Sintiendo el calor: detección de defectos ferroviarios

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 lastre de grava para mantener todo en su lugar, algo de material rodante con ruedas con pestañas sobre ejes fijos, y ya tienes lo básico que ha estado moviendo carga y pasajeros desde al menos el siglo XVIII.

Pero esa simplicidad básica contradice la verdadera complejidad de un ferrocarril, donde incluso mantener los trenes en la vía puede ser una tarea desalentadora. Es difícil entender las fuerzas que un tren completamente cargado puede ejercer no sólo sobre las vías sino también sobre sí mismo, 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 Palestina, Ohio, que resultó en un incidente con materiales peligrosos que ninguna comunidad está dispuesta a afrontar.

Dadas las fuerzas involucradas, mantener los trenes en el camino recto y angosto no es tarea fácil, y los diseñadores ferroviarios han ideado una red de sensores y sistemas para ayudarlos en la tarea de vigilar lo que sucede con el material rodante de un tren. Echemos un vistazo a parte de la interesante ingeniería 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 seguimiento: 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 eventuales fallas, con el potencial de tener consecuencias catastróficas.

En cuanto a la longitud de un tren, se convierte en un problema cuando la mayor parte del material rodante queda fuera del alcance visual directo de las personas que lo conducen. En el pasado, las limitaciones en la potencia de las locomotoras tendían a mantener los trenes relativamente cortos, lo que permitía a los conductores e ingenieros vigilar cada vagón. Esto se hizo más fácil con la invención del furgón de cola; En su configuración clásica con una cúpula con ventanas que sobresalía sobre el 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 eran a menudo casquillos simples en cajas de muñones rellenas con fibras empapadas en aceite, generalmente era fácil detectar una falla en un cojinete de "caja caliente" por el humo y las llamas que emitían, un indicador de problema tan poco sutil como alguna vez lo hubo.

Los avances en ingeniería, como la sustitución de los cojinetes lisos por cojinetes de rodillos, hicieron posible construir vagones cada vez más grandes. Los vagones de carga que circulan actualmente en los ferrocarriles de América del Norte pueden tener un peso bruto de 315.000 libras (143 toneladas), una cantidad alucinante de peso que es transportada por tan solo ocho rodamientos de rodillos. Las mejoras en el diseño de las locomotoras también han permitido que los trenes construidos con 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, cualquier cosa que esté a más de una docena de vagones detrás de las locomotoras de cabecera está fuera del alcance visual directo del maquinista y del conductor, y de hecho funciona completamente sin ser observado.

El monitoreo en vía es la respuesta a los problemas que presenta el escalamiento 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 del ferrocarril buscan 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 seleccionan el calor de estos componentes críticos para evaluar su condición. Una instalación típica de sensores en el camino incluirá detectores de caja caliente (HBD) y detectores de rueda caliente (HWD) en ambos rieles. Ambos sensores suelen basarse 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 poder ver bien las cajas de rodamientos en el extremo de cada eje. Los HWD también suelen montarse fuera de cada riel, pero su objetivo es mirar directamente al costado de la rueda a medida que pasa. Las características térmicas de las ruedas y los rodamientos son bastante diferentes (las ruedas pueden calentarse mucho más que los rodamientos antes de contarse como un defecto), por lo que los HBD y 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). Se trata simplemente de una serie de paletas colocadas perpendicularmente a los rieles. Las paletas están conectadas mecánicamente a interruptores y se activan con cualquier cosa que el tren pueda estar colgando de 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 averiado hasta un animal desafortunado. Los DED tienen que ser extremadamente robustos, ya que los impactos con equipos de arrastre pueden ejercer una fuerza de 600 gy la mayoría de los DED están configurados para funcionar con trenes que se mueven en cualquier dirección.

Las instalaciones de detección de defectos se han vuelto bastante omnipresentes en los ferrocarriles norteamericanos; Actualmente hay alrededor de 6.000 HBD 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 puede ver las vías del tren de cerca. Mucho más fáciles de detectar son los bungalows al borde del camino que albergan el equipo al que están conectados los sensores. Los bungalows parecen pequeños cobertizos de servicios públicos al lado de la pista, generalmente pintados de blanco o plateado para reflejar la luz y mantener la temperatura interior relativamente constante. Contienen bastidores para los equipos electrónicos que procesan las señales de los detectores, junto con equipos de soporte como computadoras, fuentes de alimentación y baterías de respaldo para mantener el sistema encendido incluso si falla la red eléctrica.

Una vez detectado un defecto, ¿qué pasa con la información? Una pista de esto se puede encontrar en el bungalow al borde del camino, que a menudo tiene una antena llamativa montada. La mayoría parece ser una antena dipolo plegada para la banda VHF o UHF, montada verticalmente a lo largo de la pista y orientada para irradiar paralelamente a ella. Dentro del bungalow, un 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. Luego, la tripulación del tren puede detener el tren y caminar de regreso al vagón problemático 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 de caminos que se utilizan. Es muy común monitorear defectos mecánicos en las ruedas, como puntos planos causados ​​por un eje que se bloquea y arrastra la rueda sobre los rieles. Los puntos planos causan ruido excesivo y desgaste del equipo debido al impacto que causan, y son detectados por detectores de carga de impacto de ruedas o WILD. Consisten en una serie de galgas extensométricas fijadas a largos tramos de vía, que registran los impactos verticales de alta gravedad generados por ruedas deformadas o dañadas y alertan a la tripulación del tren. Otros detectores se centran en el estado de los camiones de material rodante, para asegurarse de que los ejes estén alineados correctamente con las vías y no estén involucrados en una “búsqueda de vías”, una oscilación lateral del juego de ruedas sobre las vías mientras busca un punto de equilibrio. El movimiento brusco puede provocar daños en las pestañas de las ruedas, en la vía e incluso puede provocar el descarrilamiento si la oscilación hace que el coche se balancee demasiado.

Como podrás imaginar, todo este equipo requiere de muchos recursos para su instalación y mantenimiento. Los sistemas de detección de defectos están ampliamente distribuidos, con instalaciones a menudo a decenas o cientos de kilómetros de distancia, lo que significa que los técnicos capacitados para trabajar en ellos están dispersos y a menudo tienen que viajar a lugares remotos para trabajar en los sistemas. Sin embargo, vale la pena: desde 1980, los accidentes de trenes relacionados con fallas de ejes y ruedas han disminuido un 81% debido al uso generalizado de detectores de cajas calientes.