ENSAYOS PREVISIONALES DE COMPORTAMIENTO EN SERVICIO DE LOS MUELLES DE CAUCHO DE LA SUSPENSIÓN SECUNDARIA DE UNA LOCOMOTORA DIESEL- ELÉCTRICA

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1 Jornadas SAM CONAMET AAS 2001, Septiembre de ENSAYOS PREVISIONALES DE COMPORTAMIENTO EN SERVICIO DE LOS MUELLES DE CAUCHO DE LA SUSPENSIÓN SECUNDARIA DE UNA LOCOMOTORA DIESEL- ELÉCTRICA C. Ferrer., M. A. Pérez., A. Vicente., P. Segovia., M. Pascual., V. Amigó. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales. Universidad Politécnica de Valencia Camino de Vera s/n, (46022) Valencia, España. ABSTRACT En este trabajo se investigan los requisitos del servicio de los muelles de Caucho de la suspensión secundaria. A partir de ellos se establecen las bases del diseño fundamentado en las tensiones resistentes, compresión y cortadura, y coeficiente de amortiguamiento. Este diseño conlleva un proceso de selección de materiales y fabricación que debe optimizar las características básicas de los cauchos y de los pegamentos que son resistentes a fatiga. Los ensayos que simulan los requisitos máximos de servicio para una vida de 20 años se han efectuado en un banco de ensayos dinámico, mediante unos útiles que adecuan las acciones del Banco a los requisitos en la locomotora, simulando los requerimientos máximos del servicio para una vida de 20 años. Los ensayos de fatiga efectuados han establecido los puntos débiles del diseño y han permitido establecer unas acciones correctoras que deben mejorar el comportamiento en servicio de los muelles de caucho de la suspensión secundaria. ANTECEDENTES La suspensión del material rodante ferroviario consta de dos etapas: la primaria, que hace la conexión entre la rueda y el bogie, y la secundaria, que transmite las acciones entre el habitáculo, o caja, y el bogie. 527

2 C. Ferrer., M. A. Pérez., A. Vicente., P. Segovia., M. Pascual., V. Amigó. Fig. nº 1. Vista general de un bogie. En la figura nº 1 se observa un esquema de la ubicación de ambas suspensiones descritas. El conjunto de ambas suspensiones tiene los requisitos siguientes. 1. Transmitir el peso desde vehículo a la vía y las acciones motrices de tracción y frenado desde la vía al vehículo. 2. Asegurar el mantenimiento de las acciones de compresión en todos los puntos de apoyo, de las ruedas que impidan la inestabilidad del vehículo. 3. Absorber los esfuerzos transitorios que puedan interactuar entre la vía y el vehículo. 4. Amortiguar la energía vibratoria, desacoplando los motores y frenos del habitáculo del tren. Todas estas funciones también las requieren un automóvil. En este caso es conocido que la solución a todos estos requisitos esté proporcionada por un neumático y una suspensión de muelle helicoidal con amortiguador. El neumático realiza la función de suspensión primaria y el muelle con amortiguador la suspensión secundaria. Como extrapolación de las condiciones de transporte terrestre al ferrocarril también los materiales de los elementos seleccionados en este último transporte combina habitualmente una etapa de suspensión en muelles de acero templado, helicoidales, y otra etapa en solución elastomérica, con colchón de aire o muelles macizos. Esta última aplicación es más barata en su conjunto, lo que es un requisito que la afianza como de mayor aplicabilidad en vehículos de prestaciones medias. Como es conocida la solución elastomérica conjunta las funciones del muelle y un amortiguador. El muelle helicoidal está cuantificado por la rigidez que relaciona la fuerza requerida para realizar un desplazamiento, mientras que la función de muelle elastomérico 528

3 Jornadas SAM CONAMET AAS 2001 puede ser indicada por el módulo de elasticidad E, correlación entre tensiones y deformaciones. La función amortiguador en el muelle se justifica por la variación del modulo de elasticidad en función de la deformación tenida, el cual es diferente según el recorrido sea de incrementos positivos o negativos. De otro modo la conocida curva de histeresis en el comportamiento tensión deformación en un elástomero cuantifica cuanto estamos describiendo, figura 2 Fig. nº 2. Correlación de fuerzas F, con deformaciones, x. Si la constante de proporcionalidad lineal K identifica el módulo de elasticidad medio entre los puntos 0 y máximo, el coeficiente η identifica el corte de las tensiones para deformaciones nulas. El indicador del efecto amortiguador se ha convenido que sea η la tangente del ángulo δ, de modo que se cumple tg δ = η. El ángulo δ representa el desfase de las trayectorias de las tensiones y las deformaciones en un ciclo de trabajo del muelle y es indicador de la energía absorbida en la amortiguación figura 3. Fig. nº 3. Desfase δ entre tensiones y deformaciones en el trabajo de un amortiguador 529

