Infraestructuras Material Movil Material Movil Plaja 1.3.13

I edición del curso de especialización en:

INGENIERÍA FERROVIARIA Del 1 de febrero al 17 de mayo de 2013 v  MÓDULO: 2. Infraestructura y material móvil v  TEMA: 4. Material móvil (motor y remolcado) v  FECHA: 1 de Marzo de 2013 v  PROFESOR: Joaquim Plaja Martí

MATERIAL MÓVIL

Shinkansen, Serie 700. Al fondo, el Monte Fujiyama

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Material móvil Ø 

Generalidades §  Definición de tren §  Clasificación de trenes §  Tipos de vehículos ² Locomotora ² Tractores ² Material remolcado §  Ancho de Vía §  Interfase del tren con la infraestructura §  Ferrocarril Metropolitano §  Otros sistemas de trasporte

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Material móvil Elementos principales del material ferroviario §  Caja §  Bogie §  Ejes y ruedas Ø  Aparatos de tracción y choque §  Enganches (semipermanentes y automáticos) Ø  Equipos de tracción ferroviaria §  Evolución de la tracción -> Motor eléctrico §  Características de la tracción eléctrica §  Sistemas de tracción de un tren Ø 

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Equipos de freno §  Características del frenado §  Tipos de freno de un vehículo ferroviario

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Material móvil

GENERALIDADES

ICE-350 E, AVE, Serie 103

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Material móvil F 

1.- Tren

Se denomina material rodante a todo aquel vehículo dotado de ruedas capaz de circular sobre una vía férrea. Llamamos comúnmente tren a un conjunto de vehículos (o a veces un único vehículo) destinado al transporte ferroviario que circulan unidos entre si por una infraestructura ferroviaria. Un tren puede estar formado por: Un único vehículo (locomotora o automotor). Una o varias locomotoras remolcando un conjunto de coches o vagones.

Uno o varios “trenes autopropulsados” unidos entre si.

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Material móvil F  2.- Clasificación de trenes Según su estructura, los trenes pueden clasificarse en varios grupos: Ø Trenes convencionales o remolcados (una locomotora o varias remolcando varios coches o vagones). La composición puede variarse añadiendo o quitando coches o vagones y locomotoras. Ø Trenes autopropulsados*. El tren está formado por unos o varios “trenes autopropulsados”, cada uno de los cuales tiene tracción y espacio para los pasajeros. *No conviene llamarlos automotores (es una clase de tren autopropulsado de un único vehículo)

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Material móvil Con la aparición de los trenes autopropulsados, la distinción entre material motor y remolcado queda un poco confusa. Adicionalmente se puede también distinguir en trenes de Alta Velocidad y trenes convencionales. Según la Directiva 96/48/EC, 23 de julio de 1996, los trenes de Alta Velocidad de tecnología avanzada deberán estar concebidos para garantizar una circulación continua y segura: §  A velocidades mínimas de 250 km/h en las líneas construidas especialmente para la circulación a Alta Velocidad, pudiéndose al mismo tiempo y en las circunstancias adecuadas, alcanzar velocidades superiores a 300 km/h. §  A velocidades del orden de los 200 km/h en las líneas existentes acondicionadas especialmente para permitir la circulación de este tipo de tráfico. §  A la velocidad lo más alta posible en el resto de las líneas. 9

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Serie S-100 . Alstom

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Serie S-102 Talgo/Bombardier

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Serie S- 103. Siemens

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Material móvil Los trenes autopropulsados pueden clasificarse en: Trenes de tracción concentrada: Cuando tienen una o varias locomotoras (llamadas motrices) acopladas permanentemente al tren. Ej: Tren AVE (algunas composiciones), Euromed.

Trenes de tracción distribuida. Cuando los motores no van en una locomotora o motriz, sino en un coche con viajeros llamado coche motor. Ej: Serie 103, Civia, Alaris, etc.

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Material móvil Con la aparición y especialmente con la evolución de la Alta Velocidad surge una nueva tecnología en cuanto a tracción se refiere. Los trenes pasan de ser una “unión” entre una locomotora, es decir, una cabeza tractora (tracción concentrada) y un conjunto de unidades remolcadas, a ser un tren autopropulsado. La rama autopropulsada puede llevar la tracción en cabeza o a lo largo del tren. El primer caso es la llamada tracción concentrada y el segundo, tracción distribuida. Se ha comprobado que para velocidades mayores de 300 km/h aparecen sobrecargas dinámicas en trenes de tracción concentrada que no favorecen al mantenimiento de la calidad geométrica de la vía, muy cuidada en Alta Velocidad. 14


3.- Tipos de vehículos v  Vehículos

motores Ø Locomotoras (también llamadas máquinas y motrices). Sólo para tracción y mando Ø Tractores (Locomotoras de maniobras o para lanzaderas) Ø Vehículos para transporte Ø Coches, cuando son para viajeros Ø Vagones, cuando son para mercancías Ø Furgones, cuando son para paquetería, correo, equipajes y otros servicios

v  Vehículos

mixtos Ø Vehículos de trenes autopropulsados que tienen tracción y además trasportan viajeros (o mercancías). Se suelen llamar coche motor. 15

Material móvil ü 

LOCOMOTORAS Una locomotora es un vehículo motor para el remolque de trenes. § 

Por el tipo de tracción puede distinguirse entre: §  Eléctricas §  Diesel (diesel eléctricas o diesel hidráulicas) §  También ha habido de vapor y de turbina de gas

§ 

Por el rodaje (número y disposición de ejes), las locomotoras modernas diesel o eléctricas pueden ser: §  BB (tienen una masa normalmente de 80 a 90 t) §  CC (masa de 120 a 140 t) §  BBB (masa de 120 a 140 t).

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Material móvil La locomotora se asienta sobre un bastidor que soporta la carrocería y todo el equipamiento (cabina de conducción, generadores auxiliares, compresor para el sistema de freno, etc). El bastidor descansa sobre los bogies; estos tienen, por lo general, respecto del bastidor un movimiento de rotación alrededor de un punto pivote. § 

El bogie es un conjunto formado fundamentalmente por una estructura o bastidor, de acero soldado o fundido, los ejes con el rodado (pares montados), la suspensión y los motores de tracción.

§ 

Los bogies son de 2, 3 o excepcionalmente de 4 ejes. Cuando todos los ejes son motores, el bogie se denomina B, C o D según posea 2, 3 o 4 ejes respectivamente. 17

Material móvil LOCOMOTORAS ELÉCTRICAS esquemas de rodado

BB

CC

BBB

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Material móvil La potencia de las locomotoras oscila entre los 3.100 kW (máquinas pequeñas de línea) como la 269, y los 5.600 kW como la 252. ¡Ojo! la potencia es un compromiso entre fuerza y la velocidad, pero para lograr fuerza de arrastre hace falta, además, adherencia. Y esa se consigue con más masa. P (watt) = F (Newton).v (m/s) En ferrocarriles las unidades prácticas usadas son: la potencia en HP, la fuerza en kilogramos y la velocidad en km/hora. 1 HP = 750 w 1 Kgr = 9,8 N ~ 10 N 1 Km/h = (1/ 3,6) m/s 750 P (HP) = 10 F (kgr) . v (km/h) / 3,6 P (HP) = F (kgr) . v (km/h) / 270

F = 270 P/V 21

Material móvil Adherencia

r

FL

M R

TL µTL

Sentido del movimiento

TL= Peso de la locomotora (eje tractivo). M = Momento transmitido por el motor. R = Resistencia del tren. FL = Fuerza en la llanta = M / r µ = Coeficiente de adherencia rueda - carril. 0,33: Carril seco. 0,10: Carril húmedo.

Si FL ≤ R y FL ≤ µ TL → Inmovilidad (ni giro ni traslación). y FL > µ TL → Giro con resbalamiento sin traslación. Si FL > R y FL > µ TL → Traslación con resbalamiento. y FL ≤ µ TL → Traslación sin resbalamiento. µ disminuye con la velocidad.

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Material móvil Fuerza tractiva de la locomotora

F

µTL

Curva de Fuerza Tractiva a Plena Potencia F = 270 P / V donde: F = Fuerza en la llanta (kg) P = Potencia (HP) V = Velocidad (km / h)

Vc = Velocidad Crítica

V

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Material móvil Resistencia al avance La resistencia al avance en línea recta y terreno horizontal está́ modelizada mediante una ecuación cuadrática con la siguiente forma: R = A + B*V + C*V2 (N/t) donde: •  A: representa el rozamiento en las cajas de grasa y el que existe en el contacto rueda-carril. •  B: representa el esfuerzo de rozamiento entre pestaña y carril. •  C: representa la resistencia al aire. •  V: velocidad (km/h) La resistencia al avance en las curva, será debida fundamentalmente a dos factores; el primero es el inherente que se produce entre pestaña y carril y el segundo es debido a los posibles deslizamientos que puedan ocurrir entre rueda y carril (en rueda calada). La resistencia al avance en las rampas es problema de plano inclinado. 24

Material móvil Fuerza tractiva de la locomotora

Fuerza

µTL Fa = F - R disponible para acelerar

F tractiva

R del tren

R > F → el tren disminuye velocidad

V Vr = Velocidad de régimen: [máxima alcanzable para esta condición de R (resistencia al avance)] 25

Material móvil ü  TRACTORES Se llaman tractores a pequeñas máquinas (normalmente de tracción diesel) que se emplean para maniobras en playas de vías, talleres y cocheras. La potencia la emplean más para tener una gran fuerza, pero no velocidad (suelen ser de 90 o 100 km/h como máximo) Pueden ser con motor Diesel, Eléctricas o Diesel- eléctricas

Tractores para maniobras en playas de vías y estacionamientos de clasificación

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Material móvil ü  MATERIAL REMOLCADO Se denomina “vagones” a los vehículos para transporte de cargas y “coches” a los vehículos para transporte de personas. En ambos tipos la caja o carrocería va montada sobre un bastidor portante, que descansa sobre el tren de rodado constituido por ejes simples o por bogies, casi siempre de 2 ejes. Vagones En el parque tradicional de los ferrocarriles se encontraban muchos tipos: §  Carga general, cubiertos (todo tipo de carga). §  Cubiertos ventilados para frutas frescas. §  Cubiertos refrigerados (carnes, pescados, frutas frescas). §  Cubiertos ventilados con tanques para leche. 27

Material móvil §  §  §  § 

Abiertos, borde bajo o plataforma: carriles, traviesas, perfiles de acero, bobinas de acero, etc.. Plataforma portacontendores. Tolva para minerales. Etc.

