Ondas de torque en motores eléctricos

 

Ondas de  torque en motores eléctricos

 

Por: T.J.E. Miller.*

 

Par uniforme. ¿No es eso lo que obtenemos de las máquinas eléctricas?

Ciertamente, parecen producir un par uniforme. A diferencia de los motores de combustión interna, no tienen volantes de inercia ni ejes de equilibrado, ni mecanismo de válvulas alternativo. Se parecen más a las turbinas, que parecen producir un par constante sin ondulación perceptible.

 Dentro de una máquina eléctrica, observamos la compleja geometría interna de estatores ranurados, rotores con imanes o polos bobinados y una intrincada distribución de conductores. En muy raras ocasiones, el rotor es un cilindro circular isótropo homogéneo. Tanto el rotor como el estator podrían describirse como conjuntos de componentes discretos con diferentes formas y tamaños. Si buscamos regularidad, podríamos contar el número de ranuras y pares de polos, solo para descubrir que no son iguales; lo que es peor, es posible que ni siquiera tengan un factor común. Por ejemplo, una máquina de 12 ranuras y 10 polos tiene 12 ranuras y 5 pares de polos, sin factor común. ¿Cómo puede esta configuración producir un par constante?

 La pregunta se vuelve aún más compleja al examinar el controlador electrónico de potencia de campo orientado (driver) que se utiliza en máquinas modernas. En él, encontramos componentes discretos que operan en modo conmutado (lo que significa que los transistores de potencia están activados o desactivados, nunca funcionando en un modo lineal controlado). ¿Cómo podemos entonces obtener un par uniforme con un sistema así?

 La respuesta corta es que en casi todas las máquinas eléctricas, un par absolutamente constante es prácticamente inalcanzable, y cierto grado de rizado de par es inherente.  El arte del diseñador consiste en reducirlo a un nivel aceptable. A menudo, este nivel es muy bajo, y en algunos casos puede ser tan bajo que resulta difícil de medir.

 

Cuestión de armónicos

Es útil dividir el tema en una cuestión de armónicos. La ondulación de par es un armónico no deseado del par del eje (que, si fuera perfectamente uniforme, tendría un valor promedio de orden armónico cero). Tiende a causar ondulación de velocidad, que es un armónico no deseado en la velocidad. En muchos casos, la inercia rotatoria actúa como un filtro mecánico de paso bajo simple y adecuado para atenuar la ondulación de velocidad. Sin embargo, en sistemas más complejos, la ondulación de velocidad puede verse peligrosamente amplificada por resonancias torsionales con órdenes armónicos específicos.

La resonancia puede amplificar los armónicos de par, lo que resulta en un patrón de tensión torsional cíclica en el eje y los acoplamientos, lo que a su vez puede causar fallos por fatiga o el aflojamiento de tuercas y tornillos. La ondulación de par suele estar asociada con la vibración (y el ruido), que puede ser difícil de resolver únicamente mediante el diseño mecánico. Si no podemos confiar en la inercia para mitigar los efectos de la ondulación del par, debemos reducirla en la fuente.

Uno de esos sagrados conjuros de ingeniería que todos los estudiantes murmuran fuera del aula de exámenes es que «el par es igual al flujo por la corriente». Por lo tanto, debemos suprimir los armónicos tanto en el flujo como en la corriente. Pero ¿dónde se encuentran y cómo interactúan?

 Podemos empezar diciendo simplemente que, para las máquinas de corriente alterna, la forma de onda temporal de la corriente debe ser lo más cercana posible a una onda sinusoidal pura. En las máquinas alimentadas por inversor, esta es la función del regulador de corriente y su algoritmo de control PWM. La inductancia actúa como un filtro paso bajo simple que ayuda a reducir los armónicos no deseados (especialmente en la frecuencia portadora) en la forma de onda de la corriente, de forma análoga al filtrado mecánico de la inercia rotacional en relación con la velocidad.

 

 Pero el concepto de "armónicos de flujo" no es tan simple. Tenemos que estudiar el producto "flujo por corriente" en términos de la interacción de las distribuciones de flujo y corriente dentro de la máquina.

En la teoría clásica, estas distribuciones se resuelven en la distribución de densidad de flujo y la distribución de amperios-conductor del estator alrededor del entrehierro. Usaremos estos conceptos fácilmente visualizables a lo largo de este escrito. Pero debemos hacer la observación de que la composición armónica de estas distribuciones no es el resultado inmediato de un análisis de elementos finitos.

