VIBRACIONES DESDE UNA SUPERFICIE DE TRÁNSITO DE VEHÍCULOS

FERROVIARIOS Y BANCO DE ENSAYO PARA SU IMPLEMENTACIÓN Campo de Ia invención

La presente invención concierne a un método para el diagnóstico del nivel de transmisión de vibraciones a través del terreno desde una superficie de tránsito de vehículos ferroviarios a una zona distante, en general una zona habitada o con instalaciones a proteger, susceptible de ser afectada por tales vibraciones sin necesidad de un tránsito real de vehículos ferroviarios.

La presente invención también concierne a un banco de ensayo para generar vibraciones análogas a las producidas por el paso de trenes y transmitirlas a tal superficie de tránsito de modo que las vibraciones pueden ser medidas en Ia zona distante en ausencia de un tránsito real de vehículos ferroviarios.

El banco de ensayo puede ser transportado y adaptado a distintos emplazamientos y regulado para simular vibraciones producidas por diferentes tipos de trenes o vehículos ferroviarios, Io que permite predecir el nivel de vibración ocasionado por el paso de los vehículos ferroviarios antes de que se produzca una circulación real de los mismos e incluso antes de que las vías u otras superestructuras estén instaladas, evitando así los ensayos con vehículos o prototipos reales.

El método basado en el uso de tal banco de ensayo permite así caracterizar el terreno en relación con el nivel de transmisión de vibraciones generadas por el paso de trenes desde tales superficies de tránsito a zonas próximas, proporcionando un diagnóstico particularmente útil para decidir el tipo de vía más adecuado a instalar en dicha superficie de tránsito con el fin de garantizar una atenuación de las vibraciones en las zonas próximas a proteger, en particular para cumplir las normativas nacionales e internacionales relacionadas con el impacto ambiental, Ia contaminación acústica generada por las vibraciones transmitidas, etc.

La invención encuentra una aplicación en general en plataformas, túneles y puentes de vías férreas próximas a zonas habitadas (edificios de viviendas) o instalaciones a proteger, y más en particular en túneles de ferrocarril suburbano.

Antecedentes de Ia invención

El estudio de las vibraciones provocadas por el paso de un tren suburbano (metro) u otros tipos de trenes es muy importante dado que tales vibraciones pueden provocar molestias a los habitantes de zonas próximas, tanto por Ia percepción directa de las vibraciones como por el ruido que las mismas inducen por resonancias en cristales, paneles, falsos techos, etc., pudiendo generar en los casos más extremos desperfectos en los edificios y estructuras próximos a Ia vía ferroviaria debidos tanto a las vibraciones transmitidas directamente como a las vibraciones incluidas.

El análisis de las vibraciones es complejo y requiere tener en cuenta distintos parámetros, tales como el tipo de fuente que ocasiona Ia vibración y las condiciones del terreno que define el camino de propagación. En el caso de un ferrocarril suburbano o de otro tipo, Ia fuente que genera Ia vibración se puede considerar una fuente multipuntüal, donde cada uno de los bogíes actúa como una fuente en movimiento, incrementando ello Ia complejidad del análisis. Además se ha de tener en consideración Ia variabilidad de las características geológicas del terreno así como Ia influencia de Ia frecuencia de Ia vibración en el proceso de atenuación durante Ia propagación de Ia vibración en el terreno.

En Ia actualidad, el estudio de Ia propagación de vibraciones generadas, por ejemplo, por un ferrocarril suburbano se realiza cuando tanto Ia infraestructura (túnel y Ia plataforma) está construida como Ia superestructura (vías, catenaria o carriles de suministro de corriente y otros equipos), está instalada y permite el tránsito de vehículos ferroviarios. Se suelen realizar dos series de mediciones, una primera serie se realiza durante el paso de un tren suburbano y Ia otra serie se realiza en ausencia de circulación de trenes, para poder distinguir las vibraciones ocasionadas por Ia circulación de vehículos ferroviarios de las vibraciones derivadas de otras causas, como por ejemplo las actividades industriales locales o el tránsito de vehículos por las calles. Como es conocido, los vehículos que circulan por las calles con- ruedas neumáticas no generan apenas vibraciones, salvo en los casos en que existan juntas o escalones en Ia calle, aunque incluso en este último caso el problema principal es el ruido.

