El perfil del carril es la forma de la sección transversal de un riel de ferrocarril , perpendicular a su longitud.
Los primeros rieles estaban hechos de madera, hierro fundido o hierro forjado. Todos los rieles modernos son de acero laminado en caliente con una sección transversal (perfil) aproximada a una viga en I , pero asimétrica respecto de un eje horizontal (sin embargo, consulte el riel ranurado a continuación). La cabeza está perfilada para resistir el desgaste y proporcionar un buen andar, y la base está perfilada para adaptarse al sistema de fijación.
A diferencia de otros usos del hierro y el acero, los raíles de los ferrocarriles están sujetos a tensiones muy elevadas y están fabricados con acero de muy alta calidad. Se necesitaron muchas décadas para mejorar la calidad de los materiales, incluido el cambio del hierro al acero. Pequeños defectos en el acero que pueden no plantear problemas en otras aplicaciones pueden provocar la rotura de raíles y descarrilamientos peligrosos cuando se utilizan en vías ferroviarias.
En general, cuanto más pesados sean los rieles y el resto de las vías, más pesados y rápidos serán los trenes que estas vías pueden transportar.
Los rieles representan una fracción sustancial del costo de una línea ferroviaria. Las acerías fabrican solo una pequeña cantidad de tamaños de rieles a la vez, por lo que un ferrocarril debe elegir el tamaño adecuado más cercano. Los rieles pesados y desgastados de una línea principal a menudo se recuperan y se degradan para reutilizarlos en una línea secundaria , una vía muerta o un patio de maniobras .
Los primeros raíles utilizados en las vías de los carros tirados por caballos eran de madera. [1] En la década de 1760 se introdujeron los raíles de hierro con tiras finas de hierro fundido fijadas en la parte superior de los raíles de madera. Esto aumentó la durabilidad de los raíles. [2] Tanto los raíles de madera como los de hierro con correas eran relativamente económicos, pero solo podían soportar un peso limitado. Las tiras de metal de los raíles de hierro con correas a veces se separaban de la base de madera y se clavaban en el piso de los vagones de arriba, creando lo que se conocía como una "cabeza de serpiente". El gasto de mantenimiento a largo plazo que esto implicaba superaba los ahorros iniciales en costos de construcción. [3] [2]
Los raíles de hierro fundido con bridas verticales fueron introducidos por Benjamin Outram de B. Outram & Co., que más tarde se convirtió en la Butterley Company en Ripley. Los vagones que circulaban sobre estos raíles de plataforma tenían un perfil plano. El socio de Outram, William Jessop, prefería el uso de " raíles de borde ", en los que las ruedas tenían bridas y las cabezas de los raíles eran planas; esta configuración resultó superior a las plataformas. Los primeros raíles de borde (con forma de panza de pez) de Jessop fueron fundidos por la Butterley Company . [4]
Los primeros de estos en uso general fueron los llamados rieles de hierro fundido de vientre de pez por su forma. Los rieles hechos de hierro fundido eran frágiles y se rompían fácilmente. Solo podían fabricarse en longitudes cortas que pronto se volverían desiguales. La patente de 1820 de John Birkinshaw , [5] a medida que mejoraban las técnicas de laminado, introdujo el hierro forjado en longitudes más largas, reemplazó al hierro fundido y contribuyó significativamente al crecimiento explosivo de los ferrocarriles en el período 1825-40. La sección transversal variaba ampliamente de una línea a otra, pero eran de tres tipos básicos, como se muestra en el diagrama. La sección transversal paralela que se desarrolló en años posteriores se denominó cabeza de toro .
Mientras tanto, en mayo de 1831, el primer riel en T con brida (también llamado sección en T) llegó a Estados Unidos desde Gran Bretaña y fue instalado en el ferrocarril de Pensilvania por Camden and Amboy Railroad . También fueron utilizados por Charles Vignoles en Gran Bretaña.
Los primeros rieles de acero fueron fabricados en 1857 por Robert Forester Mushet , quien los colocó en la estación de Derby en Inglaterra. [6] El acero es un material mucho más resistente, que reemplazó de manera constante al hierro para su uso en rieles ferroviarios y permitió que se laminaran longitudes de rieles mucho más largas.
