El perfil de carril es la forma de la sección transversal de un carril 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 con respecto a un eje horizontal (sin embargo, consulte el riel ranurado a continuación). La cabeza está perfilada para resistir el desgaste y dar una buena marcha, y el pie perfilado para adaptarse al sistema de fijación.
A diferencia de otros usos del hierro y el acero, los rieles ferroviarios están sujetos a tensiones muy elevadas y están fabricados con acero de muy alta calidad. Fueron necesarias muchas décadas para mejorar la calidad de los materiales, incluido el cambio del hierro al acero. Los defectos menores en el acero que pueden no plantear problemas en otras aplicaciones pueden provocar roturas de rieles y descarrilamientos peligrosos cuando se utilizan en vías férreas.
En general, cuanto más pesados sean los rieles y el resto de la vía, más pesados y rápidos serán los trenes que estas vías pueden transportar.
Los carriles representan una fracción sustancial del coste de una línea ferroviaria. Las acerías solo fabrican 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 degradan para su reutilización en un ramal , vía muerta o patio .
Los primeros rieles utilizados en las vías de los carros tirados por caballos eran de madera [1] . En la década de 1760 se introdujeron los rieles de correa de hierro con finas tiras de hierro fundido fijadas en la parte superior de los rieles de madera. Esto aumentó la durabilidad de los rieles. [2] Tanto los rieles de madera como los de hierro eran relativamente económicos, pero solo podían soportar un peso limitado. Las tiras metálicas de los rieles de hierro 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". Los gastos de mantenimiento a largo plazo involucrados superaron los ahorros iniciales en los costos de construcción. [3] [2]
Benjamin Outram de B. Outram & Co., que más tarde se convirtió en Butterley Company en Ripley, introdujo los rieles de hierro fundido con bridas verticales . Los vagones que circulaban sobre estos carriles tenían un perfil plano. El socio de Outram, William Jessop, prefirió el uso de " rieles de borde " donde las ruedas tenían bridas y las cabezas de los rieles eran planas; esta configuración resultó superior a las plataformas. Los primeros rieles de borde de Jessop (con barriga de pez) fueron fabricados por Butterley Company . [4]
Los primeros de uso general fueron los llamados rieles de panza de pescado de hierro fundido , debido a su forma. Los rieles de hierro fundido eran quebradizos y se rompían con facilidad. Sólo se podían fabricar en longitudes cortas que pronto se volverían desiguales. La patente de John Birkinshaw de 1820, [5] a medida que mejoraron las técnicas de laminación, introdujo el hierro forjado en longitudes más largas, reemplazó al hierro fundido y contribuyó significativamente al crecimiento explosivo de los ferrocarriles en el período 1825-1840. La sección transversal variaba mucho de una línea a otra, pero era 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 bridas (también llamado sección en T) llegó a Estados Unidos desde Gran Bretaña y Camden and Amboy Railroad lo instaló en el ferrocarril de Pensilvania . 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 constantemente al hierro para su uso en rieles ferroviarios y permitió laminar longitudes de rieles mucho más largas.
La Asociación Estadounidense de Ingeniería Ferroviaria (AREA) y la Sociedad Estadounidense de 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 entre 0,55 y 0,77 por ciento de carbono en rieles de 70 a 90 libras por yarda (34,7 a 44,6 kg/m), entre 0,67 y 0,80 por ciento en pesos de rieles de 90 a 120 lb/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 fuerza y la resistencia a la abrasión. AREA y ASTM especificaron entre 0,6 y 0,9 por ciento de manganeso en rieles de 70 a 90 libras y entre 0,7 y 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 laminación 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 que los rieles se vuelvan quebradizos y reduzcan su resistencia 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 rieles eran simplemente trozos de madera. Para resistir el desgaste se colocó una fina correa de hierro encima de la barandilla de madera. Esto ahorró dinero ya que la madera era más barata que el metal. El sistema tenía el fallo de que cada cierto tiempo el paso de las ruedas del tren provocaba que la correa se desprendiera de la madera. El problema fue informado por primera vez por Richard Trevithick en 1802. El uso de rieles de correa en los Estados Unidos (por ejemplo, en el ferrocarril de Albany y Schenectady c. 1837) llevó a que los pasajeros se vieran amenazados por "cabezas de serpiente" cuando las correas se enrollaban y penetró en los vagones. [2]
El riel en T fue un desarrollo del riel de correa que tenía una sección transversal en "T" formada al ensanchar la parte superior de la correa hasta convertirla en una cabeza. Esta forma de ferrocarril fue generalmente de corta duración y se eliminó gradualmente en Estados Unidos en 1855. [9]
El riel de placa fue uno de los primeros tipos de riel y tenía una sección transversal en 'L' en la que la brida mantenía una rueda sin bridas en la vía. El carril con bridas experimentó un pequeño resurgimiento en la década de 1950, como barras guía , con el Métro de París ( metro de neumáticos o Métro sur pneus francés ) y más recientemente como autobús guiado . En la vía para autobuses guiada de Cambridgeshire, el riel 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 normales con ruedas guía montadas lateralmente para desplazarse contra las bridas. Los autobuses se dirigen normalmente cuando están fuera de la vía, de forma análoga a los vagones del siglo XVIII que podían maniobrar alrededor de las bocas de mina antes de incorporarse a la vía para el recorrido más largo.
