Un descarriló British Rail Class 165 en la estación de Paddington. El tren pasó por encima de un conjunto de puntos de trampa que causaron el descarrilamiento. Después de descarrilarse, la parte trasera del tren golpeó un puntal, dañando gravemente el lado del conductor de la unidad de plomo.

Los descarrilamientos son el resultado de una o más de una serie de causas distintas; estas pueden clasificarse como:

• la falla mecánica primaria de un componente de la vía (por ejemplo, rieles rotos, extensión de ancho debido a fallas en el durmiente (amarre))
• la falla mecánica primaria de un componente del mecanismo de rodadura de un vehículo (por ejemplo, falla del eje, rotura de las ruedas)
• una falla en la geometría de los componentes de la vía o del mecanismo de rodadura que da lugar a una falla cuasiestática en la marcha (por ejemplo, escalada de rieles debido al desgaste excesivo de las ruedas o los rieles, deslizamiento del movimiento de tierras)
• un efecto dinámico de la interacción oruga-vehículo (por ejemplo, caza extrema, rebote vertical, desplazamiento de oruga bajo un tren, velocidad excesiva)
• funcionamiento incorrecto de los puntos, o observancia incorrecta de las señales que los protegen (errores de señal)
• como un evento secundario después de una colisión con otros trenes, vehículos de carretera u otras obstrucciones (colisiones de pasos a nivel, obstrucciones en la línea)
• manejo del tren (arrebatos debido a fuerzas de tracción o frenado repentinas, conocidas como acción de holgura en América del Norte).

Una unidad de locomotora descarrilada en Australia en un punto de captura oculto a la vista (enero de 2007)

Rieles quebradoseditar

Un riel roto, probablemente a partir de la inclusión de hidrógeno en la cabeza del riel

Una estructura de vía tradicional consiste en dos rieles, fijados a una distancia designada (conocida como ancho de vía), y apoyados en traviesas transversales (corbatas). Algunas estructuras de vía avanzadas soportan los rieles en una losa de concreto o asfalto. Se requiere que la superficie de rodadura de los rieles sea prácticamente continua y de la disposición geométrica adecuada.

En el caso de un carril roto o agrietado, la superficie de rodadura del carril puede verse interrumpida si una pieza se ha caído, o se ha quedado atascada en una ubicación incorrecta, o si surge un gran espacio entre las secciones restantes del carril. se reportaron 170 rieles rotos (no agrietados) en Network Rail en el Reino Unido en 2008, por debajo de un pico de 988 en 1998/1999.

• En la vía articulada, los rieles generalmente se conectan con placas de pescado atornilladas (barras de unión). La banda del riel experimenta grandes fuerzas de cizallamiento y estas se mejoran alrededor del orificio del perno. Cuando el mantenimiento de la vía es deficiente, la fatiga metalúrgica puede provocar la propagación del agrietamiento de la estrella desde el agujero del perno. En situaciones extremas, esto puede llevar a que una pieza triangular de riel en la junta se desprenda.
• Los cambios metalúrgicos se producen debido al fenómeno de agrietamiento de esquinas de calibre (en el que el microcracking por fatiga se propaga más rápido que el desgaste ordinario), y también debido a los efectos de la inclusión de hidrógeno durante el proceso de fabricación, lo que lleva a la propagación de grietas bajo carga de fatiga.
• La fragilidad local del metal de origen puede producirse debido al giro de las ruedas (unidades de tracción que giran las ruedas motrices sin moverse a lo largo de la pista).
• Las soldaduras de riel (donde las secciones de riel se unen mediante soldadura) pueden fallar debido a una mano de obra deficiente; esto puede ser provocado por un clima extremadamente frío o un esfuerzo inadecuado de los rieles soldados continuamente, de modo que se generan altas fuerzas de tracción en los rieles.
• Las placas de pescado (barras de unión) en la vía articulada pueden fallar, lo que permite que los rieles se separen en clima extremadamente frío; esto generalmente se asocia con el deslizamiento de rieles sin corregir.