La Asociación Estadounidense de Ingeniería Ferroviaria (AREA) y la Sociedad Estadounidense para Pruebas de Materiales (ASTM) especificaron el contenido de carbono, manganeso, silicio y fósforo para los rieles de acero. La resistencia a la tracción aumenta con el contenido de carbono, mientras que la ductilidad disminuye. AREA y ASTM especificaron de 0,55 a 0,77 por ciento de carbono en rieles de 70 a 90 libras por yarda (34,7 a 44,6 kg/m), de 0,67 a 0,80 por ciento en rieles de 90 a 120 libras/yd (44,6 a 59,5 kg/m), y de 0,69 a 0,82 por ciento para rieles más pesados. El manganeso aumenta la resistencia y la resistencia a la abrasión. AREA y ASTM especificaron de 0,6 a 0,9 por ciento de manganeso en rieles de 70 a 90 libras y de 0,7 a 1 por ciento en rieles más pesados. El silicio se oxida preferentemente con oxígeno y se añade para reducir la formación de óxidos metálicos debilitantes en los procedimientos de laminado y fundición de rieles. [7] AREA y ASTM especificaron entre 0,1 y 0,23 por ciento de silicio. El fósforo y el azufre son impurezas que provocan rieles frágiles con resistencia reducida al impacto. AREA y ASTM especificaron una concentración máxima de fósforo de 0,04 por ciento. [8]
El uso de vías soldadas en lugar de unidas comenzó alrededor de la década de 1940 y se generalizó en la década de 1960.
Los primeros raíles eran simplemente tramos de madera. Para resistir el desgaste se colocaba una fina correa de hierro sobre el raíl de madera. Esto ahorraba dinero, ya que la madera era más barata que el metal. El sistema tenía el defecto de que, cada cierto tiempo, el paso de las ruedas del tren hacía que la correa se desprendiera de la madera. El problema fue reportado por primera vez por Richard Trevithick en 1802. El uso de raíles con correas en los Estados Unidos (por ejemplo, en el Ferrocarril Albany y Schenectady alrededor de 1837) provocó que los pasajeros se vieran amenazados por "cabezas de serpiente" cuando las correas se enroscaban y penetraban en los vagones. [2]
El riel en T fue un desarrollo del riel de correa que tenía una sección transversal en forma de "T" formada al ensanchar la parte superior de la correa para formar una cabeza. Esta forma de riel no duró mucho, ya que se eliminó gradualmente de los Estados Unidos en 1855. [9]
El carril de placa fue un tipo temprano de carril y tenía una sección transversal en "L" en la que la brida mantenía una rueda sin brida en la vía. El carril con brida ha experimentado un pequeño resurgimiento en la década de 1950, como barras guía , con el metro de París ( metro con neumáticos de goma o francés Métro sur pneus ) y más recientemente como el autobús guiado . En la vía de autobús guiada de Cambridgeshire, el carril es una viga de hormigón de 350 mm (14 pulgadas) de espesor con un labio de 180 mm (7,1 pulgadas) para formar la brida. Los autobuses circulan sobre ruedas de carretera normales con ruedas guía montadas en los laterales para rodar contra las bridas. Los autobuses se dirigen normalmente cuando están fuera de la vía de autobuses, de forma análoga a los vagones del siglo XVIII que podían maniobrarse alrededor de las bocaminas antes de unirse a la vía para el recorrido más largo.
El riel de puente es un riel con un perfil en forma de U invertida. Su forma simple es fácil de fabricar y se usó ampliamente antes de que los perfiles más sofisticados se volvieran lo suficientemente baratos como para fabricarlos en grandes cantidades. Se usó en particular en la vía de trocha de 2140 mm ( 7 pies 1 ⁄ 4 pulgadas ) de Great Western Railway , diseñada por Isambard Kingdom Brunel .
El riel Barlow fue inventado por William Henry Barlow en 1849. Fue diseñado para colocarse directamente sobre el balasto , pero la falta de traviesas significaba que era difícil mantenerlo dentro del ancho.
El riel de fondo plano es el perfil de riel dominante en uso en todo el mundo.
El riel T con brida (también llamado sección en T) es el nombre del riel de fondo plano utilizado en América del Norte . Los rieles de madera con flejes de hierro se utilizaron en todos los ferrocarriles estadounidenses hasta 1831. El coronel Robert L. Stevens , presidente del ferrocarril Camden y Amboy , concibió la idea de que un riel completamente de hierro sería más adecuado para construir un ferrocarril. No había fábricas de acero en Estados Unidos capaces de laminar longitudes largas, por lo que navegó al Reino Unido, que era el único lugar donde se podía laminar su riel T con brida (también llamado sección en T). Los ferrocarriles del Reino Unido habían estado utilizando rieles laminados de otras secciones transversales que los maestros del hierro habían producido.
