Desarrollo y validación de técnicas para el cálculo de las frecuencias críticas de la vía ferroviaria

Abstract

[ES] La vía ferroviaria, al tratarse de un sistema periódico de dimensiones infinitas, constituye un problema de características singulares dentro de la Ingeniería Mecánica. Al contrario que la mayor parte de problemas de vibraciones, en la vía no existen modos de vibración sino ondas que se propagan a lo largo de su longitud. De todas las ondas presentes en los carriles, son las correspondientes a las frecuencias pinned-pinned las de mayor repercusión y, por tanto, las que deberán ser analizadas con mayor asiduidad. Se trata de aquellas cuya longitud de onda coincide con el doble de la distancia entre traviesas, por lo que en la deformada pueden darse nodos en las posiciones donde se sitúan los apoyos de los carriles, sobre las traviesas. Debido a ello no es posible transferir energía a las traviesas y desde éstas al balasto, que es la principal fuente de amortiguamiento de la vía. Por consiguiente, este tipo de ondas están escasamente amortiguadas produciendo un nivel de vibración elevado en una longitud importante del carril, y, en consecuencia, constituyen la principal fuente de ruido de rodadura, así como de desgaste ondulatorio en el camino de rodadura del carril (conocido con el término corrugación). La importancia de este fenómeno se justifica por el impacto ambiental y por los costes económicos necesarios para corregir sus consecuencias. Reflejo de esto último es que, en el caso de la corrugación, supone para una red de la talla de la española, en torno a 10 M€/año.

La finalidad de este proyecto es determinar y validar un método sencillo para el cálculo de la frecuencia pinned-pinned que mejore las estimaciones de otros procedimientos existentes en la literatura. Este método se basará en modelos de vigas de Timoshenko sobre los cuales se impondrán las condiciones de vibración análogas a las que se producen en la onda pinned-pinned. El método se validará mediante modelos de elementos finitos y a partir de un modelado de propagación de ondas en estructuras periódicas que será desarrollado en el marco de este proyecto.

[EN] The railway track, being a periodic system of infinite dimensions, constitutes a problem of unique characteristics within Mechanical Engineering. Contrary to most vibration problems, there are no mode shapes in the track, but waves propagating along its length. Of all the waves present in the rails, those corresponding to the pinned-pinned frequencies are the ones with the greatest impact and, therefore, the ones that should be analysed most assiduously. These are those whose wavelength coincides with twice the sleeper bay distance, so that in the deformed shape there may be nodes at the positions where the rail is supported on the sleepers. Because of this, it is not possible to transfer energy to the sleepers and from the sleepers to the ballast, which is the main source of damping of the track. Due to this fact, the decay rate associated with these waves is small, producing a high level of vibration over a significant length of the rail, and consequently constitute the main source of rolling noise, as well as wavy wear on the rail running surface (known as rail corrugation). The importance of this phenomenon is justified by the environmental impact and by the economic costs necessary to correct its consequences. The latter is reflected in the fact that, in the case of corrugation, it represents around 10 M€/year for the Spanish network.

The purpose of this project is to determine and validate a simple method for the calculation of the pinned-pinned frequency that improves the estimation of other existing procedures in the literature. This method will be based on Timoshenko beam models on which boundary conditions analogous to those occurring in the pinned-pinned wave will be imposed. The method will be validated by means of finite element models and from a modelling of wave propagation in periodic structures that will be developed in the framework of this project.