Varios de estos tipos tradicionales cayeron en desuso porque el ferrocarril dejó de transportar ese tipo de mercancía. El vagón moderno es de gran capacidad y por consiguiente de 4 ejes, agrupados en 2 bogies, sobre los que descansa el bastidor. Si el peso por eje es 20 toneladas, la capacidad de carga neta llega hasta unas 60 toneladas. El vagón de 2 ejes tenía un largo de unos 10 metros. La longitud de los vagones actuales de 4 ejes es del orden de los 16 a 18 metros. 28

Material móvil Vagón de dos (2) ejes

Caja Bastidor

Base Rígida

Vagón de cuatro (4) ejes en dos Bogies.

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Bogie tipo Ride Control A3, con bastidor y traviesa de acero moldeado (FGC) 30

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Material móvil Coches para pasajeros Se clasifican por el grado de comodidad que ofrecen a los pasajeros. §  §  §  §  §  § 

§ 

Primera clase. Segunda clase o “clase turista”. Dormitorio. Coche comedor. Coche cine. Furgón de equipajes. Era un vehículo cuyo rodado lo autorizaba a circular en los trenes de pasajeros, pero destinaba al transporte de los equipajes de los pasajeros y de alguna carga de alto valor. Clase única, para trenes suburbanos.

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Material móvil Confort de pasajeros (Civia) n 

n 

n 

Pasajeros: •  aire acondicionado / calefacción •  sistema de información al pasajero •  amplia inter-circulación (1500 mm) •  CCTV (video vigilancia) •  Video-información •  Contador de pasajeros Confort de Conductor: •  cabina y pupitre ergonómicos •  aire acondicionado independiente Lavabos •  1 por tren (sistema de vacío) 38

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Material móvil Las carrocerías actuales son sin excepción metálicas, usándose el acero protegido con pintura, el aluminio o el acero inoxidable. Prácticamente todos los vehículos actuales tienen bogies, casi siempre de 2 ejes, excepcionalmente de 3 ejes. Coches de dos niveles Como una forma de aumentar la capacidad de una línea férrea, se recurre allí donde el gálibo lo permite, a los coches de dos niveles. §  Aumentan en un 50% la capacidad de un coche de 1 nivel.

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4.- Anchos de vía Métrico: 1.000 mm Métrico inglés: 1.016 mm Europa central, AV en Japón y AV en España: 1435 mm Finlandia y Rusia: 1.520 mm. España y Portugal: 1.668 mm Irlanda: 1.600 mm.

No se debe llamar al de 1.435 mm “ancho UIC” pues hay muchos anchos en la UIC. Debe llamarse “ancho internacional”, o mejor “ancho de vía estándar” El ancho de 1.668 mm no debe llamarse “ancho Renfe”, pues Renfe ya no tiene infraestructuras; y cuando la tenía, también tenia otros anchos de vía. Debe llamarse “ancho de vía ibérico” 41

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Material móvil 5.- Interfases de un tren con la infraestructura Es la interacción compatible de los elementos que componen el tren con la infraestructura a nivel de: §  Vía (rueda - carril) §  Energía eléctrica (pantógrafo - catenaria) §  Comunicaciones (tren-tierra y radiocomunicaciones) §  Sistemas de seguridad del tren y el ATC (protección y conducción segura- relación tren-tierra, o tren-radio) F 

La tendencia actual es que el tren funciona, accionado por varios motores eléctricos situados en los Bogies y con tensión de alimentación que se coge de la catenaria (o tercer carril). Esta tensión es regulada, transformada y controlada a través de los equipos electrónicos de tracción del tren. 43

Material móvil 6.- Ferrocarril metropolitano (METRO) El metro o ferrocarril metropolitano tiene características constructivas similares a las de un tren de cercanías, pero se distinguen por estar dotados de particularidades que los hacen especialmente apropiados para el transporte de un elevado número de viajeros en trayectos cortos o muy cortos, y por túnel urbano, de forma que las estaciones y algunos talleres de mantenimiento son subterráneos. F 

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Material móvil Se caracterizan principalmente por disponer de tracción eléctrica, la utilización de estructuras de caja muy ligeras, en aluminio o mixtas acero aluminio, una distribución interior muy espaciosa y con un mínimo de asientos para permitir una gran capacidad de transporte con viajeros de pie. Actualmente forman las cajas un tren continuo con pasillos de intercirculación muy diáfanos, y necesariamente unas elevadas prestaciones en sistemas de ventilación y acondicionamiento del aire interior. Otra característica importante para el diseño de la caja es el elevado número de puertas de acceso necesario para un intercambio rápido de viajeros que entran y salen en cada estación, así como los sistemas de iluminación interior y sistemas de información al viajero sobre su situación en el recorrido.

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Material móvil En algunas ciudades el sistema de rodadura y de guiado de los bogies del metro se realiza mediante ruedas neumáticas, para una mejor adherencia en fuertes rampas y que le permiten una mayor aceleración, de un lado, y de otro para transmitir menores vibraciones a la infraestructura subterránea y por lo tanto a las viviendas de la zona urbana.

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Material móvil ü  Composición de un tren (Metro Barcelona): n  n  n 

1 Tren = 2 semiunidades + 1 remolque* = 5 Coches 1 semiunidad = 2 Coches Motor Cada semiunidad funciona de manera autónoma

*En las series 1100, 3000 y 4000 está incluido dentro una semiunidad (remolque, no lleva motor de tracción y no es autónoma) que componen el tren Enganche

Enganche

Enganche

Enganche

Enganche

Enganche

automático

Semipermanente

Semipermanente

automático

Semipermanente

automático

Semiunidad

Semiunidad

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Material móvil ü  Composición de los trenes según las series S-9000 S-6000 S-5000

MA1

MB1

R

MA2

MB2

MA1

R

MB1

MA2

MB2

MA1

MB1

R

MB2

MA2

MA1

MB1

R

MB2

MA2

S-1100 S-2000 S-2100 MA1

MB1

MA2

R

MB2

MA1

MB1

MA2

R

MB2

S-3000 S-4000 MA1

MA2

S-500 48


Equipos que componen un tren:

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Material móvil Aire acondicionado

Eq. neumático Batería Convertidor auxiliar Bogie

Eq. Tracción ONIXTM

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Material móvil F  7.-

Otros sistemas: Tranvía (TRAM)

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Material móvil Las principales características del TRAM son: • 100% piso bajo • Ruedas elásticas (suspensión primaria) • Suspensión secundaria con muelles • Refrigeración hidráulica de motor • Frenos de disco hidráulicos • Patines electromagnéticos.

Bogie Tipo ARPEGE (ALSTOM)

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Material móvil Otros sistemas: Tranvía sobre ruedas

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Material móvil Otros sistemas: Cremallera

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Material móvil Otros sistemas: Cable

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Material móvil Otros sistemas: Monorraíles

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Material móvil Trenes de levitación magnética Ø  Ya desde 1962 se investigaba en Japón el desarrollo de los trenes de levitación magnética que utilizan la atracción y la repulsión de electroimanes de polaridad opuesta para sostenerse en el aire y producir fuerza motriz. Ø 

La ausencia de vías férreas trae aparejada diversas ventajas: mayor velocidad, reducción de ruidos, vibraciones y oscilaciones, así como un escaso impacto ambiental (con respecto a los fuertes campos electromagnéticos que se generan entre el tren y el rail, estos trenes disponen de una carrocería aislada que protege a los pasajeros).

Ø 

El problema residiría en la gran cantidad de energía necesaria para sostener en el aire, aunque sea a 10 cm del suelo, a un tren de 10.000 kilos (la energía que mueve un tren tradicional del mismo peso debe multiplicarse por cuarenta para realizar este trabajo). 62


Este problema ha sido resuelto en gran medida por los estudios sobre los campos magnéticos superconductores; su fundamento es la superconductividad, mediante la cual se anula la resistencia eléctrica de las envolturas y toda la energía eléctrica del sistema se reutiliza sin perdida alguna.

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ELEMENTOS DEL MATERIAL FERROVIARIO

AVE – Serie 100

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Material móvil ELEMENTOS PRINCIPALES DEL MATERIAL FERROVIARIO Los elementos que componen todo vagón, coche o locomotora son: Caja: Constituye el esqueleto o soporte en el que están instalados los equipos (colgados o apoyados) que correspondan en cada caso, y constituye el lugar donde van los viajeros o mercancías y donde se encuentra la cabina de conducción. En las locomotoras y material autopropulsado encontramos, entre otros, los siguientes equipos: Transformador y/o reactancias, compresor, resistencias de freno, baterías, ventiladores, patógrafos. Bogie o carretón: Estructura en que se alojan los ejes y sobre la que se apoya la caja. La unión entre un eje y el bogie se materializa mediante la caja de grasa. En el bogie también se encuentran los motores de tracción, el reductor (elemento que une el motor de tracción con el eje), los mecanismos de freno y la suspensión. Ejes y ruedas: Son los elementos que entran en juego directamente con la vía. 65

Material móvil 1.- EJES Y RUEDAS ü 

Eje Montado q  q 

q 

Se considera eje montado el conjunto formado por un cuerpo de eje y sus dos ruedas caladas a presión sobre él. Las ruedas así como los demás elementos que pueden ir calados a presión sobre el eje, como, por ejemplo, coronas de transmisión, discos de freno, etc, están provistos de los correspondientes orificios de decalaje por presión de aceite. La resistencia eléctrica de los ejes montados será inferior a 0,01 Ohm, s/ ficha UIC-512.