En mayo de 1831, los primeros 500 rieles, cada uno de 15 pies (4,6 m) de largo y con un peso de 36 libras por yarda (17,9 kg/m), llegaron a Filadelfia y se colocaron en la vía, lo que marcó el primer uso del riel T con brida. Posteriormente, el riel T con brida pasó a emplearse en todos los ferrocarriles de los Estados Unidos.
El coronel Stevens también inventó el clavo en forma de gancho para sujetar el raíl a la traviesa (o durmiente). En 1860, el clavo de tornillo se introdujo en Francia, donde se utilizó ampliamente. [10] Los clavos de tornillo son la forma más común de clavo que se utiliza en todo el mundo en el siglo XXI. [ cita requerida ]
El riel de Vignoles es el nombre popular para el riel de fondo plano, en reconocimiento al ingeniero Charles Vignoles, quien lo introdujo en Gran Bretaña . Charles Vignoles observó que se producía desgaste con los rieles de hierro forjado y las sillas de hierro fundido sobre bloques de piedra, el sistema más común en ese momento. En 1836 recomendó el riel de fondo plano al Ferrocarril de Londres y Croydon, para el que era ingeniero consultor. Su riel original tenía una sección transversal más pequeña que el riel de Stevens, con una base más ancha que el riel moderno, sujeta con tornillos a través de la base. Otras líneas que lo adoptaron fueron Hull and Selby , Newcastle and North Shields y Manchester, Bolton and Bury Canal Navigation and Railway Company. [11]
Cuando fue posible conservar las traviesas de madera con cloruro de mercurio (un proceso llamado cianización ) y creosota , proporcionaron un andar mucho más silencioso que los bloques de piedra y fue posible sujetar los raíles directamente mediante grapas o clavos para raíles . Su uso, y el nombre de Vignoles, se difundieron por todo el mundo.
La unión entre los extremos de dos raíles es la parte más débil de una vía férrea. Los primeros raíles de hierro se unían mediante una simple brida o barra de metal atornillada a la estructura del raíl. Se han desarrollado métodos más resistentes para unir dos raíles. Cuando se coloca suficiente metal en la unión del raíl, esta es casi tan resistente como el resto de la longitud del raíl. El ruido generado por los trenes que pasan sobre las uniones de los raíles, descrito como "el ruido de las vías del tren", se puede eliminar soldando las secciones del raíl. El raíl soldado de forma continua tiene un perfil superior uniforme incluso en las uniones.
A finales de la década de 1830, las líneas ferroviarias en Gran Bretaña tenían una amplia gama de diseños diferentes. Una de las primeras líneas en utilizar raíles de doble cabeza fue la London and Birmingham Railway , que había ofrecido un premio al mejor diseño. Este raíl se apoyaba en sillas y la cabeza y el pie del raíl tenían el mismo perfil. La supuesta ventaja era que, cuando la cabeza se desgastaba, el raíl podía darse la vuelta y reutilizarse. En la práctica, esta forma de reciclaje no tuvo mucho éxito, ya que la silla causaba abolladuras en la superficie inferior, y el raíl de doble cabeza evolucionó hasta convertirse en un raíl de cabeza de toro en el que la cabeza era más sustancial que el pie.
El raíl de cabeza de toro fue el estándar para el sistema ferroviario británico desde mediados del siglo XIX hasta mediados del siglo XX. Por ejemplo, en 1954 se utilizó el raíl de cabeza de toro para 449 millas (723 km) de vía nueva y el de fondo plano para 923 millas (1485 km). [12] Una de las primeras normas británicas , la BS 9, fue para el raíl de cabeza de toro; se publicó originalmente en 1905 y se revisó en 1924. Los raíles fabricados según la norma de 1905 se denominaban "OBS" (Original) y los fabricados según la norma de 1924, "RBS" (Revisado). [13]
El riel de cabeza de toro es similar al riel de doble cabeza, excepto que el perfil de la cabeza del riel no es el mismo que el del pie. El riel de cabeza de toro evolucionó a partir del riel de doble cabeza, pero como no tenía un perfil simétrico, nunca fue posible darle la vuelta y usar el pie como cabeza. Por lo tanto, como el riel ya no tenía el beneficio originalmente percibido de la reutilización, era un método muy costoso de colocar vías. Se necesitaban sillas pesadas de hierro fundido para sostener el riel, que se aseguraba en las sillas con cuñas o "llaves" de madera (más tarde de acero) que requerían atención regular.
