La geometría de la vía se ocupa de las propiedades y relaciones de puntos, líneas, curvas y superficies [1] en el posicionamiento tridimensional de las vías del tren . El término también se aplica a las mediciones utilizadas en el diseño, la construcción y el mantenimiento de las vías. La geometría de la vía implica normas, límites de velocidad y otras regulaciones en las áreas de ancho de vía , alineación, elevación, curvatura y superficie de la vía. [2] [ verificación fallida ] Las normas suelen expresarse por separado para los 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 la vista en planta , que es una vista de una pista tridimensional desde la posición sobre la pista. En la geometría de la pista, el diseño horizontal implica el diseño de tres tipos de pista principales: pista tangente (línea recta), pista curva y curva de transición de pista (también llamada espiral de transición o espiral ) que conecta entre una tangente y una pista curva. La pista curva también se puede clasificar en tres tipos. El primer tipo es la curva simple que tiene el mismo radio en toda esa 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 opuesta de curvatura (a veces conocida como curva en "S" o curva serpenteante). [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 mayor a 1 grado 50 minutos ) sin una curva intermedia. Existe un conjunto de límites de velocidad para las curvas, independientemente de la vía tangente normal. [5]
El trazado vertical es el trazado de la vía en el plano vertical. Esto se puede considerar como la vista de elevación , que es la vista lateral de la vía para mostrar la elevación de la vía. En la geometría de la vía, el trazado vertical implica conceptos como el nivel transversal, el peralte y la pendiente.
El riel de referencia es el riel 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 riel de referencia. Por ejemplo, América del Norte utiliza el riel de referencia como el riel de línea , que es el riel este de la vía tangente que corre de norte a sur, el riel norte de la vía tangente que corre de este a oeste, el riel exterior (el riel que está más alejado del centro) en las curvas, o los rieles exteriores en territorio de vías múltiples. [6] Para el ferrocarril suizo, el riel de referencia para la vía tangente es la línea central entre dos rieles, pero es el riel exterior para la 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 vía) de las cabezas de los dos rieles de carga que forman una sola línea ferroviaria. Cada país utiliza diferentes anchos de vía para diferentes tipos de trenes. Sin embargo, el ancho de vía de 1.435 mm ( 4 pies 8 pulgadas) es el ancho de vía más ancho de vía.+El ancho de vía de 1 ⁄ 2 pulgadaes la base del 60% de los ferrocarriles del mundo.
El nivel transversal (o 'nivel de cruce') es la medición de la diferencia de elevación (altura) entre la superficie superior de los dos rieles en cualquier punto de la vía del tren. Los dos puntos (cada uno en la cabeza de cada riel) se miden en ángulos rectos con respecto al riel de referencia . Dado que el riel puede moverse levemente 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 carriles. Se dice que el nivel transversal es inverso cuando el carril exterior de la vía curva tiene una elevación menor que el carril interior. En caso 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 vías tangentes, es deseable tener un nivel transversal cero. Sin embargo, puede producirse una desviación de cero. Muchas reglamentaciones tienen especificaciones relacionadas con los límites de velocidad de ciertos segmentos de la vía en función del nivel transversal. [8] [9]
Para vías curvas, la mayoría de los países utilizan el término peralte o peralte para expresar la diferencia de elevación y las regulaciones relacionadas.
La deformación es la diferencia de nivel entre 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 la diferencia máxima entre niveles de la pista en cualquier segmento (tangentes, curvas y espirales).
Sin el parámetro de deformación máxima, la regulación del nivel transversal por sí sola puede no ser suficiente. Consideremos rieles con un nivel transversal positivo seguido de un nivel transversal negativo seguido de una secuencia de niveles transversales positivos y negativos alternados. Aunque todos esos niveles transversales están dentro de los parámetros permisibles, cuando un tren circula por esa vía, el movimiento será de balanceo 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 se descarrilen después de la subida de las ruedas. [9]
En América del Norte, la distancia específica utilizada para la medición a fin de garantizar que la diferencia en el nivel transversal de la vía se encuentre dentro del parámetro de curvatura permitido es de 62 pies. La curvatura de diseño es cero tanto para vías tangentes como curvas. Esto significa que, idealmente, el nivel transversal no debería cambiar entre dos puntos dentro de un radio de 62 pies. Existen algunas desviaciones que permiten que los niveles transversales a lo largo de la vía cambien (como el cambio por peralte en las curvas). Los diferentes niveles de esas desviaciones con respecto a la curvatura cero especifican los límites de velocidad. [8]
La especificación que se centra en la tasa de cambio en los niveles transversales de una vía curva está contenida dentro del área relacionada con el gradiente 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 en la elevación para una distancia dada 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 gran tonelaje con una locomotora. En algunos países, se puede permitir una pendiente de momento , que es una pendiente más pronunciada pero más corta. Esto suele ocurrir cuando una pendiente de vía se conecta con una vía tangente nivelada lo suficientemente larga y sin señal entre ellas, de modo que un tren puede generar impulso para atravesar una pendiente más pronunciada que la que podría obtener sin el impulso obtenido en la vía tangente nivelada.
En vías con curvas (con o sin peralte), habrá resistencia en la curva para empujar a los trenes a través de ella. Las pendientes admisibles pueden reducirse en las curvas para compensar la resistencia adicional en la curva. [5] La pendiente debe ser uniforme a lo largo de la vía.
La curva vertical es la curva en el diseño vertical para conectar dos gradientes de pista entre sí, ya sea para cambiar de una subida a una bajada (cumbre), cambiar de una bajada a una subida (hundimiento o valle), cambiar en dos niveles de subidas o cambiar en dos niveles de bajadas.