Cuerpo de eje. El cuerpo de eje es recto de acero forjado y laminado según especificaciones RENFE 03.373.001.1ª ó UIC 810-1.. v 

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Material móvil q 

Las dimensiones del eje están determinadas de acuerdo con los esfuerzos que debe soportar, debiéndose supervisar los cálculos preliminares de resistencia del mismo.

q 

El diseño de los ejes se efectúa de tal manera que permite su inspección mediante ultrasonidos durante el servicio sin que sea necesario su desmontaje del bogie.

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Ruedas q  La rueda, es uno de los componentes estructurales más importantes de todos los vehículos ferroviarios. Está sujeta a muy altas tensiones mecánicas y en consecuencia tiene una influencia considerable tanto sobre el funcionamiento en plena marcha como en la comodidad de los pasajeros que viajan en los trenes. q 

El sistema de carril y rueda esta sujeto a una amplia gama de exigencias y controles para asegurar la fiabilidad operacional requerida.

q 

El desgaste mecánico de la rueda debido a la fricción con la vía es un factor de coste a tener en cuenta.

q 

Las ruedas están constituidas por siete (7) partes fundamentales. 68

Material móvil 1.- Pestaña: Aro saliente en el borde de la llanta de un vehículo ferroviario, destinado a impedir el descarrilamiento. 2.- Banda de rodadura: Superficie de contacto entre llanta y el carril. 3.- Llanta: Corona circular metálica que constituye la superficie de rodadura de la rueda sobre el carril. 4.- Velo: Corona circular metálica que une la llanta al cubo de la rueda. 5.- Cubo: Elemento mecánico que establece la unión de la rueda y el eje. 6.- Límite máximo de desgaste: Es el límite hasta el cual se puede reperfilar una rueda en condiciones de seguridad. 7.- Alojamiento decalado: dispositivo mediante el cual se introduce aceite a presión para el calado de la rueda y el eje. 69

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Las ruedas de los vehículos ferroviarios poseen diámetros que varían de 0,90 m a 1,10 m en Europa. El material unificado español es de 1,06 m para el diámetro de contacto definido como el plano medio de la superficie de rodadura de la llanta.

q 

En las ruedas de ferrocarril se distinguen dos zonas principales: §  Centro de la rueda, que puede ser recto u ondulado, siendo éste último el más empleado pues proporciona mayor elasticidad. §  Llanta, que se encuentra sometida al desgaste de la rodadura y choque de la vía.

q 

En función de cómo se une la llanta al velo se pueden encontrar tres tipos fundamentales de ruedas: monobloque, bibloque y elásticas. 71

Material móvil Ruedas Monobloque: La llanta y el velo se unen a través de un radio de acuerdo, perteneciendo la llanta y el velo a la misma unidad.

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Material móvil Ruedas de Centro y Bandaje: La llanta se une al velo a través de un aro metálico denominado Cincillo, con calado en caliente. En este caso es posible cambiar la llanta conservando el velo y el cubo.

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Material móvil Ruedas Elástica: La llanta se une al velo a través de una banda de goma. En este caso también es posible cambiar la llanta conservando el velo y el cubo. La banda elástica amortigua ruidos y vibraciones y es muy usada en las ruedas de los tranvías y metros ligeros.

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Los parámetros que se deben tener controlados en las ruedas ferroviarias en cuanto a medidas, ya que si alguno de ellos se saliese fuera de los límites establecidos, sería motivo de reperfilado o sustitución son: ²  Espesor de pestaña (Sd). El espesor de pestaña, es la distancia horizontal existente entre la cara interior de la rueda y el punto de intersección con el contorno de la pestaña, situado a 10 mm por encima del diámetro de rodadura. ²  Altura de pestana (Sh). La altura de pestaña, es la distancia vertical entre el diámetro de rodadura (D), y una línea tangente al punto superior de la pestaña. ²  Cota “qR”. El termino cota “qR” se emplea para definir la distancia horizontal existente entre dos puntos que interfieren con la pestaña; el primer punto es el punto (A), situado a 10 mm por encima del diámetro de rodadura (D), y el segundo punto (B) situado a 2 mm por debajo de un línea tangente a la cara superior de la pestaña. 75


Los tres parámetros descritos con anterioridad, espesor, altura de pestaña y cota qR, se determinan por medio de un calibre universal que es capaz de medir simultáneamente de los tres parámetros.

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Juego de ruedas. q 

q 

q 

En cada bogie hay un conjunto de dos pares de ruedas montadas sobre sendos ejes próximos, paralelos y solidarios entre sí, que se utilizan en ambos extremos de los coches, destinados a circular sobre carriles. La cabina del coche se apoya en cada bogie por medio de la traviesa bailadora, gracias a lo cual puede describir curvas muy cerradas (En Alta Velocidad no se emplea). El juego de ruedas proporciona al tren lo siguiente: Ø  La distancia necesaria entre el vehículo y la vía. Ø  El guiado que determina el movimiento dentro del ancho de vía, incluso en curvas y agujas. Ø  El medio de transmisión de la tracción y las fuerzas de frenado a los carriles para acelerar y decelerar el tren. 77

Material móvil El diseño del juego de ruedas depende de: q  El tipo de tren (de tracción o remolcado). q  El tipo de sistema de frenos utilizado (zapata, freno de disco en el eje, o freno de disco en la rueda). q  La construcción del centro de la rueda y la posición de los cojinetes en el eje (por dentro o por fuera). q  El interés de limitar las fuerzas de alta frecuencia mediante el uso de elementos resistentes entre el centro de la rueda y la llanta. q  Los principales tipos de diseño de juegos de ruedas se muestran seguidamente. A pesar de la variedad de diseños, todos estos juegos de ruedas tienen dos características comunes: la conexión rígida entre las ruedas a través del eje y el perfil transversal de la superficie rodante de la rueda, llamado perfil de la rueda. 78

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Material móvil El calado y decalado de ruedas ferroviarias se realiza sobre el eje dejándolas ajustadas para su montaje en el bogie.

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Material móvil 2.- LA CAJA DEL TREN (CONDICIONES GENERALES) Normalmente el material utilizado en la fabricación de las cajas de los trenes es el Aluminio (aunque también se emplea el acero al carbono y el acero inoxidable). Las cajas son totalmente metálicas y están compuestas de estructuras autoportantes, concebidas para lograr la resistencia a cargas verticales y horizontales en función del transporte a realizar. La caja como carrocería del vehículo estará concebida para responder a las exigencias técnicas, de estética y de explotación requeridas. Su frecuencia de resonancia propia debe estar lo suficientemente alejada de las frecuencias de resonancia de servicio y suspensiones, con objeto de evitar fenómenos de amplificación entre ellos. El interiorismo y decoración se diseñan de cara a los usuarios (en el caso del metro, p.e. usuarios de baja permanencia u ocupación dedicado a todos los estratos sociales y con un elevado diseño contra actos vandálicos). 82

Material móvil El enorme temor de todas las explotacions ferroviarias metropolitanas a los incendios, sobre todo en túneles, hace que la búsqueda por materiales cada vez menos propagadores de llama y con baja o nula emisión de humos, sea constante (UNE 23102). El auge de sistemas ferrroviarios metropolitanos denominados tranvías y metros ligeros, con estructuras más sencillas, ha propiciado el diseño de productos estándares que puedan crecer con la incorporación de nuevos módulos a las composiciones. Estas construcciones modulares (también en acero y aluminio) no solo hacen que los precios comparativamente de estos vehículos sean más bajos que en los metros pesados, sino que además facilitan su construción.

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Material móvil Forma y composición Con el objetivo de reducir, en cierta medida, los efectos aerodinámicos del tren en su paso por un túnel, los trenes de Alta Velocidad han sido diseñados en su inmensa mayoría con formas aerodinámicas. Este diseño favorece también en cuanto a resistencia al avance y efecto del viento lateral sobre el tren, aspectos que adquieren mayor importancia al circular a altas velocidades.

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Material móvil Cajas inclinables Los vehículos de caja inclinables traen consigo diferentes ventajas: § 

§  § 

Compensan parcialmente el efecto de la fuerza centrífuga sobre el viajero (el peralte que introduce la inclinación de la caja compensa parte del efecto de la aceleración centrífuga) Permiten incrementar de la velocidad en curva Según las características de las líneas, sobre todo de la calidad de la infraestructura, estos vehículos pueden suponer una velocidad de circulación (15-25%) mayor y, por tanto, un importante ahorro de tiempo.

Los trenes de caja inclinable son más utilizados en ramas modernizadas (convencionales adaptadas a velocidades altas) que no en líneas de Alta Velocidad. 89

Material móvil Existen dos tipos de trenes de caja inclinable: §  Los trenes pendulares: se comportan como péndulos a su paso por las curvas, inclinándose hacia el interior de la curva bajo la acción de la fuerza centrífuga, a partir de un sistema de suspensión diferente al convencional. §  Los trenes basculantes: están dotados de un dispositivo electromecánico que se activa en la curva y que por medios hidráulicos inclina la caja hacia dentro. Este sistema consigue ángulos de inclinación (respecto a la perpendicular al eje de la vía) de hasta 7º, mientras que los pendulares consiguen como máximo unos 4º. Son más caros, y requieren una calidad de vía muy buena (puede bascular también en caso de detectar irregularidades). En España, los trenes de caja inclinable son utilizados mayoritariamente en líneas convencionales. Los sistemas más conocidos son el sistema de pendulación Talgo y el sistema de basculación SIBI (Sistema Inteligente de Basculación Integral). 90

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Sistema de pendulación Talgo 91

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Material móvil 3.- Bogie (componentes de un bogie)

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Material móvil Características generales de los Bogies Al conjunto de pares de ruedas montadas sobre ejes paralelos formando un carretón se llama bogie. Las características de los bogies depende del modelo que se fabrique en función del tren. En este sentido podemos decir que hay bogíes para trenes metropolitanos-autonómicos, cercanías, tranvía, compartidos y alta velocidad…. ü 

Los equipos que intervienen en el bogie prácticamente son iguales y pueden variar en el ángulo de giro de la caja respecto al bogie, a la potencia de los motores, a la potencia de freno, reductor, diámetro de la rueda, suspensión primaria, suspensión secundaria, etc. A continuación vamos a ver las características de estos equipos para un bogie de un tren metropolitano, ya que se puede trasladar al resto de bogíes, excepto a los de alta velocidad que tienen características diferentes al resto. 95

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Bogie compartido entre vagones- tren Civia 96

Material móvil La relación de equipos que seguiremos, será la expuesta en la figura del bogie anterior. ü Reductor.

