4. SOLDADURA DE RIELES

4.1 Riel Soldado

En vías férreas, se denomina soldadura, juntura o junta al sector de unión de los railes o rieles. Constituye el punto débil de la vía, especialmente desde el punto de vista dinámico con el uso de eclisas aseguradas por pernos. El paso de la rueda por la juntura determina un choque, cuyos efectos negativos son aumentar la resistencia a la tracción, colaborar al desplazamiento longitudinal de los railes, producir el machacado del balasto e imponer al rail flexiones y deformaciones que pueden llegar a ser permanentes, siendo esta la razón de su sustitución por la soldadura (RCS), que aporta grandes ventajas con la continuidad de la vía, y menor mantenimiento, mayor vida útil tanto de la vía como de las traviesas, menor resistencia a la rodadura.

Las junturas eclisadas tienen como función básica el permitir la dilatación térmica de los raíles ante los cambios de temperatura. En el caso de las uniones soldadas, el problema de dilatación se acentúa, aunque a partir de 12 m, el rozamiento que realizan las sujeciones absorbe todos los esfuerzos de dilatación, con lo que el cálculo puede ser realizado como una viga empotrada de 12 m.

Hay diversas clases de junturas abiertas (con eclisas), normalmente a tope, en cuanto a su disposición, pueden ser junturas alternadas o enfrentadas. Las enfrentadas acentúan el galope de los vehículos y las alternadas, la oscilación respecto al eje longitudinal, siendo estas las usadas en España antes de ser sustituidas por las soldadas. De acuerdo con el tipo de apoyo, se clasifican en suspendidas (cuando se ubican entre durmiente y durmiente) o apoyadas (cuando se ubican sobre un durmiente). También hay eclisas provisionales, combinadas para unir diferentes perfiles, o aisladas eléctricamente, tanto con aislante o pegadas.

La mínima longitud de una vía para que se considere el rail continuo soldado (RSC) es variable y depende del tipo de rail, sujeciones, traviesas, balasto y régimen térmico de la zona. En general, se estima que es de 200 m, con los railes soldados en planta por soldadura eléctrica varían entre 120 y 800 m.

Desde comienzos de siglo 20 los ferrocarriles se han preocupado de eliminar las junturas de los rieles, las cuales se consideraban un mal necesario ya que la longitud del riel estaba limitada, por un lado por las posibilidades de laminación y transporte; y por otro lado, por el problema de la dilatación térmica. En la actualidad estos problemas se han solucionado y no hay inconvenientes en transportar barras largas de 120 m hasta 800 m y de soldar en terreno vías continuas de largos indefinidos.

Las ventajas del riel soldado continuo son numerosas, entre las que pueden citarse:

Ahorro de eclisas y pernos Ahorro de conexiones eléctricas para el paso de las corrientes de señalización y de retorno de

tracción La vida útil de los rieles aumenta hasta en un 30% Los gastos de conservación pueden disminuir hasta un 50% Se reduce el número de averías del riel, especialmente en los agujeros de las junturas Disminuye la resistencia a la rodadura Aumenta la duración de los durmientes, especialmente los de hormigón

Los requisitos de la vía soldada continua para garantizar la necesaria seguridad del servicio son:

o Se requieren ciertos radios de curvas mínimos para evitar que se presenten fenómenos de inestabilidad elástica que dependen, entre otros factores, de la calidad de la vía. En España se sueldan vías con durmientes de madera, con curvas de radio hasta de 450 m, y con durmientes de hormigón hasta de 300 m. En Chile, EFE ha establecido en sus Normas Técnicas de Construcción de la vía, el radio mínimo para instalar riel soldado continuo, los cuales dependen del perfil del riel, del tipo de durmiente, de la sujeción y del perfil del balasto.

o Plataforma estable, es decir, no sujeta a deformación ni tensiones importante.o Balasto permeable y perfil completo del mismo, consolidado hasta las cabezas de los

durmientes.o Sujeciones que proporcionen una elevada resistencia al movimiento del riel, tanto

transversal como longitudinal.o Cuidadosa conservación y bateo, de manera que se mantengan en buen estado los

perfiles longitudinales y transversales de la vía.o Control periódico del movimiento de los rieles mediante apropiadas referencias de

posición.o Cuidadosa neutralización de las tensiones internas de la vía.o Los puentes sin balasto no deben transmitir esfuerzos de origen térmico al riel

soldado continuo.o No deben disponerse los comienzos del riel soldado continuo en los cambios de

perfil; juntas de frenado o de arranque habitual, ni en pasos a nivel.

Las condiciones de la vía para establecer Riel Soldado Continuo (RSC) en las líneas de EFE en Chile, están establecidas en sus normas técnicas para la construcción de vías férreas.

Actualmente, en todos los países se da preferencia para construir las vías férreas con riel soldado continuo (RSC), especialmente si se ocupan durmientes de hormigón y en vías de cierta velocidad.

La mínima longitud de una vía para que se considere RSC es variable y depende del tipo de riel, sujeciones, durmientes, balasto y régimen térmico de la zona. En general, se estima que es de 200 m. En Chile, la norma de EFE estima esta distancia en 300 m.

4.2 Procedimientos para la Construcción de RSC

Los procedimientos de soldadura usuales para rieles son básicamente dos:

Soldadura Eléctrica por resistencia Soldadura Aluminotérmica por fusión

Se ha efectuado diversos ensayos y experiencias para soldar rieles en terreno mediante máquinas de arco eléctrico, hasta la fecha sin resultados concluyentes. Las soldaduras son de menor costo y requieren algo menos preparación y acabado, pero también requieren de máquinas y soldadores especializados, y producen tensiones indeseadas en los rieles, que pueden llegar a la fractura. Mientras no se desarrolle un procedimiento de soldadura de resultados comprobados, no se recomienda utilizar este procedimiento.

La soldadura eléctrica puede hacerse en taller con máquinas estacionarias o en terreno con equipos móviles. La soldadura aluminotérmica se hace con equipos portátiles, básicamente en el terreno. Una comparación entre los dos sistemas debe considerar que:

1. Con la soldadura eléctrica se consiguen uniones de mayor calidad, tanto respecto de las características geométricas como las estructurales.

2. El ciclo de funcionamiento de la soldadura eléctrica es automático y no necesita soldadores especializados.

3. La producción de una planta de soldadura de rieles puede ser alta, para hacer el proceso compatible con los programas de instalación de RSC en extensas secciones de vía.

4. El costo inicial del equipo estacionario de soldadura eléctrica es elevado; generalmente se trata de una planta que tiene una cierta capacidad de proceso y una serie de instalaciones auxiliares y complementarias para el manejo y tratamiento de los rieles.

5. La soldadura eléctrica en terreno requiere de un vehículo autopropulsado especializado, también de alto costo inicial.

Por otra parte,

6. La soldadura aluminotérmica implica ocupaciones de vía de muy corta duración, al contrario de la eléctrica, que exige largos intervalos de cortes de vía para reemplazar los rieles eclisados por los soldados.

7. La soldadura aluminotérmica es más cara que la eléctrica, considerando todos los factores de costo.

8. La ejecución de las soldaduras aluminotérmicas requiere de mucha mano de obra y de soldadores especializados.

En general las soldaduras en terreno son menos usadas, principalmente porque la soldadura de los rieles va aparejada con un mejoramiento de los extremos de los rieles, fatigados y a veces deformados en las junturas. Este mejoramiento puede implicar cortar los extremos agujereados y enderezarlos o reperfilarlos, todo lo cual se hace en taller.

Considerando lo expuesto, el procedimiento más usual para la construcción de RSC es:

a. Los rieles, ya sea nuevos o de reempleo mejorados, se sueldan en planta con soldadura eléctrica, formando barras largas de 120 hasta 800 m. En Chile se usan barras de 120 m por su mayor facilidad de transporte y manipulación.

b. Estas barras se trasladan al lugar de colocación y se construye la vía.c. En la vía se forma RSC uniendo las barras de 120 m con soldadura aluminotérmica.

4.3 SOLDADURA ELECTRICA POR RESISTENCIA

El principio del funcionamiento de este proceso consiste en hacer pasar una corriente eléctrica de gran intensidad a través de los metales que se van a unir. Como en la unión de los mismos la resistencia es mayor que en el resto de sus cuerpos, se generará el aumento de temperatura en la juntura (efecto Joule). Aprovechando esta energía y con un poco de presión se logra la unión. La alimentación eléctrica pasa por un transformador en el que se reduce la tensión y se eleva considerablemente la intensidad para aumentar la temperatura. La soldadura por resistencia es aplicable a casi todos los metales, excepto el estaño, zinc y plomo. En los procesos de soldadura por resistencia se incluyen los de:

Soldadura por puntos Soldadura por resaltes Soldadura por costura Soldadura a tope

En la soldadura por puntos la corriente eléctrica pasa por dos electrodos con punta, debido a la resistencia del material a unir se logra el calentamiento y con la aplicación de presión sobre las piezas se genera un punto de soldadura. La máquinas soldadoras de puntos pueden ser fijas o móviles o bién estar acopladas a un robot o brazo mecánico.

La soldadura por resaltes es un proceso similar al de puntos, sólo que en esta se producen varios puntos o protuberancias a la vez en cada ocasión que se genera el proceso. Los puntos están determinados por la posición de un conjunto de puntas que hacen contacto al mismo tiempo. Este tipo de soldadura se puede observar en la fabricación de mallas.

La soldadura por costura consiste en el enlace continuo de dos piezas de lámina traslapadas. La unión se produce por el calentamiento obtenido por la resistencia al paso de la corriente y la presión constante que se ejerce por dos electrodos circulares. Este proceso de soldadura es continuo.

La soldadura a tope consiste en la unión de dos piezas que se colocan extremo con extremo con la misma sección, éstas se presionan cuando está pasando por ellas la corriente eléctrica, con lo que se genera calor en la superficie de contacto. Con la temperatura generada y la presión entre las dos piezas se logra la unión.

4.4 SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA, ALUMINOTERMIA O SOLDADURA DE RIELES

Termita es un tipo de composición pirotécnica de aluminio y un óxido metálico, el cual produce una reacción alumino-térmica conocida como reacción termita. El aluminio es oxidado por el óxido de otro metal, comúnmente por óxido de hierro (herrumbre). Los productos de la reacción química son: óxido de aluminio + hierro elemental libre y una gran cantidad de calor. Los reactivos normalmente se pulverizan y mezclan con un aglomerante para mantener el material sólido y prevenir su separación.

La reacción es usada para la soldadura aluminotérmica frecuentemente utilizada para unir rieles ferroviarios. Se pueden usar algunos otros óxidos metálicos, tales como óxido de cromo, para generar metal elemental. La termita cúprica se produce usando óxido de cobre y es usada para crear uniones eléctricas en un proceso llamado "cadwelding". Algunas mezclas parecidas a la termita son usadas como iniciadores pirotécnicos como en los fuegos artificiales.

4.5 USOS CIVILES

La reacción de la Termita puede tener diversos usos. Fue usada originalmente para reparar y soldar in situ ruedas de ferrocarril en donde la reparación puede tener lugar sin quitar la pieza de su ubicación original. Puede ser usada para el corte rápido o soldadura de raíles sin requerir de equipo pesado.