Esto nos lleva a la pregunta de si el par debe analizarse en términos de estas distribuciones armónicas, o si debe calcularse por la tensión de Maxwell (que es el resultado inmediato de un análisis de elementos finitos). Las distribuciones armónicas conducen directamente al par promedio temporal (a menudo mediante un análisis de elementos finitos en una sola posición del rotor), mientras que la tensión de Maxwell proporciona el par instantáneo en una sola posición del rotor y, por lo tanto, debe repetirse durante un ciclo completo para obtener el par promedio o de funcionamiento. Sin embargo, a pesar de sus obvias diferencias, ambos enfoques son más compatibles de lo que podría parecer a primera vista, como veremos. 

 Para las máquinas de CA, utilizamos series de Fourier para analizar los armónicos espaciales de la distribución del devanado, la distribución del flujo y, en ocasiones, la distribución de la permeancia dentro de la máquina, a lo largo de la dirección circunferencial alrededor del entrehierro. (También utilizamos series de Fourier para analizar los armónicos temporales en la forma de onda de la corriente, a veces basándonos en la teoría de componentes simétricos en casos de funcionamiento desequilibrado; pero en este caso procederemos con el supuesto de corrientes polifásicas sinusoidales equilibradas).

 El par se obtiene de la integral (con respecto al ángulo alrededor del entrehierro) del producto de dos series armónicas: una que representa la distribución amperio-conductor del estator y la otra que representa algún atributo productor de par del rotor, que podemos llamar "el flujo del rotor". (Esto podría ser el resultado de imanes o devanados de campo o saliencia, o alguna combinación, y el término "flujo del rotor" será familiar especialmente para los ingenieros de control orientados al campo que lo usan incluso con motores de inducción).

El producto de estas ondas es una onda de esfuerzo cortante en la superficie del rotor, cuya integral sobre 360° es esencialmente el par instantáneo. El principio central en la producción de par es el notable siendo que un resultado distinto de cero para esta integral (y por lo tanto el par) se produce solo por la interacción de los armónicos del espacio de trabajo de la distribución amperio-conductor del estator y el flujo del rotor (a veces llamados armónicos "fundamentales").

 Todas las demás interacciones armónicas espaciales no producen par neto (siempre que las formas de onda de la corriente sean ondas sinusoidales equilibradas). Este notable hecho se deriva directamente del principio de ortogonalidad en relación con el producto de dos series de Fourier y representa el extraordinario efecto de filtrado que se produce de forma natural en la configuración de las máquinas de corriente alterna.

 Esto significa que, para calcular el par medio, podemos centrarnos en los armónicos de trabajo de la distribución de amperios-conductor del estator y el flujo del rotor, e ignorar todos los demás armónicos espaciales. Esta es la base de la transformación del eje dq (transformada de Park). El desarrollo teórico de la transformada de Park parte del supuesto de distribuciones espaciales sinusoidales de flujo y amperios-conductores alrededor del entrehierro. Y aunque no trabaja con armónicos espaciales de ninguno de los dos, reconoce su existencia al agrupar sus efectos inductivos en la «inductancia de fuga armónica» o «inductancia diferencial», mientras que no contribuyen en nada al par.

 Las distribuciones espaciales armónicas de trabajo de los conductores de amperios del estator y el flujo del rotor giran en sincronismo a la velocidad síncrona, y Park las proyecta sobre un sistema de referencia que gira a velocidad síncrona. En este sistema de referencia (los llamados ejes dq) todo parece constante en funcionamiento estacionario. Por ello, Park representa los efectos distribuidos de los conductores de amperios del estator y el flujo del rotor mediante las magnitudes terminales, la corriente y el enlace de flujo. Para proporcionar un medio de orientación (modificando el ángulo de fase espacial relativo entre el flujo y las distribuciones de amperios-conductores del estator), Park necesita dos bobinas o devanados: uno alineado con el eje d o eje de campo del rotor y el otro alineado con el eje q o eje de cuadratura, perpendicularmente al eje d. De esta manera, obtiene una relación de flujo ψd1 y una corriente id1 para el devanado del eje d, y ψq1 e iq1 para el devanado del eje q. El subíndice adicional 1 refleja que las distribuciones respectivas son los armónicos del espacio de trabajo del flujo y los amperios-conductores.

