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Tesis:

Metodología sistemática para el diseño innovador de un nuevo modelo de cambio ferroviario basado en TRIZ: cruzamiento y desvío

  • Autor: SALA CANDELA, Antonio José

  • Título: Metodología sistemática para el diseño innovador de un nuevo modelo de cambio ferroviario basado en TRIZ: cruzamiento y desvío

  • Fecha: 2024

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: INGENIERIA MECANICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80870/

  • Director/a 1º: FÉLEZ MINDÁN, Jesús

  • Resumen: El objetivo de este trabajo es diseñar un nuevo sistema para reducir el riesgo de descarrilamiento en los cruces, que son puntos críticos en las líneas ferroviarias. Los cruces son un elemento común en las líneas convencionales de los sistemas ferroviarios actuales y son el único punto de la vía donde existe una discontinuidad. Nuestra propuesta se basa en añadir un elemento al cruce que ocupe parte del hueco del cruce, proporcionando una mayor superficie de apoyo junto al raíl del ala, de forma que la rueda no caiga en el hueco. La fuerza lateral, que es el parámetro más influyente en los descarrilamientos, se reduce sustancialmente, lo que disminuye el riesgo de descarrilamiento debido al levantamiento en el raíll. El enfoque propuesto también aumenta la seguridad del comportamiento dinámico, lo que tiene un impacto directo en la comodidad de los pasajeros e influye en la vida útil tanto del material rodante como de la vía, reduciendo así el costo e incluso aumentando la seguridad a velocidades más altas. Tiene una estructura simple que es fácil de montar y no interrumpe el tráfico durante la instalación. Los resultados de las simulaciones realizadas con esta innovadora solución indican una importante reducción de las tensiones y deformaciones laterales en la vía, lo que sin duda produce una mejora en la seguridad del tráfico; sin embargo, los resultados no pueden cuantificarse completamente en términos de reducción de accidentes con solo los datos obtenidos de las simulaciones. Por lo tanto, se concluyó que la implementación del nuevo diseño de cruce brinda mejores condiciones para que el material rodante circule en los desvíos, aumentando la seguridad al reducir el riesgo de descarrilamiento. No obstante, será necesario llevar a cabo un programa de pruebas experimentales, que pretendemos hacer objeto de futuras investigaciones. En cuanto a la segunda parte, según el título de la tesis, se establece que los desvíos son uno de los elementos más significativos y peculiares del ferrocarril por la complejidad de los problemas que presentan. Su característica común es la discontinuidad en la vía y son el origen de descarrilamientos por holgura y desalineación, así como roturas de carriles de cambio. Este trabajo trata del estudio de este elemento, que forma parte de los denominados aparamenta. Para ello, se presenta un nuevo concepto de cruces que aborda, tanto el diseño de cruces como de desvíos, presentando un nuevo modelo conceptual, donde se discutirán tanto los pros como los contras de este nuevo concepto de diseño de aparamenta. Por un lado, abordamos el cruce, donde nuestra propuesta se basa en añadir al cruce un elemento que ocupe parte del hueco del cruce, proporcionando una mayor superficie de apoyo junto al carril, para que la rueda no caiga en el hueco. La fuerza lateral, que es el parámetro más influyente en los descarrilamientos, se reduce sustancialmente, lo que reduce el riesgo de descarrilamiento al levantarse sobre el raíl. Por otro lado, se aborda un nuevo diseño del sistema de cambio de carril, con un nuevo sistema basado en un pistón de carrera ascendente-descendente, y su motor giratorio en la parte superior, debidamente anclado. Esto permitirá que el pistón soporte el peso del riel y que el motor ejerza un pequeño movimiento giratorio, en ambos sentidos, y proceda con el movimiento del riel del interruptor. Como novedad en la aplicación al sector ferroviario, para llegar a la propuesta de diseño de estos nuevos sistemas se ha utilizado la matriz de contradicciones, herramienta que permite sistematizar el proceso creativo dentro del enfoque TRIZ, acrónimo ruso que significa Teoría para la resolución de problemas inventivos. Finalmente, los resultados de los diseños propuestos han sido validados numéricamente mediante simulaciones ABSTRACT The objective of this paper is to design a new system to reduce the risk of derailment at crossings, which are critical points in railway lines. Crossings are a common element in conventional lines of current railway systems and are the only point on the track where there is a discontinuity. Our proposal is based on adding an element to the crossing that occupies part of the crossing gap, providing a larger support surface next to the wing rail, such that the wheel does not fall into the gap. The lateral forcewhich is the most influential parameter in derailmentsis substantially decreased, thus reducing the risk of derailment due to lifting on the rail. The proposed approach also increases the safety of the dynamic behaviour, which has a direct impact on passenger comfort and influences the service life of both the rolling stock and the track, thus reducing the cost and even increasing safety at higher speeds. It has a simple structure that is easy to assemble and does not interrupt traffic during installation. The results of simulations using this innovative solution indicate a significant reduction in lateral stresses and strains on the track, which undoubtedly produces an improvement in traffic safety; however, the results cannot be fully quantified in terms of accident reduction with only the data obtained from simulations. Therefore, it was concluded that implementation of the new crossing design provides better conditions for rolling stock to run on turnouts, increasing safety by reducing the risk of derailment. Nevertheless, it will be necessary to carry out a program of experimental tests, which we intend to make the subject of future research. As a second part, according the thesis title, it is established that Turnouts are one of the most significant and peculiar elements of the railway due to the complex problems they present. Their common characteristic is the discontinuity in the track and they are the origin of derailments caused by slack and misalignment, as well as switch rails breaking. This work deals with the study of this element, which is part of the so-called switch gear. To this end, a new concept of switches and crossings is presented which addresses both the crossing and the turnout design, presenting a new conceptual design where both the pros and cons of this new concept of switch gear design will be discussed. On the one hand, we address the crossing, where our proposal is based on adding to the crossing an element that occupies part of the crossing gap, providing a larger support surface next to the rail, so that the wheel does not fall into the gap. The lateral force - which is the most influential parameter in derailments - is substantially reduced, thus reducing the risk of derailment by lifting on the rail. On the other hand, a new design of the switch rail system is addressed, with a new system based on a piston with an upward-downward stroke, and its rotating motor at the top, duly anchored. This will allow the piston to support the weight of the rail and the motor to exert a small rotary movement, in both directions, and to proceed with the movement of the switch rail. As a novelty in the application to the railway sector, in order to arrive at the proposed design of these new systems, the contradiction matrix has been used, a tool that allows the creative process to be systematised within the TRIZ approach, a Russian acronym that stands for Theory for Inventive Problem Solving. Finally, the results of the proposed designs have been validated numerically by means of simulations.