A la reacción de la termita, cuando se usa para la purificación de menas, se le conoce como proceso termita o reacción aluminotérmica. Una adaptación de la reacción, usada para la obtención de uranio puro, fue desarrollada como parte del Proyecto Manhattan en el Laboratorio Ames bajo la dirección de Frank Spedding. Algunas veces es nombrado como el Proceso Ames.

Cuando la termita es fabricada usando óxido de hierro (III), para mayor eficiencia debe tener en masa 25,3% de aluminio y 74,7% de óxido de hierro. (Esta mezcla es vendida bajo el nombre comercial de Thermit como fuente de calor para soldar). La fórmula completa para la reacción usando óxido de hierro (III) es la siguiente:

ΔH = -851,5 kJ/mol.

Cuando la termita es fabricada con magnetita, para una máxima eficiencia debe contener en masa 23% de aluminio y 76,3% de óxido de hierro. La fórmula de la reacción usando magnetita es:

ΔH = -3347,6 kJ/mol

De manera interesante, una versión modificada de este proceso (verificándose bajo una atmósfera inerte) puede ser usada para producir varias aleaciones; generalmente la mezcla es encendida eléctricamente en ese caso. Esto ha sido usado para preparar aleaciones de níquel-aluminio entre otras.

La termita cúprica, bajo el nombre comercial de CADWeld, es usada para unir alambres de cobre para formar conexiones eléctricas.

Surgió a fines del siglo XIX, cuando Hans Goldscmidt A G Alemania, descubrió que la reacción exotérmica entre el polvo de aluminio y un oxido metálico en polvo, puede iniciarse con una fuente de calor.

Es un proceso de soldadura principalmente utilizado para la construcción de rieles de vías férreas. Este es un proceso exotérmico en el que se da una reducción del óxido de hierro por el aluminio.

La temperatura teórica para que se produzca la reacción es de 3100ºC, sin embargo por la adición de compuestos no reactivos, la perdida de calor por conducción y radiación, la temperatura se reduce a unos 2480 ºC. La cual se considera cercana a la máxima tolerable, ya que el aluminio se evaporiza a 2500 ºC, no obstante esta reducción en la temperatura debe de regularse, pues la escoria de aluminio solidifica a los 2040ºC.

Para mejorar el proceso se pueden adicionar ferro aleaciones compatibles a la química de las piezas a soldar, ya sea para aumentar la fluidez o para disminuir la temperatura de solidificación de la escoria. Las aplicaciones de este tipo de soldaduras son variadas entre ellas:

· Soldadura de Rieles: los que permiten hacer tramos continuos. Se puede realizar con o sin precalentamiento.

· Soldadura de Reparación: lo que permite reparar sectores dañados, usando moldes elaborados en el sitio.

· Conexiones Eléctricas: se usa una mezcla de termita y oxido de cobre (con polvo metálico para alear el cobre), se usan para unir conexiones de conductores y para poner tomas a tierra en rieles de acero usando moldes de grafito para fundir el cobre de unión.

Las normas F.A.7001 de noviembre del 67, con resolución P. No 830/7 y la ALAF 5-032, grupo B con emisión en junio del 2002, de la Asociación Latinoamericana de Ferrocarriles establecen las condiciones de preparación, procedimiento, herramientas, acabados, criterios de aceptación y rechazo, así como ensayos recomendados a la calidad de la soldadura.

El proceso de colocación de la soldadura, es el siguiente:

Preparación de la unión: se hacen guías dimensionales del tamaño real de la pieza,

se colocan las piezas a una separación de 2 a 6 mm por la contracción posterior

Aplicación del Molde: se coloca el molde encima de los rieles, si la soldadura es muy grande se usa un patrón en cera de la cavidad a soldar, se recubre este patrón con arena fractaria después de colocado en la zona a soldar, se coloca el portillo de calentamiento en el centro o hacia la cara de mayor superficie.

Precalentamiento: se derrite la cera con soplete y se deja escurrir, luego se aumenta el poder de la llama, secando bien todo el molde.Se precalientan las partes a soldar hasta los 800 a 1000ºC, se cierra el portillo de calentamiento por donde ha escurrido la cera, con un tapón de arena.

Colocación del Crisol: este es un recipiente de material refractario, en la zona superior se coloca un tapón de magnesita que se funde a la temperatura que se necesita para colar el metal. Se usan mezclas de termita para ajustar la temperatura en las secciones a soldar.

Colado del Material: después de alcanzadas las temperaturas de fundición (aprox. 2480ºC), la primera cantidad de material que se coló, pierde temperatura (escoria), por lo cual se descarta por medio de los boquetes que posee el crisol a ambos lados.

Retiro del molde: después del vertido se espera un lapso especificado por el fabricante de la porción de soldadura y se procede a romper el molde y cortar las rebabas, mediante trancha o corta mazarota.

Pulido de la Soldadura: se debe de dar un acabado, más o menos, de 2 a 5 mm de soldadura, mientras se encuentre caliente la misma.

Acabado Final: la soldadura está completamente terminada, lista para el uso.

Uno de los ejemplos más impresionantes de la utilización de este tipo de soldadura es el Estadio de la Universidad de Phoenix, en la ciudad de Glendale, Arizona, Estados Unidos. Posee una capacidad para 63.400 espectadores (ampliable a 73.000), fue inaugurado oficialmente el 1 de agosto de 2006, después de 3 años de construcción. Con un costo aproximado a los 455 millones de dólares y un área de 122m x 71m. Está considerado un icono arquitectónico en la región, y fue nombrado por la prestigiosa revista Business Week como uno de los 10 estadios deportivos más impresionantes del mundo, al combinar su techo retráctil con el terreno de juego de hierba natural. Es el único estadio estadounidense citado en dicha lista. El Arquitecto Peter Eisenman en colaboración con HOK Sport, realizo el diseño del exterior y la obra ingenieril estuvo a cargo de Walter P Moore Ingenieros y Consultores.

EJEMPLOS DE DISEÑO

FERROCARRILES RIEL - CALCULOS

UNO DE LOS FACTORES MAS IMPORTANTES PARA EL CACULO DE LOS RIELES ES EL PESO DE LOS VEHICULOS, YA QUE ES EL PUNTO DE CONTACTO ENTRE LA RUEDA Y EL RIEL SEGÚN LA CANTIDAD DE EJES. EN TODOS LOS VEHICULOS EL PESO BRUTO SE REPARTE EN TODOS LOS EJES DE MANERA UNIFORME Y SE EXPRESA COMO UN PESO MAXIMO POR EJE, QUE DEBE SER SOPORTADA POR EL RIEL. EL RIEL ES SUSTITUIDO MAS POR DESGATE O FATIGA QUE POR PROBLEMAS DE ORDEN ESTRUCTURAL.

PARA INICIAR EL CALCULO DEL RIEL SE DEBE CONSIDERAR LOS SIGUIENTE PASOS :

1) CONSIDERAR QUE EL RIEL SE COMPORTA COMO UNA VIGA CONTINUA APOYADA SOBRE LOS DURMIENTES.

2) CONSIDERAR SU COMPORTAMIENTO DINAMICO Y SU CAPACIDAD SE BASA EN LA VELOCIDAD, LA DISTANCIA ENTRE LOS DURMIENTES Y EL PESO BRUTO DEL EJE.

3) SE ELIGE UN PERFIL UNAS VEZ CALCULADO EL PESO. 4) SE CALCULAN LOS ESFUERZOS A LOS QUE ESTARA SOMETIDO Y SE PROCEDERA AL

CHEQUEO RESPECTIVO CON LOS ESFUERZOS PERMISIBLES POR NORMA.

FERROCARRILES CALCULO DEL RIEL

Figura 1: Esquema de Cálculo del Riel (Peralte) Q x ;Q y y Q.

PARA ENTRAR YA DIRECTAMENTE EN EL CÁLCULO DEL RIEL SE CONSIDERA LOS SIGUIENTES ELEMENTOS PARA SU DISEÑO Y POSTERIOR VERIFICACION COMO LO SON:

CARGAS EN PROYECCION HORIZONTAL GENERADAS POR EL PESO PROPIO DEL TREN; EN EL CASO DE EXISTIR ALGUN PERALTE, LLAMASE PARA FACILITAR EL TERMINO CASO DE

“VIGA INCLINADA” EN ACERO ESTRUCTURAL, SU COMPORTAMIENTO SE CONSIDERA UN CASO DE FLEXION BIAXIAL POR LO QUE OBLIGA A LA DESCOMPOSICION DE LA CARGA VERTICAL LO QUE VIENE A REAFIRMAR EL PUNTO ANTERIOR.

EL ANCHO TRIBUTARIO ENTRE RIELES SEGÚN SEA EL TIPO DE VIA A CALCULAR, EN CUANTO A LAS CARACTERISTICAS DEL TREN.

ASUMIR ALGUN TIPO DE LOS PERFILES QUE SE PUEDEN APRECIAR EN LA LAMINA SIGUIENTE, PARA CONSIDERAR TANTO SU PESO COMO SUS CARACTERISTICAS;

ESTABLECER O CONOCER LA PENDIENTE O PERALTE DE LA VIA Y LA LONGITUD DEL PERFIL. HAY QUE RECORDAR QUE SE CALCULA COMO UNA VIGA CONTINUA PARA PODER DETERMINAR LOS MOMENTOS NECESARIOS PARA PORDER A CIENCIA CIERTA SABER QUE PERFIL UTILIZAR.

CALCULAR EL ESFUERZO MAXIMO CAPAZ DE SOPORTAR EL PERFIL. SI YA HABIAMOS PREESTABLECIDO ALGUNO SE PROCEDE A REALIZAR EL CHEQUEO RESPECTIVO.

FERROCARRILES RIELES – EJEMPLO DE CALCULO

SUPONER RIELES PARA UNA VIALIDAD CON EL 4% DE PENDIENTE, LA LONGITU DEL RIEL SERA DE 6,00 MTS (PARA EL CASO DEL EJERCICIO NO IMPLICA QUE SEA ASI EN EL CAMPO), LA SEPARACION ENTRE EJES SERA DE 1,41. CHEQUEAR EL PERFIL SUGERIDO (VIGNOLE). SUPONGA UN PESO DEL “CAUCHO” o “RUEDA” DEL TREN DE 37 Kg/ml.

SOLUCIÓN:

CALCULAR LAS CARGAS EN PROYECCION HORIZONTAL: PROCEDEMOS A REALIZAR LA SUMATORIA DE CARGAS:

37 Kg/ml DE LA RUEDA + 23 Kg/ml “ASUMIDO DEL RIEL” NOS ARROJA UN VALOR DE 60 Kg/ml QUE VAMOS A DESCOMPONER TANTO EN UN EJE X-X COMO EN UNO Y-Y. Q y = 60Kg/ml*cos α y Q x = 60 Kg/ml* sen α DONDE “ α ” ES EL ANGULO DE INCLINACION DADO QUE SE DETERMINA CALCULANDO EL arctang (0,04) = 2,29°.

