Dirección General de Seguridad, Organización y Recursos Humanos
R Dirección de Formación Escuela Técnica Profesional
FRENADO R FERROVIARIO
ESCUELA TÉCNICA PROFESIONAL
EDICIÓN 2010
Escuela Técnica Profesional de Renfe Operadora. Renfe Operadora. Dirección General de Seguridad, Organización y Recursos Humanos. Dirección de Formación. M-53762-2009
Los frenos de un tren sirven para moderar su velocidad, asegurar su detención y garantizar la inmovilidad del material en plena vía o durante el estacionamiento. Los frenos que equipan los trenes se clasifican en: •
•
se usan para detener el tren en la distancia que imponen las señales, aún circulando a la velocidad máxima. Permiten que el tren no sobrepase en ningún momento la velocidad máxima; y en caso de fraccionamiento garantizan la detención de las partes separadas. se usan para reforzar o sustituir parcialmente el frenado automático y regular la velocidad en perfiles descendentes. o o o
•
se usan para mantener detenido el material, una vez que el frenado automático pierde su eficacia.
Cuando un tren se encuentra circulando posee una energía considerable debida al movimiento, denominada: energía cinética. Para el cálculo de la energía cinética basta utilizar ésta sencilla fórmula:
En la que: • • •
= Energía expresada en julios = Masa del tren en toneladas = Velocidad en kilómetros hora
El coeficiente 41,6 es específico para cálculos ferroviarios, pues tiene en cuenta, además, la energía de rotación de las ruedas.
De acuerdo con esta fórmula un tren de 800 t de masa circulando a velocidad de 60 km/h tendría una energía de:
En el supuesto que toda ella se transformase en calor, elevaría a 100º C la temperatura de 359 litros de agua, suponiendo que su temperatura inicial fuera de 20º C. Durante el descenso de una pendiente, a la energía cinética se sumará la energía procedente del campo gravitatorio de la tierra, denominada: energía potencial. Para el cálculo de la energía potencial se utiliza la siguiente fórmula:
En la que: • • •
= Energía potencial expresada en julios = Masa del tren en toneladas = Altura descendida en metros
Suponiendo que el tren del ejemplo anterior se encontrase descendiendo una pendiente de 10 milésimas, en 1000 metros, habrá descendido 10 metros y, por tanto, su energía total será la suma de la energía cinética, anteriormente calculada, y la energía potencial:
Luego, su energía total sería de 198.208.000 julios. Para frenar un tren es preciso quitarle toda su energía, transformándola en calor u otra forma de energía. Los frenos automáticos actúan por rozamiento: zapata / llanta o guarnición / disco transformando la energía del tren en calor. El esfuerzo de frenado necesario para detener un tren, en vía horizontal, depende de su masa y velocidad, pero es preciso observar que ésta actúa al cuadrado de la velocidad.
En la práctica ferroviaria, unos vehículos frenan más que otros y, por consiguiente, es preciso valorar individualmente la capacidad de frenar que tienen cada uno de ellos. Esta capacidad se denomina valor del freno, o masa frenada, y figura en las marcas correspondientes inscritas en los costados de los vehículos expresada en toneladas. Este valor del freno no es el esfuerzo que las zapatas efectúan sobre las llantas, sino un valor proporcional a este esfuerzo; es decir, un valor convenido por los técnicos ferroviarios y relacionado con la distancia de parada, de acuerdo con las normas, al efecto de la Unión Internacional de Ferrocarriles (UIC). Por ejemplo, de acuerdo con estas normas internacionales, se dice que un tren de 100 toneladas de masa circulando en rasante horizontal, posee un valor del freno de 72 t cuando es capaz de detenerse en 760 metros aplicándole el freno de emergencia, o que posee un valor
de freno de 58 t, si se detiene en 920 metros en las mismas condiciones y para una velocidad de 100 km/h en ambos casos. El procedimiento de valorar la eficacia de los frenos en toneladas facilita el cálculo de la capacidad de frenado de los trenes. El porcentaje de frenado es la relación porcentual entre la suma de valores proporcionales de los esfuerzos de las zapatas y la masa total del tren, y expresa su capacidad de deceleración. Los porcentajes de frenado necesarios para cada tipo de tren se encuentran recogidos en el Manual de Circulación. La distancia mínima entre señales se ajusta en función de la velocidad máxima del trayecto su gradiente. Si tenemos una composición formada por cinco vehículos cuyas masas y valores de freno sean las siguientes: 1º..................................................................... 2º..................................................................... 3º..................................................................... 4º..................................................................... 5º.....................................................................
60 80 40 30 50
.................................. .................................. .................................. .................................. .................................. ..................................
38 49 28 16 21
Resulta un tren de 260 t de masa y un valor de freno de 152 t. La relación existente entre ambos números se expresa en porcentaje, sin más que dividirlos y multiplicarlos por cien, obteniéndose lo que se denomina: porcentaje de frenado, cuya fórmula es:
En el caso del ejemplo, será: 152 · 100 Porcentaje de frenado =
= 58% 260
Al freno de los trenes se le exige el cumplimiento de las siguientes características, debe ser: • • • •
Continuo Automático Inagotable Moderable
Veamos que significan cada una de estas condiciones. Se dice que un freno es cuando todos los equipos de freno de los vehículos que forman una composición son gobernados por un único equipo de mando y control de freno (cabeza de freno), de tal forma que, durante el frenado, todos aportan una parte del esfuerzo necesario para detener el tren. La continuidad del freno neumático la garantiza la tubería de freno automático TFA; ésta recorre el tren en toda su longitud con aire comprimido a presión de 5 bar para la carga de los equipos de freno del convoy y, a través de ella, se envían ordenes neumáticas de apriete y afloje de los frenos. En la actualidad no todos los trenes aseguran la continuidad mediante TFA, existen automotores que la garantizan por red informática. Se dice que un freno es o cuando su actuación no se debe a la aplicación de un esfuerzo puntual, sino a la desaparición del mismo. Para conseguir esto, el freno de un tren se “carga” con antelación, almacenando energía en forma de aire comprimido en unos depósitos auxiliares. Cuando desaparece la presión de alimentación, se produce un desequilibrio neumático que ocasiona el apriete de los frenos. De esta forma, tanto la rotura de la tubería como la pérdida de presión por cualquier causa, dará lugar al enfrenamiento del tren. Se dice que un freno es cuando después de cada actuación puede ser nuevamente utilizado sin merma apreciable en su rendimiento. Esta condición está garantizada desde el punto de vista del funcionamiento neumático, por la forma de actuación de los distribuidores o por la forma en que están alimentados los depósitos de freno, dependiendo del material. No obstante el uso del freno neumático genera cantidades importantes de calor que es preciso disipar, la acumulación de calor en los elementos en contacto: zapatas – llantas, guarniciones – discos de freno, reduce el rendimiento del freno. Un uso adecuado de los frenos evita su pérdida de eficacia. Un freno es en el apriete y en el afloje cuando puede ser graduado durante su aplicación para obtener el efecto deseado.
Las fuerzas durante el frenado se muestran en la figura siguiente.
Donde: • • • •
= Presión total de las zapatas sobre un eje = Adherencia zapatas / llanta = Carga total del eje = Adherencia llanta carril
Para que no se bloquee el eje:
La condición de máximo frenado sería:
Esta condición es muy difícil de cumplir, salvo que se empleen accesorios como elementos de doble etapa y sistemas de antiblocaje que ejecuten automáticamente correcciones de la presión de las zapatas, dado que los coeficientes de adherencia zapata/llanta y de rueda/carril no se mantienen constantes.
Los tipos más utilizados de zapatas y sus características son: •
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, fundición de hierro con un pequeño porcentaje de fósforo, son prácticamente insensibles a la humedad, se desgastan con rapidez y presentan un coeficiente medio de rozamiento de 0,1. El coeficiente de rozamiento resulta menor a velocidades elevadas y aumenta con las bajas (40 – 50 km/h) , construidas con materiales metálicos: (fundición, cobre, óxidos metálicos) y un abrasivo silíceo; amalgamado con resina. Presentan un coeficiente de adherencia medio de 0,25 en el caso de las zapatas “K” o “D”. Su coeficiente de rozamiento resulta más uniforme a cualquier velocidad, pero son más sensibles a la humedad ambiente.
En ambos tipos el coeficiente desciende cuando se aumenta la presión de forma considerable y por efecto del calor. Un uso moderado del freno neumático, aprovechando los frenos complementarios, es la mejor garantía de eficacia.
El valor de adherencia rueda / carril resulta muy variable, con un coeficiente medio de 0,2, o algo superior, que puede ser mucho menor con carril húmedo, engrasado o polucionado por vegetación. De ahí la importancia de los areneros.
Un fluido es una sustancia incapaz de resistir la aplicación de una fuerza sin que sufra una deformación más o menos continua, sin embargo un sólido puede hacerlo. Los fluidos se clasifican en dos grupos: g rupos: : con el volumen definido pero no la forma. : sin volumen ni forma definida, llenan por completo cualquier recipiente en el que se instalen. Los fluidos más usados son: •
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de fácil adquisición, resulta caro de comprimir, lleva muchas impurezas en forma de humedad y polvo atmosférico. barata de adquisición, no es compresible. Oxida las superficies metálicas. presenta peligro de accidentes, transporta las calorías de la presión, las de la temperatura y las del cambio de estado. no son compresibles, se caracterizan por su baja viscosidad. No presentan problemas de oxidación como el agua.
propiedad de los cuerpos en virtud de la cual las otras propiedades de los mismos (coeficiente de dilatación, constantes eléctricas, etc.) no dependen de los ejes de coordenadas x, y, z. Gases y líquidos son isótropos. propiedad característica del estado líquido, por la que estos toman la forma del recipiente que los contiene. propiedad característica del estado gaseoso por la que una pequeña masa tiende a ocupar completamente el recipiente que los contiene. propiedad del estado liquido de mantener su volumen al variar las presiones aplicadas. propiedad de las partículas fluidas de ofrecer mayor o menor facilidad a ser arrastradas por el movimiento de una de ellas. La viscosidad tiene como unidades kg.seg. m 2. El agua tiene una viscosidad cien veces superior a la del aire.
El componente neumático es el primer paso para transformar la mecanización en automatización, mejora el rendimiento de la maquinaria reduciendo el esfuerzo del operario. Puede utilizarse: Directamente, como elemento de trabajo que permite impulsar gran variedad de movimientos mecánicos: rotativos o lineales. Combinado con elementos oleohidráulicos, para obtener ciclos de trabajo precisos a elevadas presiones. Combinado con elementos electromecánicos, para accionamientos a larga distancia.
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La potencia alcanzable en el émbolo depende del diámetro del cilindro y de la presión; cuanto mayor sea el diámetro del cilindro mayor será el volumen del mismo y, por tanto, mayor el consumo de aire comprimido para una misma carrera.
La compresibilidad del aire dificulta su utilización en movimientos de avance exactos.
La respuesta neumática no es tan rápida como la eléctrica, pero sí es más rápida que la hidráulica. El estado gaseoso permite altas velocidades de flujo, del orden de 50 a 100 m/seg en tuberías neumáticas.
La colaboración internacional entre distintas ramas de la técnica y de la física exige una denominación común para una determinada unidad. Para ello es válido el “Sistema de Unidades Internacional”, abreviadamente: SI. También se introduce el concepto de unidades “coherentes”, siendo esta la denominación internacional para unidades técnicas y físicas. Las unidades del SI se forman a partir de seis unidades básicas: • • • • • •
Unidad de longitud Unidad de masa Unidad de tiempo Unidad de intensidad de corriente Unidad de temperatura Unidad de intensidad de luz
Metro (m) Kilo (kg) Segundo (seg) Ampere (A) Kelvin (ºK) Candela (cd)
El SI adopta como unidad en la neumática y, en general para presiones de fluidos, el , definiéndolo 2 como la presión eficaz ejercida por la fuerza de 1 Newton (Nw) sobre una superficie de 1 m .
