04. El Carril

Grado en Ingeniería Civil

Bloque I: Ferrocarriles

EL CARRIL

Profesor: Jorge Hernández Ruizf g

Ferrocarriles y transporte por cable

Elementos de la superestructuraElementos de la superestructura

• El carril

• Las traviesasLas traviesas

• Las sujeciones

• Las capas de asiento

– BalastoBalasto

– Subbalasto


El CARRILEl CARRIL

1 D i ió1. Descripción2. Funciones3. Características4. Material5. Forma6. Longitud g7. Peso8. Fabricación8. Fabricación9. Defectos


1. Descripciónp

• Elemento de la superestructura que soporta directamente las cargasdirectamente las cargas.

L f á ili d l f il• La forma más utilizada en los ferrocarriles metropolitanos es la llamada Vignole, que tiene:

Una zona ancha (patín) que actúa de base de apoyo y– Una zona ancha (patín) que actúa de base de apoyo y da estabilidad.

– Una zona intermedia (alma) que une patín y cabeza y U a o a te ed a (a a) que u e pat y cabe a yda inercia a flexión necesaria.

– La cabeza, que soporta directamente los esfuerzos l ll d l t t l d l tque le llegan del contacto con la rueda, y es la parte

que sufre directamente el desgaste que le ocasionan los vehículos.


1 Descripción1. Descripción

• Se caracteriza fundamentalmente por la forma y por el peso.

• Posee cualidades de robustez y capacidad de resistencia ante las cargas.resistencia ante las cargas.

• Se le designa por algún acrónimo de la d i i t ió i dadministración u organismo que se encarga de normalizar sus características y con un número

i di l id d d l i dque indica el peso por unidad de longitud.

• UIC (Union International des Chemins de Fer)


Dimensiones básicas de los tres carriles más habituales:


2 Funciones2. Funciones

R i ti t iti l d l t i l• Resistir y transmitir las cargas del material rodante a los distintos elementos que componen la víala vía.

• Guiado de los vehículos y adherencia suficiente para frenado y aceleraciónpara frenado y aceleración.

• Conducción de corriente de electrificación y señalización. Por el carril vuelve a la subestaciónseñalización. Por el carril vuelve a la subestación la corriente de retorno que entró al motor desde la catenaria por el pantógrafo y por el carril

b é l l létambién circulan las corrientes eléctricas necesarias para la señalización de la línea.


3. Características• Rigidez y flexibilidad: Debe tener una superficie lisa y ser poco deformable con una rigidez quelisa y ser poco deformable, con una rigidez que impida su flexión bajo la carga del tren. Pero para evitar roturas por los efectos dinámicos pgenerados por la propia rigidez que se necesita, hace falta cierta flexibilidad.

• Peso por metro: A mayor peso, más duración por tener más capacidad resistente y estar sometido a menos flexión y soportar por tanto menos fatiga Pero por reducción del coste esfatiga. Pero por reducción del coste es conveniente el menor peso por metro técnicamente posible.técnicamente posible.


3. Características• Adherencia rueda – carril: Es baja y es una de las ventajas económicas del ferrocarril porque permiteventajas económicas del ferrocarril porque permite transportar cargas elevadas con un bajo coste energético. Su baja adherencia también es un i i t li it l di t linconveniente porque limita las pendientes y las rampas que puede subir o bajar el tren, así como las distancias de parada.p

• Sección transversal: Se podría diseñar una sección óptima para los esfuerzos a los que va a estar sometido una vía determinada. Pero la fabricación de carriles se basa en industrias pesadas que exigen una ciertabasa en industrias pesadas que exigen una cierta estandarización, por lo que se limita la gama de perfiles.


4 Material de carril4. Material de carril

• Hoy en día son de acero, la proporción de carbono es importante, se puede forjar.p p j

• Las características químicas y físicas le deben aportar:aportar:

– Alta resistencia a la abrasión

– Ausencia de fragilidad

– Facilidad para soldarp

– Coste aceptable


4. Material del carril• Elementos químicos:

– Hierro– Carbono: aumenta la dureza y la resistencia al desgaste– Silicio: aumenta la dureza y la resistencia al desgasteA f d f ilid d i ibl li i ió– Azufre: da fragilidad, pero es imposible su eliminación completa.

– Fósforo: da fragilidad, pero es imposible su eliminación f g , p pcompleta.

– Arsénico: aumenta la resistencia al desgaste y la dureza, pero a partir de un cierto porcentaje disminuye lapero a partir de un cierto porcentaje disminuye la resistencia

– Para aceros especiales se añade: • Cromo: confiere dureza, resistencia al desgaste y tenacidad.• Manganeso: confiere dureza, resistencia al desgaste y tenacidad, pero dificulta la soldabilidad


4. Material del carril• Otras características:

– Resistencia: 110 kg/mm2Resistencia: 110 kg/mm

– Peso específico: 7.830 kg/cm3

Dilatación (K): 1 096 x10‐5°C‐1– Dilatación (K): 1,096 x10 5 C 1

– Módulo de elasticidad (E): 2,07 x 106 kg/cm2

D N 210 250 d BRINELL– Dureza N.: 210‐250 ud. BRINELL

– Dureza N.D.: 375 ud. BRINELL

– Textura: nos indica la estructura del acero. Depende de su composición, del proceso de f b i ió d l l ió d lfabricación, de la evolución de las temperaturas y de los tratamientos térmicos al carril ya fabricado.


