La geometría de la vía se ocupa de las propiedades y relaciones de puntos, líneas, curvas y superficies [1] en el posicionamiento tridimensional de la vía del ferrocarril . El término también se aplica a las mediciones utilizadas en el diseño, construcción y mantenimiento de vías. La geometría de la vía implica estándares, límites de velocidad y otras regulaciones en las áreas de ancho de vía , alineación, elevación, curvatura y superficie de la vía. [2] [ verificación fallida ] Los estándares generalmente se expresan por separado para diseños horizontales y verticales , aunque la geometría de la vía es tridimensional.
El diseño horizontal es el diseño de la pista en el plano horizontal. Esto se puede considerar como una vista en planta , que es una vista de una pista tridimensional desde la posición sobre la pista. En la geometría de vía, el trazado horizontal implica el trazado de tres tipos de vía principales: vía tangente (línea recta), vía curva y vía curva de transición (también llamada espiral de transición o espiral ) que conecta entre una vía tangente y una vía curva. La vía curva también se puede clasificar en tres tipos. El primer tipo es una curva simple que tiene el mismo radio en toda la pista curva. El segundo tipo es la curva compuesta que comprende dos o más curvas simples de diferentes radios que tienen la misma dirección de curvatura. El tercer tipo es la curva inversa que comprende dos o más curvas simples que tienen la dirección de curvatura opuesta (a veces conocida como curva "S" o curva serpentina). [3] [4]
En Australia, existe una definición especial de curva (o curva horizontal ), que es una conexión entre dos vías tangentes a casi 180 grados (con una desviación no superior a 1 grado y 50 minutos ) sin una curva intermedia. Hay un conjunto de límites de velocidad para las curvas aparte de la vía tangente normal. [5]
El diseño vertical es el diseño de la pista en el plano vertical. Esto se puede considerar como la vista de elevación , que es la vista lateral de la pista para mostrar la elevación de la pista. En la geometría de la vía, el diseño vertical implica conceptos como nivel transversal, peralte y pendiente.
El carril de referencia es el carril base que se utiliza como punto de referencia para la medición. Puede variar en diferentes países. La mayoría de los países utilizan uno de los rieles como carril de referencia. Por ejemplo, América del Norte utiliza el carril de referencia como carril de línea , que es el carril este de la vía tangente que corre de norte a sur, el carril norte de la vía tangente que corre de este a oeste, el carril exterior (el carril que está más alejado del centro ) en curvas, o los rieles exteriores en territorio de vías múltiples. [6] Para los ferrocarriles suizos, el carril de referencia para vía tangente es la línea central entre dos carriles, pero es el carril exterior para vía curva. [7]
El ancho de vía o ancho de vía (también conocido como ancho de vía en América del Norte [8] ) es la distancia entre los lados interiores (lados de ancho) de las cabezas de los dos rieles portantes que conforman una sola línea ferroviaria. Cada país utiliza diferentes anchos para diferentes tipos de trenes. Sin embargo, los 1.435 mm ( 4 pies 8+ El ancho de ½ pulgada es la base del 60% de los ferrocarriles del mundo.
El nivel transversal (o 'nivel transversal') es la medida de la diferencia de elevación (altura) entre la superficie superior de los dos rieles en cualquier punto de la vía férrea. Los dos puntos (cada uno en la cabecera de cada riel) se miden en ángulo recto con respecto al riel de referencia . Dado que el riel puede moverse ligeramente hacia arriba y hacia abajo, la medición debe realizarse bajo carga.
Se dice que el nivel transversal es cero cuando no hay diferencia en la elevación de ambos rieles. Se dice que es de nivel transversal inverso cuando el carril exterior de una vía curva tiene una elevación menor que el carril interior. De lo contrario, el nivel transversal se expresa en la unidad de altura.