 El par electromagnético promedio se obtiene ahora a partir de la ecuación:

 

 donde p es el número de pares de polos. En el lenguaje coloquial moderno, podemos describir esto como "increíblemente simple" en vista de la complejidad del sistema físico y su análisis matemático. Este es el E = mc2 del diseño de máquinas eléctricas. Su derivación a menudo se pierde en matices analíticos, pero el mantra del estudiante es claro: par = flujo × corriente.

 Tenemos que embellecerlo ligeramente. Primero, necesitamos el flujo por la corriente para ambos ejes del modelo dq, no solo para uno de ellos. En segundo lugar, debemos distinguir el flujo ligado (una magnitud terminal o de circuito) del flujo (una magnitud distribuida o de campo). En tercer lugar, necesitamos sumar los coeficientes 3/2 y p. No entraremos en la interpretación de estos coeficientes, ni siquiera discutiremos las unidades de la ecuación, sino simplemente reflexionaremos sobre su "increíblemente" simplicidad.

¿Podemos usar esta elegante ecuación de par con análisis de elementos finitos en una sola posición del rotor, en lugar de una simulación total completa de escalonamiento de la posición del rotor con tensión de Maxwell? La respuesta es sí; se pueden encontrar ejemplos en [3] y [4], entre otros. Pero, por supuesto, solo proporciona el par promedio o de funcionamiento, sin rizado, sin dentado ni efectos parásitos (como pérdidas parásitas y contribuciones de «fuga armónica» a la inductancia terminal).

 Las «bobinas» de los ejes d y q, que representan el devanado del estator polifásico real, tienen una distribución sinusoidal, en el sentido de que sus distribuciones espaciales (circunferenciales) de amperios-conductor son sinusoidales, con solo el número armónico de trabajo o fundamental de pares de polos p. Pero sus inductancias se complementan con la inductancia de fuga mencionada anteriormente, que incluye la «fuga armónica» asociada a los demás armónicos espaciales de los devanados. Esto es necesario para que el modelo del eje dq pueda producir las tensiones terminales correctas (mediante las denominadas ecuaciones de Park). La inductancia asociada al armónico espacial de trabajo de las distribuciones amperio-conductor del eje dq se denomina «inductancia magnetizante», mientras que la inductancia total del devanado del eje d es la inductancia síncrona Ld, y también Lq para el devanado del eje q.

 Todas estas ideas son muy antiguas y se han utilizado como base del diseño de máquinas eléctricas durante más de un siglo. Han pasado 100 años desde que se publicó la transformada del eje dq de Park y más de 130 años desde que Blondel publicó su teoría de dos reacciones, que también se basa en la noción de distribuciones sinusoidales de amperio-conductores y flujo.

La expresión moderna de estos principios a menudo se da en términos de vectores espaciales, el lenguaje del control orientado al campo; mientras que los elementos reales (en particular, el enlace de flujo, la inductancia y el torque) se calculan mediante análisis numérico con una precisión y un conocimiento muy superiores a los que estaban disponibles en los primeros tiempos.

 Es fácil olvidar que la transformada del eje dq de Park se basa en el análisis de series de Fourier de las distribuciones de flujo y amperio-conductor, aunque es claramente obvio cuando se aplica a la matriz de inductancia en la derivación de Ld y Lq, [2,3]. Pero en términos matemáticos, el análisis armónico por series de Fourier es una operación lineal. Al "agregar armónicos", encarna el principio de superposición y, por lo tanto, su validez (o al menos su precisión) puede cuestionarse cuando se aplica a un "sistema no lineal" como una máquina eléctrica. Podríamos imaginar que el enfoque de "simulación total" no se ve afectado por esta preocupación, y eso ciertamente sería cierto para el cálculo del torque por la tensión de Maxwell.

También sería perfectamente válido descomponer una forma de onda de torque en sus componentes armónicos usando series de Fourier, después de haber sido calculada por la tensión de Maxwell en una "simulación total" que no usó la transformada de Park.