CALCULAR LOS MOMENTOS: COMO SE DIJO QUE SE CALCULABA COMO UNA “VIGA CONTINUA” Y NO ESTAMOS DISCRIMINANDO LA CANTIDAD DE DURMIENTES VAMOS A SUPONER QUE LA LONGITUD ES DE 6,00 MTS Y PROCEDEMOS A CALCULAR LOS MOMENTOS GENERADOS EN AMBOS SENTIDOS: M x = Q y *L2/8 y M y = Q x *L 2 /8 ES DECIR NOS QUEDA QUE Q x = 2,40 Kg/mlY Q y = 59,95 Kg/ml LO QUE ARROJA COMO RESULTADO QUE M x =59,95*(6) 2 /8= 269,78 Kg-m y M y = 2,40*36/8 = 10,80 Kg-m

CALCULAR LOS MODULOS DE SECCION: COMO YA DISPONEMOS DE ESOS DATOS EN LAS CARACTERISTICAS PROPIAS DEL PERFIL SOLO PROCEDEMOS A CALCULAR EL ESFUERZO MAXIMO PERMISIBLE:

f máx.= M x /S x + M y /S y DEBE SER MENOR AL ESFUERZO PERMISIBLE POR NORMA QUE EN EL CASO DE ACERO ESTRUCTURAL SE CONSIDERA 0,66Fy. (EL PARTICIPANTE DEBERA DISPONER DE LA NORMA CORRESPONDIENTE A SU PAIS). SI EL ESFUERZO ACTUANTE ES MAYOR A PERMISIBLE HABRA QUE REALIZAR OTRA ITERACION CON OTRO PERFIL Y/O COLOCAR ALGUN ELEMENTO QUE PERMITA REDUCIR LOS MOMENTOS.

5. DESCRIPCIÓN DE LOS ACCESORIOS DE UNIÓN Y APARATOS DE VIA EN GENERAL,FUNCIONES QUE CUMPLEN

5.1 ACCESORIOS DE UNIÓN

5.1.1 Sujeciones y Fijaciones

5.1.2 General

Las sujeciones y fijaciones son los elementos que hacen posible la continuidad estructural de la vía, uniendo el riel con los durmientes. Las principales funciones que deben desempeñar son las siguientes:

Fijar los rieles a los durmientes. Asegurar la invariabilidad del ancho de la vía. Facilitar la transferencia a la infraestructura de las acciones estáticas y dinámicas ejercidas

por el material rodante sobre la estructura de la vía.

Las características básicas de las sujeciones de rieles son:

o Tener resistencia mecánica y elasticidad adecuadas y constantes a lo largo de la vida de la sujeción.

o Contribuir al buen aislamiento eléctrico entre ambos rieles. o Constar del menor número posible de elementos de peso mínimo, lo que facilitará su

fabricación, montaje y conservación. o Ofrecer un bajo costo, tanto en su fabricación como en su explotación y

mantenimiento. o Poseer una gran duración.

Habitualmente la interfaz entre el riel y el durmiente consiste en una placa metálica o elástica, o ambas, con lo cual se reduce la presión específica transmitida por el riel, protegiendo a los durmientes y dando elasticidad a la vía. Otras funciones que desempeñan las placas metálicas, denominadas sillas de asiento y las placas elásticas son:

Servir de conexión entre el riel y el durmiente por medio de las sujeciones indirectas (silla de asiento).

Contribuir al correcto posicionamiento del riel en el durmiente, tanto por lo que respecta al ancho de la vía como a la inclinación del aquél (silla de asiento).

Contribuir a evitar el desplazamiento longitudinal de los rieles (placas elásticas). Amortiguar las vibraciones que el riel transmite al durmiente (placas elásticas). Hacer solidarias todas las sujeciones de la silla de asiento para evitar los desplazamientos

laterales del riel.

En atención a los elementos que las constituyen y la forma en que éstos se dispongan, las sujeciones pueden clasificarse en tres grupos.

a. Sujeciones directas: La sujeción del riel y la silla de asiento al durmiente se hace mediante un conjunto de elementos trabajando en paralelo.

b. Sujeciones indirectas: La sujeción de la silla de asiento al durmiente se realiza por medio de grupos de elementos independientes, los que cumplen la función de fijar el riel a la silla de asiento.

c. Sujeciones mixtas: La sujeción de la silla de asiento al durmiente es independiente y otro conjunto de elementos sujeta el riel a la silla de asiento y al durmiente.

Respecto a su elasticidad, las sujeciones pueden clasificarse en dos grupos:

1. Sujeciones rígidas. La transmisión de esfuerzos entre el riel y el durmiente se realiza a través de elementos rígidos.

2. Sujeciones elásticas. La transmisión de los esfuerzos del riel al durmiente se efectúa por un conjunto de elementos elásticos.

Las sujeciones rígidas, históricamente las más utilizadas, tienen como inconveniente el que la calidad de sus funciones se deteriora con bastante rapidez bajo la acción de las cargas rodantes, y con el paso del tiempo darán lugar al desarrollo de holguras y desajustes debido a que las deformaciones sufridas son permanentes y como son sucesivas, tienen un carácter progresivo. Esto requiere una frecuente intervención de la vía para restituir sus condiciones geométricas, lo que implica elevados costos de mantenimiento.

Por el contrario, las sujeciones elásticas son capaces de deformarse y recuperar esta deformación, por lo que si están bien calculadas y construidas, mantienen durante mucho tiempo una adecuada calidad de la vía con una rodadura más suave y menores costos de mantenimiento .

De acuerdo a la tipología de sus elementos principales y con su forma de actuar, las sujeciones se pueden clasificar en los siguientes tipos:

a. Sujeciones rígidas clásicasb. Clavos elásticosc. Sujeciones elásticas de lámina o grapad. Sujeciones elásticas de clip.e. Sujeciones al desplazamiento longitudinal

5.1.3 Sujeciones Rígidas Clásicas

La sujeción se consigue por medio de un elemento rígido que se introduce clavado o atornillado en el durmiente por uno de sus extremos y que, por el otro, actúa sobre la zapata del riel, produciendo así su efecto de sujeción. Existen dos tipos fundamentales de estas sujeciones; los clavos rieleros y los tirafondos.

5.1.4 Clavos Rieleros

Este sistema fue muy utilizado en los ferrocarriles, con silla de asiento o sin ella. Pese a que en la actualidad está siendo reemplazado por otros sistemas más modernos, existen extensas secciones de vía, especialmente en Norteamérica, con sujeciones de clavos. En Chile, la mayoría de las vías secundarias y de trocha angosta tienen sujeciones de clavos .

La sujeción consiste en clavos de sección cuadrada con punta biselada que se hinca en el durmiente y cuya cabeza se prolonga hacia un lado para quedar sobre la zapata del riel. La fuerza de sujeción es proporcionada por el rozamiento de la parte clavada con la madera. La cantidad de clavos por durmiente puede variar entre 4 y 8, dependiendo de las solicitaciones de la vía. En vías de bajo tráfico y en recta, basta con 4 clavos por durmiente .

Las sillas de asiento son especialmente necesarias en las sujeciones de clavos. Generalmente se usan sillas de asiento con pestañas para encajar en la silla la zapata del riel, proporcionando así sujeción adicional para los esfuerzos transversales.

Aunque este sistema tiene ventajas por su facilidad de instalación y el pequeño número de piezas que se ocupan, tiene el serio inconveniente que a causa de los movimientos verticales dinámicos por la carga y las flexiones del riel, los clavos se desclavan acumulándose la presión sobre la zapata y disminuyendo la resistencia al deslizamiento frente a esfuerzos longitudinales. Esto acelera el proceso de degradación de la vía .

El aflojamiento de las sujeciones de clavos se puede combatir inicialmente mediante reclavamiento, pero posteriormente los durmientes pierden la facultad de retener el clavo y deberá procederse ya sea a cambiarlos de ubicación, clavándolos en un agujero nuevo, o reparar los agujeros existentes mediante la inserción de tarugos de madera o de retenedores metálicos o plásticos, todo lo cual implica elevados costos de mantenimiento.

5.1.5 Tirafondos

Este sistema es muy usado en todo el mundo y es la sujeción tradicional y más adecuada para durmientes de madera. También se utiliza en durmientes de hormigón, con adecuados insertos para atornillar los tirafondos .

Se trata de elementos de acero cilíndricos, cónicos, con un filete o rosca helicoidal, cuya cabeza se

ensancha para comprimir la zapata del riel y está coronada por un cono cuadrado o rectangular que sirve para atornillar o aflojar el tirafondo.

Las sillas de asiento son también necesarias y, al igual que para las sujeciones de clavos, se usan sillas con pestañas para encajar la zapata del riel.

Este sistema tiene similares ventajas que los clavos rieleros, pero su resistencia a los esfuerzos verticales es mucho mayor que los clavos, ya que aquí no sólo actúan fuerzas de rozamiento, sino que la rosca hace resistir a la madera una solicitación cortante. Sin embargo, por ser una sujeción rígida, a la larga se produce la anulación de la presión efectiva sobre el riel. Por esta razón, este sistema no es conveniente para vías de alta solicitación, como son las que tienen riel soldado continuo.

Al igual que con las sujeciones de clavos, el aflojamiento de las sujeciones de tirafondos puede combatirse inicialmente mediante reapriete de los tirafondos, pero posteriormente los durmientes pierden la facultad de retenerlos y deberá procederse ya sea a cambiarlos de ubicación, atornillándolos en un agujero nuevo, o reparar los agujeros existentes mediante la inserción de retenedores metálicos o plásticos, todo lo cual implica elevados costos de mantenimiento.

Además de su utilización en las sujeciones directas, los tirafondos son muy adecuados y empleados en las sujeciones indirectas, especialmente en durmientes de madera donde su comportamiento es muy satisfactorio, ya que las vibraciones son amortiguadas por la parte elástica de la sujeción, como es el caso de la sujeción K-Z empleada por EFE.

5.1.6 Clavos Elásticos

Este tipo de clavos es un intento de combinar las sujeciones clásicas de clavos rieleros con las ventajas de la sujeción elástica. Estos clavos pueden ser sencillos o dobles dependiendo del número de vástagos separados que se clavan en el durmiente.

La fuerza de anclaje de estos clavos se consigue como en el caso de los clavos rieleros, por rozamiento de la parte hincada, reforzado por la deformación del clavo en su posición de trabajo, lo que aumenta la presión de la superficie de los vástagos contra la pared del orificio. La presión sobre la zapata del riel se logra por la respuesta elástica de la cabeza del clavo a la deformación producida por su apoyo sobre aquel.

En general, este tipo de clavos está constituido por una barra de acero especial (acero de resortes) de sección cuadrada o circular, plegada de tal forma que haga presión sobre la zapata del riel. Existen numerosos tipos de clavos elásticos según la experiencia de diversos países, la mayoría de los cuales pueden usarse con o sin sillas de asiento sobre durmientes de madera. Proporcionan un buen apriete sobre la zapata, el cual varía entre 400 y 1800 kg por cada clavo, lo cual depende del tipo de clavos y de la calidad de la madera. En general para maderas blandas, con el tiempo se produce un desclavado, con lo cual, se disminuye e incluso se anula la presión sobre la zapata.

En Chile no se ha usado el clavo elástico y, en el caso de hacerlo, se deberá experimentar si es compatible con las maderas disponibles.