Los límites de velocidad se rigen por el nivel transversal de la vía. En la vía tangente, se desea tener un nivel transversal cero. Sin embargo, puede producirse una desviación de cero. Muchas regulaciones tienen especificaciones relacionadas con los límites de velocidad de cierto segmento de la pista según el nivel transversal. [8] [9]
Para vías curvas, la mayoría de los países utilizan el término peralte o peralte para expresar la diferencia en elevación y las regulaciones relacionadas.
La deformación es la diferencia en el nivel transversal de dos puntos cualesquiera dentro de una distancia específica a lo largo de la pista. El parámetro de deformación en la geometría de la pista se utiliza para especificar el máximo en la diferencia de nivel transversal de la pista en cualquier segmento (tangentes, curvas y espirales).
Sin el parámetro de alabeo máximo, la regulación del nivel transversal por sí sola puede no ser suficiente. Considere rieles con un nivel transversal positivo seguido de un nivel transversal negativo seguido de una secuencia de niveles cruzados positivos y negativos alternos. Aunque todos esos niveles transversales están dentro de los parámetros permitidos, cuando se opera un tren a lo largo de dicha vía, el movimiento se balanceará hacia la izquierda y hacia la derecha. Por lo tanto, el parámetro de deformación máxima se utiliza para evitar la condición crítica de balanceo armónico que puede provocar que los trenes se balanceen hacia adelante y hacia atrás y descarrilen después de subir las ruedas. [9]
En Norteamérica, la distancia específica utilizada para medir y garantizar que la diferencia en el nivel transversal de la vía esté dentro del parámetro de alabeo permitido es de 62 pies. La deformación de diseño es cero tanto para la vía tangente como para la curva. Eso significa que, idealmente, el nivel transversal no debería cambiar entre dos puntos dentro de 62 pies. Hay algunas desviaciones para permitir que cambien los niveles transversales a lo largo de la vía (como el cambio de peralte en curvas). Los diferentes niveles de esas desviaciones del alabeo cero especifican los límites de velocidad. [8]
La especificación que se centra en la tasa de cambio en los niveles transversales de vía en curva está contenida dentro del área relacionada con la pendiente de peralte .
El término pendiente de vía es la elevación relativa de los dos rieles a lo largo de la vía. Esto se puede expresar en la distancia recorrida horizontalmente para una elevación de una unidad, o en términos de un ángulo de inclinación o una diferencia porcentual de elevación para una distancia determinada de la vía.
Las pendientes permitidas pueden basarse en la pendiente reglamentaria , que es la pendiente máxima sobre la que se puede transportar un tren de tonelaje con una locomotora. En algunos países se puede permitir un gradiente de impulso , que es más pronunciado pero más corto. Esto suele ocurrir cuando una pendiente de vía se conecta a una vía tangente nivelada lo suficientemente larga y sin señal entre ellas, de modo que un tren pueda generar impulso para atravesar una pendiente más pronunciada que sin el impulso ganado en la vía tangente nivelada.
En vía curva (con o sin peralte), habrá resistencia en la curva para empujar a los trenes a través de la curva. Los gradientes permitidos pueden reducirse en las curvas para compensar la resistencia adicional de la curva. [5] La pendiente debe ser uniforme a lo largo de la pista.
La curva vertical es la curva en el diseño vertical para conectar dos pendientes de vía, ya sea para cambiar de una mejora a una degradación (cumbre), cambiar de una degradación a una mejora (hundimiento o valle), cambiar en dos niveles de mejoras o cambiar en dos niveles de degradación.
Algunos países no tienen especificaciones sobre la geometría exacta de las curvas verticales más allá de las especificaciones generales sobre la alineación vertical. Australia tiene la especificación de que la forma de las curvas verticales debe basarse en una parábola cuadrática, pero la longitud de una curva vertical determinada se calcula en función de una curva circular. [5]
En la mayoría de los países, la medida de la curvatura de una vía curva se expresa en radio . Cuanto más corto es el radio, más pronunciada es la curva. Para curvas más cerradas, los límites de velocidad son más bajos para evitar que una fuerza centrífuga horizontal hacia afuera vuelque los trenes dirigiendo su peso hacia el riel exterior. Se puede utilizar Cant para permitir velocidades más altas en la misma curva.