Este conjunto está dispuesto en la cadena cinemática, entre motor y eje de ruedas. El reductor tiene que ser compatible con el montaje de motor previsto pudiendo ser enteramente suspendido o apoyado en el eje de ruedas. El reductor será de uno o dos grados de reducción de revoluciones del motor de tracción. Los reductores están diseñados a base de engranajes, mecanismos circulares y dentados con geometrías especiales de acuerdo con su tamaño y la función en cada motor. 97

Material móvil Al emplear Reductores o Motorreductores con engranajes, mecanismos circulares y dentados, se obtiene una serie de beneficios sobre otras formas de reducción (tornillo sin fin, etc) bastante importantes. Algunos de estos beneficios son: Una regularidad perfecta tanto en la velocidad como en la potencia transmitida q  Una mayor eficiencia en la transmisión de la potencia suministrada por el motor. q  Mayor seguridad en la transmisión, reduciendo los costos en el mantenimiento. q  Menor espacio requerido y mayor rigidez en el montaje. q  Menor tiempo requerido para su instalación. q 

98

Material móvil Los motorreductores se suministran normalmente acoplados a la unidad reductora de un motor eléctrico normalizado asíncrono tipo jaula de ardilla, trifásico, totalmente cerrado y refrigerado por ventilación natural o con ventilación forzada. En el caso del metro, el motorreductor es una unidad motriz integral que incorpora un motor eléctrico y un reductor a base de engranajes, de manera que el armazón de uno, soporte el del otro.

Reductor de ejes paralelos tipo tándem

99

Material móvil

Reductores con engranaje 100

Material móvil Para seleccionar adecuadamente una unidad de reducción debe tenerse en cuenta la siguiente información básica: §  Características de operación •  Potencia (KW tanto de entrada como de salida-rendimiento) •  Velocidad (RPM de entrada como de salida) •  Par Motor máximo a la salida en N/m. •  Relación de reducción. §  Características del trabajo a realizar •  Tipo de máquina motriz (motor eléctrico, a gasolina, etc.). •  Tipo de acople entre máquina motriz y reductor. •  Tipo de carga uniforme, con choque, continua, discontinua etc. •  Duración de servicio horas/día. •  Arranques por hora, inversión de marcha. §  Condiciones ambientales. •  Humedad. •  Temperatura §  Ejecución del equipo •  Ejes a 180º ó 90º. •  Eje de salida horizontal, vertical, etc. 101


Motor de tracción

102

Material móvil El motor será trifásico asíncrono con rotor en jaula de ardilla y sus prestaciones serán las adecuadas para conseguir que los trenes circulen en las condiciones previstas en la explotación de la Administración Ferroviaria, y de forma que la recuperación de energía en el frenado eléctrico sea óptima en toda la gama de velocidades hasta la detención del tren Los motores asíncronos están situados en el bogie, dos motores por bogie (uno por eje motor en el caso del metro), así como los reductores, uno por motor (en Alta Velocidad no suelen disponerse en los bogies para reducir la masa no suspendida y así reducir los esfuerzos transversales). El montaje del motor y del reductor será preferiblemente suspendido del bogíe, efectuándose la transmisión del esfuerzo tractor-reductor a los ejes a través de acoplamientos elásticos. Cada coche motor dispone de un equipo convertidor, compuesto por un ondulador/inversor que alimenta a los cuatro motores asíncronos de cada coche motor. 103

Material móvil Para la selección de los motores de tracción se tendrán en cuenta los parámetros siguientes: Ø  Curvas características del motor en las que se indiquen, en función de la intensidad, la velocidad de giro, potencia y rendimiento, que estén previstas en régimen continuo, unihorario y potencia equivalente del cálculo del diagrama de marcha. · Ø  Características de marcha y calentamiento para los recorridos que tenga asumido la Administración Ferroviaria. Ø  Potencia permanente que puede entregar el motor, reductor e inversor. Ø  Velocidad nominal y máxima. Ø  Factor de potencia. Ø  Rendimiento de los motores, reductor e inversor. Ø  Tipo y características de los devanados y aislamientos, los cuales serán clase C 200. Ø  Peso del motor completo (con reductor y sin reductor). Ø  Tipo de ventilación (natural y forzada). 104

Material móvil Bogie de tren Civia para dos coches y para un coche extremo

105

Material móvil ü  Suspensión primaria La suspensión primaria, que une elásticamente las cajas de grasa situadas en el eje de las ruedas, con el bastidor del bogie, transmite entre el extremo del eje montado de las ruedas y el resto del bogie las cargas verticales y los esfuerzos de guiado transversales y de arrastre. La carga vertical que actúa sobre el bastidor de bogie se transmite a los ejes montados a través de la suspensión primaria. Esta suspensión primaria está constituida por resortes de caucho-acero, o de muelles. Esta suspensión primaria tiene que tener la suficiente flexibilidad para asegurar un reparto uniforme de cargas entre las ruedas de un bogie, y en consecuencia un óptimo aprovechamiento de la adherencia existente. 106

Material móvil La suspensión primaria tiene la amortiguación necesaria que permite la circulación hasta la máxima velocidad sin producir oscilaciones perjudiciales al bogie y como consecuencia al tren. La vida prevista de los resortes de suspensión primaria son, como mínimo, del orden de 9 años ó 1.000.000 Km (en caso del Metro) En el bogíe se dispondrán, asimismo, los elementos necesarios para que, en caso de descarrilo, pueda levantarse el bogíe, reteniendo el eje en caso de fallo de los sistemas de guiado. La suspensión primaria puede ser de resortes de caucho-acero, o de muelles helicoidales, con amortiguadores para reducir la tendencia natural del muelle a rebotar arriba y abajo.

107

Material móvil

Figura de un bogie con la disposición de la suspensión primaria y secundaria 108

Material móvil ü  Suspensión secundaria La suspensión secundaria está compuesta por dos resortes neumáticos, amortiguadores verticales, transversales y antilazo, además de barra antitorsión. La altura de la suspensión secundaria es constante e independiente de la carga, de modo que la altura del piso del tren se mantenga constante, para ello dispone de la correspondiente válvula de corrección, automática de altura. La suspensión vertical dispone de amortiguación propia de manera que no sea necesaria la utilización de amortiguadores externos

109

Material móvil Los resortes neumáticos se llenan con aire comprimido, y su volumen está controlado por una válvula de nivelación, la cual vigila constantemente la cantidad de aire en relación con el peso del coche al subir o bajar los viajeros. Cuando el peso del coche varía como consecuencia de la subida de viajeros, la caja del coche empuja más hacia abajo los resortes neumáticos tendiendo a comprimirlos, o sube cuando el peso del tren disminuye cuando bajan los viajeros, la caja del coche empuja mas hacia arriba dejando que se expandan los resortes neumáticos. Una válvula de nivelación admite o expulsa el aire, a fin de permitir que los resortes neumáticos vuelvan a su forma original. Este proceso mantiene la caja del coche a una altura constante sobre el nivel del carril. 110

Material móvil Por otro lado, y a fin de permitir el levante del bogie con la caja (por ejemplo, en caso de descarrilo), se dispone en la suspensión secundaria neumática de los elementos necesarios para el levante del tren. Asimismo, el bogie estará provisto de topes en el sentido de elevación para el caso de hinchamiento de uno de los resortes neumáticos que forman parte de la suspensión secundaria neumática, por fallo de la válvula de control de la presión inyectada en el resorte neumático. La suspensión secundaria neumática dispondrá de topes para limitar los desplazamientos de la caja a los permitidos por el gálibo, en sentido transversal. Las oscilaciones en este sentido deberán ser amortiguadas.

111

Material móvil ü  Caja de grasa La caja de grasa es el dispositivo que permite que el juego de ruedas pueda girar al proporcionar el alojamiento del cojinete y al mismo tiempo, los soportes para que la suspensión primaria sujete el juego de ruedas al chasis del coche. La caja de grasa transmite las fuerzas longitudinales, laterales y verticales desde el juego de ruedas a los demás elementos del bogie. Las cajas de grasa se clasifican de acuerdo con: Ø  Su posición sobre el eje dependiendo de si los cojinetes están dentro o fuera. Ø  El tipo de cojinete utilizado, que puede ser de rodamiento de rodillos o de fricción. 112

Material móvil La forma externa de la caja de grasa se determina por el método de unión entre la caja de grasa y el bastidor del bogie, y su objetivo es lograr una distribución uniforme de las fuerzas en el cojinete situado en la caja del eje. La construcción interna de la caja de grasa está determinada por el cojinete y su método de sellado.

