pieza.

3) Determinar por medio de ensayos del material utilizado, el valor máximo de la magnitud que

se considera responsable de la falla.

4) En base a observaciones experimentales deducciones analíticas, experiencia con

estructuras y máquinas reales, sano juicio, consideraciones legales, comerciales,

económicas, ecológicas y de los reglamentos, códigos y normas nacionales e

internacionales, se deberá elegir un valor de trabajo seguro, de la magnitud responsable de

la falla.

Los cálculos deberán seguir las metodologías indicadas por códigos, reglamentos y normas, de

reconocidos Institutos u organizaciones, haciendo referencia a los mismos en la memoria de cálculo.

2. MATERIAL RODANTE

En un vehículo ferroviario, la superficie de los carriles soporta las ruedas y además, las guían en

dirección lateral.

Sea el par montado de la figura 1, que es el conjunto armado constituido por un eje y dos ruedas,

caladas en el mismo que son parte del Boogie que conlleva las cajas con grasa, los frenos y los

órganos de tracción.

Figura 1 Par Montado

Figura 2: Tramo de vía férrea

Sea la figura 2, un tramo de vía férrea sobre el cual se apoya el par montado, en la cual se indican y

definen las partes constitutivas de la misma, a saber:

Vía férrea: línea ferroviaria compuesta por rieles paralelos y traviesas de madera para los convoyes

ferroviarios.

Riel: conjunto de barras de acero acopladas por sus extremos y situadas en dos líneas paralelas.

Perno de vía: pieza de acero con una cabeza en extremo y un tornillo en el otro, destinada a alojar

una tuerca para conectar los rieles de una vía férrea.

Escarpia: pieza metálica curvada utilizada para conectar la almohadilla de la placa de asiento al riel.

Traviesa: plancha de madera ubicada perpendicularmente dejado de los rieles.

Placa de asiento: pieza metálica que sostiene al riel.

Tuerca: pieza metálica para mantener ajustado a un perno de vía.

Cámara de expansión: espacio dejado entre los rieles para permitir la expansión cuando sube la

temperatura.

La función principal del elemento de rodadura consiste en:

1) Transmisión de la carga vertical del vehículo a las vías, a través de las ruedas

2) Guiar el vehículo sobre las vías

3) Aplicar las fuerzas de tracción y frenado.

Si bien existe variedad en los diseños de estos elementos rodantes, la acción y reacción entre el

contacto rueda-riel es la materia de estudio.

Para el cálculo del contacto rueda-riel, se utilizo primeramente las tensiones de Hertz (1895) [2].

Este, demostró que cerca del área de contacto la deformación produce una forma elíptica.

En 1916, Carter, introdujo el concepto de pseudo deslizamiento entre carril y rueda, considerando la

teoría de una dinámica lateral.

En 1958, Johnson baso su solución considerando que el área de adhesión era una teoría

tridimensional que analizaba el caso de dos esferas rodando una sobre otra. La superficie de

contacto resultante era circunferencial en vez de rectangular que es como lo consideró Carter.

Kalker desarrolló en 1967, una teoría en la que consideraba que la relación entre las fuerzas de

contacto tangenciales y los pseudo-deslizamientos era lineal.

4.SUPERFICIES DE CONTACTO NO CONCORDANTES

Cuando dos cuerpos entran en contacto entre si las superficies de estos pueden ajustarse bien una

sobre otra con un alto grado de vinculo geométrico. En este caso se trata de superficies

concordantes, Figura 3. Es el caso de los cojinetes por deslizamiento con una gran área de

lubricación.

Figura 3: Superficies concordantes

En los sólidos en contacto no concordantes Figura 4, las tensiones por contacto se producen en

áreas limitadas del contacto y el área de lubricación resulta ser pequeña o nula. El aumento de

carga tiende a agrandar dichas superficies. Ejemplos: contacto entre dientes de engranajes, levas y

sus seguidores, cojinetes con elementos rodantes y ruedas de ferrocarril sobre el riel. En todos

estos ejemplos por contacto no concordante los elementos no mantienen un contacto fijo. Las

tensiones originadas por dichos contactos se repiten gran cantidad de ciclos y concluyen en una

falla por fatiga. Las tensiones normales principales en los puntos del área de entre las superficies

curvas comprimidas, resultan mayores que las correspondientes a los puntos debajo de dicha area.