Por los documentos BE1014836, GB275373, EP688902 y WO 02/02383, se conocen diversas alternativas para el problema citado, si bien siempre están basados en unidades embarcadas en un vehículo ferroviaria, aunque sea muy simple, Io que hace necesario que Ia superestructura esté instalada, por Io que dichas propuestas son completamente distintas de Ia que ¹ es objeto de esta invención.

Así, a diferencia del banco de ensayo descrito en Ia BE1014836, una de las principales ventajas del banco de ensayo propuesto es que permite hacer el análisis y las medidas de las vibraciones sin necesidad de que ningún vehículo ferroviario esté circulando, por Io que Ia preparación de Ia superficie o terreno a diagnosticar es mínima. Esto por un lado supone una reducción del tiempo necesario para tomar las mediciones, y por otro permite hacer el estudio de vibraciones antes de que Ia línea ferroviaria se ponga en funcionamiento, permitiendo incluso realizar las mediciones (en el punto de instalación y en Ia zona distante a evaluar) sin necesidad de haber realizado Ia instalación previa de Ia vía en Ia superficie (por ejemplo dentro de un túnel). Por Io tanto el método y el banco de ensayo de Ia presente invención tienen un elevado potencial de aplicación durante Ia fase de construcción de nuevas líneas ferroviarias, tanto de ferrocarril suburbano como de superficie.

Breve exposición de Ia invención

La invención aporta un método para caracterización de superficies en relación con el nivel de vibraciones transmitido por el paso de trenes, en donde se utiliza un banco de ensayo, transportable, que simula el comportamiento de un vehículo ferroviario.

El método para el diagnóstico del nivel de transmisión de vibraciones de Ia presente invención utiliza, según una técnica conocida, Ia toma de unas mediciones de intensidad de vibración en una zona inmediata a Ia prevista para el paso de vehículos ferroviarios y en un punto distante, a evaluar (en general una zona habitada, edificio, o instalación), susceptible de ser afectado por Ia vibración, tomándose en este último punto unas primeras mediciones durante el paso de los vehículos ferroviarios y unas segundas en ausencia de su tránsito para obtener ulteriormente, por comparación de las intensidades de vibración de dichas primeras y segundas medidas Ia función de transferencia de vibración desde Ia zona de paso de vehículos ferroviarios al citado punto distante.

El método de Ia presente invención comprende generar mediante un banco de ensayo transportable unas vibraciones aleatorias en una zona de Ia superficie prevista para el paso de los vehículos ferroviarios, teniendo dichas vibraciones un contenido frecuencial análogo al derivado de las vibraciones producidas por Ia circulación de un vehículo ferroviario real (en general comprendidas entre 10 y 200 Hz y preferentemente entre 10 y 80 Hz) y una magnitud controlada para garantizar que las vibraciones generadas puedan ser detectadas en el citado punto distante por unos instrumentos de medida en sí conocidos. El nivel de Ia vibración generada, representado por el valor eficaz de Ia velocidad de vibración, se encuentra en general comprendido entre 0,09 y 0,20 mm/s,

De acuerdo con Ia invención, Ia generación de vibraciones en el citado banco de ensayo será producida por rodadura. Como es bien sabido, Ia generación de vibraciones por causa del contacto rueda-carril proviene de las fluctuaciones de Ia fuerza de contacto provocadas por las irregularidades de perfil tanto de Ia rueda como del carril. Los parámetros que afectan a Ia magnitud de esta fluctuación son Ia carga por eje y en menor magnitud Ia velocidad del tren. Pero principalmente el estado de las ruedas. La existencia de zonas planas en el perfil de las ruedas ocasionadas por frenadas bruscas y desgastes irregulares generan fuertes fluctuaciones de fuerza que provocan vibraciones.

La presente invención también aporta un banco de ensayo transportable, que se instala en ía 'superficie del terreno a diagnosticar prevista para Ia circulación de vehículos ferroviarios, fijándolo a Ia misma. Dicho banco de ensayo opera para simular un mecanismo de generación de vibraciones análogo al que está presente en el contacto rueda-carril en cada uno de los ejes de un tren real, generando por rodadura dichas vibraciones aleatorias de una magnitud controlada por variación de Ia velocidad de giro y Ia carga de al menos un elemento rodante soportado sobre rodillos de giro libre.

