RESTREPO O., Jorge, L. (Cra. 75 DA No. 2B sur 50, Medellín, CO)
PALACIO L., Mauricio, E. (Calle 48 F sur No. 40-03, Envigado, CO)
BARBOSA P., Jaime, L. (Cra. 49 No. 7 Sur - 50, Medellín, CO)
BETANCUR G., German, R. (Cra. 45 B No. 29 Sur 71 Apto. 801, Envigado, CO)
MARTINOD R., Ronald, M. (Calle 44 A No. 31 Sur 15. Apto. 1105, Envigado, CO)
MARTINEZ G., Arnold, R. (Calle 4 Sur No. 58-110, Medellín, CO)
DEOSSA P., Nataly, A. (Calle 14 No. 75-13 Torre 2 Apto 207, Medellín, CO)
PARAMO B., Gabriel, J. (Cra. 49 No. 7 Sur - 50, Medellín, CO)
METRO DE MEDELLIN LTDA (Calle 44 No. 46-001, Bello, CO)
CASTAÑEDA H., Leonel, F. (Calle 10 No. 2 Este 45 Casa 1374, Medellín, CO)
RESTREPO O., Jorge, L. (Cra. 75 DA No. 2B sur 50, Medellín, CO)
PALACIO L., Mauricio, E. (Calle 48 F sur No. 40-03, Envigado, CO)
BARBOSA P., Jaime, L. (Cra. 49 No. 7 Sur - 50, Medellín, CO)
BETANCUR G., German, R. (Cra. 45 B No. 29 Sur 71 Apto. 801, Envigado, CO)
MARTINOD R., Ronald, M. (Calle 44 A No. 31 Sur 15. Apto. 1105, Envigado, CO)
MARTINEZ G., Arnold, R. (Calle 4 Sur No. 58-110, Medellín, CO)
DEOSSA P., Nataly, A. (Calle 14 No. 75-13 Torre 2 Apto 207, Medellín, CO)
PARAMO B., Gabriel, J. (Cra. 49 No. 7 Sur - 50, Medellín, CO)
| REIVINDICACIONES 1 Un dispositivo de suspensión para vehículos ferroviarios caracterizado porque comprende: dos sub-ensambles 70 y 70A; donde cada sub-ensamble contiene un componente blando (30 y 30A) confinado entre una cubierta (20, 20A) y un elemento de acople (50, 50A); donde cada componente blando posee dos canales pasantes (31 y 32, 31A y 32A); y, donde los elementos de acople (50, 50A) son solidarios a un pasador central 40, el cual sirve de separador geométrico entre los componentes blandos (30 y 30A). 2. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 1 donde el pasador central 40 también sirve de soporte a dos arandelas (10 y 10A), donde cada arandela está adherida a los componentes blandos (30 y 30A). 3. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 1 donde los canales pasantes de los componentes blandos 30 y 30A tienen una sección transversal en figura de riñon. 4. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 1 donde los canales pasantes de los componentes blandos 30 y 30A tienen una sección transversal constante. 5. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 1 donde los canales pasantes de los componentes blandos 30 y 30A tienen una sección transversal asimétrica. 6. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 1 donde los canales pasantes de los componentes blandos 30 y 30A están ubicados en forma asimétrica. 7. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 1 , caracterizado porque los sub-ensambles 70 y 70A se acoplan axialmente al pasador central 40 por medio de uniones roscadas 41 y 41A. 8. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 7, caracterizado porque la superficie 46 del pasador central 40 está en contacto con la superficie 55 perteneciente al acople del pasador central 50 y la superficie 47 esté en contacto con la superficie 55A perteneciente al acople del pasador central 50A. 9. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 8, caracterizado porque se genera una determinada precarga axial en los componentes blandos 31 , 32 31A y 32A. 10. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 1 , caracterizado porque las cubiertas 20 y 20A son cuerpos cilindricos huecos compuestos por tres secciones de diferente espesor pared. 11. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 10, donde la primera sección está compuesta por las superficies de contacto 23 y 23A, las cuales son superficies coincidentes de unión firme, formando un acople con guía. 12. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 10, donde la segunda sección está compuesta por las superficies 24 y 24A que no se encuentran en contacto con ningún elemento. 13. Un dispositivo de suspensión según la reivindicación 10, donde la tercera sección está compuesta por las superficies de contacto 25 y 25A, las cuales acoplan rígidamente el dispositivo de suspensión al vehículo. 