5.1.7 Sujeción Elástica de Lámina o Grapa

El elemento común de todas las sujeciones incluidas en este grupo es una pieza constituida por una lámina de acero elástico, plegado o recortado en forma adecuada, según el modelo de sujeción, que es el que proporciona la fuerza elástica de la sujeción, por su trabajo a flexión.

Completa el sistema de sujeción un elemento de fijación de la lámina elástica al durmiente, que es el que proporciona la reacción necesaria para que esta lámina pueda realizar su trabajo a flexión.

Un ejemplo de la sujeción elástica de lámina es la tipo RN, usada en Francia y España, aunque esta sujeción se está retirando del servicio, después de más de 40 años de uso. Esta sujeción está integrada por varias piezas:

Una grapa de doble hoja con un bucle galvanizado de acero al cromo y con la hoja superior más larga que la inferior.

Un tornillo de acero cuya cabeza se ancla en el durmiente metálico o de hormigón y la grapa se sujeta con la tuerca correspondiente. Para durmientes de madera, el tornillo se reemplaza por un tirafondo.

Una placa de caucho acanalada de 4,5 mm de espesor entre el riel y la silla o el durmiente metálico o de hormigón.

Esta sujeción es regulable y debe ser inspeccionada y reapretada cada cierto tiempo. Se adjunta plano con detalles de la sujeción .

Basadas en esta sujeción, se crearon otras muy similares, como son CIL- Kowa Kasei- IB, KB, K, etc. cuyo funcionamiento es muy parecido .

Otra sujeción de procedencia francesa, y que se usa en Francia especialmente, es la tipo "Nabla", también basada y perfeccionada a partir del tipo RN. Esta sujeción se usa en durmientes de madera y durmientes de hormigón y es una fijación directa doblemente elástica. Los componentes principales son:

o Una grapa constituida por una hoja de acero de resorte de forma trapezoidal de doble curvatura y cuya parte más ancha del trapecio se apoya sobre la zapata del riel. Esta hoja tiene un grosor de 4 mm. La parte más angosta del trapecio apoya en el durmiente sobre una pieza metálica que reparte el esfuerzo sobre la madera también se usa con silla de asiento especial.

o Un tornillo de acero cuya cabeza se ancla en el durmiente de hormigón. La grapa se sujeta con una tuerca. Para durmientes de madera se usa un tirafondo.

o Una placa de caucho acanalada de espesor variable colocada entre el riel y la silla de asiento o sobre el durmiente.

Al igual que la RS, esta sujeción es regulable y debe ser inspeccionada periódicamente. En Anexos se adjunta plano con detalles de la sujeción

En Chile se usa la sujeción denominada K-Z, que es un adaptación de la sujeción K alemana. La

sujeción K se desarrolló en Alemania para colocarla en riel soldado continuo con durmientes de madera y de hormigón, y es una sujeción indirecta.

La sujeción K-Z esta formada por una silla de asiento nervada, sujeta al durmiente por medio de 4 tirafondos. Sobre esta silla se coloca el riel, separado de la silla por una placa elástica, y en unos alojamientos practicados al efecto en los nervios de la silla, se introducen las cabezas de dos pernos, quedando con la parte roscada hacia arriba. Ensartados en estos tornillos, se colocan láminas en forma de puente que apoyan por un lado sobre la placa de asiento y por el otro, en el patín del riel, quedando aseguradas por medio de tuercas y arandelas elásticas en el hilo del perno.

Esta sujeción se emplea en Chile con durmientes de madera, pero también se puede emplear con durmientes de hormigón, para lo cual es necesario embutir unos tarugos de madera o plástico en el hormigón para permitir atornillar los tirafondos. Su uso ha dado buen resultado, pese a tratarse de una sujeción cara y complicada.

Como las anteriores, esta sujeción es regulable y debe ser inspeccionada y reapretada periódicamente. Además, las arandelas elásticas que la componen deben ser reemplazadas cuando pierden sus características elásticas. En Anexos se adjunta el plano con la sujeción K-Z.

5.1.8 Sujeción Elástica de Clip

La base de este tipo de sujeción es una barra de acero, de elevada elasticidad y sección casi siempre circular, plegada de tal modo que su deformación en el momento del montaje de la sujeción proporciona una fuerza elástica, que es la utilizada para fijar el riel. Esta pieza es denominada "clip" .

Completa el sistema otro elemento fundamental que es el soporte, el cual tiene diversas formas para adaptarse a los clips, con el objeto de poder sujetarlo al durmiente, proporcionando la reacción necesaria a la fuerza elástica de aquél. Esta sujeción en general no requiere regulación y mantiene siempre la misma fuerza de apriete sobre la zapata del riel .

La sujeción de este tipo más usada es el "e-clip" de "Pandrol" que es utilizada prácticamente en todo el mundo. En Chile, es la única sujeción que, hasta la fecha, se usa en los durmientes de hormigón .

La sujeción "e-clip" de Pandrol está formada por los siguientes elementos:

Dos alojamientos de acero fundido, que se anclan en el durmiente de hormigón en el momento de su fabricación, uno a cada lado de la ubicación del riel.

Dos clips elásticos, de sección circular, que proporcionan una presión constante sobre la zapata del riel una vez en su posición.

Una placa elástica de amortiguación, que se coloca entre el riel y el durmiente. Opcionalmente, dos aisladores de material sintético, que se colocan entre el clip y el riel, para

asegurar el aislamiento eléctrico del sistema.

La sujeción puede también utilizarse con durmientes de madera, para lo cual hay una serie de adaptadores que permiten instalar los clips en las sillas de asiento. También pueden utilizarse en durmientes metálicos. .

En Anexos se muestra el detalle de la sujeción "Pandrol" sobre durmiente de hormigón que se usa en Chile. .

En los últimos años, Pandrol ha introducido en el mercado una variante de esta sujeción denominada "Fastclip" que representa una mejora respecto del "e-clip" y que se utiliza en las nuevas instalaciones en Europa y Estados Unidos. El sistema Fastclip tiene varias ventajas sobre el anterior, entre las cuales sobresalen.

o Todos los componentes se preensamblan en la fábrica de durmientes de hormigón.o Costos reducidos de instalación y de fijación del riel a la temperatura adecuada.o Todos los componentes permanecen acoplados al durmiente durante las operaciones

de fijación y de cambio de riel.o Excepcional durabilidado El apriete de un sólo elemento puede llegar hasta 1.250 kg. El clip Pandrol original

tenía un apriete de aproximadamente 700 kg.o De bajo perfil.

En Anexos se entrega el plano de detalle de la sujeción "Fastclip" de Pandrol. Ambos sistemas, el "e-clip" y Fastclip, pertenecen al grupo de sujeciones denominadas fit & forget, por no requerir de mantenimiento, salvo el reemplazo de sus elementos a los 10 años (elementos plásticos) y a los 20 años (clips) .

Otra sujeción de clips elásticos es la tipo Vossloh, que usa el clip elástico SKL-1. Es de origen alemán y se emplea en Alemania y España. Sus características son:

Puede usarse en durmientes de madera, metálicos u hormigón. Utiliza una silla de asiento metálica nervada, de forma que permita el alojamiento de la

zapata del riel, cuya posición queda asegurada con ayuda de los clips elásticos SKL-1, que trabajan a flexión y torsión combinadas.

Los clips están sujetos al durmiente con un tirafondo, el que les da la tensión necesaria. Entre el riel y la silla se coloca una placa elástica. Siendo esta tensión regulable, debe ser inspeccionada y reapretada cada cierto tiempo.

Aún otro modelo de clip elástico que ha subsistido es la sujeción tipo DE o Deenik. Esta sujeción es similar al "e-clip" de Pandrol, con la diferencia que el clip está formado por una barra de sección cuadrada que, en forma de una doble C, aprieta en forma elástica la zapata del riel. El clip trabaja a la flexión y no a la torsión.

Esta sujeción está en desuso debido a que los clips pierden rápidamente su capacidad elástica, pero se mantiene en el mercado en forma marginal debido a su bajo precio.

Dentro de las sujeciones de bajo precio puede mencionarse la Gaugelock® de Pandrol, que se utiliza en durmientes de madera en vías de bajas solicitaciones. Está compuesta por dos clips elásticos que se aprisionan contra el durmiente mediante tirafondos, proporcionando sobre la zapata del riel una fuerza de aproximadamente 500 kg cada uno. Esta sujeción puede utilizarse sin silla de asiento y ha sido instalada en Chile en el FCAB y en el Ferrocarril de Arica, con buenos resultados

.

Hay asimismo una larga serie de variantes de sujeciones elásticas de clip, la mayoría de las cuales ya sea no ha dado los resultados esperados, o sus resultados no justifican ya sea el mayor precio o su complejidad.

5.1.9 Sujeciones al Desplazamiento Longitudinal

Un fenómeno que es habitual en todos los ferrocarriles es el desplazamiento longitudinal de los rieles en relación a los durmientes, lo que causa diversos problemas y desajustes de la vía, daños en las junturas, etc .

Las causas principales de estos desplazamientos son las siguientes.

Reacciones a esfuerzos motores y de frenado. Alargamiento y acortamiento de los rieles bajo la sección de los esfuerzos térmicos. Acciones dinámicas de las ruedas sobre los rieles en las junturas. Reacción a los esfuerzos longitudinales transmitidas por la rueda al riel. Flexión de los rieles bajo las cargas.

Con el uso de las sujeciones elásticas este fenómeno desaparece ya que estas sujeciones aprietan el riel contra el durmiente con fuerza superior a la resistencia que hace el balasto al desplazamiento longitudinal del durmiente.

Con el uso de las sujeciones rígidas directas de clavos rieleros o tirafondos, es necesario reforzar el sistema para evitar el desplazamiento. Esto se hace con antideslizadores, de los cuales los más usados son las llamadas anclas rieleras, que son unas piezas de acero de resorte o de acero fundido, que se sujetan a presión bajo la zapata del riel y se apoyan lateralmente en el durmiente impidiendo que el riel se desplace respecto de éste. En Chile se usan tres tipos de anclas, que son:

o PM Modelo "V"o PM Modelo IMPROVEDo "Woodings"

En Europa se usan antideslizadores para rieles de 45 kg, UIC-54 y UIC-60.

Se adjunta detalle de estos antideslizadores o anclas rieleras.

Antiguamente se usaba como antideslizador, una silla de asiento especial con un espaldón que se apoya en el alma del riel, a cual va apernada. Este sistema está en desuso por ser costoso de colocar o de cambiar de ubicación y daña el riel al ser necesario perforarlo para colocar el perno.

Las dotaciones de antideslizadores para las vías eclisadas y soldadas aparecen en la Norma Técnica EFE-NTF-11-003.

5.2 Junturas

5.2.1 General

Los rieles se fabrican habitualmente en largos entre 12 y 25 m. Para unir longitudinalmente estos rieles para formar la vía, tradicionalmente se ha usado unas piezas de unión denominadas eclisas mecánicas, aseguradas con pernos rieleros.

Las junturas eclisadas tienen como función básica el permitir la dilatación de los rieles ante los cambios de temperatura.

