miércoles, 27 de diciembre de 2023 · 0 min read
¿Cómo lo hicieron? Probando el tren más rápido del mundo
El Tren Maglev de Shanghai, también conocido como Shanghai Transrapid, es un tren maglev (levitación magnética). Fue desarrollado en Alemania para su uso en China por Transrapid International. Es una empresa conjunta de Siemens y ThyssenKrupp, dos importantes empresas de ingeniería alemanas. Se están desarrollando trenes más rápidos, pero en el momento de escribir este artículo, con una velocidad operativa máxima de 431 km/h (268 mph), el Shanghai Transrapid es actualmente el tren operado comercialmente más rápido del mundo.
Desde paro total, el Shanghai Transrapid, tarda sólo cuatro minutos en alcanzar su velocidad máxima. Fue diseñado para conectar el aeropuerto de Shanghai Pudong con la estación de intercambio de Longyang Road, a 30,5 km (18,9 millas) de distancia. Sorprendentemente, cubre esta distancia en unos ocho minutos.
Datos básicos del transrapid de Shanghai
Tipo: Transrapid SMT (basado en el TR 08 alemán)
Trenes en servicio: 3
Coches/vagones por tren: 6
Longitud total: 153,6 m (504 pies)
Ancho: 3,7 m (12,14 pies)
Altura: 4,2 m (13,78 pies)
Máx. Velocidad autorizada: 505 km/h (314 mph)
Capacidad de pasajeros: 574 (Tramo final - ES - 1.ª clase: 56; Sección media - MS - 2.ª clase: 110; Tramo final - ES - 2.ª clase: 78)
¿Cuáles son los trenes más rápidos de la Tierra?
Los pasajeros pueden viajar comercialmente en estos demonios ferroviarios de alta velocidad en Asia, Europa, Medio Oriente y el norte de África:
| Clasificación | Nombre | Máx. Vel. Tipica* | Ciudad |
|---|---|---|---|
| 1 | Shanghai Transrapid | 430 km/h (268 mph) | China |
| 2 | CR400 Fuxing Line | 350 km/h (217 mph) | China |
| 3 | ICE3 | 330 km/h (205 mph) | Alemania |
| 4 | E5 Bullet Trains | 320 km/h (199 mph) | Japón |
| 5 | TGV | 320 km/h (199 mph) | Francia |
| 6 | Al-Boraq | 320 km/h (199 mph) | Morocco |
| 7 | AVE | 310 km/h (193 mph) | España |
| 8 | KTX | 305 km/h (189 mph) | Corea del Sur |
| 9 | Shinkashen | 300 km/h (186 mph) | Japón |
| 10 | Frecciarossa | 300 km/h (186 mph) | Italia |
| 11 | Haramain | 300 km/h (186 mph) | Arabia Saudita |
¿Cómo funciona la levitación magnética?
Shanghai utiliza suspensión electromagnética (EMS) para levitación y propulsión. EMS utiliza la fuerza de atracción entre los electroimanes del vehículo y una vía conductora en la vía para levitar el tren y mantener una distancia constante mientras viaja a alta velocidad.
El tren está equipado con potentes electroimanes. Cuando una corriente eléctrica pasa a través de estos imanes, genera un campo magnético. La guía contiene un material conductor que interactúa con el campo magnético de los electroimanes del vehículo.
La interacción entre el campo magnético de los electroimanes y la pista conductora crea una fuerza de atracción que eleva el vehículo por encima de la pista. La altura del vehículo sobre la vía se puede controlar ajustando la cantidad de corriente que pasa a través de los electroimanes. La altura suele ser de aproximadamente 1 cm (~0,39 pulgadas).
Existe otro tipo de suspensión llamada Suspensión Electrodinámica (EDS), que utiliza la fuerza de repulsión entre los imanes del vehículo y los imanes de la vía para lograr la levitación. EDS requiere electroimanes superconductores superenfriados. Estos electroimanes son más caros de fabricar y mantener que los utilizados en los sistemas EMS, pero pueden seguir conduciendo electricidad incluso después de un corte de energía. Los trenes maglev de Japón se basan en EDS.