14. Metodología para determinar los valores óptimos de las propiedades mecánicas para la transferencia de cargas del vehículo, deben ser realizadas una serie definida de procesos 200 compuestos por cinco etapas: proceso de caracterización 210, modelado geométrico del dispositivo 220, análisis por el Método de Elementos Finitos 230, evaluación dinámica del sistema 240 y cálculo de las propiedades mecánicas óptimas 250. 15. Proceso de caracterización 210, según la reivindicación 14, distinguida se divide en dos sub-etapas: pruebas de laboratorio 211 y pruebas de campo 212. 16. Sub-etapa de pruebas de laboratorio 211 , según la reivindicación 14, consiste en realizar pruebas de tipo mecánico, físico y químico con el fin de determinar las características principales material de los componentes blandos 30y 30A. Las pruebas son realizadas bajo normativa internacional. 17. Sub-etapa de pruebas de campo, según la reivindicación 14, caracterizada porque la sub-etapa de pruebas de campo 212 consiste en realizar pruebas a un sistema ferroviario típico para establecer el estado de deformaciones que está sometido el dispositivo de suspensión ensamblado 100 bajo condiciones de operación. 18. Metodología, según la reivindicación 14, caracterizada porque la etapa de proceso de modelado geométrico del dispositivo 220 consiste en crear los modelos geométricos detallados en herramientas computacionales CAD, definiendo los acoples del pasador central 50 y 50A, el pasador central 40, y los cubiertas 20 y 20A. 19. Metodología, según la reivindicación 14, caracterizada porque la etapa de proceso de análisis por el Método de Elementos Finitos 230 se divide en dos sub-etapas: desarrollo del modelo numérico 231 y evaluación por el Método de Elementos Finitos 232. 20. Metodología, según la reivindicación 19, caracterizada porque la sub-etapa desarrollo del modelo numérico 231 consiste en definir el modelo matemático que simula numéricamente los componentes blandos 30 y 30A. 21. Metodología, según la reivindicación 19, caracterizada porque la sub-etapa evaluación por el Método de Elementos Finitos 232 consiste en detallar la geometría de: los canales 31 , 32, 31 A y 32A de los componentes blandos 30 y 30A, las superficies 35, 35A, 36, 36A, 11 y 11 A, y los espacios d y dA, para determinar los valores de las propiedades mecánicas y vida útil. 22. Metodología, según la reivindicación 14, caracterizada porque la etapa de proceso evaluación dinámica del sistema 240 se divide en seis subetapas: análisis de vectores propios 241 , respuesta a la perturbación en vía 240B2, capacidad de retorno a estado estable 243, análisis cuasi-estático en curva 244, seguridad en marcha 245 y estabilidad en marcha 246. 23. Metodología, según la reivindicación 22, caracterizada porque la sub-etapa análisis de vectores propios 241 consiste en el análisis lineal de estabilidad, evaluando la velocidad de marcha crítica del vehículo con el dispositivo de suspensión ensamblado 100 bajo condiciones de operación. 24. Metodología, según la reivindicación 22, caracterizada porque la sub-etapa respuesta a la perturbación en vía 242 consiste en el análisis de la respuesta del sistema, evaluando la velocidad de marcha crítica del vehículo, el coeficiente de amortiguación, y la mínima longitud de la vía requerida para su retorno al estado estable con el dispositivo de suspensión ensamblado 100 bajo condiciones de operación. 25. Metodología, según la reivindicación 22, caracterizada porque la sub-etapa capacidad de retorno a estado estable 243 consiste en el análisis de la capacidad de retorno del sistema a un estado estable, evaluado con la velocidad crítica del vehículo con el dispositivo de suspensión ensamblado 100 bajo condiciones de operación. 26. Metodología, según la reivindicación 22, caracterizada porque la sub-etapa análisis cuasi-estático en curva 244 valora el índice de desgaste rueda-riel en condiciones secas, húmedas y lubricadas, fuerza en los rieles y coeficiente Y/Q con el dispositivo de suspensión ensamblado 100 bajo condiciones de operación. 