 Pero es común, incluso en el enfoque de "simulación total", usar Ld y Lq y las ecuaciones del circuito de Park sin detenerse a considerar si la descomposición armónica subyacente a la transformada de Park es completamente válida. Incluso si el principio de superposición es aceptable en relación con la composición armónica del flujo y las distribuciones de amperios-conductor, sigue siendo el caso de que los armónicos en estas distribuciones introducen variaciones armónicas en Ld y Lq.

En otras palabras, pueden variar con la posición del rotor. Parece que rara vez reconocemos esta posibilidad. En cambio, navegamos a través de nuestro diseño de máquina y nuestro análisis con la suposición tácita de que Ld y Lq son independientes de la posición del rotor, aunque aceptamos fácilmente su variación con la corriente.

 Parece funcionar. ¡Tal vez sea debido a nuestro dominio de los diseños de bobinados y nuestra adherencia a las mejores prácticas! Sin embargo, hay ingenieros que no confían del todo en las suposiciones subyacentes, por lo que recurren al enfoque de «simulación total» para todo, incluso para el análisis de circuitos. Los ingenieros de esta escuela de pensamiento bien podrían ser los primeros en describir la simplicidad de la ecuación de par como «increíble», y tendrían razón, aunque el término «increíble» sea un poco extremo. Quizás tengan razón. La alternativa de la «simulación total» solo es posible, por supuesto, con el software de simulación más potente; ciertamente no era posible hace una generación. Un análisis completo de estos temas interrelacionados sería una tarea difícil y compleja para un estudiante de doctorado; y, francamente, no sé si se ha abordado ni en qué medida. El abanico completo de preguntas e implicaciones teóricas parecería estar fuera del alcance habitual de nuestro ajetreado trabajo diario en el diseño de máquinas.

 1 Como ejemplo de una máquina que produce un par constante, se puede citar el disco de Faraday, así como ciertos tipos de máquinas superconductoras homopolares.

 2 Esto excluye el motor de CC sin escobillas, que funciona (idealmente) con formas de onda de corriente de "onda cuadrada" [2]. También excluye el motor de CC de conmutador y el motor de reluctancia conmutada, ya que no son máquinas de CA.

 3 El par de cogging se excluye de esta discusión, ya que es un efecto independiente que surge incluso con corriente cero.

 

Nota del traductor:

El par de cogging es un par de torsión que se produce en los motores eléctricos debido a la interacción entre los imanes del rotor y los dientes del estator. Es un efecto indeseable que puede causar vibraciones y ruidos.

 

4 Los demás armónicos espaciales siguen siendo importantes en el cálculo de las pérdidas parásitas, la inductancia total del devanado y la tensión terminal.

 5 Muchas de estas ideas se derivaron del trabajo de Blondel 30 años antes. En sus publicaciones originales sobre la teoría del eje dq en la década de 1920, Park, Doherty, Nickle y otros reconocieron generosamente a Blondel.

 6 Esto es cierto incluso en el motor con conmutador de CC, que probablemente sea la fuente original de la noción de "flujo por corriente". En el motor de CC, normalmente solo se considera que el enlace de flujo del eje d está activo en la producción de torque, aunque de hecho ambos términos en la ecuación (1) están presentes.

 

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 *El profesor Miller estudió en las universidades de Glasgow y Leeds. Realizó prácticas industriales en Tube Investments Ltd. Trabajó para G.E.C. en el Reino Unido y para General Electric en Estados Unidos. De 1986 a 2011, fue profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Glasgow. Ha publicado más de 200 artículos, 10 libros y 10 patentes, y ha impartido numerosos cursos de formación.

 

Original en:

https://www.jmag-international.com/engineers_diary/068/

 

 Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                    2025.-

Toyota y BYD, una estrecha colaboración para fabricar el bz5

 

Toyota y BYD, una estrecha colaboración para fabricar el  bz5

Toyota y BYD aúnan fuerzas en el último vehículo eléctrico, con hasta 630 km de autonomía, que la marca japonesa ha puesto a la venta.

 

Toyota ha sido y sigue siendo el mayor fabricante de coches del mundo. La corporación japonesa fue una de las primeras en dar el paso en la senda de la electrificación. Suyos fueron los primeros híbridos que hoy son la opción preferida por millones de conductores en todo el mundo. Sin embargo, el futuro pertenece al coche eléctrico y ahí, los japoneses tienen que rendirse ante el poder de sus vecinos chinos.

