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Romper un bloqueo tecnológico para hacer que los sistemas de transporte ferroviario sean más eficientes
Introducción
Todos esperan y desean una mayor eficiencia en el transporte ferroviario, pero debido a la concentración urbana y a la falta de financiación, parece muy poco probable que se amplíe la infraestructura. Por lo tanto, la única manera de mejorar el rendimiento del transporte ferroviario es hacer circular más trenes por hora en las vías existentes. Para ello, debemos superar el desafío de las limitaciones del rendimiento de frenado debido a la adherencia entre las ruedas y los rieles.
El sistema Wheel Slide Protection (WSP) es la clave para optimizar el uso de la adherencia disponible, mejorando así el rendimiento de frenado garantizado.
En situaciones normales, el rendimiento se ve limitado físicamente por la adherencia entre el raíl y la rueda, pero los problemas externos, como las condiciones meteorológicas y la contaminación, pueden reducir la adherencia real disponible. La primera consecuencia de esto es una alteración del rendimiento, pero también puede provocar un deterioro costoso. La función principal de un WSP es aprovechar al máximo la adherencia disponible en cualquier condición externa, evitando al mismo tiempo el peor escenario de bloqueo del eje. También se utiliza para limitar el deterioro que podría afectar al material rodante o a la infraestructura.
El siguiente documento presenta los logros más recientes de Wabtec en esta área, que son el resultado de un trabajo continuo tanto en el laboratorio, utilizando herramientas de simulación y prueba de alto rendimiento, como sobre el terreno.
Los desafíos
Las condiciones meteorológicas adversas y la contaminación tienen un impacto negativo en la adhesión de los sistemas de transporte ferroviario entre ruedas y raíles, ya que amplían las distancias de frenado de los trenes. Para limitar esta situación, los operadores necesitan mejores sistemas de protección contra el deslizamiento de las ruedas.
Los sistemas WSP actuales se diseñan teniendo en cuenta las condiciones típicas de adhesión degradada, tal como se definen en las normas, que a veces se desvían significativamente de las condiciones reales. Si la adherencia es inferior a este nivel estándar, las distancias de frenado pueden prolongarse más de un 50% en comparación con las distancias de frenado sobre raíles secos y deteriorar las ruedas (pinchazos), obligando a los operadores a volver a perfilarlas. Este proceso reduce la disponibilidad de los trenes y acorta la vida útil de las ruedas, lo que genera costes de mantenimiento adicionales. Si la adherencia se degrada aún más, hay que considerar normas operativas restrictivas, como reducir las velocidades permitidas o gestionar la limpieza de las vías.
Los sistemas WSP que se utilizan actualmente están cualificados y probados sobre la base de los modelos de adhesión definidos en la norma EN15595 (o UIC 541-05). Es un proceso largo y caro que se lleva a cabo primero en bancos de pruebas y luego en pruebas de campo; cada implementación de un vehículo nuevo lleva varias semanas.
Un ajuste fijo no puede cubrir la amplia gama de condiciones creadas por las condiciones ambientales o por el propio sistema de frenos:
- La adherencia real sobre el raíl puede oscilar entre 0,01 (por ejemplo, con hojas viejas sobre la vía) y 0,17; las normas consideran que un intervalo de ajuste típico para condiciones de adhesión degradada es de entre 0,05 y 0,08.
- La mejora de la adherencia a lo largo del tren debido al movimiento sucesivo de los ejes.
- El estado de masa (AW0 a AW3) y su cambio dinámico debido a las transferencias de masa.
- Rendimiento del par de fricción (pastilla a disco o bloque a rueda), cuyo coeficiente de fricción cambia debido a la velocidad, la temperatura y la humedad.
En 2014, como parte del proyecto europeo Shift2Rail, la industria ferroviaria (fabricantes y operadores) decidió trabajar en este problema y Wabtec respondió al desafío de Shift2Rail (proyectos PINTA1 y PINTA2).
El primer paso consistió en comprender mejor la degradación de la adhesión rueda-carril en condiciones y entornos de uso reales, en particular el efecto «limpiador» que puede aparecer a lo largo del tren mientras está en servicio debido al paso sucesivo de las ruedas. Esto se logró gracias a un análisis cuidadoso de los resultados de numerosas pruebas y a un extenso trabajo en un banco de pruebas específico.
Este banco de pruebas, conocido como Roller, se desarrolló para simular con precisión la acción de los contaminantes que degradan la adherencia entre cada rueda y el raíl. Es una herramienta única desarrollada por Wabtec. Este banco de pruebas es un dispositivo de escala reducida que permite a los evaluadores frenar en varios ejes que circulan por la misma pista. Se crea una adherencia degradada en la pista, y en cada eje es posible modular el esfuerzo de frenado y evaluar la adherencia resultante.
