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RIELES

CAPITULO IV

RIELES

IV - 1 ) EVOLUCION HISTORICA DEL RIEL Definición: El riel es el elemento que mejor caracteriza el transporte ferroviario, en virtud que la característica técnica más importante del ferrocarril es el contacto rueda – riel. Evolución en función de los requerimientos: La evolución de los rieles a lo largo de los tiempos como consecuencia del aumento de los requerimientos (aumento de las cargas por eje de 3 t/eje en los primeros tiempos a 30 t/eje en la actualidad y aumento significativo de las velocidades comerciales de 50 Km/h a 300 Km/h actuales) a obligado al estudio y perfeccionamiento de los mismos. La evolución muestra el incremento en los siguientes aspectos: - Aumento de la inercia vertical - Aumento del peso por metro lineal - Mejoramiento de la calidad en la composición química

IV - 2 ) FUNCIONES ESENCIALES Los rieles deben cumplir las funciones que se describen a continuación: 1) Absorber y resistir los esfuerzos que recibe del material rodante y transmitirlos a los otros elementos que componen la estructura de la vía: 1.1) Esfuerzos verticales: peso de los vehículos 1.2) Esfuerzos transversales: fuerza centrífuga no compensada y componentes transversales de las fuerzas del movimiento de lazo. 1.3) Esfuerzos longitudinales: de origen térmico y esfuerzos de frenado y de aceleración 1) Guiado unidireccional de las ruedas de los vehículos. 2) Conducir la corriente eléctrica para la señalización y eventualmente las corrientes de retorno de la tracción eléctrica.

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IV - 3 ) FORMA (SECCION TRANSVERSAL) Está condicionada por la interacción con las ruedas del material rodante y por la integración estructural y armónica que debe tener con el resto de los elementos que constituyen la estructura de la vía. Los primeros rieles fueron perfil “doble T” , simétricos de dos cabezas. Diseño que respondía a la función resistente del riel y al propósito de una doble utilización y que en la práctica no resultó. En 1836 apareció el riel de patín plano, diseñado por el ingeniero inglés Charles Vignole. Este diseño que es el que perdura actualmente, permite una fácil sujeción a los durmientes y consta de tres partes: Cabeza Alma Patín Otro tipo de perfil es el riel de garganta, utilizado fundamentalmente en vías instaladas en pavimentos, tales como tranvías, puertos y playas de maniobras.

IV – 3.1 ) EL PERFIL DEL RIEL Los avances y mejoras del perfil “Vignole” de patín plano, se deben fundamentalmente a los estudios foto elásticos y al calculo de elementos finitos aplicado a las tensiones que se producen en el riel. 44

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A través de la foto elasticidad se estudian las curvas isocromas de un perfil cualquiera, mediante un haz de luz polarizada, dichas curvas son proporcionales a las tensiones producidas en el riel sometido a un determinado estado de carga. Esto permite el dimensionado de las distintas partes del perfil del riel y los radios de acordamiento de esas partes. En las figuras siguientes, se representan las proyecciones fotoelásticas correspondientes a tres perfiles sometidos a cargas con distinta excentricidad y con radios de acordamientos (cabeza –alma y alma – patín) diferente.

Proyecciones fotoelásticas de tres perfiles distintos sometidos a cargas con distinta excentricidad

Como consecuencia de estos estudios se ha determinado el reparto de masa de las partes: Cabeza de 35% a 40 % Alma de 27% a 22 % Patín de 38% a 40%

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IV – 3.2 ) PARTES DEL RIEL Cabeza: Es la parte del riel destinada a entrar en contacto con las ruedas del material rodante. Por este motivo, la forma de la superficie de rodadura debe garantizar una buena repartición de los esfuerzos aplicados. El contacto rueda-riel no debe ser nunca un contacto puntual, sino una superficie elíptica (teoría de Hertz) del orden de 1 cm2. Las dimensiones de la cabeza deben ser tales que: - Permita el reparto de las cargas transmitidas por el contacto rueda-riel. - Transmita los esfuerzos al alma a través de radios de acordamiento adecuados. - Debe tener un margen de desgaste lateral en curvas y un margen de desgaste vertical por efecto del rozamiento. A través de la experiencia y el estudio del reparto de cargas (fotoelasticidad) se puede afirmar que las dimensiones de la cabeza son del orden de: 60 a 70 mm para el ancho y de 50 mm en altura. Anchos mayores pueden provocar desequilibrio de masas, la altura de 50 mm proporciona un equilibrio de masas con el patín, reduciendo las tensiones residuales del enfriamiento posterior al laminado en el proceso de fabricación. El radio de bombeo es el radio de curvatura de la cabeza. Se ha comprobado que para lograr un mejor reparto de las tensiones superficiales, el radio de bombeo más adecuado debe ser 300 mm, pues es el que más se aproxima al perfil de desgaste más estable. La inclinación de las caras laterales de la cabeza debe ser tal que en alineaciones rectas no exista contacto entre ellas y la pestaña de la rueda, pero en alineaciones curvas de radio reducido se produce este contacto, por lo cual para reducir la presión de contacto y por ende el desgaste lateral, se le da a las caras laterales una inclinación de 1/20, lo que además permite incrementar el ancho de las caras inferiores de la cabeza favoreciendo el acople de las eclisas. La inclinación de las caras inferiores está comprendida entre 1/3 y 1/4, valores inferiores a estos dificultan el acordamiento con el alma. Patín: Se caracteriza por su ancho, forma y espesor de las alas. El ancho (b) condiciona la rigidez del riel en el plano horizontal y su resistencia al vuelco. Cuanto más ancho es el patín menos presiones transmite al durmiente pero tiene el inconveniente de limitar la flexibilidad para la instalación del riel en curvas. Se recomienda que se cumpla la relación: 1,1 b  h  1,2 b Siendo b el ancho del patín y h la altura del riel. El espesor y forma de las alas está condicionado por el equilibrio de masas que debe existir entre cabeza, alma y patín y por el proceso de laminación. Si bien una doble inclinación en la cara superior del patín produce una economía de material, muchos fabricantes prefieren una única pendiente para facilitar el laminado y reducir así los costos de fabricación. Alma: Debe transmitir los esfuerzos desde la cabeza al patín, el espesor debe ser suficiente para resistir los esfuerzos cortantes y las tensiones alrededor de los agujeros de las eclisas. Se recomienda que el espesor sea e  15 mm. Los acordamientos entre el alma con la cabeza y el patín son zonas con concentración de tensiones, los radios de acordamiento recomendados para reducir estas tensiones varían de 15mm a 35 mm.