 Tradicionalmente, un coche tardaba entre cuatro y cinco años (incluso más) en pasar de ser un boceto en una hoja de papel en blanco a un modelo de producción. En la era de los coches eléctricos, que avanza a pasos agigantados, el ritmo es frenético. Los fabricantes chinos están rompiendo ese esquema. Han recortado los plazos de desarrollo de sus coches a tan solo dos años, lo que anuncia una nueva era de lanzamientos rápidos. Su ritmo de diseño, desarrollo, fabricación y venta es, ahora mismo, inalcanzable para un fabricante tradicional.

La unión entre los chinos y los japoneses en el campo de los automóviles eléctricos es el resultado de un acuerdo estratégico firmado en 2020. Toyota busca la eficiencia y la expansión de la producción, mientras que BYD tiene como objetivo mejorar la calidad y confiabilidad de sus vehículos. Juntos, exploran nuevas oportunidades y enfrentan los desafíos de la electrificación.

 La colaboración de Toyota con BYD en el bZ5 (beyond Zero 5) no es un accidente. BYD ha logrado una ventaja significativa en el costo de la mayoría de los fabricantes de automóviles occidentales a través de una combinación de factores. Estos incluyen la vasta y bien establecida red de cadena de suministro de componentes de vehículos eléctricos de China, costos laborales significativamente más bajos y subsidios gubernamentales e incentivos sustanciales que respaldan la rápida expansión de la industria nacional de vehículos eléctricos.

 Además, la escala de producción masiva de BYD permite economías de escala impresionantes, extendiendo los costos fijos en un mayor número de vehículos. Esto les permite ofrecer vehículos eléctricos de alta calidad a precios a menudo de 20 a 30 por ciento más bajos que sus homólogos europeos y estadounidenses. Al asociarse con BYD, Toyota obtiene una visión invaluable de estas eficiencias operativas y medidas de ahorro de costos.

 

 Toyota bZ5,  100% eléctrico

Toyota presentó en el Salón del Automóvil de Shanghái 2025 uno de sus modelos más esperados. Un compacto, desarrollado sobre la plataforma e-TNGA, se suma a los esfuerzos de Toyota por consolidarse en el segmento de los eléctricos.

(Nueva Arquitectura Global de Toyota, abreviada como TNGA, es una plataforma modular para automóviles que sustenta varios modelos de Toyota y Lexus. Las plataformas TNGA se adaptan a diferentes tamaños de vehículos y también a configuraciones de tracción delantera, trasera y en las cuatro ruedas)

 El Toyota bZ5 destaca por un diseño estilizado y moderno. Mide 4,78 metros de largo, 1,87 m de ancho y 1,51 m de alto, con una distancia entre ejes de 2,88 metros, lo que permite un amplio espacio interior.

Su habitáculo cuenta con una pantalla central de 15,6 pulgadas, compatible con control por gestos, comandos de voz y conectividad completa con smartphones. Incorpora el sistema Toyota Pilot para funciones de conducción autónoma de nivel 2, apoyado por 33 sensores repartidos por la carrocería y un sistema LiDAR en el techo.

 (LiDAR, Light Detection and Ranging, es una tecnología de teledetección que utiliza pulsos de luz láser para medir distancias con alta precisión y crear modelos 3D de alta resolución de un entorno).

 El bZ5 está disponible con dos versiones de batería: una de 65,28 kWh y otra de 73,98 kWh, que proporcionan autonomías de 550 km y 630 km respectivamente bajo el ciclo CLTC. Ambas opciones incluyen un motor eléctrico delantero TZ200XS003 con 268 CV (200 kW) y 330 Nm de par máximo.

En cuanto a la carga, el sistema admite hasta 90 kW de potencia, lo que permite pasar del 30% al 80% de la batería en 27 minutos.

 

 La colaboración entre Toyota y BYD

En recientes desarrollos, Toyota ha reconocido su colaboración con BYD. Esta asociación destaca la decisión estratégica de Toyota de incorporar tecnología de baterías avanzada a su línea de vehículos eléctricos. La colaboración tiene como objetivo aprovechar la experiencia de BYD en baterías LiFePO4 para mejorar el rendimiento y la seguridad de los vehículos eléctricos de Toyota.

