Por M.Sc. Ghersain César Zomera
La noción generalizada del ferrocarril como medio de transporte para personas y bienes materiales es ampliamente conocida por la gran mayoría de la población mundial. Los medios de comunicación masiva como la televisión, la radio y actualmente el internet, han contribuido a transmitir esa concepción en estos tiempos modernos, de tal modo que, todo niño en alguna etapa de su vida ha visto, imaginado y jugado con un tren, sus vías y demás artículos accesorios.
Detrás de esa sencilla idea, en la cual un par de ruedas de metal unidas por un eje que se desplaza sobre una vía paralela de rieles, se esconden una infinidad de conceptos teóricos que han ido evolucionando a través del tiempo para justificar y promover la aplicación de este funcional, confiable y rentable medio de transporte.
En esta ocasión el presente enfoque se dirige a algunos aspectos técnicos de la rueda de ferrocarril, la cual es una de las partes vitales del intrincado sistema de rodadura, mejor conocido como material rodante. Las consideraciones físicas y mecánicas acerca de la relación rueda-riel son inmensas y sobrepasan los alcances de este artículo introductorio.
Para el lector común, cuyo profundo conocimiento en la materia no es necesario, la rueda del ferrocarril debe ser concebida indudablemente como un cilindro metálico que gira alrededor de su eje sobre la superficie plana de una vía con una cinemática muy similar a la de los autos actualmente. Inclusive podría pensarse que las ventajas del mecanismo diferencial y otras invenciones en el campo automotriz podrían aplicarse también al tren. Esto no es completamente cierto.
Se debe puntualizar que las vías del tren están restringidas en cuestión de grados de libertad de movimiento, por lo que solo se pueden mover en una dirección a la vez. De ahí que los retornos de los trenes se hacen a través de voluminosos sistemas de cambios de vías y lazos de retorno. La libertad de movimiento lateral del tren está restringida por el ancho de vía, que a su vez sirve como guía y que en conjunción con la ceja de la rueda se evita un posible descarrilamiento del vehículo.
A diferencia de un neumático automotriz, el área de contacto entre rueda y riel (metal-metal) es muy pequeña. La distribución de las cargas verticales es casi puntual generando esfuerzos de compresión muy grandes (de ahí se desprende otra rama de estudio dirigida a la ciencia de materiales) pero a su vez el gasto energético para transportar cargas es muy bajo debido a la baja fricción entre las superficies.
Considerando lo anterior, las típicas ruedas de ferrocarril y su eje deben ser diseñados y fabricados como un sólido rígido para soportar los altos esfuerzos a los que están sometidos. El término de “rueda calada” se emplea para describir esta característica (Figura 2). Como dato adicional, se puede mencionar que el material utilizado para las ruedas son aceros no aleados con un contenido bajo de carbono que después del tratamiento térmico adecuado presentan una resistencia a la tensión entre 820-1000 MPa.
Desafortunadamente, el enfoque de la rueda calada tiene una desventaja cinemática en el desplazamiento en curva. La rueda exterior tiene un recorrido lineal mayor que el de la rueda interior. Esto provocaría giros indeseados del carro (comúnmente llamado bogie derivado del término inglés) y, por tanto, un contacto excesivo y su correspondiente desgaste en las superficies de la rueda y el riel.
Para solventar esta desventaja del traslado en curvas cerradas, se ha desarrollado la forma cónica de la rueda de ferrocarril, la cual genera un efecto similar al del diferencial automotriz. Como es ampliamente conocido, los autos cuentan con un mecanismo de engranes denominado diferencial, que le permite a las ruedas interiores y exteriores realizar recorridos con diferentes longitudes en curvas evitando que estas se patinen. Este principio físico como tal, no se puede aplicar a la clásica rueda calada del ferrocarril debido a que tanto ruedas como eje no son independientes ya que están unidas fijamente.