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En las figuras siguientes se ilustran distintos tipos de perfiles utilizados por algunas de las administraciones ferroviarias mas importantes a nivel mundial.

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Perfiles UIC

IV - 4 ) EL ACERO DE LOS RIELES Los primeros rieles se fabricaron en hierro fundido, eran muy frágiles. Posteriormente se pasó al hierro laminado pero no se logró evitar las roturas por fragilidad. A partir de 1883 se comenzaron a construir rieles de acero, que al principio fueron aceros dúctiles (blandos) surgiendo problemas de desgaste prematuro, lo que dio lugar a la fabricación

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de aceros más duros. Actualmente se ha logrado compatibilizar rieles duros y de poca fragilidad. Condiciones de fabricación que deben cumplir los aceros de los rieles: El acero de los rieles debe cumplir un conjunto de condiciones contradictorias entre sí, que obliga a buscar soluciones de compromiso (intermedias): 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Debe tener una débil resistencia a la rodadura : rieles lisos y rígidos. Debe poseer máxima adherencia: rieles rugosos. Deben carecer de fragilidad: rieles blandos. Deben tener resistencia al desgaste: rieles duros. Deben tener flexibilidad: rieles flexibles. Deben poseer soldabilidad.

Estructura cristalina del acero de los rieles: Los distintos tipos de aceros se clasifican por su composición química y por su estructura cristalina, la que depende del proceso de enfriamiento y se basa en la solubilidad del carbono en el hierro, tal como se ilustra en la figura siguiente.

Existen dos variedades alotrópicas del hierro puro:  y . : estable en frío, cristaliza en el sistema cúbico centrado. : estable por encima de los 910 ºC, cristaliza en el sistema cúbico de caras centradas.

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En el estado , la disposición de los átomos es más compacta que en el estado , razón por la cual, los átomos de carbono se insertan en la red cristalina del hierro más fácilmente en caliente que en frío. Observando el diagrama de solubilidad, se aprecia que se producen una serie de transformaciones por difusión de los átomos de carbono en el seno de la estructura del hierro. El enfriamiento gradual da lugar a la formación de perlita (cuya composición en carbono es de hasta un 0,9 %) rodeada de láminas de ferrita (hierro puro), se forma por debajo de los 720ºC. La estructura perlita es tanto más dura si las láminas son más finas y están más próximas. Si la velocidad de enfriamiento aumenta (100ºC/seg.) no se produce la difusión, sino que se produce un reordenamiento de los átomos de hierro y se mantienen en solución sólida los átomos de carbono sin insertarse en la estructura del hierro, entonces el acero se “templa”y se forma así una estructura llamada martensita, que es una estructura muy dura y muy frágil, incluso puede dar lugar a la aparición de fisuras. Por esta razón, el acero del riel debe presentar una estructura cristalina del tipo perlita y sorbita. Estructuras estas, que sin ser muy duras, son muy tenaces y por lo tanto aptas para resistir golpes, choques y desgastes. La estructura sorbita, se obtiene mediante un tratamiento térmico que modifica su microestructura primitiva. Se logra mediante un calentamiento por encima de la temperatura de austenización (720 ºC) y un enfriamiento gradual de la superficie de rodadura. Composición química de los aceros para rieles: Otra forma de aumentar la resistencia de los aceros, es modificar su composición química. Cada administración ferroviaria fija sus propias tolerancias especificas para admitir distintos tipos de rieles, cuyas tolerancias están comprendidas entre los límites que se indican en la tabla siguiente. Componentes del acero Tipos de acero (%) Acero normal Acero naturalmente duro C 0,37 – 0,55 0,60 – 0,80 Mn 0,70 – 1,20 0,80 – 1,30 Si 0,10 – 0,50  0,35 P  0,05  0,03 Si  0,05  0,03 Efectos cualitativos de los distintos componentes del acero: 1) El carbono, aumenta la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia a la tracción, pero a costa de un incremento correlativo de la fragilidad. 2) El manganeso aumenta la dureza, la resistencia al desgaste, la resistencia a la tracción y la tenacidad pero dificulta la soldabilidad. 3) El silicio aumenta la dureza, la resistencia al desgaste y además facilita la eliminación de gases en el proceso de fabricación del acero. 4) El azufre y el fósforo le dan fragilidad al acero, pero es imposible la eliminación total de estas impurezas, por lo que solo es posible limitar el contenido de los mismos en pequeños porcentajes. 50

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5) El cromo aumenta la dureza, la resistencia al desgaste y la tenacidad pero da lugar a la formación de martensita por lo que se incrementa la fragilidad. 6) Otros componentes como, el vadanio, el molibdeno y el columbio afinan el grano de la perlita y por lo tanto se utilizan para obtener aceros de elevada resistencia. Propiedades físicas de los aceros para rieles: Los aceros que se utilizan para rieles se sitúan en la gama de los contenidos de carbono entre 0,3 % y 0,9 %, de estructura del tipo perlita – ferrita. Resistencia a la tracción: para los aceros comunes varía de 680 a 850 N/mm2, par a los aceros duros es superior a 900 N/mm2. Para curvas de radios reducidos en líneas con tráficos importantes, se utilizan rieles con aceros especiales de resistencia a la tracción de 1000 a 1300 N/mm2. Los alargamientos en rotura deben ser  14 % para aceros comunes y  10 % para aceros duros. Peso especifico: 7,85 T/m3. Coeficiente de dilatación térmica:  =1,05 x 10-5 1/ºC Módulo de elasticidad: E =2,1 x 106 kg/cm2 Dureza Brinell: 210 a 270ºBr (para aceros comunes) y 370ºBr (para aceros especiales).