Breve exposición de los dibujos

Las anteriores y otras características y ventajas se comprenderán más plenamente a partir de Ia siguiente descripción detallada de un ejemplo de realización del banco de ensayo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

Ia Fig. 1 es una vista en perspectiva de un banco de ensayo de acuerdo con un ejemplo de realización de Ia presente invención utilizable para Ia ¡mplementación de un método para el diagnóstico del nivel de transmisión de vibraciones desde una superficie de tránsito de vehículos ferroviarios a una zona distante;

Ia Fig. 2 es una vista frontal del banco de ensayo de Ia Fig. 1;

Ia Fig. 3 es una vista lateral del banco de ensayo de Ia Fig. 1; y

Ia Fig. 4 es una vista en planta del banco de ensayo de Ia Fig. 1 con algunas partes recortadas para mayor claridad del dibujo. Descripción detallada de un ejemplo de realización

Haciendo referencia a las figuras en general, en banco de ensayo de acuerdo con un ejemplo de realización de Ia presente invención comprende una bancada transportable que incluye un bastidor inferior 1 , el cual soporta dos pares de rodillos 3, que pueden girar libremente, y un bastidor superior 2 que soporta un eje 4 en los extremos del cual están instaladas un par de ruedas 5. Los ejes de los rodillos 3 son coplanarios y paralelos a dicho eje 4 y cada una de las ruedas 5 está dispuesta para rodar sobre uno de dichos pares de rodillos 3.

El mencionado bastidor inferior 1 comprende una estructura metálica provista de unas patas 6 terminadas en unas placas de apoyo 7 provistas de agujeros a través de los cuales pueden ser instalados unos elementos de fijación, tales como unos tornillos, para Ia unión rígida del bastidor inferior 1 a una superficie de tránsito de vehículos ferroviarios.

El eje 4 está soportado por sus extremos en el bastidor superior 2 mediante unos dispositivos de suspensión 8 provistos de unos medios elásticos comprimibles, tales como elementos de elastómero, muelles o similares. En el ejemplo ilustrado, el eje 4 tiene sus extremos acoplados en unos correspondientes cojinetes instalados en unos soportes flotantes 16 dispuestos por debajo de unos respectivos travesanos 2a del bastidor superior 2, y dichos dispositivos de suspensión 8 están dispuestos entre dichos travesanos 2a del bastidor superior 2 y dichos soportes flotantes 16 de manera que una fuerza producida por Ia deformación de los medios elásticos comprimibles de los dispositivos de suspensión 8 empuja a las ruedas 5 contra los rodillos 3.

El bastidor inferior 1 y el bastidor superior 2 tienen en sus esquinas unas respectivas pletinas 9, 10 enfrentadas, las cuales están provistas de unos respectivos agujeros a través de los cuales están instalados unos elementos de fijación regulables, tales como unos conjuntos de tornillo y tuerca 11 , para Ia unión del bastidor superior 2 al bastidor inferior 1. Cuando las ruedas 5 están simplemente apoyadas sobre los rodillos 3, los medios elásticos comprimibles de los dispositivos de suspensión 8 están poco deformados y las respectivas pletinas enfrentadas, 9, 10 de los bastidores inferior y superior 1 , 3 están relativamente separadas unas de otras. Apretando los mencionados conjuntos de tornillo y tuerca 11 las pletinas enfrentadas 9, 10 se aproximan entre sí y los medios elásticos comprimibles de los dispositivos de suspensión 8 resultan más deformados, con Io que aumenta Ia presión ejercida por las ruedas 5 sobre los rodillos 3.