El descarrilamiento puede producirse debido a un ensanchamiento excesivo del ancho de vía (a veces conocido como ensanchamiento de la carretera), en el que las traviesas u otras fijaciones no logran mantener el ancho adecuado. En vías de ingeniería ligera donde los rieles están clavados (pegados) a traviesas de madera, la falla de la sujeción de las espigas puede dar lugar a la rotación hacia el exterior de un rieles, generalmente bajo la acción agravante de los cangrejos de bogies (camiones) en curvas.

El mecanismo de ensanchamiento del ancho de vía es generalmente gradual y relativamente lento, pero si no se detecta, el fallo final a menudo se produce bajo el efecto de algún factor adicional, como exceso de velocidad, engranaje de marcha mal mantenido en un vehículo, desalineación de los rieles y efectos de tracción extremos (como fuerzas de propulsión altas). El efecto de picadura de cangrejos mencionado anteriormente es más marcado en condiciones secas, cuando el coeficiente de fricción en la interfaz entre la rueda y el carril es alto.

Ruedas defectuosaseditar

El engranaje de rodadura (juegos de ruedas, bogies (camiones) y suspensión) puede fallar. El modo de falla histórica más común es el colapso de los cojinetes lisos debido a una lubricación deficiente y el fallo de los resortes de hojas; los neumáticos de rueda también son propensos a fallas debido a la propagación de grietas metalúrgicas.

Las tecnologías modernas han reducido considerablemente la incidencia de estas fallas, tanto por diseño (especialmente la eliminación de cojinetes lisos) como por intervención (pruebas no destructivas en servicio).

Interacción inusual en la trazadaeditar

Si una irregularidad vertical, lateral o de nivel transversal es cíclica y tiene lugar a una longitud de onda correspondiente a la frecuencia natural de ciertos vehículos que atraviesan la sección de la ruta, existe el riesgo de oscilación armónica resonante en los vehículos, lo que conduce a un movimiento inadecuado extremo y posiblemente al descarrilamiento. Esto es más peligroso cuando se configura un giro cíclico mediante variaciones de nivel transversal, pero los errores cíclicos verticales también pueden provocar que los vehículos se salgan de la vía; esto es especialmente el caso cuando los vehículos están en estado de tara (vacío) y si la suspensión no está diseñada para tener las características adecuadas. La última condición se aplica si el muelle de suspensión tiene una rigidez optimizada para la condición de carga, o para una condición de carga de compromiso, de modo que es demasiado rígido en la situación de tara.

Los ejes montados del vehículo se descargan momentáneamente verticalmente, de modo que la guía requerida de las bridas o el contacto de la banda de rodadura de las ruedas no es adecuada.

Un caso especial es el pandeo relacionado con el calor: en clima caluroso, el acero del riel se expande. Esto se logra tensando rieles soldados continuamente (se tensan mecánicamente para ser neutros a temperaturas moderadas) y proporcionando espacios de expansión adecuados en las juntas y asegurando que las placas de peces estén lubricadas adecuadamente. Además, la sujeción lateral está provista de un hombro de lastre adecuado. Si alguna de estas medidas es inadecuada, la vía puede doblarse; se produce una gran distorsión lateral, que los trenes no pueden negociar. (En nueve años, de 2000/1 a 2008/9, hubo 429 incidentes de hebilla de vía en Gran Bretaña).

Funcionamiento inadecuado de los sistemas de controleditar

Los cruces y otros cambios de ruta en los ferrocarriles se realizan generalmente por medio de puntos (interruptores: secciones móviles capaces de cambiar la ruta de avance de los vehículos). En los primeros días de los ferrocarriles, estos eran trasladados de forma independiente por personal local. Los accidentes, por lo general colisiones, tuvieron lugar cuando el personal olvidó para qué ruta estaban establecidos los puntos, o pasó por alto el acercamiento de un tren en una ruta conflictiva. Si los puntos no se configuraron correctamente para ninguna de las rutas, establecidos a mitad de carrera, es posible que un tren que pasa descarrile.