IV - 5 ) FABRICACIÓN DE LOS RIELES El proceso de fabricación de los rieles consta de tres fases: 1) Fabricación del acero. 2) Fabricación del riel (dándole al acero las características geométricas y forma definitiva). 3) Operación de acabado. Fabricación del acero: Existen cinco procedimientos de fabricación:

Thomas Bessemer Martín-Siemens Eléctrico Linz-Donawitz (soplado al Oxígeno)

Los cinco procedimientos se basan en la obtención del acero requerido, mediante la fusión en alto horno de lingotes de hierro mineral y chatarra, las impurezas forman la escoria que flota en el metal fundido por diferencia de peso especifico. Los dos primeros procedimientos mencionados son muy antiguos y son poco utilizados actualmente. El proceso de fabricación del acero eléctrico se logra por fusión del acero mediante arco eléctrico, producido por dos electrodos introducidos dentro de la masa del metal fundido. Es un proceso muy costoso y no es utilizado para grandes volúmenes, no obstante permite obtener un acero muy buena calidad.

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En el procedimiento de fabricación por soplado de Oxigeno, agrega al procedimiento Martín-Siemens, el hecho que hace pasar una corriente de oxigeno por el metal fundido, logrando que el oxigeno se combine con las impurezas y acelere el proceso. El acero sale del horno en estado líquido (arrabio) a unos 3.000ºC, de ahí pasa a un convertidor para lograr la desgasificación al vacío (fundamentalmente reducir el contenido de hidrógeno) logrando así un mayor grado de limpieza (eliminación de las inclusiones no metálicas), homogenización de la masa y un ajuste de la composición química. El acero sólido puede ser producido en forma de lingotes o de blooms de colada continua. En el caso de los lingotes, el acero liquido proveniente del convertidor es volcado en moldes troncocónicos que luego de enfriado y solidificado se desmoldan y se retiran los lingotes. El otro procedimiento es de colada continua, donde el acero liquido proveniente del convertidor se coloca en moldes de sección cuadrada de 20 cm de lado y muy largos, los que se cortan una vez solidificado, pero aún al rojo para ser enfriado y formar los denominados “blooms” o “tochos”. Fabricación del riel: Una vez obtenido el acero en forma sólida por uno u otro procedimiento (ya sea en forma de lingotes o de blooms), Se vuelve a calentar en un horno de recalentado y de ahí pasa por un tren de laminación, formado por tres cajas (caja de desbastado, caja intermedia o de perfilado y caja de acabado) donde se le van pasando unos rodillos para ir extruyéndolo y darle la forma definitiva. Luego de pasar por la caja de acabado, el riel se corta mediante una sierra circular a longitudes que pueden variar de 12 a 90 metros, a pedido del cliente. A continuación se efectúa el marcado del riel en caliente mediante una troqueladora automática controlada por computadora, el marcado se realiza en el alma del riel, donde se indica el número de la colada, signo de calidad del acero, año de fabricación, identificación del fabricante, etc. Luego se somete a un proceso de enfriamiento controlado, después pasa por una máquina enderezadora de rodillos de eje horizontal y vertical los que actúan en forma sincronizada, mediante un ondulómetro se determina la planicidad horizontal y vertical del riel. Seguidamente, se pasa al enderezado de los extremos tanto en sentido horizontal como vertical mediante prensas hidráulicas que son controladas automáticamente por sensores láser. Mediante un examen ultrasónico se garantiza la calidad interna del producto. Asimismo, la calidad externa se verifica mediante una máquina de control de defectos superficiales, por corrientes inducidas. Luego, mediante sierras de corte en frío los rieles se cortan en los extremos para darles la longitud exacta y en caso de ser solicitado por el cliente se taladran los orificios para los bulones de las eclisas de acuerdo al diámetro y número especificados. Finalmente pasan a los lechos de inspección final para el control de las dimensiones geométricas y se almacenan para su expedición. El largo del riel depende de la fábrica y del medio de transporte con que se cuente. El largo máximo que se han construido es de 90 m, pero si hay que moverlo por barco, que es como llega a Uruguay, 60 m es demasiado largo, por lo que se traen de 18 ó de 25 m. Antiguamente se fabricaban de longitudes menores, que variaban de 7, 10 o 12 m. En caso de instalarse una vía con riel continuo soldado, esos rieles cortos se sueldan previamente en taller para formar una barra larga de unos 140 metros de longitud, luego estas barras se trasladan al lugar donde se instalan en la vía y se unen entre sí mediante soldadura aluminotermica.

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A continuación se presenta un diagrama de los procesos de fabricación que pueden tener los rieles, desde la producción del acero hasta el producto final terminado.

Diagrama de los procesos de fabricación de los rieles

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Esquema del proceso de fabricación del acero y de los rieles:

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Control de calidad – Ensayos mas frecuentes: Para asegurar la calidad de los rieles se deben realizar una serie de ensayos, que generalmente se llevan a cabo por mutuo acuerdo entre los fabricantes y las administraciones ferroviarias. Los ensayos que se les hace generalmente son Ensayos mecánicos: Ensayo de tracción (una serie colada). Ensayo de choque (una serie de lingote). Ensayo de dureza Brinell (una serie por colada). Ensayos de composición química y metalográficos: Análisis químico (una serie por colada). Ensayo micrográfico: estudio con microscopio electrónico (de 100 a 200 aumentos) de la textura, la cual deberá ser de grano homogéneo, fino, uniforme, no presentar fisuras, ni coqueras y ningún tipo de segregación (una serie por lingote). En las fotografías al microscopio que se presentan a continuación se puede observar la microestructura metalúrgica de un acero común (de estructura perlita-ferrita), cuya resistencia a la tracción mínima es del orden de 700 N/mm2 y un acero naturalmente duro, con alto contenido de carbono (de estructura totalmente perlitica), cuya resistencia a la tracción mínima es del orden 900 N/mm2.

Acero común ( Rtrac  700 N / mm )

Acero naturalmente duro

Estructura perlitica –ferrita

( Rtrac  900 N / mm )

La fase oscura es perlita rodeada de una red de ferrita más clara.

Estructura totalmente perlitica

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2

Ensayo macrográfico: se utiliza el procedimiento Baumann, que consiste en someter una lámina de riel a la acción de un papel de plata o citrato de plata, impregnado con ácido sulfúrico, destinado a detectar la presencia de azufre o fósforo, en caso de existir alguna de estas impurezas, se impresiona de negro la sal de plata revelando su presencia. En cualquier caso, no es fácil detectar su presencia, por lo que se usa un juego de fotografías tipo para comparación y referencia. . A continuación se muestran a titulo de ejemplo algunas de las imágenes Baumann tipo.