27. Metodología, según la reivindicación 22, caracterizada porque la sub-etapa seguridad en marcha 245 consiste en la evaluación de seguridad establecida para sistemas ferroviarios. La respuesta del sistema se valora basado en parámetros como sumatoria de la fuerza lateral rueda-riel, valor pico de la fuerza lateral rueda-riel y coeficiente Y/Q con el dispositivo de suspensión ensamblado 100 bajo condiciones de operación. 28. Metodología, según la reivindicación 22, caracterizada porque la sub-etapa estabilidad en marcha 246 consiste en la evaluación de la aceleración lateral en tramos con irregularidades en vía, con las diferentes combinaciones de perfiles rueda-riel, velocidad de marcha del vehículo y rigidez longitudinal de la suspensión primaria. La respuesta del sistema se evalúa mediante normativa ferroviaria internacional con el dispositivo de suspensión ensamblado 100 bajo condiciones de operación. 29. Metodología, según la reivindicación 14, caracterizada porque la etapa de cálculo de las propiedades mecánicas óptimas 250 consiste en el cálculo de propiedades mecánicas del dispositivo de suspensión con mejores prestaciones, a través de un método de optimización con el dispositivo de suspensión ensamblado 100 bajo condiciones de operación. |
CAMPO TÉCNICO
Invención correspondiente a un dispositivo de suspensión utilizado en vehículos, principalmente vehículos ferroviarios, el cual permite aumentar la vida útil de los componentes de suspensión y disminuir el desgaste en la interface rueda-riel.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Un factor crítico de operación de un sistema ferroviario es el desgaste en la interface rueda-riel debido al nivel de explotación del sistema y las irregularidades en la vía (transmitidas al vehículo mediante la suspensión).
La configuración de una suspensión debe satisfacer las siguientes necesidades: a) Transferencia de fuerzas de reacción longitudinal debido a la tracción del vehículo (para vehículo motor) y frenado (para vehículo motor y remolque). b) Proveer fuerza de guiado longitudinal y lateral para permitir que el vehículo opere seguro a través de secciones de vía curvas y tangentes. En el caso de curvas con radios pequeños, la rigidez de la suspensión debe ser suficientemente alta para evitar la inestabilidad del vehículo. En el caso de curvas con radios grandes, la rigidez de la suspensión debe ser suficientemente baja para permitir la alineación radial del conjunto eje-rueda. Esto crea un requerimiento de diseño conflictivo. c) Transferencia de carga vertical desde el bastidor del bogie al conjunto eje-rueda. En combinación con la flexibilidad torsional del bastidor, la suspensión debe ser lo suficientemente flexible como para permitir la operación en vías con elevaciones, en particular, aquellas que crean variaciones del peralte de la vía.
Todo vehículo que tenga una suspensión con elementos receptores de las perturbaciones provenientes de la interacción rueda-riel, debe garantizar un adecuado flujo de cargas y desplazamientos en el vehículo.
A continuación se presenta una relación de patentes otorgadas, propias para suspensión ferroviaria (véase Tabla 1).
Tabla 1. Relación de patentes
Siguiendo la numeración de la Tabla 1 , se expone las características principales de cada una de las anteriores patentes (véase Tabla 2). No. de
Configuración Mecánica Componentes Aplicación piezas
El ensamble del buje se hace Cuerpo cilindrico
sobre el eje principal donde de ensamble, y
actúan en conjunto los cuerpo cilindrico
Sistemas de componentes de caucho. Las ensamblador, eje
9 transporte cargas ejercidas en dirección central, resorte
terrestres. axial desplaza las cavidades compresible,
(ensamblada y ensambladora) en componentes de
dirección opuesta. caucho.
Mediante la unión de los Cubierta inferior,
componentes, la carga aplicada eje principal,
Sistemas de al eje principal se disipa a la camisa intermedia,
4 transporte cubierta inferior de forma radial, separador
terrestres interactuando con el separador cilindrico
cilindrico intermedio. intermedio.
Un brazo lateral es unido a un
buje central que contiene un
Cuerpo elástico de
cuerpo elástico de goma que Sistemas de goma, eje
actúa conforme a la carga 4 transporte principal, brazo
aplicada de manera radial. Todos terrestres lateral.
los elementos se ensamblan en
un eje principal.