En Norteamérica, la medida de la curvatura se expresa en grado de curvatura . Esto se hace teniendo una cuerda de 100 pies (30,48 m) conectada a dos puntos en un arco del riel de referencia, luego dibujando radios desde el centro hasta cada uno de los puntos finales de la cuerda. El ángulo entre las líneas de los radios es el grado de curvatura. [10] El grado de curvatura es inverso al radio. Cuanto mayor sea el grado de curvatura, más pronunciada será la curva. Expresar la curva de esta manera permite a los topógrafos utilizar estimaciones y herramientas más simples en la medición de curvas. Esto se puede hacer usando una cuerda de 62 pies (18,90 m) como cuerda para conectar el arco en el lado del calibre del riel de referencia. Luego, en el punto medio de la línea de cuerda (en el pie 31), se toma una medida desde la línea de cuerda hasta el calibre del riel de referencia. El número de pulgadas en esa medida se aproxima al número de grados de curvatura. [8]
Debido a la limitación de cómo un equipo de tren específico puede girar a velocidades máximas, existe una limitación del radio de curva mínimo para controlar la nitidez de todas las curvas a lo largo de una ruta determinada. Aunque la mayoría de los países utilizan el radio para medir la curvatura, el término grado máximo de curvatura todavía se utiliza fuera de América del Norte, como en la India, pero con el radio como unidad. [11]
En las vías curvas, generalmente está diseñado para elevar el carril exterior, proporcionando un giro peraltado , permitiendo así a los trenes maniobrar a través de la curva a velocidades más altas que de otro modo no serían posibles si la superficie fuera plana o nivelada. También ayuda al tren a girar en una curva, evitando que las pestañas de las ruedas presionen los rieles, minimizando la fricción y el desgaste. La medida de la diferencia de elevación entre el carril exterior y el carril interior se denomina peralte en la mayoría de los países. A veces, el peralte se mide en términos de ángulo en lugar de diferencia de altura. [12] En América del Norte, se mide en diferencia de altura y se llama nivel transversal, incluso para la vía curva.
Cuando el carril exterior está a mayor altura que el carril interior, se denomina peralte positivo . Este suele ser el diseño deseado para vías curvas. La mayoría de los condados logran el nivel deseado de peralte positivo elevando el riel exterior a ese nivel que se llama peralte . Para los ferrocarriles suizos, el peralte se realiza girando el eje de la vía (centro de los dos rieles) para tener el riel exterior súper elevado (elevado) a la mitad del peralte deseado y el riel interior bajo elevado (bajado) al mismo tiempo. la mitad del peralte deseado.
Cuando el riel exterior está a menor elevación que el riel interior, se le llama peralte negativo (o nivel transversal inverso en América del Norte). Este no suele ser el diseño deseado, pero puede ser inevitable en algunas situaciones, como en curvas con desvíos .
Existen normas que limitan el peralte máximo. Se trata de controlar la descarga de las ruedas sobre el carril exterior (carril alto), especialmente a bajas velocidades.