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Imagen macrográfica perfecta (aceptable)

Segregación en puntos de toda la sección (aceptable)

Estructura dendrítica (no aceptable)

Punteado interno que corresponde a pequeños orificios (no aceptable)

Tolerancias geométricas: Las tolerancias en las dimensiones longitudinales y transversales se indican en la figura adjunta.

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Por otra parte, para comprobar el cumplimiento en cuanto a la forma y dimensiones de la sección transversal del riel, se emplea un juego de calibres tal como se aprecia en las siguientes figuras.

Calibres utilizados para la verificación de la forma y dimensiones de los rieles

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IV - 6 ) DEFECTOS DE LOS RIELES Defectos imputables al proceso de fabricación: Pese a los rigurosos controles en el proceso de fabricación así como a los ensayos de recepción, inevitablemente un cierto número de rieles deben ser retirados de servicio en forma prematura, por fisuras, roturas y averías. De estos defectos, un 20% a 25 % son de carácter metalúrgico, es decir debidos al proceso de fabricación, mientras que de un 75% a 80 % son atribuibles a causas externas. Los defectos que pueden tener los rieles debidos al proceso de fabricación son anomalías, los más importantes son los siguientes: Rechupe: Existen dos tipos. Primario: provocado por insuficiencia del despunte del lingote a la salida de la colada, el acero está en estado líquido y se enfría, pudiendo dar lugar a una fisura vertical en el extremo del riel. Secundario: producido por excesiva rapidez en la colada y el desmoldeo, produce cavidades o grietas que no afloran en la superficie de los rieles nuevos. Segregación central: se debe a una falta de cuidado en la colada que dejan impurezas (azufre ó fósforo), y se verifica fundamentalmente en el alma. Segregación inversa: se produce como consecuencia de un laminado prematuro que tiene lugar antes de solidificarse, se caracteriza por la formación de una zona central descarburada rodeada de un anillo carburado y con impurezas, da lugar a la formación de fisuras longitudinales. Inclusiones sólidas: Es debida también a un laminado prematuro y se caracteriza por la presencia de partículas de escoria en la masa de acero durante el proceso de desoxidación. Inclusiones gaseosas: son burbujas de gas que quedan dentro del lingote y posteriormente se traducen en grietas. Fisuras transversales: No está claro su origen pero en algunos casos son debidas a tensiones producidas durante el enfriamiento y en otros casos a la presencia de hidrógeno que da lugar a lo que se denomina “mancha oval” en la cabeza del riel, da lugar a roturas por fatiga bajo la acción de las cargas de servicio. Defectos de laminación: Pueden ser, ondulaciones del borde del patín por falta de material; rebabas en el patín y : pliegues por exceso de material. Defectos debidos al trafico Los defectos provocados por el tráfico, son debidos a la fatiga por repetición de las cargas, cargas por eje muy elevadas, altas velocidades, también influye el trazado (curvas de radio reducido que aumenta el desgaste, pendientes que ). Entre los defectos más comunes se hallan Poceaduras por patinaje o frenado: debido a los fuertes rozamientos elevan la temperatura del riel en la superficie, plastificando la superficie de rodadura, dando lugar a la formación de escamas y provocando que se despegue la lámina superior.

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Flexión y fisuras en los extremos de los rieles con deformaciones permanentes debido a los golpes producidos por las ruedas al pasar por las juntas. Fisuras radiales en los orificios de los bulones de las eclisas. Fisuras transversales en la cabeza del riel provocadas por “mancha oval”que como ya se mencionó se debe a un proceso de enfriamiento muy rápido en la fabricación del riel, se puede evitar si el proceso de fabricación tiene un enfriamiento controlado.

El desgaste del riel, se produce por una perdida de masa de la sección transversal producida por la abrasión provocada por el paso de los vehículos. Dentro de los distintos tipos de desgaste se encuentra: el desgaste lateral del riel exterior en curvas de radio reducido, así como la deformación plástica severa en el riel interior, este tipo de desgaste se mide con perfilómetros. Desgaste ondulatorio; Se trata como su nombre lo indica de un desgaste que se caracteriza por deformaciones longitudinales en la superficie de rodadura de diferente longitud de onda.: el corto, con longitudes de onda de 40 a 80 mm y de amplitud de 0,4 mm y el largo con longitudes de onda de 500 a 2000 mm y amplitudes del orden de 5mm. 60

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El desgaste ondulatorio corto es frecuente en líneas de metros y produce un importante resistencia a la rodadura y por lo tanto un mayor consumo energético y provoca ruido al paso de los vehículos. El desgaste ondulatorio largo tiene menos incidencia en la circulación salvo en los trenes de alta velocidad. Las causas de estos defectos aún no están claramente establecidas

Desgaste lateral

Deformación plástica severa

Defectos debidos a las condiciones del medio ambiente Los defectos atribuibles al medio ambiente; tales como la corrosión producida en zonas húmedas (túneles, o zonas mal drenadas); así como también zonas de alta salinidad, como es el caso de la Línea Rocha, donde puede observarse que los rieles han sido corroídos por la alta salinidad. También influye las variaciones de temperatura, en épocas de frío intenso, aumenta la fragilidad de los rieles, lo que puede provocar roturas bruscas al paso de los trenes (la superficie de rodadura sufre un aumento de temperatura, mientras el resto de la sección del riel está frío lo que produce variación de tensiones que causa la rotura). Retirada prematura de los rieles Muchas veces los rieles deben ser retirados en forma prematura (antes de cumplir su vida útil), esto se debe a la localización de defectos, tales como los enunciados anteriormente. Además de estos casos, los criterios seguidos para permitir que un riel continúe en servicio dependen de que el perfil de desgaste (inclinado, lateral y/o vertical) cumpla con ciertas tolerancias máximas definidas de acuerdo a las normativas de cada administración. En tal sentido la Asociación Latinoamericana de Ferrocarriles fija en su Norma 5-026, los criterios de desgaste máximo admitido para cada tipo de riel según su peso, son los indicados en la tabla siguiente. Desgastes permitidos según Norma ALAF 5-026 Localización y Tipo de desgaste Desgaste (máx),

vertical

del

hongo

Desgaste lateral del hongo (máx) medido a 14 mm. de la superficie de rodadura. Cuando hay desgaste vertical y lateral del hongo, la suma de ambos no puede ser mayor de: Reducción y/o desgaste del alma y del patín