La tension tangencial maxima, se ubica en puntos por debajo de la superficie de contacto.

Figura 4: Superficies no concordantes

5.DISTINTOS PERFILES DE RUEDAS

En nuestro país la norma FAT MR-704, establecida por Ferrocarriles Argentinos en 1983 y avalada

en la actualidad por la CNRT, es la que establece la geometría de las ruedas, dando los valores

ideales y los límites por debajo de los cuales se deben retirar del servicio.

En la figura 5 podemos visualizar las distintas partes de una rueda Ferroviaria y su nomenclatura de

acuerdo con la Norma NEFA 911.

Figura 5: Nomenclatura de las ruedas

En la figura 6, se comparan los perfiles NORMAL, ECONOMICOS Y GASTADOS de acuerdo con la

norma de Ferrocarriles Argentinos y la CNRT, definiéndose a continuación de esta las caracte-

rísticas de cada uno de ellos:

Figura 6: Distintos tipos de perfiles

5.1 Perfil Normal

Es el que corresponde a la rueda nueva o reparada a nueva.

5.2 Perfil Económico

Es aquel perfil derivado de autorizar ciertas variantes sobre el normal, con el objeto de disminuir el

mecanizado de los perfiles gastados, al proceder a repararlos.

Estos perfiles derivan de trasladar paralelamente en el sentido de la línea de atochamiento, ocupa la

totalidad del espacio físico para circular la porción BGC del perfil normal de rodadura (NEFA706).

5.3 Perfil gastado

Es el que adopta la banda de rodadura de distintas dimensiones y formas respecto del perfil normal

como consecuencia del uso.

Figura 7: Nomenclatura Rueda Enllantada NEFA 920

Figura 8: Nomenclatura Rueda Enteriza NEFA 910

6.CARRILLES O VIAS

Figura 9: Riel UIC 54, normalizado por CNRT

La figura 9, muestra un típico perfil del Riel normalizado por la CNRT, denominado UIC 54.

7. FALLAS EN EL SISTEMA RUEDA CARRIL

Figura 10: Ondulación de la vía

La concentración de tensiones que causa el inicio de la falla Rolling Contact Fatigue (RCF), es el

contacto entre rueda -carril. Las condiciones del contacto son siempre severas y la tensión de

fluencia en la vía de acero es normalmente superada, al menos en una microescala, suficiente

para producir en la rueda y en la vía una rugosidad. Un proceso irreversible comienza y es el

proceso de fatiga tanto en la rueda como en la vía, produciéndose una competencia para ver

quien falla antes que la otra.

Las tensiones generadas por el contacto rueda-carril, son complejas y están gobernadas por la

geometría de estas en la zona del contacto, la posición relativa que toman en cada momento,

el tipo de curva, las características de suspensión del vehículo y por supuesto las condiciones

del par rueda-carril.

Con base a lo encontrado en la literatura y en los daños identificados en el par rueda carril, se

clasificaron los mecanismos de desgaste en los siguientes tipos:

7.1 Ondulación: La falla principal que puede provocarse en un riel es la indicada en la figura 10, y

se denomina desgaste ondulatorio.

Este tipo de desgaste se presenta sobre la superficie del riel en forma de corrugación y

normalmente se aprecia a simple vista dependiendo de las frecuencias de las ondulaciones, como

se puede observar en la figura 5. La aparición de estos picos y valles se debe principalmente a la

interacción dinámica del vehículo con la vía, aunque fenómenos como flujo plástico, flexión plástica

del carril y fatiga de contacto por rodadura contribuyen a la aparición de este tipo de daño.