Sobre el eje 4 está fijada coaxialmente una rueda dentada 12 engranada con un piñón 13 conectado al eje de salida de un grupo motor 14 soportado en el bastidor superior 2, así como un dispositivo de freno 15. Mediante el accionamiento controlado del grupo motor 14 y del dispositivo de freno 15 se pueden simular diversas condiciones de velocidad, aceleración y desaceleración en el giro de las ruedas 5. En Ia realización ilustrada, el grupo motor 14 está fijado a una placa 17 fijada a unos soportes de cojinete 18 en los que están instalados unos rodamientos dispuestos alrededor del eje 4. Desde el bastidor inferior 1 se extiende un soporte antigiro 19 que hace contacto con Ia placa 17 para impedir que ésta gire alrededor del eje 4. El grupo motor 14 incluye, por ejemplo, un electromotor trifásico.

Preferiblemente, el eje 4, las ruedas 5 y los dispositivos de suspensión 8 están configurados y dimensionados en el banco de ensayo de acuerdo con las formas y dimensiones de un eje con dos ruedas y sus correspondientes dispositivos de suspensión de un vehículo ferroviario real, y los dos pares de rodillos 3 están configurados y dimensionados para simular los dos carriles de una vía de ferrocarril real. Opcionalmente, en el banco de ensayo pueden usarse el eje, las ruedas y los dispositivos de suspensión de un vehículo ferroviario real. Así el banco de ensayo transportable instalado en un emplazamiento estacionario es capaz de simular un mecanismo de generación de vibraciones análogo al que se encuentra presente en el contacto rueda-carril en los vehículos ferroviarios reales, y con ello las vibraciones generadas mediante el banco de ensayo tienen un rango de frecuencias y una amplitud análogos los que presentan las vibraciones generadas por vehículos ferroviarios reales.

La fluctuación de Ia fuerza de contacto entre Ia rueda y el carril, Ia cual es Ia principal causa de generación de vibraciones, depende fundamentalmente de las irregularidades en el perfil o superficie de rodadura de Ia rueda. Cuantos más defectos presenta el perfil de Ia rueda más importante es Ia fluctuación de Ia fuerza de contacto y más importante es el nivel de Ia vibración generada. Por consiguiente, en el banco de ensayo se ha previsto que las ruedas 5 presenten unas irregularidades en su superficie de rodadura suficientemente acentuadas como para generar un nivel de vibración requerido. En las ruedas de los vehículos ferroviarios reales, el tipo de irregularidades más frecuente son zonas planas provocadas por frenadas súbitas que pueden haber bloqueado el giro del eje. En el banco de ensayo tales zonas planas pueden ser creadas artificialmente, por ejemplo mediante muelas abrasivas adecuadas. Así, en el banco de ensayo las ruedas 5 tienen irregularidades superficiales conocidas, o predeterminadas. Alternativamente o adicionalmente, uno o más de los rodillos 3 también puede tener irregularidades en su superficie de rodadura para simular irregularidades en el carril.

Otros parámetros que intervienen significativamente en Ia magnitud de Ia fuerza fluctuante en un vehículo ferroviario real son Ia masa suspendida de Ia suspensión primaria existente entre el eje y el bogí, y que constituye Ia masa vibrante de Ia que depende Ia vibración transmitida al entorno, y Ia carga estática que soporta un eje, Ia cual proviene de Ia parte del peso del vehículo ferroviario que soporta el eje y que presiona las ruedas contra el carril influyendo en el valor de Ia fuerza de contacto entre rueda y carril. Cuanto mayor es Ia fuerza de contacto mayor es Ia fluctuación de Ia fuerza y el nivel de vibración. En el banco de ensayo, Ia masa suspendida está constituida esencialmente por las masas del eje 4, las ruedas 5, el grupo motor 14, el engranaje 12, 13, el dispositivo de freno 15, y correspondientes soportes y cojinetes, cuyas masas están conectadas a los dispositivos de suspensión 8 y son soportadas por los rodillos 3, mientras que Ia carga estática es simulada precargando las ruedas 5 contra los rodillo 3 mediante el apriete de los conjuntos de tornillo y tuerca 11 para ocasionar un acercamiento del bastidor superior 2 al bastidor inferior 1 y una consiguiente deformación de los dispositivos de suspensión 8.