El sector de unión de los rieles se denomina juntura o maestra y constituye el punto débil de la vía, especialmente desde el punto de vista dinámico. El paso de la rueda por la juntura determina un choque, cuyos efectos negativos son aumentar la resistencia a la tracción, colaborar al desplazamiento longitudinal de los rieles, producir el machacado del balasto e imponer al riel flexiones y deformaciones que pueden llegar a ser permanentes.

Hay diversas clases de junturas abiertas, pero las más frecuentes son de tope, en que los rieles están cortados a escuadra y enfrentados.

Las junturas eclisadas tienen diversos inconvenientes, entre los cuales el más importante es su elevado costo de mantenimiento, por lo cual desde hace muchos años se ha tendido a utilizar rieles soldados ya sea en barras de mayor largo, o en forma continua. En estas barras largas se acentúa el problema de la dilatación térmica, la cual es contrarrestada mediante antideslizadores (anclas) o mediante sujeciones de alta capacidad de retención, las que se han descrito anteriormente.

5.2.2 Tipos de Junturas

De acuerdo a la distribución de las junturas en la vía, se utilizan dos disposiciones diferentes: juntas alternadas y juntas enfrentadas.

Juntas Alternadas. Son aquellas que no están enfrentadas en los dos rieles sino que se alternan en ½ a ¼ de riel. Con este sistema se evita que los vehículos caigan en la juntura simultáneamente en ambos rieles, pero en vías deformadas o en vehículos con defectos de suspensión puede dar lugar a una oscilación de los vehículos alrededor de su eje longitudinal. Esta disposición es usada en varios países, España entre ellos.

FIGURA 7-6

Juntas Enfrentadas. Ambos rieles tienen las junturas en un mismo plano perpendicular al eje de la vía, lo que produce un bache en ésta cada cierta distancia, lo que puede acentuar el movimiento de galope de los vehículos. Esta disposición también es ampliamente usada y es la utilizada en Chile en prácticamente la totalidad de las vías.

FIGURA 7-7

Considerando la forma de apoyo de la juntura, éstas pueden ser suspendidas o apoyadas

Las juntas suspendidas son las más utilizadas. Consisten en colocar la interrupción de los rieles entre dos durmientes, de forma que el punto de junta carezca de apoyo efectivo sobre los durmientes. Estas juntas son elásticas y el desgaste del extremo del riel es menor que en las juntas apoyadas. Su principal inconveniente consiste en que en esta disposición las eclisas trabajan a flexión en condiciones de alta solicitación. Para este tipo de juntura son favorables las eclisas largas de seis agujeros.

En Chile se usan las junturas suspendidas casi en forma exclusiva.

FIGURA 7-8

Las juntas apoyadas se usan menos. Consisten en que la interrupción de los rieles se coloca sobre uno o dos durmientes que le sirven de soporte, lo que le da una mayor resistencia a los desplazamientos transversales y verticales, pero estas tienen un carácter rígido y dificultan el trabajo de bateo bajo el durmiente.

FIGURA 7-9

De acuerdo a su perfil, las eclisas se clasifican en tres tipos: planchuelas, angulares y continuas.

Las eclisas planchuelas son las más usadas porque permiten colocar sillas de asiento en la juntura. Tienen una forma rectangular y dan un buen apoyo al riel en su cara inferior y en la cara superior de la zapata.

Las eclisas angulares tienen forma de L y cubren toda la parte superior de la zapata, impidiendo colocar la silla de asiento.

La eclisa continua cubre toda la zapata, impidiendo un buen apoyo del riel en el durmiente y dificultando la colocación de las sujeciones. Se usa poco y está quedando obsoleta.

Las eclisas pueden ser cortas, de 4 agujeros, o largas de 6 agujeros. Las largas son más convenientes en rieles en barras largas ya que tienen más pernos para resistir los esfuerzos causados por la dilatación de los rieles. También las eclisas largas ayudan a evitar la deformación vertical de los rieles en las junturas a causa del tráfico.

En los cuadros adjuntos se detallan los tipos de eclisas en uso en EFE y los pernos rieleros.

5.2.3 Junturas Especiales

5.2.4 Junturas Provisionales

Para unir provisionalmente dos rieles se usan eclisas que se unen al riel con prensas especiales, con un mínimo de 4 por juntura. La unión provisoria puede usarse en espera de soldar los rieles o para salvar en emergencia alguna falla del riel como quebradura, en espera de soldar los rieles o cambiarlos. Estas uniones deben cambiarse a la brevedad.

5.2.5 Eclisas de Combinación

Para unir dos rieles de diferente sección se emplean eclisas especiales proyectadas de tal manera que la superficie de rodadura de las cabezas de rodadura de los dos rieles queden a nivel. La fijación es mediante pernos en la misma forma que las eclisas corrientes.

FIGURA 7-10

5.2.6 Eclisas Aisladas

En los límites de los circuitos de vía se colocan juntas especiales que impiden el paso de la corriente eléctrica. Estas juntas están formadas por eclisas y pernos, los cuales están aislados de los rieles por placas y cilindros de material aislante.

Actualmente se usan las junturas encoladas, en las cuales se introduce un pegamento aislante en los huecos de las eclisas y del material aislante de manera de formar un material homogéneo que se puede colocar sin problemas en rieles soldados en forma continua.

5.3 APARATOS Y HACES DE VÍA

5.3.1 GENERALIDADES DE APARATOS DE VÍA

Los aparatos de vía tienen por objeto realizar bien el desdoblamiento o el cruce de las vías, aún cuando adoptan formas variadas, derivan todas ellas de los aparatos fundamentales siguientes:

El desvío, que permite el paso de los vehículos de una vía a otra (figura 5.1).

La entre vía, que permite realizar la conexión entre dos desvíos (figura 5.2).

En el desvío los ejes de ambas vías se juntan tangencialmente mientras que en la entre vía dichos ejes se cortan. Para efectuar la separación o el cruce de unas y otras filas de los rieles se emplean dos órganos, respectivamente llamados cambios de vía y cruzamientos.

Fig. 5.1 Desvío, que permite el paso de las circulaciones de una vía a otra.

Cuando dos vías se cortan, pueden hacerlo oblicua o perpendicularmente, dando lugar a dos tipos de aparatos completamente diferenciados: la entre vía oblicua y la entre vía rectangular de las cuales es

mucho más frecuente la primera. La entre vía oblicua puede ser además, recta o curva, según la configuración de las vías que se cruzan.

Fig. 5. 2 Entre vía, fuente que permite realizar el cruzamiento de una vía sobre otra.

Así en un desvío (figura 5.1) sencillo o de dos vías, y a partir del origen común de las vías, se encuentran sucesivamente el cambio, en el que se separan ambas vías de la izquierda y ambas filas de derecha; los rieles o agujas de unión, y el cruzamiento, en el que las dos filas interiores, una de derecha y otra de izquierda, se cruzan. En una entre vía oblicua (figura 5.3) se encuentran sucesivamente: un cruzamiento sencillo, análogo al anterior, en el que se cruzan filas de rieles de distinto nombre, es decir, la fila de la derecha de la vía izquierda con la fila de la izquierda de la vía derecha; rieles intermedios de unión; un cruzamiento doble propiamente dicho, frente a la intersección de los ejes de ambas vías, compuesta sobre cada vía por un doble cruzamiento, llamado también cruzamiento obtuso, en el que se cruzan filas del mismo nombre; nuevos rieles de unión; finalmente, un cruzamiento de salida análogo al cruzamiento de entrada.

Fig. 5.3 Entre vía oblicua.

5.4 ELEMENTOS BÁSICOS

Los elementos básicos de un aparato de vía, son principalmente, el cambio y el cruzamiento, los cuales serán desglosados por separado, incluyendo pautas de su construcción, generalidades, geometría, etc. El cambio de vía está constituido por un par de agujas de cambio con accesorios, un sapo, un par de guarda rieles y un juego de durmientes de cambio (figura 5.4). Los números indican las dimensiones dadas en la tabla 5.1.

Fig. 5. 4 El cruce consistente en dos cambia vías y una vía de conexión o enlace.

Tabla 5. 1. Características y dimensiones de los sapos, referencia a la figura 5.4.

Un sapo es un cruzamiento, unidad especial de construcción de vías férreas que permite que se crucen dos vías, se designan por número y tipo, el número es la relación de la distancia de la intersección de dos líneas de entre vía al ancho o distancia entre líneas de escuadra a esa distancia; el número de sapo determina el ángulo de sapo, el grado de curvatura de la desviación y la aguja, o distancia del punto de cambio al punto de sapo. A continuación se mostraran los sapos empleados donde se interceptan las vías. Figuras (5.5 y 5.6).

Fig. 5. 5 Sapo de acero-manganeso ligado al riel para vía principal.

Fig. 5. 6 Sapo auto guardado de acero-manganeso sólido para vías de patio.

El guarda riel se sujeta a cada riel opuesto, directamente a la aguja del sapo. El objeto es contactar la parte posterior de cada rueda que pasa y evitar que la ceja de la otra rueda del eje caiga del lado equivocado de la aguja del sapo. Los guarda rieles son de riel o de construcción de acero-manganeso fundido.

En un cambio se encuentran los siguientes elementos: dos agujas de cambio, un juego de placas deslizantes de cambio con riostras, varillas principal y de conexión y un poste cambia vía que será accionado manual o automáticamente (figura 5.7).

Fig. 5. 7 Cambio de agujas, recto, de mano izquierda.

5.5 CAMBIOS

5.5.1 ASPECTOS GENERALES

Constituyen, como se dijo, una parte del desvió que permite la separación de vías. Por extensión se las designa frecuentemente con el nombre de agujas.

Los aparatos de mayor empleo son los cambios sencillos, en los cuales, una sola vía, la vía desviada (figura 5.1), se separa de la vía general, llamada también vía principal o vía directa.

Los primeros cambios construidos (llamados en Francia Sautereles) se componían de agujas o rieles móviles, A1 B1 y A2 B2 (figura 5.8), articulados en el origen de la vía desviada, A1 A2, por medio de una junta floja, de este modo podían ponerse en prolongación de una u otra, de las vías divergentes. Claro es que con esta disposición, cualquier circulación que tomara la vía para la cual no están dispuestas las agujas, descarrilaría inevitablemente.

Fig. 5.8 Uno de los primeros cambios construidos (llamados en Francia Sautereles).

Por este motivo, no se emplea este tipo de cambio, ni otros derivados en las vías de líneas de explotación; su sencilla y robusta construcción le han hecho, generalizarse en las vías móviles de tra-bajos, sobre todo cuando sobre ellas se utilizan vagonetas movidas a brazo, por lo que se le designa, a veces, con el nombre de cambio de contratista.

Los aparatos ferroviarios comprenden por el contrario, en el interior de los dos rieles exteriores continuos C1 y C2 (figura 5.7), dos piezas, A1T1 y A2T2, móviles alrededor de sus extremos T1 y T2 del lado del cruzamiento, y de forma conveniente para adaptarse progresivamente a dichos rieles. Estas piezas, llamadas espadines de aguja o simplemente agujas, presentan una extremidad afilada, origen del desvió en el punto de su adaptación a los rieles exteriores, que se denominan contra agujas; el otro extremo T1 o T2, alrededor del cual se efectúa la rotación, recibe el nombre de talón.