La primera concentración de palancas para señales y puntos reunidos para la operación fue en la Unión de Brazos de Albañil en el sudeste de Londres en el período 1843-1844. La ubicación de control de señales (precursora de la caja de señales) fue mejorada por la provisión de enclavamiento (evitando que se configurara una señal clara para una ruta que no estaba disponible) en 1856.

Para evitar el movimiento involuntario de vehículos de carga de los desvíos a las líneas de circulación, y otros movimientos indebidos análogos, se proporcionan puntos de trampa y descarrilamientos a la salida de los desvíos. En algunos casos, estos se proporcionan en la convergencia de las líneas en ejecución. De vez en cuando sucede que un conductor cree incorrectamente que tiene autoridad para pasar por los puntos de trampa, o que el señalador da indebidamente dicho permiso; esto resulta en descarrilamiento. El descarrilamiento resultante no siempre protege completamente la otra línea: un descarrilamiento de punto de trampa a velocidad puede resultar en daños y obstrucciones considerables, e incluso un solo vehículo puede obstruir la línea libre.

Descarrilamiento tras colisióneditar

Si un tren choca con un objeto masivo, está claro que puede producirse descarrilamiento del correcto funcionamiento de las ruedas del vehículo en la vía. Aunque se imaginan obstrucciones muy grandes, se ha conocido por una vaca que se desvía hacia la línea para descarrilar un tren de pasajeros a una velocidad como la que ocurrió en el accidente ferroviario de Polmont.

Las obstrucciones más comunes que se encuentran son los vehículos de carretera en los pasos a nivel (pasos de nivel); las personas malintencionadas a veces colocan materiales en los rieles, y en algunos casos objetos relativamente pequeños causan un descarrilamiento al guiar una rueda sobre el rieles (en lugar de por colisión grave).

El descarrilamiento también se ha producido en situaciones de guerra u otros conflictos, como durante la hostilidad de los nativos americanos, y más especialmente durante los períodos en que el personal y el material militar se trasladaban por ferrocarril.

Manejo brusco del treneditar

El manejo de un tren también puede causar descarrilamientos. Los vehículos de un tren están conectados por acoplamientos; en los primeros días de los ferrocarriles, estos eran largos cortos de cadena («acoplamientos sueltos») que conectaban vehículos adyacentes con una holgura considerable. Incluso con mejoras posteriores, puede haber una holgura considerable entre la situación de tracción (unidad de potencia que tira de los acoplamientos apretados) y el frenado de la unidad de potencia (locomotora que aplica frenos y comprime amortiguadores en todo el tren). Esto da como resultado una sobrecarga de acoplamiento.

Las tecnologías más sofisticadas en uso hoy en día generalmente emplean acoplamientos que no tienen holgura suelta, aunque hay movimiento elástico en los acoplamientos; se proporciona un frenado continuo, de modo que cada vehículo en el tren tenga frenos controlados por el conductor. En general, esto utiliza aire comprimido como medio de control, y hay un retraso de tiempo medible a medida que la señal (para aplicar o soltar los frenos) se propaga a lo largo del tren.

Si un maquinista aplica los frenos del tren de forma brusca y brusca, la parte delantera del tren estará sujeta primero a fuerzas de frenado. (Donde solo la locomotora tiene frenado, este efecto es obviamente más extremo). La parte trasera del tren puede sobrepasar la parte delantera y, en los casos en que la condición de acoplamiento sea imperfecta, el cierre repentino resultante (un efecto denominado «rodadura») puede provocar que un vehículo en estado de tara (un vehículo de carga vacío) se levante momentáneamente y abandone la vía.

Este efecto fue relativamente común en el siglo xix.

En las secciones curvas, las fuerzas longitudinales (tracción o frenado) entre vehículos tienen un componente hacia adentro o hacia afuera, respectivamente, en la curva. En situaciones extremas, estas fuerzas laterales pueden ser suficientes para fomentar el descarrilamiento.

