Tecnología de medición para la ingeniería ferroviaria

La homologación de vehículos ferroviarios exige realizar pruebas exhaustivas. Entre ellas, complejos ciclos de pruebas en los que se miden, por ejemplo, las fuerzas entre la rueda y el raíl, la aceleración en los resortes o los desplazamientos relativos de los componentes móviles. El proyecto europeo de investigación Dynotrain estudia hasta qué punto las simulaciones por ordenador podrían sustituir determinadas partes de los recorridos de prueba en el futuro. Su objetivo consiste en facilitar y acelerar los procedimientos de homologación europeos. La división de tecnología de propulsión (Prüfungen Fahrtechnik) de DB Systemtechnik, ubicada en Minden, Alemania, utiliza la tecnología de HBM para efectuar mediciones con las cuales se verifican los programas de simulación.

El ferrocarril es uno de los medios de transporte más seguros de Europa. En parte, eso se debe a la dureza de los criterios de homologación a los que deben someterse los nuevos vehículos ferroviarios. El procedimiento de homologación implica múltiples comprobaciones de conformidad. Para cumplir la normativa europea pertinente es obligatorio realizar recorridos de prueba en los que se realizan mediciones. El objetivo de Dynotrain, un proyecto europeo de investigación en el que participa un total de 21 centros de investigación y empresas procedentes de seis países de la Unión Europea, consiste en crear una base técnica que facilite y acelere los procedimientos de homologación de los vehículos ferroviarios en el futuro. Para lograr esta meta, sería preciso sustituir por simulaciones una parte de las comprobaciones de conformidad que se exigen en la actualidad, y que implican pruebas de medición relativamente complejas. Sin embargo, antes hay que verificar la fiabilidad de esas simulaciones por ordenador comparándolas con los resultados de los recorridos de prueba (validación de los modelos informáticos). Deutsche Bahn AG, a través de su filial DB Systemtechnik, participa en el proyecto de investigación Dynotrain.

Laboratorio de ensayo independiente

El tren de medición completo de DB Systemtechnik que se utiliza en los recorridos de prueba consta de una locomotora, un vagón de pasajeros y tres vagones de carga.

DB Systemtechnik, con sede en Minden, ofrece una amplia gama de servicios de ingeniería al sector ferroviario. La división que, desde mediados de 2011, funciona de forma independiente como una filial de DB AG, tiene sus instalaciones principales en Minden, Múnich y Kirchmöser. Da trabajo a aproximadamente 600 empleados que ponen sus conocimientos en el campo de la tecnología ferroviaria a disposición de los clientes internos y externos de Deutsche Bahn AG. Muchos años de experiencia y unos conocimientos de sistemas sin parangón han hecho de DB Systemtechnik un centro de competencia líder en Europa dentro del sector de la ingeniería ferroviaria.

DB Systemtechnik lleva a cabo una gran variedad de pruebas de vehículos y componentes con fines de gestión de homologaciones, ensayos y certificación. Estas pruebas constituyen una importante contribución a la seguridad, fiabilidad y eficiencia de las operaciones ferroviarias. El centro de pruebas y la organización de expertos de DB Systemtechnik se encuentran registrados en el organismo notificado para la interoperabilidad (Assoziierter Partner der benannten Stelle Interoperabilität) de la Autoridad Ferroviaria Federal Alemana (EBA). Sus 18 laboratorios de ensayo han obtenido la certificación DIN EN ISO/IEC 17025:2000, y cerca de 40 trabajadores han sido acreditados como expertos por la Autoridad Ferroviaria Federal Alemana.

¿Qué hay que medir para homologar vehículos ferroviarios?

Las fuerzas rueda-raíl son una de las magnitudes más importantes dentro del proceso de homologación de los vehículos ferroviarios. Estas fuerzas deben medirse en funcionamiento, y para ello se necesitan conjuntos formados por el eje y las dos ruedas (wheelsets). Es preciso determinar las componentes vertical y lateral de la fuerza. Para esta aplicación, DB Systemtechnik ha desarrollado unos conjuntos de medición de eje y ruedas especiales, con galgas extensométricas. Las fuerzas que actúan entre la rueda y el raíl hacen que las ruedas y el eje se deformen. Las galgas extensométricas miden esa deformación. Basándose en las interdependencias entre la fuerza y la deformación resultante, determinada tras un elaborado procedimiento de calibración, un sofisticado software extrae online las componentes de la fuerza: Q (fuerza de contacto rueda-raíl), Y (fuerza de ligadura en la curva) y Tx (fuerzas en la dirección longitudinal generadas por el par de frenado y arranque y por las diferencias en el radio de rodadura).

En el centro de pruebas de Minden, las galgas extensométricas se instalan en los conjuntos eje-ruedas de metal, convirtiéndolos en equipos de medición y ensayo de alta precisión. En función de las características geométricas de las ruedas y el eje, existen dos métodos de medición: uno que toma las ruedas y el eje como puntos de instalación de la galga extensométrica, y otro que emplea únicamente los datos de deformación de las ruedas. Ambos métodos de medición implican la instalación de hasta 96 galgas extensométricas en el conjunto formado por el eje y las dos ruedas, más su conexión en una configuración de puente completo. Las líneas de señal se conducen a través del eje (hueco), tras practicar en él un orificio. Toda la electrónica, incluidos los amplificadores y la transmisión de la señal, se encuentra en el extremo del eje. Una vez instaladas las galgas extensométricas, las líneas de señal y la electrónica, hay que calibrar el conjunto eje-ruedas. Para ello, todo el conjunto se instala en un banco de pruebas especialmente desarrollado. En el banco, es posible aplicar con precisión fuerzas verticales y horizontales a las ruedas, sin que se produzcan interferencias mutuas, y determinar la respuesta de los puentes completos.

