Diseño de combinación de rieles, sujetadores y sistemas de almohadillas de rieles y adaptación de la dinámica de las vías
¿Cuál es la relación de transmisión mecánica entre rieles, sujetadores y zapatas?
La carga de las ruedas del tren actúa primero sobre la superficie superior del riel y luego transmite uniformemente fuerzas verticales, laterales y longitudinales a través de la base del riel hasta el sistema de sujeción. Luego, los sujetadores transmiten la fuerza a través de las almohadillas de la vía y las placas de base de hierro a las traviesas o losas de la vía, y finalmente la disipan en la estructura de cimentación. Estos tres elementos forman una cadena de fuerza continua: los carriles proporcionan guía y soporte de carga; los sujetadores proporcionan fuerza de sujeción, sujeción lateral y cierta elasticidad; y las almohadillas de oruga proporcionan amortiguación primaria, reducción de vibraciones y ajuste de rigidez. Un rendimiento insuficiente o una coincidencia inadecuada en cualquier eslabón provocarán una transmisión de fuerza desigual, lo que provocará una concentración de tensiones, un mayor impacto, una vibración intensificada y fallos prematuros de los componentes. Por tanto, el diseño integrado es fundamental, más que una simple combinación.
¿Por qué es importante enfatizar la correspondencia entre la rigidez del riel y la rigidez de la plataforma de vía?
La rigidez del riel está determinada por el tipo y el material del riel, mientras que la rigidez de la plataforma de vía está determinada por la dureza, el espesor y la estructura del material. Si la rigidez del riel es demasiado alta y la plataforma del riel es demasiado blanda, se producirá un asentamiento excesivo del riel y una deformación elástica, lo que provocará un ancho de vía inestable y el balanceo del tren. Por el contrario, si la rigidez del riel es demasiado baja y la almohadilla del riel es demasiado dura, una amortiguación insuficiente resultará en un impacto importante entre las ruedas y los rieles, lo que acelerará el desgaste de los rieles, fatiga de los sujetadores y daños en la base de la vía. Diferentes líneas requieren diferentes relaciones de coincidencia: líneas de alta-velocidad, que requieren alta suavidad, usan "rieles más duros + almohadillas de riel de rigidez media-" para controlar la deformación; líneas de carga pesada-, con cargas pesadas por eje, utilice "rieles de alta-resistencia + almohadillas de riel de alta-carga-alta-elasticidad" para mejorar la resistencia a la deformación; El transporte ferroviario urbano, con altos requisitos de reducción de vibraciones, utiliza "rieles convencionales + almohadillas de riel de baja-rigidez y alta-amortiguación" para reducir la vibración y el ruido. Sólo con un gradiente de rigidez razonable se puede transferir la carga de manera uniforme.
¿Cuáles son las funciones de la rigidez estática, la rigidez dinámica y la amortiguación de la plataforma del riel?
La rigidez estática determina la deformación de la plataforma de la vía bajo carga estática, afectando la estabilidad de elevación de la vía y la uniformidad del soporte. La rigidez dinámica refleja la respuesta dinámica cuando un tren pasa a alta velocidad; una rigidez dinámica excesivamente alta exacerba el impacto, mientras que una rigidez dinámica insuficiente provoca fácilmente resonancia. La amortiguación se utiliza para disipar la energía de las vibraciones, suprimir la amplificación de las vibraciones y reducir la propagación del ruido. Las almohadillas de oruga de alta-calidad deben cumplir con los requisitos integrales de rendimiento de "rigidez estática moderada, baja relación de rigidez dinámica-a-estática y amortiguación adecuada". Si sólo se persigue la elasticidad y se ignora la amortiguación, se producirá una vibración de larga duración y un amplio rango de transmisión; si la rigidez es demasiado alta, pierde su función de reducción de vibraciones. Sólo a través de la sinergia de estos tres factores se puede lograr una operación fluida, de bajo-impacto y de poco-ruido.
¿Cuáles son las diferencias típicas en los esquemas de correspondencia de estos tres factores en diferentes condiciones de pista?
Ferrocarriles de alta-velocidad: se logra alta suavidad, bajo impacto y alta estabilidad utilizando rieles de acero de alta-resistencia de 60 kg/m o más + sujetadores ajustables de alta-precisión + almohadillas de vía altamente elásticas y de bajo-derivamiento, con una rigidez media-a-alta para garantizar la estabilidad.
Ferrocarriles de transporte pesado-: alta carga por eje, alto impacto, alto desgaste; rieles-de alta resistencia + sujetadores reforzados de alta-resistencia + almohadillas-resistentes a la alta-compresión y a la fatiga-; Se prioriza la alta rigidez y la capacidad de carga-.
Metros urbanos/trenes ligeros: requisitos elevados de reducción de vibraciones y ruidos; tipo de riel estándar + sujetadores divididos flexibles + almohadillas de goma o poliuretano de baja-rigidez y alta-amortiguación; rigidez más suave, se prioriza la reducción de vibraciones.
Líneas de velocidad convencional lastradas: Se prioriza el coste y la mantenibilidad; rieles convencionales + sujetadores elásticos tipo I/II + almohadillas de goma ordinarias; Rigidez moderada, equilibrio entre economía y fiabilidad.
Secciones de transición del puente-túnel: se adopta un diseño de adaptación gradual de la rigidez; Los parámetros de las almohadillas y los sujetadores se ajustan gradualmente desde el puente hasta la superficie de la carretera para evitar impactos repentinos de rigidez.
¿Cómo extender la vida útil general de los componentes mediante la combinación del sistema?
Primero, se realiza una simulación dinámica durante la fase de diseño para determinar la combinación óptima de rigidez, fuerza de sujeción y estructura de la plataforma para evitar la sobrecarga local. En segundo lugar, se selecciona una combinación de materiales con el mismo rendimiento: los rieles de alta-resistencia se combinan con sujetadores de alta-resistencia y almohadillas de soporte de alta-carga-, mientras que las secciones de amortiguación de vibración-se combinan con sujetadores de alta-elasticidad y almohadillas de alta-amortiguación. Durante la construcción, se garantiza que los rieles sean lisos, que el torque de los sujetadores sea constante y que las almohadillas estén centradas sin presión diagonal, lo que reduce la concentración de tensión local. Durante la fase de operación y mantenimiento, la atención se centra en monitorear la deformación de las pastillas, el aflojamiento de los sujetadores y el desgaste de los rieles. Para secciones con componentes que no coinciden, se ajusta la rigidez o se reemplazan los componentes de manera oportuna para evitar una cadena de fallas causadas por la falla de un solo componente. Mediante la combinación de toda la cadena de "diseño - selección - instalación - mantenimiento", la tasa general de fallas se puede reducir significativamente, la vida útil general de los rieles, sujetadores y almohadillas se puede extender y se puede reducir el costo total del ciclo de vida de la línea.