En comparación, EMS se basa en la fuerza de atracción entre electroimanes y una pista conductora, mientras que EDS utiliza la fuerza de repulsión entre imanes permanentes para lograr la levitación magnética. Al principio del proceso de desarrollo, se eligió EMS para el tren Maglev de Shanghai.
Los trenes EMS Maglev levitan gracias a electroimanes de polos similares instalados debajo del tren y en la parte inferior de la vía en forma de T sobre la que flota el tren. Los imanes se repelen entre sí, creando así un espacio entre ellos y permitiendo que el tren permanezca suspendido. aproximadamente 1 cm (~0,4 pulg.) por encima de la vía y mantiene el tren levitado incluso cuando no está en movimiento. Los imanes adicionales ubicados por todo el tren ayudan a mantenerlo estable durante el viaje.
Los trenes Maglev tienen menos piezas móviles que los trenes de ruedas convencionales, lo que supone menos ruido y mantenimiento, pero requieren la construcción de nuevas vías, lo que supone un gasto considerable. Según Wikipedia, los trenes Maglev, las vías elevadas y las estaciones de Shanghai cuestan 1.330 millones de dólares. De extremo a extremo, el sistema tiene una longitud de 30,5 kilómetros (19,0 millas), lo que supone un coste de 43,6 millones de dólares por kilómetro.
Un vídeo que muestra el tren Maglev de Shanghai partiendo de la estación.
¿Los trenes Maglev tienen ruedas?
Los trenes EMS Maglev tienen pequeñas ruedas auxiliares que permiten que el tren se mueva a lo largo de la vía cuando no está motorizado, pero el tren no rueda sobre ellas durante el funcionamiento normal.
Sin embargo, los trenes EDS maglev como los de Japón levitan más por encima de la vía que los trenes EMS. Los trenes EDS ruedan sobre estas ruedas hasta que los imanes superconductores de los bogies comienzan a interactuar con los imanes de la vía. Cuando un tren maglev EDS alcanza los 150 kph (93 mph), el campo magnético eleva el tren 10 cm (~4 pulgadas) por encima de la vía y las ruedas ya no están en contacto con la vía.
Una vez que no hay más contacto físico, la velocidad se puede aumentar drásticamente. Cuando la velocidad de un tren EDS disminuye, la carrocería desciende hasta que las ruedas vuelven a hacer contacto y el tren rueda sobre ellas mientras reduce la velocidad y se detiene.
Además, algunos trenes maglev están diseñados para desplegar estas ruedas auxiliares como un sistema de frenado mecánico para aumentar el sistema magnético si es necesario.
El proyecto Maglev de Shanghai
Shanghai Transrapid comenzó sus operaciones de rutina a finales de 2003. Sin embargo, fueron necesarios años de desarrollo y pruebas para alcanzar este hito.
Las empresas de ingeniería alemanas Siemens y ThyssenKrupp formaron en los años 1970 una empresa conjunta llamada Transrapid. Construyeron una serie de trenes maglev a lo largo de los años, que se utilizaron en todo el mundo, pero no eran típicamente trenes de alta velocidad.
El gobierno de China contrató a Transrapid para desarrollar un maglev de alta velocidad para conectar el aeropuerto de Shanghai Pudong con la estación de Longyang Road y así nació la línea de alta velocidad Shanghai Transrapid. Transrapid también estuvo a cargo de la integración y las pruebas del sistema, asegurando que los sistemas y subsistemas del tren funcionaran juntos a la perfección. Los trenes maglev tipo Transrapid 08 se construyeron en Alemania.
Construyendo la vía guía
Basándose en tecnología alemana y china, se diseñó y construyó una vía elevada específica en Shanghai. La vía guía proporciona la levitación magnética y la propulsión que requiere el tren. La guía requiere acero con baja permeabilidad magnética; de lo contrario, se pueden crear corrientes parásitas que consumen energía.
Además de los aspectos eléctricos, la vía-guía tuvo que construirse según especificaciones dimensionales precisas. La línea en sí es operada por SMTD Shanghai Maglev Transportation Development Co., Ltd.