Por otro lado la unidad de fuerza del SI es el definiéndolo como la fuerza que aplicada a un cuerpo de 1 kg de masa le produce una aceleración de 1 m/s2
Luego: La unidad de medida Pascal (PA) es demasiado pequeña para su utilización en neumática industrial. Para expresar presiones normales se tendrían que utilizar números de varias cifras. Por este motivo se emplea la décima parte del Megapascal (Mpa) (1 Mpa = 106 Pa), cuya denominación y símbolo es el .
Las unidades de atmósfera (atm) y kg/cm2 utilizadas para las mediciones de presión pueden transformarse a las unidades SI. Para ello vamos a utilizar valores de conversión redondeados, teniendo en cuenta las presiones relativamente bajas utilizadas en neumática industrial.
Redondeando, la conversión con un error menor de un 2%, podremos tomar para la práctica neumática como:
En la caracterización de un fluido se aúnan la presión y el caudal. En el aire comprimido el caudal de aire que se cita en los catálogos viene dado en “aire libre”. El “aire libre” suministrado por un compresor es la cantidad de aire comprimido liberada, pero referida a las condiciones existentes en la aspiración.
Para aumentar la presión del aire atmosférico se debe producir una compresión mediante una máquina denominada compresor. El accionamiento del compresor, es decir el trabajo de compresión, necesita el auxilio de un motor. Toda instalación que haga uso del aire comprimido estará compuesta de los siguientes elementos básicos: • •
Grupo de compresión (motor, compresor, regulador, válvula de seguridad, etc.) Refrigerador posterior (de agua o de aire / aire)
• • • •
Filtro separador (de agua, aceite y partículas) Secador (de absorción, adsorción, etc.) Depósito principal. Tuberías
En toda instalación de aire comprimido se trata siempre de obtener un aire lo más exento posible de contaminantes: agua, aceite, polvo, etc. En los vehículos ferroviarios el aire comprimido se utiliza para el frenado, motivo principal de este manual, y para diversos accionamientos: elevación de pantógrafos, cierre de contactores, accionamiento de servomotores, etc.
El elemento central de una instalación de aire comprimido es el compresor; existen una gran variedad de modelos y formas. Su misión es transformar la energía mecánica procedente, generalmente, de un motor: eléctrico o de combustión interna, en energía neumática. Esta transformación se consigue disminuyendo el volumen específico de un gas (compresión). Podemos distinguir dos grupos de compresores: • •
Alternativos (de pistón) Rotativos
La compresión se obtiene por admisión de aire en un recipiente hermético donde se le reduce el volumen desplazando el émbolo, pistón, a lo largo de un cilindro. Los compresores alternativos se pueden clasificar en sencillos o de doble etapa. Los compresores sencillos poseen una sola fase de compresión, en los giros del cigüeñal se producen carreras de admisión y compresión, controladas por la apertura y cierre de las válvulas correspondientes, admisión o compresión. En los compresores sencillos la temperatura de salida del aire comprimido alcanza los 180º C.
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El ciclo de admisión será: apertura de la válvula de admisión – carrera descendente del pistón – llenado del cilindro con aire aspirado a presión atmosférica (figura de la izquierda). El ciclo de compresión será: cierre de la válvula de admisión – apertura de la válvula de compresión – carrera ascendente del émbolo (reducción de volumen) (figura de la derecha). En los compresores de doble etapa el aire se comprime en dos fases; en la primera fase el aire se comprime a 2 ó 3 bar (baja presión) y en la segunda fase se comprime a 8 ó 10 bar (alta presión). En estos compresores existe un enfriador entre ambas etapas, la temperatura de salida del aire comprimido se sitúa alrededor de 130º C. Este tipo de compresores se compone de dos cilindros de compresión, uno para comprimir a baja presión, siempre de mayor volumen; y otro para comprimir a alta presión. Las figuras siguientes describen gráficamente el funcionamiento de este tipo de compresores.
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Los compresores rotativos pueden ser de paletas o de tornillo.
Los compresores de paletas están constituidos por un rotor dotado de paletas retráctiles, que gira alrededor de un eje excéntrico (al cárter) en el interior de una cámara. Las paletas que se deslizan en las ranuras, conforman células con la pared del cárter. Debido al giro excéntrico del rotor el volumen de las células varía constantemente provocando la compresión del aire. La temperatura de salida del aire comprimido alcanza los 60º C, con temperatura ambiente de 20º C. La figura siguiente muestra un compresor de paletas.
Los compresores de tornillo están formados por rotores paralelos, macho y hembra, de forma helicoidal que giran en un cárter y comprimen el aire entre sus lóbulos de manera continua. En los compresores de tornillo la temperatura de salida del aire es de unos 70º C, con temperatura ambiente de 20º C. Este tipo de compresores es eficiente y silencioso, aunque la salida del aire se produce con una elevada mezcla de aceite de lubricación que es preciso separar a continuación.
En los compresores “Roots" el aire es desplazado de un lado a otro sin modificación de volumen. La compresión se realiza contra la resistencia que presenta el receptor.
La figura siguiente muestra un esquema genérico de instalación para el suministro de aire comprimido de un vehículo ferroviario. A continuación se describirá la funcionalidad de cada uno de sus elementos, así como las variantes que estos pueden presentar.
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La producción principal parte de un compresor de doble etapa accionado por un motor eléctrico o mediante una toma de fuerza de un motor térmico. La unión de la salida de alta presión del compresor con el circuito, se realiza siempre mediante una unión flexible para evitar la propagación de vibraciones. A continuación el aire pasa por los siguientes elementos:
En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor entra a presión, temperatura y grado de humedad ambiente, al ser comprimido se calienta transformándose esa humedad relativa en vapor de agua. Por tanto, el aire comprimido que descarga el compresor lleva vapor de agua que al irse enfriando se condensa en gotas. La temperatura característica de salida de un compresor de doble etapa, recordamos, se sitúa en torno a los 130º C; la misión del refrigerador posterior es rebajar la temperatura hasta unos 25 – 30º C, lo que permitirá reducir en un 70 – 80% el agua y aceite contenidos en la mezcla.
El enfriamiento se consigue utilizando como refrigerante una corriente de aire o agua, en instalaciones fijas resulta conveniente el empleo de agua.
El aire comprimido refrigerado, al entrar en el filtro a través de una placa deflectora entra en rotación. Las partículas de agua, aceite e impurezas sólidas son lanzadas contra la pared interior del depósito por el efecto centrífugo. Estas impurezas caen a un depósito colector. El aire descargado de humedad, aceite y partículas gruesas, por centrifugación, sale atravesando un filtro que capaz de retener partículas menudas. Es habitual el empleo de cartuchos filtrantes de 5 micrones, capaces de retener todas las partículas mayores de 0,005 mm de diámetro. La vasija colectora deberá ser purgada periódicamente (cada vez son más habituales los filtros dotados de purga automática) para evitar una acumulación excesiva de residuos. En las labores de mantenimiento deberá limpiarse o reemplazarse periódicamente el cartucho filtrante para evitar una reducción importante del caudal de aire.
La producción de aire comprimido se regulará de alguna de las maneras que se explicarán a continuación; en previsión de posibles fallos de la regulación se instala siempre una válvula de seguridad próxima a la salida de alta presión del compresor. La figura siguiente muestra la sección de una de esas válvulas.
Su funcionamiento es muy simple, el cierre permanece fuertemente presionado sobre su asiento mediante un resorte cuya fuerza se regula mediante un tornillo, figura de la izquierda, el aire atraviesa la válvula sin que su presión sea capaz de actuar el cierre. Cuando la presión del aire sobrepasa el valor de taraje de la válvula (10 a 11 bar en vehículos ferroviarios), la presión sobre la tapa vence la fuerza del muelle, aliviándose la presión a través de los orificios de escape, figura de la derecha. Al tratarse de un dispositivo de seguridad, deberá ser ajustado en taller a un valor adecuado y timbrado. No se debe actuar sobre el dispositivo de regulación, ya que el más leve giro del husillo puede variar grandemente la fuerza ejercida por el resorte, impidiendo su normal funcionamiento, poniendo en peligro la instalación, e incluso a las personas que trabajan en su proximidad.
El aire comprimido, una vez refrigerado y filtrado aún contiene humedad; la circulación de aire húmedo por las tuberías ocasiona daños en los elementos neumáticos. En los vehículos ferroviarios parte de esos elementos intervienen en el frenado lo que obliga a extremar las precauciones.
Como se vio anteriormente, la aspiración y compresión del aire atmosférico produce agua en la instalación de aire comprimido. La cantidad de agua depende de la humedad relativa del aire, dependiendo ésta de la temperatura y presión del mismo. , es la cantidad de agua que un m3 de aire puede admitir a una determinada presión y temperatura. , es la cantidad de agua que contiene un m3 de aire. uando se sobrepasa la humedad relativa del aire aparece agua en forma de gotas; una parte importante del agua se elimina con el enfriado previo y el filtro separador. No obstante, aire a 40 – 50º C puede contener hasta un máximo de 50 – 79 gr. de agua por m 3. A partir de esa cantidad se iría desprendiendo en forma de gotas. Para eliminar esa humedad se utilizan los siguientes procedimientos: •
•
, se trata de un procedimiento puramente químico. Absorber: Atraer un cuerpo y retener en su seno las moléculas de un liquido o gas con el que se encuentra en contacto. , se trata de un procedimiento físico. Adsorber: Atraer un cuerpo y retener en su superficie moléculas o iones de otro cuerpo en estado liquido o gaseoso.
Consisten en un recipiente que contiene una masa de secado a través de la que se hace circular el aire comprimido, La masa de secado se va mezclando con el agua y precipita en un depósito inferior. El producto absorbente se consume y debe ser repuesto periódicamente.
El material de secado es un producto granuloso, la superficie porosa de los granos se llena de agua al pasar el aire comprimido. Se suele emplear dióxido de silicio. No requiere reposición periódica, pero se debe cambiar cada dos o tres años de uso en condiciones normales. Las figuras siguientes muestran gráficamente las dos fases de un secador de adsorción.
El caudal principal de aire se hace circular a través del material adsorbente de una u otra torre de forma alternativa, mientras que por la otra se hace pasar una pequeña corriente de aire seco, en sentido inverso, para su regeneración. Normalmente las electroválvulas conmutan la circulación por las torres a cada ciclo de trabajo del compresor.
El aire filtrado y secado se almacena en un depósito cuya finalidad es: • • • •
La estabilización del aire comprimido. Compensar las caídas de presión en la red durante el consumo. Contribuir al enfriamiento del aire almacenado. Separar en su fondo el agua condensada tras el enfriamiento.
Dado que el depósito acumula agua en su parte inferior, siempre se le dota de un sistema de purga.
Con el fin de mejorar la calidad del aire se suele instalar otro filtro a la salida del depósito, complementando el tratamiento dado en el filtro centrífugo y en las torres de secado.
Un interruptor accionado por presión (presostato) conmuta sus contactos al alcanzar el aire comprimido almacenado en el depósito un determinado valor, ocasionando el cese de la producción del compresor y lo conecta nuevamente al descender de otro valor prefijado (Son valores usuales de desconexión: 9 a 10 bar; y de conexión: 8 a 9 bar). El cese de la producción se obtiene por: , con motores eléctricos de corriente continua o asíncronos
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de alterna trifásica. •
, mediante una válvula de descarga, en compresores accionados por motores térmicos o eléctricos síncronos.