Peso del Riel (kg/m) 25 a 35.5 36.7 a 39.8 42.16 a 50 60 25 a 35.5 36.7 a 39.8 42.16 a 50 60 25 a 35.5 36.7 a 39.8 42.16 a 50 60 25 a 35.5 36.7 a 39.8 42.16 a 50 60

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Límite de desgaste o reducción referido a medidas nominales 8 mm 10 mm 12 mm 14 mm 8 mm 10 mm 12 mm 14 mm 12 mm 15 mm 18 mm 21 mm 20 % 22 % 26 % 30 %

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La inclinación máxima del desgaste lateral será de 30º, medido según indica la figura siguiente:

Medidas preventivas – control de los defectos Control visual: Para prevenir los posibles defectos de los rieles se efectúan revisaciones de la vía a pie a cargo de personal especializado, para detectar los defectos superficiales mediante inspección visual directa, en algunos casos con ayuda de líquidos especiales que aumentan la visibilidad de los defectos. Para detectar los defectos internos que no es posible determinar a simple vista se utilizan métodos de control no destructivo, tales como el control ultrasónico o eléctrico. Control ultrasónico: Consiste en aparatos que envían ondas en forma de haces concentrados y en un osciloscopio de rayos catódicos se registran los ecos recibidos, cuando se registran variaciones de esos ecos se detecta el defecto, la posición y la amplitud de l mismo. Los aparatos de auscultación por ultrasonido pueden realizar el control a velocidades que varían de 30 a 90 Km/h, además tiene un dispositivo que pinta el riel en la zona del defecto permitiendo su identificación visual. Control eléctrico: Los aparatos para este tipo de control se basan en el uso de dos electrodos que se deslizan sobre el riel, aplicando una corriente eléctrica de débil voltaje, tal que las variaciones de tensión (voltaje)se registran en un micro voltímetro y reflejan los defectos, un juego de relés hace que cuando las variaciones de voltaje son grandes, provocan (al igual que en el control ultrasónico) la proyección de pintura sobre el riel. Además estas variaciones se registran en papel milimetrado. Medidas preventivas Como medidas preventivas para evitar el desgaste en curva de radio reducido se utiliza la instalación de lubricadores, los cuales se instalan a la entrada y a la salida de las curvas. Estos dispositivos son émbolos que tiene n un deposito de grasa grafitada y constan de un dispositivo , tal que cuando la rueda de los vehículos pisa el mismo, se acciona el embolo que eyecta grasa que lubrica el rozamiento entre la pestaña de la rueda y la cara lateral del riel. Otros dispositivos es el uso de areneros en las locomotoras, los cuales son accionados por el maquinista para evitar el patinaje en rampas muy pronunciadas.

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Medidas de reparación Para recuperar el perfil original del riel, se realizan una serie de tareas que pueden ser: cepillado, esmerilado, fresado, recargue de material mediante soldadura, tratamiento de juntas (enderezado, lubricación suplemento entre la eclisa y el riel), en muchos casos los rieles retirados de vías principales, luego de un examen de ultrasonido y comprobado que no tienen defectos internos, se los somete a un proceso de regeneración reperfilándolos para su posterior utilización en vías secundarias.

IV - 7 ) ELECCIÓN DEL TIPO DE RIEL SEGUN SU PESO A la hora de elegir el tipo de riel a utilizar, el peso por unidad de longitud acaba siendo el factor más importante. El peso del riel ha ido aumentando, ya hoy no existen rieles livianos, salvo en el norte uruguayo donde todavía quedan rieles de 30 kg/m. Los diferentes tipos de riles según AFE, varían desde 28 hasta 50 kg/m; la norma UIC establece 45 a 60 kg/m; los trenes de alta velocidad usan 60 kg/m como medida estándar; y EE.UU. utiliza de 57 a 76 kg/m. La notación de la UIC establece que un riel UIC 50 pesa 50 kg/m y un UIC 60 pesa 60 Kg/m. La determinación del riel optimo de acuerdo a su peso por metro lineal (q) es un problema en el que intervienen muchas variables, tales como las cargas por eje, la velocidad máxima, la densidad de tráfico, etc.. Se ha tratado a lo largo del tiempo de plasmar mediante formulas matemáticas, la relación existente entre el peso del riel (Kg/m) en función de las variables anteriormente mencionadas,.la forma de calcularlo ha ido variando con la aparición de nuevas ecuaciones que dan una idea de cómo varía el peso con dichas características. Congreso ferroviario de El Cairo (1968): q  2,5P P es la c arg a estática por eje máxima en Ton / eje Formula de Yershov: V q  max Vmax es la velocidad máxima de circulación en Km / h 2, 2 Formula de Shulga: q  31,046.T 0,203

T es el tráfico anual en millones de toneladas brutas

Formula de Shajumianz: 1

2

2

q  a(1  T 4 ).(1  0,12.V ) 3 .P 3 siendo : a  1, 2 ( para vagones ) y 1,3 ( para locomotoras ) V  velocidad máxima de circulación de los trenes en Km / h P  c arg a por eje máxima en Ton T  trafico anual en millones de t oneladas brutas

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 P .s  q  0, 41  R 1100.5V  siendo : PR  car g a por rueda en Kg s  separación entre durmientes en cm. V  velocidad máxima de circulación en Km / h. Estas fórmulas se aplican para velocidades menores a 160 Km/h. Estas dos últimas formulas, si bien no dan exactamente los mismos valores, brindan resultados armoniosos, mientras que las otras tres dan resultados poco coherentes. Si bien estas formulas dan una idea del tipo de perfil de riel mas adecuado según las características de la línea, Las conclusiones finales para determinar la elección del tipo de riel dependen de las condiciones técnicas y económicas de cada país. Por otra parte a nivel mundial las distintas acerias fabricantes de rieles tienden a la normalización y estandarización, como así también las distintas administraciones ferroviarias., lo cual invalida cualquier cálculo teórico, lo normal es acudir a consideraciones prácticas, tales como: 1) l peso del riel (Kg/m) aumenta proporcionalmente con las cargas por eje, las velocidades y la densidad del tráfico. 2) El aumento del peso del riel disminuye la resistencia a la rodadura y los gastos de explotación. 3) No es recomendable que una red ferroviaria tenga más de 3 o 4 tipos de perfiles distintos, siendo recomendable la estandarización de los mismos. Actualmente las principales administraciones ferroviarias a nivel mundial, consideran la elección del tipo de riel en función de la densidad de tráfico (T). Veamos algunos ejemplos: Criterio de la UIC: T 30.000 TBR/dia 30.000  T  60.000 TBR/dia T60.000 TBR/dia Criterio de SNCF (Francia): T 14.000 TBR/dia 14.000  T  30.000 TBR/dia T30.000 TBR/dia