Para su funcionamiento, el banco de ensayo de Ia presente invención sólo requiere una línea eléctrica trifásica de potencia para alimentar el grupo motor 14, aunque Ia invención se podría implementar mediante otro tipo de motor. Las medidas y el peso del conjunto permiten que el banco de ensayo sea transportado mediante una carretilla elevadora o similar, por ejemplo a Ip largo de un túnel o cualquier otra plataforma o superficie prevista para el tránsito de vehículos ferroviarios, hasta un emplazamiento donde se desee hacer un ensayo experimental. Una vez en el emplazamiento deseado, el bastidor inferior 1 se fija rígidamente a Ia base de hormigón del túnel o plataforma, por ejemplo mediante tornillos y tacos en cooperación con los agujeros provistos en las placas de apoyo 7.

Si bien Ia energía de vibración generada mediante el único eje 4 en el banco de ensayo de Ia presente invención es inferior a Ia generada por todo el conjunto de ejes de un tren real al pasar por un sitio predeterminado, hay que tener en cuenta que las vías de ferrocarril disponen usualmente de elementos aislantes para atenuar el nivel de las vibraciones transmitidas al entorno mientras que Ia unión rígida entre el bastidor inferior 1 y Ia plataforma garantiza una buena transmisión de vibraciones al entorno de Ia zona en donde queda fijado dicho banco. Así, Ia ausencia de elementos aislantes para atenuación de vibraciones entre el bastidor inferior 1 y Ia plataforma o piso de soporte compensa el hecho de que Ia energía de vibración generada sea menor en comparación con Ia generada por el paso de un tren real.

Una vez instalado y conectado, el banco de ensayo se puede hacer funcionar mediante un accionamiento controlado del grupo motor 14 y del dispositivo de freno 15 para generar un nivel de vibración predeterminado.

El banco de ensayo coopera con un dispositivo de medición de vibraciones de tipo convencional (LMS Engineering Innovation por Ej. que proporciona una solución móvil de alta precisión para el análisis de vibraciones torsionales de máquinas rotativas de uno o más ejes), incluyendo por ejemplo un ordenador equipado con un software adecuado y conectado a un sistema de captación y medición de vibraciones ubicado en un sitio distante en el cual se desea realizar un análisis de vibraciones. La medición de las vibraciones y el análisis de los valores obtenidos pueden hacerse de acuerdo con cualquiera de los métodos conocidos.

El banco de ensayo anteriormente descrito es adecuado para Ia implementación de un método, aportado por esta invención, para el diagnóstico del nivel de transmisión de vibraciones a través del terreno desde una superficie de tránsito de vehículos ferroviarios a una zona distante.

Este método está basado en Ia toma de unas mediciones de intensidad de vibración en una zona inmediata a Ia prevista para el paso de vehículos ferroviarios y en un punto distante, a evaluar, susceptible de ser afectado por Ia vibración, tomando en este último unas mediciones durante el paso de los vehículos y en ausencia de su tránsito para obtener por comparación de las intensidades de vibración mediciones Ia función de transferencia de vibración desde Ia zona de paso de trenes al citado punto distante. El método de Ia presente invención está caracterizado porque comprende generar mediante un banco de ensayo instalado en Ia zona prevista para el paso de los vehículos ferroviarios unas vibraciones aleatorias, con un contenido frecuencial análogo al derivado de las vibraciones producidas por Ia circulación de un vehículo ferroviario real y con una magnitud de dichas vibraciones controlada para asegurar que las vibraciones generadas mediante el banco de ensayo puedan ser detectadas en el citado punto distante, por ejemplo mediante un dispositivo de medición de vibraciones de tipo convencional.

Un experto en Ia técnica será capaz de efectuar modificaciones y variaciones a partir del ejemplo de realización mostrado y descrito sin salirse del alcance de Ia presente invención. Por ejemplo, en una realización alternativa, el banco de ensayo podría funcionar con una única rueda 5 apoyada en un único par de rodillos 3, o con dos eje llevando cada uno un par de ruedas apoyadas en correspondientes pares de rodillos para simular las condiciones de un bogí completo. Asimismo, el dispositivo para variar el grado de deformación de los dispositivos de suspensión 8 podría ser omitido y reemplazado por una construcción que proporcionara un grado de deformación fijo preestablecido. Tal como se ha indicado el motor de accionamiento podría adoptar diferentes configuraciones y tipologías.

El alcance de Ia presente invención está definido en las reivindicaciones adjuntas.