El carril puente es un carril con perfil en U invertida. Su forma simple es fácil de fabricar y se usó ampliamente antes de que los perfiles más sofisticados fueran lo suficientemente baratos como para fabricarlos a granel. Se utilizó especialmente en la vía de viga de 7 pies 1 ⁄ 4 pulgadas ( 2140 mm ) del Great Western Railway , diseñada por Isambard Kingdom Brunel .
El riel de Barlow fue inventado por William Henry Barlow en 1849. Fue diseñado para colocarse directamente sobre el balasto , pero la falta de traviesas (traviesas) hizo que fuera difícil mantenerlo en ancho.
El riel de fondo plano es el perfil de riel dominante en uso mundial.
El riel en T con bridas (también llamado sección en T) es el nombre del riel de fondo plano que se usa en América del Norte . Los rieles de madera con correas de hierro se utilizaron en todos los ferrocarriles estadounidenses hasta 1831. El coronel Robert L. Stevens , presidente del ferrocarril de Camden y Amboy , concibió la idea de que un riel totalmente de hierro sería más adecuado para construir un ferrocarril. No había acerías en Estados Unidos capaces de laminar longitudes largas, por lo que navegó hasta el Reino Unido, que era el único lugar donde se podía laminar su riel en T con bridas (también llamado sección en T). Los ferrocarriles del Reino Unido habían estado utilizando carriles laminados de otras secciones transversales que habían producido los maestros del hierro .
En mayo de 1831, los primeros 500 rieles, cada uno de 15 pies (4,6 m) de largo y un peso de 36 libras por yarda (17,9 kg/m), llegaron a Filadelfia y se colocaron en la vía, marcando el primer uso del riel en T con bridas. Posteriormente, el carril T con bridas pasó a utilizarse en todos los ferrocarriles de Estados Unidos.
El Coronel Stevens también inventó la punta en forma de gancho para sujetar el riel a la traviesa (o traviesa). En 1860, la punta de tornillo se introdujo en Francia, donde se utilizó ampliamente. [10] Las puntas de tornillo son la forma más común de punta que se utiliza en todo el mundo en el siglo XXI. [ cita necesaria ]
Carril de Vignoles es el nombre popular del carril de fondo plano, en reconocimiento al ingeniero Charles Vignoles que lo introdujo en Gran Bretaña . Charles Vignoles observó que se producía desgaste en las barandillas de hierro forjado y en las sillas de hierro fundido sobre bloques de piedra, el sistema más común en aquella época. En 1836 recomendó el ferrocarril de fondo plano al ferrocarril de Londres y Croydon , del que fue ingeniero consultor. Su riel original tenía una sección transversal más pequeña que el riel 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 y Selby , Newcastle y 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 Kyanising ) y creosota , dieron un paseo mucho más silencioso que los bloques de piedra y fue posible sujetar los rieles directamente usando clips o púas . Su uso se extendió por todo el mundo y adquirió el nombre de Vignoles.
La unión donde se conectan los extremos de dos rieles entre sí es la parte más débil de una línea ferroviaria. Los primeros rieles de hierro estaban unidos por una simple eclisa o barra de metal atornillada a través de la red del riel. Se han desarrollado métodos más potentes para unir dos rieles. Cuando se coloca suficiente metal en la junta del riel, la junta es casi tan fuerte como el resto de la longitud del riel. El ruido generado por los trenes que pasan sobre las juntas de los rieles, descrito como "el chasquido de las vías del ferrocarril", se puede eliminar soldando las secciones del riel entre sí. El carril soldado continuamente tiene un perfil superior uniforme incluso en las juntas.