4 C. Ferrer., M. A. Pérez., A. Vicente., P. Segovia., M. Pascual., V. Amigó. Tanto el módulo de elasticidad, E, como la tangente δ son función de la temperatura y frecuencia marcando la evolución del estado vítreo, más rígido, al cauchítico, mayor fluencia. En la figura 4 nos indica estas evoluciones en lo que se nos marca la influencia de rigidizaciones de las bajas temperaturas y altas frecuencias. Y es inversamente mayor efecto amortiguador con las bajas frecuencias y altas temperaturas. E (N/cm2) 5,E+10 4,E+10 3,E+10 2,E+10 1,E+10 0,E Temperatura ºC 5 Hz 108 Hz 1,5 tan d 1 0,5 5 Hz 108 Hz Temperatura ºC 0 Fig. nº4. Correlación del módulo de elasticidad y la tg δ con la temperatura De estos parámetros las frecuencias es la acción a amortiguar, requisito del servicio, mientras que la temperatura es una variable que evoluciona durante el servicio de la locomotora. En efecto, en su comienzo depende de la temperatura ambiental, pero durante el servicio su temperatura se ve incrementada precisamente por la energia degradada por el propio muelle, indicado por la tangente de δ. En cualquier caso evoluciones a partir de 0ºC muestran valores asintóticos con pequeñas variaciones, lo que está justificado pues el material se aleja de las temperaturas en las que el comportamiento es vítreo. Una de las soluciones adoptadas por el ferrocarril para vehículos identificados por requerimientos de confort medio, como es la locomotora, es la de muelles de caucho en la suspensión secundaria, que establece las conexiones entre bogie y caja. Esta suspensión 530

5 Jornadas SAM CONAMET AAS 2001 (a) (b) Fig. nº 5. Muelle elastomérico provisto de placas metálicas, Requisitos de Esfuerzos a) compresión b) cizallamiento. además de los requisitos genéricos establecidos y ya citados deben atender a los específicos siguientes: = = = Altas cargas de compresión, consecuencia del necesario peso de la locomotora para conseguir la máxima adherencia permitida. Absorción de energía para frecuencias menores a la decena de hertzios, que constituye el rango de frecuencias características del funcionamiento del bogie. Altos desplazamientos transversales en el muelle como consecuencia de giro bogie-caja por la inscripción en las curvas de radio pequeño, alrededor de 60 m, requerido por las administraciones ferroviarias para sus instalaciones de clasificación. Estos desplazamientos pueden evaluarse en el orden de ±125 mm. El diseño de un muelle elastomérico con requisito a compresión con grandes desplazamientos requiere la inclusión de láminas metálicas que separen en regiones la altura máxima de pandeo. En la figura 5 a se observa la diferencia de comportamiento a esta solicitación, por la que se consigue mayor rigidez longitudinal. También en el diseño de un muelle a cizallamiento, consecuencia de los desplazamientos transversales, la inclusión de las placas metálicas incide en una similar rigidez transversal. En la figura 5 b se observa este fenómeno. 531

