Autor: Dr. David Rhodes, Antiguo Director Técnico de Pandrol

Sujeciones de carril para aplicaciones de transporte de mercancías pesadas

El experto en sujeciones ferroviarias, Dr David Rhodes, examina cómo se pueden satisfacer los requisitos especiales de los ferrocarriles para transporte de mercancías pesadas con la especificación de las sujeciones

«En vista de ello, en las aplicaciones de transporte de Mercancías Pesadas no se exige que las sujeciones de carril hagan más de lo que hacen en cualquier otro tipo de ferrocarril. Unas secciones de carril más gruesas y un espaciamiento entre traviesas más apretado permiten compensar unas cargas por eje superiores, no siendo necesario que la carga soportada por las sujeciones sea superior a la habitual. Sin embargo, en la práctica, las exigencias de los operadores especializados en el transporte de Mercancías Pesadas son tales que suelen ser necesarios enfoques muy diferentes a la hora de diseñar los componentes de la vía.

El diseño detallado de los sistemas de fijación de carril afecta a parámetros tales como el ancho de vía, la rigidez de vía y la inclinación del carril, todos los cuales, a su vez, afectan a la mecánica de la interfaz rueda-carril. Como cabe imaginar, todos estos factores hacen que la especificación de una sujeción sea un factor crítico para mantener sin anomalías la explotación de una línea férrea, pero en el caso de los ferrocarriles para Mercancías Pesadas hay que destacar tres factores adicionales que, combinados, hacen que éstos requisitos sean incluso más desafiantes.

Tonelaje de Paso Anual Elevado

En primer lugar, en comparación con los ferrocarriles convencionales, el tonelaje anual que circula por los ferrocarriles para Mercancías Pesadas puede ser muy elevado. En aplicaciones convencionales, 20 millones de toneladas al año son representativos de una línea férrea muy  ocupada. En las operaciones de Mercancías Pesadas, no son poco frecuentes los 200 millones de toneladas  al año. El efecto evidente que esto tiene es que si los componentes todavía requieren mantenimiento o sustitución tras el mismo tonelaje de paso acumulado, dicho requisito de mantenimiento se alcanza en un margen de tiempo mucho más corto. Lo que no es tan evidente es el efecto que esto tiene en el análisis de costos de ciclo de vida. Las actividades de mantenimiento que se calcularían con un descuento hasta un valor actual neto despreciable en un ferrocarril convencional, porque se producirían muy adentradas en el futuro, son mucho más significativas en los ferrocarriles para  Mercancías Pesadas.

Al nivel detallado de las sujeciones de carril, el costo de mantenimiento y sustitución no está dentro del costo de los propios componentes, sino en el costo de la mano de obra y los cierres de la vía. Existen beneficios económicos de consideración a la hora de sustituir pequeños componentes de vía solo si se llevan a cabo simultáneamente a otros trabajos de mantenimiento, como el reencarrilado. Esto apunta a que es posible realizar importantes ahorros garantizando para ello que la vida de los componentes de sujeción supera la vida del carril (y que se convierte más bien en un desafío a medida que se alargan las vidas útiles de las líneas férreas), habiendo calculado  las principales compañías ferroviarias para Mercancías Pesadas de EE.UU. que la esperanza de vida de un carril es de tres mil millones de toneladas de tráfico en vía recta. En el caso de una línea para Mercancías Pesadas con un alto tonelaje de paso anual, el valor actual neto de tal ahorro es suficientemente elevado para justificar la inversión en componentes más duraderos.

Esfuerzos tractores elevados

En segundo lugar, los efectos de los esfuerzos tractores en las tensiones longitudinales en la vía pueden ser muy significativos. En la mayoría de las líneas férreas,  una vez se ha diseñado la vía para hacer frente a los esfuerzos debidos a la dilatación térmica y a la contracción de la vía y los esfuerzos de frenado máximos previstos, por defecto la vía seguirá siendo suficientemente sólida para soportar los esfuerzos tractores aplicados. En las aplicaciones para Mercancías Pesadas, esto no es así. En las rampas, la aplicación sostenida de esfuerzos tractores elevados,  tren tras tren, puede inducir modalidades de fallo de la vía no vistas en ninguna otra parte. Habitualmente, el primer indicio de fallo es el movimiento desigual de las traviesas, que quedan sesgadas y desplazadas respecto a los carriles y al balasto.