El gradiente de peralte es la cantidad en la que el peralte aumenta o disminuye en una longitud de vía determinada. El cambio de peralte es necesario para conectar una vía tangente (sin peralte) a una vía curva (con peralte) a través de una curva de transición. La tasa de cambio de peralte se utiliza para determinar la pendiente de peralte adecuada para una velocidad de diseño determinada. La torsión de la vía también se puede utilizar para describir el gradiente de peralte que se puede expresar en porcentaje de cambio de peralte por unidad de longitud. [7] Sin embargo, en el Reino Unido, el término torsión de vía se utiliza normalmente en el contexto de gradiente de peralte con valores más altos que se consideran fallas. [12]
En América del Norte, la pendiente de peralte requerida en una curva de transición para lograr una conexión suave entre el peralte de la vía curva y el nivel transversal cero de la vía tangente se llama escorrentía de peralte . Además de la especificación de escorrentía, las regulaciones relacionadas con la tasa de cambio permitida en el peralte también forman parte de la especificación general sobre la tasa de cambio en el nivel transversal llamado parámetro de deformación. El parámetro de deformación y el escurrimiento de peralte ayudan a calcular la longitud requerida del escurrimiento para una curva de transición. [9]
Como se describe, el peralte se puede utilizar para reducir la aceleración lateral en trenes que viajan en vías curvas. Esto es para equilibrar la fuerza centrífuga (fuerza que empuja hacia afuera de la curva) y la fuerza centrípeta (fuerza que empuja hacia adentro de la curva). A mayor velocidad, la fuerza centrífuga es mayor. Por el contrario, una mayor inclinación crea una mayor fuerza centrípeta. El cálculo supone una velocidad constante del tren en una curva de radio constante.
Cuando la velocidad del tren y la cantidad de peralte están en equilibrio (centrífugo coincide con centrípeto), se llama equilibrio . Esto haría que los componentes de la fuerza rueda-carril sean normales al plano de la vía, teniendo en conjunto la misma cantidad para el carril exterior que para el carril interior. Esto también haría que los pasajeros del tren no percibieran ninguna aceleración lateral (un empujón hacia el costado).
Para una cantidad fija de peralte, la velocidad que crea el equilibrio se llama velocidad de equilibrio . Para una velocidad constante de un tren en marcha, la cantidad de peralte requerida para lograr el equilibrio se llama peralte de equilibrio . [12]
En la práctica, los trenes no circulan por peraltes de equilibrio en las curvas. La situación se llama desequilibrio , que puede darse de una de las dos formas siguientes. Para una velocidad dada, si el peralte real es menor que el peralte de equilibrio, la cantidad de diferencia de peralte se denomina deficiencia de peralte . En otras palabras, es la cantidad de peralte que falta para lograr el equilibrio. Por el contrario, para una velocidad dada, si el peralte real es mayor que el peralte de equilibrio, la cantidad de peralte excesivo del equilibrio se llama exceso de peralte .
En una configuración de vía compartida para trenes con diferentes velocidades operativas, como servicios ferroviarios de carga y de pasajeros de mayor velocidad , el peralte en una curva debe considerarse tanto para velocidades altas como bajas. Los trenes de mayor velocidad experimentarían una deficiencia de peralte y los trenes de menor velocidad experimentarían un exceso de peralte. Estos parámetros tienen un efecto significativo en el rendimiento en curva, que incluye la seguridad, la comodidad de los pasajeros y el desgaste de equipos y rieles. [13]
El término alineación se utiliza tanto en diseños horizontales como verticales para describir la uniformidad de la línea (rectitud) de los rieles.
La alineación horizontal (o alineamiento en los Estados Unidos) se realiza utilizando una longitud predefinida de línea de cuerda (como 62 pies en los EE. UU. y 20 metros en Australia [5] ) para medir a lo largo del lado del ancho del riel de referencia. Es la distancia (en pulgadas o milímetros) desde el punto medio de la línea de cuerda hasta el calibre del riel de referencia. La alineación horizontal de diseño para la vía tangente es cero (línea recta perfecta en el trazado horizontal). La alineación horizontal de diseño en la vía curva en América del Norte es de 1 pulgada por cada grado de curvatura. Cualquier otra lectura indica desviaciones.
La alineación vertical (o perfil en Norteamérica, pero no confundir con perfil de carril ) es la uniformidad de la superficie en el plano vertical. La medición de la uniformidad se realiza utilizando una longitud predefinida de línea de cuerda (normalmente la misma longitud utilizada en la alineación horizontal) a lo largo de la pista. Si el punto medio de la medición tiene mayor elevación, se le llama desviación de joroba . En cambio, si el punto medio tiene menor elevación se le llama desviación de buzamiento . [9]
Estas desviaciones de la alineación de diseño se utilizan como parámetros para asignar límites de velocidad.