6 C. Ferrer., M. A. Pérez., A. Vicente., P. Segovia., M. Pascual., V. Amigó. SELECCIÓN DE ELASTÓMEROS Y ADHESIVOS. Según se ha observado los requisitos más importantes para el trabajo como muelle de suspensión secundaria es: 1. Carga máxima de rotura (Mpa) 2. Alargamiento Máximo (%) 3. Resiliencia 4. Envejecimiento por O 2 y por calor proveniente fundamentalmente de la acción disipadora. No se contemplan requisitos por resistencia a aceites y otros elementos químicos, lo que es característico de juntas de estanqueidad. En la siguiente tabla se especifican el comportamiento relativo de los tipos de elastomeros vulcanizados que muestran un conjunto más idóneo. Carga rotura Alargamiento Resiliencia Envejecimiento Temperatura (Mpa) A% Caucho Natural (NR) E P (-50)(+70) Etileno-Propileno B E (-60)(+150) Dieno EPDM Policloropreno (CR) B B (-40)(+100) Policloroetileno CM B B (-35)(+135) E= excelente B= Bueno P= Pasable Sin embargo no hay que olvidar que el muelle de caucho descrito es un material compuesto por caucho y placas de acero adheridas por pegamentos. Esto significa que la continuidad de las solicitaciones requiere la bondad de las uniones adheridas por los pegamentos. Aparecen pues dos nuevas variables tan importantes como la selección del caucho, a la que puede condicionar el proceso de optimización del conjunto caucho-placa. Una de estas variables es la calidad del adhesivo que debe ser resistente a los requisitos impuestos al elemento de caucho. La segunda variable es la preparación de las superficies de caucho y acero que debe servir para alcanzar la máxima adherencia entre estos dos materiales, de diferente naturaleza. Diversos pueden ser los adhesivos que permiten la función de transmisión de esfuerzos entre el caucho y el acero. Los requisitos impuestos por la unión caucho-acero ya enunciados permiten seleccionar a las familias de adhesivos elastómeros como una de las que podemos esperar mejores propiedades. En efecto características de buena flexibilidad, alta resistencia al pelado, resistencia a fatiga y bajo costo pueden ser características adecuadas a los requisitos. En la figura 6 se observa la resistencia al pelado de los adhesivos más importantes de esta familia. Adhesivos bicomponentes de neopreno o de caucho nitrílico, con fenólicos se caracterizan por alta resistencia al pelado. Otras uniones duraderas del metal a cauchos de bajo espesor y gran flexibilidad son posibles mediante adhesivos tipo butadien-cianoacrilato. Los sistemas adhesivos a partir adhesivos derivados del butiral-polivinil acetálico, mezclados con otros del tipo fenólico, melamínico, o de urea producen uniones de buena adherencia y flexibilidad, con mejorado comportamiento al pelado e incluso al impacto en el caso de mezclas con componente epoxídico. Ciertos adhesivos de poliuretano confieren una 532

7 Jornadas SAM CONAMET AAS 2001 adherencia al metal y al caucho comparable a la que se conseguirían con adhesivos fenólicos, con una buena flexibilidad en un rango de temperaturas amplio, entre 40 y +100 C. La preparación óptima de la superficie del acero requiere en forma general un granallado con alúmina de 150 mesh a una presión del orden de 200Mpa. Posteriormente se aplica un decapado ácido con fosfórico, H 3 PO 4 al 85 %, mezclado con un desengrasante como el etanol a temperatura del orden de 60ºC. El ataque ácido actúa como inhibidor de corrosión al formarse fosfatos en la piel del acero. Fig nº 6. Resistencia al pelado rs calidad de elastómero Ultimamente se limpia la superficie con agua destilada a 25ºC y se seca con corriente de aire caliente y seco a 60ºC. Igualmente es importante la preparación de las superficies del elástomero seleccionado. Puede variar el proceso especifico pero sigue la regla general de: a) limpieza y desengrase con acetona. b) ataque químico con dicromato potasico o sódico, o alternativamente un arenado mecánico con granalla abrasiva de 120 mesh. c) Lavado con agua desionizada. d) secado con aire caliente a 40ºC. PLANIFICACION DE LOS ENSAYOS La selección de los materiales constituyentes del muelle de caucho así como las variables del proceso nos llevan a la optimización del diseño para cumplir con los requisitos del servicio. En este sentido los ensayos de fatiga pretenden establecer las hipótesis del servicio que la locomotora inducirá durante 20 años y con ello garantizar al usuario el comportamiento correcto. Múltiples ensayos pueden realizarse para la diversidad de combinación de acciones, pero no obstante existen algunos que por su agresividad constituyen el requisito básico del muelle. Para al muelle analizado el ensayo de fatiga bajo fuerzas transversales que 533