En los cambios corrientes, ambos espadines se mueven solidariamente, a cuyo efecto se enlazan por dos o más tirantes, de los cuales el inmediato a la punta se articula a la barra de maniobra que pasa bajo los rieles; estos tirantes sirven también para mantener entre los espadines la separación apropiada para que cuando uno de ellos se encuentre pegado a su contra aguja correspondiente, el otro deje libre el paso a las pestañas de las ruedas. Si así no fuera y pudieran encontrarse ambas agu-jas, simultáneamente, pegadas o separadas de sus respectivas contra agujas, se producirá el descarrilamiento de las ruedas, en el primer caso por estrechamiento de la vía, al rodar aquéllas sobre ambas agujas, y en el segundo caso por ensanchamiento de la vía, al rodar ambas ruedas de un eje sobre los rieles exteriores.

Un cambio puede ser tornado de punta o de talón. En el primer supuesto, un tren que provenga del tronco común tomará una de las agujas por la punta, y seguirá la dirección que ésta le imponga; en el segundo caso tomará las agujas de talón, y encentrará la vía abierta si el cambio ha sido debidamente maniobrado para la vía que trae el tren. Si por error, la maniobra del cambio, se encuentra cerrada para dicha vía, las pestañas de las ruedas se insinuarán entre la aguja y la contra aguja y forzaran a aquélla a separarse de ella, rompiendo los tirantes que mantenían la separación normal entre ambas agujas. Se dice entonces que el cambio ha sido talonado.

El talonamiento de un cambio corriente no provoca necesariamente el descarrilamiento del tren que lo produce; pero si éste retrocede sin otra precaución, después de ocurrido, es frecuente el descarrilamiento, sobre todo si el cambio no ha sido rebasado por toda la longitud del tren por causa de tomar parte de éste la vía directa, y parte, la desviada; accidente que suele ocurrir, por imprevisión de los agentes en las maniobras de estaciones.

Existen, sin embargo, aparatos talonables, que se colocan para satisfacer conveniencias locales, y en los que cada espadín se maniobra independientemente, pudiendo ser normal o accidentalmente talonados para la circulación, sin deterioro de los mismos.

5.5.2 Agujas y contra agujas

Respecto a la construcción se toman algunas consideraciones, entre ellas, las agujas deben durante su movimiento, resbalar sobre placas engrasadas, llamadas cojinetes o placas de resbalamiento, y adaptarse perfectamente a la contra aguja correspondiente, para constituir un camino de rodadura sin solución de continuidad.

Pueden ser construidas con rieles ordinarios, cuyo extremo se pliega a partir del punto B, en que se encuentran las cabezas de los rieles de aguja y contra aguja (figura 5.9), por otra parte, las agujas al ser construidas no ofrecen suficiente estabilidad y solidez para resistir, tanto a los choques laterales como a las presiones verticales a que están sometidas, presentando una tendencia a entreabrirse.

Fig. 5. 9 Encuentro de las cabezas de los rieles de aguja y contra aguja.

Por estos motivos las agujas se construyen, generalmente, con pernos especiales de menor altura y mayor robustez lateral, bien de sección Vignoles, o, preferentemente, de sección Brunel (figura 5.10), o disimétrica (Figura 5.11 y 5.12), que a veces se fabrican de acero-manganeso; en cualquier caso, la extremidad de la aguja se cepilla progresivamente, hasta que su punta venga a alojarse bajo la contra aguja, adaptándose perfectamente a ésta, lo que tiene lugar cuando el espesor de la aguja ya no es suficiente para soportar la carga de las ruedas sin deformación permanente (unos 20 mm); su cara exterior debe, por otra parte, tallarse en bisel para que no ofrezca obstáculo a las pestañas de las ruedas, bisel cuya inclinación suele ser ¼, y remata en la punta superior por una superficie redondeada, cuya tangente en el punto correspondiente al del contacto con la contra aguja debe formar con la horizontal un ángulo superior al de rozamiento de acero, de modo que toda pestaña que tienda a subir por la aguja caiga inmediatamente. La contra aguja permanece, a veces, intacta; pero con más frecuencia se lima ligeramente el plano interior de su cabeza (figura 5.12), dándole una inclinación que cubre toda la longitud en contacto con la aguja lo que permite reforzar la punta de esta y aumentar su resistencia al esfuerzo que tiende a llevarla hacia arriba.

Fig. 5. 10 Sección Brunel. Fig. 5. 11 Sección disimétrica Fig. 5. 12 Sección disimétrica.

La punta es, la parte más delicada de la aguja, ya que debe ser bastante aguda para no crear un garrote en planta, y bastante robusta para resistir a choques violentos. Para protegerla, penetra algunas veces, según acabamos de indicar bajo la contra aguja, prolongándose en una especie de pico de unos cuantos milímetros de longitud; otras veces la aguja se aplica lateralmente a la contra aguja y, en algunos ferrocarriles se protege su punta fijando delante de la misma, en la contra aguja una plaquita de su mismo perfil, fabricada en acero-manganeso.

Los cojinetes de resbalamiento se fijan sobre los durmientes, bien directamente o por intermedio de una placa de apoyo de acero moldeado, sobre la que también se fija la contra aguja, sujetándola con nervios de apoyo, que impiden su vuelco (figura. 5.13). Asimismo, para prevenir el vuelco del espadín bajo el efecto de los esfuerzos laterales a los que se encuentra sometido, es frecuente el empleo de piezas de tope interpuestas en cierto número, entre aquel y su contra aguja, como se advierte en la figura. 5.13.

Fig. 5. 13 Cojinetes de resbalamiento fijados sobre los durmientes.

5.6 CRUZAMIENTOS

En el, se produce la superposición de los caminos recorridos por ruedas cuyas pestañas se encuentran a distinto lado; se introduce forzosamente para el paso de las pestañas, una discontinuidad en ambos caminos de rodadura, respectivamente representados por los huecos o lagunas p1B1 y p1B2 (figura 5.14) entre la punta del crucero y los extremos de los rieles cortados.

Fig. 5. 14 Caminos de rodadura.

Para restablecer la continuidad de la rodadura se disponen de elementos B1D1 y B2D2, prolongación de dichos rieles, después de acodados, de manera de construir una huella o rodada paralela al riel opuesto, y que sostienen las ruedas por el borde de la rueda cuando el centro de estas se encuentra sobre la laguna, hasta el momento que vienen a poyar sobre el riel correspondiente. Dichas prolongaciones se llaman patas de liebre, y además de la función señalada, tiene también la de impedir que la rueda de un vehículo que caminara en la dirección de la flecha, viniera a tropezar con el extremo del riel cortado.

El punto p donde se encuentran los otros extremos de los rieles, se llama punto de corazón del cruzamiento, distinguiéndose la punta matemática p, de la punta real, p1 algo retrasada respecto de aquella por razones constructivas y para evitar su rápido deterioro. El extremo, T, de la pieza de cruzamiento se llama talón (figura 5.15)

Fig. 5. 15 Pieza de cruzamiento.

El cruzamiento lleva, además, los contraríeles C1 y C2 (figura 7.15) colocados enfrente del ángulo de cruzamiento a lo largo de los rieles exteriores, y cuyo objeto es retener las ruedas exteriores de los vehículos que circulan en dirección opuesta a las flechas, impidiendo que un movimiento cualquiera de vaivén lance las ruedas interiores sobre la punta del corazón, lo que además del deterioro de ésta, podría dar lugar a que dichas ruedas tomaran una falsa dirección y se produjera un descarrilamiento.

Tanto las patas de liebre como los contraríeles se abren ligeramente en sus extremos para no ser golpeados por las ruedas que los abordan y conducir estas suavemente.

Si consideramos una rueda rodando sobre el carril A1B1 (figura 5.14), se advierte que al paso por el cruzamiento seguirá el camino A1B1C, y entre B1 y p1 será soportada exclusivamente por la pata de liebre, mientras que de p1 a C se apoyara simultáneamente sobre la pata de liebre y la punta de corazón, p1E; desde C continuara rodando sobre dicha punta y el riel siguiente en las condiciones normales. Como la rueda tiene una sección cónica, descenderá mientras avanza sobre la pata de liebre y vendrá a chocar contra la punta real del corazón, p1, a menos que ésta se encuentre más baja que el punto correspondiente sobre la pata de liebre, lo que puede obtenerse, bien elevando esta última progresiva, conservando horizontal la pieza del corazón o, lo más frecuente, reduciendo la cota de esta última por lo menos 5 mm bajo la pata de liebre horizontal. Sin embargo, estas circunstancias, aplicables a las ruedas nuevas, se modifican cuando estas se desgastan, acercándose a la forma cilíndrica, para la cual sería más favorable que, tanto la pata de liebre como la punta del corazón se encuentren al mismo nivel; en los cruceros fundidos se adopta generalmente un sistema mixto (figura 7.16), que consiste en rebajar ligeramente la punta del corazón y dar a la pata de liebre un perfil trapezoidal o de un lomo de asno, elevándola sobre una parte de su longitud para después volver al plano horizontal de la punta de corazón, procedimiento que de todos modos no impedirá que, según su estado de desgaste, algunas suban o bajen al atravesar el cruzamiento.

Fig. 5. 16 Sistema mixto.

Los cruzamientos se construyen generalmente en línea recta, aun cuando hayan de intercalarse entre rieles curvos, y suelen ser también simétricos respecto de la bisectriz del ángulo (figura 5.15), lo que permite utilizarlos en cualquier sentido.

5.6.1 CONSTRUCCIÓN

La construcción de los cruzamientos pueden realizarse de tres maneras diferentes: cruzamiento con rieles, con punta de acero especial y cruzamiento de acero moldeado. Estos tres métodos de construcción se detallan en los apartados siguientes.

5.6.1.1 Cruzamiento con rieles.

Están construidos (figura 5.17) por rieles ordinarios, formándose la punta de corazón con dos de ellos debidamente desgastados, unidos por roblones o pasadores y de los cuales uno se prolonga para formar la punta real; el otro, que encaja en el primero, se llama de contrapunta. Las diferentes piezas se fijan generalmente por medio de tornillos y grapas sobre una placa de palastro que reposan sobre los durmientes, y su espaciamiento se mantiene por medio de cuñas de hierro fundido sujetas con pasadores.

Fig. 5. 17 Cruzamiento con rieles.

5.6.1.2 Cruzamientos con punta de acero especial

Los rieles de los cruzamientos antes citados, se fabrican a veces, de acero más duro que el de la vía corriente, pero es más corriente que para reducir el desgaste de la punta, que es la parte débil del crucero, se fabrique aquella de acero especial moldeado, constituyendo una pieza independiente y adoptando el aparato a la disposición general representada en la figura 5.18.

Fig. 5. 18 Cruzamientos con punta de acero especial.

Se han atribuido a estos cruzamientos las ventajas de producir una rodadura suave y de poder ser enlazados con los rieles corrientes por medio de una junta ordinaria. Sin embargo, los choques repetidos al paso de las cargas acaban por producir juegos entre las diferentes piezas y, por consiguiente, desgaste anormal de las mismas, especialmente de las patas de liebre, que quedan más altas que la punta de corazón al ser la última pisada por la rueda y reciben el choque de ésta. Aunque actualmente estos cruzamientos se fabrican soldando el mayor número posible de piezas y aún el cruzamiento completo, así como los rieles sobre una placa de palastro, lo que reduce o elimina los inconvenientes señalados, han dado lugar al frecuente empleo del tipo siguiente.

