¿De qué están hechas las vías del ferrocarril? Explicación del acero, las traviesas y el balasto.

Una vía férrea no se compone de un solo material, sino de cuatro que trabajan en conjunto: rieles de acero que soportan y guían las ruedas, traviesas que mantienen los rieles en la anchura correcta y distribuyen la carga, balasto o una losa de hormigón que soporta todo el conjunto y drena el agua, y fijaciones que sujetan el riel a la traviesa y resisten todas las fuerzas laterales y longitudinales que aplica el tren. Esta guía explica de qué está hecho cada componente, qué tipos de acero y materiales se utilizan y por qué, y cómo la elección de estos materiales determina el régimen de mantenimiento que necesita la vía.

¿De qué están hechas las vías del ferrocarril?: Los cuatro componentes de una estructura de vía.

Todas las vías férreas convencionales, desde un ramal minero hasta una línea principal de 350 km/h, se construyen a partir de los mismos cuatro elementos. Lo que varía entre ellas es la especificación de cada elemento, no el principio.

• - Riel : acero laminado en caliente, generalmente de grado perlítico de carbono-manganeso, con la conocida sección en I que consta de cabeza, alma y pie. La cabeza soporta la carga de la rueda; el pie la distribuye sobre la traviesa.
• - Traviesas o durmientes : elementos transversales que mantienen los dos rieles con el ancho de vía correcto y transfieren la carga al balasto. Se siguen utilizando versiones de madera, hormigón, acero y materiales compuestos.
• - Balasto o losa : la capa de soporte. La vía con balasto utiliza piedra triturada clasificada; la vía sin balasto utiliza una losa de hormigón o asfalto con una base estabilizada debajo.
• - Elementos de fijación : las grapas elásticas, las placas base, los pernos y los aisladores que sujetan la base del riel a la traviesa e impiden que el conjunto se mueva bajo el tráfico.

Por encima de esos cuatro se encuentra el perfil del riel: la sección transversal precisa de la cabeza del riel sobre la que ruedan las ruedas. Es importante separar desde el principio la cuestión del material de la de la geometría, ya que las decisiones de mantenimiento dependen de ambas, y el rectificado es la operación que gestiona la geometría, mientras que los materiales establecen los límites.

¿De qué están hechos los rieles de ferrocarril?: Tipos de acero y dureza de la cabeza.

El acero para raíles es un acero perlítico con alto contenido de carbono y manganeso, laminado en caliente hasta obtener una sección específica y, posteriormente, en los grados utilizados en líneas exigentes, tratado térmicamente para endurecer la superficie de rodadura manteniendo al mismo tiempo un núcleo lo suficientemente resistente como para absorber los impactos.

La mayoría de las aplicaciones ferroviarias chinas se basan en tres grados, y las diferencias entre ellos son las que importan desde el punto de vista operativo:

• - U71Mn : el grado de uso general utilizado en gran parte de la red convencional. Un buen equilibrio entre resistencia, dureza y soldabilidad.
• - U75V : un grado con mayor contenido de carbono y mayor dureza, utilizado cuando el desgaste en la cabeza del riel justifica un material más duro.
• - U78CrV : una aleación de cromo-vanadio resistente al desgaste, desarrollada para el transporte pesado, donde las cargas por eje de 25 toneladas o más hacen que el desgaste de la cabeza del riel y la deformación plástica sean el factor limitante de la vida útil del riel.

Además de la pendiente, otras dos propiedades determinan cómo se comporta un raíl en servicio:

• - Dureza de la cabeza : resistencia de la superficie de rodadura al desgaste y a la deformación plástica. Las cargas por eje más pesadas exigen rieles más duros y con la cabeza endurecida.
• - Limpieza : el nivel de inclusiones y defectos internos que quedan tras el proceso de fabricación del acero. Un acero limpio evita que un riel desarrolle defectos internos que ningún rectificado superficial puede eliminar.