 

Implicaciones de la colaboración

Rendimiento mejorado de la batería: Las baterías LiFePO4 de BYD son conocidas por sus impresionantes métricas de rendimiento, que incluyen ciclos de vida más prolongados y mayor seguridad. Se espera que el uso de estas baterías por parte de Toyota mejore el rendimiento general de sus vehículos eléctricos, brindando a los consumidores una experiencia de conducción más confiable y eficiente.

 Mayor seguridad: La seguridad es un factor crítico en la tecnología de baterías para vehículos eléctricos. Las baterías LiFePO4 son inherentemente más seguras que otras químicas de iones de litio debido a su composición química estable. La adopción de las baterías BYD por parte de Toyota refleja un compromiso de priorizar la seguridad del consumidor.

 Sostenibilidad y Eficiencia: Tanto Toyota como BYD están comprometidos con las prácticas sostenibles. Las baterías de BYD respaldan los objetivos medioambientales de Toyota al ofrecer una alternativa más ecológica a las baterías tradicionales. Esta colaboración subraya el compromiso mutuo de reducir la huella de carbono y promover las tecnologías ecológicas.

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                      2025.-

La tecnología de los rieles para los trenes de alta velocidad

 

La tecnología de los rieles para los trenes de alta velocidad

Los trenes de baja velocidad (convencionales) usan ruedas de acero sobre rieles y son para distancias cortas o medias y transporte de carga o personas hasta 120 Km/h aproximadamente, mientras que los trenes de alta velocidad son los diseñados para superar los 250 km/h, requiriendo vías, con tecnología de construcción, exclusivas.

 

Antecedentes

Mucho tiempo atrás, se utilizaban rieles de madera en los caminos para carros tirados por caballos. Hacia la década de 1760, se empezaron a utilizar los rieles de hierro forjado, que consistían en finas tiras de hierro fundido fijadas a rieles de madera. Estos fueron reemplazados por rieles de hierro fundido con bridas (es decir, en forma de "L") y con ruedas de carro planas. En 1789, se introdujeron los rieles de borde donde se colocaban las ruedas con bridas y, con el tiempo, se observó que esta combinación funcionaba mejor. Los primeros rieles de este tipo que se utilizaron fueron los rieles de hierro fundido "panza de pez", llamados así por su forma. Los rieles de hierro fundido eran frágiles y se rompían con facilidad. Solo se podían fabricar en tramos cortos que pronto se volvían irregulares. En 1820, con la mejora de las técnicas de laminación, se introdujeron los rieles de hierro forjado, que reemplazaron a los de hierro fundido. Estos rieles contribuyeron significativamente al crecimiento explosivo de los ferrocarriles entre 1825 y 1840. La sección transversal de estos rieles variaba considerablemente de una línea a otra. La sección transversal paralela que se desarrolló en años posteriores se denominó Bullhead.

El cual es un diseño específico de la forma del carril visto en un corte perpendicular a su longitud, caracterizado por una cabeza curva, un alma delgada que la une a un patín ancho y plano, y un diseño que permite un excelente perfil de rodadura para las ruedas y una buena estabilidad en las vías.

 

 La función principal del riel es proporcionar una superficie lisa y continua para el movimiento y proporcionar guía en dirección lateral para el movimiento de las ruedas. En el proceso, transfiere la carga de las ruedas a la estructura de la vía inferior implica que los rieles están sometidos a tensiones.

 Para poder soportar esta situaciòn, los rieles y el acero del riel deben cumplir los requisitos de (1) alta resistencia al desgaste, (2) alta resistencia a la deformación causada por compresión, (3) alta resistencia a la fatiga, (4) alto límite elástico, tenacidad / resistencia a la tracción y dureza, (5) alta resistencia a la fractura frágil, (6) buena soldabilidad, (7) alto grado de pureza del acero y buena textura, (8) uniformidad del perfil y precisión dimensional por inspección y aceptación, y (9) bajas tensiones residuales después de la fabricación y el enderezamiento. Algunos de estos requisitos se contradicen entre sí, lo que dificulta la elección del perfil del riel y el grado de acero del riel.

 

El problema de la dilatación /contracción

El problema de la dilatación en los rieles de tren es la expansión y contracción del metal debido a los cambios de temperatura, lo que puede provocar que los rieles se doblen, se deformen provocando descarrilamiento del tren. Para evitar esto, se implementaron soluciones como las juntas de dilatación, que son pequeños espacios entre tramos de rieles.

