Herramienta de simulación para el análisis y control de los esfuerzos en los elementos de unión en trenes de mercancías de grandes dimensiones

El proyecto desarrollado se ha llevado a cabo bajo la premisa de intentar generar un sistema de control y distribución de la tracción para ser aplicado en las grandes operaciones de transporte de mercancías por trazado ferroviario. Para llegar a conseguir dicho objetivo de manera eficaz, se ha realizado un proceso compuesto por numerosos pasos. En primer lugar los esfuerzos se centraron en generar un sistema conceptual que representase los principales elementos que componen un tren, como pueden ser las locomotoras, los vagones y los elementos mecánicos de unión. Una vez obtenidas las ideas principales se avanzó hacia generar un modelo matemático que abarcara la interacción entre todos los distintos elementos diseñados. Utilizando la ecuación fundamental de la dinámica de Newton se obtuvieron una serie de ecuaciones que conseguían representar los efectos asociados al movimiento de una composición ferroviaria. Una vez obtenidas todas las ecuaciones que conseguían modelizar el comportamiento del tren, las labores fueron dirigidas a encontrar un programa que permitiera generar simulaciones de forma simple a la vez que facilitara la inspección visual de las variables que compondrían el sistema. Matlab fue considerado como la mejor opción debido a la facilidad para programar y hacer cálculos al mismo tiempo que permite realizar simulaciones con sus extensiones. Entre ellas se optó por el módulo de simulación Simulink. A partir de este punto los propósitos del proyecto se alinearon con el objetivo de comprender y plasmar el modelo creado en el entorno de simulación. Para implementar las ecuaciones de la dinámica se optó por adoptar una metodología basada en las fuerzas que interactuaban con el sistema. El entorno de simulación elegido está compuesto por numerosos bloques que representan tanto operaciones matemáticas como señales de distinto tipo pasando por elementos mecánicos y cuerpos. Para plasmar de manera sencilla las ecuaciones, se eligieron bloques integradores que reciben la aceleración del sistema y la convierten en velocidad y posición mediante el necesario proceso de integración. Dicha aceleración se obtiene dividendo el sumatorio de fuerzas que interactúan en el sistema, entre la masa de cada cuerpo que lo compone. Bajo esta forma de trabajar se fueron añadiendo los elementos que forman las uniones entre vagones y locomotora y se obtuvo el primer modelo funcional. Después de haber realizado toda una serie de pruebas pertinentes para comprender cómo funcionaba el sistema, se trató de optimizar el mismo para facilitar su manejo. De este modo se crearon una serie de bloques definidos por el usuario que englobaban la mayoría de los bloques inicialmente usados para representar las ecuaciones; entre los más importantes destacan los bloques locomotora y vagón y los generadores de esfuerzo tractor. Bajo esta metodología se consigue crear una visión modular del conjunto, lo cual permite tanto añadir como sustituir bloques que agreguen diversas características al sistema, dotándolo de una evidente practicidad y una total facilidad de crecimiento, pues simplemente basta con añadir más bloques vagones o locomotora para incrementar la longitud y capacidad de carga del conjunto. Posteriormente se crea y añade un bloque de vital importancia para el correcto desarrollo de las simulaciones, el bloque generador de resistencias debidas al perfil de vía recorrido. Este bloque permite cargar en el sistema todo un trazado de vía personalizado, en el cual se pueden variar las pendientes a voluntad, generando una serie de fuerzas asociadas a la resistencia al avance, que son dirigidas hacia los sumatorios de fuerzas de cada locomotora o vagón. Para continuar con la expansión de modelo de simulación se aúnan los bloques vagones para formar conjuntos de 10 que permitan aumentar el tamaño del sistema de manera más simple. Se crea un segundo tipo de locomotora que puede ser colocada en cualquier posición del conjunto, no solo en la cabeza del tren. Con estas nuevas mejoras se procede a realizar modelos de simulación con un tamaño superior. A continuación se realizaron una serie de simulaciones con distintas configuraciones que permitieron observan cómo algunos de los parámetros del modelo no estaban del todo ajustados. Después de realizar un análisis de dichas variables, se modificaron los parámetros más influyentes para aproximarlos de acuerdo con los valores que se encuentran en la realidad. En este punto se consideró que el modelo había alcanzado la madurez suficiente como para poder obtener conclusiones con valor real y los esfuerzos se encaminaron a crear un nuevo modelo de mayor complejidad de cálculo. Para dicha labor se optó por generar un tren compuesto por 30 vagones y accionado por 2 locomotoras. Diversas gráficas fueron añadidas para permitir el análisis de los esfuerzos soportados por todos los ganchos de la composición. Para poder contrastar datos se crearon 4 perfiles distintos de vía compuestos por concatenaciones de tramos ascendentes y descendentes. El estudio de los esfuerzos en los ganchos mecánicos se culminó con la creación de un modelo de orden superior que se asemejara a un tren real de transporte de mercancías. Se generó un modelo compuesto por 2 locomotoras y 60 vagones, dotando a la composición con una longitud de 1116 metros y una carga de 7600 toneladas. Este nuevo modelo permitió comprender los problemas generados durante el recorrido de las zonas de transición entre segmentos de vía con distintas pendientes. Diversos ganchos sufrían una serie de discontinuidades que tenían una relevancia notable dentro de los niveles de esfuerzo soportados por los mismos. Dichas discontinuidades podían ser entendidas como variaciones bruscas del esfuerzo a soportar, debido al sistema de tracción utilizado para accionar ambas locomotoras. Como punto final del proyecto se centran los esfuerzos en generar un sistema de control que consiga disminuir el nivel de las discontinuidades encontradas en los ganchos. Se prueban varias alternativas y se valoran los resultados obtenidos con cada una de ellas