Introducción

En los años 50, impulsado por la necesidad de la industria aeronáutica de utilizar métodos más eficaces para diagnosticar y analizar causas y defectos, se desarrolló el concepto de Ingeniería de Mantenimiento con el objetivo de controlar y planificar el Mantenimiento Preventivo.

A partir de 1965 se implantó el Mantenimiento Centrado en la Fiabilidad (RCM), que, aceptando el fallo en la búsqueda del fallo cero, intentaba eliminar las consecuencias del fallo. Como consecuencia, empezaron a utilizarse instrumentos y técnicas de medición cada vez más sofisticados, capaces de detectar síntomas en una fase muy temprana.

La transición de los enfoques reactivos a los preventivos, predictivos y ahora prescriptivos representa un cambio fundamental tanto en la mentalidad como en las prácticas del mantenimiento. Las estrategias ya no se centran exclusivamente en corregir fallos, sino en la prevención, la anticipación y la supervisión continua del rendimiento de los equipos. Esto se traduce en menos paradas imprevistas, mayor productividad y menores costes de mantenimiento.

Para aplicar estas técnicas en el ferrocarril, la vigilancia del material rodante, junto con las cargas en los enganches y las aceleraciones de la caja del vagón, es esencial para determinar el estado de la infraestructura, la dinámica del tren y la iteración entre el tren y la vía permanente.

Las limitaciones de velocidad en los tramos, las averías en los raíles, los descarrilamientos y las cargas excesivas en los componentes, que reducen su vida útil, son problemas habituales en las operaciones ferroviarias. Estos problemas pueden identificarse y corregirse mediante mediciones indirectas, ya que la monitorización de la dinámica del vagón asociada a las cargas sobre los enganches proporciona elementos importantes para calibrar el modelo informático y detectar problemas.

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Este estudio de caso mostrará cómo se llevó a cabo la instrumentación y el tratamiento de datos para identificar los defectos.

Instrumentación

La instrumentación de los componentes se llevó a cabo en el taller de Kot Engenharia, y se instrumentaron las dos ruedas de un eje y un enganche.

Con el fin de instrumentar el enganche, se instalaron 4 galgas extensométricas para obtener la correcta correlación entre la deformación y la carga axial actuante. Para una mayor precisión en las mediciones, el enganche se calibró en un banco de pruebas, donde se aplicaron cargas de tracción y compresión con una intensidad similar a la esperada en el campo, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Extensómetros y calibración del acoplamiento - FUENTE: Colección Kot.

Para instrumentar el juego de ruedas, se elaboró inicialmente un modelo de elementos finitos a fin de determinar las posiciones de instalación de las galgas extensométricas. Estas posiciones se eligieron para obtener las mayores deformaciones al aplicar las cargas laterales y verticales generadas por el contacto rueda-carril, como se muestra en la figura 2.

Figura 2: Rueda instrumentada - FUENTE: Kot Collection.

La deformación de las ruedas se comparó con el modelo informático tras aplicar cargas laterales y verticales conocidas.

El sistema de seguimiento del eje de ruedas constaba de un sistema de adquisición a bordo en el eje, un paquete de baterías en la caja del vagón, un ordenador principal instalado en el vagón, un sistema de transmisión de energía entre la caja y el eje de ruedas, acumuladores de energía, filtros, sistemas de transmisión a distancia y GPS.

Parámetros de adquisición

Las deformaciones durante el ciclo se evaluaron utilizando una frecuencia de adquisición de 2 kHz y el posterior filtrado de los datos con un paso bajo de 25 Hz para obtener las cargas estáticas sobre el acoplamiento. Se utilizó un filtro de paso alto de 4 Hz para obtener las cargas dinámicas sobre el acoplamiento.

Los datos del juego de ruedas se adquirieron a 2000 Hz y se analizaron utilizando las amplitudes de carga más altas cada 1 segundo para montar los gráficos y el análisis. Posteriormente, se eliminaron los datos de deformación cruzada y se aplicó la correlación entre deformación y carga.

