Development of a vehicle-track interaction model for mid-and high-frequency problems. Application to wheel-rail noise

Resumen

En los últimos años, el transporte ferroviario se ha posicionado como uno de los medios de transporte más eficientes, fiable y sostenible. No obstante, el desarrollo de trenes más rápidos, la mayor afluencia de pasajeros y el aumento de la cantidad de mercancías transportadas, junto con la implantación de una regulación cada vez más exigente, ha dado lugar a que problemas asociados a la interacción entre rueda y carril a alta frecuencia ¿ tales como la corrugación, problemas de impacto o el ruido de rodadura entre otros ¿ cobren mayor relevancia. Estos problemas inciden negativamente en la percepción de confort vibro-acústico de los pasajeros y va en detrimento de la aceptación del transporte ferroviario como uno de los medios prioritarios. En ausencia de herramientas que permitan predecir/estudiar estos problemas, los costes de mantenimiento y la inversión en medidas de mitigación asumidas por fabricantes, operadores y administraciones han sufrido un aumento considerable. El objetivo de esta tesis es ahondar en la raíz de estos problemas. Para ello, en el marco de la misma, se propone el desarrollo de un modelo de interacción vehículo-vía de alta frecuencia con objeto de proporcionar una herramienta de predicción de este tipo de problemas en la fase de diseño. De forma que, en base a ella, se pueda estudiar la influencia de diferentes parámetros y optimizar el diseño para reducir futuros costes. Las principales características e innovaciones que este modelo presenta se resumen a continuación: ¿ El modelo se apoya en la hipótesis de que la dinámica de alta frecuencia del sistema eje-vía no afecta al movimiento del bogie. ¿ El modelo considera únicamente el sistema eje-vía, para lo cual se apoya en la hipótesis de que la dinámica de alta frecuencia del sistema eje-vía no afecta al movimiento del bogie. ¿ Las ecuaciones del modelo de eje se han obtenido en su forma más general; se han considerado todos los grados de libertad y se han planteado con respecto a un sistema no inercial. Esto permite derivar todos los términos y fuerzas necesarios para estudiar el comportamiento en curva. ¿ La metodología empleada para la resolución del problema de contacto entre la rueda y el carril contempla la forma general del área de contacto, múltiples puntos de contacto y tiene en cuenta efectos no estacionarios debidos a variaciones de alta frecuencia en los parámetros asociados al contacto. Una de las principales innovaciones consiste en considerar la deformación de los perfiles debido a la flexibilidad de los cuerpos en contacto. ¿ Además, el modelo integra la posibilidad de trabajar con un coeficiente de fricción variable; un aspecto importante a la hora de predecir el chirrido en curva. Para determinar la ley de fricción experimentalmente se ha construido un banco de ensayos, lo que permite controlar con precisión las condiciones de ensayo a diferencia de lo que sucede al realizar medidas en vía. La principal diferencia con respecto a otros bancos de tipo twin-disk es que, en este caso, las presiones y deslizamientos son equivalentes a los que tienen lugar en un caso real. ¿ Por último, cabe destacar que el modelo se ha planteado en el dominio del tiempo con el fin de contemplar las no-linealidades que tienen lugar en problemas de impactos. Además, la formulación se ha planteado de tal forma que sea computacionalmente eficiente y pueda ser integrada en un futuro en un simulador dinámico.