Un caso especial de problemas de manejo de trenes es el exceso de velocidad en curvas cerradas. Esto generalmente se produce cuando un conductor no logra reducir la velocidad del tren para una sección curva afilada en una ruta que, de lo contrario, tiene condiciones de velocidad más altas. En el extremo, esto hace que el tren entre en una curva a una velocidad a la que no puede transitar la curva, y se produce un descarrilamiento grave. El mecanismo específico de esto puede implicar vuelco corporal (rotación), pero es probable que implique la interrupción de la estructura de la vía y el descarrilamiento como el evento de falla principal, seguido de vuelco.

Un ejemplo de exceso de velocidad en una curva sería el descarrilamiento del tren de Filadelfia de mayo de 2015 que involucra un tren Amtrak que viaja a 106 mph (171 km/h), el doble de la velocidad máxima permitida de 50 mph (80 km/h).

Escalada de bridas

El sistema de guía de los vehículos ferroviarios prácticos se basa en el efecto de dirección de la conicidad de las bandas de rodadura de las ruedas en curvas moderadas (hasta un radio de aproximadamente 500 m, o aproximadamente 1.500 pies). En curvas más nítidas, se produce el contacto de la brida, y el efecto de guía de la brida depende de una fuerza vertical (el peso del vehículo).

Un descarrilamiento de escalada de brida puede resultar si la relación entre estas fuerzas, L/V, es excesiva. La fuerza lateral L es el resultado no solo de los efectos centrífugos, sino que un componente grande proviene del crujido de un juego de ruedas que tiene un ángulo de ataque distinto de cero durante el funcionamiento con contacto de brida. El exceso de L / V puede ser el resultado de la descarga de las ruedas o de perfiles inadecuados de la banda de rodadura o del carril. La física de esto se describe más detalladamente a continuación, en la sección interacción rueda-carril.

La descarga de las ruedas puede ser causada por un giro en la pista. Esto puede surgir si el peralte (nivel transversal o superelevación) de la pista varía considerablemente sobre la distancia entre ejes de un vehículo, y la suspensión del vehículo es muy rígida en torsión. En la situación cuasiestática, puede surgir en casos extremos de mala distribución de la carga, o en peralte extremo a baja velocidad.

Si un riel ha estado sujeto a desgaste lateral extremo, o una brida de rueda se ha desgastado en un ángulo incorrecto, es posible que la relación L/V exceda el valor que el ángulo de brida puede resistir.

Si se realiza la reparación de soldadura de interruptores desgastados laterales, es posible que la mano de obra deficiente produzca una rampa en el perfil en la dirección de revestimiento, que desvía una brida de rueda que se aproxima a la cabeza del riel.

En situaciones extremas, la infraestructura puede estar gravemente distorsionada o incluso ausente; esto puede deberse a movimientos de tierra (resbalones y lavados de terraplenes), terremotos y otras perturbaciones terrestres importantes, protección deficiente durante los procesos de trabajo, etc.

Interacción rueda-raíleditar

Casi todos los sistemas ferroviarios prácticos utilizan ruedas fijadas a un eje común: las ruedas a ambos lados giran al unísono. Los tranvías que requieren niveles de piso bajos son la excepción, pero se pierden muchos beneficios en la guía del vehículo al tener ruedas sin acoplar.

El beneficio de las ruedas unidas deriva de la conicidad de las bandas de rodadura de las ruedas: las bandas de rodadura de las ruedas no son cilíndricas, sino cónicas. En una vía recta idealizada, un juego de ruedas corría centralmente, a medio camino entre los rieles.

El ejemplo que se muestra aquí utiliza una sección de pista curvada a la derecha. El enfoque está en la rueda del lado izquierdo, que está más involucrada con las fuerzas críticas para guiar el vagón a través de la curva.

El diagrama 1 a continuación muestra la rueda y el carril con el juego de ruedas recto y central en la pista. El juego de ruedas huye del observador. (Tenga en cuenta que el riel se muestra inclinado hacia el interior; esto se hace en la vía moderna para que coincida con el perfil de la cabeza del riel con el perfil de la banda de rodadura de la rueda.)