La llave de cierre situada a la entrada del interruptor de presión permite, en caso de avería de este regulador, mantener un funcionamiento continuo del compresor, la limitación de presión en el circuito se obtiene mediante la válvula de seguridad anteriormente descrita.
A la salida del depósito, y nunca antes del circuito de regulación, se instala una llave de cierre que permite conservar el aire almacenado en el depósito durante las paradas del vehículo.
Las llaves de cierre se pueden construir de diversas maneras según el uso al que están destinadas, las figuras siguientes muestran varios modelos usuales.
Como se ha podido observar en las figuras anteriores estos elementos no tienen un sentido definido de trabajo en posición abierta y en algunos casos su cierre ocasionará el escape a la atmósfera del aire contenido en uno de sus lados.
En los vehículos eléctricos existen ciertos elementos accionados mediante aire comprimido, cuyo funcionamiento durante el arranque resulta esencial (pistones de elevación de pantógrafos, servomotores de accionamiento de cuchillas, disyuntores de cierre electroneumático, etc.). La figura 8 representa el circuito característico de uno de esos vehículos; y nos servirá para conocer otros componentes.
Su misión es permitir el paso de aire en un solo sentido, la figura siguiente muestra gráficamente una de estas válvulas.
La figura de la parte inferior muestra el sentido de paso del aire, el muelle presenta una débil oposición que es fácilmente vencida por la presión del aire. Cuando la presión de sentido contrario es mayor que la de sentido normal, el muelle desplaza el obturador a su posición de cierre y queda retenido por acción de la presión, principalmente; y del resorte. La primera válvula de retención situada entre la tubería principal y el depósito de reserva, impide que el aire de ese depósito destinado al arranque se pierda en el circuito general.
Es un depósito de volumen suficiente para alimentar los circuitos básicos de arranque cuando se encuentran vacíos los depósitos principales, siempre que antes de parar el vehículo se haya tenido la precaución de llenarlo a presión máxima, 9 a 10 bar; y después cerrar su llave.
Se trata de un pequeño compresor cuyo motor funciona alimentado con corriente de batería, se instala en previsión de una insuficiencia de aire comprimido en el vehículo eléctrico durante la puesta en marcha. Una segunda válvula de retención intercalada entre el depósito de reserva y el compresor auxiliar impide que el aire producido por el compresor auxiliar trate de llenar el depósito de reserva. De esta forma, toda la producción del compresor auxiliar se emplea para el arranque, evitando un consumo innecesario de batería y un calentamiento excesivo del compresor. El circuito del compresor auxiliar dispone de su propia válvula de seguridad (generalmente graduada a 6 ó 7 bar), y de su propio equipo de regulación: interruptor de presión y llave de cierre con escape. La válvula de retención instalada a la salida impide que el aire de alta presión acceda al compresor auxiliar.
En el circuito, de la figura 8, se ha representado un manómetro para control visual de la presión de reserva, la figura siguiente muestra la sección de uno de ellos.
El aire comprimido entra en el manómetro por su parte inferior, la presión extiende el muelle tubular aumentando su radio, la biela enganchada a su extremo libre tira de la palanquita que hace girar al sector dentado, transmitiendo este movimiento a una rueda dentada solidaria al eje de la aguja indicadora. En la escala se puede leer la presión, la figura de la izquierda representa una ausencia total de presión y la de la derecha un valor aproximado de 3,5 bar.
Los elementos básicos de arranque requieren aire comprimido a presión limitada entre 3.5 y 5 bar, en el circuito de la figura 8 se representa una válvula reguladora de presión a la salida de la tubería de alimentación. La figura siguiente representa una de estas válvulas.
Mediante el tornillo de ajuste se pretensa el muelle de la membrana según la presión deseada, eso levanta el vástago del asiento de estanqueización permitiendo el paso del lado primario (izquierda de la figura) al lado de los consumidores, secundario. La presión del aire actúa sobre la superficie de la membrana contrarrestando la acción del resorte hasta obturar el paso del aire (figura de la derecha). Sucesivas aperturas y cierres mantendrán estable la presión en el valor deseado. En la cámara inferior de la membrana (lado del muelle) un orificio practicado en la pared permite la libre entrada y salida de aire atmosférico, evitando falsear la regulación del resorte.
Además de los elementos vistos con anterioridad en éste capítulo, existen otros de uso común que conviene conocer antes de iniciar el estudio del freno.
Las electroválvulas son elementos de mando neumáticos, en los que la orden se produce eléctricamente con la consiguiente mejora en su rapidez de actuación. Básicamente, consisten en un cuerpo formado por varias cámaras unidas entre sí, que pueden ser comunicadas o incomunicadas mediante unos obturadores solidarios a un vástago; la posición de reposo de este conjunto se obtiene mediante un resorte y su desplazamiento (actuación) mediante un electroimán. Según el efecto obtenido mediante la alimentación de la bobina del electroimán se designan como electroválvulas directas o inversas. Las siguientes figuras muestran las dos posiciones de una electroválvula inversa.
Observamos en la figura de la izquierda, posición desexcitada, que la cámara superior que recibe la alimentación, se encuentra comunicada con la cámara central y ésta aislada de la inferior. Cuando alimentamos la bobina, figura de la derecha, el vástago desciende presionando al resorte y se produce el aislamiento de la cámara superior con respecto a la central, comunicando ésta con la inferior, escapando el aire utilizado a la atmósfera. La disposición de cámaras y obturadores en las electroválvulas directas es la representada en las siguientes figuras.
La imagen de la izquierda representa la electroválvula excitada, la acción del electroimán mantiene el vástago empujado provocando la comunicación de la cámara de alimentación, superior, con la de utilización, inferior. Al suspender la alimentación a la bobina, imagen de la derecha, el muelle empuja el vástago a su posición superior, provocando el aislamiento de la cámara de alimentación y la comunicación de la de utilización con la atmósfera. El empleo en un circuito neumático de válvulas de una u otra característica se hace buscando la opción más segura, así, por ejemplo, se utilizarán electroválvulas inversas en circuitos de actuación de freno, para provocar la aplicación del mismo en ausencia de alimentación. El empleo de válvulas directas se hace cuando se desea que el trabajo suceda en respuesta a un acto voluntario, por ejemplo, elevar un pantógrafo o aflojar el freno. Además de los montajes anteriormente vistos, en ocasiones, se emplean electroválvulas dispuestas como selector de circuito, las figuras siguientes muestran un montaje de esas características.
La alimentación de la bobina determina que el aire de utilización se desplace hacia uno u otro circuito. Existen electroválvulas, más complejas, en las que un cambio de alimentación progresivo tiene como consecuencia un cambio de presión gradual en su boca de salida. Su funcionamiento y aplicación se estudiaran en el capítulo dedicado al freno.
La figura siguiente muestra una válvula selectora de bola, conecta automáticamente su boca de salida al valor más alto de presión presente en una de sus dos bocas de entrada.
La figura siguiente muestra una de esas válvulas destinadas a regular el caudal de aire, son empleadas como retardadores.
El caudal es afectado por la sección (diámetro) y longitud del paso calibrado.
Son elementos destinados a variar una respuesta eléctrica en función de la presión del aire contenido en un circuito. Existen modelos, también llamados presostatos, que actúan como conmutador (todo – nada), aptos para controlar la conexión o desconexión de un determinado circuito eléctrico; y otros que varían de forma progresiva el valor de, por ejemplo, una resistencia eléctrica, utilizados para obtener medidas de presión (transductores de presión). La figura siguiente muestra un convertidor de dos posiciones, presostato.
La imagen de la izquierda, de la figura anterior, muestra la conmutación en alta, que puede ser regulada dentro de una gama de valores, actuando sobre el tornillo de reglaje para variar la presión del muelle. La imagen de la derecha muestra la conmutación en baja, una vez que la presión desciende de un valor determinado. La zona de regulación entre el valor de presión alto y el bajo, en la que no conmutan los contactos eléctricos, se denomina histéresis; y es una característica del elemento, que en algunos casos puede ser regulada. La siguiente figura muestra un convertidor variable, transductor, basado en la modificación del valor de una resistencia.
La imagen de la derecha representa la posición de reposo, ausencia de presión, en la que toda la resistencia ajustable se encuentra intercalada, la de la izquierda correspondería con la de presión máxima, toda la resistencia eliminada. Cualquier valor intermedio se puede determinar como, por ejemplo, caída de tensión.
Hasta ahora hemos visto los elementos básicos que conforman una instalación de producción de aire comprimido en un vehículo ferroviario y se han apuntado algunos de sus usos. No es posible realizar una enumeración genérica y universalmente válida de estos, no obstante trataremos de hacer una aproximación indicando el tipo de vehículos que pueden contar con un determinado dispositivo neumático. Los actuadores neumáticos desarrollan su trabajo por medio de pistones, servomotores, motores rotativos, etc., en los vehículos ferroviarios podemos encontrarlos, de una u otra forma, en: •
Elevación de pantógrafos: locomotoras y automotores eléctricos
•
Selección de red: locomotoras y automotores eléctricos
•
Cierre de disyuntores: locomotoras y automotores eléctricos
•
Maniobra y soplado de extinción de contactores: vehículos eléctricos o diesel eléctrico
•
Servomotores de accionamiento de contactos eléctricos: locomotoras y automotores
•
Servomotores de accionamiento de inversores de transmisión mecánica: locomotoras y automotores diesel
•
Pistones de mando de embrague: automotores diesel
•
Pistones de mando de cajas de cambio de velocidades: automotores diesel, algunas locomotoras eléctricas
•
Pistones de desenganche automático: Automotores de todo tipo
•
Servomotores para limpiaparabrisas: Toda clase de vehículos
•
Bocinas
•
Servomotores de accionamiento de puertas automáticas: Automotores y coches de viajeros
•
Suspensión neumática: Automotores y composiciones indeformables de viajeros
•
Engrasadores de pestañas: Vehículos motores en general
•
Descarga de WC: Automotores y coches de viajeros
•
Eyectores de arena: Vehículos motores en general
•
Freno: Toda clase de vehículos motores o remolcados
La figura siguiente muestra el esquema básico de la instalación de aire comprimido de una locomotora.
Vemos que la producción de aire comprimido se almacena en el depósito principal y se distribuye a lo largo del vehículo a través de la tubería de los depósitos principales (TDP), a partir de esta, mediante diversas tomas se hace llegar el aire a los diversos consumidores, de los que destacamos el panel de mando del freno automático y el de freno directo. Cada uno de los diversos consumidores conectados a la TDP disponen de una válvula de cierre que permite aislarlos de la tubería general en caso de avería, generalmente serán llaves dotadas de vía de escape a la atmósfera, orientada hacia el lado del consumo. El panel de mando del freno automático gobernará la tubería de freno automático (TFA), de la que se alimentan los distribuidores de freno. El depósito auxiliar de freno se alimenta directamente de la TDP en los vehículos motores. También puede ser alimentado desde la TFA, como sucede en algunos coches y en los vagones. Las figuras siguientes muestran los esquemas básicos de un coche y de un vagón. La TFA se conecta a lo largo del tren mediante acoplamientos flexibles en toda clase de trenes y la TDP en los de viajeros.
Es una conducción que garantiza la continuidad del freno neumático del tren; a través de ella se envía aire comprimido a lo largo de toda la composición, ese aire se acumula en unos depósitos para su posterior utilización durante el frenado. La tubería de freno automático se debe gobernar siempre desde un único panel de mando, mediante el cual se introduce el aire comprimido. La evacuación del aire comprimido a la atmósfera ocasiona el enfrenamiento del tren. Las órdenes de frenado se dan desde el panel de mando: frenado de servicio, desde válvulas de emergencia situadas en diversos puntos: frenado de emergencia, o por simple rotura de la tubería.
