La tecnología de los rieles para los trenes de alta velocidad
Ricardo Berizzo
Los trenes de baja velocidad (convencionales) usan ruedas de acero sobre rieles y son para distancias cortas o medias y transporte de carga o personas hasta 120 Km/h aproximadamente, mientras que los trenes de alta velocidad son los diseñados para superar los 250 km/h, requiriendo vías, con tecnología de construcción, exclusivas.
Antecedentes
Mucho tiempo atrás, se utilizaban rieles de madera en los caminos para carros tirados por caballos. Hacia la década de 1760, se empezaron a utilizar los rieles de hierro forjado, que consistían en finas tiras de hierro fundido fijadas a rieles de madera. Estos fueron reemplazados por rieles de hierro fundido con bridas (es decir, en forma de "L") y con ruedas de carro planas. En 1789, se introdujeron los rieles de borde donde se colocaban las ruedas con bridas y, con el tiempo, se observó que esta combinación funcionaba mejor. Los primeros rieles de este tipo que se utilizaron fueron los rieles de hierro fundido "panza de pez", llamados así por su forma. Los rieles de hierro fundido eran frágiles y se rompían con facilidad. Solo se podían fabricar en tramos cortos que pronto se volvían irregulares. En 1820, con la mejora de las técnicas de laminación, se introdujeron los rieles de hierro forjado, que reemplazaron a los de hierro fundido. Estos rieles contribuyeron significativamente al crecimiento explosivo de los ferrocarriles entre 1825 y 1840. La sección transversal de estos rieles variaba considerablemente de una línea a otra. La sección transversal paralela que se desarrolló en años posteriores se denominó Bullhead.
El cual es un diseño específico de la forma del carril visto en un corte perpendicular a su longitud, caracterizado por una cabeza curva, un alma delgada que la une a un patín ancho y plano, y un diseño que permite un excelente perfil de rodadura para las ruedas y una buena estabilidad en las vías.
La función principal del riel es proporcionar una superficie lisa y continua para el movimiento y proporcionar guía en dirección lateral para el movimiento de las ruedas. En el proceso, transfiere la carga de las ruedas a la estructura de la vía inferior implica que los rieles están sometidos a tensiones.
Para poder soportar esta situaciòn, los rieles y el acero del riel deben cumplir los requisitos de (1) alta resistencia al desgaste, (2) alta resistencia a la deformación causada por compresión, (3) alta resistencia a la fatiga, (4) alto límite elástico, tenacidad / resistencia a la tracción y dureza, (5) alta resistencia a la fractura frágil, (6) buena soldabilidad, (7) alto grado de pureza del acero y buena textura, (8) uniformidad del perfil y precisión dimensional por inspección y aceptación, y (9) bajas tensiones residuales después de la fabricación y el enderezamiento. Algunos de estos requisitos se contradicen entre sí, lo que dificulta la elección del perfil del riel y el grado de acero del riel.
El problema de la dilatación /contracción
El problema de la dilatación en los rieles de tren es la expansión y contracción del metal debido a los cambios de temperatura, lo que puede provocar que los rieles se doblen, se deformen provocando descarrilamiento del tren. Para evitar esto, se implementaron soluciones como las juntas de dilatación, que son pequeños espacios entre tramos de rieles.
Tensión y deformación: Si no se dejan espacios para la expansión, los rieles empujan unos contra otros, generando una gran tensión que puede hacer que los rieles se doblen lateralmente (conocido como "buckling").
Justamente el sonido rítmico "clac-clac” proviene de las juntas de los rieles de trenes que se genera porque las ruedas del tren chocan contra los huecos (o "calas") que se dejan deliberadamente entre los tramos de vía para permitir la dilatación y contracción del acero con la temperatura. Este impacto crea vibraciones que se transmiten y se irradian al aire como sonido, resultando en el traqueteo característico. Algo inadmisible para el caso de un tren de alta velocidad.
