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MECÁNICA SEPTIEMBRE 2013 AUTOR Cristian Jiménez Fernández DIRECTOR Luis Lezáun Martínez de Ubago ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 1 ÍNDICE 0. OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO .................................................................. 4 0.1 Peticionario .............................................................................................................. 4 0.2 Objeto del proyecto ................................................................................................. 4 0.3 Firmante ................................................................................................................... 4 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 5 1.1 ¿Qué es el ferrocarril? .............................................................................................. 5 1.2 El guiado por el carril ............................................................................................... 6 1.3 El guiado por rueda .................................................................................................. 7 1.3.1 El guiado por rueda en Alemania ..................................................................... 8 1.4 El guiado por la pestaña ........................................................................................... 9 1.5 Desvíos y placas giratorias ....................................................................................... 9 1.6 La conicidad de las llantas ..................................................................................... 10 1.7 Los carriles de hierro con reborde ........................................................................ 11 1.7.1 Evolución y fracaso de los carriles de reborde ............................................... 11 1.8 Los carriles salientes de hierro .............................................................................. 12 1.8.1 Resistencia comparada del carril de reborde y del carril saliente ................. 13 1.8.2 Hacia la vía del futuro ..................................................................................... 14 1.9 Ingeniería de los caminos de hierro ...................................................................... 16 2. ELEMENTOS DE UN DESVÍO ................................................................................. 19 2.1 Cambios .................................................................................................................. 21 2.1.1 Contraagujas .................................................................................................. 22 2.1.2 Espadines o agujas ......................................................................................... 22 2.1.2.1 El perfil del carril de las agujas ............................................................ 24 2.1.2.2 Rigidez transversal .............................................................................. 25 2.1.2.3 El mantenimiento de la entrecalle aguja - contraaguja ...................... 25 2.1.3 Dispositivos de anclaje ................................................................................... 26 CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 2 2.1.4 Accionamiento ............................................................................................... 27 2.2 Cruzamientos ......................................................................................................... 28 2.2.1 Fabricación ..................................................................................................... 30 2.2.2 Definición de un cruzamiento ........................................................................ 31 2.3 Asiento de los desvíos ............................................................................................ 32 2.4 Gama de desvíos .................................................................................................... 33 2.5 Clasificación de los desvíos .................................................................................... 33 2.6 Otros aparatos de vía ............................................................................................. 35 2.6.1 Escape entre vías ............................................................................................ 35 2.6.2 Placas o puentes giratorios ............................................................................ 36 2.6.3 Triángulos de vía ............................................................................................ 36 2.7 Representación de los aparatos de vía en los planos ........................................... 38 2.8 Nomenclatura ....................................................................................................... 40 3. ASPECTOS TÉCNICOS PARA EL CÁLCULO DE UN DESVÍO ....................................... 42 3.1 Primera aproximación para el cálculo de un desvío .............................................. 42 3.2 Cálculo más aproximado de un desvío .................................................................. 44 3.3 Proyecto simplificado de un corazón recto .......................................................... 46 4. EJEMPLOS DE DESVÍOS Y SUS COMBINACIONES CONVENCIONALES ..................... 49 4.1 Amurrio S.A. .......................................................................................................... 49 4.2 JEZ Sistemas Ferroviarios S.L. ................................................................................ 53 4.3 Talleres Alegría S.A. ............................................................................................... 56 4.4 Emcor S.A. ............................................................................................................. 58 5. DESVÍOS DE ALTA VELOCIDAD ............................................................................. 61 5.1 Introducción. ......................................................................................................... 61 5.2 Curvas de transición .............................................................................................. 63 5.3 Escapes para alta velocidad .................................................................................. 64 5.3.1 Escapes de la línea Madrid - Sevilla ............................................................... 65 5.3.2 Escapes de la línea Madrid - Zaragoza - Barcelona - Frontera francesa ........ 69 ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 3 5.4 La discontinuidad en el apoyo de las ruedas ........................................................ 72 5.4.1 Corazón de punta móvil ................................................................................. 72 5.4.2 Corazón de patas de liebre móviles ............................................................... 73 5.5 Antideslizantes térmicos de dos piezas ................................................................ 74 5.6 Traviesas de acero y hormigón de bajas vibraciones ........................................... 75 5.7 Traviesas de acero y hormigón amortiguadas contra vibraciones ........................ 77 5.8 Marcha cinemáticamente optimizada ................................................................... 78 5.9 Desvíos de alta velocidad en la línea Madrid - Sevilla ........................................... 80 5.9.1 Accionamiento de las agujas y corazón .......................................................... 80 6. EJEMPLOS DE DESVÍOS Y SUS COMBINACIONES CONVENCIONALES PARA A.V. .... 84 6.1 Amurrio S.A. .......................................................................................................... 84 6.2 JEZ Sistemas Ferroviarios S.L. ................................................................................ 86 6.3 Talleres Alegría S.A. ............................................................................................... 87 7. ANEXOS .............................................................................................................. 89 7.1 Desvíos especiales ................................................................................................. 89 7.2 Accionamiento de desvíos ..................................................................................... 94 7.3 Montaje de desvíos de alta velocidad ................................................................101 7.4 Fórmulas utilizadas para el cálculo geométrico de desvíos ...............................121 8. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 137 CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 4 0. OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO 0.1 Peticionario El proyecto es pedido por la Escuela de Ingeniería y Arquitectura de Zaragoza, como proyecto fin de carrera del plan de estudios en extinción de Ingeniería Técnica Industrial en la especialidad de mecánica. 