Sobre esta base, se diseñó e implementó un nuevo sistema WSP adaptativo. Para cada vehículo, el equipo electrónico digital, combinado con un conjunto de sensores y actuadores, integra un software basado en un algoritmo adaptativo que utiliza el método de mínimos cuadrados medios (LMS). Incluye el autoajuste dinámico del algoritmo WSP teniendo en cuenta las condiciones reales de adhesión.
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Fuera del laboratorio de Wabtec, este nuevo sistema se ha probado en el banco de pruebas WSPER del Reino Unido, en el banco de pruebas acreditado por la norma EN15595 del DBST y durante pruebas de campo con un vehículo de EuskoTren en Bilbao (España).
WSP adaptable DistanceMaster™
Los resultados
El examen del impacto del dispositivo WSP adaptativo DistanceMaster™ en las distancias de frenado, un parámetro de seguridad esencial, muestra una mejora significativa en comparación con los sistemas WSP estándar que cumplen con las normas EN 15595:2011 y 2018. Con el Adaptive WSP, observamos una mejora en la extensión de la distancia de frenado en condiciones de mala adherencia estándar de la EN/UIC. En comparación con las distancias de frenado en seco, la extensión es de aproximadamente un 8%, en comparación con el 12% de la generación anterior del Wabtec WSP, y un máximo aceptable del 20% especificado por las normas.
Se ha realizado una evaluación en el banco de pruebas del WSPER; este equipo de evaluación del WSP fue desarrollado por DB-ESG, que forma parte de DB System Technik, en Derby (Reino Unido).
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[Comparación de las distancias de frenado a 90 km/h del Adaptive WSP con las del WSP de la generación anterior]
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[Comparación del rendimiento de frenado del Adaptive WSP con el WSP de la generación anterior en condiciones de baja adherencia sostenida]
Además, el consumo de aire comprimido (y, por lo tanto, el consumo de energía necesario para mantener la presión en la línea principal) se reduce significativamente en comparación con los WSP de la generación anterior durante todas las pruebas realizadas con el algoritmo adaptativo optimizado.
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[Comparación del consumo de aire del WSP adaptativo con el del WSP de la generación anterior en condiciones de baja adhesión sostenida]
Se realizó otra evaluación en el banco de pruebas acreditado por la EN de DBST, ubicado en Minden (Alemania).
Durante la validación del A-WSP en el banco de pruebas del DBST, el algoritmo se sometió a más de 1000 pruebas, incluidas pruebas funcionales y de tipos, utilizando varios perfiles de adhesión y regímenes de frenado.
La validación se realizó en un remolque con una velocidad máxima de 400 km/h.
La siguiente tabla presenta la extensión promedio de la distancia de frenado y el consumo de aire según la velocidad de frenado y el algoritmo WSP. En ambos casos, la distancia de frenado del A-WSP es más corta que la del WSP de la generación anterior; el consumo de aire también es menor con el algoritmo adaptativo.
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[Extensión promedio de la distancia de frenado y del consumo de aire en el banco de pruebas del DBST, en el WSP y en el A-WSP de la generación anterior].
La siguiente tabla presenta las pruebas realizadas en el laboratorio del DBST con el A-WSP y el WSP de la generación anterior. El A-WSP y el AEF-91 cumplen con la norma EN 15595:2011. El A-WSP también cumple con todas las pruebas obligatorias y opcionales de la norma EN 15595:2018.
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[EN15595: programa de pruebas de 2011 y 2018 en el banco de pruebas de DBST, el WSP y el A-WSP de generaciones anteriores.]
Una mejora adicional
La compensación de desaceleración
El siguiente paso necesario para mejorarlo aún más es tener en cuenta la variación de la adherencia cuando pasan ejes sucesivos; para ello, se diseñó e implementó un sistema de compensación de la desaceleración. Este sistema (disponible en los sistemas de control de frenado integrados de los tipos Metroflexx y Regioflexx desarrollados por Wabtec) tiene como objetivo reducir aún más la distancia de frenado en condiciones de adherencia degradada gracias a un mejor uso de la adherencia disponible a lo largo del tren.
El objetivo del sistema es redistribuir el esfuerzo de frenado a lo largo del tren para lograr la deceleración deseada a nivel del tren. Cada unidad de control de frenado local comprueba la adherencia disponible y puede aumentar el esfuerzo de frenado hasta el límite, garantizando al mismo tiempo la máxima comodidad de los pasajeros. Esta función de compensación de la desaceleración se puede utilizar incluso en el frenado de emergencia debido al alto nivel de seguridad (SIL4) presente en los sistemas de frenos Metroflexx y Regioflexx de Wabtec (sistemas de frenos para metros y trenes de unidades múltiples, respectivamente).
Esta función se gestiona localmente (mediante el equipo de control de frenos de cada vagón o vehículo) y no requiere la comunicación entre las diferentes unidades de control de frenos del tren. Cuando el operador decide implementarla, esta función es totalmente configurable (se requiere la máxima adherencia, la presión máxima del cilindro de freno, etc.).