45 Kg/m  P 50 Kg/m 50 Kg/m  P 60 Kg/m P = 60 Kg/m P = 45 Kg/m P = 50 Kg/m P = 60 Kg/m

Criterio AREMA (USA): T 9 MTBR/año 9  T  18 MTBR/año 18  T  32 MTBR/año T32 MTBR/año Criterio de los Ferrocarriles Rusos: T 25 MTBR/año 25  T  50 MTBR/año T 50 MTBR/año

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P = 57 Kg/m P= 65 Kg/m P= 70 Kg/m P= 76 Kg/m R50 (51,53 Kg/m) R65 (64,64 Kg/m) R75 (74,44 Kg/m)

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IV - 8 ) JUNTAS Y ECLISAS La unión longitudinal de los rieles consecutivos se realiza por medio de piezas especiales llamadas eclisas o bridas. Las funciones de las eclisas son: 1) Empalmar los rieles de forma que se comporten como una viga continua, tanto en planta como en alzado. 2) Lograr una resistencia a la deformación del empalme que se aproxime a la de los rieles que acoplan. 3) Impedir movimientos relativos (verticales y transversales) de los extremos de los rieles pero permitiendo su dilatación. 4) Debe ser una pieza simple (con el menor número de elementos posible) a los efectos de tener un fácil montaje y permitir un mantenimiento adecuado. Los lugares donde se realiza dicha unión longitudinal se denominan juntas de vía y constituyen los puntos más débiles de la vía, especialmente desde el punto de vista dinámico. En efecto, la discontinuidad en la rigidez de la vía en dicha zona, debido a la variación brusca del momento de inercia disponible, determina un choque al paso de las ruedas, con los consiguientes efectos negativos, a saber: 1) Aumenta la resistencia a la rodadura de los trenes. 2) Produce deformaciones por flexión en los extremos de los rieles. 3) Produce aplastamiento de la superficie de rodadura de los rieles. 4) Produce aplastamiento y rotura del balasto. 5) Acelera el bombeo de finos desde la plataforma, contaminando el balasto. 6) Se debilitan los apoyos de los durmientes próximos a la junta. 7) Favorece los corrimientos horizontales de los rieles. La junta eclisada consta de un par de eclisas que son dos elementos metálicos que se montan a ambos lados del alma de los extremos de los rieles y se unen mediante bulones pasantes, para ello tienen orificios coincidentes con los orificios de los extremos de los rieles.

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La eclisa se apoya en la cara superior del patín y en la cara inferior de la cabeza, nunca en el alma porque en ese caso, se aumenta la fricción y aparecen problemas con la dilatación del riel. Es importante que haya luz entre el alma y la eclisa. En el mantenimiento, se engrasa el alma de los rieles en las juntas pues no debe existir fricción entre la eclisa y el alma. Las juntas de acuerdo a la disposición de los durmientes se pueden clasificar en: suspendidas, apoyadas y mixtas ó semisuspendidas.

Junta suspendida

Junta apoyada

Junta mixta

En la junta apoyada, la unión de ambos rieles se efectúa sobre un durmiente, tiene el inconveniente que con el pasaje de los vehículos, el durmiente comienza a bascular con el tiempo, lo que hace que se aflojen las sujeciones y quede mal apoyada sobre el balasto. En la junta suspendida, la unión de los rieles se materializa entre dos durmientes consecutivos. Este tipo de juntas son más elásticas que las juntas apoyadas y no se produce el efecto “yunque” anteriormente mencionado. Trabaja normalmente a la flexión. Su principal inconveniente es que, como consecuencia de la gran flexión a que se ven sometidos los rieles en sus extremos, las eclisas también se ven sometidas a grandes esfuerzos de flexión que provocan desgastes de la eclisa en los puntos de contacto con las caras laterales de los rieles, rotura de los bulones por esfuerzo de corte al que están sometidos, así como fisuras radiales a partir de los orificios de los bulones. La junta semisuspendida, es similar a la suspendida con la diferencia que los durmientes de la junta están más próximos entre sí, en ciertos casos con sus caras laterales en contacto. Estas juntas también sufre desgastes y deformaciones, pero en comparación con las juntas suspendidas son más rígidas, pero dificultan el trabajo de bateado.

Junta apoyada (efecto sobre el durmiente)

Junta suspendida(arriba) y junta semisuspendida (abajo)

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Los tres tipos de juntas mencionados, por efecto de los impactos provocados por las ruedas de los vehículos, se van deteriorando y aflojando los bulones en forma progresiva, lo que obliga a un trabajo de mantenimiento y de reapretando de los bulones en forma periódica. La tensión de apriete de los bulones disminuye como consecuencia del desgaste progresivo que sufre la junta, este efecto de desenroscado se retarda notablemente utilizando arandelas de presión entre la tuerca y la eclisa. Otro de los trabajos de mantenimiento en las juntas es colocar “suplementos” para compensar el desgaste sufrido tanto por la eclisa como por el riel en las zonas de contacto entre ambos. Según su distribución se clasifican en: juntas alternadas ó a escuadra.