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 especificaciones que establecen que la forma de las curvas verticales debe basarse en una parábola cuadrática, pero la longitud de una curva vertical dada se calcula en base a una curva circular. [5]
En la mayoría de los países, la medida de la curvatura de las vías curvas se expresa en radio . Cuanto más corto es el radio, más pronunciada es la curva. Para curvas más pronunciadas, los límites de velocidad son más bajos para evitar que una fuerza centrífuga horizontal hacia afuera haga volcar los trenes al dirigir su peso hacia el riel exterior. Se puede utilizar el peralte para permitir velocidades más altas en la misma curva.
En América del Norte, la medida de la curvatura se expresa en grados de curvatura . Esto se hace teniendo una cuerda de 100 pies (30,48 m) que conecta 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 radio es el grado de curvatura. [10] El grado de curvatura es inverso del radio. Cuanto mayor sea el grado de curvatura, más pronunciada será la curva. Expresar la curva de esta manera permite a los topógrafos usar estimaciones y herramientas más simples en la medición de curvas. Esto se puede hacer usando una línea de 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. La cantidad de pulgadas en esa medida se aproxima a la cantidad de grados de curvatura. [8]
Debido a la limitación de la forma en que un equipo de tren específico puede realizar un giro a velocidades máximas, existe una limitación del radio mínimo de curva para controlar la agudeza 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 vías curvas, generalmente se diseña para elevar el riel exterior, proporcionando un giro peraltado , permitiendo así que los trenes maniobren a través de la curva a velocidades más altas que de otra manera no serían posibles si la superficie fuera plana o nivelada. También ayuda a un tren a maniobrar alrededor de una curva, evitando que las bridas de las ruedas presionen los rieles, minimizando la fricción y el desgaste. La medida de la diferencia de elevación entre el riel exterior y el riel interior se llama 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 una elevación más alta que el carril interior, se denomina peralte positivo . Este es normalmente el diseño deseado para vías curvas. La mayoría de los condados logran el nivel deseado de peralte positivo elevando el carril exterior a ese nivel, lo que se denomina peralte . En los ferrocarriles suizos, el peralte se realiza rotando en el eje de la vía (centro de los dos carriles) para tener el carril exterior sobreelevado (elevado) a la mitad de la tasa del peralte deseado y el carril interior subelevado (bajado) a la misma mitad de la tasa del peralte deseado.
Cuando el riel exterior está a una altura inferior a la del riel interior, se denomina peralte negativo (o nivel transversal inverso en Norteamérica). Este no suele ser un diseño deseable, pero puede ser inevitable en algunas situaciones, como en curvas con desvíos .
Existen normas que limitan el peralte máximo, con el fin 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 que se aumenta o disminuye el peralte en una longitud determinada de vía. 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 el gradiente de peralte adecuado para una velocidad de diseño determinada. El giro de la vía también se puede utilizar para describir el gradiente de peralte, que puede expresarse en porcentaje de cambio de peralte por unidad de longitud. [7] Sin embargo, en el Reino Unido, el término giro de la vía se utiliza normalmente en el contexto del gradiente de peralte con valores más altos que se consideran fallas. [12]
En América del Norte, el gradiente de peralte requerido 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 denomina escorrentía de peralte . Además de la especificación de escorrentía, las regulaciones relacionadas con la tasa de cambio permisible en el peralte también forman parte de la especificación general sobre la tasa de cambio en el nivel transversal, denominada parámetro de alabeo. El parámetro de alabeo y la escorrentía de peralte ayudan a calcular la longitud requerida de la escorrentía para una curva de transición. [9]
Como se ha descrito, la inclinación puede utilizarse para reducir la aceleración lateral en trenes que circulan por vías curvas. Esto sirve para equilibrar la fuerza centrífuga (fuerza que empuja hacia fuera de la curva) y la fuerza centrípeta (fuerza que empuja hacia dentro de la curva). A mayor velocidad, la fuerza centrífuga es mayor. Por el contrario, una inclinación mayor crea una fuerza centrípeta mayor. El cálculo para esto 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 (la fuerza centrífuga coincide con la centrípeta), se habla de equilibrio . Esto haría que los componentes de la fuerza rueda-riel normal al plano de la vía tuvieran el mismo agregado para el riel exterior que para el riel interior. Esto también haría que los pasajeros del tren no percibieran ninguna aceleración lateral (un empuje hacia los lados).
Para una cantidad fija de peralte, la velocidad que crea el equilibrio se denomina velocidad de equilibrio . Para una velocidad constante de un tren en marcha, la cantidad de peralte necesaria para lograr el equilibrio se denomina peralte de equilibrio . [12]
En la práctica, los trenes no circulan con peralte de equilibrio en las curvas. La situación se denomina desequilibrio y puede presentarse 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 que sobra al equilibrio se denomina exceso de peralte .
En una configuración de vía compartida para trenes con diferentes velocidades de operación, como servicios de transporte de mercancías y de pasajeros de alta velocidad , el peralte en una curva debe considerarse tanto para velocidades altas como bajas. Los trenes de alta velocidad experimentarían deficiencia de peralte y los trenes de baja velocidad experimentarían exceso de peralte. Estos parámetros tienen un efecto significativo en el desempeño en curva, que incluye seguridad, comodidad de los pasajeros y 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 calibre 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 diseño 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 que no debe confundirse con el perfil del raíl ) 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 vía. Si el punto medio de la medición tiene una elevación más alta, se denomina desviación de joroba . Por otro lado, si el punto medio tiene una elevación más baja, se denomina desviación de buzamiento . [9]
Estas desviaciones de la alineación de diseño se utilizan como parámetros para asignar límites de velocidad.