8 C. Ferrer., M. A. Pérez., A. Vicente., P. Segovia., M. Pascual., V. Amigó. permitieran el desplazamiento alternado de ±125 mm cuando actuaba una carga de compresión de Kp constituye el requisito más agresivo. La frecuencia del ensayo escogido es del orden de 1 Hz y la temperatura del muelle no debe superar los 60ºC. Como hemos citado, este ensayo corresponde al símil de inscripción en curva de 50m obligando al caucho y especialmente al pegado con las láminas al esfuerzo cortante requerido. No se ha considerado el envejecimiento característico del caucho que puede acaecer simultáneamente a la fatiga mecánica. Los ensayos se realizarán en el Laboratorio de Fatiga de las instalaciones del Area de Materiales del Departamento de Ingeniería Mecánica y Materiales de la Universidad Politécnica de Valencia, sobre una bancada y con la ayuda de las vigas necesarias para la sujeción de los cilindros hidráulicos. Utiles montaje y puesta a punto Se realizó un útil que permite empaquetar dos elementos de caucho con unas barras de guiado unidas a la mesa por un extremo y sueltas por el otro, de manera que se aplique la carga transversal en el centro de la unión, y la carga vertical mediante un cilindro hidráulico con rótula, actuante sobre los elementos de caucho en su dirección axial, figuras de 7 a 10. Para realizar el control independiente de cada actuador se utilizan controladores digitales para cada uno de los pistones, lo que nos permitirá mediante el software adecuado realizar el control y la toma de datos de la forma que se especifique en el ensayo, almacenando el mismo para adjuntarlo al control de calidad del ensayo a realizar. El cilindro vertical es controlado por desplazamientos para mantener constante la carga máxima aplicada. El cilindro horizontal es controlado por desplazamiento para alcanzar las cotas máximas a la derecha y a la izquierda en cada ciclo de trabajo. 534

9 Jornadas SAM CONAMET AAS 2001 Fig.7. Vista general del utillaje utilizado. Fig.8. Vista aérea del posicionamiento de los brazos articulados. Fig.9. Vista aérea general. Fig.10.- Detalle de la ubicación de los pasadores en los brazos articulados. 535

10 C. Ferrer., M. A. Pérez., A. Vicente., P. Segovia., M. Pascual., V. Amigó. RESULTADOS OBTENIDOS. Previo al ensayo de fatiga se determinaron las rigideces estáticas longitudinal R L y transversal R t resultando: R Li = 1790 KN/m R Ti = 330 KN/m Estas mismas rigideces se determinaron a los 9850 ciclos en los que terminó el ensayo por agrietamiento (considerando la sección total del muelle de 490 cm 2 )dando los valores de: R Lf = 2120 KN/m R Tf = 493 KN/m En las figuras 11 a 14 se observa diversos momentos de la realización del ensayo dinámico. Tal como puede apreciarse en la figura 14 en la 4 lámina en la disposición de máxima cortante, se inició una fisura de fatiga a los 9850 ciclos. Las temperaturas medidas durante el ensayo en el muelle fueron del orden máximo de 55ºC, que se alcanzaron con progresión asintotica. En las fotografías 11 a 14 se observan algunas vistas de los ensayos incluyendo la grieta de fatiga. Es evidente que el agrietamiento del muelle que por proceso de fatiga y se ubicó en la interface de unión del caucho con el acero, es decir en el adhesivo de unión, parece también evidente que entre todas las zonas pegadas que fueron ensayadas la fatiga se inició en la que debería estar más solicitada. Para determinar las solicitaciones reales registradas en el ensayo se procedió a la reproducción de las posiciones de cada placa de acero en el trabajo del muelle por cortante manteniendo la carga vertical máxima constante. En la figura 15 se puede observar la reproducción citada. 536

11 Jornadas SAM CONAMET AAS 2001 Fig. nº 15 Disposición de los elementos del muelle con la deformación cortante donde es posible observar tanto situación como el ángulo formado por cada una de las placas metálicas ante una combinación de cargas de compresión y cizallamiento. 537

12 C. Ferrer., M. A. Pérez., A. Vicente., P. Segovia., M. Pascual., V. Amigó. Fig.16.- Equipo en funcionamiento. Fig.17.- Detalle del desplazamiento máximo en uno de los sentidos. Fig.18.- Detalle de la suspensión secundaria. Fig.19.- Detalle de la grieta aparecida a los 9853 ciclos. 538

13 6.- AGRADECIMIENTOS Jornadas SAM CONAMET AAS 2001 Especial agradecimiento a la empresa ALSTOM que nos ha confiado el trabajo cuya publicación es la presente. 539

14 C. Ferrer., M. A. Pérez., A. Vicente., P. Segovia., M. Pascual., V. Amigó. 540