Sintiendo el calor: Detección de defectos ferroviarios

Oct 13, 2023

En el espectro tecnológico, los ferrocarriles ciertamente parecerían inclinarse hacia el lado brutalmente simplista de las cosas. Un par de tiras de acero, algunas traviesas de madera y balasto de grava para mantener todo en su lugar, material rodante con ruedas con bridas en ejes fijos, y tienes lo básico que ha estado transportando carga y pasajeros desde al menos el siglo XVIII.

Pero esa simplicidad básica contrasta con la verdadera complejidad de un ferrocarril, donde mantener los trenes en la vía puede ser una tarea abrumadora. Las fuerzas que un tren completamente cargado puede ejercer no solo sobre las vías sino también sobre sí mismo son difíciles de entender, y el potencial de desastre a menudo está a solo un componente defectuoso de distancia. Esto se hizo dolorosamente evidente con el reciente descarrilamiento de Norfolk Southern en East Palestine, Ohio, que resultó en un incidente con materiales peligrosos que ninguna comunidad está preparada para enfrentar.

Dadas las fuerzas involucradas, mantener los trenes en línea recta y estrecha no es tarea fácil, y los diseñadores ferroviarios han ideado una red de sensores y sistemas para ayudarlos con la tarea de vigilar lo que sucede con el material rodante de un tren. Echemos un vistazo a parte de la ingeniería interesante detrás de estos detectores de defectos en el camino.

A riesgo de decir lo obvio, los trenes tienen dos características esenciales que hacen necesarios los sistemas de monitoreo: son pesados ​​y largos. El peso de un tren es un problema porque aunque la arquitectura básica de un ferrocarril reduce la fricción de rodadura entre una rueda y el suelo, no hace nada para reducir la fricción entre los ejes del vagón y los vagones que los transportan. Ese es el trabajo de los cojinetes de las ruedas, que, como cualquier otro componente mecánico, están sujetos a desgaste, daños y fallas eventuales, con el potencial de consecuencias catastróficas.

En cuanto a la longitud de un tren, eso se convierte en un problema cuando pone la mayor parte del material rodante fuera del alcance visual directo de las personas que conducen el tren. En el pasado, las limitaciones en la potencia de las locomotoras tendían a mantener los trenes relativamente cortos, lo que hacía posible que los conductores e ingenieros vigilaran cada vagón. Esto se hizo más fácil con la invención del vagón de cola; en su configuración clásica con una cúpula con ventanas que sobresalía del techo del vagón y desde su posición al final del tren, los conductores podían observar toda la longitud del tren, especialmente en las curvas. Dado que los cojinetes de rueda de la época a menudo eran casquillos simples en cajas de diario rellenas con fibras empapadas de aceite, generalmente era fácil detectar una falla de cojinete de "caja caliente" por el humo y las llamas que emitían, un indicador de problemas tan poco sutil como alguna vez hubo

Los avances de la ingeniería, como la sustitución de cojinetes lisos por cojinetes de rodillos, hicieron posible la construcción de vagones cada vez más grandes. Los vagones de carga que operan en los ferrocarriles de América del Norte en estos días pueden tener un peso bruto de 315 000 libras (143 toneladas), una cantidad alucinante de peso que se transporta con tan solo ocho cojinetes de rodillos. Las mejoras en el diseño de las locomotoras también han permitido que los trenes construidos a partir de estos vagones de gran tamaño sean cada vez más largos; el tren de carga promedio en 2017 tenía entre 1,2 y 1,7 millas (1,9 a 2,7 kilómetros) de largo, y algunos ferrocarriles operaban regularmente trenes de 3 millas (4,8 km) de largo. En un tren como ese, algo más de una docena o más de vagones que se alejan de las locomotoras de cabecera está fuera del alcance visual directo del maquinista y el conductor, y está operando efectivamente sin ser observado.

El monitoreo al borde de la vía es la respuesta a los problemas que presenta la ampliación de trenes a dimensiones tan masivas. Conocidos colectivamente en el negocio ferroviario como "detección de defectos", los sensores y sistemas instalados periódicamente a lo largo de las vías férreas detectan automáticamente cualquier problema con el material rodante de un tren que pueda provocar un accidente.

Por una buena razón, la mayor parte de la detección de defectos se centra en el estado de las ruedas y los cojinetes de cada vagón del tren. Y dado que la fricción es el enemigo, la mayoría de los detectores se basan en el calor de estos componentes críticos para evaluar su condición. Una instalación típica de sensores al costado del camino incluirá tanto detectores de cajas calientes (HBD) como detectores de ruedas calientes (HWD) en ambos rieles. Ambos sensores generalmente se basan en conjuntos de microbolómetros como los de las cámaras térmicas. Para los HBD, los sensores generalmente se montan en el exterior del riel y apuntan hacia arriba, para ver bien las cajas de cojinetes en el extremo de cada eje. Los HWD también se montan típicamente fuera de cada riel, pero están destinados a mirar directamente al costado de la rueda cuando pasa. Las características térmicas de las ruedas y los cojinetes son bastante diferentes: las ruedas pueden calentarse mucho más que los cojinetes antes de considerarse un defecto, por lo que los HBD y los HWD se calibran de manera diferente.