Otra forma de adquirir datos de medición para analizar las características dinámicas del vehículo consiste en emplear acelerómetros, que se instalan en masas no suspendidas (sobre todo en el conjunto eje-ruedas) y, si es posible, en la primera y segunda fase de resorte. Estos dispositivos miden las aceleraciones que se producen a estos niveles en dirección lateral, vertical y longitudinal, y, en función de la fase de resorte, a distintos intervalos de frecuencia.

Los desplazamientos relativos conforman el tercer grupo de magnitudes más relevantes. En general, desempeñan una función secundaria en el proceso de homologación, pero con frecuencia son indicadores que ayudan a comprender mejor las características específicas del vehículo. En el proyecto Dynotrain, estas magnitudes son determinantes para comparar los modelos de simulación de los vehículos en pruebas con los resultados de medición, teniendo en cuenta las variaciones en los ensayos.

Por último, aunque no sea menos importante, se encuentra el grupo de magnitudes que caracterizan la vía. Estos valores se registran de forma continua:

  • Perfil longitudinal (cada 16 cm)

  • Alineación de la vía (cada 16 cm)

  • Sobreelevación (cada 16 cm)

  • Ancho de vía (cada 25 cm)

  • Perfil transversal del raíl izquierdo/derecho (cada 25 cm).

Tecnología exhaustiva para un tren de medición completo Dynotrain

En los vagones se instalan equipos de ensayo y medición exhaustivos. Se utilizan amplificadores y sistemas MGCplus de HBM.

Los vehículos probados como parte del proyecto Dynotrain consistían en una locomotora, tres vagones de carga y un vagón de pasajeros, complementados con el DB Netz AG Railab para el registro de la geometría de la vía, y un vagón donde se encontraban los principales componentes tecnológicos y el equipo responsable de la medición. A estos vagones se acoplaron seis vagones adicionales para garantizar el correcto comportamiento del freno. Esta configuración de tren (complementada con una locomotora de tracción adaptada a las redes de energía de Suiza, Francia e Italia) medía hasta 400 m de largo.

Se utilizaron diez de los conjuntos eje-ruedas antes descritos, en cinco vagones de medición. Era necesario registrar más de 300 canales físicos y, dado que las configuraciones de filtrado eran parcialmente distintas, fue preciso guardar aproximadamente 1000 canales de medición junto con todas las señales de aceleración y desplazamiento, señales de geometría de la vía e información adicional sobre temperatura, presión del aire y humedad, datos GPS y presión de frenado. Esto suponía un elevado nivel de exigencia para el sistema de medición, con velocidades de muestreo de hasta 1200 Hz. Durante el proceso, parte de la carga de la CPU se transfería directamente al disco. Cada uno de los cinco ordenadores registraba un total de 48 señales de puente completo de las galgas extensométricas procedentes de dos conjuntos eje-ruedas hasta 1000 veces por segundo. Con estos datos se calculaban las fuerzas rueda-raíl, que se transferían digitalmente al amplificador MGC. La compleja red de fibra óptica que une los amplificadores MGC instalados en isla y los ordenadores de los conjuntos eje-ruedas, así como los potentes ordenadores mainframe y las memorias, fue específicamente diseñada para soportar estas cargas. Las estadísticas de los datos de medición se determinaban online y se podían visualizar y analizar inmediatamente después de la conclusión del recorrido de medición. Los registradores online visualizaban parte de los datos brutos para que el ingeniero de a bordo pudiese supervisar los valores límite en situaciones críticas. Durante las aproximadamente cuatro semanas que duraron los recorridos de medición, se adquirieron y guardaron más de 3000 GBytes de datos. En la actualidad, estos datos se encuentran disponibles para los socios del proyecto mediante una conexión de servidor rápida.

Se empleó un total de siete sistemas amplificadores MGC, que destacan por su alta flexibilidad y facilidad de uso. La estructura modular del sistema MGCplus lo hace apto para múltiples trabajos de medición. Los módulos correspondientes se encuentran disponibles en stock para los tipos de transductor más habituales. La hoja de datos electrónica del transductor (TEDS) permite configurar rápida y fácilmente los sistemas de medición. Los amplificadores identifican automáticamente los transductores conectados; no se necesitan complejas configuraciones manuales.
Otra de las ventajas del sistema MGCplus resultó muy importante para su uso en el tren de medición de DB Systemtechnik: todos los canales del sistema de medición se pueden grabar de forma totalmente síncrona. Esto fue especialmente relevante para esta aplicación, ya que todas las magnitudes medidas debían correlacionarse en posteriores análisis. En la actualidad ya se ha iniciado la fase de análisis de los datos, que requerirá un compromiso continuado de los socios del proyecto durante dos o tres años. Los datos obtenidos a través de este proyecto serán la base de los proyectos de investigación, desarrollo, diseño y homologación de vehículos del futuro.

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