La aplicación de la carga se
realiza en los rodamientos del eje Buje metálico,
principal, en donde se encuentra camisas de goma,
Vehículos alojado el buje metálico. Este gira casquillos, camisas 6
ferroviarios. libremente y es amortiguado de metal
gracias a la configuración de las deslizantes.
camisas de caucho. Este buje No: de
Configuración Mecánica Componentes Aplicación piezas
trabaja únicamente en dirección
radial debido a los casquillos
deslizantes ubicados en cada
lado.
El buje central contiene en su
interior un cuerpo de goma
elástico, ambos elementos están
alojados en una camisa y Buje central,
soportados por un apoyo lateral componente de Sistemas de que actúa conforme a la carga apoyo, camisa, 5 transporte aplicada. Adicionalmente, una cuerpo de goma terrestres resina amino epóxica que elástico.
funciona como blindaje está
contenida en el espacio entre el
buje central y la camisa.
Unidad cilindrica
Al aplicar una carga en el buje
interna, unidad
interno cilindrico, el cuerpo Sistemas de cilindrica externa,
elástico de goma absorbe dichas 5 transporte cuerpo elástico de
cargas en la dirección que sean terrestres.
goma, parte
aplicadas; axial o radial.
moldeada.
Mediante un fluido hidráulico
Cuerpo cilindrico
alojado en dos cámaras internas,
metálico y de
se absorben las vibraciones que Vehículos goma, fluido 10
a su vez se distribuyen en un ferroviarios hidráulico, eje de
elemento de goma, los ejes son
pivote.
independientes (bipartidos).
Tabla 2. Descripción de patentes características de sistemas ferroviarios. DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Con el fin de complementar la descripción de la invención y facilitar la interpretación de sus características principales, se incluyen los siguientes dibujos:
Fig. 1. Vista tridimensional del dispositivo completo para la suspensión, objeto de la presente invención.
Fig. 2. Vista en explosión del ensamble, indicando los sub-ensambles que conforman el dispositivo de la Fig. 1.
Fig. 3. Vista lateral del dispositivo de suspensión de la Fig. 1 , indicando el plano de corte A-A, y el plano de corte B-B.
Fig. 3A. Vista en sección de elevación, definida por el plano de corte A-A ilustrada en la Fig. 3.
Fig. 3B. Vista en sección de elevación, definida por el plano de corte B-B ilustrada en Fig. 3.
Fig. 4. Vista tridimensional de la cubierta 20, indicada en Fig. 1.
Fig. 5. Vista tridimensional de la cubierta 20A, indicada en Fig. 1. Fig. 6. Vista en explosión del ensamble, del dispositivo mostrado en Fig. 1.
Fig. 7. Representación esquemática de la metodología empleada para diseñar un dispositivo de suspensión de vehículos.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
El dispositivo de suspensión de la presente invención cuenta con propiedades mecánicas óptimas para sistemas ferroviarios. La invención posee propiedades mecánicas tal que en condiciones de operación, el sistema tiene valores óptimos para la transferencia de cargas del vehículo que permiten: a) En un aspecto de la invención, obtener mayor vida útil de los componentes de suspensión.
b) En un segundo aspecto de la invención, obtener una disminución de la tasa de desgaste en la interface rueda-riel, gracias a la distribución uniforme de esfuerzos
c) En un tercer aspecto de la invención, conservar altos niveles de confort de los pasajeros, estabilidad y seguridad en marcha del sistema ferroviario. Haciendo referencia a la Fig. 2, el dispositivo de suspensión consiste en un pasador central 40 solidario a elementos de acople 50 y 50A. Como se puede apreciar en la Fig. 3A, los elementos de acople están unidos a las cubiertas 20 y 20A mediante componentes blandos alojados en su interior 30 y 30A. Las diferencias de la presente invención respecto a las existentes (Tabla 1) son: a) Disminución en la cantidad de piezas (véase Tabla 2 y Fig. 1); b) Contempla un ensamble sencillo, diseñado para facilitar el acople ágil del dispositivo de suspensión al vehículo;
c) Simplicidad geométrica.; y,
d) Permite una distribución adecuada de cargas estáticas y dinámicas, en sentido radial y axial.
