Diseño de un nuevo sistema automático de detección temprana de defectos en ruedas ferroviarias basado en técnicas de análisis vibratorio. Aplicación a un tramo de vía en la estación de Sant Andreu de la Barca (Barcelona)

Abstract

[ES] Como bien es sabido, en los últimos años se han desarrollado numerosos estudios encaminados a ofrecer un transporte ferroviario más seguro y con altas tasas de confort para los usuarios. Sin embargo, las mayores exigencias en materia de aumento de velocidad y carga por eje, así como las elevadas tasas de aceleración y frenado provocadas por trenes de alta velocidad y mercancías, han inducido un incremento notable en los esfuerzos en el contacto entre rueda y carril, produciendo defectos tanto en las ruedas de los vehículos (planos de rueda, fatiga por contacto de rodadura o grietas de origen térmico, son los más agresivos) como en la propia infraestructura. Con el fin de mejorar este aspecto, el Instituto de Matemática Multidisciplinar de la Universidad Politécnica de Valencia inició hace ya unos años una nueva línea de estudio encaminada a la mejora del transporte ferroviario a partir del análisis de una de sus principales externalidades: las vibraciones. En este sentido, el presente Trabajo Final de Máster busca desarrollar una nueva herramienta capaz optimizar las políticas de mantenimiento del material rodante ferroviario mediante la detección temprana de defectos en ruedas (planos de rueda, fatiga por contacto de rodadura, grietas de origen térmico, etc) a partir del estudio de la respuesta vibratoria generada en plena vía. De este modo, no solamente se pueda ayudar a los Administradores de material rodante a minimizar sus costes de mantenimiento, sino también a los Administradores de la infraestructura de cara a minimizar el daño provocado por la circulación de vehículos en mal estado. Por ello, el presente Trabajo Final de Máster pretende desarrollar un hardware de adquisición capaz de registrar y almacenar señales vibratorias y un algoritmo matemático capaz tanto de filtrar la señal registrada como de predecir la necesidad de realizar labores de mantenimiento en talleres. Este cálculo se llevará a cabo a partir del procesado matemático e interpretación de la señal vibratoria registrada en plena vía. Una vez desarrollado el modelo matemático, la calibración y validación del mismo se llevará a cabo mediante el cotejado de los resultados matemáticos con los defectos encontrados tras una exhaustiva inspección visual de las ruedas de los vehículos que hayan circulado por el tramo de vía instrumentado. Por tanto, el alcance final del presente Trabajo quedará acotado al desarrollo de un sistema de validez contrastada capaz de detectar defectos en ruedas ferroviarias a partir de la interpretación y tratamiento matemático de la señal vibratoria generada en plena vía. Por este motivo, quedarán fuera del alcance del Trabajo tanto los estudios de mercado conducentes a la comercialización del nuevo producto como las labores destinadas a la optimización del sistema (mínimo coste, máximo rendimiento, etc.).

[CA] Com bé és sabut, en els últims anys s'han desenvolupat nombrosos estudis encaminats a oferir un transport ferroviari més segur i amb altes taxes de confort per als usuaris. No obstant això, les majors exigències en matèria d'augment de velocitat i càrrega per eix, així com les elevades taxes d'acceleració i frenat provocades per trens d'alta velocitat i mercaderies, han induït un increment notable en els esforços en el contacte entre roda i carril, produint defectes tant en les rodes dels vehicles (plànols de roda, fatiga per contacte de rodadura o esquerdes d'origen tèrmic, són els més agressius) com en la pròpia infraestructura. Amb la finalitat de millorar aquest aspecte, l'Institut de Matemàtica Multidisciplinar de la Universitat Politècnica de València va iniciar fa ja uns anys una nova línia d'estudi encaminada a la millora del transport ferroviari a partir de l'anàlisi d'una de les seues principals externalitats: les vibracions. En aquest sentit, el present Treball Fi de Màster tracta de desenvolupar una nova eina capaç optimitzar les polítiques de manteniment del material rodant ferroviari mitjançant la detecció primerenca de defectes en rodes (plànols de roda, fatiga per contacte de rodadura, esquerdes d'origen tèrmic, etc) a partir de l'estudi de la resposta vibratòria generada en plena via. D'aquesta manera, no solament es pot ajudar als Administradors de material rodant a minimitzar els seus costos de manteniment, sinó també es pot ajudar als Administradors de la infraestructura de cara a minimitzar el dany provocat per la circulació de vehicles en mal estat. Per tot açò, el present Treball pretén desenvolupar un hardware d'adquisició capaç de registrar i emmagatzemar senyals vibratories i un algorisme matemàtic capaç tant de filtrar el senyal registrat com de predir la necessitat de realitzar labors de manteniment en tallers. Aquest càlcul es durà a terme a partir del processament matemàtic e interpretació de la senyal vibratoria registrada en plena via. Una vegada desenvolupat el model matemàtic, el procés de calibració i validació es durà a terme mitjançant la comparació dels resultats matemàtics obtinguts amb els defectes trobats després d'una exhaustiva inspecció visual de les rodes dels vehicles que hagen circulat pel tram de via instrumentat. Per tant, l'abast final del present Treball Fi de Màster quedarà establit al desenvolupament d'un sistema de validesa contrastada capaç de detectar defectes en rodes ferroviàries a partir de la interpretació i tractament matemàtic del senyal vibratori generat en plena via. Per aquest motiu, quedaran fora de l'abast tant els estudis de mercat conduents a la comercialització del nou producte com les labors destinades a l'optimització del sistema (mínim cost, màxim rendiment, etc.).

[EN] It is well known that during the last years, some studies about the improvement of security and comfort rates in the field of railway transport have been conducted. However, requirements have gotten further ahead due to higher speeds and heavier axle loads, as well as higher acceleration and braking rates provoked by high-speed trains and heavier freights. All these factors have induced a remarkable increase in wheel-rail contact forces, thus producing defects in both infrastructure and rail vehicle wheels (wheel flats, fatigue contact and thermal cracks are the most aggressive ones). In order to solve this problem, some years ago the Multidisciplinary Institute of Mathematics at the Polytechnic University of Valencia started a new investigation line aimed to improving railway transport. To do so, one of the most important externalities was studied: vibrations. In this sense, this Master¿s Thesis tries to develop a new tool capable to optimize the rail vehicle maintenance policies by means of early detection of wheel defects (wheel flats, fatigue contact, thermal cracks, etc.). To do so, the vibratory response in the main track is studied. This way, it is possible to help the rolling stock Administrators to minimize their maintenance costs. Furthermore, it is also possible to help infrastructure Administrators to minimize the track damage induced by vehicles in poor conditions. Thus, the aim of this work is to develop a new hardware capable of registering and storing vibratory signals, as well as a mathematical algorithm capable to filter the registered signal and predict needed maintenance labors in mechanic workshops. These calculations will be conducted through the mathematical process and interpretation of the vibratory signal registered in the main track. Once the mathematical model is developed, its calibration and validation will be carried out through a comparison between the mathematical results and the wheel defects encountered thorough an exhaustive visual inspection of the vehicle wheels that have traveled over the instrumented railroad track section. Therefore, the scope of this work will be bounded to the development of a validated system capable to detect wheel defects through the interpretation and mathematical treatment of the vibratory signal. Hence, market studies aiming at commercialization and works aimed at system optimization (minimum cost, maximum performance, etc.) will be out of the scope.