5 Forma del carril5. Forma del carril

• Condicionada por:

– Servir de rodadura (interacción rueda ‐ carril)

– Poderse sujetar fácilmente a las traviesas, a la vía en placa y a otros carriles.

• Se concibió inicialmente como una viga sometida• Se concibió inicialmente como una viga sometida a esfuerzos normales y transversales. Para resistir a la flexión en dos direcciones se planteó comoa la flexión en dos direcciones se planteó como una viga en doble T.


Carril simétrico Carril Bull HeadCarril simétrico – Carril Bull Head


Carril Brunel Carril PhoenixCarril Brunel – Carril Phoenix


Carril Phoenix


Carril PhoenixCarril Phoenix



Carril Vignoleg

• Ingeniero inglés: Charles Vignole (1793‐1875)

• Partes:– Cabeza: Debe tener un tamaño suficiente y una forma

b l ll bque permita un buen contacto con la llanta. Debe cumplir las siguientes recomendaciones:

• Anchura y altura suficiente en relación a rueda y pestaña (a=• Anchura y altura suficiente en relación a rueda y pestaña (a= 65‐72 mm y h=50 mm).

• Anchura y altura en proporción con el resto del carril.

• Transmisión no puntual del esfuerzo.

• Inclinación de las caras laterales para que en las curvas la presión de la pestaña sobre el carril sea mínimapresión de la pestaña sobre el carril sea mínima.

• Superficies adecuadas de apoyo de bridas y curvas de acuerdo.


Carril Vignoleg– Alma: Sus dimensiones van asociadas a las misiones que se le asignanque se le asignan.

• Transmitir tensiones al patín.

• Dar inercia vertical.

• Permitir el embridado.

• Tener espesor suficiente para que no se doble lateralmente y t t l iócontrarrestar la corrosión.

• Para evitar las grietas hay que dar las curvaturas necesarias al perfil.p

– Patín: Sus funciones son:• Reunir las condiciones de ancho suficiente para reparto adecuado de las cargas y para evitar el vuelco.

• Dar inercia al emparrillado.

La relación alto / ancho óptima es entre 1 1 a 1 2La relación alto / ancho óptima es entre 1,1 a 1,2.


Carril VignoleCarril Vignole


6 Longitud de los carriles6. Longitud de los carriles

• Generalmente se fabrica en tramos de 18 m, lo que coloquialmente se suele denominar cupones y se sueldan en parque longitudes de 288 m.

• En alta velocidad, barras de 90 m, se sueldan enEn alta velocidad, barras de 90 m, se sueldan en parque tres de las mismas para alcanzar los 270 mm.

• En metropolitanos se trabaja con longitudes de 18 ld i i di ld d18 m que se sueldan in situ mediante soldadura aluminotérmica.


7. Peso• Se expresa en kg por metro lineal, excepto en países anglosajones donde se mide en libras por yarda.g j p y

• Viene condicionado por:– La carga por rueda o ejeg p j

– Velocidad de circulación de los trenes

– Densidad del tráfico (tn/año que debe soportar).

• La UIC ha estandarizado perfiles de 54 y 60 y se está estudiando la opción de sacar uno de 71 kg/m.

• Este aumento de peso se hace con vistas para que la duración sea mayor y a compatibilizar esa duración con la de las traviesas. En EEUU y Rusia se utilizan carriles más pesados entre 60 90 kg/mmás pesados entre 60‐90 kg/m.


7 Peso7. Peso

• También hay carriles con características especiales:p

– Resistencia: UIC ‐ 61R (R= Reforzado) Preparado para su uso en ambientes húmedos, ya que llevapara su uso en ambientes húmedos, ya que lleva un espesor mayor en ciertas zonas para resistir mejor la corrosión.mejor la corrosión.

E b lt UIC 61E (E E b lt )– Esbeltez: UIC – 61E (E= Esbelto)


8. Fabricación del carril• Consta de 3 fases:

– Fabricación del acero– Fabricación del acero– Laminación– Acabado

• Fabricación: En altos hornos eléctricos se realiza la fundación, produciéndose aceros colados de laminaciónlaminación.

• Los métodos son:– Linz Donawitz o soplado de O– Linz‐Donawitz o soplado de O2

– Siemens‐Martín básico– Eléctrico

• Se obtienen así lingotes de 8 a 10 tn y secciones de 20x20 cm


8 Fabricación del carril8. Fabricación del carril

i ió l d id l id• Laminación: El acero producido en el convertidor se vierte en moldes. Se deja enfriar y cuando la

h lidifi d l ldmasa se ha solidificado, se separan los moldes y los lingotes se colocan en unos hornos verticales, manteniéndose al rojo vivo (850 1 110 °C)manteniéndose al rojo vivo (850‐1.110 °C).