A finales de la década de 1830, en Gran Bretaña, las líneas ferroviarias tenían una amplia gama de patrones diferentes. Una de las primeras líneas en utilizar ferrocarriles de doble cabeza fue el Ferrocarril de Londres y Birmingham , que había ofrecido un premio al mejor diseño. Este carril estaba sostenido por sillas y la cabecera y el pie del carril tenían el mismo perfil. La supuesta ventaja era que, cuando la cabeza se desgastaba, el riel 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 riel de doble cabeza evolucionó hasta convertirse en un riel de cabeza de toro en el que la cabeza era más sustancial que el pie.
El carril Bullhead fue el estándar para el sistema ferroviario británico desde mediados del siglo XIX hasta mediados del siglo XX. Por ejemplo, en 1954 se utilizó riel de cabeza de toro para 449 millas (723 km) de vías nuevas y de fondo plano para 923 millas (1485 km). [12] Una de las primeras normas británicas , BS 9, fue para rieles de cabeza de toro; se publicó originalmente en 1905 y se revisó en 1924. Los rieles fabricados según la norma de 1905 se denominaban "OBS" (Original), y los fabricados según la norma de 1924 como "RBS" (revisada). [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 Bullhead evolucionó a partir de un riel de doble cabeza pero, debido a que no tenía un perfil simétrico, nunca fue posible darle la vuelta y usar el pie como cabeza. Por lo tanto, debido a que el riel ya no tenía el beneficio de reutilización percibido originalmente, era un método muy costoso de tender vías. Se necesitaban pesadas sillas de hierro fundido para sostener el riel, que estaba asegurado en las sillas mediante cuñas o "llaves" de madera (más tarde acero) que requerían atención regular.
El carril Bullhead ha sido reemplazado casi por completo por el carril 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 antiguos componentes de vía de las líneas principales. El metro de Londres siguió utilizando el carril de cabeza de toro después de haber sido eliminado gradualmente en otras partes de Gran Bretaña, pero en los últimos años ha habido un esfuerzo concertado para convertir sus vías en carriles de fondo plano. [14] Sin embargo, el proceso de sustitución de vías en túneles es un proceso lento debido a la imposibilidad de utilizar instalaciones y maquinaria pesada.
Cuando se coloca un riel en la superficie de una carretera (pavimento) o dentro de superficies con césped, debe haber espacio para la brida. Esto lo proporciona una ranura llamada brida. El carril se conoce entonces como carril ranurado , carril ranurado o carril viga . La brida tiene la cabeza del riel en un lado y la protección en el otro. El protector no lleva peso, pero puede actuar como barrera.
El carril ranurado fue inventado en 1852 por Alphonse Loubat , un inventor francés que desarrolló mejoras en los equipos ferroviarios y de tranvía, y ayudó a desarrollar líneas de tranvía en la ciudad de Nueva York y París. [15] La invención del carril ranurado permitió tender los tranvías sin causar molestias a otros usuarios de la vía, excepto a los ciclistas desprevenidos , que podían quedar atrapados sus ruedas en la ranura. Las ranuras pueden llenarse de grava y suciedad (especialmente si se utilizan con poca frecuencia o después de un período de inactividad) y es necesario limpiarlas de vez en cuando, lo que se hace mediante un vehículo "depurador" (ya sea un tranvía especializado o un servicio de mantenimiento de carreteras y ferrocarriles) . vehículo ). No limpiar las ranuras puede provocar que los pasajeros viajen con baches, dañar las ruedas o los rieles y posiblemente descarrilar .
La forma tradicional de riel ranurado es la sección de protección de viga que se ilustra a la izquierda. Este riel es una forma modificada de riel con bridas y requiere un montaje especial para la transferencia de peso y la estabilización del calibre. Si el peso lo soporta el subsuelo de la carretera, se necesitan tirantes de acero a intervalos regulares para mantener el ancho. Instalarlos significa que es necesario excavar y reinstalar toda la superficie.
