Desarrollo de bogies y juegos de ruedas en los últimos 20 años

Publicado: 24 mayo 2023 | Kurt Strommer, Martin Rosenberger, Thomas Moshammer | Sin comentarios aún

Los colegas de Siemens Mobility Austria, Kurt Strommer, Thomas Moshammer y Martin Rosenberger, explican cómo ha cambiado el diseño de bogies y juegos de ruedas en los últimos 20 años, centrándose en algunos de los temas más importantes relacionados con la seguridad, el ruido, el desgaste y la reducción de peso, y ofrecen una perspectiva sobre cuáles son los desafíos y las oportunidades para seguir mejorando estos componentes en los próximos años.

Crédito: Movilidad de Siemens

La unidad de bogies para material rodante de Siemens Mobility en Graz, Austria, es parte de MoComp, la familia de componentes ferroviarios y el centro de competencia mundial para bogies dentro de Siemens Mobility, lo que significa que todos los desarrollos de bogies (para proyectos europeos e internacionales) se completan en Graz. y todas las actividades de bogies en las unidades de producción de satélites son gestionadas por Graz.

Aunque, por supuesto, el diseño del producto sigue estando impulsado principalmente por los requisitos del cliente en cuanto a parámetros clave, existen varios cambios y desarrollos que han tenido un gran impacto en el diseño de bogies y juegos de ruedas modernos.

Además de los crecientes requisitos con respecto a la precisión en el diseño de resistencia en los últimos años, también han aumentado los desafíos en términos del grado de automatización en la producción. Ya en la fase inicial de desarrollo, se analiza si los marcos se pueden soldar en líneas robóticas altamente automatizadas. Para este propósito, las investigaciones sobre la accesibilidad de las costuras de soldadura deben realizarse en una fase temprana de desarrollo. Esta es la base para la fabricación eficiente de los bastidores de bogie con la máxima calidad.

Dado que la reducción de peso es uno de los requisitos más importantes para un bogie moderno, en los últimos años se investigaron nuevos materiales para los bastidores de bogie. Algunos de nuestros competidores presentaron varios diseños fabricados con plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) para diferentes aplicaciones. Dentro de Siemens Mobility Graz, la estrategia es construir bastidores de bogie livianos con acero de alta resistencia (consulte la Figura 1). El ahorro de peso comunicado tanto para CFRP como para acero de alta resistencia está en un rango de 40-50%.

El proceso para el cálculo de la resistencia a la fatiga se muestra en la Figura 2.

El diseño liviano respaldado por nuevos métodos de evaluación de la fatiga (métodos avanzados de asunción de carga, modelos FEA más detallados y métodos avanzados de evaluación de la fatiga (por ejemplo, tensión de entalla)) permiten estructuras livianas y, al mismo tiempo, permiten que la robustez siga siendo la máxima prioridad.

La precisión del modelo FEA ha aumentado aquí a lo largo de los años. Hoy en día, un modelo de elementos finitos consta de aproximadamente 700 000 a 1 400 000 elementos. En la simulación del sistema multicuerpo es necesario tener en cuenta los cuerpos elásticos de los componentes estructurales para poder representar el correcto comportamiento de la operación.

En resumen, el diseño liviano estratégico se ha vuelto muy importante desde varios aspectos, incluida la eficiencia energética, el uso eficiente de los recursos y la reducción de los cargos de acceso a las vías.

Para el desarrollo de bogies ferroviarios, se utiliza la metodología de simulación de sistemas multicuerpo (simulación MBS) para simulaciones de dinámica de vehículos para evaluar y cumplir los requisitos con respecto a la seguridad contra el descarrilamiento y el comportamiento de marcha durante más de 30 años. Sin embargo, debido al desarrollo de submodelos y módulos más detallados para diferentes componentes, como piezas de caucho y metal, o procesos avanzados para incorporar estructuras elásticas en las simulaciones MBS, no solo ha aumentado la calidad del pronóstico, sino que también se ha expandido el área de aplicación para cargar supuestos, así como al confort de conducción y la acústica. Esto fue posible porque en los últimos 20 años se han hecho enormes esfuerzos para acercar la simulación y prueba de componentes, subsistemas y vehículos.

Hoy en día, los modelos de simulación ya cumplen los más altos requisitos con respecto a la validación, por lo que ya se utilizan para la homologación virtual de parámetros críticos para la seguridad, como la seguridad frente al descarrilamiento y el comportamiento de marcha.

Desde el comienzo del transporte ferroviario, el desgaste de las ruedas y los rieles es un factor de costo enorme en el sistema ferroviario. Los modelos de simulación MBS de alta fidelidad, junto con los datos operativos de campo de los fenómenos de desgaste, condujeron al desarrollo de modelos de desgaste y deterioro más precisos de ruedas y rieles. Estos enfoques ya se utilizan para optimizar los perfiles de las ruedas y la interfaz rueda-riel en general, por ejemplo, mediante el uso de un sistema inteligente de gestión de la fricción. Como resultado, la confiabilidad y la disponibilidad pueden ir acompañadas de costos reducidos del ciclo de vida del sistema ferroviario.

Juegos de ruedas

En el desarrollo de ruedas, ejes y rodamientos, la estandarización tiene una gran influencia en el diseño del producto, ya que estos componentes tienen el mayor impacto tanto en la seguridad como en los costos del ciclo de vida en los sistemas rueda-riel. El triángulo de seguridad con diseño, fabricación y mantenimiento en servicio está profundamente regulado. A continuación, se explicarán algunos ejemplos de los cambios de estándares y procedimientos y su impacto en el diseño de juegos de ruedas.