7.2 Adhesión Debido a las altas cargas típicas de estos sistemas, los materiales experimentan una

fuerza de tracción efectiva lo suficientemente grande para generar el desprendimiento de material,

tal como se muestra en la Figura 1. Estas marcas se observan comúnmente en curvas y cerca de

las estaciones, lugares en que se presentan altas tasas de deslizamiento, lo que conlleva

a que el área efectiva de adherencia disminuya y por consiguiente la carga sea aplicada en una

zona menor aumentando los esfuerzos de contacto.

7.3 Squats Durante las inspecciones también se logró observar Squats, los cuales se caracterizan

por formar una superficie oscura sobre el riel, combinada con un ensanchamiento de la banda de

rodadura. Estas marcas son formadas debido a la existencia de grietas sub-superficiales que crecen

paralelas a la superficie del riel, las cuales producen que el material cercano fluya hacia los lados

generando una depresión que recoge suciedad y se corroe dándole el aspecto oscuro.

7.4 Fatiga superficial Otras observaciones tras las inspecciones realizadas fue evidenciar fatiga

superficial en todas las curvas sobre el sector alto, siendo más crítico en curvas de menor radio. El

defecto observado en la cabeza del riel, comúnmente conocido como head checks, se evidencia

por la aparición de pequeñas fisuras como se muestra en la. Los mismos, mantienen una inclinación

con respecto al eje longitudinal del riel debido a la dirección resultante entre las fuerzas longitudinal

y transversal. A medida que las grietas crecen, se ramifican y avanzan hacia el interior del riel, lo

cual ocasiona desprendimiento de material, fenómeno conocido como spalling.

7.5 Flujo plástico Este fenómeno de desgaste es generado por las altas cargas presentes en rieles

del hilo alto, las cuales producen una deformación plástica en el flanco del riel, (llamado Tongue

lipping) especialmente en curvas. Se caracteriza por que el material del riel sobresale más allá de

la banda de rodadura formándose en algunos casos grietas por debajo de estas capas, las cuales

crecen en un plano aproximadamente paralelo a la superficie de la cabeza del riel.

Este fenómeno de desgaste no es común y sólo fue posible evidenciarlo en alguna de las curvas

que presentaba un radio de curvatura de 300 m con ausencia de peralte.

8. CONCLUSIONES

El proyecto se encuentra en su etapa iniciática. El estado del arte permite encontrar distintos tipos

de falla ya mencionados en el par rueda-carril, los mismos deberán ser observados con suma

minuciosidad y en la siguiente etapa del proyecto, se buscará la correlación de estas con el

modelado. Una vez obtenido los mencionado estaremos en condiciones de operar con el

mantenimiento en forma preventiva y predictiva.

Entre los mismos pensamos emplear algunos de los siguientes:

Modelo de vía en base a una viga de Timoshenko-Rayliegh.

Modelado del riel con solo interacción vertical

Modelo de balasto y subsuelo como sistema de masas acopladas como resortes.

9. REFERENCIAS

[1] Wear Fatigue Interactions and Maintenance Strategies, Kapoor, A. In, Why Failures Occur in the

Wheel Rail Systems, Proceedings of an Advanced Railway Research Centre Seminar, Derby, 22 de

mayo de 2010.

[2] Seely Fred B.M.S.& Smith James O.A.M., Curso Superior de Resistencia de Materiales. Librería

y Editorial Nigar S.R.L., Buenos Aires, 1995.

[3] U. Olofsson and R. Lewis, “Basic tribology of the wheel-rail contact”, Wheel-rail interface

handbook, First Edition. ISBN 978-1-84569-412-8, Cap 2, 2006.

Agradecimientos

Los autores de este trabajo desean agradecer a los Ingenieros Jorge Petroni por permitir la

observación de los defectos en los Talleres San Martin del ferrocarril argentino y Marcelo Mellino y

al GETTF (Grupo de Estudio de Tecnología del Transporte Ferroviario) de la UTN-FRBA por el

apoyo brindado para elaborar este trabajo.