Estudio del comportamiento de componentes de la suspensión de un vehículo ferroviario de alta velocidad

Resumen

Los sistemas de suspensión neumática para trenes de alta velocidad se vienen utilizando y estudiando desde hace décadas. Sin embargo, aún existen aspectos de su comportamiento y modelado que pueden mejorarse. Por ejemplo, cuando se aplica alguno de los modelos existentes para reproducir el comportamiento de los resortes de elastómero (utilizados como resorte de emergencia en las suspensiones secundarias), se encuentran errores importantes derivados, fundamentalmente, del carácter no lineal de la relación fuerza-desplazamiento. Este comportamiento obliga a modificar ligeramente los modelos encontrados en la literatura científico-técnica y a rediseñar los procedimientos para la extracción de los parámetros del modelo. En esta Tesis se estudia experimentalmente el comportamiento de un resorte concreto utilizado como dispositivo de emergencia en la suspensión secundaria de trenes de alta velocidad. Los resultados de este estudio guían la propuesta de un modelo basado en tres elementos en paralelo (un muelle elástico no-lineal, un elemento de “fricción progresiva” y un componente viscoso de tipo Maxwell) y permiten seleccionar el mínimo número de ensayos para determinar los parámetros de dicho modelo. Se comprueba que la propuesta reproduce los ensayos experimentales, con precisión aceptable, en un amplio rango de amplitudes y frecuencias. En la utilización de modelos como el propuesto en la simulación dinámica de sistemas “multicuerpo” se encuentra el problema de que el ruido no es distinguible de ciclos reales de carga y descarga. Esto da lugar a una disminución artificial de la fuerza predicha que puede denominarse “relajación numérica”. Frente a soluciones basadas en un control de los “ciclos” artificiales, en esta Tesis se propone la utilización de un filtro de media móvil que soluciona el problema de forma satisfactoria y puede implementarse sin dificultad en códigos de análisis de sistemas multicuerpo. Otro de los aspectos (relacionados con el comportamiento de suspensiones neumáticas para trenes de alta velocidad) que admite mejoras es el relativo al comportamiento termodinámico del aire en el resorte neumático y en el depósito auxiliar al que suele estar conectado. Los modelos encontrados en la literatura suelen proponer procesos politrópicos y asumir el valor del correspondiente coeficiente. En esta Tesis se estudia el comportamiento termodinámico del aire en el depósito y en el muelle de aire realizando medidas experimentales de presión, temperatura, fuerza y desplazamiento. Con estas medidas, se obtiene el valor del coeficiente politrópico en función de la frecuencia para distintas amplitudes y diámetros de restrictor de flujo (entre muelle y depósito). Los resultados encontrados contradicen lo asumido tradicionalmente. Las medidas experimentales mencionadas en el párrafo anterior permiten, también, cuantificar el flujo másico a través del restrictor. Se comprueba que un simple modelo de flujo incompresible reproduce con precisión aceptable los resultados encontrados en laboratorio. Cuando las mediciones se realizan en ensayos en vía, se obtienen grandes dispersiones. Pero, incluso en este caso, el modelo simple propuesto parece reproducir con mejor precisión la nube de puntos de las mediciones. A partir de los modelos de elastómero y de sistema neumático, se propone un modelo de suspensión completa con el que se determinan índices de confort para excitación cualquiera (generada como muestra de un proceso aleatorio ergódico de densidad espectral dada). De esta manera se obtienen índices de confort para distintas velocidades del vehículo, diámetros del restrictor y calidades de vía. Los resultados permiten afirmar que el diámetro del restrictor debiera modificarse en función de la velocidad y la calidad de vía. Por último, puesto que el confort se ve influido por la respuesta estructural del bastidor del vehículo, en esta Tesis se estudia un modelo simple de viga sobre apoyos elásticos. Este modelo se ha utilizado en numerosos estudios anteriores. Sin embargo, en esta Tesis se explora un camino ligeramente diferente consistente en incluir el amortiguamiento estructural como módulo complejo en lugar del habitual amortiguamiento viscoso. Esto requiere realizar el análisis en el dominio de la frecuencia. Se comprueba que el procedimiento es computacionalmente eficiente y permite encontrar las relaciones básicas entre rigidez o amortiguamiento y confort.