El elemento básico del freno neumático por tubería UIC es el distribuidor; a través de él se almacena el aire comprimido en un depósito auxiliar de freno, convirtiendo las variaciones de presión en la TFA en esfuerzo proporcional de freno. los distribuidores garantizan que el freno sea automático, moderable en el apriete y afloje, e inagotable. Mediante la sección simplificada de un distribuidor de freno estudiaremos sus distintos momentos de trabajo.
El aire que llega por la TFA penetra en la cámara superior del distribuidor, a través de la válvula de rellenado (válvula de retención) llena el depósito auxiliar de freno unido a la cámara de alimentación, y a través del paso calibrado de la válvula de corte llena la cámara inferior y el depósito de reserva. Al finalizar el proceso de carga ambas cámaras se encuentran a la misma presión. El llenado inicial del depósito de control y del depósito auxiliar de freno requiere una espera a contar desde el momento en que la TFA alcance los 5 bar. La figura siguiente muestra el proceso de carga de un distribuidor.
CF
TFA
El depósito de control, es un volumen añadido a la cámara inferior para estabilizar su presión. El volumen del depósito auxiliar de freno es suficiente para permitir la alimentación al cilindro de freno sin que la presión se reduzca de forma importante. La presión máxima que se enviará al cilindro de freno será de 3.8 bar. La figura siguiente representa un distribuidor cargado a presión de régimen.
CF
TFA
Una vez que el distribuidor (todos los distribuidores del tren) se encuentra cargado, un descenso de presión en la TFA, de magnitud suficiente para ser detectado, ocasiona que la válvula de corte aísle la cámara inferior (control) de la cámara superior. La válvula de rellenado (retención) aísle el depósito auxiliar de freno de la TFA. La presión mayor en la cámara de control empuja al diafragma de la válvula, y el vástago hueco (solidario al diafragma) levanta el obturador permitiendo el paso del aire contenido en el depósito auxiliar de freno hacia los cilindros de freno (CF). Ver figura siguiente.
CF
TFA
El aire que pasa hacia los cilindros de freno, representado en amarillo, también empuja al diafragma superior, sumando su esfuerzo al aire de la TFA sobre el diafragma inferior; oponiéndose al empuje del depósito de control. Una vez restablecido el equilibrio, el valor de la frenada permanece estable. El descenso del vástago hueco (caña) permite que la presión del muelle de la cámara de alimentación empuje al obturador, cerrando la comunicación del depósito auxiliar de freno con el cilindro de freno, ver siguiente figura.
CF
TFA
Cuando la presión en la TFA se eleva hacia el valor nominal, lo alcance o no, la suma de presiones de TFA sobre el diafragma inferior; y del cilindro de freno sobre el superior vencen a la presión del depósito de control sobre el diafragma inferior. Eso provoca el descenso del vástago hueco abriendo la comunicación de la cámara de los cilindros de freno con la atmósfera.
CF
TFA
Si la presión alcanza el valor de 5 bar se producirá el afloje completo de los frenos. Al alcanzar el valor de presión en la TFA 5 bar, la válvula de rellenado permitirá el paso de aire hacia el depósito auxiliar para reponer el gasto ocasionado por la frenada. La válvula de corte descenderá nuevamente permitiendo el reequilibrado de presión en ambas cámaras. Las siguientes figuras 38 y 39 representan la fase inicial de afloje y la final.
CF
TFA
Hemos visto que el mantenimiento de la presión en la cámara inferior – depósito de control, estabilizada a 5 bar, es responsable del inicio del frenado cuando la presión en la TFA desciende de dicho valor; para eso se requiere que la válvula de corte aísle el depósito de reserva de la TFA con rapidez, de lo contrario la presión de ambas cámaras se iría igualando lentamente sin aparecer frenada alguna. Para una actuación de cierre segura de la válvula de corte se precisa una variación rápida de presión, la TFA deberá descender 0,6 bar en seis segundos. La válvula de corte debe ser insensible a descensos de presión lentos, de 0,3 bar por minuto, permaneciendo en su posición de reposo (inferior) para permitir el ecualizado del depósito de control mediante la aplicación de sobrecarga, que es una función de la que van dotados los paneles de mando de freno y que veremos más adelante. La válvula de corte permanecerá cerrada siempre que la presión en la TFA descienda con la rapidez antes indicada, y volverá a abrir cuando la presión en TFA se aproxime en 0,15 bar al valor de la de control. Abre un poco antes de que ambas presiones se igualen, permitiendo un recalibrado tras cada aplicación de freno.
La presión máxima de salida de un distribuidor es de 3,8 bar y se obtiene cuando la presión de la TFA desciende 1,5 bar. Cuando la presión de la TFA desciende por debajo de 3,5 bar la presión de salida no aumenta. En la aplicación del freno de emergencia pueden aparecer valores transitorios algo superiores hasta que la válvula alcance la estabilización al valor indicado. La presión máxima en los cilindros de freno que se obtiene en frenado de emergencia y en frenado máximo de servicio, es idéntica, si bien la aplicación del frenado de emergencia hará que esa presión se alcance con mayor rapidez. Mediante el mando de freno el maquinista puede graduar diferentes presiones entre 3.5 y 5 bar (4,85 bar) con sus consiguientes respuestas en los cilindros de freno, por lo que la frenada es moderable en el apriete y el afloje.
La inagotabilidad del freno se obtiene mediante el almacenamiento de aire a presión en el depósito auxiliar de freno, en un volumen suficiente con respecto al del cilindro de freno y su circuito de alimentación. Para garantizar un rellenado suficiente de los depósitos auxiliares después de una frenada, el afloje completo de los frenos no se produce de forma instantánea. De esa manera se evita la necesidad de un nuevo uso de freno con los depósitos cargados insuficientemente. En los coches de viajeros, que disponen de tubería de depósitos principales (TDP); y circulan en composiciones en las que esa tubería debe ser conectada, se les dota de una alimentación directa desde la TDP hasta el depósito auxiliar a través de una válvula de retención, ver figura 32. No obstante esa alimentación no es imprescindible para mantener la inagotabilidad. En las locomotoras, salvo raras excepciones, los depósitos auxiliares de freno sólo se encuentran conectados a la TDP, resultando imprescindible su llenado para disponer de freno. El depósito auxiliar de freno asociado al distribuidor es de pequeño tamaño y se emplea para dar señal de referencia a una válvula relé (ver figura 31), el aire que va a los cilindros de freno procede del depósito auxiliar, de mayor volumen, que está conectado directamente a la TDP. Por ese motivo para remolcar locomotoras, con el freno en servicio, es preciso acoplar la TDP y no se permite su circulación en cola de los trenes de mercancías.
La propagación del frenado a través de la TFA se torna tanto más lenta cuanto mayor sea su longitud, recuérdese que la velocidad máxima del flujo de aire será inferior a 100 m por segundo y bastante inferior en tuberías no rectas como las de un tren, eso presenta problemas de sincronización entre los frenos de vehículos distantes. Para evitar que unos vehículos alcancen el valor de presión máxima en sus cilindros de freno cuando otros aún no han comenzado a frenar se impone un retardo en el aumento de presión a cilindros de freno.
En el punto anterior ya se dijo que para evitar el agotamiento de los depósitos auxiliares de freno se impone un retardo en el afloje. Los distribuidores integran un conmutador que permite establecer dos valores distintos de retardos, el denominado cambiador de régimen. La selección de una u otra posición no afecta a la presión máxima de salida, si no al tiempo necesario para alcanzarla. La posición de “mercancías” se utiliza exclusivamente para trenes de gran longitud independientemente del tipo de transporte que realicen. Los cambiadores de régimen de todos los vehículos de un tren deben ir en la misma posición para evitar reacciones y sobreesfuerzos durante el frenado; y esa posición debe ser adecuada a la longitud del tren. La tabla siguiente indica los valores de retardo para ambas posiciones.
3 a 5 segundos
15 a 20 segundos
18 a 30 segundos
45 a 60 segundos
En trenes de viajeros de elevada velocidad se hace necesario mejorar la sincronización de los distribuidores mediante dispositivos electroneumáticos que aceleran la respuesta de la TFA, el denominado freno EP o sistema PWM que se estudiarán más adelante en éste capítulo.
Todos los distribuidores van dotados de una llave de aislamiento que permite desconectarlos de la TFA y de una válvula de vaciado de la reserva. El cierre de la llave de aislamiento tiene consecuencias diversas según el fabricante del equipo. Los distribuidores más utilizados en España son Charmilles (Ch) y Knorr (KE). El cierre de la llave de aislamiento en un distribuidor Charmilles ocasiona el enfrenamiento máximo del cilindro de freno, y para obtener su aflojamiento, una vez aislado, resulta imprescindible actuar sobre la válvula de purga hasta el completo vaciado del depósito de control. En los distribuidores Knorr el cierre de la llave de aislamiento ocasiona el aflojamiento completo del cilindro de freno. En ambos tipos de distribuidor el accionamiento de la válvula de purga ocasiona el aflojamiento del cilindro de freno por vaciado del depósito de control. Volvemos a recordar que la carga del depósito de control a través del paso calibrado de la válvula de corte requiere una espera de tres minutos para que el equipo recobre su eficacia. Siempre que se actúe la válvula de purga se deberá comprobar nuevamente la eficacia del distribuidor mediante la prueba correspondiente.
Los cilindros de freno consisten en un pistón de simple efecto que se desplaza por acción del aire comprimido, el desplazamiento del pistón es acompañado por el de un vástago solidario a él. El empuje del vástago sobre la timonería de freno transmitirá el esfuerzo a las zapatas. En algunas ocasiones se hace actuar al vástago sobre una bomba hidráulica para accionar, con una muy elevada presión del líquido de freno, pequeños bombines que actúan las zapatas contra los discos (ver apartado 3.3.2). En vehículos motores y automotores se emplean cada vez más los denominados bloques de freno, que integran en un solo cuerpo: soporte, cilindro de freno, timonería, ajustador de cerraje y portazapatas y, en ocasiones, el freno mecánico de estacionamiento. Lógicamente se precisan uno o dos de estos bloques por rueda. Más adelante se estudiará el funcionamiento de uno de estos dispositivos (Ver 5.3). Las siguientes figuras muestran la sección de un cilindro de freno en posiciones de afloje y freno.
Como se ve en las figuras anteriores, el cilindro consta de dos cámaras, una hermética destinada a recibir aire a presión y, la otra, a contener un muelle antagonista; el pistón es una pared móvil, dotada de una junta de estanqueidad, que lleva fijado el vástago que sobresale al exterior por la pared de cámara del resorte. El cilindro cuenta con unos anclajes que no se han representado en el dibujo.
El desplazamiento del pistón del cilindro de freno se hace llegar a la zapatas o guarniciones, que finalmente entrarán en contacto con las llantas de la ruedas o con los discos provocando un rozamiento que transformara la energía cinética y potencial del tren en energía calorífica. Eso se hace mediante conjuntos de palancas y tirantes que transmiten la energía del pistón a las zapatas denominados timonería de freno. En los bloques de freno todos los elementos son internos. Siempre encontraremos un regulador mecánico encargado de mantener constante la distancia entre zapata y rueda compensando el desgaste.