El marco de especificaciones para rieles en China proviene de la norma TB/T 2344.1—2020, que abarca secciones de riel de 43 kg/m a 75 kg/m. El uso del riel en sí se rige por la norma Q/CR 583. En líneas de alta velocidad y de gran tonelaje, la tendencia práctica ha sido hacia un endurecimiento más profundo de la cabeza del riel y un acero más limpio, ya que ambos se traducen directamente en intervalos más largos entre intervenciones de mantenimiento.

Peso y perfil del raíl: 50, 60 y 75 kg/m de vía

El raíl se especifica por su masa por metro, y ese único número indica mucho sobre la carga que se espera que soporte la vía.

• - 50 kg/m — Vía antigua y de servicio ligero. Aún se puede usar en líneas de poco tráfico, pero ya no es apropiada para rutas concurridas.
• - 60 kg/m : el estándar de trabajo para las líneas principales. Se prevé que las nuevas construcciones utilicen rieles soldados continuamente de 60 kg/m, excepto en las vías de seguridad, y los rieles más ligeros en las vías secundarias pueden reemplazarse con rieles usados de 60 kg/m en lugar de rieles nuevos de 50 kg/m.
• - 75 kg/m — aplicaciones de transporte pesado y alta velocidad donde se necesita mayor profundidad de sección y rigidez para controlar la tensión de flexión y el desgaste.

Existe una razón de mantenimiento detrás del cambio de 50 kg/m que a menudo pasa desapercibida. Las bandas de rodadura de las ruedas en servicio están diseñadas para el perfil del riel 60N. Si esas ruedas se utilizan sobre un cabezal de riel más ligero y de forma diferente, el punto de contacto se ubica en el lugar incorrecto, lo que produce un desgaste anormal del cabezal del riel y un borde denso en el lado de la vía. En otras palabras, un perfil de riel que ya no coincide con el conjunto de ruedas genera sus propios defectos, y corregirlo se convierte en una restauración del perfil en lugar de una sustitución del riel.

¿De qué están hechas las traviesas de ferrocarril?: Madera, hormigón, acero y materiales compuestos.

La traviesa es el componente que con mayor frecuencia se da por sentado, y aquel cuya elección de material tiene el mayor efecto en la estabilidad que siente una vía bajo carga.

• - Madera : históricamente universal, todavía se usa en lugares de poco tránsito y especializados. Fácil de trabajar y aislante eléctrico, pero se pudre, se agrieta y tiene una vida útil limitada bajo cargas pesadas.
• - Hormigón : el material predominante en la construcción ferroviaria moderna. Las traviesas de hormigón pretensado mantienen la geometría de la vía y el ancho de vía mucho mejor que la madera bajo cargas repetidas, razón por la cual las líneas principales y las vías de recepción utilizan los tipos más resistentes disponibles. Las traviesas de hormigón se especifican en la norma GB/T 37330, las traviesas de desvío de hormigón en la TB/T 3080 y las traviesas elásticas de hormigón en la TB/T 2629.
• - Acero : se utiliza cuando se necesita que una unión sea delgada, fuerte y resistente a los impactos, y en lugares donde el hormigón no es práctico.
• - Materiales compuestos : las bridas de polímero de ingeniería son una opción especializada para lugares donde el aislamiento eléctrico, la resistencia química o el bajo peso son más importantes que el costo inicial.

La separación y el tipo de traviesa también se especifican según la clase de línea. En los ferrocarriles chinos, los tipos de traviesas más pesadas (tipo III y tipo N) se utilizan en las líneas principales y en las vías de recepción y salida, mientras que los tipos más ligeros se especifican para las líneas secundarias, y se requieren tipos especiales en curvas de radio reducido y en tramos de circuito de vía donde se necesitan traviesas aisladas.

Lastre: La capa de piedra triturada y su función real.

