Capitulo 6 Conclusiones y desarrollos futuros

Capitulo 6
Conclusiones y desarrollos futuros
6.1
Conclusiones
En este proyecto, se ha creado una herramienta computacional para el análisis de
estabilidad lateral de un vehículo ferroviario, compuesto por un sólo vagón. El
programa se ha desarrollado en MATLAB y se pretende que forme parte de un software
de análisis de estabilidad de un tren completo.
En el modelo construido se ha cuidado que el usuario sea capaz de usar con
facilidad el programa. Por ello, se ha dedicado una parte importante del mismo a la
creación de ventanas de entrada y salida de datos. Éstas se han programado de forma
que el usuario no deba tocar el código fuente de los diferentes archivos en caso de
realizar estudios con los parámetros principales del sistema. No obstante, si en un
análisis determinado se necesitará realizar alguna modificación sobre el modelo que no
permite los formularios, el usuario, observando los comentarios en el código fuente,
puede realizar los cambios con facilidad.
El proyecto es un modelo simplificado para el estudio de la estabilidad lateral,
basado en el modelo reducido de J.J. Mcphee y R.J Anderson [1], y en la teoría lineal de
Kalker [2] para el cálculo de las fuerzas tangenciales de contacto en caso de pequeños
valores de “creepage”. Por tanto sólo se han considerado como movimientos principales
el desplazamiento lateral y el giro (yaw) de cada cuerpo, suficientes para el estudio de la
estabilidad lateral, pues la dinámica vertical se considera desacoplada y la velocidad de
avance se supone constante En el modelo de contacto entre las ruedas y la vía se ha
considerado un modelo simple 2D incluyendo las fuerzas longitudinales y laterales
como consecuencias del creep. Los estudios detallados sobre casos específicos donde no
se producen pequeños valores del creepage se escapan del alcance de este proyecto,
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donde se ha pretendido crear un modelo de análisis general capaz de atender los casos
comunes.
Durante el desarrollo del trabajo se ponen en práctica diferentes campos de
conocimiento dentro de la ingeniería. En primer lugar, se realiza un modelo de un vagón
real, capaz de ser estudiado con las herramientas disponibles en ingeniería mecánica. Se
adoptan hipótesis de simplificación que hacen al modelo más simple de analizar pero
que a su vez permite obtener resultados con suficiente precisión. Por otra parte, las
herramientas disponibles para obtener las ecuaciones del movimiento, del sistema
considerado, se han programado haciendo uso de conocimientos de ingeniería
informática que con los software actuales permiten hacer cálculos complejos,
impensables hace unos años.
Se han encontrado diferentes dificultades en este trabajo. Por un lado, la
complejidad de obtener datos reales sobre valores de rigidez, amortiguamiento, masas e
inercias, parámetros geométricos y de la vía, que encajen con el modelo desarrollado en
este proyecto. Esto es debido a que dichos datos son parámetros confidenciales de las
compañías de construcción de trenes. Los datos considerados finalmente, se han
obtenido de diferentes investigadores como Joao Pombo [5] que analiza en su tésis el
tren modelo ML95 del cual posee la mayoría de los datos y los demás son supuestos.
También se han tomado algunos parámetros del vagón considerado por John Mcphee
[4]. En el apartado 5.3 se comparan los resultados obtenidos con los obtenidos por el
investigador John Mcphee [4], aunque es difícil encontrar investigadores que hayan
realizado modelos de estabilidad similares. Esto ocurre porque en los trabajos de
investigación no hay un modelo similar. En el trabajo de John Mcphee [4] se realiza un
modelo que contiene la suspensión lateral y vertical (en este trabajo no considerada),
que aunque debe variar poco, difiere del programa aquí elaborado. Considerando el
programa desarrollado por Joao Pombo [5], se comprueba que su análisis del sistema es
un estudio dinámico y las gráficas que se poseen no son comparables con los resultados
obtenidos en este trabajo.
Sin embargo, se puede observar en los resultados del capítulo 5 la conclusión
obtenida por John McPhee [4], donde demuestra que los sistemas una vez que se hacen
inestables a una determinada velocidad puede ocurrir que vuelvan a ser estables para
otro rango superior de velocidades. En definitiva, se puede decir que los sistemas
pueden oscilar entre estables e inestables a medida que se evoluciona un parámetro
como la velocidad.
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Con vista a que los resultados obtenidos no se queden en un conjunto de gráficas
sobre la evolución de los autovalores, hecho poco intuitivo físicamente con respecto a lo
que está sucediendo en el modelo, se ha programado una animación del vehículo donde
se puede visualizar cualquier modo de vibración asociado a los autovalores oscilantes.
Con esta representación se dota de sentido físico a los resultados numéricos del sistema
y el usuario es capaz de interpretar que está sucediendo en el comportamiento del
vagón. La animación es una prueba de que los resultados obtenidos con el trabajo son
coherentes y no se producen comportamientos que desacoplan o deshacen los distintos
cuerpos del modelo.
6.2
Desarrollos futuros
En este proyecto se ha modelado un vagón de tren que viaja con velocidad de
avance constante en vía recta. Si se desea estudiar la estabilidad lateral en caso de
curvas de radio constante bastaría con variar la posición de equilibrio estático del
modelo. Para esto, se sustituye en la ecuación (2.13) el término del segundo miembro
por la fuerza centrífuga que experimenta el vehículo, conocido el radio de la curva y la
velocidad. Suponiéndose velocidad y aceleración nula se eliminan los dos primeros
términos de la ecuación quedando la nueva posición de equilibrio estático como se
muestra a continuación:
qeq = K −1 Fcentrífuga
(6.1)
Una vez que se ha modificado la posición de equilibrio estático el programa
desarrollado se puede utilizar también para analizar la estabilidad de vehículos trazando
curvas de radio constante.
Por otra parte, el modelo de este trabajo puede extenderse a un sistema de
análisis más completo, donde se incluya la suspensión vertical del vagón. Teniendo en
cuenta los pasos llevados a cabo para realizar el programa de análisis de estabilidad
lateral, la estabilidad vertical supondría extender el código introduciendo los nuevos
grados de libertad correspondientes a movimientos verticales de los cuerpos que forman
el vagón y los posibles giros de roll y pitch, modelando también el acoplamiento de
ambas suspensiones. Es un proceso similar al desarrollado pero además con un sistema
de suspensión dispuesto en el plano vertical.
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El modelo se ha desarrollado para el caso de un coche, por tanto se puede
avanzar extendiendo el trabajo realizado para el caso de varios coches, hasta formar un
tren completo. Para conseguir ésto, se debe modelar la interacción en la zona de unión
entre vagones y analizar como repercute el contacto entre un vagón y otro a través de la
zona común.
Por último, otro aspecto a mejorar sería elaborar un modelo más profundo de la
zona de contacto entre ruedas y rail que considere casos en los que no se produzcan
pequeños valores de “creepage”.
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