Volviendo a la Fig. 3A, la configuración del dispositivo de suspensión comprende dos componentes blandos 30 y 30A. Cada componente está contenido entre una cubierta 20, 20A, y un elemento de acople 50, 50A. Los elementos de acople son solidarios a un pasador central 40, el cual sirve de separador geométrico entre los componentes blandos y de soporte a dos arandelas 10 y 10A, cada una adherida a los componentes blandos 30 y 30A. Los componentes blandos 30 y 30A poseen los canales pasantes 31 , 32, 31 A y 32A.
Haciendo referencia a la Fig. 3, la geometría de la sección transversal de dichos canales está definida por el ángulo a y el radio r. La distribución espacial y geometría de los canales genera una asimetría en la rigidez en dirección radial y por tanto genera una flexibilidad radial del dispositivo en el plano de corte A-A y otra rigidez radial en sentido del plano de corte B-B (Fig. 3). Los valores asimétricos de rigidez en dirección radial son valores óptimos para la transferencia de cargas del vehículo, obteniendo el mejor desempeño del vehículo en las diferentes condiciones de explotación. Los valores de rigidez permiten un estado de deformación en el dispositivo que disminuye el desgaste en la interface rueda-riel.
Las propiedades mecánicas de la invención generan un adecuado desempeño del vehículo en las diferentes condiciones de explotación y bajo los criterios de estabilidad, guiado, seguridad, confort, y vida útil de los componentes; esto se obtiene mediante la respuesta dinámica que ofrece la invención ante los requerimientos físicos propios de la operación de sistemas ferroviarios.
El dispositivo de suspensión posee dos características principales de diseño. La primera característica está dada por la conformación geométrica los componentes que permiten un adecuado flujo de esfuerzos, bajo los estados de deformación que exige el vehículo, obteniendo una rata de degradación de los componentes de suspensión lenta, por tanto, una vida útil superior. Haciendo referencia a la Fig. 3A, el ensamble final 100 (ver Fig. 1 ) de la presente invención garantiza una distancia entre los agujeros de acople del vehículo de tal que se reduce las distancias d y dA y se genera un confinamiento de los componentes blandos 30 y 30A. El confinamiento crea una precarga en el sentido axial C (ver Fig. 2), induciendo un estado de esfuerzos inicial en los componentes blandos, obteniendo una adecuada distribución de esfuerzos durante la explotación del vehículo y mayor vida útil de la invención respecto a los dispositivos precedentes (Tabla 1).
La segunda característica es la propiedad de rigidez axial y radial que aporta la invención al sistema se suspensión ensamblado, la invención permite una óptima marcha del vehículo en la vía. Los valores de rigidez axial y radial son obtenidos mediante un registro de variables dinámicas en operación, análisis de datos y desarrollo de un método 200 (ver Fig. 7) de optimización del dispositivo de suspensión.
Mediante dichas propiedades se obtiene prestaciones mecánicas certeras para disminuir el desgaste rueda-riel del vehículo en condiciones de explotación. Las prestaciones mecánicas óptimas garantizan niveles significativamente superiores respecto a la normativa internacional. La normativa internacional define valores límite en cuanto a criterios de explotación del sistema: estabilidad, seguridad y confort; el dispositivo de suspensión se ha creado optimizando los valores de dichos criterios de explotación en el sistema.
Las características mencionadas generan los siguientes beneficios al sistema ferroviario: a) Reducción del consumo de energía al obtener una marcha suave del vehículo en la vía.
b) Reducción de los efectos negativos de vibraciones.
c) Reducción de los efectos negativos del nivel de presión sonora (ruido al entorno).
El dispositivo de suspensión incrementa la disponibilidad de los vehículos, debido a que reduce el tiempo que los vehículos se encuentran fuera de servicio a causa de: a) El reemplazo de dispositivos de suspensión, puesto que en la invención se incrementa la vida útil (factor de servicio) debido a que geometría interna del ensamble permite un adecuado flujo de esfuerzos en condiciones de operación del sistema.
b) Aumentar la vida útil de las ruedas, puesto que la invención reduce el desgaste de las ruedas en las zonas de rodadura con el riel, es decir, reduce la tasa de desgaste de la altura de la pestaña de las ruedas, el espesor la pestaña de las ruedas y la escarpadura de pestañan de las ruedas; de tal forma que disminuye el material necesario que debe ser removido para que la rueda obtenga nuevamente el perfil adecuado para que pueda prestar servicio, en el proceso de re-perfilado de ruedas.