El riel de bloque es una forma de barandilla de viga de perfil más bajo sin el alma. De perfil, se parece más a una forma sólida de riel de puente, con una brida y una protección agregadas. Simplemente quitar la red y combinar la sección de la cabeza directamente con la sección de los pies daría como resultado un riel débil, por lo que se requiere espesor adicional en la sección combinada. [dieciséis]
Un carril de bloque moderno con una mayor reducción de masa es el carril LR55 [17] , que está inyectado con poliuretano en una viga de hormigón prefabricada. Se puede colocar en ranuras de zanjas cortadas en el lecho de una carretera asfaltada existente para trenes ligeros (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 ( las unidades imperiales se utilizan en Canadá, el Reino Unido y Estados Unidos) o kilogramos por metro (las unidades métricas se utilizan en Australia y Europa continental ). 1 kg/m = 2,0159 libras/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 antigua URSS , son comunes los rieles de 65 kg/m (131 lb/yd) y los rieles de 75 kg/m (151 lb/yd) (no endurecidos térmicamente). También se han utilizado rieles de 75 kg/m (151 lb/yd) endurecidos térmicamente en ferrocarriles de servicio pesado como Baikal-Amur Mainline , pero han demostrado ser deficientes en su funcionamiento y fueron rechazados principalmente a favor de 65 kg/m (131 lb/yd). yd) rieles. [ cita necesaria ]
La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE) especificó perfiles de riel en 1893 para incrementos de 5 lb/yd (2,5 kg/m) de 40 a 100 lb/yd (19,8 a 49,6 kg/m). La altura del riel era igual al ancho del pie para cada peso del riel en T de ASCE; y los perfiles especificaron una proporción fija de peso en cabeza, alma y pie de 42%, 21% y 37%, respectivamente. El perfil ASCE de 44,6 kg/m (90 lb/yd) fue adecuado; pero los pesos más pesados fueron menos satisfactorios. En 1909, la Asociación Estadounidense de Ferrocarriles (o ARA) especificó perfiles estándar para incrementos de 10 lb/yd (4,96 kg/m) de 60 a 100 lb/yd (29,8 a 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 altura del riel/pie -Relación de ancho y fortalecer la web. Las desventajas del pie más estrecho se superaron mediante el uso de placas de anclaje . Las recomendaciones de AREA redujeron el peso relativo de la cabeza del riel hasta un 36 %, mientras que los perfiles alternativos redujeron el peso de la cabeza al 33 % en rieles más pesados. También se centró la atención en mejorar los radios de filete para reducir la concentración de tensiones en la unión del alma con la cabeza. AREA recomendó el perfil ARA de 44,6 kg/m (90 lb/yd). [19] Los antiguos rieles ASCE de menor peso siguieron en uso y satisficieron la demanda limitada de trenes ligeros durante algunas décadas. AREA se fusionó con la Asociación Estadounidense de Ingeniería Ferroviaria y Mantenimiento de Vías en 1997.
A mediados del siglo XX, la mayor parte de la producción de rieles era medianamente pesada (112 a 119 lb/yd o 55,6 a 59,0 kg/m) y pesada (127 a 140 lb/yd o 63,0 a 69,4 kg/m). Los tamaños de riel de menos de 100 lb/yd (49,6 kg/m) suelen ser para carga más liviana, vías de bajo uso o trenes ligeros . La vía que utiliza rieles de 100 a 120 lb/yd (49,6 a 59,5 kg/m) es para ramales de carga de menor velocidad o tránsito rápido ; por ejemplo, la mayor parte de las vías del sistema de metro de la ciudad de Nueva York está construida con rieles de 49,6 kg/m (100 lb/yd). [ cita necesaria ] La vía de la línea principal generalmente se construye con rieles de 130 lb/yd (64,5 kg/m) o más. Algunos tamaños de rieles comunes en América del Norte incluyen: [20]
Algunos tamaños comunes de rieles de grúa en América del Norte incluyen:
Algunos tamaños de rieles australianos comunes 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, luego 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 tiempo se reconoce que las ruedas cónicas y los rieles que tienen la misma pendiente siguen las curvas mejor que las ruedas cilíndricas y los rieles verticales. Algunos ferrocarriles, como Queensland Railways, tuvieron durante mucho tiempo ruedas cilíndricas hasta que el tráfico mucho más intenso requirió un cambio. [25] Las bandas de rodadura de las ruedas cilíndricas tienen que "patinar" en las curvas de las vías, por lo que aumentan tanto la resistencia como el desgaste de los rieles y las ruedas. En vías muy rectas, la banda de rodadura de una rueda cilíndrica rueda más libremente y no "caza". El calibre se estrecha ligeramente y los filetes de las bridas evitan que las bridas rocen los rieles. La práctica en Estados Unidos es 1 en 20 conos cuando son nuevos. A medida que la banda de rodadura se desgasta, se acerca a una banda de rodadura cilíndrica desigual, momento en el cual la rueda se rectifica en un torno o se reemplaza. [ cita necesaria ]
Los rieles se fabrican con acero de alta calidad y no en grandes cantidades en comparación con otras formas de acero, por lo que el número de fabricantes en un mismo país tiende a ser limitado.