El raíl de cabeza de toro ha sido reemplazado casi por completo por el raíl de fondo plano en los ferrocarriles británicos, aunque sobrevive en el sistema ferroviario nacional en algunos apartaderos o ramales. También se puede encontrar en ferrocarriles patrimoniales , debido tanto al deseo de mantener una apariencia histórica como al rescate y reutilización de componentes de vía antiguos de las líneas principales. El metro de Londres continuó utilizando el raíl de cabeza de toro después de que se hubiera eliminado gradualmente en otras partes de Gran Bretaña, pero en los últimos años ha habido un esfuerzo concertado para convertir su vía en raíl de fondo plano. [14] Sin embargo, el proceso de reemplazo de vías en túneles es un proceso lento debido a la imposibilidad de utilizar plantas y maquinaria pesadas.
Cuando se coloca un riel en una superficie de carretera (pavimento) o dentro de superficies cubiertas de césped, debe haber un espacio para la pestaña. Esto se proporciona mediante una ranura llamada brida. El riel se conoce entonces como riel ranurado , riel ranurado o riel de viga . La brida tiene la cabeza del riel en un lado y la protección en el otro. La protección no soporta peso, pero puede actuar como contracarril.
El riel ranurado fue inventado en 1852 por Alphonse Loubat , un inventor francés que desarrolló mejoras en el equipo de tranvía y ferrocarril, y ayudó a desarrollar líneas de tranvía en la ciudad de Nueva York y París. [15] La invención del riel ranurado permitió que los tranvías se instalaran sin causar molestias a otros usuarios de la carretera, excepto a los ciclistas desprevenidos , que podrían quedar atrapados con sus ruedas en el surco. Los surcos pueden llenarse de grava y suciedad (en particular si se usan con poca frecuencia o después de un período de inactividad) y es necesario limpiarlos de vez en cuando, lo que se hace con un vehículo "limpiador" (ya sea un tranvía especializado o un vehículo de mantenimiento de carretera y ferrocarril ). Si no se limpian los surcos, puede provocar un viaje accidentado para los pasajeros, daños en las ruedas o el riel y posiblemente descarrilamiento .
La forma tradicional de riel ranurado es la sección de protección de vigas que se ilustra a la izquierda. Este riel es una forma modificada de riel con brida y requiere un montaje especial para la transferencia de peso y la estabilización del ancho de vía. Si el peso es soportado por la superficie de la calzada, se necesitan traviesas de acero a intervalos regulares para mantener el ancho de vía. Instalarlas significa que se debe excavar y reinstalar toda la superficie.
El riel de bloque es una forma de perfil más bajo de barandilla de protección de vigas en la que se ha eliminado el alma. De perfil, se parece más a una forma sólida de riel de puente, con una brida y una protección añadidas. Simplemente quitando el alma y combinando la sección de la cabeza directamente con la sección de la base se obtendría un riel débil, por lo que se requiere un espesor adicional en la sección combinada. [16]
Un carril de bloque moderno con una reducción adicional de masa es el carril LR55 [17] , que está revestido con poliuretano en una viga de hormigón prefabricada. Se puede colocar en ranuras de zanja cortadas en una plataforma de asfalto existente para el tren ligero (tranvías). [18]
El peso de un riel por longitud es un factor importante para determinar la resistencia del riel y, por lo tanto, las cargas por eje y las velocidades.
Los pesos se miden en libras por yarda ( se utilizan unidades imperiales en Canadá, el Reino Unido y los Estados Unidos) o kilogramos por metro (se utilizan unidades métricas en Australia y Europa continental ). 1 kg/m = 2,0159 lb/yd.
Comúnmente, en la terminología ferroviaria, libra es una metonimia de la expresión libras por yarda y, por lo tanto, un riel de 132 libras significa un riel de 132 libras por yarda.