5.6.1.3 Cruzamientos de acero moldeado

Se fabrican éstos de una sola pieza de acero especial fundido, generalmente de acero-manganeso. La figuras 5.5 y 5.6 representan en alzado y planta dos tipos de esta clase de cruzamientos; el bloque se fija directamente con tirafondos a los durmientes por medio de las orejas laterales. En un tiempo se fabricaron también cruzamientos reversibles, con idea de utilizar la cara inferior cuando la superior se hubiera desgastado; pero el desgaste que adquiere la cara inferior hace ilusoria esta previsión, y por otra parte, la menor superficie de apoyo de estos cruzamientos es causa de una reducción de su estabilidad en comparación con los aparatos no reversibles.

Los cruzamientos de acero moldeado, que se designan también con el nombre de cruzamientos monobloc, se emplean preferentemente con durmientes de madera, mientras que con durmientes de hierro se utilizan los rieles con punta de acero especial.

5.6.2 CONTRARÍELES

La longitud de los contraríeles está generalmente comprendida entre 3 y 5 m; se colocan de manera que su centro corresponda a la laguna del cruzamiento. Se construyen generalmente con rieles ordinarios que se mantienen a distancia necesaria del carril de rodadura por medio de tacos y aunque a veces se emplean perfiles angulares especiales y aun disposiciones que como la figura 5.19 tienden a asegurar la solidez del conjunto y la invariabilidad de la huella.

Fig. 5. 19 Disposición que tiende a asegurar la solidez del conjunto.

Es también recomendable la elevación del contrariel sobre el plano de rodadura, como veremos se hace en las entre vías para reducir la longitud de la laguna; los ferrocarriles alemanes dan al borde del contrariel una cota de 20 mm sobre el plano de rodadura (figura 5.20), y aquel representa un flanco de gran superficie de guía, si bien, su rigidez es tal que le permite ceder algo transversalmente, lo que reduce su desgaste.

Fig. 5. 20 Elevación del contrariel sobre el plano de rodadura.

5.6.3 Teoría del cruzamiento.

Definidas las funciones de los distintos elementos de un Cruzamiento, vamos a determinar las cotas características de su situación relativa; son estas las huellas h1 y h2, y la longitud de la laguna, b p1

(figura 5.21).

Fig. 5. 21 Cotas características.

La huella h1 entre el riel y contraríel se determina (figura 5.22) de modo que, apoyada la rueda sobre el contrariel, queden unos milímetros de juego entre la pestaña de la otra rueda, supuesta nueva, y la punta de corazón. Para que la rueda, r, no tome una falsa dirección ni choque con la punta de corazón, se deberá tener:

Fig. 5. 22 Determinación de la huella entre el riel y el contrariel.

a−h1=(d+2e )−e=d−e [5. 1]

es decir:

h1≤a−(d−e ) [5. 2]

Los valores de d y e serán los más desfavorables con respecto a las tolerancias admitidas en los mismos. Asignados estos valores, la cantidad :

d+e=m [5. 3]

es la cota mínima de protección de la punta, que en la vía internacional y con los datos ya conocidos es de 1.3955 m; esta cota suele aumentarse con un juego de 1 o 1,5 mm para tener en cuenta las tolerancias de fabricación y establecimiento. El valor de h1 oscila generalmente entre 40 y 45 mm, con tolerancias de +/- 2 a 5 mm.

En cuanto a la huella h2 entre la punta de corazón y la pata de liebre; interesa reducirla lo más posible para aumentar la superficie de rodadura ofrecida a la rueda durante el paso de la punta de corazón a la pata de liebre, o viceversa. Esta reducción estará limitada por la siguiente condición:

a−(h1+h2 )<d [5. 4]

y como:

a−h1=m [5. 5]

resulta:

h2>m−d [5. 6]

es decir, que la huella h2 es independiente del ancho de vía; su valor práctico suele oscilar entre 45 y 50 mm. Para llevar la rueda, r, a una u otra de las gargantas, h2, de un modo suave, se suelen acodar

ligeramente las patas de liebre desde la punta del corazón hacia el extremo del cruzamiento (de 0,01 a 0,03 de inclinación sobre la dirección del movimiento).

Llamando e1 la anchura o espesor del extremo de la punta real p1 (5 a 10 mm.), la longitud de la laguna es:

l=bp1=bp+ p1 p=h2senα

+e1tg α

≃h2+e1sen α [5. 7]

esta longitud es, por tanto, mayor cuanto más pequeño sea el ángulo del cruzamiento y más ancha la huella h2; lo que es otro motivo para procurar la reducción de esta.

Para mejorar el guiado de las ruedas al paso por el cruzamiento, algunos ferrocarriles reducen en 5 mm el ancho normal de vía sobre la vía directa, lo que permite la reducción de la huella h1; pero es preciso conservar en la vía desviada una huella suficiente para facilitar el paso de las pestañas de las locomotoras de gran base rígida

5.6.4 Cruzamientos móviles

Al aumentar el radio, R, de la vía desviada para permitir el paso por ésta a velocidad elevada, disminuye considerablemente el ángulo del cruzamiento (hasta tg = 0.04 a 0.05 en los aparatos modernos de las bifurcaciones) y, según se acaba de ver, en la misma medida aumenta la laguna de aquél. Con objeto de suprimir estos inconvenientes se han ideado cruzamientos provistos de elementos móviles.

Si ambas vías han de ser recorridas a gran velocidad, cabe suprimir las patas de liebre, reemplazándolos por un elemento de riel móvil que, desplazado simultáneamente con la aguja, asegure la continuidad sobre una u otra vía (figura 5.23); este tipo de cruzamiento, ensayado en algunos ferrocarriles, produce una rodadura más suave que el corriente con disminución de ruidos, vibraciones y desgaste, pero supone una complicación que requiere un estudio y conservación minuciosos.

Fig. 5. 23 Cruzamiento móvil.

Se construyen asimismo cruzamientos con punta de corazón móvil, haciendo a esta pivotar alrededor de un eje vertical para adaptarse a una u otra pata de liebre.

Si solamente se pasa a velocidad la vía directa, puede emplearse el sistema de pata de liebre móvil (figura 5.24). En situación normal, es decir, para el paso por vía directa, un fuerte muelle, M, aprieta la pata de liebre, K, contra la punta de corazón, suprimiendo toda solución de continuidad sobre dicha vía; cuando un vehículo toma la vía desviada, las pestañas de sus ruedas desplazan la pata de liebre,

que pivota alrededor de la brida de unión con el riel inmediato y el resorte vuelve seguidamente a su posición normal. Si aquél viniera a romperse, la pata de liebre móvil no sería ya desplazada y el cruzamiento funcionaría como un cruzamiento ordinario, ya que el movimiento de la pata de liebre se limita por medio de topes que proporcionan la anchura de huella normal.

Fig. 5. 24 sistema de sapos móviles.

Todos estos dispositivos introducen en el cruzamiento piezas móviles que quitan robustez, por tal motivo no se encuentra generalizado su empleo.

En algunos desvíos de poca importancia se ha empleado también el sistema de colocar la vía secundaria en plano inclinado, aquella salva la vía principal, que es continua y desprovista de cruzamiento, y para asegurar el paso sobre la vía desviada se recurre a una pieza móvil, que, en este caso, recubre el riel de la vía principal y se mueve solidariamente con la aguja del cambio.

5.7 GENERALIDADES DE HACES DE VÍAS

En las estaciones importantes, por ejemplo, de empalme, clasificación o formación de trenes, las vías se desdoblan formando haces de vías, generalmente paralelas, necesarios para las maniobras, depósito de material y formación o descomposición, recepción y expedición de los trenes. Estos haces se dotan de las necesarias comunicaciones para el paso de unas a otras vías del haz, el cruzamiento de todas o parte de éstas y el alcance con otros haces próximos o con las vías de maniobra o las de entrada y salida de la estación.

5.8 Tipos de desarrollo

No es indiferente la forma en que las vías de un haz derivan del tronco común ni la que adquiere el haz en su desarrollo. En primer lugar debe atenderse a la obtención de un máximo aprovechamiento de la superficie disponible tanto en el número como en la longitud de las vías a instalar, teniendo en cuenta que en la mayoría de los casos dicha superficie se encuentra configurada por límites muy difíciles o imposibles de rebasar. Tanto en las vías de estaciones utilizadas para la recepción y apartado de los trenes como en las que constituyen los haces de vías, es interesante determinar la longitud de vía útil o libre, medida entre los piquetes o niveletas, con los que se materializa el punto a partir del cual el material estacionado sobre una vía no impide el libre paso en la inmediata. Los piquetes citados se clavan en el centro del ángulo del desvío; su distancia al cruzamiento depende del ángulo de éste y del galibo del material.

En segundo lugar la forma del haz viene también influenciada por el objeto a que se le destina; no son por ejemplo admisibles haces curvos de gran longitud cuando los agentes que sobre ellos trabajan han de relacionarse por medio de señales, que en tal caso y a pesar del empleo de entre vías anchas, serian ocultadas por el material que circula o se deposita en las vías del haz.

Finalmente, es interesante que el material que se maniobra sobre los haces efectúe, para el paso, de unas a otras vías, el menor recorrido posible reduciendo de éste modo a un mínimo el tiempo y el coste de las maniobras. Para completar el estudio del proyecto de una estación, y después de haber resuelto el problema de la posición reciproca de los haces de vías y de sus respectivos enlaces, precisa, por consiguiente, proceder al estudio de la disposición de los desvíos en los distintos haces.

Fig. 5. 25 Tipos de desvíos transversales rectos.

Existen dos formas fundamentales de agrupar los cambios: utilizando bien una transversal recta o una transversal curva. La primera de estas formas se subdivide en dos tipos según que los desvíos se hagan sobre una transversal lateral (figura 5.25-I) o sobre la vía central del haz (figura 5.25-II). En cuanto a la transversal curva, el tipo más empleado es el de la (figura 5.26-III), que resulta de curvar el haz II. En todas estas figuras las vías se representan por sus ejes.

Se puede obtener otros tipos de haces combinando las formas sencillas anteriores; así, injertando grupos rectos de m cambios sobre una transversal curva de n cambios, se obtiene el haz IV de la (figura 5.26), y derivando grupos curvos de una transversal recta, resulta el haz V de dicha figura.

Fig. 5. 26 Tipos de desvíos transversales curvos.

Todos los haces, cualquiera sea su tipo, deben satisfacer a las condiciones de posibilidad de empleo de curvas de gran radio sin intercalación de contra curvas, así como a la posibilidad de ampliar el haz sin infringir la condición precedente.

5.8.1 Enlace extremo de dos vías paralelas

Si d es la distancia entre ejes de ambas vías (figura 5.27) y representamos el cambio por su nudo, llamando q a la distancia igual a b2 + p entre el nudo y el punto de tangencia de la curva de enlace; y proyectando la figura sobre la dirección normal a ambas vías, se tiene:

Fig. 5. 27 Desvió simple.

q⋅sen α+R1 (1−cos α )=d [5. 8]

Siendo el ángulo, conocido, del cruzamiento.