Es necesario adaptar la presión máxima de la zapata contra la llanta, o de la guarnición contra el disco, en función al coeficiente de adherencia de los elementos rozantes y de la masa del vehículo. Una presión excesiva en los elementos de freno, dado el bajo coeficiente de adherencia (acero – acero) de la rueda y el carril, se convierte con facilidad en un bloqueo de las ruedas que resta eficacia a la frenada y resulta destructivo para las llantas. Esa regulación, en los vehículos de masa variable, se consigue de varias formas, la más elemental es mecánica y consiste en variar el punto de aplicación de las palancas de la timonería mediante actuación directa sobre el denominado: cambiador manual de potencia. Otras soluciones son automáticas y consisten en variar la presión máxima enviada a los cilindros de freno, las veremos más adelante en este capítulo. El cambiador manual de potencia presenta dos posiciones: vacío y cargado. La posición “vacío” se utiliza cuando el vagón está vacío y hasta su media carga, la posición “cargado” se utiliza a partir de la media carga hasta la carga plena.
2 25 5 O I C A V
4 47 7
5 55 5 C A R G A D O 2 26 6
Con los cambiadores de potencia de dos posiciones: vacío / cargado, ya sean manuales o automáticos la eficacia del freno es del 100% para la masa de tara o la masa del cambio y se reduce a un 70 % para la masa próxima al cambio o la de plena carga. En ambos casos es fundamental para un buen funcionamiento del freno que los cambiadores adopten su posición correcta, un vagón cargado con el cambiador en posición “vacío” presentará una gran insuficiencia de freno. Un vagón vacío con el cambiador en posición “cargado” aplicará una fuerza a las zapatas superior a la necesaria pudiendo ocasionar el bloqueo de los ejes, lo que implica perdida de eficacia en la frenada y daños en la ruedas. Las figuras siguientes muestran la timonería básica de freno de un vagón en posiciones: aflojado y frenado. Los puntos de aplicación de la biela de carga (el detalle no se ha representado en las figuras) son variables en función de la posición vacío o cargado del conmutador de carga, recortando el brazo de palanca en el primer caso. La extensión automática del regulador se encarga de mantener constante la distancia entre zapata y rueda alargando la biela de mando para compensar las pérdidas por desgaste.
En el caso anterior, la salida de presión del distribuidor actuaba sobre el cilindro de freno y su vástago, solidario a una timonería mecánica aproximaba las zapatas de freno sobre las ruedas. Vamos a analizar aquí el convertidor neumático - hidráulico instalado en los trenes Talgo. La presión de aire de salida del distribuidor se utiliza para accionar un convertidor neumático hidráulico. Por el principio de Pascal, la presión neumática de entrada se multiplica de tal forma que, en el caso de una frenada máxima, los 3,8 bar se transforman en 85 bar a la salida del convertidor.
La elevada presión hidráulica, así obtenida, se utiliza para el accionamiento de los cilindros de freno. Gracias a ésta multiplicación, se puede obtener el mismo esfuerzo de frenado con cilindros de menor tamaño, facilitando su empleo en espacios reducidos.
Las válvulas relé sirven para gobernar, amplificar o reducir una señal neumática. En su diseño más básico disponen de una boca de alimentación conectada a la tubería de los depósitos principales, una boca de pilotaje por la que reciben una presión de mando y una boca de salida en la que se genera una presión proporcional a la de pilotaje. Además de una boca de evacuación para enviar a la atmósfera el aire utilizado al reducirse o cesar el pilotaje. Las siguientes figuras muestran las fases de trabajo de una válvula relé.
La boca de alimentación se encuentra conectada a presión y no existe presión ni en la boca de pilotaje ni en la de salida.
La llegada de aire a presión a la cámara de mando “pilotaje”, eleva el diafragma sin dificultad, dado que la cámara superior se encuentra comunicada con la atmósfera, y eleva al vástago hueco (solidario a ambos diafragmas) que empuja al obturador de la cámara de alimentación abriendo paso de aire hacia la salida de utilización.
La presión de salida de utilización, al mismo tiempo, penetra en la cámara inferior empujando su diafragma en oposición al pilotaje. Alcanzando el equilibrio, el obturador de alimentación tapona el paso del aire.
Al desaparecer el pilotaje, total o parcialmente, la presión ejercida por el aire de utilización sobre el diafragma superior vence a la resistencia de la presión de pilotaje sobre el inferior. El conjunto desciende y a través del vástago hueco comienza la evacuación del aire utilizado.
Una vez eliminada totalmente la presión de pilotaje, y consecuentemente la de utilización, la válvula regresa a su posición de reposo inicial.
Las válvulas relé similares a la vista con anterioridad desarrollan presiones de salida proporcionales a la de pilotaje, en función al diámetro de sus cámaras. Existen modelos que pueden variar su presión de salida atendiendo a la presión de pilotaje y otros factores de modificación. Las figuras siguientes muestran la sección de una de una válvula relé variable.
Las siguientes figuras muestran el desplazamiento del punto de apoyo de la palanca existente entre las cámaras de pilotaje y utilización por acción de un pistón de pesaje.
Al penetrar aire en la cámara de pilotaje, el pistón desciende y su vástago empuja la palanca, la basculación de la palanca empuja al vástago hueco de utilización abriendo el obturador y permitiendo el paso de aire hacia ese lado. Un mayor o menor desplazamiento del punto de apoyo por acción del pistón de pesaje, modificará el equilibrio alterando el valor de utilización.
La acción del aire de utilización sobre su diafragma, produce una fuerza que contrarresta la acción del aire de pilotaje en el punto de equilibrio macado por el pistón de pesaje. En ese momento se cierra el obturador de la cámara de alimentación.
La desaparición total o parcial de la presión de pilotaje ocasiona que la presión del aire de utilización haga descender a su diafragma, provocando la evacuación del aire utilizado a través del vástago hueco.
Mediante el empleo de una válvula relé variable con su boca de pilotaje unida a la salida del distribuidor de freno y su pistón de modificación gobernado por una válvula de pesaje, se puede variar la potencia de frenado de forma continua manteniendo la eficacia al 100% independientemente de la carga del vehículo. Existen vehículos (vagones) que disponen de éste sistema sin necesidad de emplear la TDP La figura siguiente muestra una instalación de estas características.
En el capítulo anterior se describió el funcionamiento de las electroválvulas de dos posiciones: excitada o desexcitada, y se apuntó la existencia de electroválvulas moderables; se ha dejado su estudio para este capítulo debido a su similitud con las válvulas relé. La figura siguiente representa una electroválvula moderable de acción inversa; la acción de pilotaje es realizada por un muelle y contrarrestada por un potente electroimán. El cese total de alimentación a la bobina permitiría la acción máxima del muelle tratándose, por tanto, de un montaje inverso. Cambiando la disposición del muelle y la bobina podría obtenerse una acción directa.
La disminución de la corriente de alimentación a la bobina del electroimán permite que el muelle empuje al vástago modificando el equilibrio del balancín. Eso provoca que el vástago de utilización abra el obturador permitiendo la entrada de aire de alimentación hacia la cámara de utilización.
El aire que invade la cámara de utilización presiona el diafragma forzando el descenso del vástago en oposición al resorte. Cuando la presión del aire iguala a la del muelle, el obturador cierra el paso entre la cámara de alimentación y la de utilización. El vástago hueco permanece cerrado sobre la base del obturador.
Cualquier incremento de la corriente de alimentación del electroimán ocasiona una reducción de la presión del muelle ocasionando la evacuación, total o parcial, del aire de utilización a la atmósfera a través del vástago hueco. La figura siguiente muestra ese momento.
Las electroválvulas moderables complementan o sustituyen al distribuidor de freno en los ejes motores de algunos vehículos, ya que permiten reemplazar el freno neumático sobre dichos ejes, por freno hidráulico o eléctrico y, después, permiten complementarlo a medida que su esfuerzo decrece por la velocidad u otra causa. También permiten gobernar paneles de mando de freno, de eso se hablará más adelante.
Para gobernar el freno automático mediante TFA se precisa un dispositivo capaz de introducir aire comprimido a presión de 5 bar y evacuarlo a la atmósfera de forma controlada. Existen diversos procedimientos: •
•
de naturaleza mecánico – neumática, apenas utilizadas en la actualidad salvo en cabinas auxiliares y líneas de segundo freno. gobernados mediante electroválvulas.
Ambos sistemas permiten ser manejados por mandos de posición o tiempo. Existen otros sistemas de control del freno neumático que no están basados en el uso de la TFA que se verán, más adelante, en éste capítulo. En la actualidad en España se exige que todos los trenes vayan equipados con TFA, aunque sea como segunda línea de freno, ciertamente eso facilita su remolque en caso de avería.
Existen distintos equipos de mando basados en este principio, que presentan diferencias según sus fabricantes. Veremos a continuación como ejemplo, mediante dibujos en sección, el funcionamiento de un panel simplificado. El corazón del sistema es la válvula relé de mando, compuesta (en esta versión simplificada) por tres cámaras, de arriba hacia abajo: cámara de equilibrio, cámara de TFA y cámara de alimentación. Esta válvula relé de mando, está pilotada por aire de control que suministra el depósito de equilibrio. El depósito de equilibrio (DE), es un recipiente que tiene las siguientes funciones: •
, dicho depósito es controlado mediante las electroválvulas de afloje y freno existentes en el panel (llenado y vaciado), ya que es más fácil poder controlar una pequeña cantidad de aire contenida en él, que no el aire que contenga toda la TFA, cuyo volumen variará dependiendo de la longitud de esta. Por tanto, el depósito de equilibrio, contendrá en todo momento la presión de referencia de la TFA.
•
, que se origina cuando se cierra bruscamente una válvula instalada en el extremo de una tubería de gran longitud. En una orden de freno, y una vez que se estabiliza la válvula relé de mando, las partículas de aire empujan a las que se han detenido por acción del cierre del paso, originando una sobrepresión en la cabeza de la TFA que los distribuidores interpretarían como AFLOJE, y una fuerte depresión
en cola de la TFA que produciría un apriete, produciendo así una descompensación dinámica de presiones. De no existir el depósito de equilibrio, se producirían unos movimientos de “acordeón” y las correspondientes reacciones en la composición, hasta que retornase el equilibrio de presión en la totalidad de la TFA. El depósito de equilibrio unido a la cámara de equilibrio de la válvula relé de mando, expansiona dicha cámara y estabiliza el efecto, manteniendo equilibrada la presión en la totalidad de la TFA. •
, mediante el desplazamiento de una prolongación que acciona unos contactos eléctricos.
La cámara de la TFA se encuentra unida con la tubería a través de una válvula de corte, que se encontrará pilotada con aire de alta presión siempre que la electroválvula de NEUTRO no esté alimentada y la llave de NEUTRO se encuentre abierta. La cámara de la válvula relé principal, o de mando, se encontrará permanentemente alimentada con aire de alta presión, siempre que la llave de alimentación del panel de mando de freno se encuentre abierta.
Si bien es cierto que estos pueden variar de un vehículo a otro, cualquier cadena de seguridad controlará, siempre a partir de un positivo de batería y un interruptor automático de control, los siguientes puntos: un presostato cerrara sus contactos cuando la presión de aire en la
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TDP alcance un valor mínimo de seguridad. (7 a 8 bar). un presostato diferencial vigilará, en todo momento, que el valor de presión
•
en DE no exceda 0.5 bar el de presión en TFA, una diferencia que supere esa magnitud se interpreta como corte de tren. En algunos vehículos ésta supervisión desaparecerá durante las paradas (V = 0 km/.). en posición no actuadas.
•
excitado o dispositivo de anulación actuado. (ASFA, ATP, LZB,
•
ETCS, etc.). •
excitado o dispositivo de anulación actuado.
