Estudio del efecto mecánico de los taladros para engrase en cabeza de carril

Abstract

El metro es actualmente uno de los medios de transporte más utilizados en todo el mundo. Se trata de un sistema público, rápido y subterráneo, que cada día emplean miles de personas, especialmente en grandes ciudades y capitales. Gracias a su uso, se consigue reducir notablemente el tráfico en superficie, lo que no solo mejora la movilidad urbana, sino que también disminuye significativamente la contaminación, al reducir la dependencia del vehículo privado. Además, permite a los usuarios planificar sus desplazamientos de forma más precisa y confiable. Por estas razones, contar con un sistema de metro es un objetivo deseable para cualquier ciudad de gran tamaño. No obstante, a pesar de la satisfacción general de la mayoría de los usuarios, existe una minoría que manifiesta ciertas quejas, especialmente relacionadas con el ruido agudo y las vibraciones que genera el paso de los trenes en determinados tramos de la vía. Este fenómeno es relativamente común y suele estar asociado a factores como la fricción entre rueda y riel, el estado de la vía, y en particular, la falta de lubricación o el desgaste de los componentes metálicos. Entre las principales causas del chirrido destacan las curvas cerradas, donde las ruedas metálicas deben deslizar sobre los rieles, generando un sonido estridente. Además, condiciones como la humedad, el polvo o la suciedad alteran la fricción entre los materiales. Pero uno de los factores más relevantes y directamente relacionado con este trabajo es el desgaste irregular de las ruedas y los rieles, así como la insuficiente lubricación. Para mitigar estos efectos, en determinadas zonas del trazado, especialmente en curvas, se han instalado sistemas de lubricación automática que reducen la fricción y, con ello, el molesto ruido. Uno de estos sistemas consiste en realizar taladros inclinados en el carril, por donde un operario, durante las horas en que el metro no está en funcionamiento, aplica un lubricante. Este lubricante es recogido por la pestaña de la rueda al pasar, disminuyendo la fricción y eliminando el chirrido. Aunque esta medida ha mostrado buenos resultados en la reducción del ruido, no se conoce con certeza el impacto que tiene el taladrado en el comportamiento mecánico del carril y su vida útil a fatiga. La fatiga es uno de los fenómenos más peligrosos en la ingeniería de materiales, ya que puede producir fallos inesperados tras muchos ciclos de carga, incluso cuando las tensiones aplicadas son moderadas. Por ello, es esencial estudiar su efecto en los carriles modificados. Este trabajo se centra en analizar cómo influye el sistema de lubricación mediante taladros en la resistencia a fatiga de los carriles del metro. Para ello, se dispone de ocho carriles perforados, uno de ellos retirado directamente de la vía. Estos serán sometidos a distintos ensayos para evaluar su comportamiento. En primer lugar, se realizó una inspección visual y estructural para descartar la presencia de defectos iniciales. Posteriormente, se buscó determinar qué cargas son admisibles y cuál es la posición más crítica del taladro en cuanto a esfuerzos. Para ello, se llevaron a cabo dos ensayos Locati, los cuales permitieron identificar la zona del carril más solicitada bajo carga. Una vez determinada esta posición crítica, se procedió con una serie de ensayos de fatiga monótona a diferentes niveles de carga sobre los carriles restantes, con el objetivo de determinar la curva de Wöhler y evaluar la existencia de una posible vida infinita bajo ciertas condiciones de carga (es decir, resistencia a un número elevado de ciclos sin fallo). En este proceso, se rompieron seis carriles como parte del análisis experimental. Tras estos ensayos, se examinaron las superficies de fractura mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) para identificar características microestructurales, posibles defectos o zonas de iniciación de la fatiga. A continuación, se realizaron ensayos de dureza para confirmar la correspondencia entre la microestructura observada y las propiedades mecánicas. Con esto, se dio por finalizada la fase experimental. Paralelamente, se desarrolló un modelo de elementos finitos del carril, sobre el que se aplicaron las mismas condiciones de carga que en los ensayos físicos. Este modelo permite además simular diferentes configuraciones del taladro, facilitando un análisis más completo de los efectos mecánicos de la modificación. Finalmente, se presentan en el trabajo varias alternativas al sistema de lubricación actual, evaluando sus ventajas e inconvenientes, y se concluye con una reflexión sobre la viabilidad y seguridad del sistema actual basado en el taladrado del carril.

The metro is currently one of the most widely used means of transportation worldwide. It is a fast, underground, and public transport system that serves thousands of people every day, especially in large cities and capitals. Its use significantly reduces surface traffic, which not only improves urban mobility but also considerably decreases pollution by reducing reliance on private vehicles. Additionally, it allows passengers to better plan their journeys with more reliable travel times. For these reasons, having a metro system is a desirable goal for any large city. However, despite the general satisfaction among most users, there is a minority who express concerns, particularly regarding the high-pitched noise and vibrations generated as the trains pass through certain sections of the track. This phenomenon is relatively common and is generally linked to factors such as wheel-rail friction, the condition of the track, and especially the lack of lubrication or material wear. Key causes of the screeching sound include tight curves, where metal wheels must slide against metal rails, producing the characteristic noise. Environmental conditions such as humidity, dust, or dirt can also alter the friction between components. However, one of the most critical factors — and the focus of this study — is the irregular wear of the rails and wheels, often exacerbated by insufficient lubrication. To address this issue, automatic lubrication systems have been implemented in certain track areas, particularly in curves, to reduce friction and thus mitigate the noise. One such system involves drilling angled holes into the rail, through which a technician applies lubricant during off-service hours. As the train passes, its flanges pick up the lubricant, significantly reducing friction and noise. Although this solution has shown promising results, it remains unclear how such drilling affects the mechanical behavior and fatigue life of the rail. Fatigue is one of the most dangerous phenomena in material engineering, as it can cause sudden failures after repeated load cycles, even under moderate stress levels. Therefore, understanding its effects in modified rails is crucial. This study aims to analyze the impact of this lubrication system on the fatigue behavior of metro rails. A total of eight drilled rails are available for testing, one of which was taken directly from the track. These rails were subjected to a variety of tests to assess their mechanical performance. Initially, a visual and structural inspection was conducted to rule out any defects. Next, the study aimed to determine the allowable load levels and identify the most critical position of the drilled hole in terms of stress. To achieve this, two Locati tests were performed, which helped pinpoint the area of the rail most affected by loading. Once the critical position was identified, a series of monotonic fatigue tests were carried out at different stress levels on the remaining rails. The goal was to determine the Wöhler curve and assess the possibility of an infinite life under specific loading conditions (i.e., surviving a high number of cycles without failure). As part of this process, six rails were intentionally fractured during fatigue testing. Following the tests, the fracture surfaces were examined using scanning electron microscopy (SEM) to detect any microstructural anomalies or fatigue initiation zones. To complement this analysis, hardness tests were performed to verify the consistency of the microstructural findings. With this, the experimental phase was concluded. In parallel, a finite element model of the rail was developed, simulating the same loading conditions observed in the physical tests. This model also enables the simulation of different drilling configurations, offering valuable insight into their mechanical impact. Finally, the study presents several alternative lubrication systems, discussing their respective advantages and drawbacks, and concludes with a comprehensive evaluation of the current drilled-rail system’s effectiveness and safety.