El valor del radio de enlace, es:

R1=d−q⋅sen α1−cosα [5. 9]

siendo máximo cuando q = 0

Proyectando la figura sobre la vía directa se obtiene inmediatamente el valor de s.

5.8.2 Haces rectos

Fig. 5. 28 Haz del tipo I.

Sea AB, de la figura 5.28, la vía central recta de un haz del tipo I, cuya transversal ACn forma con aquella el ángulo de los cruzamientos, bajo el cual encuentran a aquélla todas las vías del haz; d, la distancia entre los ejes de vías adyacentes; , la distancia entre los nudos sucesivos C1, C2,...... de los cambios, es decir, entre las puntas de éstos; q, la distancia entre el penúltimo nudo Cn-1 y el origen de la curva de enlace siguiente ; t, la longitud de la tangente del enlace de la última vía del haz. Se tiene las relaciones:

λ= dsen α

> t1=TCn=R1⋅tgα2>q=Cn−1Cn−t1=

senαd

−R1⋅tgα2 [5. 10]

R1=( dsenα

−q)cot g α2 [5. 11]

Si llamamos e la entre vía mínima en el piquete mínimo de estacionamiento del material; L1, L2,.....Ln, la longitud de las vías desviadas entre el nudo y una recta tal como la Bn B’n , la total longitud útil de las vías desviadas del haz es :

Lt=(L1+L2+. .. .. . .. ..+Ln )−a+etgα

(n−1 ) [5. 12]

Donde a el ancho de vía, y n el número de longitudes tomadas en cuenta.

Las vías del haz pueden también derivarse de la transversal ADn simétrica a la ACn; en tal caso, si Lo es la longitud AB, la longitud total de las vías del haz sería, hasta la recta Bn B’n:

L 't=L0−a+etg α

+2Lt [5. 13]

y el Bn B’n fuera el eje del haz:

2 L' t=2L0−2a+etg α

+4 Lt=2 L0−2a+etg α

(2n−1 )+4 (L1+L2+ .. .. . .. .+Ln) [5. 14]

Consideremos ahora un haz recto del tipo II. Si R1 (figura 5.25) es el radio mínimo a considerar en el primer cambio; s, la distancia entre el primer cambio y el origen de la alineación recta xn, la distancia entre el último cambio y la intersección de las tangentes del primero, y n, el número de cambios, conservando las demás notaciones anteriores se tiene:

Fig. 5. 29 Haz recto del tipo II.

Rn=R1+(n−1 )d>R1=( dsenα

−q)cot g α2 [5. 15]

λ= dsen α

>q= dsenα

−R1⋅tgα2 [5. 16]

S=d⋅cot gα+R1⋅tgα2>xn=n⋅d⋅cot gα

[5. 17]

Una variante del primer tipo de haz citado es aquella (figura 5.30) en la que el ángulo del sector, es decir, de la transversal sobre la dirección de las vías es mayor que el ángulo de cruzamiento de los cambios; generalmente el valor de no excede de 2. Se tiene en cualquier caso:

Fig. 5. 30 Variante del primer tipo de haz.

(q+t1)⋅senα+(b1+t1)⋅sen ϕ+(b2+ t1 )⋅sen (ϕ−α )=d1 [5. 18]

t 1=R1⋅tag12

(ϕ−α ) [5. 19]

Sin embargo, esta solución implica la introducción de una curva en el vértice del haz para enlazar, el eje de éste con la transversal, y la implantación de cambios dobles o curvos para aprovechar el espacio que queda disponible entre dicho eje y la primera vía desviada, lo que rompe la simetría de la construcción.

Fig. 5. 31 Transversal en trozos de longitud.

Finalmente puede quebrarse la transversal en trozos de longitud =b1+b2 (figura 5.31), formando cada uno un ángulo con el anterior. Se tendría entonces la ecuación [5.20].

(b1+2b2+q1+R1⋅tg α2 )⋅sen α=d1 [5. 20]

y las coordenadas x y y de un nudo cualquiera sobre la dirección AB serian :

xn=(b1+b2 )⋅[cos α+cos2α+. .. . ..+cos (n−1 )α ] [5. 21]

yn=(b1+b2)⋅[sen α+sen2α+. .. . ..+sen (n−1 )α ] [5. 22]

5.8.3 Haces curvos

Un haz curvo del tipo III (figura 5.25) puede considerarse como una agrupación de cambios en la cual la vía desviada del primer cambio es la directa para el segundo, etc.

Para constituir un haz curvo de este tipo puede aprovecharse la construcción anterior, pero desviando las vías sucesivas en sentido de la curvatura del primer cambio, lo que equivale a inscribir sucesivamente el segmento b1+b2 en la curva determinante del haz; sin embargo, para conservar la equidistancia de las vías rectas deberá variarse q, y con ello la longitud de cada segmento inscrito.

Para que las curvas de enlace del haz puedan ser círculos concéntricos, es preciso que se satisfaga determinadas condiciones. Sea una vía en curva ABn de radio Rn (figura 5.32), sobre la que se desea construir un haz formado por dicha curva y n vías desviadas cuyos centros sea el de la curva ABn. Describiendo n arcos de círculo de radios decrecientes y distancia d entre ejes, el valor del ultimo radio será:

Fig. 5. 32 Vía en curva.

R1=Rn−(n−1 )⋅d [5. 23]

La construcción se reduce teóricamente a trazar las rectas CnC3, C3C2,..... que formen con las tangentes a dichos círculos el ángulo constante; los puntos de encuentro Cn, C3,... pueden considerarse como nudos de cambios sucesivos. Si llamamos l la distancia entre las agujas de dos cambios sucesivos, y a R1 como el radio del círculo tangente a las vías de los tres primeros cambios, se tiene l1=2t1; como el valor mínimo de l1 es la longitud L del cambio (prácticamente L+l”):

l1=L=R1⋅tgα2 [5. 24]

R1 min=

L2cot g

α2 [5. 25]

Se deduce también:

ln=l1+2 (n−1 )⋅d⋅tg α2 [5. 26]

q1=dsenα

−R1⋅tgα2>qn=q1−(n−1 )⋅d⋅tg(α2 ) [5. 27]

s=d⋅cot gα+R1⋅tgα2 [5. 28]

Para un número limitado n, de cambios, la distancia entre los nudos de estos resulta inferior a la correspondiente de un haz de tipo recto.

5.8.4 Haces mixtos

Constituidos los haces mixtos o compuestos como antes se ha indicado y siendo n el número de cambios que sirven de origen a los nudos sencillos de m cambios, tendremos las siguientes soluciones:

Grupos rectos enlazados por un grupo curvo (tipo IV, figura 5.26). Las fórmulas correspondientes de este haz se obtienen reemplazando d por m.d en las correspondientes al haz curvo anterior, y son, por consiguiente:

l1=2R1⋅tgα2>ln=l1+2m⋅(n−1 )⋅d⋅tg α

2 [5. 29]

q1=m⋅dsenα

−R1⋅tgα2>qm=q1−m⋅(n−1 )⋅d⋅tg α

2 [5. 30]

t1=R1⋅tgα2>Rn=R1+m⋅(n−1 )⋅d> tn=Rn⋅tg

n⋅α2 [5. 31]

Grupos curvos enlazados por un grupo recto (tipo V, figura 5.26). Se tiene en este caso :

l1=2R1⋅tgα2>lm=l1+2 (m−1 )⋅d⋅tg α

2 [5. 32]

q1=dsenα

−R1⋅tgα2>qm=q1−(m−1 )⋅d⋅tg α

2 [5. 33]

t1=l12>tm=Rm⋅tg

m⋅α2 [5. 34]

λ= n⋅dsen (m⋅α )

>s=d⋅cot gα−R1⋅tgα2 [5. 35]

5.8.5 Haces de cambios dobles

Si en lugar de cambios sencillos adoptaran cambios dobles se obtienen haces análogos a los ya examinados; así, los haces VI y VII de la (figura 5.33) derivan de los haces II y III indicados en la (figura 5.25). Es evidente que con el empleo de cambios dobles se acortan las cabezas del haz y aumentan por tanto, las longitudes de vía útiles.

Fig. 5. 33 Cambios dobles.

Las fórmulas del haz recto de cambios dobles tipo VI son las mismas que las correspondientes al haz de cambios sencillos debiéndose, sin embargo tener en este caso:

l1=dsenα

>L [5. 36]

Donde L es la longitud del cambio doble.

El haz curvo de cambios dobles se obtiene por un agrupamiento análogo de cambios sencillos en los cuales la entre vía estaría dada por 2d; donde n es por consiguiente el número de cambios dobles. Sin embargo, la construcción se complica bastante, pues es preciso acudir al empleo de curvas de enlace para introducir el segundo cambio en la desviación; si se designan por n los radios de estas curvas, n

sus tangentes, n las distancias del nudo de los segundos cambios al origen de las curvas de enlace y la distancia entre los nudos del cambio doble se tiene las ecuaciones [5.37] a [5.43].

l1=2R1⋅tgα2>ln=l1+4 (n−1 ) tg α

2 [5. 37]

Rn=R1+2⋅(n−1 )⋅d>tn=Rn⋅tgn⋅α2 [5. 38]

q1=2⋅dsenα

−t1>qn=q1−2⋅(n−1 )⋅d⋅tg α2 [5. 39]

ρ1=(q1−δ−d⋅cot gα )⋅cot g α2 >ρn=ρ1−2⋅(n−1 )⋅d

[5. 40]

τ1=ρ1⋅tgα2>τn=τ1−2⋅(n−1 )⋅d⋅tg α

2 [5. 41]

μ1=dsenα

−τ1>μn=μ1+2⋅(n−1 )⋅d⋅tg α2 [5. 42]

s=2⋅d⋅cot gα+t1 [5. 43]

5.8.6 Comparación de los distintos tipos de haces

Deberá esta realizarse desde los puntos de vista mencionados al comienzo del capítulo. Si para materializar esta comparación tomamos un ejemplo práctico suponiendo un haz de 10 vías, ocupando una superficie de 16.400 m2 entre ejes de vías extremas, con d=4.50 m., y radios mínimos de 300 m para cruzamientos tg=0.12, tendremos las cifras mostradas en la tabla 5.2.

Tabla 5. 2. Características de los haces de vía, para la comparación del tipo de haz.

Se advierte, entonces, la gran diferencia que puede existir en la adopción de uno u otro tipo de haz, según el objeto a que se destine (recepción o depósito de material, clasificación, etc.)

El valor de la distancia entre ejes de vías d, depende también del trabajo que sobre el haz ha de realizarse. Se vio ya que en una vía general se admitirá una distancia mínima de 2 m entre los rieles interiores de la doble vía; esta entre vía debe elevarse por lo menos a 2.50 m. o 3 m. en las estaciones y haces de vías, para que el personal pueda circular con seguridad en las entre vías donde ha de realizar su trabajo.

El número n de vías que cabe colocar en una faja de terreno de anchura b está dada por la ecuación [5.44.]

n=b−2⋅(δ+ a2 )

d [5. 44]

Donde:

= Distancia de los rieles de las vías extremas a los límites de dicha faja.