Tensión y deformación: Si no se dejan espacios para la expansión, los rieles empujan unos contra otros, generando una gran tensión que puede hacer que los rieles se doblen lateralmente (conocido como "buckling").

 

 Justamente el sonido rítmico "clac-clac”  proviene de las juntas de los rieles de trenes que se genera porque las ruedas del tren chocan contra los huecos (o "calas") que se dejan deliberadamente entre los tramos de vía para permitir la dilatación y contracción del acero con la temperatura. Este impacto crea vibraciones que se transmiten y se irradian al aire como sonido, resultando en el traqueteo característico. Algo inadmisible para el caso de un tren de alta velocidad.

El acero es un material versátil. Si se añaden las aleaciones adecuadas o se elige el tratamiento térmico correcto, se pueden producir las estructuras de acero deseadas. El acero para rieles es necesario para resistir la deformación plástica, el desgaste, la fatiga por contacto de rodadura, la tensión de flexión y la tensión térmica durante el proceso de soldadura y el recargue de rieles.

Las combinaciones de aleación y tratamiento térmico son posibles en el acero para rieles, lo que permite producir una amplia gama de calidades. En el caso del acero para rieles, la resistencia a la tracción y la tenacidad pueden aumentarse mediante tratamiento térmico. Este tratamiento puede aplicarse a toda la sección transversal o solo a la cabeza del riel, lo que proporciona una gran resistencia al desgaste. Los rieles con endurecimiento de cabeza se utilizan normalmente en vías con cargas elevadas, curvas cerradas y elementos de desvío.

 

Tecnología de unión de los rieles para trenes de alta velocidad - CWR

La dilatación y compresión de los rieles no se manejan mediante "adsorción", sino con la soldadura de rieles continuos (CWR, Continuous Welded Rail, Riel Soldado Continuo) y el diseño de la vía para crear tensiones controladas. Los rieles se sueldan entre sí para formar tramos largos, los durmientes y el balasto restringen su expansión y contracción longitudinal, lo que genera tensiones de compresión o tensión controladas dentro de los rieles.

 Rieles Continuos Soldados (CWR). Principales propiedades

Eliminación de juntas:

En lugar de los antiguos huecos (juntas de dilatación) entre secciones de riel, los rieles de alta velocidad se sueldan para formar un riel continuo de varios kilómetros.

  Conducción de las tensiones:

Los elementos de la vía (durmientes y balasto) restringen el movimiento longitudinal del riel, lo que genera tensiones internas. Cuando la temperatura sube, los rieles intentan expandirse y se comprime.

 Tensiones de compresión y tensión:

Compresión: Si la temperatura es alta, la vía puede intentar alargarse. Las traviesas y el balasto, que son rígidos, limitan este movimiento, generando una tensión de compresión que puede causar pandeo si es excesiva.

 Tensión: Si la temperatura baja, los rieles intentan acortarse. La tensión de tracción generada en el riel puede causar su rotura, usualmente en puntos débiles como las soldaduras, lo que hace crucial controlar las tensiones.

 Temperatura Neutral (Neutralización)

Los ingenieros determinan una temperatura neutral ideal (o temperatura de soldadura) para cada tramo de vía. A esta temperatura, el riel no experimenta tensión de compresión ni de tensión.

Los rieles se sueldan a/o cerca de la temperatura neutral para que las tensiones internas sean aceptables durante el día o la noche y en diferentes condiciones climáticas.

 

   Efectos de los cambios extremos de temperatura en los rieles ferroviarios

En primer lugar, es importante comprender las causas subyacentes del pandeo y la fractura de los rieles. El acero ferroviario se contrae a bajas temperaturas y se expande a altas. En condiciones de frío extremo, un tramo de riel continuo soldado (CWR) sufre tensión de tracción, lo que puede provocar la fractura del acero. En condiciones de calor extremo, un tramo de CWR sufre tensión de compresión, lo que puede provocar su pandeo lateral. Otros factores que afectan el estado del CWR incluyen el estado del balasto y sus márgenes; el tipo y la ubicación de los durmientes; lugares con mayor sombra, como túneles y puentes; la consolidación de la vía; y, en menor medida, la curvatura vertical de las vías.