La invención reduce los costos de mantenimiento y facilita la fabricación de los repuestos. Además, disminuye el uso de equipos auxiliares de mantenimiento de la vía, se aprovecha mejor el tiempo del personal de mantenimiento y se mejoran las frecuencias de intervención del sistema. Se ha realizado la evaluación de un sistema ferroviario determinado, con un buje comercial típico de sistemas ferroviarios (Gummi Metall Technik (M) Sdn. Bhd., Kuala Kangsar, Perak, Malasia, Referencia No. 64012501 GMT) y con el dispositivo de suspensión correspondiente a la presente invención, con el fin de realizar una comparación con: a) Análisis de fatiga de los componentes de suspensión, por medio del Método de Elementos Finitos. Este trabajo consistió en someter los dispositivos (de referencia y de la presente invención) a una serie de condiciones cíclicas de cargas, idénticas para ambos dispositivos.
Las propiedades mecánicas de la presente invención presentan mayores prestaciones para el sistema de suspensión, y un aumento de vida útil (factor de servicio) del 16.6%, con respecto al dispositivo de referencia. b) Parámetros dinámicos del sistema: desgaste rueda-riel, guiado, estabilidad y seguridad en marcha; por medio de simulaciones numéricas en dinámica de vehículos.
Las simulaciones numéricas fueron realizadas en diferentes tramos de vía: curvas de radios pequeños (r <300m), medios (300m< r <800m) y grandes (r >800m); vía tangente; estaciones. La presente invención produce: o Reducción del índice de desgaste de la interface rueda-riel de alrededor del 13% en curvas de pequeño y mediano radio (r < 500m). Se aprecian valores de reducción similares para las diferentes condiciones de vía: seca, húmeda y lubricada (modificadores de fricción).
o Variación ligera de la fuerza en los rieles, disminución de la fuerza en curvas de pequeño radio (3%) y aumento en curvas de mediano radio (7%) con respecto a la configuración actual de suspensión primaria utilizada como referencia.
o Variación ligera de la fuerza en los rieles que conduce a la desalineación de la vía; aumento en curvas de corto radio (3%) y disminución en curvas de mediano radio (3%) con respecto a la configuración actual de suspensión primaria utilizada como referencia. o Aumento del índice de seguridad en marcha en curvas de pequeño radio (19%). Una disminución considerable en curvas de mediano radio, sin embargo, los niveles de seguridad en curvas de mediano radio continúan siendo inferiores a los límites establecidos por la normativa internacional, el valor Y/Q del sistema evaluado es 60% inferior al límite de Nadal. Las mejoras anteriores se obtuvieron con respecto a la configuración actual de suspensión primaria utilizada como referencia.
La presente invención genera un aumento ligero en la estabilidad en marcha en curvas de pequeño y mediano radio (1% y 7% respectivamente). Disminución de la estabilidad en marcha del vehículo en grandes radios y tangentes (25% aproximadamente), sin embargo, el vehículo está dentro del límite estable, incluso la velocidad de máxima de marcha del vehículo puede ser incrementada 12.5% (según norma UIC 528) con respecto a la configuración actual de suspensión primaria utilizada como referencia.
El invento también incluye el método para optimizar los parámetros del buje inventivo, el cual integra la evaluación de los principales criterios de explotación del sistema ferroviario, a saber: a) Los efectos que el sistema ferroviario ejerce sobre el dispositivo de suspensión: partiendo de la modelación geométrica del sistema de suspensión, se realiza la evaluación del flujo de esfuerzos y estado de deformaciones de los componentes,
b) La influencia del dispositivo de suspensión al sistema: por medio de la modelación dinámica de un sistema ferroviario, se evalúan los parámetros de desgaste en la interface rueda-riel, guiado, seguridad en marcha, estabilidad de marcha y confort de pasajeros.