El acero es un material versátil. Si se añaden las aleaciones adecuadas o se elige el tratamiento térmico correcto, se pueden producir las estructuras de acero deseadas. El acero para rieles es necesario para resistir la deformación plástica, el desgaste, la fatiga por contacto de rodadura, la tensión de flexión y la tensión térmica durante el proceso de soldadura y el recargue de rieles.
Las combinaciones de aleación y tratamiento térmico son posibles en el acero para rieles, lo que permite producir una amplia gama de calidades. En el caso del acero para rieles, la resistencia a la tracción y la tenacidad pueden aumentarse mediante tratamiento térmico. Este tratamiento puede aplicarse a toda la sección transversal o solo a la cabeza del riel, lo que proporciona una gran resistencia al desgaste. Los rieles con endurecimiento de cabeza se utilizan normalmente en vías con cargas elevadas, curvas cerradas y elementos de desvío.
Tecnología de unión de los rieles para trenes de alta velocidad - CWR
La dilatación y compresión de los rieles no se manejan mediante "adsorción", sino con la soldadura de rieles continuos (CWR, Continuous Welded Rail, Riel Soldado Continuo) y el diseño de la vía para crear tensiones controladas. Los rieles se sueldan entre sí para formar tramos largos, los durmientes y el balasto restringen su expansión y contracción longitudinal, lo que genera tensiones de compresión o tensión controladas dentro de los rieles.
Rieles Continuos Soldados (CWR). Principales propiedades
Eliminación de juntas:
En lugar de los antiguos huecos (juntas de dilatación) entre secciones de riel, los rieles de alta velocidad se sueldan para formar un riel continuo de varios kilómetros.
Conducción de las tensiones:
Los elementos de la vía (durmientes y balasto) restringen el movimiento longitudinal del riel, lo que genera tensiones internas. Cuando la temperatura sube, los rieles intentan expandirse y se comprime.
Tensiones de compresión y tensión:
Compresión: Si la temperatura es alta, la vía puede intentar alargarse. Las traviesas y el balasto, que son rígidos, limitan este movimiento, generando una tensión de compresión que puede causar pandeo si es excesiva.
Tensión: Si la temperatura baja, los rieles intentan acortarse. La tensión de tracción generada en el riel puede causar su rotura, usualmente en puntos débiles como las soldaduras, lo que hace crucial controlar las tensiones.
Temperatura Neutral (Neutralización)
Los ingenieros determinan una temperatura neutral ideal (o temperatura de soldadura) para cada tramo de vía. A esta temperatura, el riel no experimenta tensión de compresión ni de tensión.
Los rieles se sueldan a/o cerca de la temperatura neutral para que las tensiones internas sean aceptables durante el día o la noche y en diferentes condiciones climáticas.
Efectos de los cambios extremos de temperatura en los rieles ferroviarios
En primer lugar, es importante comprender las causas subyacentes del pandeo y la fractura de los rieles. El acero ferroviario se contrae a bajas temperaturas y se expande a altas. En condiciones de frío extremo, un tramo de riel continuo soldado (CWR) sufre tensión de tracción, lo que puede provocar la fractura del acero. En condiciones de calor extremo, un tramo de CWR sufre tensión de compresión, lo que puede provocar su pandeo lateral. Otros factores que afectan el estado del CWR incluyen el estado del balasto y sus márgenes; el tipo y la ubicación de los durmientes; lugares con mayor sombra, como túneles y puentes; la consolidación de la vía; y, en menor medida, la curvatura vertical de las vías.
Para abordar estos desafíos, durante el diseño e instalación del CWR se calcula la temperatura neutra del riel (RNT, rail neutral temperature). Se suman las fuerzas longitudinales de tracción y compresión sobre el CWR, la RNT es la temperatura nominal cuando la suma es igual a cero.
Una cifra similar es la "temperatura libre de tensiones" (SFT, stress-free temperature). Es la temperatura del riel a la que este alcanza la misma longitud que en su estado sin restricciones.
