Optimización de suspensiones neumáticas de vehículos ferrroviarios

Abstract

Esta tesis se desarrolló en el marco de un convenio de investigación conjunta entre la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid y la empresa fabricante de trenes Patentes Talgo S.A. El incremento de velocidad de los vehículos ferroviarios y las cada vez mayores expectativas de comodidad de los usuarios constituyen un reto para la industria ferroviaria moderna. En este sentido, es necesario efectuar mejoras tanto en las vías como en el material rodante. Entre las mejoras posibles está la optimización de los sistemas de suspensión secundaria de los vehículos y la utilización de sistemas activos y semi- activos. Las suspensiones neumáticas tienen importantes ventajas con relación a los sistemas convencionales, compuestos por muelles helicoidales y amortiguadores hidraúlicos; y por ello son ampliamente utilizadas. Sin embargo, su modelización matemática es bastante más complicada. En esta tesis se presenta la teoría de las suspensiones neumáticas compuestas por un muelle de aire, un volumen auxiliar y un paso restringido entre ambos. En base a esta teoría se analizan las alternativas de optimización posibles. Para este efecto se utiliza además el análisis mediante números adimensionales, que aporta elementos de análisis interesantes. Se presentan algunos de los modelos actualmente disponibles para calcular sus parámetros de funcionamiento, rigidez y amortiguamiento, en función a características físicas, diámetros y volúmenes. La rigidez y el amortiguamiento de las suspensiones se interpreta como la parte real y la parte imaginaria de una rigidez compleja. Graficando dicha rigidez en el plano complejo se obtiene una herramienta adicional para el análisis. El uso de este enfoque no se ha encontrado en la bibliografía consultada. La comodidad del viajero es función de las irregularidades de la vía, de la respuesta del vehículo a dicha excitación y de la diferente percepción del ser humano de las vibraciones según la dirección y la frecuencia. Teniendo en cuenta estos elementos y utilizando la simulación por ordenador, se desarrolla una metodología de optimización de suspensiones pasivas. Se analiza el efecto de la variación de la resistencia al flujo del orificio de restricción entre el muelle de aire y el volumen auxiliar, así como el efecto de la distribución de volúmenes entre el muelle de aire y el volumen auxiliar. Con la optimización de las suspensiones pasivas se puede mejorar la comodidad hasta cierto límite. Más allá de este límite es necesario el uso de sistemas activos o semi- activos. En esta tesis se propone el diseño conceptual de una suspensión semi- activa, enteramente neumática, que actúa mediante la variación de la resistencia al flujo del orificio entre el muelle de aire y el volumen auxiliar. Esta suspensión utiliza la estrategia del skyhook damper. Mediante simulación se compara el funcionamiento de la suspensión semi- activa propuesta con la pasiva óptima. Se encuentra que la suspensión semi- activa permitiría mejorar la comodidad en el orden del 22 al 26 %. En una suspensión neumática la rigidez y el amortiguamiento del sistema es función del coeficiente de resistencia al flujo entre el muelle de aire y el volumen auxiliar. Para un apropiado diseño se requiere por lo tanto contar con algún modelo fiable que relacione dicho coeficiente con las dimensiones del orificio de restricción. Mediante ensayos en vía del tren de alta velocidad Talgo 350, en esta tesis se determina de manera experimental el coeficiente de resistencia al flujo. Se ha encontrado que los valores experimentales no concuerdan con los calculados con el modelo previamente disponible. Se propone un nuevo modelo, que aunque es algo más complejo, proporciona resultados que se ajustan mejor a los datos. Los resultados resumidos hasta ahora son de utilidad en la optimización del funcionamiento de las suspensiones neumáticas en lo que respecta a su desplazamiento vertical. Sin embargo, la comodidad percibida por el viajero, para una velocidad de circulación constante, es función además de los movimientos laterales. Durante la investigación experimental del comportamiento lateral de las suspensiones, se identificó un fenómeno dinámico que se presenta en los trenes de ruedas independientes con mecanismo de guiado mediante barras articuladas que origina una reducción en los niveles de amortiguamiento lateral. Este fenómeno es perjudicial para los índices de comodidad lateral de los viajeros. La reducción del amortiguamiento lateral es consecuencia del funcionamiento del sistema de guiado y del perfil de las ruedas del vehículo. Se definen tres tipos de ejes de ruedas independientes en atención a la variación de la energía cinética de rotación con la variación de la posición lateral del eje sobre la vía. Ejes maxienergéticos, en los cuales la energía cinética de rotación es máxima en la posición centrada del eje sobre la vía. Ejes minienergéticos, en los cuales la energía cinética de rotación es mínima en la posición centrada del eje sobre la vía. Ejes isoenergéticos, en los cuales la energía cinética de rotación es la misma en cualquier posición lateral del eje. Se demuestra que cuando se usan ejes maxienergéticos o minienergéticos, el sistema de guiado puede introducir fuerzas proporcionales a la velocidad de desplazamiento lateral del eje y de igual sentido. Esto significa que este fenómeno tiene un aporte negativo al amortiguamiento total del sistema. Por tal motivo, los vehículos que utilizan estos tipos de ejes están en realidad menos amortiguados de lo que se calcularía con un método estático, sumando los diversos amortiguamientos del sistema. El efecto de reducción del amortiguamiento a consecuencia de la variación de la energía cinética de rotación de las ruedas es mayor conforme se incrementa la velocidad del tren. Por lo tanto este estudio es particularmente útil para los trenes de alta velocidad. Finalmente, se incluye un ensayo de medición experimental de la energía cinética de un eje de ruedas independientes, que permite clasificar el eje dentro de una de las categorías definidas anteriormente.