El método comprende un conjunto de áreas especializadas de conocimiento, las cuales son alcanzadas bajo enfoques analíticos y experimentales: pruebas de laboratorio, pruebas de campo, y utilización de herramientas computacionales de Análisis por Elementos Finitos y modelación dinámica de vehículos ferroviarios. El método contiene una serie de procesos definidos y secuenciales 200 (Fig. 7), la serie de procesos han sido diseñados para obtener la optimización geométrica de la presente invención, a saber: a) Proceso de caracterización 210: la finalidad es obtener las características mecánicas y físico-químicas propias del objeto de estudio, se establecen dos subetapas: o Pruebas de laboratorio 211 : se realizan pruebas de tipo mecánico, físico y químico con el fin de determinar las características principales del material del componente blando. Las pruebas son realizadas bajo normativa internacional.
o Pruebas de campo 212: se realizan pruebas de campo a un vehículo ferroviario para establecer el estado de deformaciones que esta sometido el dispositivo de suspensión. b) Modelado geométrico del sistema 220: se crean los modelos geométricos del buje mediante herramientas computacionales CAD. c) Análisis por el Método de Elementos Finitos 231 : modelos numéricos para el análisis estructural del buje, dividido en dos fases: o Desarrollo del modelo numérico 231 : parte de las pruebas de laboratorio, define el modelo matemático que simula numéricamente el componente blando.
o Evaluación por el Método de Elementos Finitos 232: establece las características geométricas del dispositivo de suspensión, determina los valores de las propiedades mecánicas y vida útil. Evaluación dinámica del sistema 240: se realiza un conjunto de simulaciones numéricas del sistema ferroviario en diferentes condiciones de operación, evaluando los criterios explotación del sistema: o Análisis de vectores propios 241 : es un análisis lineal de estabilidad.
Evalúa la velocidad de marcha crítica del vehículo con el dispositivo de suspensión.
o Respuesta a la perturbación en vía 242: la respuesta del sistema operando con el dispositivo de suspensión, se evalúa mediante la velocidad de marcha crítica del vehículo, el coeficiente de amortiguación y la mínima longitud de la vía requerida para retornar al estado estable.
o Capacidad de retorno a estado estable 243: es la capacidad de retorno del sistema a un estado estable. La respuesta del sistema se evalúa con la velocidad crítica del vehículo con el dispositivo de suspensión.
o Análisis cuasi-estático en curva 244: la respuesta del sistema con el dispositivo de suspensión, es valorada con parámetros tales como el índice de desgaste rueda-riel en condiciones secas, húmedas y lubricadas. Además se considera la fuerza en los rieles que incide sobre el ancho de la vía y coeficiente Y/Q.
o Seguridad en marcha 245: el análisis se realiza de acuerdo con el método de evaluación de seguridad establecido para sistemas ferroviarios. La respuesta del sistema con el dispositivo de suspensión, se valora basado en parámetros como sumatoria de la fuerza lateral rueda-riel, valor pico de la fuerza lateral rueda-riel y coeficiente Y/Q.
o Estabilidad en marcha 246: la aceleración lateral es calculada en tramos de vía con irregularidades, usando diferentes combinaciones de perfiles rueda-riel, velocidad de marcha del vehículo y rigidez longitudinal de la suspensión primaria. La respuesta del sistema se evalúa mediante normativa ferroviaria internacional. e) Cálculo de las propiedades mecánicas óptimas 250: a partir de la evaluación por el Método de Elementos Finitos y la evaluación dinámica del sistema, se definen las propiedades mecánicas del dispositivo de suspensión con mejores prestaciones, a través de un método de optimización.
Modalidad preferida de la invención
Haciendo referencia a las Fig. 1 y 2, se aprecia el ensamble general 100 del dispositivo de suspensión, que está compuesto por el pasador central 40 y dos sub-ensambles 70 y 70A.
Haciendo referencia a las Fig. 3A, 3B y 6, el primer sub-ensamble 70 está conformado por el componente blando 30 (alojado entre la cubierta 20), el acople del pasador central 50 y la arandela 10. Las superficies de contacto 11 , 22 y 52 (correspondientes a las superficies comunes entre el componente blando 30 con la arandela 10, la cubierta 20 y el acople del pasador central 50) se encuentran adheridas producto del proceso de vulcanización del componente blando 30. La adhesión igualmente puede generarse mediante adhesivos. Como se puede observar en la Fig. 3, el componente blando 30 presenta dos agujeros longitudinales pasantes 31 y 32 diametralmente opuestos uno al otro. Los componentes blandos pueden estar fabricados de materiales que comprenden caucho sintético o natural, elastómeros, polímeros y en general cualquier material que brinde las características físicas requeridas por el sistema de suspensión.