Planificar la colocación de rieles cuando la temperatura real es igual a la SFT permite que el riel esté libre de tensiones. En otros casos, antes de colocar una vía nueva, repararla o cambiar las traviesas, el riel se altera mecánica o térmicamente (se somete a tensiones) para que su longitud sea la misma a una temperatura libre de tensiones seleccionada. Este proceso garantiza que el riel pueda fijarse en su lugar sin fuerzas térmicas. La temperatura libre de tensiones utilizada depende de las condiciones ambientales extremas y, por lo tanto, varía según la ubicación.
A pesar de someter a tensiones el CWR antes de la instalación, un riel puede alcanzar su "temperatura crítica del riel" (CRT, critical rail temperature). Esta es la temperatura del riel por encima de la cual puede producirse pandeo.
La CRT puede alcanzarse debido a alteraciones en el balasto, los componentes de la vía o la geometría de la misma.
Entonces, para mantener la estabilidad y la seguridad de la vía, es importante reducir los esfuerzos internos de los rieles periódicamente. Existen varios métodos, que se pueden clasificar en tres tipos:
desesforzado natural, mecánico y térmico.
Analicemos cada tipo con detalle:
El desesforzado natural es el proceso de reparación o nueva construcción de rieles cuando el momento se planifica teniendo en cuenta la temperatura real óptima equivalente a la temperatura libre de tensiones (SFT). Sin embargo, esto puede no ser realista debido a la urgencia de las necesidades de construcción que abarcan todo el año.
El desestresado mecánico implica el uso de equipos especializados para aplicar presión a los rieles y aliviar las tensiones acumuladas.
El desestresado mecánico implica el uso de gatos hidráulicos para aplicar presión a los rieles en puntos específicos de la vía. La longitud se extiende hasta la longitud necesaria para lograr un riel sin tensiones a una temperatura determinada.
El desestresado térmico es el proceso de utilizar calor para expandir los rieles y lograr un riel sin tensiones. Este método consiste en calentar los rieles mediante una máquina especial que aplica aire caliente sobre ellos. Los rieles se calientan hasta la temperatura de fusión (SFT) y quedan libres de tensiones.
El desestresado de los rieles es una actividad de mantenimiento crítica que garantiza la estabilidad y la seguridad a largo plazo de la vía ferroviaria. El desestresado natural, el mecánico y el térmico son los tres métodos principales utilizados para lograrlo.
Química del acero
Los aceros para rieles de tren son mayormente de alto contenido de carbono o de baja aleación y alta resistencia (HSLA), que aportan dureza, resistencia al desgaste y tenacidad, características clave para soportar las altas tensiones y el desgaste.
Los rieles de acero de alto carbono suelen tener entre un 0.6% y 0.8% de carbono, y un contenido de manganeso que puede oscilar entre 0.8% y 1.3%.
Los aceros de Baja Aleación y Alta Resistencia (HSLA) se fabrican con la adición de pequeñas cantidades de elementos como cobre, níquel o vanadio para mejorar sus propiedades.
En resumen, los trenes más pesados y de alta velocidad requieren riles con mayor resistencia a las tensiones, por lo que se fabrican con acero con alto contenido de carbono (carbono -0,6 % a 0,8 %, manganeso 0,8 %-1,3 %, silicio 0,1 %-0,5 %, azufre y fósforo 0,03 % máximo cada uno, y aluminio 0,015 % máximo). Algunos grados de acero contienen cromo (Cr- 0,8 % a 1,2 %). Los rieles de acero también se fabrican con aceros especiales que contienen niobio (Nb- 0,04 % máx.) o vanadio (V- 0,2 % máx.)
Conclusión
Estabilidad y suavidad dos características claves que justifican el uso de CWR y aceros especiales, ya que, elimina las juntas de expansión lo que proporciona una superficie de rodadura mucho más suave y estable para los trenes de alta velocidad.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2025.-