Cálculo de la resistencia específica en el arranque de un tren de mercancías mediante datos experimentales

Abstract

En el siguiente trabajo se aborda el desarrollo de un modelo matemático que explique el comportamiento longitudinal de un tren de mercancías con el fin de obtener un valor de la resistencia específica en el arranque, que podrá ser comparado con el recogido actualmente por la norma usada para el cálculo de cargas máximas. Para realizar los cálculos con el modelo planteado se emplearán los datos reales extraídos de una serie de mediciones en campo. De esta manera, se plantea un modo alternativo para calcular la resistencia específica durante el proceso de arranque basado en datos experimentales. Para ello, se plantea un capítulo introductorio para justificar la importancia de conocer la resistencia específica en el arranque en el transporte ferroviario de mercancías de cara a transportar mayores cargas en trenes de mayor longitud, de acuerdo con los objetivos marcados por la Unión Europea. Asimismo, se enunciarán los datos y ensayos precedentes de los que se parte para el desarrollo del trabajo. A continuación, se realiza un estudio del estado del arte relativo a la dinámica ferroviaria, de modo que se prestará atención a la tracción y a las variables que en ella influyen, así como los diferentes tipos de tracción, diésel o eléctrica, existentes. Posteriormente, se analizarán las resistencias que debe vencer un tren para acelerar o permanecer en movimiento, que pueden ser mecánicas, aerodinámicas y gravitatorias. Por último, se expone la normativa existente para el cálculo de cargas máximas, en la que se compendian en una serie de expresiones la relación entre el esfuerzo tractor de un material motor determinado y las resistencias mencionadas con anterioridad para calcular las cargas máximas que una locomotora puede arrancar y remolcar. Dichas expresiones son las que se pretende verificar o modificar en función del análisis de los datos extraídos. Posteriormente se explicarán la metodología empleada y los cálculos realizados, describiendo los ensayos llevados a cabo, que proporcionaron los datos utilizados en este trabajo, y cuyo tratamiento en otros proyectos anteriores permitieron obtener una serie de valores que intervienen directamente en la dinámica ferroviaria. A partir de estos valores, se calculan unas cargas máximas y se comparan con aquellas con las que se contaba al inicio del trabajo. Tras ello, se plantea el modelo matemático junto las ecuaciones y las hipótesis que se utilizarán para calcular la fuerza de rozamiento. Para realizar las cuentas necesarias, se desarrolla un código de cálculo basado en MATLAB que permita el manejo y cómputo de grandes cantidades de datos, de manera que sea extrapolable para los diferentes ensayos que se hicieron. Tras la ejecución del programa se obtienen una serie de resultados que permiten determinar las variables físicas del modelo y las fuerzas de rozamiento. Los resultados obtenidos se analizarán para determinar la validez de los ensayos realizados y las hipótesis, tras cuya verificación es posible determinar la resistencia específica en el arranque y las gráficas coeficiente de rozamiento frente a la velocidad, que permitirán, por un lado, comparar estos resultados con lo recogido por la norma para el cálculo de cargas máximas y, por otro, calcular unas nuevas tablas de cargas máximas y confrontarlas con las que ya se contaba, y determinar la influencia de los cambios mediante una simulación que muestre la evolución de la velocidad frente al tiempo para diferentes condiciones de carga y declividad. El análisis de resultados permite llevar a cabo una serie de conclusiones basadas en la comparación de los resultados obtenidos con los datos recogidos en documentos oficiales y con la base teórica empleada en el trabajo, lo cual muestra que los valores hallados se aproximan sin incoherencias ni incongruencias a lo considerado por la teoría de la dinámica ferroviaria. Finalmente, dado que los datos obtenidos y el modelo planteado han resultado ser útiles especialmente para bajas velocidades, se proponen una serie de opciones posibles para extrapolar el modelo a mayores velocidades y hallar, en consecuencia, valores de parámetros de la dinámica ferroviaria que influyan en situaciones diferentes a la del arranque.