La solución al problema reside en el diseño, construcción y mantenimiento de un lecho de vía de alta calidad y en prestar atención a una buena selección de sujeciones de carril de elasticidad adecuada  en cizallado longitudinal. En embargo, ensayos llevados a cabo en varias líneas férreas a lo largo de varios años han demostrado que diferentes tipos de suela de carril, que presentan unas prestaciones similares en ensayos de homologación convencionales, tienen resultados muy diferentes en la atenuación de los efectos de unos esfuerzos tractores elevados.

Climas extremos

Por último, los ferrocarriles para Mercancías Pesadas son un tanto extraños al exigir todas estas cosas en algunos de los entornos más hostiles que podemos encontrar en el planeta. Dado que los yacimientos de minerales (en particular la mena de hierro) se explotan en lugares cada vez más inaccesibles, se hace necesario crear ferrocarriles que se puedan construir, explotar y mantener en condiciones climáticas extremas. Para componentes de acero y hormigón, esto no resulta demasiado difícil, pero hay dos cosas concretas que funcionan de modo muy diferente a temperaturas y humedades extremas.

Los mayores problemas técnicos son los asociados al plástico. Dentro del sistema de fijación de carril se utilizan plásticos para obtener un aislamiento eléctrico, resiliencia y a veces elementos de desgaste de sacrificio. Los materiales como el nylon funcionan bien en la mayoría de climas, pero se ablandan en condiciones de calor y humedad y se hacen frágiles en condiciones de sequía. Se están dedicando considerables esfuerzos para encontrar aditivos que puedan paliar estos efectos o para evaluar el uso de polímeros de ingeniería completamente diferentes que tal vez no arrojen el mejor rendimiento en condiciones «medias», pero que funcionen con resultados aceptables en un amplio espectro de entornos extremos.

¡Otra cosa que no funciona tan bien en climas extremos es el cuerpo humano! Esto tal vez no suena como si se tratase de un problema técnico, pero el hecho es que todavía esperamos utilizar una gran cantidad de trabajo manual para la construcción y mantenimiento de vías. A la hora de construir líneas férreas para Mercancías Pesadas en lugares inaccesibles e inhóspitos, aumentan las presiones para introducir una mayor automatización y prolongar los intervalos de mantenimiento, debido a los factores humanos adicionales que se deben tener presentes.

Especificaciones y normas

La mayoría de ferrocarriles para Mercancías Pesadas que se están planificando o construyendo en la actualidad no han sido propuestos por compañías ferroviarias consolidadas, sino por compañías mineras. El ferrocarril se ha convertido en parte del proyecto minero, ya que constituye la vía más económica y fiable para mover mercancías a granel desde una fuente hasta el consumidor y, por ello, en la mayoría de los casos, todo el trabajo de diseñar, construir e incluso explotar la línea férrea se somete a un concurso competitivo de idéntica manera que para cualquier otra inversión de capital. Este proceso requiere una especificación de prestaciones técnicas que se puede plasmar por escrito en un contrato comercial. El problema es que no existen normas técnicas consolidadas que tengan presente el tipo de factores que hemos debatido más arriba. Para complicar las cosas todavía más, las normas técnicas que existen dentro de las distintas redes ferroviarias son estrechamente interdependientes.

Por ejemplo, el cálculo de las cargas que se aplican para ensayar una traviesa o un sistema de sujeción está basado en supuestos sobre la rigidez y la consistencia del lecho de la vía. Esto, a su vez, está basado en otro supuesto: que se respetarán los límites para mantenimiento de la vía especificados en otro punto del sistema y que tales límites están basados en la evaluación empírica de condiciones concretas de la vía y del tráfico por la misma. Raras veces resulta suficiente adoptar simplemente las especificaciones técnicas de una compañía ferroviaria y aplicarlas a otra en una parte distinta del mundo . El sector ferroviario de Mercancías Pesadas cuenta con un historial envidiable de compartir conocimientos técnicos a través de organizaciones tales como la IHHA. Este proceso permite ‘exportar’ las mejores prácticas a proyectos nuevos y más desafiantes.