En la ciudad china de Kassel se construyeron 18 tramos de vía y se montaron 124.000 estatores en la vía. ThyssenKrupp Transrapid construyó los devanados del motor que se instalaron dentro de los estatores.
Krupp Stahlbau Hannover fabricó y equipó ocho vigas de acero flexibles para los interruptores. Se subcontrataron unidades de control de interruptores y bobinados de motores. La vía-guía compuesta por vigas, subestructuras y cimientos fue construida por los chinos con el asesoramiento del consorcio alemán de vías-guía. Todo fue instalado en Shanghai por personal chino que trabajó bajo la dirección de Transrapid.
Probando el tren comercial más rápido del mundo
El Shanghai Transrapid fue sometido a pruebas exhaustivas antes de su puesta en servicio con pasajeros de pago. El programa de pruebas incluyó pruebas tanto de laboratorio como en pista.
Pruebas en túnel de viento
La aerodinámica es un área de estudio fundamental para todos los vehículos, desde automóviles y camiones hasta aviones, naves espaciales y trenes. Shanghai Transrapid fue probado en un túnel de viento para medir sus coeficientes de resistencia y sustentación, así como el efecto de los vientos cruzados.
Pruebas de ruido y vibración.
Como ocurre con cualquier vehículo, se realizaron pruebas para medir y mitigar los ruidos y vibraciones desagradables que genera el tren durante su funcionamiento. También es importante evaluar las vibraciones para garantizar que las frecuencias naturales de la estructura no se exciten hasta el punto de causar fallas mecánicas.
Se utilizan dos metodologías de prueba relacionadas pero fundamentalmente diferentes:
Pruebas NVH (ruido, vibración y aspereza) y
análisis modal.
Simulaciones de emergencia
Las pruebas de seguridad integrales implican la simulación de varios escenarios para evaluar la capacidad de respuesta de las características de seguridad. Se realizan pruebas de choque y simulaciones de emergencia para conocer el comportamiento del tren en condiciones extremas, garantizando que las medidas de seguridad sean efectivas para proteger a los pasajeros y minimizar los riesgos.
Pruebas de integración
La integración perfecta de varios subsistemas y componentes es crucial para la funcionalidad general de cada tipo de tren. Se realizaron pruebas de integración para verificar que todos los sistemas funcionaran de manera coherente. Durante este proceso se identifican y corrigen problemas de compatibilidad o funcionales.
Pruebas ambientales
Shanghai Transrapid opera principalmente al aire libre, en todo tipo de clima y temperaturas. Los vagones del tren fueron sometidos a pruebas ambientales y de temperatura extrema para garantizar su resistencia y longevidad. Esto incluyó evaluar la resistencia a las condiciones climáticas y el desgaste causado por elementos ambientales, así como la capacidad del sistema HVAC para proporcionar un ambiente confortable para los pasajeros.
Pruebas dinámicas
Después de una serie de pruebas a baja velocidad, se realizaron pruebas a alta velocidad en la misma vía para evaluar el rendimiento general del Shanghai Transrapid a velocidades operativas típicas. De particular interés fueron la aceleración y desaceleración. ¿A qué velocidad podría alcanzar su velocidad máxima de crucero y a qué velocidad podría desacelerar y detenerse de manera segura?
Una propulsión eficiente y un frenado fiable son componentes críticos de la funcionalidad de cada tren, especialmente de los muy rápidos. Las pruebas se centran en evaluar la aceleración, desaceleración y eficiencia general del sistema de propulsión.
La capacidad de un tren para aumentar y disminuir la velocidad bajo una amplia gama de cargas de pasajeros y condiciones operativas debe probarse con los modelos de ingeniería creados durante la fase de diseño y de acuerdo con las especificaciones operativas de la autoridad gobernante. La aceleración y la vibración se miden mediante acelerómetros, se muestran en tiempo real durante las pruebas y se almacenan digitalmente para su análisis fuera de línea.
Durante las pruebas, el Shanghai Transrapid fue llevado a 501 kph (311 MPH) para evaluar su desempeño en condiciones de velocidad extrema. Los datos de velocidad podrían obtenerse del propio tren, así como a través de sensores externos. Estas mediciones proporcionaron información crítica sobre los movimientos del tren en todas las condiciones.