El diagrama 2 muestra el juego de ruedas desplazado hacia la izquierda, debido a la curvatura de la pista o a una irregularidad geométrica. La rueda izquierda (que se muestra aquí) ahora funciona con un diámetro ligeramente mayor; la rueda derecha opuesta también se ha movido hacia la izquierda, hacia el centro de la pista, y corre con un diámetro ligeramente menor. Como las dos ruedas giran a la misma velocidad, la velocidad de avance de la rueda izquierda es un poco más rápida que la velocidad de avance de la rueda derecha. Esto hace que el juego de ruedas se curve hacia la derecha, corrigiendo el desplazamiento. Esto se lleva a cabo sin contacto con la brida; los juegos de ruedas se dirigen por sí mismos en curvas moderadas sin contacto con la brida.

Cuanto más afilada sea la curva, mayor será el desplazamiento lateral necesario para lograr la curvatura. En una curva muy afilada (típicamente menos de unos 500 m o 1.500 pies de radio), el ancho de la banda de rodadura de la rueda no es suficiente para lograr el efecto de dirección necesario, y la brida de la rueda entra en contacto con la cara del carril alto.

El diagrama 3 muestra el funcionamiento de los ejes montados en un bogie o un vehículo de cuatro ruedas. El juego de ruedas no corre paralelo a la vía: está limitado por el bastidor del bogie y la suspensión, y bosteza hacia el exterior de la curva; es decir, su dirección natural de rodadura conduciría a lo largo de un camino menos curvado que la curva real de la vía.

El ángulo entre la trayectoria natural y la trayectoria real se denomina ángulo de ataque (o ángulo de guiñada). A medida que el juego de ruedas avanza, se ve obligado a deslizarse a través de la cabeza del carril por el contacto de la brida. Todo el juego de ruedas se ve obligado a hacer esto, por lo que la rueda en el carril bajo también se ve obligada a deslizarse a través de su carril.

Este deslizamiento requiere una fuerza considerable para que suceda, y la fuerza de fricción que resiste el deslizamiento se denomina «L», la fuerza lateral. El juego de ruedas aplica una fuerza L hacia afuera a los rieles, y los rieles aplican una fuerza L hacia adentro a las ruedas. Tenga en cuenta que esto es bastante independiente de la «fuerza centrífuga». Sin embargo, a velocidades más altas, la fuerza centrífuga se agrega a la fuerza de fricción para hacer L.

La carga (fuerza vertical) en la rueda exterior se designa V, de modo que en el Diagrama 4 se muestran las dos fuerzas L y V.

El contacto acero-acero tiene un coeficiente de fricción que puede ser tan alto como 0,5 en condiciones secas, de modo que la fuerza lateral puede ser de hasta 0,5 de la carga vertical de la rueda.

Durante este contacto con la brida, la rueda en el carril alto está experimentando la fuerza lateral L, hacia el exterior de la curva. A medida que la rueda gira, la brida tiende a subir por el ángulo de la brida. Está sujeto por la carga vertical en la rueda V, de modo que si L/V excede la tangente trigonométrica del ángulo de contacto de la brida, se llevará a cabo la escalada. La brida de la rueda subirá a la cabeza del riel donde no hay resistencia lateral en el movimiento de rodadura, y generalmente se produce un descarrilamiento de escalada de brida. En el Diagrama 5, el ángulo de contacto de la brida es bastante empinado, y es poco probable que suba la brida. Sin embargo, si el cabezal del riel está desgastado (corte lateral) o la brida está desgastada, como se muestra en el Diagrama 6, el ángulo de contacto es mucho más plano y es más probable que suba la brida.

Una vez que la brida de la rueda ha subido completamente a la cabeza del riel, no hay sujeción lateral, y es probable que el juego de ruedas siga el ángulo de guiñada, lo que hace que la rueda caiga fuera del riel. Una relación L/V superior a 0,6 se considera peligrosa.

Se hace hincapié en que esta es una descripción muy simplificada de la física; los factores que complican la situación son la fluencia, los perfiles reales de las ruedas y los carriles, los efectos dinámicos, la rigidez de la sujeción longitudinal en las cajas de ejes y el componente lateral de las fuerzas longitudinales (tracción y frenado).