Investigaciones y tendencias en el sector del ferrocarril

La Fundación Cidaut comenzó a trabajar en temas relacionados con el ferrocarril en el año 1995 coincidiendo con los primeros momentos de la existencia del centro. Inicialmente participó en proyectos relacionados con el diagnostico de fallos en motores y sistemas de frenado, en la mejora de la acústica de los sistemas de aire acondicionado y en la evaluación de los asientos en trenes y metros. Una experiencia que nos supuso posicionarnos en este sector, muy tradicional, donde muchas de sus empresas buscan replicar experiencias de otros sectores, como la automoción o la aeronáutica, con el fin de mejorar sus productos frente a los nuevos requerimientos de fabricación de los modernos modelos de trenes.

Actualmente el ferrocarril afronta diversos retos entre los que destacan la reducción de peso; la mejora de las condiciones de confort y seguridad; la optimización del mantenimiento de los sistemas; el incremento de la velocidad de explotación; y la incorporación de los modernos sistemas de control.

La reducción de peso en los vehículos de transporte puede abordarse desde dos ámbitos diferentes, utilizando nuevos materiales, más ligeros, o diseñando estructuras optimizadas para satisfacer los requerimientos de los cuadernos de cargas.

Desde la Fundación Cidaut apostamos por el desarrollo de nuevos materiales más ligeros como el aluminio y los materiales poliméricos, composites.

• Espumas metálicas: gracias a sus interesantes propiedades (ligereza, absorción de energía, mayor rigidez frente a espumas de fibra de vidrio (evitando el uso de refuerzos), excelente comportamiento ante pequeños impactos (piedras, pájaros), mayor resistencia al fuego; hacen que este material sea un gran candidato para su utilización en este sector. Se han desarrollado paneles estructurales en suelo o paredes de la cabina o coche y también en las partes del interior del vehículo como es el caso de la estructura del asiento del pasajero. Los inconvenientes a la hora de utilizar estos materiales es el precio de la materia prima y el coste de procesamiento (principalmente utillajes) para geometrías complejas. Este hecho nos ha movido a buscar desarrollos que vayan en la línea de reducir el precio final utilizando componentes producidos con materias primas baratas y procesos flexibles y automatizados, es decir más productivos.
• Compuestos MMC: Los metales ligeros reforzados, combinados con partículas o fibras cerámicas, presentan como principales características la ligereza, el incremento de rigidez (módulo de Young) y mayor resistencia a la abrasión, por lo que dan excelente resultado en elementos sometidos a fricción. Su uso en aligeramiento de discos de freno es una realidad y un ejemplo claro de su potencialidad. De igual forma que sucede con las espumas es preciso conseguir una optimización del proceso productivo y una investigación en materias primas que permita reducir su precio. Otro desafío en el que trabajamos de forma transversal tanto para espumas, como para MMC es el de optimizar los procesos en uniones multimaterial y en sus recubrimientos.
• Materiales composites: Con la experiencia adquirida en otros sectores: automoción, aeronáutica, etc., podemos proponer soluciones utilizando materiales compuestos con tejidos de carbono, vidrio, aramida, metal, o híbridos de todos ellos y, además proponer la adecuada ordenación de capas de materiales su orientación y el proceso de transformación. En los procesos de transformación de composites además de resolverles con bajo coste para las producciones asociadas al sector del ferrocarril, es necesario utilizar el uso de ciertos componentes metálicos. Las estructuras ideales para este sector son las híbridas de composite y de metal, una solución técnico-económica que facilita las uniones de las estructuras. Las uniones composite-metal tienen que soportar no solo de cargas estáticas sino también las cargas dinámicas por impactos y las vibraciones. Las dilataciones entre los diferentes materiales condicionan mucho el diseño, ya que en piezas de gran tamaño de composite-metal pueden producirse grietas o roturas por las cargas térmicas o por la fatiga que produce la carga y descarga en estos ciclos térmicos. Nuestra amplia experiencia en el diseño y aplicaciones de estos materiales nos permite aportar soluciones para el aligeramiento de peso y la reducción de consumos. También estamos capacitados para recomendar el uso de los materiales compuestos en elementos del interior como maleteros, asientos y otros elementos estructurales secundarios, El trabajo desarrollado en el sector aeronáutico puede ser extrapolado al sector ferroviario atendiendo los diferentes por requerimientos técnicos, de coste y de producción.

Cualquier estrategia de disminución de peso hay que abordarla teniendo en cuenta los materiales utilizados, pero también, contemplando la existencia de las nuevas técnicas de modelado que permiten la optimización de geometrías que proporcionen las prestaciones deseadas con la menor cantidad de material. En la Fundación CIDAUT trabajamos con los mejores materiales y utilizamos técnicas de simulación que nos permitan fabricar elementos más ligeros para todos los sectores relacionados con el transporte, sin perder de vista el contexto económico de los productos y procesos.

El incremento de la velocidad de los trenes es una demanda de la sociedad. Cada día es mayor la competencia entre los medios de transporte para llegar al centro de las ciudades en el menor tiempo posible. Por ello se trabaja en desarrollar nuevos sistemas de propulsión más potentes y en reducir las resistencias y fricciones que aparecen durante el avance de los trenes.

Actualmente trabajamos en la mejora de las propiedades de los recubrimientos, mediante el uso de nuevos materiales, mejorando el diseño de la rugosidad en forma y tamaño para reducir el desprendimiento de la capa límite y mejorar la resistencia aerodinámica.