La conicidad de la rueda cumple con dos funciones importantes: a) el centrado del vehículo durante el desplazamiento rectilíneo y b) generar un comportamiento diferencial durante el desplazamiento curvilíneo. Por diseño, la rueda calada tiene una velocidad angular de magnitud constante en ambas ruedas. En una rueda cónica, la velocidad lineal (derivada de la simple fórmula v = ω * R) se incrementa o disminuye de manera proporcional al diámetro de la rueda. Por tanto, es fácil deducir que la regulación de la velocidad lineal para emparejar el desplazamiento en curva de una rueda cónica calada dependerá entonces del diámetro en el cual se efectúa el contacto de las ruedas exterior e interior con los rieles correspondientes. La Figura 3 muestra de manera gráfica esta situación.
Cabe aclarar que es necesario que exista un juego entre el ancho de vía y la distancia entre cejas de la rueda calada para que el mencionado desplazamiento lateral del punto de contacto pueda ser posible. La Unión Internacional de Ferrocarriles (mejor conocida como UIC) ha generado la norma UIC510-2 que describe las dimensiones y características generales de las ruedas para aplicaciones ferroviarias internacionales. El juego mínimo y máximo recomendado para un ancho de vía estándar de 1435mm, oscila entre los 9-25mm respectivamente.
Y es aquí donde nuevamente se encuentra otra implicación cinemática derivada del juego de vía. La función de centrado por la conicidad de la rueda actúa en todo momento, de manera que la corrección de trayectoria se efectúa continuamente. Esta corrección se manifiesta como un movimiento ondulatorio senoidal con una amplitud y frecuencia conocidas. Naturalmente los cálculos y formulaciones relacionadas sobrepasan los alcances de este artículo. La Figura 4 describe de manera gráfica cómo esta oscilación (también conocida como movimiento de lazo) se manifiesta en una vía recta. Es importante recalcar que un juego de vía es demasiado grande o pequeño y desencadenaría problemas dinámicos que a grandes velocidades o cargas producirán un prematuro desgaste, ruido y riesgos elevados de descarrilamiento. Por ello, es necesario contar con un diseño coherente tanto de la rueda como de la vía.
El departamento de ingeniería civil de la universidad de ciencias aplicadas de Aachen en Alemania (RWTH Aachen) ha creado un video bastante sencillo pero muy explicativo sobre las consideraciones antes mencionadas.
Otro parámetro adicional es el valor de la conicidad de la rueda, el cual no está normalizado, pero actualmente se manejan valores de inclinación mundialmente adoptados. En Alemania o Francia las vías férreas tienen una inclinación hacia adentro de 1:40 y las ruedas tienen una inclinación de 1:20. En España curiosamente estos valores están invertidos. Naturalmente el objetivo en ambos casos es logrado y se ha ido afianzando con el paso del tiempo en muchos otros países. Actualmente los fabricantes de durmientes de concreto y otros proveedores de sistemas de fijaciones férreas ofrecen una amplia gama de soluciones para lograr la inclinación de los rieles de una manera estandarizada de acuerdo con la especificación del cliente.
Como se ha podido observar, las implicaciones relativas a la rueda del ferrocarril y su relación con los rieles tienen una extensión que no es posible englobar en unos cuantos párrafos. Definitivamente se espera que este pequeño vistazo haya despertado el interés del lector, sin necesidad de entrar demasiado en detalles muy técnicos.
Es evidente que la industria ferroviaria en México y en Latinoamérica tendrá que crecer más y evolucionar con el ejemplo de países claves como Alemania.
Este fue uno de los objetivos básicos para la creación del Clúster del Sector Ferroviario Mexicano. En Europa es imposible hablar de transporte masivo de bienes o personas sin utilizar la palabra ferrocarril. En la medida que el público, las empresas y el gobierno estén mejor informados sobre las ventajas y cualidades de este medio de transporte, se modificarán positivamente los paradigmas que han bloqueado o frenado el auge del tren en todas y cada una de las potenciales áreas de aplicación.
M.Sc.Ghersain César Zomera