113

Material móvil ü  Bastidor del Bogie El bastidor del bogie tendrá una construcción enteramente soldada. Las diversas secciones de los elementos que componen el bastidor están diseñados para que sea ligero y robusto al mismo tiempo. El material del bastidor está compuesto básicamente de chapa de acero laminada, siendo el de los soportes o accesorios acero moldeado o forjado. La geometría del bastidor tiene un diseño para que se produzca un reparto racional de los esfuerzos tangenciales, longitudinales y verticales, evitando en general la concentración de los mismos y en particular en los puntos de unión entre piezas, así como en la unión de largueros con traviesas intermedias y con cabeceros en su caso. En el bastidor se incorporarán los soportes de los diferentes elementos del bogie, tales como motores, guiado de ejes, timonería de freno, cilindros de freno, etc. 114

Material móvil

115

Material móvil El bastidor dispondrá en los extremos de los largueros, de elementos de amarre para realizar el transporte del bogie por los talleres por medio de tractor o cabestrante. Sobre uno de los bastidores del bogie se efectuan los ensayos extensométricos para verificar las tensiones de trabajo correspondientes a las diferentes hipótesis de carga, así como ensayos a fatiga para comprobar su idoneidad para los esfuerzos a que va a estar sometido durante el servicio. Una vez soldado el bastidor, será sometido a un recocido adecuado, a fin de eliminar las tensiones residuales producidas en el proceso de soldadura. El horno deberá tener un sistema de registro de temperatura para controlar el tratamiento, debiéndose entregar los diagramas tiempotemperatura del mismo. Las principales soldaduras del bastidor han sido controladas por un procedimiento contrastado. 116

Material móvil ü  Traviesa bailadora La transmisión de los esfuerzos longitudinales y transversales del bogie se transmiten a la caja a través de la traviesa bailadora, este enlace está realizado por un sistema de bielas o pivote elástico de modo que presente el máximo desacoplamiento mecánico con el fin de evitar la transmisión de vibraciones u oscilaciones de bogie a la caja del coche. En la figura del bogie que mostramos a continuación se ve la traviesa bailadora, y su conexión con la corona y la suspensión secundaria. De todas maneras ya existen bogies sin esta traviesa bailadora, estando la caja asentada directamente sobre la suspensión secundaria, y sobre todo en los bogíes de los trenes de Alta Velocidad. En estos momentos todavía hay mucho Material Móvil circulando con traviesa bailadora en el bogie, y que efectúa el enlace entre el bogie y la caja del coche. 117

Material móvil Traviesa bailadora

118

Material móvil Los bogies en Alta Velocidad La evolución de los bogies ha sido consecuencia, en la mayoría de los casos, de la aparición de la Alta Velocidad y el propósito de no aumentar los esfuerzos verticales y consecuentemente, el deterioro de la vía. Reduciendo el peso de los bogies se consigue un mejor comportamiento frente a los esfuerzos transversales. La disposición de los motores en el bogie no sólo ha evolucionado con la aparición de la Alta Velocidad. El bogie monomotor ya se ha incorporado completamente a los nuevos trenes convencionales. Talgo ha desarrollado una nueva técnica basada en un sistema de cambio de ancho para los bogies motores que permite a los trenes cambiar de una línea convencional a una de Alta Velocidad, o viceversa, sin necesidad de cambiar de locomotora. 119

Material móvil

Diferencias fundamentales entre los bogies de los trenes convencionales y de Alta Velocidad

120


Bogie tractor con cambio de ancho (Talgo)

121

Material móvil

122

Material móvil Cambiador Ancho Renfe

123

Material móvil

APARATOS DE TRACCIÓN Y CHOQUE 124

Material móvil 1.- ENGANCHES Los enganches o aparatos de tracción y choque son los dispositivos que realizan el acoplamiento mecánico, neumático y eléctrico entre diferentes coches que componen un tren o entre trenes, en caso de remolcarse entre ellos. Existen dos tipos de enganches: Ø  Enganches automáticos: acoplan automáticamente trenes y se encuentran situados en los extremos. Ø  Enganches semipermanente: enganches que acoplan los vehículos que forman unidades de tren. Requieren la intervención de un operario para llevar a cabo el acoplamiento (normalmente en taller). Enganche

Enganche

Enganche

Enganche

Enganche

Enganche

automático

Semipermanente

Semipermanente

automático

Semipermanente

automático

125


Enganche semipermanente.

q 

El acoplamiento entre coches se efectuará mediante enganches semipermanentes los cuales unirán mecánica, neumática y eléctricamente los coches. El acoplamiento entre coches se realiza con los coches parados y admite una diferencia de cotas máximas entre enganches de 60mm. El acoplamiento eléctrico de baja tensión, se efectúa por medio de mangueras eléctricas con conectores en ambos lados. En el centro de la manguera y colgando del enganche semipermanente, existe una brida para alejar la manguera del suelo. Los cables de los circuitos de potencia pasan directamente de testero a testero, quedando sujetos, a través de conectores robustos y de fácil desmontaje.

q  q 

q 

126

Material móvil A su vez, nos encontramos dos sistemas de clasificación que son el enganche a tornillo con paragolpe y el enganche central a mandíbula. Enganche a tornillo El enganche a tornillo consiste en una suerte de cadena cuyo eslabón externo se sujeta en un gancho del vehículo contiguo. La tarea de enganche la hace un operario. q La resistencia del enganche está limitada por el peso de la cadena que un hombre normal puede levantar. En la tracción y el frenado se producen esfuerzos longitudinales entre vehículos, tirones o topetazos. Para limitarlos existe el aparato de choque, o paragolpes. Cuando un vehículo toca al otro, lo que entra en contacto son los paragolpes.

127

Material móvil Enganche a tornillo • P ara que los vagones no vayan sueltos, una vez colocado en enganche el operario gira un tornillo hasta que el enganche queda tenso y los paragolpes contiguos se tocan y quedan ligeramente apretados. Los tirones durante la marcha no despegan los paragolpes. De este modo la transmisión del esfuerzo a lo largo del tren es más suave. • En este sistema el aparato de tracción está separado del aparato de choque. 128

Material móvil

129

Material móvil

130

Material móvil Enganche a mandíbula Aparte la limitación impuesta por el peso que se puede levantar, el enganche anterior es peligroso porque obliga al operario a trabajar entre los vagones. El enganche a mandíbula resuelve ambos problemas, puesto que reúne en una sola pieza la función de tracción y choque. Ambos esfuerzos se transmiten a través de una barra centrada debajo del vagón. La barra termina en una “mandíbula” con una pieza móvil que el operario abre cuando quiere enganchar y luego cierra, quedando encerrojada. Al no estar limitado por la fuerza humana el enganche a mandíbula puede tener sección suficiente para obtener esfuerzos de tracción muy elevados.

131

Material móvil

132

Material móvil

133

Material móvil Enganches automáticos o integrales Existen enganches más avanzados, que reúnen en un aparato único la función de tracción, absorción de choques, conexión de la cañería del freno y conexión eléctrica. Se usan sobre todo en los metros. q  Por ejemplo el tipo Scharffenberg ü 

134

Material móvil Entre los trenes autopropulsados suele emplearse este tipo de enganche automático Sharffenberg: ¨ 

El acoplamiento múltiple de dos trenes se efectúa mediante los enganches del tipo automáticos, y estarán situados en los testeros de los trenes.

¨ 

Dos trenes acoplados permitirán el mando múltiple con un solo agente de conducción, teniendo el control de la tracción y el freno, así como de la visión de las imágenes de retrovisores y pasaje, estado de puertas y de todos los parámetros necesarios para una segura conducción.

¨ 

Los enganches automáticos permiten el socorro de un tren de cualquier tren de la red ferroviaria. El enganche dispone de un sistema de absorción de impactos autorecuperable capaz de absorber impactos longitudinales entre unidades. Su capacidad permite el choque entre una unidad parada y otra en marcha (ambas en carga máx.) a una velocidad superior a la de acoplamiento ordinario que es de 3 Km/h. 135

Material móvil Con el aumento de la velocidad en la explotación de los trenes aparecieron nuevas tecnologías, entre ellas la unión articulada entre coches. Los trenes de Alta Velocidad y Larga Distancia disponen de este dispositivo antivuelco y antiacaballamiento. Muy unido a ello está el hecho de que los trenes de Alta Velocidad son composiciones indeformables, es decir, no se pueden separar unos coches de otros, como ocurre con la mayoría de trenes convencionales.

136

Material móvil Enganche automático en el testero del tren

137

Material móvil Enganche automático en el testero del tren

138

Material móvil

EQUIPOS DE TRACCIÓN

IC 225: Electra, clase 91

139

Material móvil

140

Material móvil ü LA ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA Sistema fijo Fuente (Subestación) Sistema de captación (catenaria o tercer carril) Sistema fijo + sistema móvil

Sistema móvil (tren) Un frotador colecta

De catenaria De tercer carril

Circuito de tracción

141

Material móvil CARÁCTERÍSTICAS DEL CIRCUITO DE TRACCIÓN es DEFORMABLE tiene PARÁMETROS VARIABLES Resistencia o impedancia PARÁMETROS VARIABLES

Tensión Corriente

Función de

Distancia entre Subestación y tren y potencia en cada punto

142

Material móvil ü EL MOTOR ELÉCTRICO DE TRACCIÓN

En tracción eléctrica en corriente continua o en corriente alterna se emplean básicamente dos tipos de motores

Para controlar en la marcha del tren:

- Arranque - Velocidad - Frenado

Motores tipo serie de corriente continua Motores asincrónicos trifásicos de corriente alterna

Se actúa sobre el motor de tracción para regular

la fuerza de tracción y la velocidad

143

Material móvil Para regular en un motor de tracción

La fuerza de tracción

La velocidad

Se debe actuar sobre

El flujo magnético

La tensión aplicada

144

Material móvil EVOLUCIÓN DEL EMPLEO DEL MOTOR DE TRACCIÓN EN CORRIENTE CONTINUA 1.- MOTOR SERIE DE CORRIENTE CONTINUA

Regulación de la tensión aplicada

Regulación del flujo magnético

- Por resistencias - Por resistencias y cambios de acoplamientos (serie, paralelo) - Interruptor periódico (chopper) - Variación de la corriente del campo - Variación del número de espiras del campo

2.- MOTOR ASINCRONICO TRIFÁSICO (MAT) Equipo inversor CC/CA

- Regulación de la tensión aplicada - Regulación de la frecuencia aplicada - Combinación de ambas 145

Material móvil

146


CARACTERÍSTICAS DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA

Existen tres tipos de electrificación dentro de la tracción eléctrica: q  Con corriente continua: Fue la que primero se utilizó; al no saberse cómo transformar la tensión se tenía la misma tensión de transporte sobre la línea de contacto que la que hacía funcionar a los motores: 700-3000 v. Si la tensión es muy baja acarrea dos consecuencias: § 

Intensidades de miles de amperios por las líneas de contacto para conseguir la potencia necesaria.