Se realizaron pruebas operativas dinámicas para evaluar cómo Shanghai Transrapid manejaría curvas en las vías, vías irregulares o incluso cambios inesperados en el campo magnético de las vías. Se realizaron pruebas en la vía durante la operación utilizando instrumentos de medición y sensores para capturar estos resultados para la observación en línea, así como un análisis fuera de línea más profundo.
Las pruebas de frenos son una parte integral de las pruebas dinámicas. Se realizó toda la gama de pruebas de frenado de emergencia para garantizar que Shanghai Transrapid pudiera manejar tanto el frenado en operación normal como los eventos de frenado de emergencia. La capacidad de los vehículos ferroviarios para permanecer estables durante situaciones de emergencia es importante por razones obvias.
Pruebas de estabilidad
Uno de los aspectos fundamentales de la tecnología Maglev es su capacidad de levitar sobre la vía y mantener la estabilidad en los tres ejes. Los ingenieros realizaron pruebas exhaustivas para verificar que el sistema de levitación magnética pudiera contrarrestar eficazmente las fuerzas gravitacionales e inerciales, garantizando una conducción suave y estable. El rendimiento del sistema se probó bajo diversas cargas y velocidades.
Pruebas de fiabilidad y resistencia.
El Shanghai Maglev fue sometido a extensas pruebas estructurales, de confiabilidad y de resistencia. Simulando una operación a largo plazo, el tren funcionó continuamente durante períodos prolongados durante los cuales sus sistemas críticos fueron monitoreados continuamente. Posteriormente, se inspeccionaron los componentes críticos en busca de signos de desgaste, fatiga o daños.
Al probar trenes, se utiliza lastre en el tren para simular el peso de los pasajeros y el equipaje humanos reales. Este lastre a veces adopta la forma de maniquíes de pruebas de choque reales, como los que utilizan los fabricantes de automóviles.
Sin embargo, si no es necesario probar los efectos sobre la fisiología humana, se utilizan barriles llenos de agua, más simples y menos costosos. Este lastre se distribuye alrededor del tren donde estarían los pasajeros. Por ejemplo, en EE. UU., la industria ferroviaria considera que un “pasajero estándar” pesa 175 libras (79,38 kg).
Pruebas con pasajeros
Finalmente llegó el momento de realizar pruebas con pasajeros reales. Estas pruebas se utilizaron para obtener comentarios directos de los pasajeros sobre sus experiencias para poder realizar los ajustes finales necesarios.
En los escenarios de prueba típicos de hoy en día, se crean líneas de base integrales utilizando mediciones objetivas de instrumentos de adquisición de datos. A esto le siguen valoraciones subjetivas proporcionadas por los seres humanos.
La combinación de estos resultados permite a los ingenieros realizar la validación del tren. El objetivo es siempre disponer de vehículos seguros y que además proporcionen una experiencia cómoda a los pasajeros.
Futuros trenes más rápidos
Se están desarrollando trenes aún más rápidos que pasarán a la cima de esta lista una vez que estén en pleno funcionamiento. Éstos son sólo algunos de ellos:
Japón
Está previsto que el tren maglev japonés L0 serie SC (superconductor) funcione a 500 km/h (311 mph). Se espera que entre en servicio en 2027. Durante las pruebas de rendimiento realizadas en 2015, el L0 estableció un récord mundial de velocidad para un tren, alcanzando los 603 km/h (375 mph).
La próxima línea Chuo Shinkansen de Japón conectará Tokio y Nagoya. Utilizará la tecnología EDS Maglev (Levitación Magnética). El tiempo de viaje entre las dos ciudades se reducirá aproximadamente un 50% en comparación con la línea Tokaido Shinkansen actual. La línea se extenderá eventualmente hasta Osaka.
Japón ha estado a la vanguardia de la tecnología maglev desde la década de 1970. Según se informa, JR Central está financiando la línea maglev Chuo Shinkansen SC sin utilizar dinero público.
China
En China, el tren maglev Qingdao CRCC 600 ha sido diseñado para viajar a 600 km/h (373 mph). No se ha anunciado su velocidad máxima operativa típica, pero se espera que el tren comience a entrar en servicio en 2025.