Para abordar estos desafíos, durante el diseño e instalación del CWR se calcula la temperatura neutra del riel (RNT, rail neutral temperature). Se suman las fuerzas longitudinales de tracción y compresión sobre el CWR, la RNT es la temperatura nominal cuando la suma es igual a cero.

Una cifra similar es la "temperatura libre de tensiones" (SFT, stress-free temperature). Es la temperatura del riel a la que este alcanza la misma longitud que en su estado sin restricciones.

 Planificar la colocación de rieles cuando la temperatura real es igual a la SFT permite que el riel esté libre de tensiones. En otros casos, antes de colocar una vía nueva, repararla o cambiar las traviesas, el riel se altera mecánica o térmicamente (se somete a tensiones) para que su longitud sea la misma a una temperatura libre de tensiones seleccionada. Este proceso garantiza que el riel pueda fijarse en su lugar sin fuerzas térmicas. La temperatura libre de tensiones utilizada depende de las condiciones ambientales extremas y, por lo tanto, varía según la ubicación.

A pesar de someter a tensiones el CWR antes de la instalación, un riel puede alcanzar su "temperatura crítica del riel" (CRT, critical rail temperature). Esta es la temperatura del riel por encima de la cual puede producirse pandeo.

 

 La CRT puede alcanzarse debido a alteraciones en el balasto, los componentes de la vía o la geometría de la misma.

Entonces, para mantener la estabilidad y la seguridad de la vía, es importante reducir los esfuerzos internos de los rieles periódicamente. Existen varios métodos, que se pueden clasificar en tres tipos:

desesforzado  natural,  mecánico y  térmico.

  Analicemos cada tipo con detalle:

El desesforzado natural es el proceso de reparación o nueva construcción de rieles cuando el momento se planifica teniendo en cuenta la temperatura real óptima equivalente a la temperatura libre de tensiones (SFT). Sin embargo, esto puede no ser realista debido a la urgencia de las necesidades de construcción que abarcan todo el año.

El desestresado mecánico implica el uso de equipos especializados para aplicar presión a los rieles y aliviar las tensiones acumuladas.

El desestresado mecánico implica el uso de gatos hidráulicos para aplicar presión a los rieles en puntos específicos de la vía. La longitud se extiende hasta la longitud necesaria para lograr un riel sin tensiones a una temperatura determinada.

El desestresado térmico es el proceso de utilizar calor para expandir los rieles y lograr un riel sin tensiones. Este método consiste en calentar los rieles mediante una máquina especial que aplica aire caliente sobre ellos. Los rieles se calientan hasta la temperatura de fusión (SFT) y quedan libres de tensiones.

El desestresado de los rieles es una actividad de mantenimiento crítica que garantiza la estabilidad y la seguridad a largo plazo de la vía ferroviaria. El desestresado natural, el mecánico y el térmico son los tres métodos principales utilizados para lograrlo.

 

Química del acero

Los aceros para rieles de tren son mayormente de alto contenido de carbono o de baja aleación y alta resistencia (HSLA), que aportan dureza, resistencia al desgaste y tenacidad, características clave para soportar las altas tensiones y el desgaste.

Los rieles de acero de alto carbono suelen tener entre un 0.6% y 0.8% de carbono, y un contenido de manganeso que puede oscilar entre 0.8% y 1.3%.

Los aceros de Baja Aleación y Alta Resistencia (HSLA) se fabrican con la adición de pequeñas cantidades de elementos como cobre, níquel o vanadio para mejorar sus propiedades.

 En resumen, los trenes más pesados ​​y de alta velocidad requieren riles con mayor resistencia a las tensiones, por lo que se fabrican con acero con alto contenido de carbono (carbono -0,6 % a 0,8 %, manganeso 0,8 %-1,3 %, silicio 0,1 %-0,5 %, azufre y fósforo 0,03 % máximo cada uno, y aluminio 0,015 % máximo). 

Algunos grados de acero contienen cromo (Cr- 0,8 % a 1,2 %). 

Los rieles de acero también se fabrican con aceros especiales que contienen niobio (Nb- 0,04 % máx.) o vanadio (V- 0,2 % máx.)

 

Conclusión

Estabilidad y suavidad dos características claves que justifican el uso de CWR y aceros especiales, ya que, elimina las juntas de expansión lo que proporciona una superficie de rodadura mucho más suave y estable para los trenes de alta velocidad.

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                             2025.-