§ 

Catenaria de gran sección y subestaciones muy próximas (del orden de a 20 Km para una línea de 1500 v) para evitar las grandes caídas de tensión. 147


Con corriente alterna monofásica: Existen dos tipos según la frecuencia utilizada: § 

1- De frecuencia especial: Se suele adoptar una corriente de frecuencia menor que la frecuencia normal (de 16 2/3 Hz). Esta clase de tracción eléctrica se utiliza en CentroEuropa (Suiza, Alemania, Austria), Suecia y Noruega.

§ 

2- De frecuencia industrial (a 50 Hz): Surge con el objetivo de crear instalaciones ligeras e intentar integrar el ferrocarril en la red industrial.

148


J 

Con corriente alterna trifásica: Al principio se dejó de lado este tipo de tracción ya que pese a usar motores trifásicos, que son robustos y baratos, presentaba dos inconvenientes: §  1- Necesidad de instalar doble catenaria, con la vía como tercera fase. §  2- Dificultad para regular la velocidad, al depender ésta directamente de la frecuencia (n=60·f/p).

Más adelante, unos setenta años después, fue retomada esta opción de tracción eléctrica debido al gran desarrollo tecnológico acaecido durante todos estos años, especialmente en el campo de la electrónica de potencia y los semiconductores.

Gracias a esta tracción se ha conseguido el récord de velocidad superior a 570 Km/h. 149

Material móvil

150

Material móvil SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN Ejemplo de composición de un tren Coche motor con cabina: M Coche motor sin cabina: N Coche remolque: R M+M M+R+M M+N+R+M M+N+R+N+M 151

Material móvil SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ESQUEMA ALTA TÍPICO

152

Material móvil SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES PANTOGRAFO Captación de energía de catenaria

153

Material móvil §  El pantógrafo es el encargado de captar la corriente de la línea de catenaria mediante contacto directo sobre el hilo de contacto abasteciendo de energía al tren locomotora. Su localización es el techo de la locomotora, aislado de ella mediante aisladores de porcelana. §  El pantógrafo consiste en un sistema articulado que sujeta un patín, presionándolo contra la catenaria, bajo la que se desliza. §  Se sitúa en el techo de la unidad tractora y es regulable en altura de forma automática, para poder alcanzar la catenaria independientemente de la altura a la que se encuentre el hilo de contacto. §  El diseño del pantógrafo debe adaptarse también a la tensión de la catenaria en cuanto a su aislamiento eléctrico y materiales, especialmente en la zona de contacto.

154

Material móvil §  En pantógrafos de alta velocidad deben asimismo tenerse en cuenta para su diseño factores aerodinámicos, ya que hacen variar la presión de contacto ejercida por los mecanismos neumáticos. Dichos pantógrafos tienen en ocasiones alerones o diseños especiales para controlar las fuerzas aerodinámicas. §  El pantógrafo provoca oscilaciones sobre la catenaria, de forma que la presión del pantógrafo, se debe ajustar de acuerdo a la velocidad máxima de los trenes que circularán por dicha vía. Estas oscilaciones varían según la velocidad y pueden llegar a provocar minicortes en el suministro eléctrico al tren. Las partes sustanciales de todo pantógrafo son las siguientes: Ø Mesillas Ø Resorte Ø Bastidor 155

Material móvil Ø  Mesillas. Es la pieza que recoge la corriente eléctrica, en particular los frotadores, que está constituidos de pastillas de carbono.

156

Material móvil Ø  Ø 

Resorte. Mecanismo que hace que las mesillas y los frotadores en particular estén en contacto permanente con el hilo conductor. Bastidor. Es lo que sujeta el pantógrafo a la locomotora, tranvía, etc.

Para evitar un desgaste continuo en la parte del pantógrafo que contacta con la catenaria, esta se despliega en forma de zigzag, de forma que en el recorrido del pantógrafo sobre la catenaria, el desgaste del carbón situado sobre las mesillas del pantógrafo se desgaste por igual en toda su superficie. 157

Material móvil

Pantógrafo AV

158

Material móvil SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES PARARRAYOS Protección ante sobretensiones provenientes de catenaria o inducidas por la cadena de tracción

159

Material móvil SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES COFRE SECCIONADORES Maniobra seguridad para puesta a tierra de la cadena de tracción mediante una secuencia de llaves

160

Material móvil SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES DISYUNTOR Apertura/cierre del circuito de potencia ante sobrecorrientes inesperadas o cortocircuitos

161

Material móvil SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES FILTRO DE RED Filtro LC para limitar el vertido armónico a catenaria y proteger al equipo de sobretensiones provenientes de catenaria. Normalmente se utiliza el condensador de bus como condensador de filtro

Construcción: Núcleo de Aire o Hierro Refrigeración: Natural o Forzada 162

Material móvil SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES RESISTENCIAS DE FRENO Funciones: - Disipar la energía cinética de frenado - Estabilizar la tensión de bus Montaje: Bajo bastidor o Techo Refrigeración: - Forzada Aire - Natural

163

Material móvil SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES CONVERTIDOR DE TRACCION Funciones: - Alimentación de los motores - Lógica de control - Protecciones contra sobretensiones o sobrecorrientes peligrosas para el equipo Montaje: - Bajo bastidor o Techo

164

Material móvil Ø  Tecnología convencional §  Los equipos eléctricos de las primeras locomotoras, estaban basados en un sistema de captación de energía desde la catenaria, motores de tracción de corriente continua de excitación serie con el motor, y las resistencias de tracción que intercaladas en serie con el motor, permitían regular la corriente que los atravesaba, controlando de ese modo el par y la velocidad. §  El control de estos equipos era electromagnético con lógica cableada a base de relés. §  Este control generaba las órdenes para que los contactores u otros dispositivos pudieran ir variando el valor de las resistencias de tracción en función de los valores necesarios para que los motores dieran las prestaciones en par y velocidad requeridos.

165

Material móvil

Esquema convertidor convencional 166

Material móvil § 

El inconveniente de la tecnología convencional eran: • 

Grandes pérdidas de energía en las resistencias dando unos rendimientos muy bajos.

• 

Con este tipo de control es difícil alcanzar las elevadas prestaciones en aceleración y velocidad que requieren algunas explotaciones actuales.

• 

La imposibilidad de garantizar arranques y frenados suaves lo que determina un menor control en la corrección de patinajes y deslizamientos, etc.

• 

Los motores que se utilizaban, eran motores de CC pesados y que era con un elevado mantenimiento por los desgastes de las escobillas y del colector.

167


Tecnología actual §  El convertidor tiene la función de alimentar a los motores asíncronos trifásicos, a partir de una catenaria de corriente continua o alterna.

Esquema convertidor actual

168

Material móvil § 

El más utilizado es el convertidor denominado de circuito intermedio. Se compone de dos subconvertidores, uno por el lado de la red y otro por el lado de la carga, unidos através de un circuito intermedio. En este se disponen de elementos pasivos tales como condensadores e inductancias.

§ 

El convertidor del lado de la red tiene la misión de alimentar al circuito intermedio de corriente continua. Dependiendo del tipo de alimentación distinguiremos el chopper de entrada para catenaria de corriente continua y el rectificador de cuatro cuadrantes para corriente alterna.

§ 

Por el lado de la carga el ondulador pulsatorio genera el sistema trifásico necesario, con frecuencia y tensión regulada a partir de la tensión constante que proviene del circuito intermedio.

169


Dispositivos electrónicos de potencia

Estos dispositivos se utilizan fundamentalmente como interruptores electrónicos controlados, entre lo que podemos destacar: •  •  • 

² 

El tiristor El tiristor controlado por puerta (GTO) Transistores bipolares con puerta aislada (IGBT)

El tiristor Las características fundamentales del tiristor que lo hacen apto para los circuitos de potencia son: o  Interruptor casi ideal o  Soporta tensiones altas o  Control sencillo o  Es capaz de controlar grandes potencias o  Relativa rapidez 170

Material móvil Es un buen elemento de conmutación en potencia que tiene como problema, que para extinguir la corriente o invertir la polaridad para apagarlo, complica los circuitos y precisa de grandes conjuntos de condensadores para ello. ² El

GTO

El G.T.O. (Gate Turn-off – Switch) es un tipo de semiconductor que además de funcionar, respecto al disparo como los tiristores, tiene la característica esencial de que cuando se introduce una intensidad contraria a la de disparo (puerta negativa con respecto a cátodo) suficientemente grande, el dispositivo pasa a estado de bloqueo. ² El

IGB

Las iniciales IGBT significan “insulated gate bipolar transistor” es decir, transistor bipolar de puerta aislada. El IGBT combina las ventajas del transistor bipolar y del GTO y es un elemento en el que se incrementa la conductividad, y por lo tanto permite reducir la caída de tensión en el estado de conducción. 171

Material móvil Respecto al tiristor mantiene las ventajas que ya ganábamos con el GTO, y además el IGBT puede conmutar mucho más rápidamente, lo que hace que pueda utilizarse en aplicaciones que trabajen a frecuencias más elevadas que el tiristor. ü 

Ajustador de corriente continua (chopper)

El chopper (1970), es un equipo de regulación de potencia, mediante la apertura y cierres controlados de los dispositivos electrónicos, que se encarga de estabilizar la tensión fluctuante de la catenaria, a una tensión continua constante en el circuito intermedio. *Esto se realiza porque la tensión de la catenaria puede llegar a variar un 33% de su tensión nominal.