Jutas a escuadra

Juntas alternadas

La disposición alternada evita que los vehículos caigan prácticamente en la junta, aunque les producen una oscilación alrededor de su eje longitudinal que resulta inconveniente para el confort de los viajeros. Por otro lado, en la disposición a escuadra ambos hilos del carril tienen juntas en un mismo plano perpendicular al eje de la vía, lo que produce un bache de ésta cada cierta distancia, lo que acentúa el movimiento de galope de los vehículos. No se puede decir cuál es mejor que la otra; lo ideal sería que no hubiera juntas. En Uruguay se colocan a escuadra. Las eclisas unen los extremos de dos carriles consecutivos de forma que sus ejes longitudinales coincidan y quede inmovilizada su posición tanto en el plano horizontal como en el vertical. Se debe buscar que no haya desnivel en la cara superior entre uno y otro. Se proyectan de forma tal que las dos colocadas por cada junta aporten el mismo momento de inercia que la sección del riel. Para unir rieles de diferentes secciones, se emplean eclisas especiales, proyectadas de forma tal que las superficies de rodadura de las cabezas de ambos carriles queden a un mismo nivel. Juntas aislantes: En las instalaciones de señalización por bloqueo ó centralización, los hilos del riel son utilizados con frecuencia para la conducción de la corriente de señales. Las juntas deben facilitar el pasaje de la corriente y la conductividad necesaria se logra gracias a la conexión de ambos extremos del riel con ayuda de alambre de cobre soldado a ellos. Las juntas aislantes aseguran la discontinuidad del circuito de vía entre cantones. Las juntas aislantes, además del par de eclisas y bulones correspondientes incorporan los siguientes elementos adicionales: a) Revestimientos aislantes dispuestos entre la eclisa y riel a ambos lados del mismo. b) Perfiles aislantes de material plástico (con la misma forma y dimensiones de la sección transversal del riel) colocado en los extremos de los dos rieles que componen la junta aislada. c) Piezas cilíndricas aislantes de material plástico, colocadas entre los orificios de la eclisa y los bulones correspondientes. d) Arandelas plásticas para aislar las tuercas y las cabezas de los bulones.

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El mantenimiento de las juntas aislantes, por el envejecimiento de los materiales aislantes es delicado y costoso. Existen también juntas aislantes encoladas, cuyo mantenimiento es más fácil, constituidas por resinas sintéticas que se interpone entre la eclisa y el riel. Por ser muy costosas solo se utilizan en tramos constituidos por rieles continuos soldados. En líneas electrificadas se asegura la conducción a través de las juntas mediante conexiones al carril con alambre de cobre con terminales introducidos en manguitos de acero que se suelda al riel y a ambos extremos de la junta. Juntas de dilatación o aparatos de dilatación: Este tipo de elementos, permiten la dilatación de los rieles en los extremos de los tramos de vía con carril continuo soldado y se colocan al final de cada tramo soldado. Están constituidos por dos agujas que deslizan en el interior de cojinetes especiales. La función de estos aparatos es la de absorber total o parcialmente, los efectos de las variaciones de temperatura en el riel, manteniendo la continuidad del camino de rodadura. Las propiedades que debe cumplir un aparato de dilatación son: 1) Asegurar la anulación de tensiones térmicas en el propio aparato. 2) Presentar similares características resistentes que el resto de la vía. 3) Permitir el bateo mecanizado de la vía. 4) Permitir la circulación a velocidades elevadas. 5) Debe ser posible su utilización en tramos de puentes. A continuación se presentan algunos tipos de los AD más comunes.

Aparato de dilatación tipo Martinet

Aparato de dilatación tipo F

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IV - 9 ) SOLDADURA DE RIELES Como ya se mencionó anteriormente, las juntas constituyen los puntos más débiles de la vía, por lo cual su eliminación parcial o total resulta beneficiosa, ya que disminuye la resistencia a la rodadura, por lo tanto disminuir el número de juntas representa un ahorro energético en la explotación y además disminuyen los costos de mantenimiento (por intervenciones en las juntas: reapretado de bulones, suplemento de eclisas, etc.). Para reducir el número de juntas, se deben soldar los extremos de las barras cortas, constituyendo así barras de mayor longitud. La soldabilidad de un acero se define como la aptitud para conservar sus características iniciales en las partes afectadas, metalúrgica o técnicamente , por la operación de soldadura. Se tienen dos tipos fundamentales de acero, los aceros para rieles normales y los aceros “Hadfield” (con 12 a 14 % de manganeso y 1 a 1,4 de carbono), este último, tipo de aceros requiere para ser soldado condiciones especiales en taller mediante procesos delicados y mucho más costosos que para la soldadura de aceros normales. Por otra parte, el procedimiento de soldadura debe ser tal que no modifique la estructura del acero deseado, ya que si existieran alteraciones en el proceso de soldadura podría provocar la formación de estructuras frágiles (del tipo martensítico) en las zonas del riel adyacentes a la soldadura. Cuando se sueldan rieles, debe evitarse que se originen fisuras o roturas por tensiones provocadas durante el proceso de la soldadura. Los procedimientos de soldadura se clasifican en dos grandes categorías: Soldadura con aportación de metal (soldadura aluminotermica). Soldadura sin aportación de metal (soldadura eléctrica). Soldadura aluminotérmica: Este tipo de soldadura tiene la ventaja que se puede ejecutar in situ. Consiste en colocar moldes de material refractario en los extremos de los rieles que se quieren soldar, encima del molde se coloca un crisol en el cual se deposita la porción aluminotermica (óxido de hierro y aluminio), luego se introduce una bengala que produce una fuerte reacción exotérmica, el hierro fundido es vertido en el molde y el óxido de aluminio queda en la parte superior en forma de escoria (corindón) que se elimina después con el desmoldeo. Las reacciones químicas que se producen dependen del óxido de hierro que se utilice y responden a las siguientes fórmulas: Fe2O3 + 2.Al → Al2O3 + 2.Fe + calor 3Fe3O4 + 8.Al → 4Al2O3 + 9.Fe + calor La gran cantidad de calor que se produce en la reacción exotérmica (la temperatura de la colada es de 1980 ºC) sirve para mantener fundido el hierro y el corindón que se separan por decantación. La mezcla aluminotérmica también tiene otros componentes (carbono, manganeso, sílice, etc.) para que la composición corresponda con el acero que constituyen los rieles. El tiempo que insume cada soldadura es de 20 a 30 minutos. La operación de soldadura aluminotérmica consta de las siguientes fases: 1) Establecer la separación necesaria (para permitir el material de aporte) entre los extremos de ambos rieles a soldar mediante una cuña o “galga” (de 1,5 a 2 cm.).