0.2 Objeto del proyecto Con este trabajo se pretende estudiar la evolución de uno de los elementos más característicos del ferrocarril. Una de las particularidades de este medio de transporte es la de ser guiado por el propio camino de rodadura. Por eso desde un principio se planteó el problema de los cruces con otras composiciones que circulaban por el mismo camino. De ahí nace la necesidad del desvío ferroviario. Este elemento, aunque su idea mecánica ha permanecido inalterable, ha ido evolucionando como lo han hecho otros muchos dispositivos ferroviarios sobre todo al aumentar las velocidades de las circulaciones. En un principio eran elementos de poca longitud que permitían pasar de una vía a otra paralela a 30 km/h, velocidad suficiente teniendo en cuenta que la máxima no sobrepasaba los 50 km/h. Actualmente con velocidades máximas superiores a 300 km/h los desvíos se diseñan para ser atravesados a 220 km/h lo que implica longitudes del orden de 200 metros y un peso de 150 toneladas y un elevado coste económico que puede llegar al millón de euros. 0.3 Firmante La finalización de este proyecto ha tenido lugar en Zaragoza a 9 de Julio de 2013. Firmante:  Cristian Jiménez Fernández ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 5 1. INTRODUCCIÓN 1.1 ¿Qué es el ferrocarril? Para sumergirnos en los orígenes más remotos del ferrocarril, no sirve definir éste con las peculiaridades que poseía al comienzo de la era ferroviaria. Precisamos encontrar algo más profundo y esencial, algo que defina nuestro campo de estudio, con el fin de bucear en el pasado de su búsqueda. La línea de progreso del transporte terrestre está muy clara: arrastre de objetos, utilización de troncos, rodillos, trineos y, por fin, la rueda, uno de los avances tecnológicos más antiguos deducido, al parecer, del movimiento giratorio del torno del alfarero. Con objeto de reducir el rozamiento, la línea de progreso conduce a alisar todo lo posible el camino de deslizamiento o rodadura, así como el patín o la llanta. Pero alisar es muy costoso, especialmente cuando se trata del camino, lo que lleva a reducir al máximo las superficies en contacto. La costumbre y las realizaciones a la vista del hombre de hoy nos llevan a asociar la rueda con pestaña y el ferrocarril, pero esto es un error, al menos en el sentido más profundo de su significado. Hay otros principios de guiado tan ferroviarios como el de la rueda con pestaña. Aún más, en un futuro, ni siquiera hará falta la rueda, el guiado por sustentación magnética está al alcance de la mano. Figura 1. Esquema de guiado por ranura y guiado por carril. Fuente: Moreno. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 6 Figura 2. Esquema de guiado por la pestaña y guiado magnético. Fuente: Moreno. Desde muy antiguo se solucionó el problema de conectar las diversas trayectorias, y ya en 1796 el inglés John Curr proyecta una red ferroviaria para el Condado de Norfolk, utilizando aparatos de vía. Si analizásemos estos planos, constataríamos que se hace referencia a todos los elementos principales de un típico aparato de vía, por lo que la posterior evolución de estos dispositivos ha estado encaminada, básicamente, a conseguir mayores niveles de seguridad y a permitir velocidades más altas, incrementando al mismo tiempo la vida útil del aparato. 1.2 El guiado por carril Hay una teoría bastante razonable para explicar el origen del principio de guiado de las ruedas o patines por un carril. De acuerdo con ella, el hombre de finales de la Edad Media habría inferido en éste, al observar las profundas huellas o rodadas dejadas por los carros en el terreno. Al tratar del Mundo Antiguo, vemos algunos ejemplos fundados en este principio de guiado. Resulta curioso observar que se refieren a planos inclinados, debido a que el principio por guiado por el carril es muy adecuado y económico cuando se aplica a secciones de vía con alineación recta, corta longitud y velocidad de circulación reducida. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 7 1.3 El guiado por rueda En efecto, Riesen en alemán no sólo significa gigantesco, sino que también se emplea para designar a los caminos forestales, para la saca de madera, construidos en las laderas de montañas y por donde se hacían deslizar los troncos hasta el valle. Estos caminos lanzaderos se han empleado, desde tiempos remotos, en los bosques de Europa Central, existiendo referencias de los mismos que se remontan hasta el año 1303. Muchas ciudades disponían de sus propios caminos lanzaderos para el abastecimiento de leña o materiales de construcción y, por supuesto, todas las minas importantes, debido a su elevado consumo de madera, tanto para entibación como en los hornos de fundición. De estos caminos no hay precedentes en nuestro país, excepto en Asturias, donde se han utilizado trineos para el transporte de heno, así como en algunos valles de Cantabria. Por este motivo, la expresión castellana más utilizada es camino de arrastradero, que no implica, necesariamente, el transporte por la acción de la gravedad. El hecho de que la terminología utilizada en los caminos lanzaderos y en los caminos guiados por rueda de la Baja Hungría sea similar y en muchos casos idéntica, induce a creer que estos últimos se derivaron de aquellos mucho más antiguos. En las bifurcaciones se hacía uso de desvíos elementales para encaminar el transporte por una u otra vía (fig. 3). Precisamente, esta clase de desvío, con un solo espadín, es la única posible en un ferrocarril guiado por rueda aplicada al borde interior del carril, ya que se necesita suprimir el cruzamiento para permitir el paso de los rodillos de guiado. De todo ello se deduce que estas vías no serían otra cosa que una versión mucho más sofisticada de los caminos lanzaderos forestales, a base de bordes de madera lisos y rodillos de guiado aplicados contra éstos. Figura 3. Desvío de los caminos lanzaderos forestales. Fuente: Moreno CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 8 1.3.1 El guiado por rueda en Alemania En Alemania, los ejemplos son numerosos y muy variados en sus características. El primero de ellos, cronológicamente, aparece en un plano inclinado de las minas de Schulenberg (Harz) en 1724, para transportar el mineral desde la bocamina al fondo del valle. Su constructor, Kristian Schwarzkopf, había hecho su aprendizaje en las minas de Falun precisamente en la época en que se empezó a usar allí este principio de guiado. En la vertiente sajona de los montes Metálicos aparecen, a finales del siglo XVIII, tres aplicaciones de este principio de guiado, cuyas cortas vidas demuestran el escaso éxito alcanzado. La primera de ellas tuvo lugar en 1791, en una galería sensiblemente horizontal de las minas de Schneeberg, pero el mineral derramado entorpecía el buen funcionamiento de las ruedas de guiado. Con este motivo, tres años más tarde, Herr Baldauf sustituyó los vehículos por otros más ligeros y económicos. Los dos ejemplos restantes resultan muy interesantes desde el punto de vista histórico. El ferrocarril utilizado en Freiberg (Sajonia) en 1792 tenía unos vagones parecidos a los inventados por Baldauf, pero sin eje trasero pivotante. De esta instalación quedan detalles de los desvíos utilizados, de un sugerente parecido con los de los caminos lanzaderos forestales (fig. 4). Figura 4. Desvío para guiado por rueda en Freiberg (1792). Fuente: Moreno. El tercer ejemplo es el ferrocarril de las minas de Erbisdorf, situadas cerca de Freiberg. Se instaló en 1792 con una longitud de 120 m., desde los hornos de tostación a las trituradoras. En lugar de situar los rodillos en la vía, se instalaron en las paredes laterales de la caja, de modo que pudieran rodar sobre unos carriles de madera situados en el viaducto a modo de pasamanos. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 15 Otro inventor, W. H. Barlow, patentó en 1849 un carril de sección en V invertida (fig. 9D), que pretendía eliminar no sólo el cojinete, sino la traviesa misma, ya que, por su forma podía hundirse firmemente en el balasto manteniéndose el ancho de la vía mediante pletinas de hierro dispuestas transversalmente a intervalos regulares. Aunque se utilizó bastante en Inglaterra y en otros países, concretamente en España, la práctica demostró que no presentaba suficiente resistencia para soportar el tráfico pesado. I. K. Brunel, contemporáneo de George Stephenson y como éste imbuido en la idea de proporcionar a la vía gran rigidez, inventó un sistema original a base de un carril de sección en V invertida fijado sobre un sólido armazón de madera fuertemente inmovilizado por pilotes (fig. 9E). Todo el armazón quedaba embebido en una capa de arena o balasto, bien bateada bajo las traviesas que soportaban el carril. Figura 9. Diversas formas de carril de hierro forjado. (A) Doble cabeza; (B) Junta de B. Adams; (C) Carril Vignoles; (D) Carril Barlow; (E) Carril Brunel. Fuente: Moreno. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 16 Otro elemento fundamental de la vía son los cambios o aparatos de vía cuya disposición y forma depende de la de los carriles utilizados. Con el carril saliente de hierro, los aparatos de vía fueron de dos tipos, según tuvieran articuladas las agujas en el talón o en la punta. El primer tipo es utilizado todavía en nuestros días y el segundo parece ser que fue instalado por George Stephenson en la línea de Liverpool a Manchester. Como es lógico, esta clase de aparatos de vía tuvo escasa aplicación dado el continuo riesgo de descarrilamiento si es tomado de talón con agujas mal dispuestas. Figura 10. Aparatos de vía primitivos: (A) Liverpool a Manchester (1830); (B) Línea escocesa de Elguin (1821-23). Fuente: Moreno. 