Cuando esos requisitos y otros, si los hubiera, se cumplen dan lugar a la alimentación, excitación, de un relé de control de emergencias. Siempre que el relé de control de emergencias se mantiene excitado se mantiene alimentada una electroválvula de gran caudal, de emergencias y se suministra positivo para control del panel. En la cabina de conducción se deberán cumplir, al menos, los siguientes requisitos: • •
en posición SERVICIO. en posición: MARCHA o AFLOJE.
Cumplidos todos los requisitos anteriores, y en panel de mando que se ha tomado como ejemplo, la electroválvula de FRENO quedará permanentemente excitada y la de AFLOJE se excitará: •
•
hasta alcanzar la presión de 3.2 bar en el DE, a través de los contactos del presostato de PRECARGA. a voluntad del maquinista, por actuación del manipulador de freno a posición: AFLOJE.
Siempre que se cumplan las condiciones anteriores, para que comience la carga de la TFA será preciso introducir aire de pilotaje en la cámara de equilibrio. El aire de equilibrio procede de una válvula reductora de presión a 5 bar y se introduce mediante una electroválvula directa de AFLOJE, invadiendo el volumen del depósito de equilibrio – cámara de equilibrio. La electroválvula inversa de FRENO constituye un tapón de escape.
Resulta evidente que para realizar la carga ambas electroválvulas deberán encontrase excitadas, y eso será así siempre que se cumplan los requisitos de seguridad anteriormente enunciados; y otros si los hubiera. El aire que penetra en la cámara de equilibrio empuja el diafragma, y el vástago hueco unido a la misma empuja al obturador de la cámara de alimentación. El aire pasa de la cámara de alimentación a la cámara de la TFA y de esta hacia la tubería; la presión del aire de TFA sobre el diafragma contrarresta a la de EQUILIBRIO. Ver figura 62. Cuando se alcance el valor de 3.2 bar los contactos del presostato de PRECARGA abrirán cesando la alimentación a la electroválvula de AFLOJE.
Cuando el maquinista acciona el manipulador de freno a posición AFLOJE, la electroválvula de AFLOJE recibe nuevamente alimentación y continúa el proceso de carga hasta el valor máximo de presión suministrado por la válvula reguladora. El valor nominal es 5.0 bar; y la tolerancia admitida ± 0.15 bar. La figura siguiente ilustra el final de esta fase.
Al finalizar la carga, una válvula de realimentación pilotada a 4.8 bar mantiene la zona del DE en comunicación permanente con el aire de salida de la reguladora, permitiendo que la electroválvula de AFLOJE permanezca desexcitada y manteniendo el DE a 5 bar. La estabilidad del DE permitirá que la válvula relé principal recubra pequeñas fugas en la TFA. En otros paneles, el recubrimiento se consigue mediante un presostato que actúa sobre la electroválvula de afloje, manteniéndola excitada.
Para obtener el frenado del tren es preciso evacuar el aire de la TFA; el maquinista al accionar el manipulador de freno a posición FRENAR, interrumpe la alimentación a ambas electroválvulas: FRENO y AFLOJE. La desexcitación de la electroválvula de FRENO ocasiona el escape a la atmósfera del aire contenido en el DE. El escape de aire se produce a través de un depósito de 1ª depresión, que es un volumen calculado para reducir de forma casi instantánea la presión de DE en 0.5 bar, (recordamos aquí lo dicho sobre la sensibilidad de los distribuidores), desde ese depósito el aire sale a la atmósfera más lentamente a través de una válvula de control de flujo. El descenso de presión en DE hace que la presión en la cámara de TFA sea superior y empuje el diafragma librando de su asiento al vástago hueco, el aire de la TFA fluirá a la atmósfera a través de esa caña hasta que las presiones en ambas cámaras se vuelvan a igualar.
Accionando el manipulador de freno en uno u otro sentido el maquinista puede graduar la frenada dentro de su zona moderable (3,5 a 4,85 bar). La figura anterior muestra una situación de comienzo de frenada.
Cualquier interrupción de la cadena de seguridad provocará la actuación del frenado de emergencia, lo que supone la desexcitación de la electroválvula de emergencias y el corte de alimentación al panel. La TFA queda puesta a la atmósfera a través de la electroválvula de emergencias del panel de mando y de la válvula de urgencia, si fue activada manualmente. La existencia de varios puntos de evacuación provocará un vaciado más rápido de la tubería, acelerando la aplicación máxima de los frenos.
Durante la circulación de un tren sólo debe haber un mando de freno activo, la posición de NEUTRO en cada uno de los restantes paneles, los mantiene aislados de la TFA. La siguiente figura muestra un panel en posición: NEUTRO mediante mando eléctrico.
La excitación de la electroválvula de neutro interrumpe la alimentación a la válvula de corte; ésta en ausencia de pilotaje mantiene aislado el panel de la TFA. Vemos que idéntica acción se puede realizar, de forma manual, mediante el cierre de una llave de paso con vía de escape. Esta llave se utiliza cuando es necesario remolcar el vehículo. Aunque es evidente que el cierre de la llave de alimentación del panel produce idénticos resultados, no se debe hacer uso de ella con ese fin. También se debe usar la posición NEUTRO para realizar la prueba de estanqueidad de la TFA, esta consiste en: •
Cargar la TFA a presión de régimen y esperar tres minutos para el correcto llenado de todos los depósitos auxiliares.
•
Accionar el conmutador de control a posición: NEUTRO.
•
Controlar mediante el manómetro la presión de la TFA durante un minuto.
La presión de la TFA, en ausencia de recubrimiento, no deberá descender más de 0,3 bar durante ese tiempo. Descensos mayores implican una mala estanqueidad que deberá ser corregida.
La válvula relé de mando se ha dibujado muy simplificada para facilitar su comprensión, en la realidad poseen más cámaras, temporizadores neumáticos y obturadores compuestos de varias secciones. Las funciones que no se han representado son: • •
denominado también golpe de llenado. denominado también como ecualización.
Es una función que poseen los paneles de mando de las locomotoras no utilizada en automotores; su uso es indicado para el llenado rápido de la TFA en trenes de gran longitud, partiendo de una presión baja. Cuando el maquinista acciona el pulsador correspondiente, una electroválvula fuerza la apertura de un obturador de gran caudal que conecta la TDP con la TFA durante un tiempo reducido. En la TFA se producen sobrepresiones transitorias (superiores a 5 bar) que desaparecen sin consecuencias debido a la lenta respuesta de los depósitos de control de los distribuidores. No obstante, un uso prolongado del pulsador, o la aplicación de reiteradas pulsaciones, o el empleo cuando la presión en la TFA se aproxima a la de régimen, puede dar lugar a sobrecargas en los depósitos de control de los distribuidores que se traducirán en órdenes de freno residual cuando la presión en la TFA se estabilice en 5 bar.
La presión nominal de la TFA es de 5 bar y la tolerancia máxima admisible es de ± 0.15, por tanto dos equipos de mando de freno en el límite de tolerancia pueden causar diferencias de hasta 0.3 bar al
realizar un cambio de panel de mando de freno. Si el segundo panel de mando es el que suministra la presión inferior aparecerá un cierto enfrenamiento en la composición. Algunos paneles de mando disponen de una electroválvula de sobrecarga que permite subir la presión de la TFA en 0.4 bar sobre la de régimen y un circuito temporizador que la devolverá al valor nominal en un tiempo aproximado de 3 minutos, recordamos aquí lo dicho anteriormente sobre la sensibilidad de los distribuidores, consiguiendo el nivelado de los depósitos de control a la nueva presión de mando. Para su uso, el maquinista actúa sobre el interruptor correspondiente y observa el manómetro de la TFA, cuando la presión se eleva a 5.4 bar desconecta el interruptor y durante 3 minutos evita accionar el manipulador de freno. Si la sobrecarga está dentro de los valores de tolerancia el enfrenamiento desaparecerá. (Una sobrecarga causada por mal uso del aflojamiento rápido no podrá ser eliminada por éste procedimiento).
Mediante el empleo de electroválvulas moderables resulta posible construir paneles de mando de freno en los que el maquinista controla la presión en la TFA mediante el desplazamiento de un cursor, dado que la posición del cursor indica el grado de freno se denomina a estos paneles como de mando analógico.
En el apartado correspondiente al distribuidor se indicaron los problemas de sincronización que estos presentan en trenes de gran longitud. Por ese motivo, se desarrolló un sistema de accionamiento rápido que solventa este problema. El sistema adoptado es muy simple, consiste en dos electroválvulas de mando directo situadas en cada uno de los coches, según la disposición de la figura siguiente:
Vemos una electroválvula de afloje que puede conectar la TDP con la TFA a través de una válvula reguladora de presión y de una válvula de retención; y otra electroválvula de freno que puede comunicar la TFA con la atmósfera. El gobierno de estas electroválvulas se realiza mediante una línea de mando compuesta por cuatro hilos eléctricos que recorre toda la composición. Los hilos de mando son: positivo de freno, positivo de afloje, retorno y negativo. Unos contactos eléctricos asociados a la válvula relé de mando del panel de freno cambian su posición en función del equilibrio o desequilibrio de las cámaras DE / TFA. Cuando la presión en DE es mayor que la presión en TFA, orden de aflojar, se alimenta con positivo el hilo correspondiente. Todas las electroválvulas de afloje reciben alimentación y el llenado de la TFA se producirá a través del panel de mando de freno y de todas las electroválvulas de afloje. Se obtiene así un llenado más rápido y uniforme, las figuras 67 y 68 muestran esa situación. Cuando la presión en DE es menor que la presión en TFA, orden de frenar, se alimenta con positivo el hilo correspondiente. Todas las electroválvulas de freno reciben alimentación y aceleran el vaciado de la TFA conectándola a la atmósfera, las figuras 69 y 70 muestran esa situación. Cuando la presión en DE es igual a la presión en TFA ninguno de los hilos recibe alimentación, el recubrimiento de pérdidas se realiza únicamente a través del panel de mando de freno, las figuras 71 y 72 muestran esa situación. Los vehículos que cuentan con este dispositivo disponen de unos presostatos conectados a la TDP cuyos contactos abrirán con presencia de presión, eso permite asociar a la orden de frenar un circuito de retorno hacia el vehículo de mando que solo puede suceder a través de la cola, dado que son los únicos que no están sometidos a presión. Una interrupción en la línea de mando ocasionará una pérdida de retorno que será interpretada como avería y advertida al maquinista de alguna manera, ver figura 70. La detección de una avería en el mando electroneumático requerirá la desconexión eléctrica del mismo y, posiblemente, implicará una reducción reglamentaria de velocidad, pero no afectará en absoluto al funcionamiento neumático del freno. El empleo de electroválvulas directas para freno se hace en previsión de posibles interrupciones de la línea de mando durante la circulación del tren que, en caso de ser inversas afectarían a la TFA. Esto es admisible dado que se trata de un dispositivo complementario instalado en vehículos convencionales cuyo mal funcionamiento no debe afectar a la TFA, que es quien garantiza la continuidad del freno. Por ese motivo las pruebas de freno se deben realizar con el mando electroneumático desconectado.
La figura siguiente muestra la evolución de las presiones en la TFA y en los cilindros de freno; obsérvese la diferencia en los tiempos de reacción con y sin mando de freno electroneumático conectado.
La evolución tecnológica en el ámbito de la electrónica, ha hecho posible crear una forma de control de los frenos de los trenes, que elimina una serie de elementos hasta ahora necesarios para su funcionamiento, haciendo que sea más seguro y rápido. Un generador de señal PWM, es un elemento que procesa y transmite una señal eléctrica que reciben unos convertidores electro/neumáticos, los cuales se encargan de traducir dicha señal eléctrica en una presión de aire en cilindros de freno. PWM (Señal modulada en ancho de impulsos), nace de la necesidad de enviar un valor de consigna modulable (para tracción o freno) con precisión, a una distancia que con voltaje analógico sería menos fiable, dada la caída de tensión que se produciría en un circuito eléctrico largo.
