Análisis modal experimental de una vía ferroviaria a escala

Abstract

El objetivo principal de este Trabajo de Fin de Grado reside en el análisis del comportamiento modal del circuito ferroviario a escala instalado en la cubierta de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Sevilla. Conocer el análisis modal de la estructura es necesario para poder caracterizar el comportamiento dinámico ante distintas fuentes de excitación. De esta forma, se podrán distinguir entre las frecuencias naturales propias del circuito ferroviario y las de un vehículo que circule sobre él. En primer lugar, en el Capítulo 1 se va a realizar un estudio bibliográfico de los distintos tipos de vías ferroviarias más típicas: vía sobre balasto y vía sobre placa; así como sus ventajas e incovenientes según el tipo de actividad. En el Capítulo 2 se analizan las principales causas de las vibraciones y ruidos ferroviarios. Estas son las irregularidades existentes en el contacto de la rueda con el carril. Para caracterizar dichas vibraciones, se explican dos modelos dinámicos (modelo continuo y modelo discreto) de las vías ferroviarias más empleadas en nuestro país (vía sobre balasto) y las diferencias encontradas en cada uno de ellos. Estudios posteriores, han desarrollado un tercer modelo que incluyen las vibraciones del balasto. En este apartado se incluye además, la explicación de los tres modos de vibración más característicos de una vía ferroviaria sobre balasto, así como la influencia que sufren al variar las magnitudes físicas de los elementos que componen la vía. Una vez explicados estos conceptos, en el Capítulo 3 se explican las características del circuito ferroviario y los elementos principales que lo componen y en el Capítulo 4 se procede al modelado, haciendo uso de CATIA, de una de las mesas que componen la vía férrea. Durante el Capítulo 5, se va a realizar el primer análisis modal del circuito. Este análisis, elaborado con ANSYS, va a permitir conocer aproximadamente las frecuencias naturales de cada elemento principal de la vía. El segundo análisis modal se va a realizar de manera experimental, con ayuda de Pimento y TestLab. Esto se va a desarrollar en el Capítulo 6 Por último, en el Capítulo 7 se va a tratar de establecer una serie de conclusiones relacionadas con los análisis modales realizados y con los modos característicos de la vía descritos en el Capítulo 2. Además, se propondrán futuros trabajos relacionados y mejoras que podrían realizarse en este trabajo.

The main objective of this project is the analysis of the modal behaviour of the scale railway circuit installed on the roof of the Escuela Técnica Superior de Ingenieros in Seville. It is necessary to know the modal analysis of the structure in order to be able to characterise the dynamic behaviour in the face of different sources of excitation. In this way, it will be possible to distinguish between the natural frequencies of the railway circuit itself and those of a vehicle running on it. First of all, Chapter 1 will carry out a bibliographic study of the most typical different types of railway tracks: ballasted track and ballastless track, as well as their advantages and disadvantages depending on the type of activity. Chapter 2 analyses the main causes of railway vibrations and noises. These are the irregularities in the contact of the wheel with the rail. In order to characterize these vibrations, two dynamic models are explained (continuous model and discrete model) of the railway tracks most used in our country (ballasted track) and the differences found among them. Subsequent studies have developed a third model that includes ballast vibrations. This section also includes an explanation of the three most characteristic modes of vibration of a railway track on ballast, as well as the influence they suffer when varying the physical magnitudes of the elements that make up the track. Once these concepts have been explained, Chapter 3 explains the characteristics of the railway circuit and the main elements that make it up, and Chapter 4 proceeds to model, using CATIA, one of the tables that make up the railway track. During Chapter 5, the first modal analysis of the circuit will be carried out. This analysis, elaborated with ANSYS, will allow to know approximately the natural frequencies of each main element of the track. The second modal analysis will be carried out experimentally, with the help of Pimento and TestLab. This will be developed in Chapter 6. Finally, Chapter 7 will attempt to establish a series of conclusions related to the modal analyses carried out and to the characteristic modes of the railtrack described in Chapter 2. In addition, future works and improvements that could be made in this work will be proposed.