Ciclo de medición

La fórmula de Nadal se aplica en proyectos ferroviarios relacionando la fuerza vertical ejercida por las ruedas con la fuerza lateral de la pestaña de la rueda contra la cara del carril. Esta relación es un parámetro muy utilizado para indicar la posibilidad de descarrilamiento. La figura 3 ilustra la dinámica del descarrilamiento.

Figura 3: Dinámica de los descarrilamientos - FUENTE: MAHARAJPUR, Gwalior.

Com o objetivo de facilitar a visualização dos pontos de interesse, os resultados são apresentados em formato de imagem, em que são indicadas as localidades onde foram identificados os alertas. Estes alertas foram configurados em dois níveis: alerta 01 (0.8 < L/V < 1.0 ou perda de carga entre 60% a 85%) e alerta 02 (L/V > 1.0 ou perda de carga acima de 85%).

Los puntos críticos identificados en la medición se muestran visualmente en la figura 4.

Figura 4: Ejemplo de mapa de resultados - FUENTE: Kot Collection.

Enganche de cargas

Durante el movimiento del tren, especialmente durante la aceleración, deceleración y curvas, se generan fuerzas dinámicas en el acoplamiento que se transfieren a la vía permanente. Estas fuerzas pueden provocar tensiones adicionales en los carriles y las sujeciones, afectando a la estabilidad y la vida útil de los componentes de la vía.

Así, la medición conjunta de estas variables permite una evaluación detallada del sistema, mejorando la estrategia de mantenimiento y repercutiendo en el calendario de inspección de los enganches. En los casos de medición continua (vagón instrumentado), la vida útil de los componentes puede alargarse cada vez más.

Además de las cargas dinámicas a las que está sometido el vagón, la posición del vagón en el tren contribuye significativamente a aumentar la carga sobre el acoplamiento en determinados tramos, información que puede ser utilizada por la Ingeniería de Mantenimiento para ayudar a optimizar los intervalos de inspección.

En el estudio de caso realizado, las cargas medidas en el acoplamiento se presentaron en formato gráfico, como puede verse en la figura 5.

Figura 5: Cargas que actúan sobre el acoplamiento durante un ciclo en vacío - FUENTE: Kot Collection.

Los valores se trataron estadísticamente para subvencionar el cálculo de la fatiga del acoplamiento y de los componentes que dependen de esta iteración. Se utilizó la metodología de recuento de picos rainflow y se definió la vida a fatiga del componente mediante el recuento de daños Miner-Green.

Conclusión

La monitorización de los parámetros dinámicos de los vagones permite al equipo de ingenieros diagnosticar problemas y programar el mantenimiento con mayor eficacia. De este modo, ha sido posible identificar diversas variables de funcionamiento, como:

• Carga desequilibrada en el vagón. Se identificó una diferencia del 20% de la carga nominal sobre las ruedas entre los lados izquierdo y derecho (posible problema de carga);
• Valores altos del parámetro L/V. El desequilibrio de la carga altera la dinámica en las curvas, y este parámetro funciona en conjunción con la velocidad y la geometría de la vía. Un mejor equilibrio de la carga permitiría aumentar la velocidad en determinados tramos;
• Alertas de carga del enganche en las curvas;
• Identificación de las cargas en el acoplamiento por su posición en la composición;
• Baja carga en un tramo con límite de velocidad (se puede realizar un seguimiento para modificar la velocidad en el tramo);
• Diferencia entre el manejo por el conductor y el manejo a distancia;
• Ayuda para definir el conjunto de la composición (locotrol o tricotrol).

Kot cuenta con un equipo de profesionales cualificados para la instrumentación y monitorización de componentes ferroviarios, trabajando con excelencia en la selección y aplicación de las metodologías más adecuadas para su negocio y su activo. Contacte con nuestro equipo ¡para más informaciones!

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