• Una vez obtenido el acero en forma sólida se f l fil d l il l á d lpasa a conformar el perfil del carril, calentándolo

a 1.200 °C, haciendo un conformado previo en l i ió fi l tprensa para pasar a laminación y finalmente

dando varias pasadas por las laminadoras.


LaminaciónLaminación




A b d C i l b d 18 l• Acabado: Consiste en el corte en barras de 18 m, el almacenaje y enfriado con posibles tratamientos térmicos el enderezado mediante rodillos y el fresadotérmicos, el enderezado mediante rodillos y el fresado y taladrado de los extremos si procede.

• Tanto en el enfriamiento posterior al laminado como en el enderezado en frío pueden aparecer tensionesen el enderezado en frío pueden aparecer tensiones internas residuales. Además el patín y el alma, por su mayor superficie, se enfrían antes que la cabeza, lo que produce un acortamiento en sentido longitudinal que posteriormente se compensa al enfriarse la cabeza.



• Tensiones: Al enfriarse primero el exterior, los bordes adquieren resistencia y el volumen q yexterior tiende a acortarse mientras el interior permanece caliente Por ello aparecenpermanece caliente. Por ello aparecen tensiones que pueden llegar a dañar el carril y que depende de la forma y de la velocidad deque depende de la forma y de la velocidad de enfriamiento.


AcabadoAcabado


9. Defectos de los carriles• Las roturas de los carriles son habitualmente el resultado de un proceso de agotamiento porresultado de un proceso de agotamiento por fatiga a partir de un incremento de pequeños defectos o por concentraciones excesivamente grandes de tensiones.

• Es imprescindible disponer de sistemas que l li l d f d l llocalicen los defectos antes de que tenga lugar la rotura, generalmente mediante ultrasonidos.Ti d d f t• Tipos de defectos:– De fabricaciónDe uso– De uso

– De montaje


9 Defectos de los carriles9. Defectos de los carriles

D f t d f b i ió• Defectos de fabricación:– Segregación: Acumulación del fósforo, azufre y carbono en determinadas zonas (impurezas) a causacarbono en determinadas zonas (impurezas) a causa de la mala colada o prematura laminación, produciéndose fisuras longitudinales.

– Las inclusiones sólidas o gaseosas: Causadas por enfriamientos rápidosEl rechupe: Se produce por retracción al enfriarse– El rechupe: Se produce por retracción al enfriarse

– Defectos de laminación: Ondulaciones del borde del patín por falta de material, rebabas del patín por p p , p pexceso de material o pliegues debidos a exceso de material aplastado sobre perfil normal


9. Defectos de los carriles• Defectos del uso:

– Corrosión– Desgaste vertical (por abrasión y corrosión)– Desgaste lateral (en general en curvas)D f ió lá ti– Deformación plástica

– Desgaste ondulatorio: onda corta (6 mm de longitud de onda y 0,04‐0,05 mm de profundidad y de onda larga (10 y , , p y g (cm a 2 m de longitud de onda) y que originan fenómenos de resonancia con algunas frecuencias propias del material móvil. En zonas de frenadas y arranques frecuentes.y q

• Causas:– Trazado de la vía– Estado de conservación del material móvil– Densidad del tráfico que soporta el carril



D f t d l t j• Defectos del montaje:

– Estado de las soldaduras

– Curvaturas de los carriles por estado de acopio

– Deterioros por maquinaria pesadaDeterioros por maquinaria pesada

C• Causas:

– Montaje de vía

– Soldaduras


Defectos



• Control del carril: Es una labor muy importante porque un fallo de los mismos puede provocar un accidente (descarrilamiento).

• Tipos de control:Tipos de control:

– Inspección visual

Métodos electrónicos: una máquina envía ondas al– Métodos electrónicos: una máquina envía ondas al carril y al ser devueltas, se captan los posibles fallos como fisuras en cabeza o alma desgaste roturascomo fisuras en cabeza o alma, desgaste, roturas…

– Métodos ultrasónicos


DesgasteDesgaste

El á d d il ll h ll• El área de contacto rueda – carril se llama huella y se trata de una superficie elipsoidal pequeña (1 cm2). El tamaño de la huella aumenta al aumentar la velocidadtamaño de la huella aumenta al aumentar la velocidad del tren.

• La distribución de tensiones sobre la huella es unLa distribución de tensiones sobre la huella es un paraboloide. Las tensiones máximas que se producen son 150 kg/mm2, superiores a las tensiones admisibles g pdel acero, lo que lleva a que se plastifique el acero en los puntos que se supera.

• Al producirse en una pequeña parte de la cabeza del carril, no entraña grandes riesgos.


DesgasteDesgaste

• Curva: Desgaste – Radios de la curva

• Métodos para retrasar el desgaste en curvasMétodos para retrasar el desgaste en curvas pequeñas:

A ti t E d S t l– Antiguamente: Engrasadores. Se encuentran en la vía y desprenden grasa en las curvas al pasar el t iótren por presión.

– Actualmente: Se usan carriles más resistentes (90‐110 kg/mm2).


Engrasadorg


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