Los rieles se fabrican en una gran cantidad de tamaños diferentes. Algunos tamaños de rieles europeos comunes incluyen:
En los países de la ex Unión Soviética , los rieles de 65 kg/m (131 lb/yd) y los rieles de 75 kg/m (151 lb/yd) (no endurecidos térmicamente) son comunes. Los rieles de 75 kg/m (151 lb/yd) endurecidos térmicamente también se han utilizado en ferrocarriles de servicio pesado como la línea principal Baikal-Amur , pero han demostrado ser deficientes en su funcionamiento y fueron rechazados principalmente a favor de los rieles de 65 kg/m (131 lb/yd). [ cita requerida ]
En 1893, la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (o ASCE) especificó los perfiles de los rieles para incrementos de 5 lb/yd (2,5 kg/m) desde 40 hasta 100 lb/yd (19,8 hasta 49,6 kg/m). La altura del riel era igual al ancho del pie para cada peso de riel en T de la ASCE; y los perfiles especificaban una proporción fija de peso en la cabeza, el alma y el pie del 42 %, 21 % y 37 %, respectivamente. El perfil de 90 lb/yd (44,6 kg/m) de la ASCE era adecuado; pero los pesos más pesados eran menos satisfactorios. En 1909, la Asociación Estadounidense de Ferrocarriles (o ARA) especificó perfiles estándar para incrementos de 10 lb/yd (4,96 kg/m) desde 60 hasta 100 lb/yd (29,8 hasta 49,6 kg/m). La Asociación Estadounidense de Ingeniería Ferroviaria (o AREA) especificó perfiles estándar para rieles de 100 lb/yd (49,6 kg/m), 110 lb/yd (54,6 kg/m) y 120 lb/yd (59,5 kg/m) en 1919, para rieles de 130 lb/yd (64,5 kg/m) y 140 lb/yd (69,4 kg/m) en 1920, y para rieles de 150 lb/yd (74,4 kg/m) en 1924. La tendencia era aumentar la relación altura/ancho del pie del riel y fortalecer el alma. Las desventajas del pie más estrecho se superaron mediante el uso de placas de unión . Las recomendaciones de AREA redujeron el peso relativo de la cabeza del riel al 36%, mientras que los perfiles alternativos redujeron el peso de la cabeza al 33% en rieles de mayor peso. También se centró la atención en mejorar los radios de los filetes para reducir la concentración de tensiones en la unión del alma con la cabeza. AREA recomendó el perfil ARA de 90 lb/yd (44,6 kg/m). [19] Los rieles ASCE antiguos, más livianos, siguieron en uso y satisficieron la demanda limitada de rieles ligeros durante algunas décadas. AREA se fusionó con la Asociación Estadounidense de Ingeniería y Mantenimiento de Vías Ferroviarias en 1997.
A mediados del siglo XX, la mayor parte de la producción de rieles era de peso medio (112 a 119 lb/yd o 55,6 a 59,0 kg/m) y pesado (127 a 140 lb/yd o 63,0 a 69,4 kg/m). Los tamaños de rieles inferiores a 100 lb/yd (49,6 kg/m) suelen ser para transporte de mercancías de menor capacidad, vías de poco uso o trenes ligeros . Las vías que utilizan rieles de 100 a 120 lb/yd (49,6 a 59,5 kg/m) son para ramales de mercancías de menor velocidad o tránsito rápido ; por ejemplo, la mayor parte de las vías del sistema de metro de la ciudad de Nueva York están construidas con rieles de 100 lb/yd (49,6 kg/m). [ cita requerida ] Las vías de la línea principal suelen construirse con rieles de 130 lb/yd (64,5 kg/m) o más pesados. Algunos tamaños de rieles comunes en América del Norte incluyen: [20]
Algunos tamaños comunes de rieles para grúas en América del Norte incluyen:
Algunos tamaños comunes de rieles australianos incluyen:
El riel de 130 metros (430 pies), que sería la línea ferroviaria más larga del mundo en una sola pieza, se laminó en URM, Bhilai Steel Plant (SAIL) el 29 de noviembre de 2016. [22] En orden de fecha y luego de longitud:
La soldadura de rieles en tramos más largos se introdujo por primera vez alrededor de 1893. La soldadura se puede realizar en un depósito central o en el campo.
Desde hace mucho tiempo se reconoce que las ruedas cónicas y los raíles con la misma pendiente siguen las curvas mejor que las ruedas cilíndricas y los raíles verticales. Algunos ferrocarriles, como Queensland Railways, tuvieron durante mucho tiempo ruedas cilíndricas hasta que un tráfico mucho más pesado requirió un cambio. [25] Las bandas de rodadura de las ruedas cilíndricas tienen que "deslizarse" en las curvas de la vía, por lo que aumentan tanto la resistencia como el desgaste de los raíles y las ruedas. En vías muy rectas, la banda de rodadura de una rueda cilíndrica rueda con más libertad y no "se mueve". El ancho de vía se estrecha ligeramente y los filetes de las bridas evitan que las bridas rocen los raíles. La práctica en Estados Unidos es un cono de 1 en 20 cuando es nuevo. A medida que la banda de rodadura se desgasta, se acerca a una banda de rodadura cilíndrica desigual, momento en el que la rueda se centra en un torno de ruedas o se reemplaza. [ cita requerida ]
Los rieles se fabrican con acero de alta calidad y no en grandes cantidades en comparación con otros tipos de acero, por lo que el número de fabricantes en un país tiende a ser limitado.