La regulación de la potencia se obtiene recortando o troceando la tensión mediante impulsos de una duración variable, con lo que la tensión puede adquirir valores desde cero hasta una conducción plena. 172

Material móvil Las ventajas principales de la utilización del chopper respecto al tradicional son: •  un considerable ahorro de energía al no emplear resistencias en el arranque, ya que sólo se toma de la catenaria la tensión necesaria, •  ahorro en mantenimiento al eliminar elementos electromecánicos que son móviles y por tanto susceptibles de gastarse •  confort del pasajero al mejorar la calidad de la marcha por supresión de escalones de velocidad •  la mejora de la adherencia rueda/carril al propocionar transiciones más suaves al acelerar frenar. Ondulador Su misión consiste en convertir la tensión constante del circuito intermedio en un sistema trifásico para alimentar a los motores de tracción, transformando la corriente continua del circuito intermedio en una corriente alterna trifásica con tensión y frecuencia variables. Eléctricamente estamos creando 3 señales senoidales desfasadas 120o en el tiempo y el espacio a partir de una señal de continua. ü 

173

Material móvil Entenderemos esto mejor si nos fijamos en los siguientes sistemas de alimentación de los motores de tracción de cualquier composición o locomotora:

174

Material móvil

En las líneas de nueva construcción (líneas de Alta Velocidad) y analizando elemento por elemento, vemos que aparece un chopper y un ondulador cuando cabría la posibilidad de preguntarse de porqué no se alimentan los motores de tracción directamente desde el secundario del trafo, y es porque mediante el chopper establecemos un valor de la tensión constante que será independiente de las posibles oscilaciones de la tensión de catenaria y que nos permitirá alimentar todos los sistemas auxiliares de la composición o de la locomotora (por ejemplo: el compresor de aire comprimido, los ventiladores de los motores, los ventiladores de las resistencias de frenado (frenado reostático), el equipo de carga de baterías o el aire acondicionado). 175

Material móvil Convertidor Siemens con IGBT tren CIVIA

176

Material móvil Esquema eléctrico de un tren FMB con tres coches motores y un remolque

177

Material móvil

S/2000, 3000 y 4000 Equipados con un sistema de de tracción de corriente continua. – Conexión en serie de 4 motores de CC - Control por Chopper con GTOs.

178

Material móvil

S/2100 equipados con una cadena de tracción trifásica asíncrona ONIX-1500, ondulador AC utilizando IGBT’s (Insulated Gate Bipolar Transistor) pilotada por una electrónica de mando AGATE Control para Metro de Barcelona. La composición de cada tren es MA1-MB1-R-MB2-MA2. 179

Material móvil SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES MOTORES Funciones: proporcionar la propulsión mecánica al tren. Tipo de motores: - Motor Asíncrono (actualmente utilizado) - Motor Síncrono PMSM (en estudio) Tipos de refrigeración. - Autoventilado Abierto - Autoventilado Cerrado - Ventilación Forzada de Aire - Ventilación Forzada de Agua

180

Material móvil

Motor asíncrono industrial 181

Material móvil ü  Símil del funcionamiento de un motor asíncrono

182

Material móvil

ü  La f.e.m. significa “fuerza electro motriz”, y es la tensión que se induce al rotor a través del flujo que genera el estator, para conseguir que circule corriente por el rotor , y este pueda girar. 183

Material móvil LA TRACCIÓN EN TRENES DE MOTORES ELÉCTRICOS

MOTOR TRIFÁSICO ASÍNCRONO

184

Material móvil §  El motor será trifásico asíncrono con rotor en jaula de ardilla y sus prestaciones serán las adecuadas para conseguir que los trenes circulen en las condiciones previstas en la explotación de la Administración Ferroviaria, y de forma que la recuperación de energía en el frenado eléctrico sea óptima en toda la gama de velocidades hasta la detención del tren §  Cada coche motor dispone de un equipo convertidor, compuesto por un ondulador/inversor que alimenta a los cuatro motores asíncronos de cada coche motor. §  Para la selección de los motores de tracción se tendrán en cuenta los parámetros siguientes: Ø  Curvas características del motor en las que se indiquen, en función de la intensidad, la velocidad de giro, potencia y rendimiento, que estén previstas en régimen continuo, unihorario y potencia equivalente del cálculo del diagrama de marcha. · 185

Material móvil Ø  Características de marcha y calentamiento para los recorridos que tenga asumido la Administración Ferroviaria. Ø 

Potencia permanente que puede entregar el motor, reductor e inversor.

Ø 

Velocidad nominal y máxima.

Ø 

Factor de potencia

Ø 

Rendimiento de los motores, reductor e inversor.

Ø 

Tipo y características de los devanados y aislamientos, los cuales serán clase C 200.

Ø 

Peso del motor completo (con reductor y sin reductor).

Ø 

Tipo de ventilación (natural y forzada).

186

Material móvil Estator

Rotor jaula de ardilla

187

Material móvil ü  Principio de funcionamiento del motor asíncrono •  Cuando en un sistema trifásico equilibrado en tensiones y de intensidades simétricas, se hacen circular las mencionadas intensidades por las fases del estator desfasadas 120º eléctricos en el espacio, se crea un campo magnético giratorio en el entrehierro que gira a una velocidad angular, “Ns”, denominada velocidad de sincronismo, que depende de la frecuencia de alimentación, “f,” y del número de pares de polos “p”, de la máquina, mediante la siguiente expresión:

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Material móvil §  El campo magnético giratorio (flecha roja), genera una velocidad de sincronismo “Ns”, que a su vez concatena unas tensiones inducidas en el rotor, las cuales hacen circular unas corrientes por las barras rotóricas, que están cortocircuitadas, que al interactuar con el campo magnético giratorio del estator crean un par motor que hace girar el rotor a una velocidad angular “N” (punto verde) menor que la velocidad de sincronismo. §  A la diferencia entre las velocidades de sincronismo y la velocidad angular del rotor, se le denomina deslizamiento y se representa por la letra “s”.

§  La velocidad angular del motor “N” viene dada por:

189

Material móvil La velocidad de un motor asíncrono viene dada por las expresiones:

El termino “Nr” en esta expresión es igual a “N” en la expresión anterior. 190

Material móvil §  Según las expresiones anteriores la velocidad de un motor asíncrono viene controlada en función de los parámetros siguientes: Ø 

El número de pares de polos.

Ø 

El deslizamiento.

Ø 

Tensión estatórica (variación del par).

Ø 

Variación de las características rotóricas (rotor bobinado).

Ø 

La frecuencia.

191

Material móvil Ø  Regulación de la velocidad. Variación del número de par de polos. ¨  En los motores de jaula de ardilla el número de polos del rotor se adapta al número de pares de polos del estator. ¨  Por lo tanto disponiendo varios devanados en el estator con distinto numero de polos o uno o varios devanados de polos conmutables, es posible obtener motores que según el caso giren a velocidades distintas próximas a las velocidades de sincronismo correspondientes al número de polos del devanado activo en todo momento del rotor. Ø  Regulación de la velocidad. Deslizamiento. q  Variación (disminución) de la tensión estatórica: con este procedimiento también se reduce el par ya que este varia de forma cuadrática con la tensión. Una exclusiva de los motores asíncronos con rotor devanado, consiste en modificar las características rotóricas, insertando escalones de resistencias en el rotor. 192

Material móvil Ø  Variando las características rotóricas. §  Este método es exclusivo de los motores asíncronos con rotor bobinado. Consiste en modificar las características rotóricas, insertando escalones de resistencias a través de unos anillos rozantes, donde están conectados los devanados del rotor. §  Estos devanados están formados generalmente por devanados trifásicos de corriente alterna, distribuidos en las ranuras de un núcleo laminado y cuyos extremos se unen por un lado del rotor en estrella y por el otro lado se conectan a unos anillos aislados. §  En funcionamiento normal estos anillos están cortocircuitados, pero también permiten insertar resistencias para limitar las intensidades de arranque, mejorar las características del par y controlar la velocidad.

193


Regulación de la velocidad. Frecuencia. §  Puede variarse la velocidad a par constante, manteniendo la relación tensión/frecuencia constante, hasta una frecuencia determinada que denominaremos frecuencia base 1, para la cual la tensión alcanza su valor nominal. §  Puede continuarse incrementando la velocidad, disminuyendo el par, pero manteniendo la potencia y la corriente constantes durante un relativamente amplio margen de frecuencias aunque incrementando el deslizamiento, hasta que no es posible continuar manteniendo la corriente constante, frecuencia base 2. §  Aún se puede aumentar más la velocidad, aunque con pares muy reducidos, e intensidades que disminuyen con la velocidad. §  En la zona de par constante, el flujo que genera el estator y que concatena con el rotor, se mantiene constante a su máximo valor, consecuencia del control de la tensión/ frecuencia, pero en la zona de potencia constante y en la de altas velocidades disminuye, por lo que se habla en esa zona de debilitamiento del flujo 194

Material móvil

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Material móvil ü  EL MOTOR ASINCRONO COMO GENERADOR.

§  Cuando el motor asíncrono funciona como generador se corresponde con velocidades superiores a la de sincronismo, lo que comporta deslizamientos negativos. En este caso el par desarrollado por el motor asíncrono se convierte en par de frenado respecto del rotor. 196

Material móvil •  Se puede disponer de un generador asíncrono trifásico disponiendo, por ejemplo, acoplado a un motor de explosión. Se conecta el motor trifásico a una red de distribución trifásica de baja tensión y se arranca como motor asíncrono, este motor al estar acoplado al motor de explosión arrastrará al mencionado motor de explosión. •  El motor asíncrono llegara a una velocidad de régimen próxima a la de sincronismo. A continuación se arranca el motor de explosión y una vez que, debido al motor de explosión, el sistema supere la velocidad de sincronismo, el motor asíncrono se convertirá en generador, cediendo potencia activa al sistema eléctrico al que esté conectado.

197

Material móvil §  Este sistema tiene las siguientes particularidades: • 

El generador asíncrono produce más potencia cuanto más velocidad tenga el rotor.

• 

El generador asíncrono no puede producir flujo por si mismo, necesita una potencia reactiva (Q) para magnetizar el estator y generar un flujo entre el estator y el rotor.

