En ingeniería ferroviaria , la deficiencia de peralte se define en el contexto del desplazamiento de un vehículo ferroviario a velocidad constante en una curva de radio constante . El peralte en sí se refiere al peralte de la curva, es decir, la diferencia entre las elevaciones de los rieles exterior e interior. La deficiencia de peralte está presente cuando la velocidad de un vehículo ferroviario en la curva es mayor que la velocidad a la que los componentes de la fuerza rueda-riel son normales al plano de la vía. En ese caso, la fuerza resultante ( fuerza gravitacional y centrífuga agregada ) ejerce más sobre el riel exterior que sobre el riel interior, en el que crea una aceleración lateral hacia el exterior de la curva (lo que podría provocar vuelcos o descarrilamientos ). Para reducir la deficiencia de peralte, se puede reducir la velocidad o se puede aumentar el peralte. La cantidad de deficiencia de peralte se expresa en términos del peralte requerido que se debe agregar para equilibrar la fuerza resultante entre los dos rieles.
Por el contrario, se dice que hay " exceso de peralte " si la fuerza resultante ejerce más contra el carril interior que contra el carril exterior, por ejemplo, una curva de gran peralte con un tren que viaja a baja velocidad. [1]
Las fuerzas que actúan sobre el vehículo en este contexto se ilustran en la siguiente figura.
El movimiento de un vehículo a velocidad v a lo largo de una trayectoria circular incorpora una aceleración centrípeta de magnitud hacia el centro del círculo, siendo la curvatura de esa trayectoria donde R es el radio del círculo. Esta aceleración centrípeta es producida por fuerzas horizontales aplicadas por los rieles a las ruedas del vehículo, dirigidas hacia el centro, y cuya suma es igual a donde M es la masa del vehículo.
La fuerza horizontal neta que produce la aceleración centrípeta generalmente se divide en componentes que están respectivamente en el plano de la vía peraltada (es decir, peraltada) y son normales a ella.
El componente normal a la vía actúa junto con el componente mucho mayor de la fuerza gravitacional normal a la vía y generalmente se descuida. Puede aumentar ligeramente la carga vertical percibida por la suspensión del vehículo, pero no crea aceleración lateral como la que perciben los pasajeros y no causa deflexión lateral de la suspensión del vehículo.
La pista está peraltada de modo que el componente de la aceleración de la gravedad en el plano de la pista proporcionará una fracción de la aceleración horizontal en el plano de la pista debido al movimiento circular. Con referencia a la figura anterior, se puede ver que los componentes de la aceleración gravitacional y centrípeta en el plano de la pista serán iguales cuando se cumpla la siguiente ecuación de equilibrio, donde α es el ángulo de inclinación.
Para un radio de curva y un ángulo de inclinación determinados (es decir, peralte), la velocidad V que satisface la ecuación de equilibrio se denomina velocidad de equilibrio y se expresa mediante
Por razones que se mencionarán más adelante, los vehículos de pasajeros generalmente atraviesan una curva a una velocidad superior a la velocidad de equilibrio. La cantidad en la que la velocidad real excede la velocidad de equilibrio se expresa convenientemente a través de la denominada deficiencia de peralte, es decir, por la cantidad en la que se necesitaría aumentar el peralte para elevar la velocidad de equilibrio a la velocidad a la que viajan realmente los vehículos. Si GE denota el ancho de vía desde la esquina lateral de ancho de vía bajo hasta la esquina lateral de campo de vía alto, si SE denota el peralte real y si V act denota la velocidad real, se deduce de la definición que la deficiencia de peralte, CD , viene dada por la fórmula
Tomando un ejemplo, una curva con una curvatura de 1,0 grados por cada 100 pies de cuerda (radio 1.746,40 m = 5.729,65 pies), GE = 1.511,3 mm (59,5 pulgadas) y SE = 152,4 mm (6,0 pulgadas) tendrá
Si un vehículo recorre esa curva a una velocidad de 55,880 m/s (= 201,17 km/h = 125 mph), entonces la deficiencia de peralte será
En las rutas que transportan tráfico de mercancías en vagones con las cargas máximas permitidas por eje, será conveniente fijar peraltes de modo que la velocidad de equilibrio de cada curva sea cercana a la velocidad a la que circula la mayoría de ese tráfico. Esto es para reducir la tendencia de las cargas pesadas sobre las ruedas a aplastar la cabeza de cualquiera de los raíles.