Qingdao fue desarrollado por CRRC Qingdao Sifang Co en la ciudad portuaria de Qingdao, una subsidiaria de China Railway Rolling Stock Corporation con sede en Beijing, el mayor fabricante de material rodante del mundo por volumen de producción anual.
China obtuvo la licencia de tecnología Transrapid de la empresa de ingeniería alemana ThyssenKrupp. Será el primer tren maglev de alta velocidad multiurbano de China y se espera que sea más rápido incluso que los viajes aéreos entre muchas ciudades si se consideran todos los aspectos del viaje. Estos trenes están financiados y controlados total o principalmente por el gobierno chino.
Al momento de escribir este artículo, las pruebas de alta velocidad a gran escala del CRCC 600 están limitadas por la falta de guías largas para ejecutarlas. Se necesitan vías-guía de al menos 50 km para que el tren alcance su máxima velocidad durante un período de tiempo determinado.
Mientras tanto, científicos e ingenieros están desarrollando modelos complejos de elementos finitos para simular tensiones, deformaciones, vibraciones y cargas en componentes críticos como las barras oscilantes. Según un informe de 2022 en el International Journal of Mechanical System Dynamics, se utiliza la simulación de sistemas multicuerpo (MBS) para evaluar el rendimiento dinámico de un tren a velocidades de 600 km/h.
¿Qué pasa con los EE.UU.?
Debido a la conocida preferencia de Estados Unidos por los viajes en automóvil y en avión, se ha quedado atrás del resto del mundo en lo que respecta a los viajes en tren de alta velocidad. Sin embargo, el concurrido “corredor noreste” que se extiende desde Boston a través de la ciudad de Nueva York hasta Washington DC ha sido durante mucho tiempo la ruta más transitada del país y la aerolínea nacional AMTRAK opera una combinación de trenes de pasajeros regulares y de alta velocidad llamada Acela.
Acela actualmente corre a 241 km/h (150 mph), pero sólo en una fracción de la longitud del corredor noreste. Esto se debe al tráfico y a las limitaciones de la infraestructura de vías. Amtrak ha contratado a Alstom para construir una nueva flota de automóviles llamada Avelia Liberty que funcionará hasta 257 km/h (160 mph), cuyo funcionamiento está previsto a partir de 2024.
Una empresa llamada Northeast Maglev tiene mayores aspiraciones: construir un sistema maglev de alta velocidad para conectar Washington DC primero con Baltimore y luego con la ciudad de Nueva York. El tráfico en este concurrido corredor es malo y empeora cada año, por lo que un sistema de este tipo podría tener un impacto positivo.
La compañía informa que el viajero promedio de Washington, DC pasa 102 horas al año en el tráfico, lo que le cuesta a cada viajero 2.060 dólares al año, lo que suma 6.300 millones de dólares al año. A 482 km/h (300 mph), el tiempo entre las principales ciudades del noreste se reduciría a una hora. El proyecto está en desarrollo pero aún faltan años para el futuro. Curiosamente, JR Central ha estado en conversaciones con los estadounidenses sobre la posibilidad de proporcionar trenes Shinkashen para esta línea.
Conclusión
El proyecto Shanghai Transrapid fue encabezado por dos de los fabricantes de trenes alemanes con más experiencia del mundo en cooperación con sus clientes chinos. Un riguroso proceso de prueba garantizó que el tren cumpliera con todos los estándares de seguridad requeridos. Combinadas con modelos de elementos finitos, las pruebas físicas objetivas demostraron la confiabilidad y eficiencia del tren antes de su apertura oficial al público en 2003.
La prueba está en un récord de seguridad extremadamente alto. En 20 años de funcionamiento, sólo ha habido unos pocos incidentes de seguridad y ningún herido. En 2006 hubo un incendio eléctrico en un vagón cuando el tren salía de la estación de Pudong. En 2011 hubo una falla en un equipo que provocó un retraso operativo de aproximadamente una hora.
Como resultado de una buena ingeniería, pruebas rigurosas y un mantenimiento continuo, Shanghai Transrapid ha sido un tren confiable y notablemente seguro.