Un paso adelante decisivo para la compensación adaptativa de la WSP y la desaceleración
El uso de estas dos funciones en conjunto ha sido probado por DB-ESG en el banco de pruebas del WSPER con los siguientes resultados (teniendo en cuenta el caso de referencia del Euskotren).
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La compensación de desaceleración, que funciona en combinación con el sistema adaptativo WSP descrito anteriormente, reduce la distancia de frenado, en las condiciones de adhesión degradada de referencia, a aproximadamente un 6% por encima de la distancia de frenado en seco. En comparación con la intervención de un sistema WSP por sí solo, la combinación de los dos sistemas permite una mejora del 50% (una extensión del 6% en lugar del 12%) del rendimiento de frenado en condiciones de adherencia degradada. Esto constituye una mejora importante de la seguridad, sobre todo si se tiene más en cuenta la variabilidad de las condiciones de adherencia de las ruedas ferroviarias.
Las ventajas relativas de estos dos sistemas innovadores se resumen en la siguiente tabla.
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La reducción de la degradación del rendimiento de frenado en comparación con el rendimiento del WSP de la generación anterior en las condiciones de adhesión degradada de referencia oscila entre el 34% (solo el WSP adaptativo) y el 50% (WSP adaptativo más compensación de desaceleración).
Se trata de una mejora significativa en el control de la velocidad garantizada de frenado de emergencia, uno de los principales criterios para la seguridad de los sistemas de transporte ferroviario.
- Los resultados de las pruebas muestran una clara mejora en el frenado y su control en condiciones de adhesión degradadas o variables. Esto debería permitir a los operadores hacer frente mejor a las condiciones climáticas o estacionales (hojas caídas, condiciones otoño/invierno, etc.) y, al mismo tiempo, proteger el material rodante (evitando pinchazos). Independientemente del sistema de separación entre trenes que esté en vigor, garantizar una reducción de la distancia de frenado de emergencia en condiciones degradadas es un punto clave para las operaciones en estas líneas, ya que aumenta la seguridad respecto al rendimiento esperado de los frenos. Ofrece al conductor una mayor confianza y podría evitar (o limitar) la necesidad de establecer restricciones operativas, como las reducciones de velocidad.
- En el caso de los sistemas de señalización de bloques móviles (como el ETCS L3 y el CBTC) que se utilizan principalmente en líneas nuevas, el hecho de tener en cuenta que el rendimiento de los frenos es mejor garantizar el rendimiento de los frenos puede reducir los avances y mejorar la capacidad de la línea.
- Reducción de los costes de mantenimiento: los sistemas WSP estándar tienen una configuración fija optimizada para un tipo de adhesión estándar degradado. El WSP adaptativo se autoajusta de forma permanente, por lo que puede aprovechar al máximo la adhesión disponible incluso en el caso de una adhesión extremadamente baja. Esto reduce en gran medida el riesgo de dañar las ruedas. Según los resultados de las pruebas, la frecuencia de aparición de pinchazos en las ruedas se puede reducir en aproximadamente un 50%. Los defectos de pinchazo de las ruedas tienen importantes consecuencias económicas: el reperfilado reduce la vida útil de las ruedas y la disponibilidad de los trenes debido a las operaciones de mantenimiento; numerosos pinchazos pueden provocar una tensión excesiva en la vía, lo que resulta en operaciones de mantenimiento adicionales y, en ocasiones, en daños.
- La puesta en servicio de los vehículos nuevos podría simplificarse: el Adaptive WSP no requiere una larga campaña de pruebas para ajustar su configuración. El sistema es autoajustable y optimiza el frenado en función de la adherencia disponible desde la primera frenada.
Implementación de estos sistemas
Amtrak probó una unidad WSP adaptativa durante un año en el mercado norteamericano, con beneficios notables en términos de desgaste de las ruedas. El WSP adaptativo y el sistema de compensación de desaceleración servirán para equipar trenes completos para las pruebas de cuatro temporadas de los operadores de NYCT (Nueva York) y Euskotren (Bilbao); estas iniciativas comenzarán a funcionar en el cuarto trimestre de 2021 y el primer trimestre de 2022.
El Adaptive WSP se encuentra actualmente en proceso de certificación EN. Se puede considerar la posibilidad de combinarlo con el sistema de compensación de la desaceleración para el diseño de nuevos materiales rodantes. Este sistema completo estará disponible para los operadores que deseen mejorar la eficiencia de su flota.
Cabe señalar que también es posible implementar el Adaptive WSP por sí solo, sin necesidad de realizar grandes cambios de hardware, en los vehículos existentes que ya están equipados con el Wabtec WSP.
Resumen
Si bien aún quedan medidas por tomar para reducir el avance de los trenes, como el despliegue de sistemas de señalización de bloques variables y una velocidad de frenado de emergencia (GEBR) adecuada y garantizada, ambos factores que contribuyen al diseño completo del sistema ferroviario, el innovador paquete de adhesión de Wabtec descrito anteriormente proporciona componentes muy sólidos y supera un importante desafío tecnológico.