Otro detector presente en la mayoría de las estaciones de detección de defectos es el detector de equipos de arrastre (DED). Estos son simplemente una serie de paletas que se instalan perpendiculares a los rieles. Las paletas están conectadas mecánicamente a los interruptores y son activadas por cualquier cosa que el tren pueda estar colgando desde la parte inferior del tren. El objetivo principal aquí es una manguera de freno de aire desconectada, pero hay muchos otros peligros, desde un camión roto hasta un animal desafortunado. Los DED deben ser extremadamente robustos, ya que los impactos con equipos de arrastre pueden ejercer una fuerza de 600 g, y la mayoría de los DED están configurados para trabajar con trenes que se mueven en cualquier dirección.

Las instalaciones de detección de defectos se han vuelto bastante omnipresentes junto con los ferrocarriles de América del Norte; hay algo así como 6000 HBD actualmente instalados, o aproximadamente uno cada 25 millas (40 km) de vía. Los HBD y HWD pueden ser un poco difíciles de detectar para los observadores del ferrocarril, en parte porque se ubican muy bajos al lado de la vía, pero también porque deben estar al menos a 300 pies (100 m) de un paso a nivel, que es el único lugar la mayoría de la gente llega a ver las vías del tren de cerca. Mucho más fáciles de detectar son los bungalows junto al camino que albergan el equipo al que están conectados los sensores. Los bungalows parecen pequeños cobertizos junto a la vía, generalmente pintados de blanco o plateado para reflejar la luz y mantener la temperatura interior relativamente constante. Contienen bastidores para el equipo electrónico que procesa las señales de los detectores, junto con equipos de apoyo como computadoras, fuentes de alimentación y baterías de respaldo para mantener el sistema alimentado incluso si falla la red eléctrica.

Una vez que se detecta un defecto, ¿qué pasa con la información? Una pista de eso se puede encontrar en el bungalow al borde del camino, que a menudo tiene una antena llamativa montada en él. La mayoría parece ser una antena dipolo doblada para la banda VHF o UHF, montada verticalmente a lo largo de la pista y orientada para irradiar paralela a ella. Dentro del bungalow, el equipo automatizado utiliza un sintetizador de voz para redactar un informe sobre el estado del tren, incluidos los defectos encontrados, y lo transmite a la tripulación del tren. Los informes generalmente incluyen la identificación del detector de defectos, la naturaleza del defecto y el eje o ejes donde se detectó el defecto. La tripulación del tren puede entonces detener el tren y caminar de regreso al vagón con problemas y evaluar la naturaleza del problema.

Por supuesto, las cajas calientes, las ruedas calientes y los equipos de arrastre no son los únicos tipos de detectores en el camino que se utilizan. Es muy común monitorear defectos mecánicos en las ruedas, como puntos planos causados ​​por un bloqueo del eje y el arrastre de la rueda sobre los rieles. Los puntos planos causan ruido excesivo y desgaste del equipo debido al impacto que provocan, y son detectados por detectores de carga de impacto de rueda o WILD. Estos consisten en una serie de galgas extensiométricas adheridas a largos tramos de vía, que registran los impactos verticales de alta g generados por ruedas rotas o dañadas y alertan a la tripulación del tren. Otros detectores se enfocan en el estado de los camiones de material rodante, para asegurarse de que los ejes estén correctamente alineados con la vía y que no se dediquen a la "búsqueda de vía", una oscilación lateral del juego de ruedas en las vías mientras busca un punto de equilibrio. La oscilación puede provocar daños en las pestañas de las ruedas, la pista e incluso puede provocar el descarrilamiento si la oscilación hace que el automóvil se balancee demasiado.

Como puede imaginar, todo este equipo requiere una gran cantidad de recursos para su instalación y mantenimiento. Los sistemas de detección de defectos están ampliamente distribuidos, con instalaciones a menudo separadas por docenas o cientos de millas, lo que significa que los técnicos capacitados para trabajar en ellos están muy dispersos y, a menudo, tienen que viajar a ubicaciones remotas para trabajar en los sistemas. Sin embargo, vale la pena: desde 1980, los accidentes de trenes relacionados con fallas en los ejes y las ruedas han disminuido un 81 % debido al uso generalizado de detectores de hotbox.