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2) Preparar previamente la junta (alinear y nivelar los extremos de los rieles a soldar). 3) Colocación de los moldes refractarios y sellado de las uniones mediante masilla refractaria, los moldes se deben fijar a la riel mediante la “prensa aprieta-molde” 4) Precalentamiento de los extremos de los rieles (de 850 a 950º C), para ello se utilizan calentadores de gasolina o de propano. 5) Colocación del crisol en su soporte y posicionamiento del mismo encima de la junta a soldar. 6) Vertido de la porción aluminotérmica dentro del crisol. 7) Ignición de la mezcla aluminotermica, mediante una bengala. 8) Colada, la “carga aluminotérmica comienza la reacción exotérmica y cuando alcanza la fusión total de la mezcla, se vierte en forma automática por la parte inferior del crisol. Los crisoles metálicos se deben limpiar cada cierto tiempo para no introducir impurezas en la soldadura. Para evitar estos inconvenientes actualmente se ha introducido el uso de crisoles desechables, construidos en material refractario, su uso resulta más fácil y rápido ya que el desmoldeo es automático y no se necesitan elementos de soportes de crisol. 9) Unos minutos después de finalizar la colada se quitan los moldes, se procede al rebarbado mediante cortamazarotas. 10) Finalmente (una vez fría y rebarbada) se esmerila la soldadura para darle el perfil de la cabeza del riel. Fases de la soldadura aluminotérmica

Alineación y nivelación de los extremos de los rieles a soldar

Colocación del kit dentro del crisol

El riel luego del desbastado

Colocación de los moldes

Sellado de los moldes

Colada

Desbarbado con “cortamazarotas”

Esmerilado

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Comprobación final

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Soldadura eléctrica: Las soldaduras eléctricas pueden ser, por resistencia o por arco. En ambos casos, la soldadura comprende dos fases: una de calentamiento eléctrico y otra de forjado. Generalmente se realizan en taller, aunque existen máquinas para soldar eléctricamente los rieles in situ, los tipos de soldadura eléctrica se describen a continuación. 1) Por resistencia (Flash Butt): Se ponen en contacto los extremos de las dos barras de rieles a soldar, y se someten al calentamiento (por efecto Joule), haciendo pasar entre ambos una corriente eléctrica de pequeño voltaje (5 a 8 voltios) pero de fuerte intensidad (35.000 amperios). La corriente se transmite a los rieles a través de unas mordazas que tiene la máquina de soldar y que además proporciona la presión de contacto necesaria. Se producen una serie de chispas como consecuencia del contacto imperfecto entre las caras extremas de ambos rieles, cuando la temperatura es de 600 a 800 ºC, se juntan y separan los extremos durante intervalos predeterminados. Cuando se alcanza la temperatura adecuada (1000 a 1500 ºC), se juntan los extremos de ambas barras por compresión, aplicando una fuerza longitudinal de 40 a 50 toneladas, se produce el acortamiento de ambos rieles y se forma un cordón de soldadura en la unión de ambos rieles. Para una correcta soldadura los extremos de las barras a soldar, deben estar perfectamente cortadas uniformemente y paralelas entre sí para garantizar un contacto suficiente. Tiene como inconveniente el elevado gasto de energía. 2) Por arco (chisporroteo continuo): Al igual que en el caso anterior, se comienza produciendo el calentamiento por efecto Joule al hacer circular una corriente de bajo voltaje y alta intensidad a través de los dos rieles puestos sus extremos en contacto. A continuación se hace pasar una corriente de alto voltaje y baja intensidad, realizando movimientos alternativos de aproximación y separación de los extremos de ambos rieles, formando así arcos voltaicos que generan gran cantidad de calor, dando lugar a la fusión del metal de los extremos de los rieles a soldar. El contacto de los extremos a soldar se localiza en sus propias rugosidades, por lo que la corriente eléctrica se concentra en esos puntos que se calientan más intensamente y el metal alcanza su temperatura de fusión y los puntos de contacto saltan en haces de chispas. En cada acercamiento de las piezas, provoca nuevos contactos y el proceso se repite. Al cabo de cierto tiempo toda la superficie de contacto llega a la fusión y produce la soldadura por el contacto de ambas piezas. Los vapores metálicos que se desprenden durante la fusión impiden el acceso de aire a la soldadura y por lo tanto no hay oxidación. Este procedimiento consume menos energía que el anterior y requiere menor preparación de las piezas a soldar. 3) Por calentamiento mixto: Este sistema es una combinación de los dos anteriores. Hay una primera fase de calentamiento en la que las piezas a soldar avanzan y retroceden varias veces. Posteriormente, cuando la temperatura es de 600 a 800 ºC, se juntan y separan los extremos durante intervalos predeterminados (de 2 a 3 segundos), durante los cuales las piezas se calientan por efecto “Joule”. A este proceso se añade un cierto efecto de chisporroteo en los momentos de contacto y separación de las piezas (como consecuencia del contacto imperfecto entre las caras extremas de ambos rieles),

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Cuando se alcanza suficiente temperatura (1500 ºC) se establece la fase de chisporroteo propiamente dicho, durante la cual los extremos de las barras se sueldan por compresión. En esta última etapa, se asegura la unión íntima de las piezas y expulsa durante la soldadura las partes líquidas y los óxidos (cuyas temperaturas de fusión son inferiores a las del acero). La calidad de la soldadura obtenida por este procedimiento es superior a la obtenida en los descritos anteriormente. 4) Por inducción: Los extremos de los rieles a soldar se calientan a unos 1370 ºC mediante un inductor de corriente a una frecuencia de 3000 Hz. Luego se realiza el contacto de los mismos por compresión. El proceso de fabricación de barras largas mediante soldadura eléctrica se puede esquematizar de la siguiente manera: 1) Entrada de las barras cortas al taller y acopio de las mismas. 2) En el momento de soldar, son transportadas sobre rodillos para su preparación previa. 3) Limpieza y enderezado de los extremos de los barras a soldar. 4) Posicionado en la máquina de soldar. 5) Soldadura propiamente dicha. 6) Rebarbado en caliente. 7) Enfriamiento de la barra larga soldada. 8) Esmerilado. 9) Enderezado 10) Inspección ultrasónica Fases de la soldadura eléctrica en taller

Entrada de la barra corta

Máquina de soldar

Enfriamiento de la barra soldada

Máquina de esmerilar

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