Los pasajeros demandan mayor confort en los viajes, un hecho que lo pone de manifiesto es la comercialización de plazas silenciosas en los trenes actuales. Las normativas que rigen en el sector exigen sistemas más confortables y menos ruidosos donde el pasajero pueda prologar su jornada laboral o el descanso mientras viaja. El hecho de conseguir mejores prestaciones acústicas y vibratorias en los vehículos actuales no sería tan problemático, si a este requerimiento no se le uniera el hacerlo con menor masa y menor espacio ocupado, ya que estos condicionantes priman en el entorno económico actual.

Para ello es necesario combinar herramientas ágiles de diseño que de manera virtual puedan anticipar resultados de acuerdo a este tipo de prestaciones, con la presencia de nuevos desarrollos de materiales (metálicos, poliméricos y composites). Hay que apostar por herramientas capaces de predecir el comportamiento vibro-acústico de las estructuras en todo el rango de frecuencias si queremos conseguir un producto con buenas cualidades. Las técnicas hibridas entre elementos finitos y el análisis estadístico de energía han demostrado muy buenos resultados en el campo del diseño.

Sin embargo no solamente es necesario disponer de este tipo de técnicas, hay que complementar su uso con el conocimiento del comportamiento en el campo de la acústica y de las vibraciones de nuevos materiales. Para ello es vital que los laboratorios de caracterización sean capaces de conseguir cartas de materiales en variados ámbitos. Por ejemplo en el diseño acústico de los interiores del tren es importante conocer las propiedades intrínsecas de las diferentes capas de materiales que lo conforman como son el módulo de Young, el loss factor, la porosidad, la tortuosidad y la resistividad estática al flujo de aire. Ser capaz de relacionar estas propiedades con aspectos de diseño geométrico es la mejor garantía para el cumplimiento de las prestaciones demandas por el cliente.

A nivel de nuevos materiales, hay que compensar las deficiencias de los materiales empleados en la construcción del carbody, ya sean actuales o nuevos (composites). Todos estos materiales se caracterizan por proporcionar poco amortiguamiento y alta impedancia acústica de radiación lo que les convierte en perfectos altavoces de las excitaciones dinámicas generadas en la rodadura y en la aerodinámica. Para ello es necesario trabajar en el desarrollo de procesos productivos y materiales capaces de mitigar estas deficiencias.

La reducción de la masa no suspendida y su correcta sintonización con el resto de masas es indispensable a la hora de mejorar las excitaciones que genera la rodadura del tren.

El alto coste de las infraestructuras hace que sea necesario aprovechar su vida en el menor tiempo posible y eso se consigue aumentando el número y el flujo de vehículos que por ellas circulen. Asimismo es conveniente entender bien los mecanismos de generación de ruido y vibraciones de tal manera que las estrategias de diseño de los elementos reductores trabajen convenientemente al paso de los diferentes vehículos.

En la atenuación de vibraciones, desde hace unos años, se apuesta por el uso de materiales que filtran las vibraciones generadas al paso de los vehículos ferroviarios. Sin embargo estos diseños y materiales se sintonizan para una frecuencia que no siempre es la adecuada. El uso de materiales inteligentes que varíen sus propiedades (rigidez y amortiguamiento) en función de la composición que circule puede hacer que la atenuación sea máxima en cada circulación.

Unos productos muy aconsejables para la atenuación de vibraciones son los materiales reciclados por ejemplo los neumáticos fuera de uso (NFU). El uso de estos materiales tanto a nivel de polvo triturado para la construcción de elementos atenuantes como de bandas provenientes de la deconstrucción del neumático permite la valorización de un residuo así como la generación de productos de altas prestaciones. Para ello es primordial desarrollar tecnología que permita catalogar un residuo que a día de hoy tiene una alta variabilidad de propiedades para usarlo convenientemente en las aplicaciones que lo demanden.

En cuanto a la atenuación del ruido generado por los trenes en los entornos urbanos es necesario analizar los puntos más conflictivos como cruces de vías y curvas de radio reducido para disponer de elementos capaces de atenuar los ruidos y las vibraciones generadas que perturban el bienestar de los ciudadanos que viven en los anexos de las infraestructuras.

Es importante desarrollar y diseñar nuevas aplicaciones de barreras acústicas que reduzcan el ruido de manera más eficiente en los entornos urbanos combinando aspectos como la integración paisajística, la durabilidad de sus prestaciones y el empleo de materiales menos pesados y costosos.

A nivel de carril también hemos detectado que cada vez es más necesario el uso de materiales de alta resistencia a la corrosión y desgaste (alta dureza), resistencia a fatiga, soldabilidad y consistencia y precisión dimensional. Las complejas acanaladuras de los raíles de líneas urbanas, nos obliga a seguir avanzando, de forma conjunta, en la optimización de la microestructura de los aceros, el procesamiento (hornos de fundición, ‘rolling’, soldadura) y nuevos diseños de productos para vías.

Y los principales fabricantes están acometiendo trabajos en cuanto a mejoras microestructurales de los aceros a través del control composicional, controlando el enfriamiento después del ‘rolling’ (como por ejemplo ‘head hardening’ de endurecimiento superficial consiguiendo bajo nivel de tensiones residuales). Es decir, se busca un material ultra duro pero manteniendo el comportamiento a rolling contact fatigue (RCF).

Últimamente hemos participado en diferentes programas para evaluar la influencia del levantamiento del balasto en las nuevas líneas de alta velocidad. Se han realizado importantes aportaciones en la mejora de las prestaciones aerodinámicas de la vía, en nuevos diseños de traviesa que minimizan los torbellinos que se generan al paso del vehículo. También se han desarrollados sistemas de medida para evaluar el numero de impactos en diferentes circulaciones geoposicionando los eventos para, posteriormente, evaluar las posibles operaciones de mantenimiento.