El balasto es piedra triturada clasificada —generalmente granito, basalto o caliza, a veces escoria— que se coloca y compacta debajo de las traviesas. No se trata de escombros cualquiera: la forma, la granulometría y la resistencia de las partículas deben cumplir con las especificaciones, reguladas en China por la norma TB/T 2140.

Realiza cuatro funciones a la vez:

• - Distribución de la carga : repartir la carga concentrada bajo cada traviesa sobre una superficie mayor de la formación.
• - Drenaje : los huecos entre las piedras actúan como canales que alejan el agua de las traviesas y de la formación, lo que evita que la base de la vía se ablande.
• - Corrección geométrica : dado que el balasto se puede compactar, la vía se puede levantar, nivelar y alinear sin necesidad de reconstruir la estructura.
• - Amortiguación de vibraciones y ruido : la capa granular absorbe parte de la energía dinámica que un tren al pasar transmite a la vía.

El balasto también se degrada, y esa es la consecuencia del mantenimiento. Los finos procedentes de la abrasión de las traviesas, la carga derramada y el polvo llenan los huecos, el drenaje se ralentiza y el balasto deja de mantener la geometría en la que fue compactado. La limpieza, el cribado y la reposición se convierten en parte de la rutina, y la capa se consume gradualmente. La disyuntiva entre la vía con balasto y la vía sin balasto, y por qué las líneas de alta velocidad normalmente utilizan vía sobre losa, se trata con más detalle en nuestro artículo sobre por qué las vías convencionales tienen piedra triturada debajo y las líneas de alta velocidad no .

Sujeciones y uniones: ¿Qué mantiene unida la vía?

Los elementos de fijación son los pequeños componentes de acero que convierten cuatro materiales distintos en una sola estructura. Sujetan la base del riel contra la traviesa, mantienen el ancho de vía correcto bajo carga lateral y proporcionan el aislamiento eléctrico del que dependen los circuitos de la vía.

Los principales sistemas de fijación chinos son las familias de clips elásticos: clips de tipo I según la norma TB/T 1495, de tipo II según la TB/T 3065 y de tipo III según la TB/T 3570. Los tipos más robustos se utilizan donde las cargas laterales son mayores. Las placas base, las almohadillas, los aisladores, los conjuntos de pernos y los dispositivos antiaflojamiento completan el conjunto.

Dos aspectos sobre los sistemas de fijación suelen aprenderse a la fuerza:

• La corrosión es el principal modo de fallo. A medida que se prolongan los ciclos de mantenimiento, la durabilidad de las fijaciones se ha convertido en un problema reconocido, sobre todo en entornos húmedos o corrosivos donde los componentes convencionales se oxidan y pierden su fuerza de sujeción. Los componentes y abrazaderas de acero con una resistencia a la corrosión específica, así como las tuercas recubiertas en túneles y líneas de carga a granel, son la solución habitual.
• Las conexiones atornilladas requieren medidas de seguridad que impidan que se aflojen. Se especifican tuercas antiaflojamiento, contratuercas y pasadores de chaveta para ubicaciones críticas, y se espera que las juntas aisladas utilicen clips aislantes recubiertos en lugar de clips simples.

Si el sistema de fijación falla, el problema no se manifiesta en la fijación misma, sino como variación del ancho de vía, inclinación del riel, impactos en las juntas y, finalmente, defectos en la cabeza del riel que se deben a una estructura de vía que se movía cuando debería haber permanecido inmóvil.

¿De qué están hechas las vías férreas en los diferentes tipos de ferrocarril: de carga, de alta velocidad y de tránsito?

Los cuatro componentes permanecen iguales, pero las especificaciones cambian drásticamente según el tráfico que soporta la línea. Por eso, la misma expresión —vía férrea— describe estructuras muy diferentes.