Imaginemos que queremos gobernar un equipo de freno mediante convertidores electro/neumáticos que trabajen entre 0 y 72 voltios, regulados por una presión de referencia entre 0 y 5 bar. La tensión generada será proporcional a la presión de mando, sin embrago la caída de tensión en la línea de mando hará que los últimos equipos no reciban el mismo voltaje y, por tanto, no funcionen correctamente.
Si en lugar de esto, la señal tiene siempre el mismo voltaje, pero lo que se varía es su ancho de pulso (un ancho de pulso mayor implica un menor esfuerzo de frenado y, la ausencia de señal da lugar a un frenado máximo), no importa el voltaje que reciban los últimos equipos, ya que la referencia para los convertidores electro/neumáticos es el ancho de pulso, que no variará pese a la caída de tensión. Esta señal ofrece una gran fiabilidad en composiciones de gran longitud. Los elementos que pueden componer el conjunto de control de freno son: • • • •
Manipulador de freno de servicio Generador de señal PWM Convertidor electro/neumático (CEN) Electroválvulas moderables
El principio de funcionamiento es el siguiente: un manipulador de freno da una orden eléctrica al generador de señal PWM, éste procesa y genera la señal PWM que envía a los CEN (convertidores electro/neumáticos). En función de la señal de referencia que recibe el CEN, éste suministra una tensión proporcional que la electroválvula moderable se encarga de traducir en órdenes de presión a los cilindros de freno.
La imagen siguiente muestra el esquema característico de un vehículo dotado de control de freno mediante señal PWM.
Mandos Mandos
Indicadores Indicadores PWM
IMPULSOS RUEDAS FÓNICAS
Control Control Tracción Tracción
Control Control vehículo vehículo
Control Control Freno Freno
D/A D/A
D/A D/A
El maquinista desde el mando, o mandos, da órdenes de tracción o frenado, el control del vehículo analiza dichas órdenes y conjuga el freno eléctrico de los motores, con el freno neumático en los ejes portadores.
Como ya se dijo al principio, la máxima eficacia del freno sólo puede ser obtenida cuando el tren posee de un dispositivo que permite controlar la presión de las zapatas ajustándola al estado de adherencia. Cada eje dispone de un tacógenerador compuesto por una rueda fónica y un sensor magnético, una unidad electrónica de antideslizamiento recibe información del giro de cada eje. Dicha unidad gobierna unas electroválvulas de actuación rápida, capaces de bloquear la alimentación de aire comprimido a cada cilindro de freno y de evacuar la presión. Durante el frenado, la unidad de antideslizamiento compara las lecturas de todos los ejes y las contrasta con unas pautas de deceleración predefinidas. Si alguno de ellos retrasa su giro, interrumpe la alimentación de aire comprimido al cilindro de freno correspondiente y, en el instante siguiente, si persiste el bloqueo, purga parcialmente el cilindro. Una vez normalizada la situación permite nuevamente el paso de aire a presión máxima. La siguiente figura muestra uno de estos equipos.
Las modernas unidades electrónicas basadas en microprocesadores son capaces de detectar el bloqueo simultáneo de todos los ejes y de corregirlo liberando completamente uno de ellos durante un instante para obtener lectura.
Se emplean en algunos vehículos motores, generalmente locomotoras, para facilitar la realización de maniobras y para asegurar la inmovilidad durante el arranque y en otros momentos en que se precise. El control del freno directo se suele realizar mediante una sencilla válvula de actuación manual dotada de tres posiciones: • • •
La siguiente figura muestra una configuración característica de freno directo.
Una alimentación de la TDP llega a una válvula reguladora de presión y a la cámara de alimentación de una válvula relé. El aire a presión reducida se puede enviar, mediante una válvula de mando, a pilotar la válvula relé de freno directo. A la salida de la válvula relé, una válvula selectora conecta con el cilindro de freno siempre que la presión procedente del distribuidor sea menor. Las siguientes figuras muestran las tres posiciones de la válvula de mando.
La presión máxima que se puede enviar mediante este dispositivo a los cilindros de freno suele estar comprendida entre 3 y 3,5 bar y su regulación es totalmente manual. En algunos vehículos la válvula de mando mecánica, mostrada en las figuras anteriores, se sustituye por un mando eléctrico, que dispone de las mismas posiciones, desde el que se gobiernan dos electroválvulas para frenar y aflojar. Se consigue de ésta manera que el freno directo pueda ser utilizado con vehículos acoplados en mando múltiple.
En previsión de averías eléctricas en los paneles de mando de freno electroneumáticos, se dispone de una instalación de freno de auxilio que permite controlar de forma manual el llenado y vaciado del depósito de equilibrio mediante una válvula mecánica. En las locomotoras es habitual utilizar, a tal fin, el manipulador de freno directo, conmutando sus conexiones mediante una válvula de freno de auxilio; los automotores suelen disponer de un manipulador auxiliar que, en condiciones normales, permanece inactivo y que se conecta al circuito neumático mediante una llave de auxilio, mecánica o eléctrica. Las figuras siguientes muestran un montaje característico de una locomotora.
Las dos primeras imágenes representan la posición “NORMAL” de la válvula de auxilio, la boca (3) del manipulador de freno recibe aire procedente de la TDP a presión reducida entre 3 y 4 bar, según vehículo, la conexión de la boca (3) con la boca (2) provoca la entrada de presión a la cámara de pilotaje de la válvula relé de freno directo. Las bocas 1, 2 y 7 de la válvula de auxilio permanecen obturadas.
La conexión de la boca (2) del manipulador, con la boca (1) permite la evacuación a la atmósfera del aire de pilotaje de la válvula relé de freno directo.
El giro de la llave a posición “AUXILIO” produce la siguiente conmutación: La cámara de pilotaje de la válvula relé de freno directo queda conectada con la atmósfera, quedando el freno directo aflojado y fuera de servicio. Las bocas 3 y 6 de la válvula de auxilio quedan obturadas. A través de la boca (2) de la válvula de auxilio se hace llegar aire a presión reducida a 5 bar hasta la boca (1) del manipulador mediante una derivación de la válvula reductora del panel. A través de la boca (2) del manipulador se hace llegar aire a presión máxima de 5 bar a la válvula relé de mando para el llenado del depósito de equilibrio. Los contactos eléctricos cerrados por acción de la llave, sirven para mantener excitada de forma permanente la electroválvula de freno, evitando la puesta a la atmósfera del depósito de equilibrio.
La conexión de la boca (2) del manipulador de freno con la boca (3) producirá la evacuación del depósito de equilibrio a la atmósfera con el subsiguiente descenso de presión en la TFA.
En cualquier momento, tanto del proceso de llenado como en el de vaciado del depósito de equilibrio, el paso del manipulador a la posición central “RETENCIÓN” dejará estanco al depósito de equilibrio en el valor deseado. Durante el uso del freno de auxilio se deberá poner especial cuidado en las maniobras del manipulador dado que la regulación de presión de DE / TFA puede resultar algo más brusca que mediante el mando normal.
Los frenos complementarios se usan para reforzar, o sustituir parcialmente, el frenado automático y regular la velocidad en perfiles descendentes. Se puede establecer una clasificación de los mismos en: :
•
o
Eléctricos
o
Hidráulicos
o
Magnéticos de corrientes de Foucault :
•
o
Magnéticos de patín
Pertenecen a este grupo aquellos que utilizan los motores de tracción, como generadores de corriente continua o como alternadores; y son utilizados en vehículos eléctricos o diesel / eléctricos. Cuando el vehículo motor o el tren circulan por efecto de la inercia, se desarrolla una potencia mecánica y las ruedas motrices transmiten un movimiento de giro a los inducidos de los motores (motores de corriente continua) o los rotores (motores de corriente alterna). Si en ese momento se alimentan los devanados inductores de los motores de tracción estos trabajarán como dinamos en el caso de los motores de corriente continua, o como alternadores en el caso de los motores síncronos de corriente alterna. Para que los motores asíncronos puedan trabajar como alternadores es preciso crear una corriente alterna de frecuencia variable e inferior a la de sincronismo mediante onduladores de potencia. La energía eléctrica producida se opone al movimiento de giro ejerciendo así un esfuerzo de frenado. Se denomina freno eléctrico a aquel que utilizando los motores de tracción como generadores o alternadores, convierte la energía cinética o potencial, o ambas simultáneamente, en energía eléctrica. La oposición al movimiento de giro es tanto mayor cuanto más elevada sea la producción de corriente eléctrica, graduando ésta producción se obtiene un freno moderable y progresivo que resulta útil en una amplia gama de velocidades, evitando desgastes innecesarios de las zapatas y el calentamiento de las llantas.
La energía eléctrica así producida, debe ser consumida de alguna manera, ya que su almacenamiento actualmente no resulta viable, esto se consigue de dos maneras: , cuando la energía eléctrica se convierte en energía calorífica mediante
•
resistencias en el propio vehículo. , cuando la energía eléctrica se envía a la línea para su utilización por otros
•
trenes. Algunos vehículos motores se sirven de ambos procedimientos consumiendo en resistencias la energía que no puede ser asimilada por la línea. La figura siguiente muestra un esquema básico de freno reostático autoexcitado en motores de corriente continua, en el que los motores funcionan como generatrices en serie autoexcitadas. Los campos de los motores deben estar cruzados para evitar inestabilidades.
Un diseño como el representado en la figura anterior presenta dos inconvenientes: •
Tiempo de respuesta inicial elevado, transcurrirán varios segundos desde la solicitud de freno.
•
Difícil control del esfuerzo de frenado a velocidades bajas.
El primer inconveniente se soluciona añadiendo un circuito de premagnetización alimentado por la batería para proporcionar corriente a los campos de los motores en los momentos iniciales. Ambos inconvenientes pueden ser superados con el empleo de circuitos de excitación separada. Los motores síncronos se convierten en alternadores con sólo alimentar con corriente continua sus rotores. Los motores asíncronos cada vez más populares, requieren la asistencia de complejos circuitos electrónicos para funcionar como alternadores.
Los frenos hidráulicos (hidrodinámicos) son propios de vehículos diesel con transmisión hidráulica, y también mecánica (retarder), una carcasa de freno contiene una turbina conectada a la transmisión que gira enfrentada a otra fija. En las siguientes figuras se muestra de forme esquemática el principio de funcionamiento de los frenos hidrodinámicos. Mediante la bomba representada a la derecha de la figura se mantiene un flujo constante de aceite entre esta y la válvula reguladora. La introducción de una cierta cantidad de aceite en la carcasa de freno de la transmisión hidráulica generará una fuerza de frenado proporcional a la cantidad de aceite (ver figura 87).
El aceite operante en la carcasa de freno sufrirá una importante elevación de temperatura, producto de la conversión de la energía cinética y/o potencial del tren en calorífica, esta energía se disipa en un intercambiador de calor normalmente refrigerado por agua del circuito de refrigeración del motor. La circulación entre el convertidor de freno y el intercambiador de calor se produce de forma natural debido a la presión generada por el propio batido del aceite.
La regulación del freno se gradúa controlando la cantidad de aceite contenido en la carcasa, para su eliminación basta con devolver todo el aceite al cárter (ver figura 82).