En el desarrollo de ruedas, ejes y rodamientos, la estandarización tiene una gran influencia en el diseño del producto, ya que estos componentes tienen el mayor impacto tanto en la seguridad como en los costos del ciclo de vida en los sistemas rueda-riel.

Los estándares para ejes han obtenido más aprobaciones con un nuevo procedimiento para la aplicación de nuevos materiales para ejes, como el acero de alta resistencia 34CrNoMo6, teniendo en cuenta los efectos de la fricción. Las definiciones adicionales fueron motivadas por problemas en el servicio y se basaron en los resultados de proyectos de investigación europeos como ModBogie, Euraxles y Widem. Como la experiencia del servicio juega un papel importante en la validación de los componentes existentes, la publicación de investigaciones de incidentes mejoró la posibilidad de la transferencia de know-how del campo a nuevos diseños en los últimos 20 años.

El estándar de diseño de ruedas en los procedimientos de cálculo para el diseño de resistencia y para la emisión de sonido ahora brinda la oportunidad de optimizar la rueda con respecto a los requisitos contradictorios de reducción de peso y reducción de ruido. Si el diseño no es adecuado para ser aceptado por simulación, el estándar ofrece una segunda etapa, basada en resultados de pruebas de resistencia experimentales y mediciones de ruido.

Actualmente, el procedimiento de aceptación termomecánica para ruedas con freno de banda de rodadura se limita a pruebas en bancos de prueba de dinamómetros, sin embargo, en un futuro próximo se incluirá la posibilidad de simulación para la resistencia multiaxial y para la evaluación de la fatiga de bajo ciclo, así como para el cálculo de la transferencia de calor. Esto es muy importante ya que los frenos de banda de rodadura estaban experimentando un resurgimiento durante los últimos años.

Comportamiento de carrera

En el campo del comportamiento en marcha, los estándares como el EN14363 se han ampliado significativamente. Con base en los esfuerzos de todo el sector financiados por la Unión Europea, se establecieron métodos y procesos junto con métricas de evaluación que permiten evaluar la validez del modelo para diferentes áreas de aplicación de la evaluación del comportamiento en ejecución. Junto con el avance en la calidad de pronóstico de los modelos de simulación MBS, las posibilidades de uso de homologación virtual están aumentando en consecuencia. Se han desarrollado métricas que permiten evaluar la validez del modelo para diferentes áreas de aplicación.

Además de mejoras basadas en nuevos estándares, métodos y procesos, el bogie de sistema mecánico se ha ampliado fundamentalmente mediante el desarrollo de nuevas soluciones electrónicas de diagnóstico y monitorización que ya están en uso en varias flotas de vehículos ferroviarios para optimizar el mantenimiento de bogies y vehículos ferroviarios. Sobre la base de sensores en el bogie ferroviario y la carrocería, junto con dispositivos informáticos de última generación y algoritmos inteligentes, desde enfoques de procesamiento de señales simples hasta aprendizaje automático e inteligencia artificial, se proporcionan los estados de salud y la información útil restante sobre la vida útil de los componentes del bogie y el subsistema del bogie. Esta información luego se usa en el depósito de mantenimiento para establecer procesos de mantenimiento basados ​​en condiciones, de modo que se puedan reducir los costos del ciclo de vida y se pueda aumentar la disponibilidad.

Hay varias oportunidades que ayudarán a mejorar aún más en el futuro, que incluyen:

El diseño y el rendimiento de los bogies ha cambiado drásticamente en los últimos 20 años debido a varios problemas. Sin embargo, especialmente el uso intensificado de métodos digitales facilitará más mejoras en los próximos 20 años.

Dipl.-Ing. kurt strommer ha sido director de gestión de cartera de productos y desarrollo avanzado para bogies en Siemens Mobility Austria GmbH en Graz desde 2009. Estudió ingeniería mecánica en Montanuniversität Leoben. Lleva 26 años trabajando para Siemens Mobility. Kurt comenzó como Gerente de Proyectos para Bogies de vehículos de Tren Ligero y Metro y ocupa su cargo actual desde 2009.

Dr. Tomas Mosmartillo ha sido Jefe de Estructura-Simulación-Validación para Bogies en Siemens Mobility Austria GmbH en Graz desde 2016. Estudió ingeniería mecánica en la Universidad Técnica de Viena y una Tesis Doctoral en la Universidad Técnica de Graz. Ha estado trabajando para AVL durante seis años, MAGNA STEYR durante ocho años y Siemens Mobility durante 16 años. Comenzó en Siemens Mobility como Jefe del Departamento de Simulación y Pruebas. Además, Thomas tiene el rol de líder del área de innovación para Métodos Avanzados, Digital Twins y EN-Data Analytics, Lean Development.

en dr. tecn. Martín Rosenberger Estudió Mecatrónica en Ingeniería Mecánica en la Universidad Tecnológica de Graz, seguido de un doctorado en Dinámica de vehículos, Desgaste de ruedas y rieles y Guiado activo de ruedas y rieles. Trabajó durante 13 años en Investigación y Desarrollo, y se unió a Siemens Mobility en 2016. Su puesto actual es Jefe del Departamento de Dinámica, Acústica y Análisis de Vehículos en el Segmento de Ingeniería de Bogie en Siemens Mobility Austria GmbH en Graz.

Edición 1 2023

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