El CD permitido se establece por debajo del valor que se permitiría en función de la seguridad, con el fin de reducir el desgaste de las ruedas y los rieles y reducir la tasa de degradación de la geometría de la vía con balasto. La elección del CD de diseño estará menos limitada por la comodidad de los pasajeros en el caso de vehículos con capacidad de inclinación. Un enfoque histórico para determinar la deficiencia de peralte seguro era el requisito de que la proyección al plano de la vía de la resultante de las fuerzas inerciales y gravitacionales que actúan sobre un vehículo se encuentre dentro del tercio medio del ancho de vía. Los estudios de ingeniería contemporáneos probablemente utilizarían la simulación del movimiento del vehículo, incluidas las condiciones de viento cruzado, para determinar los márgenes relativos al descarrilamiento y el vuelco.
Si el peralte determinado para una curva de ruta exclusiva para pasajeros sobre la base de normas y seguridad es inferior a 152,4 mm (6 in), puede ser conveniente aumentar el peralte y reducir la deficiencia de peralte. Sin embargo, si en una curva de este tipo algunos trenes circulan regularmente a baja velocidad, entonces aumentar el peralte puede no ser aconsejable por razones de comodidad de los pasajeros.
En una ruta de tráfico mixto propiedad de una empresa ferroviaria de transporte de mercancías, es probable que prevalezcan las consideraciones relacionadas con el transporte de mercancías. En una ruta de tráfico mixto propiedad de una empresa ferroviaria de pasajeros, puede ser necesario algún tipo de compromiso.
La deficiencia de peralte se considera generalmente en relación con la geometría ideal de la vía . Como la geometría de la vía real nunca es perfecta, puede ser conveniente complementar las consideraciones estáticas expuestas anteriormente con simulaciones del movimiento del vehículo sobre geometrías medidas de vías reales. Las simulaciones también son convenientes para comprender el comportamiento del vehículo al atravesar espirales , desvíos y otros segmentos de vía donde la curvatura cambia con la distancia por diseño. Cuando las simulaciones o mediciones muestran un comportamiento no ideal al atravesar espirales lineales tradicionales, los resultados se pueden mejorar utilizando espirales avanzadas. Es probable que una buena geometría de vía que incluya espirales avanzadas fomente la aceptación por parte de los pasajeros de valores de CD más altos.
Para el tráfico de pasajeros, se pueden establecer peraltes y velocidades autorizadas de modo que los trenes circulen con la mayor deficiencia de peralte permitida, en función de la seguridad, de las reglamentaciones pertinentes y de la comodidad de los pasajeros. A partir de 2007, las reglamentaciones de la Administración Federal de Ferrocarriles de los EE. UU . limitan el CD a 7 pulgadas (178 mm) para vehículos de pasajeros basculantes y 3 pulgadas (76 mm) para vehículos convencionales. [ cita requerida ] Esta reglamentación de la FRA se basa en los estándares AAR basados en un único estudio realizado en la década de 1950 en una línea ferroviaria en Connecticut. [ cita requerida ] En Alemania, donde las cargas por eje suelen ser inferiores a las de los EE. UU., se permite que los trenes basculantes funcionen con un CD de 12 pulgadas (305 mm) en algunos casos [ cita requerida ] . Un CD superior a 6 pulgadas (152 mm) puede considerarse demasiado incómodo para los pasajeros (por ejemplo, las cosas sobre las mesas pueden deslizarse), excepto en los trenes basculantes.
En 2009, la FRA publicó nueva información sobre la deficiencia de peralte en virtud de la FRA-2009-0036-0003. [2] Debido a las circunstancias descritas, se modificaron las reglamentaciones federales sobre deficiencia de peralte de modo que cualquier vehículo ferroviario puede operar con hasta 3 pulgadas de deficiencia de peralte y cualquier vehículo que vaya a operar por encima de este número debe ser aprobado por la FRA para tales operaciones. La aprobación se rige por las condiciones descritas en el capítulo 49 del CFR, sección 213.329, parte (d) [3] y se basa en la idea de que el vagón no puede descargar la rueda interior en una curva en más del 60 % de la carga estática.
Francia y Alemania permiten que los trenes en líneas convencionales circulen con un peralte de hasta 152 mm (6 pulgadas). El TGV tiene un límite de peralte de 102 mm (4 pulgadas) [4] .