• Transporte de cargas pesadas : raíles profundos y robustos de la clase 75 kg/m en curvas y tramos de gran tonelaje, aleaciones resistentes al desgaste, traviesas de los tipos más pesados, fijaciones de alta fuerza de sujeción y balasto profundo. Todo está dimensionado para la carga por eje y la deformación plástica que de ella se deriva.
• - Tren de pasajeros de alta velocidad : carril soldado continuo de 60 kg/m con perfil estrictamente controlado, fijaciones de gran precisión y, en la mayoría de los nuevos trazados, vía sobre losa sin balasto en lugar de balasto. La prioridad es la precisión geométrica y la estabilidad a largo plazo, no la capacidad de carga máxima.
• - Tráfico mixto convencional : riel de 60 kg/m en el caso estándar, traviesas de hormigón, balasto convencional y un programa de mantenimiento que debe atender tanto la comodidad de los pasajeros como el tonelaje de carga en el mismo trazado.
• - Metro y tren ligero : principios similares en un espacio mucho más reducido, con curvas cerradas , gálibos limitados y un fuerte énfasis en el control del ruido y las vibraciones.

Cómo los materiales de la vía determinan el régimen de mantenimiento

Esta es la parte que importa comercialmente. Los materiales de una vía determinan qué defectos producirá, con qué rapidez se desarrollan y qué se puede hacer al respecto.

Los defectos en la cabeza del riel —corrugación, agrietamiento en escamas de pez, descamación, borde graso, desgaste lateral, aplastamiento— representan la gran mayoría de los defectos que se encuentran en los rieles en servicio. El defecto predominante depende del material y del uso: las líneas de alta velocidad tienden a presentar agrietamiento por fatiga de contacto, las líneas de carga pesada presentan aplastamiento y borde graso, y el transporte urbano en curvas de menos de 1000 m de radio presenta desgaste lateral y corrugación.

Tres hechos materiales determinan la respuesta de mantenimiento:

• Un riel solo se puede rectificar hasta cierto punto. El rectificado elimina metal del riel base, y la tolerancia permitida es finita; según la práctica de aceptación china, es de aproximadamente 0,5 mm de metal base. Si los defectos superan la tolerancia de rectificado, se opta por reemplazar el riel.
• - La coincidencia de perfiles es un parámetro de mantenimiento, no un detalle de construcción. Un perfil de riel que ya no coincide con el de las ruedas concentra el contacto donde no debería, lo que genera desgaste irregular en los bordes y en la cabeza del riel. La medición de dicho desgaste y la decisión de rectificar o reemplazar que se deriva de ello se detallan en nuestra guía sobre la medición del desgaste de los rieles y cuándo rectificar o reemplazar .
• Algunos defectos no se pueden corregir mediante rectificado. Los defectos transversales, las grietas profundas y la pérdida de sección que excede los límites requieren la sustitución de la pieza. Las familias de defectos y sus límites de tratamiento se catalogan en nuestro artículo sobre tipos de defectos en raíles y soluciones de reparación .

Por lo tanto, la secuencia práctica para cualquier vía es la misma: medir el perfil y el estado de la superficie, determinar si el defecto se encuentra dentro del margen de rectificado, rectificar para restaurar el perfil deseado y verificar el resultado con respecto a criterios de aceptación medibles: planitud dentro de 0,3 mm bajo una regla de un metro, rugosidad dentro de 10 µm, ausencia de banda azul continua y una rampa longitudinal en la transición. La operación en sí, y cómo una pasada de rectificado elimina metal, se explica en nuestra guía de rectificado de rieles .

Adaptación de los materiales al trabajo: El papel de RailwayCare

RailwayCare (Wuhan Huatie Ruijie Rail Transit Technology Co., Ltd.) se dedica al mantenimiento de la estructura de la vía: rectificado y restauración del perfil de los rieles, inspección, corte y soldadura, así como los consumibles y la maquinaria necesarios para realizar estas operaciones. Las muelas abrasivas Molaton se fabrican a un ritmo de 500 000 unidades anuales y se suministran para trenes de rectificado, rectificadoras de desvíos y máquinas portátiles, lo que significa que la muela se adapta a la máquina y al tipo de riel, en lugar de basarse en una entrada de catálogo.