1.9 Ingeniería de los caminos de hierro La sustitución de los caminos de madera por los de hierro no se limitó a un simple cambio de materiales. Estuvo acompañada, además, por una modificación de los criterios básicos utilizados en la construcción de ferrocarriles. Nadie mejor que Benjamin Outram podría exponerlos con mayor claridad. Para definir un trazado, dice, es preciso calcular el tráfico previsible. Cuando es aproximadamente igual en ambos sentidos, el perfil ha de ser tan horizontal como sea posible. Si el tráfico esperado es en un solo sentido, como es normal entre las minas y los canales o los ríos navegables, el perfil será suavemente descendente, de modo que las caballerías puedan retornar los vagones vacíos con facilidad. Lo ideal en estos casos sería una pendiente de 10‰, y si la vía y los vehículos presentan una cuidada construcción, se puede llegar hasta el 20‰, siempre, por supuesto, que el tráfico ascendente sea despreciable. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 17 Durante esta fase de la historia ferroviaria, la infraestructura cobra mayor relevancia que en la fase de las vías de madera. La razón de ello es bien sencilla. Al asumir el ferrocarril el papel de vía de comunicación con mucho mayor alcance, el tráfico aumentó y con ello la posibilidad de hacer inversiones en el camino, que eran prohibitivas. En los caminos de hierro comenzaron a aparecer los túneles, algunos de longitud apreciable. También sucedió lo mismo con los puentes, de los que se conservan ejemplos significativos, como el de cantería de tres arcos en la línea Bridgent, construido en 1829 por Thomas Morgan, y el viaducto de 32 arcos en la línea Sirhowy. Con la llegada de la tracción a vapor, los ferrocarriles de sangre inician su fase de extinción. Así, entre 1830 y 1847 sólo se construyeron cuatro líneas de esta clase. En esta fase, los viejos caminos de hierro tuvieron que modificar sus trazados para eliminar las curvas cerradas y fueron adaptando sus carriles a las crecientes cargas por eje de las locomotoras. Las líneas mineras se modernizaron. En unos casos fueron absorbidas por las nuevas compañías ferroviarias o buscaron el enlace con las líneas de éstas, en otros se desmantelaron. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 18 ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 19 2. ELEMENTOS DE UN DESVÍO Una particularidad específica de las líneas de ferrocarril, como se ha visto en la introducción, es su carácter de guiado que obliga al material rodante a recorrer un camino prefijado ya establecido. De esta circunstancia surge la necesidad de los aparatos de vía. Estos dispositivos permiten asegurar la continuidad de la vía para un itinerario seleccionado entre varios, divergente o secante. Si el itinerario a seleccionar es divergente el aparato de vía se denomina desvío. Si el itinerario que sigue el tren es secante con otro el aparato se llama travesía. Aunque en este proyecto sólo se estudian los desvíos, los elementos que se citan a continuación son comunes a los desvíos y a las travesías dobles. Estos elementos son: cambio, carriles de unión, también llamados cupones, y cruzamientos. Por combinación de todos o varios de los elementos básicos citados se pueden obtener los elementos mostrados en las figuras 1, 2 y 3. Figura 1. Esquema primario de un desvío. Fuente: Oliveros. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 20 Figura 2. Esquema primario de una travesía simple. Fuente: Oliveros. Figura 3. Travesía de unión doble. Fuente: Oliveros. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 21 La vía principal recibe el nombre de vía directa y la otra el de vía desviada. Un desvío queda delimitado por 6 juntas: las 2 del cambio indican el comienzo del desvío (CD); las 4 finales del cruzamiento determinan el final del desvío (FD). Todos estos grupos de elementos se representan en la figura 4. Figura 4. Vía directa y vía desviada de un desvío. Fuente: García. A continuación se van a analizar las partes de un desvío, que como ya se ha indicado también pueden ser elementos de una travesía. 2.1 Cambios La misión de los cambios es producir el desvío de las circulaciones hacia una vía determinada. En el cambio existen cuatro piezas fundamentales: las dos exteriores, llamadas contraagujas, que son fijas, y las dos interiores, llamadas agujas o espadines, que siendo solidarias por uno o varios tirantes, tienen parte móvil y cuya posición, según se efectúe el acoplamiento sobre una u otra contraaguja, determina la dirección que debe seguir la circulación. Las agujas están empotradas o articuladas en su talón, quedando libre en su otro extremo llamado punta. Figura 5. Componentes de un cambio. Fuente: Oliveros. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 22 2.1.1 Contraagujas Son unos trozos de carril entero que forman la parte fija del cambio. - Tienen orificios en el alma para alojar los tornillos correspondientes a las resbaladeras y otras piezas. - La forma en planta es tal que la aguja o espadín se ajusta a ella. - La cara lateral del borde activo está cepillada para alojar la aguja. En la figura siguiente pueden apreciarse las disposiciones distintas de la unión entre contraagujas y agujas. Figura 6. Dos disposiciones distintas de unión aguja - contraaguja. Fuente: Oliveros. 2.1.2 Espadines o agujas Son trozos de carril cepillados para permitir tanto el ajuste perfecto a la contraaguja como el cumplimiento de su función de guiar y soportar las ruedas que pasan por ellos. Se pueden obtener a partir de: - Carriles de perfil normal. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 23 - Carriles de perfil especial de la misma altura que las contraagujas. - Carriles de menor altura que las contraagujas. En base a la figura 7, se establecen las siguientes definiciones:  Punta matemática de una aguja (PMA): es el punto teórico de intersección de los bordes activos de los carriles que convergen hacia ese punto, es decir, de la aguja y la contraaguja.  Punta real (PRA): es el extremo material de la aguja.  Ángulo de desviación de una aguja (θ0): es el que forman los dos bordes activos en un punto característico de la geometría de la aguja.  Ángulo de ataque (β): es el ángulo bajo el cual el eje encuentra el borde activo de la aguja. Figura 7. Partes de una la aguja o espadín. Fuente: García. Las agujas de los cambios pueden accionarse mediante diversos procedimientos manuales, mecánicos, hidráulicos o eléctricos, que las desplazan simultáneamente o con un pequeño intervalo de tiempo. Una vez acoplada la aguja, su inmovilidad sobre la contraaguja se mantiene mediante un dispositivo de seguridad, proceso que se denomina encerrojamiento. Durante su movimiento, las agujas resbalan sobre placas engrasadas, llamadas cojinetes de resbalamiento o resbaladeras, hasta adaptarse perfectamente a la contraaguja correspondiente. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 24 2.1.2.1 El perfil del carril de las agujas Las agujas comenzaron construyéndose a partir de carriles ordinarios, cepillando adecuadamente la cabeza y el patín. En la figura 8 se representa una aguja recta realizada a partir de carriles Vignole. Esto tenía el inconveniente de que se debilita la contraaguja al recortar su patín y, por otra parte, las agujas así constituidas no ofrecen suficiente estabilidad y solidez para resistir tanto los choques laterales como las fuerzas verticales a que están sometidas, presentando una tendencia a entreabrirse, esto es, a separarse de su contraaguja. Figura 8. Cortes de una aguja de carril Vignole. Fuente: García. Por estos motivos, pronto se vio la necesidad de emplear perfiles especiales para construir las agujas, en general de menor altura y mayor robustez. Si bien se ha llegado a emplear el carril Brunnel, lo habitual es emplear perfiles de sección tipo Vignole, es decir, carril de patín, pero de secciones de alma mayores (fig. 9). Figura 9. Perfiles tipo Vignole. Fuente: García. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 31 2.2.2 Definición de un cruzamiento Los cruzamientos y los desvíos de los que forman parte se caracterizan por el ángulo de cruzamiento (α), que es el que forman los dos hilos de las vías que se cortan. También es conocido como ángulo del corazón. En los corazones curvos, este ángulo es el que forman las tangentes, en el talón del corazón, a dichos hilos. No es habitual definir un cruzamiento o desvío por su ángulo de cruzamiento, sino por el valor de la tangente de dicho ángulo. La tangente puede definirse numéricamente (0.11 por ejemplo) o por una relación tipo 1:n fácilmente recordable (1:9). En ciertas administraciones (DB, ÖBB por ejemplo), el número n recibe el nombre de índice o número del desvío; dicho número caracteriza el desvío. Los valores más utilizados por RENFE se muestran en la tabla 1. Tabla 1. Ángulos de cruzamiento. Fuente: García. Por otro lado, como se ha dicho anteriormente, los contracarriles tienen la misión de guiar el eje cuando éste atraviesa la laguna del corazón. Según esto, y siguiendo el esquema representado en la figura 19, para que la rueda que atraviesa el corazón no tome una falsa dirección ni choque con la punta del corazón, se deberá cumplir: edeedha  )2( 1 Es decir, )( 1edah  Los valores d y e serán los más desfavorables con arreglo a las tolerancias admitidas en los mismos. Asignados estos valores, la cantidad med  es conocida como cota mínima de protección de la punta del corazón. Por lo que se refiere al valor de h1, oscila generalmente entre 40 y 45 mm. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 32 Figura 19. Parámetros influyentes al paso del corazón. Fuente: García. 2.3 Asiento de los desvíos El asiento de los desvíos se realiza por medio de unas riostras que se disponen transversalmente, de mayor longitud y sección que las traviesas, que abarcan la totalidad del aparato. Tienen una doble misión: como traviesas, para transmitir los esfuerzos y como cercha que fortalece el propio aparato. Estos elementos se denominan cachas o longrinas, y pueden ser de madera (más utilizados), hormigón o metálicos; también puede disponerse una losa única de hormigón armado. Es muy habitual utilizar longrinas de madera en las zonas de aparatos de vía. La razón fundamental de su utilización se basa en que la situación relativa de los carriles de un aparato de vía, de una traviesa a otra, varía, lo que hace que la situación de la sujeción sea distinta en cada traviesa de un desvío. Por ello se prefiere la madera que permite ser fácilmente cajeada y taladrada en función del aparato de que se trate. Un ejemplo muy significativo de su uso son los desvíos que se instalaron inicialmente en la línea de Alta Velocidad París - Sud Est del TGV, los cuales se asentaban sobre longrinas de madera. No obstante, los modernos sistemas de fabricación de longrinas en hormigón pretensado, junto con la adopción de controles más precisos en la dosificación y en el proceso de curado del hormigón, que permiten determinar su retracción, han hecho económicamente competitivas las longrinas de hormigón. Los desvíos del AVE, del TGV Atlantique, y de las NBS alemanas, entre otro muchos, se asientan sobre longrinas de hormigón, que por su mayor peso aumentan la estabilidad de la vía. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 33 2.4 Gama de desvíos Los tipos de desvíos utilizados en RENFE son cuatro sin contar con los de alta velocidad:  Desvíos tipo A (“Antiguos”): datan en su diseño de la década de los años 50, admiten por vía directa 140 km/h y 30 km/h por la desviada.  Desvíos tipo B (“Buenos”): se comenzaron a instalar a partir de 1987, velocidades de 160 km/h por vía directa y 40 km/h por la desviada. Existen 3 tipos dentro de esta clase, según sean de “corazón soldable”, “encolable” o “atornillado”.  Desvíos tipo C (“Calidad”): comenzaron a instalarse en Renfe a partir de 1986, permiten velocidades de 200 km/h por vía directa y 60 km/h por la desviada.  Desvíos tipo V (“Velocidad”): es similar al tipo C pero con el trazado de la vía desviada mediante una curva de transición (cuyo concepto se desarrollará posteriormente) y esto permite pasar por dicha vía desviada a 100 km/h. En cuanto a los desvíos de alta velocidad podemos citar:  Desvíos tipo AV (“Alta Velocidad”): 300 km/h por vía directa y 160 km/h por la desviada.  Desvíos tipo AV+: 350 km/h por vía directa y 220 km/h por la desviada. 2.5 Clasificación de los desvíos De acuerdo con su forma en planta se pueden distinguir los siguientes tipos: ordinario, simétrico, divergente o convergente. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 34 Figura 20. Tipos de desvíos sencillos. Fuente: Oliveros. Los tipos citados se refieren a desvíos sencillos que pueden dirigir las composiciones a dos itinerarios distintos. También existen los desvíos dobles que permiten la posibilidad de desviación por dos vías diferentes además de la directa pero ocupando sólo la longitud de un cambio sencillo. El movimiento de las agujas se consigue en este tipo de cambios mediante la disposición de dos mandos que actúan sobre las agujas a,c y b,d. Figura 21. Esquema de un desvío doble. Fuente: Oliveros. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 35 2.6 Otros aparatos de vía Además de los desvíos y travesías, existen otra serie de aparatos que permiten el paso y la maniobra entre vías. Los más destacables son: escape entre vías, placas y puentes giratorios y triángulos de vía. 2.6.1 Escape entre vías Tienen por misión la de unir dos vías adyacentes. Según la forma en planta de las vías que se pretenden comunicar, pueden ser según se muestra en la figura 22. Figura 22. Escape entre vías. Fuente: García. La longitud de los escapes es variable, dependiendo del tipo de cruzamiento que se emplee. Según su funcionalidad, pueden clasificarse (fig. 23): - Escape normal: permite el paso de una a otra vía, en un sentido. - Escape cruzado: lo permite en los dos sentidos. También se llama bretelle. Figura 23. Escape normal y escape cruzado. Fuente: García. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 36 2.6.2 Placas o puentes giratorios Muy utilizados en depósitos de locomotoras de vapor (por tanto ahora presentes sólo en museos), permiten orientar el material en la dirección deseada y enfilar sobre una vía otras que están dispuestas en abanico alrededor del aparato (fig. 24). Figura 24. Puente giratorio en el Museo de Vilanova (Tarragona). Fuente: Google. Estos elementos ocupan muy poco espacio, pero tienen el inconveniente de que sólo pueden cambiar un vehículo cada vez. Como las locomotoras actuales, tanto de tracción diésel como eléctricas, tienen doble cabina de conducción, estos aparatos ya no son utilizados. 2.6.3 Triángulos de vía Este tipo de dispositivo ocupa más espacio que los puentes giratorios, permitiendo el giro de 180º de un tren entero, no vehículo a vehículo como en el caso de los puentes giratorios. Según su disposición en planta, pueden ser: ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 37 con la vía principal en recta Simétricos con la vía principal en curva Triángulos de vía con la vía principal en recta Asimétricos con la vía principal en curva Para establecer estos dispositivos debe hacerse un estudio que relacione: espacio ocupado y capacidad diaria. En la figura 25, se detalla el cambio de sentido de una circulación. Figura 25. Triángulo de vía. Fuente: García. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 38 2.7 Representación de los aparatos de vía en los planos Los desvíos se representan en diferente forma, según ésta deba servir para su proyecto, construcción, instalación, representación en un plano, etc. La representación esquemática de un desvío permite abordar su cálculo y el de su implantación en vía. Transformar dicha representación esquemática al esquema de replanteo es inmediato. Los desvíos sencillos rectos (cambio recto - corazón recto o curvo) se representan esquemáticamente del siguiente modo (fig. 26).  La vía directa por su eje.  La vía desviada por la tangente a su eje final del desvío. El punto de intersección con el eje de la vía directa recibe el nombre de nudo del desvío (ND).  El nudo del desvío se representa por un pequeño círculo.  El comienzo del desvío (CD), definido por la proyección sobre el eje de la vía de la junta de cada contraaguja, por un trazo vertical corto.  Análogamente, los dos finales del desvío, el de la vía directa y el de la desviada, se obtienen proyectando las juntas finales del cruzamiento sobre los ejes de la vía directa y de la vía desviada.  Un pequeño cuadrilátero de lados contiguos iguales, que representa la parte del corazón comprendida entre la punta matemática y el talón del corazón. Figura 26. Esquematización de un desvío recto. Fuente: García. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 39 En los desvíos curvos (cambio curvo - corazón curvo) se modifica esta representación esquemática, ya que se representan los ejes curvos de la vía (fig. 27). Con ello, se consigue diferenciar la representación esquemática de los desvíos sencillos de las de desvíos curvos. Figura 27. Esquematización de un desvío curvo. Fuente: García. En la figura 28 se muestra la representación de otros aparatos: Figura 28. Esquematización de otros aparatos de vía. Fuente: García. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 40 2.8 Nomenclatura Siguiendo la norma RENFE NRV 3-6-0.0., la leyenda con que se denomina un desvío incluye siete apartados que, de izquierda a derecha, determinan las siguientes abreviaturas: 1) Tipo de aparato de vía: Desvío sencillo: DS; DSI si el desvío es de ancho internacional; DSIH si, además, está asentado sobre traviesas de hormigón. 2) Tipo de desvío A (Antiguo), B (Bueno), C (Calidad), V (Velocidad) y AV (Alta Velocidad). El tipo B se ha subdividido en B1, B2 y B3. 3) Clase de carril 45 para el carril de 45 kg/m; 54 para el UIC 54 y 60 para el UIC 60. 4) Radio de la vía desviada Su valor en metros. 5) Tangente del ángulo de cruzamiento En una sola cifra. 6) Tipo de corazón Corazón recto, CR; curvo, CC; de punta móvil, CM. 7) Desviación A la derecha, D; a la izquierda, I; simétrico, S. El sentido se determina mirando el desvío situados en el comienzo del cambio y mirando hacia el cruzamiento. Ejemplo ¿A qué tipo de aparato de vía corresponde la denominación DS-C-60-318-0.11-CRD? Se trata de un desvío sencillo, ancho RENFE sobre traviesa de madera (DS), tipo C (C), carril UIC 60 (60), de radio 318 metros (318), tangente del ángulo de cruzamiento 0.11 (0.11), con corazón recto (CR) y vía desviada a la derecha (D). ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 47 Figura 3. Cotas de un cruzamiento recto. Fuente: García. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 48 ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 49 4. ALGUNOS EJEMPLOS DE DESVÍOS Y SUS COMBINACIONES CONVENCIONALES En este apartado se van a presentar distintos tipos de desvíos convencionales y sus combinaciones para obtener escapes sencillos o dobles (bretelles) de una selección de empresas fabricantes españolas. 4.1 Amurrio S.A. Esta empresa construye aparatos de vía desde 1880 para todo tipo de trazados. Su catálogo abarca una gama completa de desvíos convencionales para velocidades que oscilan por vía directa entre 140 y 220 km/h (esta última ya se considera velocidad alta). Todos ellos tienen las siguientes características que luego se resumen en la tabla 1:  Preparados para soldar a la barra larga.  Para vías en madera sobre balasto, hormigón sobre balasto o vía en placa.  Para todo tipo de carril existente en el mercado.  Adaptables a todo tipo de fijación.  Perfiles de aguja alto o bajo asimétrico con talón forjado.  Corazones de acero al manganeso con dureza natural o preendurecidas según petición del cliente. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 50 Figura 1. Algunos productos de Amurrio S.A. Fuente: Amurrio. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 51 Después de presentar los distintos productos con sus cotas esenciales, variables según el cliente, se explica la denominación completa de un desvío convencional mediante un ejemplo. Figura 2. Ejemplo de denominación de un desvío convencional. Fuente: Amurrio. Figura 3. Ejemplo de desvío. Fuente: Amurrio. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 52 Finalmente se incluye la tabla de características: Tabla 1. Características de los desvíos convencionales. Fuente: Amurrio. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 53 4.2 JEZ Sistemas Ferroviarios S.L. Es una sociedad Joint venture creada entre Talleres y Fundiciones JEZ, S.A. y VAE Gmbh, dedicada al diseño, producción y venta de material fijo de vía con vocación de ser referente y líder mundial del sector. La empresa original nació en Bilbao, en 1926, de la mano de los tres socios fundadores Ceferino Jemein, José Mª y Enrique Errazti y Cipriano de Zenitagoya, como taller dedicado a las construcciones metálicas. En 1948 se trasladó a Llodio (Álava), donde tiene su sede en la actualidad. Su principal fabricación se basa en:  Desvíos sobre traviesas de hormigón.  Desvíos sobre traviesas de madera.  Desvíos silenciosos de tránsito urbano.  Corazones de bloque central en acero austenítico al manganeso.  Corazones de punta móvil para tránsito urbano, de mayor coste pero disminuye considerablemente el ruido.  Sistemas de accionamiento hidráulico Hydrostar.  Sistemas de fijación PAD. Figura 4. Desvío sobre traviesas de hormigón. Fuente: JEZ. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 54 Figura 5. Desvío sobre traviesas de madera. Fuente: JEZ. . Figura 6. Desvío silencioso de tránsito urbano. Fuente: JEZ. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 55 Figura 7. Corazón de bloque central en acero austenítico al manganeso. Fuente: JEZ. Figura 8. Corazón de punta móvil para tránsito urbano. Fuente: JEZ. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 56 Figura 9. Sistema de accionamiento hidráulico Hydrostar. Fuente: JEZ. Figura 10. Detalle de fijación PAD. Fuente: JEZ. 4.3 Talleres Alegría S.A. En el inicio del siglo XX se recoge en 1900 la primera noticia histórica de Talleres Alegría. En el valle de Aboño (Asturias), donde aún hoy permanece el domicilio social de la empresa y parte de sus actividades, Bienvenido Alegría Cuervo, funda una industria metalmecánica que pronto derivó hacia una especialización única en la fabricación de material ferroviario. Al fallecimiento de su fundador, en 1973 se constituye la sociedad mercantil Talleres Alegría, S.A. que hereda el patrimonio industrial y la experiencia acumulada a lo largo de los años. Localizado en el Polígono de Silvota, Asturias, España. Talleres Alegría, S.A., centro de producción altamente especializado, dotado de modernos y sofisticados equipos de mecanización, centra su actividad exclusivamente en el diseño, proyecto, fabricación y asistencia postventa de todo tipo de material fijo de vía. Ya sea bajo proyecto propio o según las especificaciones del cliente se fabrica, entre otros, toda ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 63 La aceleración centrípeta (an) también suele llamarse aceleración sin compensar (asc) ya que no se dispone de peralte. 5.2 Curvas de transición Son curvas que enlazan un tramo recto con uno circular de radio constante de tal forma que en el lado del tramo recto el radio de curvatura es muy grande y va disminuyendo hasta coincidir con el nominal de la curva en el otro extremo. Una de las curvas de transición más empleada es la denominada clotoide. Su característica geométrica es que el producto de la longitud de la misma por el radio de curvatura en cada punto es constante: 2 ALRl   l: abscisa curvilínea (o parámetro longitud de arco) contado a partir del comienzo de la clotoide. ρ: radio de curvatura de la clotoide correspondiente al punto de abscisa curvilínea l. L: longitud total de la clotoide. R: radio de la curva circular. A: constante que define la clotoide. Cuando existe esta curva de transición entre el tramo recto y la curva circular se define la sobreaceleración media (empellón) como el incremento experimentado en la aceleración centrífuga dividido por el tiempo empleado, supuesto a velocidad constante, en recorrer la clotoide. Entonces:            if if RRL v v L R v R v 11 3 22  La expresión anterior se considerará en valor absoluto y si al final el tramo es recto Rf = ∞, luego: LR v  3  CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 64 El valor de  suele oscilar entre 0,3 y 0,4 m/s3 para no sobrepasar los límites de confort de los pasajeros. Existe una fórmula que relaciona la constante de la clotoide. De la expresión inicial: 2 ALRl   y de  2 v asc  se sigue que l A v asc  2 2 Pero tvl  2 3 A tv asc     2 3 A v dt dasc  3 v A 5.3 Escapes para alta velocidad Estos dispositivos que, como se ha visto en el capítulo segundo, permiten el paso de una vía a otra paralela son indispensables en las líneas de alta velocidad. A título indicativo se puede decir que si en una línea de alta velocidad tiene que interrumpirse una de las vías de circulación por cuestiones de mantenimiento si se sitúan escapes, normalmente cada 20 kilómetros en el caso español, el retraso ocasionado puede ser sólo de 3 minutos si el paso por el escape puede hacerse a 160 km/h. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 65 Con la llegada de la alta velocidad en las principales administraciones ferroviarias se desarrollaron desvíos que permiten velocidades de paso por vía desviada de 100, 130, 160 y 220 km/h. En el cuadro 1 se muestran algunas de las características de los desvíos utilizados en las dos primeras líneas de alta velocidad en España: MadridSevilla y Madrid-Barcelona. Cuadro 1. Desvíos en líneas de alta velocidad españolas. Fuente: López. 5.3.1 Escapes de la línea Madrid - Sevilla Por lo que respecta a la línea Madrid-Sevilla, se adoptaron dos tipos de desvíos: el que permite el acceso desde la vía general a las de apartado (velocidad por vía desviada a 80 km/h) y el segundo que posibilita el paso por los escapes a 160 km/h. Vamos a describir con detalle el trazado de este escape. En primer lugar hay que señalar que la entrevía (distancia entre los ejes de las vías paralelas) es de 4,3 metros. El trazado adoptado es una clotoide de entrada, una curva circular de 4.000 metros de radio, y una clotoide de enlace hasta el punto medio del escape. A partir de este punto y con curvatura de signo contrario se estableció otra clotoide de enlace, curva circular de radio 4.000 metros y clotoide de salida cuyo radio final (como la de entrada) era de 10.000 metros. Para llegar a escoger el valor citado de 4.000 metros de radio en la curva circular se partió de un valor máximo de aceleración sin compensar en el plano de rodadura de 0,5 m/s2. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 66 Entonces: R v aa scn 2 5,0  951.3 5,0 6,3 160 2        R m Por razones de estandarización se redondeó el valor a 4.000 metros. La entrada al escape debería partir de un radio en teoría infinito. En la práctica el radio de entrada en la clotoide es de 10.000 metros y su longitud de 37,5 metros. Con estos valores vamos a calcular la sobreaceleración  : 3512,0 5,37 000.10 1 000.4 1 6,3 160 11 3 2                             v L RR v if  m/s3 Se obtiene un valor de sobreaceleración menor que 0,4 que no se debía sobrepasar. Teniendo en cuenta que al llegar al punto medio de escape el sentido de la curvatura debe cambiar se produciría allí un valor doble y por tanto inadmisible de la aceleración sin compensar. Para evitar el problema anterior había dos alternativas: establecer una nueva clotoide con radio creciente hasta el enlace con la curva de curvatura opuesta o hacer el enlace recto. Se optó por otra nueva clotoide de 55,225 metros de longitud que terminaba en un tramo recto (R = ∞). La combinación clotoide-curva circular-clotoide recibe el nombre de clotoide de meseta. En este caso el valor de la sobreaceleración  será (tomado en valor absoluto): v L R v v L RR v i if                     1 0 11 3 2  ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 67 3974,0 225,55000.4 6,3 160 3 3          LR v i  m/s3 < 0,4 En cuanto al valor de las constantes de las clotoides, recordamos que  3 v A luego en el primer caso (clotoide de entrada):   500 3512,0 6,3160 3 3  v A y en el caso de la clotoide de enlace:   470 3974,0 6,3160 3 A A continuación se presenta el conjunto de la geometría del escape AV160 de la línea Madrid-Sevilla. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 68 Figura 1. Geometría del escape AV160. Fuente: López. A causa de la elevada longitud de las agujas (aproximadamente 50 metros), se utilizan 8 motores para moverlas. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 69 5.3.2 Escapes de la línea Madrid - Zaragoza - Barcelona y Frontera francesa En este caso la entrevía se elevó hasta 4,7 metros pues la velocidad teórica de circulación por la línea se ha aumentado de 300 km/h (línea Madrid - Sevilla) hasta 350. Como consecuencia de la elevación de la velocidad punta, además de una mayor entrevía, como ya se ha indicado, se han adoptado tres tipos de desvíos que permiten el paso por la vía desviada a 100, 160 y 220 km/h respectivamente. Si nos referimos a este último desvío, por ser el más exigente desde el punto de vista técnico, cabe señalar que su longitud total es de 207,397 metros (por tanto el escape supondrá una longitud de 414,8 metros). Las agujas del cambio tienen una longitud aproximada de 62 metros. La vía desviada comienza con una curva de transición (clotoide) de 17.000 metros de radio inicial que enlaza con una curva circular de radio 7.300 metros manteniéndose a continuación la geometría de los escapes de la línea de Madrid - Sevilla ya explicados. Algunos parámetros orientativos de estos desvíos se presentan en el cuadro 2: Cuadro 2. Parámetros geométricos. Fuente: Galindo. Además de los radios mayores se pueden destacar las siguientes mejoras:  Se ha disminuido la rigidez vertical del conjunto teniendo éste una rigidez de 40 kN/mm.  Se ha empleado carril endurecido.  Se utilizan traviesas huecas para alojar cerrojos y así se mejora el mantenimiento. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 70  Las resbaladeras se han recubierto de molibdeno y se les ha incorporado rodillos para disminuir el desgaste.  El corazón de punta móvil se ha construido en una estructura monobloque. En las figuras siguientes puede apreciarse la traviesa hueca y la resbaladera con rodillos respectivamente: Figura 2. Traviesa hueca. Fuente: Galindo. Figura 3. Resbaladera con rodillos. Fuente: Galindo. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 71 Finalmente se presentan dos imágenes de la entrada de un escape (uno a derechas y otro a izquierdas) en las que se aprecia, además de la gran longitud de las agujas, la posición de las 8 motores de accionamiento de las mismas. Figura 4. Entrada al escape (a derechas). Fuente: Galindo. Figura 5. Entrada al escape (a izquierdas). Fuente: Galindo. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 72 5.4 La discontinuidad en el apoyo de las ruedas En un desvío clásico, cuando pasa la rueda de la pata de liebre a la punta del corazón, o viceversa, se producen importantes perturbaciones en la rodadura: la cota del punto de apoyo de la rueda varía bruscamente, pudiendo ser este decalaje vertical de varios milímetros, que, a velocidades elevadas, deberá realizarse en pocos milisegundos. La masa no suspendida del eje montado puede llegar, de esta forma, a estar sometida a aceleraciones cien veces superiores a la de la gravedad. Este fenómeno se agrava por el hecho de que los importantes requisitos de velocidad por vía desviada implican, como hemos visto, amplios radios, lo que obliga a ángulos de cruzamiento muy reducidos. Ello, a su vez, supone que la longitud de la laguna sea muy grande, con los subsiguientes problemas de solicitaciones dinámicas y sus efectos: pérdida de confort, ruidos, desgastes, etc., totalmente inaceptables en una moderna explotación ferroviaria de Alta Velocidad (AV). La solución a este problema pasa por eliminar la laguna para permitir el paso de las pestañas de las ruedas en dos direcciones que se cruzan. Ello se logra mediante: corazón de punta móvil o corazón de patas de liebre móviles. 5.4.1 Corazón de punta móvil Su principio es semejante al de la aguja del cambio que se acopla a la contraaguja. En este caso, tenemos punta y contrapunta. Los esfuerzos longitudinales comunicados por los carriles contiguos debidos a la variación térmica son transmitidos de un lado al otro del cruzamiento mediante las almohadillas de fundición que pueden observarse en el talón del corazón móvil. Resulta interesante señalar que el movimiento de la punta del corazón se realiza gracias a su flexibilidad, habiéndose abandonado actualmente diseños precedentes en los que la movilidad de la punta se conseguía mediante un dispositivo articulado a base de un bulón de rotación, lo que era origen de importantes problemas. Exige un dispositivo de maniobra y de control que, en general, suele ser una evolución del empleado en el cambio. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 79 Figura 15. Formación del ángulo de marcha contra la aguja. Fuente: BWG. Para excluir estos problemas se desarrolla una nueva generación de desvíos cinemáticamente optimizados. En las figura 16 es perceptible la marcha del vehículo obtenida sin las influencias negativas de la pestaña. Esta marcha cinemáticamente optimizada nace, principalmente, del nuevo concepto de los carriles del desvío, añadiendo un sobreancho el carril de la contraaguja, así como una novedad en la perfilación de la cabeza, mediante un tratamiento de perlitizado fino por inducción de todas las zonas de desgaste. Figura 16. Desvío cinemáticamente optimizado (sobreancho). Fuente: BWG. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 80 5.9 Desvíos de alta velocidad en la línea Madrid - Sevilla En este apartado se describen los principales elementos que constituyen este tipo de desvíos utilizados en la primera línea de alta velocidad en España y que, como es sabido, funciona desde 1992. Las contraagujas son carriles de perfil especial UIC Zu-1-60, bajo asimétrico, con mecanizaciones en cabeza (fig. 17) y forjado largo (600 mm) en el talón para convertirlo en el perfil normal y facilitar la soldadura al carril adyacente. Figura 17. Perfiles de aguja y contraaguja. Fuente: Sánchez. La calidad del acero de agujas y contraagujas es UIC 900A con un tratamiento adicional de perlitizado fino por inducción para aumentar la resistencia al desgaste en las zonas de transferencia de rodadura de contraaguja a aguja. La resbaladera Schwihag permite la sujeción elástica interior de la contraaguja por debajo de la aguja. 5.9.1 Accionamiento de las agujas y corazón Las dos agujas (recta y curva) tienen la misma longitud, 50,890 metros, realizándose el movimiento de acoplamiento desacoplamiento por deformación elástica de las mismas en una longitud de 39,040 metros (parte móvil) estando las agujas empotradas a lo largo del resto de su longitud. Los condicionantes que debe satisfacer este movimiento de las agujas son: - Permitir el acoplamiento perfecto aguja - contraaguja a lo largo de toda la longitud mecanizada para ello. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 81 - Permitir una separación suficiente entre aguja y contraaguja no acopladas, de forma que no pueda producirse nunca un contacto de la rueda con la aguja no acoplada. La aguja desacoplada debe quedar separada en toda su longitud de la contraaguja con una entrecalle mínima de 58 mm. El cumplimiento de estos valores se consigue con 8 puntos de accionamiento, llamados cerrojos porque además aseguran la inmovilización de la aguja acoplada. El movimiento de las dos agujas y la inmovilización de la desacoplada se aseguran mediante los motores. Para la elección de un motor adecuado para un desvío de alta velocidad hay que tener en cuenta varios factores: - Fácil montaje. - Posibilidad de montaje de los accionamientos a ambos lados del desvío. - Escaso mantenimiento. - Alta eficiencia de funcionamiento. Utilizando un accionamiento del tipo electrohidráulico conseguimos lograr un alto grado de eficiencia que se pone de manifiesto cuando se trata de mandar agujas de gran longitud desde grandes distancias. Por otra parte, la punta móvil del corazón está constituida por un bloque de acero forjado mecanizado y soldado en su talón a los carriles contiguos. Las zonas donde la rueda apoya simultáneamente en la punta del corazón y pata de liebre están tratadas térmicamente por inducción para mejorar su resistencia al desgaste. La punta se acciona a través de tres cerrojos de uña especiales, que encerrojan en las dos posiciones de acoplamiento, y 3 motores de las mismas características que las del cambio. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 82 Figura 18. Detalle del tamaño del corazón. Fuente: Barrón. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 83 CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 84 6. EJEMPLOS DE DESVÍOS Y SUS COMBINACIONES CONVENCIONALES PARA ALTA VELOCIDAD En este apartado se mostrarán algunos ejemplos similar a lo hecho en el apartado 4, pero enfocado a lo utilizado en Alta Velocidad. 6.1 Amurrio S.A. Figura 1. GEA. Fuente: Amurrio. Figura 2. Clotoide de Meseta tradicional. Fuente: Amurrio. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 85 GEA - Geometría Ergonómica Amurrio es una geometría patentada que permite incrementar la seguridad y comodidad de los viajeros al tiempo que acorta la longitud del desvío, con lo que se mejoran los costes.  Fabrican geometrías de Clotoide de Meseta tradicional o cualquier otra geometría que se les solicite.  Los ejemplos muestran geometrías y estructuras apropiadas para velocidades desde 250 km/h a 350 km/h, con velocidad máxima por desviada de 220 km/h.  Elasticidades para máximo confort del viajero y mínimo mantenimiento: entre 17,5 kN/mm y 60 kN/mm.  Corazones de punta móvil con cunas de acero al manganeso fabricados en fundición propia.  Máxima seguridad en accionamientos y comprobación con diferentes sistemas de encerrojamiento. Diseño CRBM desarrollado en Amurrio. Ahora se comparan las dos geometrías según las tablas 1 y 2, especial importancia en la disminución de la longitud total del desvío: Tabla 1. Datos característicos con GEA. Fuente: Amurrio. Tabla 2. Datos característicos con Clotoide de Meseta tradicional. Fuente: Amurrio. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 86 6.2 JEZ Sistemas Ferroviarios S.L. Figura 3. Corazón punta móvil de alta velocidad. Fuente: JEZ. Figura 4. Transmisión hidráulica Hydrolink. Fuente: JEZ. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 87 6.3 Talleres Alegría S.A. Figura 5. Detalle corazón de punta móvil. Fuente: Alegría. Figura 6. Ejemplo de longitud de un desvío de Alta Velocidad. Fuente: Alegría. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 88 ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 95 El extremo de los tirantes de comprobación no unido a las agujas, actúan sobre sólidos contactos. Estos contactos están normalmente situados en el interior de la caja del accionamiento eléctrico o neumático. En algunas instalaciones estos contactos de comprobación son independientes del accionamiento, comprobadores eléctricos. En desvíos de gran longitud se emplean comprobadores para determinar la correcta posición de puntos intermedios de los espadines. El cerrojo mecánico de uña fija rígidamente encerroja el espadín acoplado a la contraaguja una vez acoplado, evitando cualquier posible apertura del mismo. ACCIONAMIENTO Los accionamientos pueden ser eléctricos, hidráulicos o electrohidráulicos dependiendo del tipo de motor que los mueve. La figura 7 muestra el interior de un accionamiento eléctrico. Figura 7. Interior de un accionamiento eléctrico. Fuente: Montes. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 96 Está formado por: Un elemento, motor eléctrico en el caso de accionamiento eléctrico, que proporciona la potencia, fuerza, para mover los espadines. El motor eléctrico puede ser de corriente alterna monofásica o trifásica o corriente continua y debe poder girar en ambos sentidos dando igual par. Un embrague que limita el esfuerzo transmitido y que, en caso de obstrucción, evita que se produzcan roturas en el accionamiento y timonerías. Un sistema de engranajes, coronas y tornillos sin fin, que transforman el giro del motor en un movimiento longitudinal de arrastre de los espadines. Un combinador o conjunto de contactos eléctricos que son accionados por los tirantes de comprobación directamente o a través de levas intrínsecamente relacionadas con la posición de los tirantes de comprobación. Por la responsabilidad y tipos de trabajo al que están sometidos, estos contactos tienen que ser extraordinariamente robustos de modo que la probabilidad de que puedan quedarse pegados o puedan dar una señal errónea sea muy remota. Manivela de actuación manual para que en caso de que falte la energía pueda ser accionada a mano. Barras de tracción y tirantería de comprobación y encerrojamiento mecánico para la operación del cambio. ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO. FUNCIONAMIENTO El embrague se encuentra montado con las timonerías para su accionamiento y comprobación. El motor eléctrico se acopla a través de unos engranajes rectos y un tornillo sin fin con la corona dentada, que a través del embrague, transmite el movimiento a un piñón que ataca a la barra de tracción. Unos muelles proporcionan la fuerza de fricción al embrague. Junto con el cuerpo del embrague y en su parte superior se encuentra montadas unos discos con escotaduras-levas que actúan sobre unas palancas con tres brazos acodados. Unas garras, articuladas a uno de estos brazos, encerrojan las barras de comprobación cuando se introducen en las escotaduras provistas en dichas barras. Esto tiene lugar en el momento en el que las agujas, tanto la acoplada como la desacoplada, están en sus posiciones correctas. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 97 Dos de los tres brazos de la palanca actúan sobre los contactos del combinador, acreditando que las barras de comprobación están en su posición correcta o han iniciado el movimiento del cambio. A través de la apertura o cierre de estos contactos se produce una señal eléctrica, que se transmite al enclavamiento, con la comprobación de la posición de las agujas. ESPECIFICACIONES RENFE En las figura 8 se indican las características más importantes recogidas en la especificación técnica de RENFE ET 03.365.401.3, “Especificación Técnica para el suministro y la homologación de accionamientos electromecánicos de agujas”. Esta especificación define las características básicas de los accionamientos eléctricos de agujas para la ejecución de la maniobra, retención y comprobación de los cambios tipo RENFE, dotados con cerrojo de uña para el encerrojamiento del espadín acoplado. Figura 8. Especificación técnica de RENFE. Fuente: Montes. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 98 A continuación se señalan algunas características más importantes reflejadas en la especificación: a) Los esfuerzos típicos de maniobra y los de retención que debe realizar el accionamiento, tanto para desvíos talonables como no talonables, deben estar de acuerdo con los indicados en la siguiente tabla: Tabla 1. Esfuerzos de maniobra y retención en desvíos talonables y no talonables. Fuente: Montes. b) Carrera de maniobra: 220 mm para ancho nacional 150 para ancho internacional c) Comprobación de los espadines  debe ser de ajuste continuo.  tolerancia de ajuste nominal del espadín acoplado 2/3,5 mm.  no comprobación para tolerancia del espadín >5 mm.  no debe dar comprobación en un estado intermedio de la carrera del accionamiento.  no debe dar comprobación en caso de rotura barra, mando o comprobación. d) Como característica muy importante para la seguridad de los trenes se especifica que la tolerancia del espadín acoplado sea de 2 a 3,5 mm. y la indicación de no comprobado se dé cuando la tolerancia sea igual o mayor de 5 mm. e) El accionamiento debe poderse accionar manualmente. f) El accionamiento puede estar mandado por un motor monofásico o por motor trifásico. Este segundo es preferible por su mayor duración, aunque es necesario vigilar que su par de arranque sea elevado ya que constituye una de las características importantes para el inicio del movimiento del cambio. El motor eléctrico necesita que sea de gran par de arranque. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 99 g) El tiempo de actuación del accionamiento tiene que ser menor de 6 segundos. h) La fiabilidad que se pide al accionamiento es de 2 · 105 maniobras. Este dato define los tiempos en horas entre periodos de mantenimiento. i) El accionamiento tiene características de seguridad correspondientes a un SIL 4. CONDICIONES PARA PODER MANDAR UN ACCIONAMIENTO  Nunca podrá moverse un desvío con tren pasando o estacionado sobre él (cv libre). Esta condición se llama efecto pedal y se cumple interviniendo el circuito de mando con un contacto del relé del circuito de vía. En caso de avería del circuito de vía se deben prever los procedimientos operacionales que regulen su anulación. Esta función tiene características de SIL 4.  El desvío debe poder ser mandado por las rutas definidas sobre él.  El desvío (accionamiento) debe poderse mandar siempre que no exista una ruta que lo haya pedido (enclavado).  La pérdida de energía (tensión) en un enclavamiento nunca supondrá que el desvío pueda moverse involuntariamente.  Si el accionamiento no llega a terminar su carrera a la posición mandada por haber encontrado un obstáculo, el accionamiento no sufrirá ningún daño (protección motor).  Si el desvío no ha alcanzado su posición final (comprobado), deberá ser posible mandarlo a su posición inicial.  La actuación manual del accionamiento impedirá cualquier otra actuación remota. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 100 CONDICIONES COMPROBACIÓN DEL ACCIONAMIENTO  La comprobación de su posición deberá producirse en el momento en el que el espadín acoplado esté en su posición con la tolerancia especificada (2,5 mm).  La pérdida de comprobación se dará en el instante que el espadín acoplado presente separación superior a la tolerancia especificada (5 mm).  El mando deberá coincidir con la comprobación en esa posición para que pueda enclavarse el desvío. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 101 III. MONTAJE DE DESVÍOS DE ALTA VELOCIDAD INTRODUCCIÓN Las operaciones que describen el montaje de vía de Alta Velocidad se efectúan, por lo general, en tramos independientes de entre 50 y 100 km de longitud, que parten de las bases de montaje. En las bases se dispone de zonas para acopio de carril en barra larga, áreas para acopio y premontaje de desvíos de Alta Velocidad cuya longitud llega a superar los 200 m. y otras zonas para acopio de traviesas y balasto, con sus correspondientes zonas de carga. Asimismo, las bases cuentan con naves para el mantenimiento de las locomotoras y de la maquinaria de vía que se emplean en los trabajos. Figura 9. Base de montaje. Fuente: Google. El montaje de vía, con la altísima calidad que requiere una línea de Alta Velocidad, exige una topografía de precisión y el establecimiento de bases de referencia fijas a lo largo de la traza que permitan conseguir la construcción de la vía dentro de las tolerancias prescritas que no superan el orden de los pocos milímetros. Una vez definida y preparada la traza del tramo, la primera fase del montaje de la vía consiste en la topografía previa y establecimiento de puntos de marcaje que definirán el proceso. La vía debe garantizar los tres aspectos básicos de la Alta Velocidad: la seguridad, la regularidad y la conformidad. Para ello, debe proporcionar a los trenes un camino de rodadura continuo y estable que trasmita de manera homogénea las cargas producidas por el paso de las circulaciones a la infraestructura. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 102 La vía está constituida por una serie de elementos como son el balasto, las traviesas, el carril y los aparatos de vía. Para el montaje, y después de establecer los puntos de marcaje, se extiende una primera capa de balasto, de unos 2,5 m3/m de vía doble, mediante camiones y máquinas extendedoras, y sobre ella se monta una vía auxiliar de trabajo que servirá para la descarga del carril y las traviesas. Figura 10. Vía auxiliar de trabajo. Fuente: Melendo. La continuidad del camino de rodadura la proporciona el carril, que se monta en barras largas. Las barras se transportan al lugar de trabajo mediante trenes carrileros generalmente con doble tracción. Estas barras largas son posteriormente unidas entre sí en la vía por medio de soldadura aluminotérmica, de manera que no existan discontinuidades que puedan afectar a la confortabilidad de los viajeros y a la estabilidad de la vía. Durante el montaje, las traviesas se distribuyen a lo largo de la traza de la línea en el lugar donde serán montadas. Posteriormente se extiende la primera capa de balasto. Sobre esta primera capa se monta la vía auxiliar mencionada que permitirá el transporte y la descarga del carril, que proviene de las bases en las que se han dispuesto los parques de acopio. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 103 Figura 11. Montaje de traviesas. Fuente: Melendo. Para la distribución de balasto durante las tareas de montaje, se establecen distintas zonas de acopio, todas ellas dotadas de muelles de carga para trenes de tolvas, a lo largo de la traza y lo más cercanas que sea posible a las canteras suministradoras. En un producto de bajo precio relativo como es el balasto, su logística, es decir, el transporte desde el punto de extracción al lugar de trabajo, puede tener un importante impacto en el coste. FABRICACIÓN Y OPERACIONES PREVIAS AL ENVÍO A OBRA En la fábrica se llevan a cabo una serie de actividades relacionadas con la fabricación y preparación de los desvíos, antes de proceder al traslado hasta el lugar indicado, donde se llevará a cabo la colocación de los mismos. A continuación, se describen estas actividades, junto con una secuencia de imágenes. Figura 12. Desvío premontado para verificación en fábrica. Fuente: Melendo. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 104 Figura 13. Cruzamiento premontado para verificación en fábrica. Fuente: Melendo. En las siguientes imágenes se puede apreciar el material para desvíos depositado y almacenado correctamente en lugares reservados para ello y su posterior traslado, empleando las medidas y los vehículos oportunos, hasta el interior de la fábrica para realizar las verificaciones y controles necesarios. Figura 14. Almacenaje de material de desvíos para Alta Velocidad. Fuente: Melendo. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 111 Figura 27. Descarga del cruzamiento. Fuente: Melendo. Figura 28. Descarga de la placa metálica. Fuente: Melendo. Figura 29. Colocación de traviesas y antivibratorios. Fuente: Melendo. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 112 Montaje con equipos de pórticos y carros sincronizados En este apartado se describe otro procedimiento de montaje en vía, que difiere del montaje tradicional mostrado anteriormente. Para ejecutar este montaje, son necesarios unos equipos formados por pórticos o PEM, y unos carros o LEM, sincronizados, como los que se muestran en las imágenes siguientes: Figura 30. Equipos de pórticos (PEM) y carros sincronizados (LEM). Fuente: Melendo. En las siguientes secuencias de imágenes se describen las tareas encaminadas a la colocación de estos desvíos sobre la plataforma de base, empleando esta tipología de montaje desde la carga de los mismos, el traslado y la descarga hasta la colocación definitiva, empleando para ello los vehículos propios. Figura 31. Carga en plataforma y traslado a ubicación en traza. Fuente: Melendo. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 113 Figura 32. Traslado directo sobre los equipos. Fuente: Melendo. Figura 33. Circulación de los equipos sobre la vía auxiliar. Fuente: Melendo. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 114 Figura 34. Llegada a ubicación definitiva y retirada de equipos LEM. Fuente: Melendo. Figura 35. Posicionado sobre el lecho de balasto. Fuente: Melendo. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 115 Figura 36. Operaciones de ripado (desplazamiento transversal). Fuente: Melendo. Figura 37. Recogida de los equipos. Fuente: Melendo. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 116 OPERACIONES PREVIAS AL RIEGO DE BALASTO Las operaciones previas al riego de balasto son aquellas destinadas a la preparación y recubrimiento de ciertas zonas de la vía que es necesario que no les afecte esta actividad. Figura 38. Operaciones previas al riego de balasto. Fuente: Melendo. RIEGO DE BALASTO Figura 39. Riego de balasto. Fuente: Melendo. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 117 BATEO Y ESTABILIZACIÓN Consiste en una actividad de mantenimiento dedicada a la consolidación de la banqueta de balasto. Maquinaria empleada: bateadora y estabilizadora. Figura 40. Operaciones de bateo y estabilización de la vía. Fuente: Melendo. PERFILADO Consiste en establecer de forma adecuada la superficie de rodadura en el carril. Maquinaria empleada: perfiladora. Figura 41. Trabajos de perfilado sobre la vía. Fuente: Melendo. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 118 MONTAJE DE CERROJOS Y SOLDADURA Una vez realizadas las operaciones anteriores, encaminadas a la puesta a punto de la vía, se procede al montaje de los cerrojos que dispondrán los desvíos y su posterior unión mediante soldadura. . Figura 42. Montaje de cerrojos. Fuente: Melendo. Figura 43. Trabajos de soldadura. Fuente: Melendo. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 119 MONTAJE DE MOTORES Y COMPROBADORES Posteriormente, se ejecuta el montaje de los motores y comprobadores, equipos que permitirán el accionamiento y el adecuado funcionamiento de dichos desvíos instalados en vía. Figura 44. Tareas de montaje de motores y comprobadores. Fuente: Melendo. AMOLADO Y LIMPIEZA Para finalizar, se lleva a cabo un amolado y limpieza de los mismos. Con ello, se pretende dejar en perfectas condiciones los elementos constituyentes de la vía y poder garantizar su buena conservación. Figura 45. Trabajos de amolado y limpieza sobre elementos de la vía. Fuente: Melendo. CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 120 A continuación, se pueden observar unas vistas de los desvíos en vía totalmente instalados. Figura 46. Desvío totalmente instalado. Fuente: Melendo. ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 127 CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 128 ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 129 CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 130 ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 131 CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 132 ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 133 CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 134 ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN DE LOS DESVÍOS FERROVIARIOS 135 CRISTIAN JIMÉNEZ FERNÁNDEZ SEPTIEMBRE 2013 136