Los frenos dinámicos, eléctricos o hidráulicos, basan su eficacia en la adherencia rueda / carril de los ejes motrices, resultando, por tanto, incompatibles con el uso de freno neumático sobre los mismos ejes. Los vehículos actuales incorporan dispositivos adicionales que constituyen unidades electrónicas de control de freno y antideslizamiento, como por ejemplo centrales informáticas de control de freno, blending, etc. que permiten mediante la lectura continua del estado de giro del eje con tacogeneradores, aplicar de forma mixta freno eléctrico y neumático, obteniendo así una máxima eficacia sin llegar a bloquear el eje.
Su accionamiento depende de cada vehículo, siendo habitual disponer de un mando, generalmente el mismo regulador, para su uso manual. También se suele producir de forma automática en respuesta a cualquier demanda de freno neumático del tren, denominándose freno conjugado.
Mandos Mandos
Indicadores Indicadores PWM
IMPULSOS RUEDAS FÓNICAS
Control Control vehículo vehículo
Control Control Tracción Tracción
Control Control Freno Freno
D/A D/A
D/A D/A
En algunos vehículos, tanto su uso manual como automático, inhibe el freno neumático sobre los ejes afectados. En otros vehículos, el freno dinámico se complementa de forma automática con freno neumático cuando decrece la eficacia del primero. Y como se ha comentado al principio, en otros vehículos la gestión del freno depende del esfuerzo de consigna requerido, fijando el freno dinámico como preferente y complementándolo con el neumático cuando así se requiera.
Se trata de una versión ferroviaria de los retardadores eléctricos empleados en vehículos pesados de carretera, se han ensayado en diversos países: Japón, Alemania, Francia, etc., pero nunca en España. Consisten en un estator formado por electroimanes y un rotor de metal permeable al electromagnetismo que gira próximo pero sin contacto con el estator. El rotor gira accionado por el movimiento del vehículo a través de la transmisión. Los electroimanes del estator se energizan de forma gradual atendiendo a la demanda, se obtiene así una potente fuerza de frenado sin rozamiento ni desgaste utilizando el principio de frenado por corrientes de Foucault. En su uso ferroviario se han utilizado dos versiones: una rotativa que emplea las ruedas del vehículo como disco rotor sometiéndolas a la acción de unos potentes electroimanes; y otra lineal que utiliza los carriles como cierre del circuito magnético de unos electroimanes instalados sobre largueros paralelos y próximos al carril, los electroimanes se montan alternando sus polaridades. Ambos sistemas proporcionan un freno moderable, si bien con comportamiento distinto en función de la velocidad y comparten el inconveniente de introducir una apreciable masa no suspendida en el bogie. El sistema lineal, además, eleva de forma apreciable la temperatura de los carriles y puede ser causa de interferencias en algunos sistemas de señalización.
Consisten en unos largueros (patines) en los que se han instalado unos electroimanes. Van montados bajo el bastidor del bogie paralelos al carril en una posición elevada, y disponen de un mecanismo que permite su descenso hasta entrar en contacto con el carril. Actúan en parte por magnetismo y en parte por rozamiento, no son frenos moderables y su empleo queda limitado a reforzar la acción de otros sistemas durante el frenado de emergencia. Dado que su eficacia no se basa en la adherencia rueda / carril resultan compatibles con cualquiera otro sistema de frenado del tren. Estos frenos reducen considerablemente la distancia de frenado.
La figura anterior muestra el freno de patín activado, su descenso se obtiene mediante la introducción de aire comprimido en los cilindros, el patín no ejerce ninguna presión sobre el carril, sólo baja hasta rozar, los electroimanes se energizan con corriente de la batería obteniéndose así una alimentación segura e independiente de la línea. Además de aportar su acción por magnetismo y rozamiento, mejoran la eficacia de los restantes sistemas de frenado por la acción limpiadora que ejercen los patines sobre los carriles. Su empleo está limitado en el tiempo mediante un circuito temporizador y un contacto tacométrico impide su utilización a velocidades bajas (15 a 20 km/h). La posición elevada de no aplicación, se obtiene mediante muelles tan pronto como se interrumpe la alimentación neumática, simultáneamente un contactor corta la alimentación a los electroimanes (ver figura siguiente).
Los frenos de estacionamiento se usan para mantener detenido el material una vez que el freno automático pierde su eficacia, eso se puede conseguir de diversas maneras, distinguiremos dos formas básicas: •
Frenos de mano
•
Frenos de resorte acumulador
Ambos procedimientos actúan sobre las timonerías de freno de forma manual o automática.
Habitualmente consisten en un husillo o en un cabrestante que, mediante un enlace rígido o flexible (cadena, cable de acero, etc.), tensa la timonería de freno por actuación manual sobre un volante, manivela, o palanca. Las figuras siguientes muestran un montaje simple con husillo.
Accionando la manivela se hace girar un husillo ocasionando el desplazamiento longitudinal de un casquillo roscado al que unas guías impiden rotar. Mediante el giro a derechas el desplazamiento de dicho casquillo tensa la timonería (Ver figura 94).
Para acceder a las timonerías instaladas en vehículos dotados de freno de discos, se hace preciso el empleo de transmisiones elásticas conectadas a un dispositivo de tensado instalado en el bogie, recurriendo en ocasiones a sistemas hidráulicos como el representado en las figuras siguientes.
Encontramos en el interior del tren: un depósito de aceite, una válvula de distribución, una bomba de aceite de accionamiento manual y un manómetro para comprobación; y en el bogie un motor hidráulico con un mecanismo de husillo. El sentido de accionamiento de la bomba de aceite es único y se obtiene mediante el giro a derechas de una manivela, el motor sin embargo es reversible y girará hacia un lado u otro en función de la posición seleccionada en la válvula distribuidora, el giro transmitido por el motor al husillo apretará o aflojará las mordazas del freno, mediante el manómetro se puede observar la eficacia del bombeo. Normalmente el equipo se complementa con unos contactos eléctricos de final de carrera del husillo que permiten determinar mediante el encendido de unas lamparitas el estado de apriete o afloje del freno.
Cada vez son más los vehículos que disponen de bloques de freno en sus ejes. Estos equipos agrupan en una unidad compacta para fijar en el bogie: el cilindro de freno, la palanca multiplicadora, el regulador de desgaste y el portazapatas.
Algunos modelos de bloque de freno disponen de una cámara adicional dotada de un muelle acumulador que mantiene apretado, de forma mecánica, el freno en ausencia de presión de aire comprimido, otros poseen una palanca que permite el tensado de la timonería mediante un cable de acero, de forma similar a la vista anteriormente. Se ha dejado su estudio para éste capítulo dado que las unidades dotadas de muelle acumulador para freno de estacionamiento presentan ciertas particularidades que conviene conocer. Su funcionamiento normal resulta muy sencillo y presentan la ventaja de aplicarse de forma automática en ausencia de presión de aire comprimido en el vehículo. Las figuras siguientes dan una idea aproximada del funcionamiento de uno de esos bloques, aunque se ha simplificado el mecanismo de enlace entre el freno neumático y el mecánico para facilitar su comprensión.
En la figura anterior no existe presión en el cilindro de freno, freno neumático aflojado y sí en la cámara del resorte acumulador (representado en color naranja), el muelle está comprimido y por tanto no existe freno mecánico. Los frenos de estacionamiento de muelle acumulador se aflojan inyectando aire comprimido en el cilindro correspondiente. La figura siguiente muestra la situación de freno neumático apretado (el aire en el cilindro de freno se ha representado en color azul) y el resorte acumulador se encuentra comprimido. El mecanismo de empuje del cilindro de freno está conjugado con el mecanismo de tracción del resorte, de tal forma que se produce la actuación sobre la palanca multiplicadora. El cilindro de freno dispone de un muelle de recuperación.
Al desaparecer la presión de aire en ambas cámaras, la del cilindro de freno y la del resorte acumulador, la distensión del resorte acumulador arrastra el mecanismo de aplicación del cilindro de freno y mantiene apretado el freno mediante la energía acumulada en el resorte.
Una vez vistas las posiciones básicas de uno de estos bloques: aflojado, frenado neumático y frenado mecánico, las siguientes figuras muestran el montaje neumático de los bloques de freno en el vehículo. Aunque se ha representado un sólo bloque, cada rueda llevará uno o dos y no todos ellos irán necesariamente provistos de muelle acumulador.
Mediante una electroválvula directa excitada se hace llegar aire a presión reducida (de 5 a 6 bar) para comprimir el muelle acumulador; obsérvese que el aire pasa a través de una válvula selectora conectada con la tubería de alimentación neumática al cilindro de freno. La presión del aire de aflojamiento del freno de estacionamiento se comprueba mediante un interruptor de presión. En la figura siguiente el bloque se encuentra totalmente aflojado.
En la figura siguiente se mantiene la situación descrita anteriormente para el muelle acumulador, freno de estacionamiento aflojado, pero al cilindro de freno le llega aire procedente de la válvula relé de freno automático, el freno neumático se encuentra apretado. El aire podría llegar al cilindro de freno desde la válvula relé de freno directo, por ese motivo se instala una válvula selectora entre ambas posibles entradas. La presión en el cilindro de freno será siempre inferior a la presión de afloje del freno de estacionamiento y mientras se mantenga excitada la electroválvula de aflojamiento la válvula selectora que une su salida con el cilindro de freno no se conmutará.
Cuando se actúa el interruptor de aplicación del freno de estacionamiento se corta la alimentación a la electroválvula de mando, interrumpiendo la llegada de aire a la cámara del resorte, no obstante mientras exista presión de aire en el cilindro de freno dicha cámara permanecerá sometida a presión a través de la válvula selectora. Se evita de esta forma el sobreesfuerzo que ocasionaría en el mecanismo la aplicación simultánea de freno neumático y mecánico, lo que se conoce como sistema “anticompound”.
La desaparición gradual de la presión en el cilindro de freno irá permitiendo la extensión del resorte y el freno neumático será sustituido por el mecánico de estacionamiento. La figura siguiente muestra la situación final de dicho proceso.
En ocasiones, bien por avería o bien para remolcar el vehículo, se hace necesario aflojar el freno de estacionamiento por muelle acumulador de forma manual; esto se debe hacer respetando las instrucciones del manual de vehículo y se puede resumir en los siguientes pasos: 1. Se debe asegurar la inmovilidad del vehículo mediante calzos o enganchándolo a otro material que pueda permanecer frenado. 2. Se deben cerrar las llaves de alimentación a las cámaras con resorte y esperar su completo vaciado por el orificio de escape si contuvieran aire a presión. Estas llaves suele ir situadas en los bogies, hay vehículos que disponen de una sola llave para cada bogie y otros que disponen de llaves independientes para cada bloque de freno. 3. Se debe aflojar completamente el freno neumático del vehículo: directo o indirecto (la situación final debe ser la representada en la figura 104). 4. Se debe actuar sobre el tirador, de forma enérgica, ya que libera un mecanismo dentado que entra en rotación y puede sufrir desperfectos si no suelta de una sola vez; y esperar el completo aflojamiento (la situación final se representa en la figura siguiente).
Dado que un vehículo suele disponer de dos o cuatro bloques de freno con muelle acumulador por bogie, es esencial actuar sobre todos ellos y comprobar su completo aflojamiento. Está actuación permitirá una perfecta funcionalidad neumática de los ejes afectados, pero manteniendo el freno de estacionamiento desactivado, hasta su reactivación.
Una vez desactivado el muelle acumulador por el procedimiento descrito el cilindro de freno funcionará con total normalidad mientras permanezcan las llaves de aislamiento cerradas. Con el muelle acumulador completamente distendido el mecanismo neumático no se puede volver a juntar con el mecanismo de estacionamiento, la figura siguiente muestra esa situación.