De nuevo haciendo referencia a las Fig. 3A, 3B y 6, el segundo sub-ensamble 70A es esencialmente la imagen especular del primer sub-ensamble 70. Está conformado por el componente blando 30A (alojado entre la cubierta 20A), el acople del pasador central 50A y la arandela 10A. Las superficies de contacto, 11 A, 22A y 52A (correspondientes a las superficies comunes entre el componente 30A con la arandela 10A, la cubierta 20A y el acople del pasador central 50A) se encuentran adheridas producto del proceso de conformación del componente blando 30A. Al igual que el componente blando 30, el componente blando 30A también presenta dos canales longitudinales pasantes 31 A y 32A, diametralmente opuesto uno al otro y generalmente compartiendo el mismo eje longitudinal que sus contrapartes especulares, los canales 31 y 32.
Haciendo referencia a las Fig. 3 y 3A, los canales 31 , 32, 31 A y 32A son de sección transversal constante en figura de riñon, tienen una longitud que describe una sección de arco definido por el ángulo a, y un ancho correspondiente a dos veces el radio r. La geometría y distribución de los canales 31 , 32, 31 A y 32A y de las superficies 35, 36, 35A y 36A están caracterizadas por ser superficies suavizadas (desprovistas de aristas o superficies en ángulo) lo que favorece la vida útil de sus componentes (alto factor de servicio). Aun cuando las secciones transversales y posiciones de los canales ilustrados son constantes y simétricos, no necesariamente deben serlo, como por ejemplo cuando se busque una asimetría que favorezca algún parámetro de optimización. Igualmente, la figura de la sección transversal igualmente puede variar.
Pasando a las Fig. 4 y 5, los componentes blandos 30 y 30A están confinados por las cubiertas 20 y 20A. Las cubiertas 20 y 20A son cuerpos cilindricos huecos compuestos por tres secciones de diferente calibre. La primera sección está compuesta por la superficie de contacto 23 y 23A ubicados en los extremos de las cubiertas 20 y 20A. Las superficies 23 y 23A conforman coincidentes de unión firme, formando un acople con guía. La segunda sección está compuesta por la superficie 24 y 24A, que no se encuentran en contacto con ningún elemento y están diseñadas para facilitar el acople ágil del dispositivo de suspensión al vehículo. La tercera sección está compuesta por la superficie de contacto 25 y 25A y está diseñada para acoplar rígidamente el dispositivo de suspensión al vehículo.
Haciendo referencia a las Fig. 2, 3A y 3B, los sub-ensambles 70 y 70A se acoplan axialmente al pasador central 40 por medio de uniones roscadas 41 y 41A hasta obtener dos condiciones de ensamble. La primera condición de ensamble es cumplir con la distancia de, que corresponde a la distancia entre centros de los agujeros de los acoples de pasador central 50 y 50A y debe corresponder a los puntos de acople del vehículo. La segunda condición de ensamble es que las superficies 51 y 51A (Fig. 2) de los acoples del pasador central 50 y 50A sean co-planares. La distancia entre centros de de la primera condición de ensamble garantiza que los espacios d y dA, existentes entre el pasador central 40 con los acoples del pasador central 50 y 50A, se reduzcan totalmente, obteniendo que la superficie 46 del pasador central 40 esté en contacto con la superficie 55 perteneciente al acople del pasador central 50 y la superficie 47 esté en contacto con la superficie 55A perteneciente al acople del pasador central 50A. La reducción de d y dA debe generar una precarga en sentido axial C en el ensamble final del dispositivo de suspensión 100.
Para mayor ilustración, en la Fig. 6 se puede apreciar el dispositivo de suspensión en una vista explosionada, y se puede observar cómo los componentes 50, 30, 20, 10, 40, 10A, 20A, 30A y 50A se ensamblan axialmente respecto al eje C.
Como podrá entender la persona medianamente versada en la técnica, las dimensiones a, r, d, dA y de, junto con las dimensiones de las superficies 11 , 22, 23, 24, 25, 11 A, 22A, 23A, 24A, 25A, 51 A, pueden ser modificadas para obtener diferentes resultados y propiedades adecuadas para cada sistema ferroviario.