Si necesita mantenimiento para una estructura de vía específica (un corredor de transporte pesado, un trazado de alta velocidad, una curva de metro o una playa de vías), envíenos la pendiente del carril, el peso del carril, la disposición de las traviesas y el balasto, y el patrón de defectos que observa. Le enviaremos una propuesta de rectificado e inspección personalizada. El conjunto completo de equipos se encuentra en la sección de soluciones de mantenimiento ferroviario , y las herramientas se describen en la sección de herramientas de mantenimiento ferroviario .

Las siguientes preguntas son las que surgen con mayor frecuencia cuando la gente observa por primera vez de qué materiales está hecha una pista.

¿Cuáles son las tres partes principales de una vía férrea?

Vías, traviesas y balasto: los elementos de fijación constituyen el cuarto componente que los convierte en una sola estructura. Las vías guían y soportan las ruedas, las traviesas mantienen las vías en la anchura de vía correcta y distribuyen la carga, y el balasto soporta y drena todo el conjunto. En las vías sin balasto, este se sustituye por una losa de hormigón o asfalto.

¿Por qué el acero para raíles es diferente del acero estructural ordinario?

Porque debe cumplir una función diferente. El acero para raíles es un acero perlítico con alto contenido de carbono y manganeso, diseñado para resistir el desgaste y la deformación plástica bajo presiones de contacto muy elevadas, a la vez que es lo suficientemente resistente para absorber impactos y soldable en obra. El acero estructural está optimizado para ofrecer resistencia y rigidez en aplicaciones estáticas, lo que implica requisitos distintos.

¿Qué tipo de raíl se utiliza para el transporte de cargas pesadas?

En las zonas con mayores cargas por eje, se utiliza una aleación resistente al desgaste, como la U78CrV, junto con rieles con cabeza endurecida. El objetivo es resistir tanto el desgaste como la deformación plástica, que son los dos mecanismos que limitan la vida útil del riel bajo cargas pesadas.

¿Los ferrocarriles modernos todavía utilizan traviesas de madera?

Sí, pero de forma selectiva. Las traviesas de hormigón pretensado predominan en la construcción moderna de líneas principales porque mantienen la anchura y la geometría mucho mejor bajo cargas repetidas. Las traviesas de madera se siguen utilizando en líneas de bajo tráfico y en lugares especializados donde su facilidad de manipulación o sus propiedades eléctricas resultan ventajosas.

¿De qué está hecho el balasto?

Piedra triturada clasificada —generalmente granito, basalto o caliza, y a veces escoria— colocada y compactada bajo las traviesas. Se especifican la forma, la granulometría y la resistencia de las partículas, y debe drenar, distribuir la carga y ser apisonable, lo que la diferencia de cualquier otra roca triturada.

¿Por qué es importante el material de la vía para el rectificado de raíles?

Porque el material determina los defectos y los límites. El grado del riel y la dureza de la cabeza determinan la velocidad de desgaste y la deformación de la misma, y el margen de eliminación de metal base permitido decide si se puede rectificar un defecto o si es necesario reemplazar el riel. La medición del desgaste y la decisión de rectificar o reemplazar constituyen el primer paso en cada ciclo de mantenimiento.

Habla con RailwayCare

RailwayCare suministra muelas abrasivas para rieles, equipos de inspección y medición de rieles, sistemas de corte y soldadura de rieles y máquinas rectificadoras, y brinda asistencia a los operadores de vías con la planificación del mantenimiento y la capacitación del personal. Si desea una segunda opinión sobre el programa de mantenimiento para una estructura de vía específica, envíenos el tipo de riel, el volumen de tráfico y el patrón de defectos que observa, y nuestros ingenieros le enviarán una propuesta personalizada.

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