• 

Esta potencia reactiva que necesita la absorbe de la red eléctrica donde esta conectado.

• 

En el caso que no estuviese conectado a una red eléctrica, se tendría que generar esta potencia reactiva a través de condensadores conectados con el generador en paralelo con la salida/entrada.

198

Material móvil §  Una vez que el motor asíncrono hubiese cogido la velocidad de hipersincronismo a través de otro motor de explosión, eléctrico o con la inercia de frenado de un tren, se acoplaría a la red eléctrica donde tiene que entregar la potencia activa que genera. §  En el caso de un tren, seria la de la red que se alimenta el tren en el caso de corriente alterna. Cuando es corriente continua es igual, ya que cualquier frecuencia se tendría que rectificar, aunque el sistema de control de conexión/desconexión de los elementos de potencia se haría con la misma frecuencia que cuando actúa de motor.

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Material móvil §  Si la potencia activa que genera el generador asíncrono a través del frenado del tren (inercia), no se pudiese consumir en la red de tracción ya que no hubiese ningún tren para consumirla, se descargaría sobre las resistencias rotóricas, que el tren lleva en el techo del coche motor, las cuales disiparían esta potencia en calor. §  Esta situación se mantiene hasta que el tren va perdiendo velocidad y llega un momento que pierde la efectividad este tipo de frenado a velocidades muy bajas, en ese momento entra el freno neumático para parar el tren.

200

Material móvil v 

Funcionamiento como freno de emergencia §  Este régimen de frenado se utiliza cuando se tiene que frenar el tren lo antes posible. La maniobra se realiza invirtiendo dos fase de las que alimentan los motores asíncronos, de tal manera que el campo giratorio generado por el estator invierte su sentido de marcha girando en sentido contrario del que esta girando el rotor (frenado a contracorriente). El rotor va gradualmente disminuyendo su velocidad hasta pararse.

201

Material móvil §  En el momento de pararse o un poco antes el motor se debe desconectar de la red que lo alimenta, ya que de lo contrario el rotor llegaría a moverse en sentido contrario que el sentido de la marcha normal del tren. En este tipo de frenado se pueden producir intensidades superiores a las del arranque, aunque a través del inversor se suavizan estas intensidades. §  Normalmente en los trenes este sistema de frenado de emergencia no se usa, ya que puede provocar averías muy importantes en los motores de tracción. §  En los trenes se aplica el freno de emergencia a través del sistema neumático de freno, que es mucho más efectivo, ya que vacía la tubería principal de freno aplicando las mordazas de freno sobre las ruedas o los tambores de freno situados sobre los ejes. Esto evita que se puedan generar, como hemos dicho antes, averías destructivas en los motores de tracción.

202

Material móvil TRACCIÓN EN TRENES DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA Llamamos “levitación magnética” al fenómeno por el cual un determinado material puede levitar gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes o bien debido a lo que se conoce como “Efecto Meissner”, propiedad inherente a los superconductores. Los supercondutores son capaces de rechazar un campo magnético que intente penetrar en su interior, de manera que si acercamos un imán a un superconductor, se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación del mismo. Un tren de levitación magnética es un vehículo que utiliza las ondas magnéticas para suspenderse por encima del carril (algunos de estos trenes van a 1 cm por encima de la vía y otros pueden levitar hasta 15 cm) e impulsarse a lo largo de un carril-guía. 203

Material móvil El transporte de levitación magnética, o maglev, es un sistema de transporte que incluye la suspensión, guía y propulsión de vehículos, principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión a base de la levitación magnética. Sistema de funcionamiento del tren de levitación magnética de alta velocidad El funcionamiento del tren de levitación magnética de alta velocidad se basa en los siguientes cuatro (4) principios: •  •  •  • 

Principio de levitación magnética Principio de guía lateral Principio de propulsión Mecanismo de frenada 204

Material móvil Principio de levitación magnética La levitación en un tren maglev, se consigue mediante la interacción de campos magnéticos que dan lugar a fuerzas de atracción o repulsión, dependiendo del diseño del vehículo, es decir, según si el tren utilice un sistema EMS (electromagnetic suspension o suspensión electromagnética) o EDS (electrdynamic suspension o suspensión electrodinámica). •  E M S ( e l e c t r o m a g n e t i c s u s p e n s i o n o s u s p e n s i ó n electromagnética). En el caso del EMS, la parte inferior del tren queda por debajo de una guía de material ferromagnético, que no posee magnetismo permanente. •  EDS (electrdynamic suspension o suspensión electrodinámica). Debido al Efecto Meissner la suspensión, por tanto, consiste en que el superconductor rechazará las líneas de campo magnético de manera que no pasen por su interior, lo que provocará la elevación del tren. Ø 

205

Material móvil EMS (suspensión electromagnética).

EDS (suspensión electrodinámica)

206

Material móvil Principio de guia lateral Los MagLev necesitan, además del sistema de levitación magnética un sistema de guía lateral que asegure que el vehículo no roce el carril guía como consecuencia de perturbaciones externas que pueda sufrir. Ø 

Principio de guía lateral 207

Material móvil Principio de propulsión Un tren MagLev es propulsado mediante un motor lineal. El funcionamiento de un motor lineal deriva de un motor eléctrico convencional donde el estator es abierto y “desenrollado” a lo largo del carril-guía en ambos lados. Ø 

Esquema de un motor lineal en un tren Maglev

208

Material móvil La propulsión, tanto en EDS como en EMS, se logra generalmente mediante la utilización del LSM, linear synchronous motor o motor lineal síncrono. Este sistema de propulsión utiliza como estator un circuito de bobinas sobre la vía, por el cual circula una corriente alterna trifásica controlada. El rotor está compuesto por los electroimanes del tren, en el caso de un EMS, o las bobinas superconductoras en un EDS. El campo magnético que crea la corriente alterna del estator interactúa con el rotor (electroimanes o bobinas superconductoras) creando una sucesión de polos norte y sur que empujarán y tirarán del vehículo hacia delante, como muestra la figura siguiente.

.

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Propulsión de un tren Maglev

Este campo magnético (también llamado "onda magnética") viajará junto al tren a través del carril-guía, permitiéndole a este acelerar. El rotor viajará a la misma velocidad que el campo magnético. La regulación de la velocidad del tren se logra bien regulando la frecuencia de la onda magnética (variando la frecuencia de la corriente alterna) o bien variando el número de espiras por unidad de longitud en el estator y el rotor.

210

Material móvil Una característica importante de este sistema es que la energía que mueve al tren no la provee el mismo tren, sino que esta es proveída por las vías. Esto permite evitar un malgasto de energía fraccionando la vía en secciones, de manera que cada una tenga su alimentación, de esta manera solamente estarán activos aquellos tramos de la vía por los que en ese momento esté transitando el tren.

Suministro de energía a la vía 211

Material móvil Mecanismo Frenado El frenado del tren maglev se consigue, como la propulsión, gracias al motor lineal. Ø 

Esto se logra invirtiendo la polaridad de la corriente trifásica en la vía (estator) de manera que se cree una fuerza en sentido contrario al avance del tren. Bajo condiciones normales, la desaceleración límite sería la misma que la aceleración límite: 1,8 m/s2 (este límite de aceleración se escoge de manera que no sea molesto para los pasajeros). En condiciones de emergencia, el motor lineal puede desacelerar al tren a 3,5 m/s2 aproximadamente.

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Material móvil En un tren con EMS, en condiciones normales, este deja de levitar cuando su velocidad se aproxima a los 10 Km/h (esto se hace de manera voluntaria, ya que con suspensión EMS el tren puede mantenerse levitando aún estando parado). En ese momento se desprenden unos patines incorporados al tren, con un coeficiente de fricción determinado, que hacen que el tren se detenga por completo. En un tren con EDS, el tren dejará de levitar también aproximadamente a unos 10 Km/h (aunque no de manera voluntaria), momento en que las ruedas neumáticas entran en funcionamiento y el tren utiliza entonces frenos hidráulicos para detenerse.

213

Material móvil Ø Ventajas

•  •  •  •  • 

de un tren Maglev Única resistencia es el aire. El motor se encuentra en la vía y no en el tren. Genera una contaminación acústica mucho menor pues no existe el roce entre la rueda del tren y el carril. Consumo de energía es mucho menor que en un tren convencional. También al poseer guías laterales el descarrilamiento es muy poco probable.

Ø Inconvenientes •  Alto precio de construcción •  No hay compatibilidad con las • 

vías actuales de trenes, por lo que se requiere construir nuevas vías. Debido a que el tren debe levitar, es poco recomendado para el transporte de carga pesada.

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EQUIPOS DE FRENO

SHINKANSEN, Nozomi, Serie 216 500

Material móvil CARACTERÍSTICAS DEL FRENADO El frenado consiste en la aplicación de un esfuerzo de tracción negativo al tren: §  Como una maniobra en marcha para detención o reducción de velocidad (Servicio). §  Como una parada de emergencia (demandas de seguridad mayores que para el servicio). El esfuerzo de frenada se aplica, generalmente, a todas las ruedas del tren como si todas fueran motrices temporalmente, haciéndo un uso máximo de la adherencia disponible. Teoricamente el valor límite de deceleración que se obtiene de este modo es µg donde “µ” es el valor límite del coeficiente de rozamiento en el contacto rueda-carril y “g” es la constante de gravitación. 217

Material móvil Con esto tendríamos un valor de 2,5 m/s2. No obstante, por motivos de seguridad del pasaje es preciso llegar a una solución de compromiso fijándose este en valores en torno a 1,2 m/s2. VALOR LÍMITE DE DECELARACIÓN Aplicando la ecuación de la dinámica al sistema del tren completo se tiene: Ff = M.ax por otro lado tenemos: P = M.g Siendo M la masa de todo el convoy y P el peso del mismo. Uniéndolas se tiene que: ax= g Ff /P (1) 218

Material móvil Siendo Ff el esfuerzo de frenada que se aplica a un tren, que viene limitado por la adherencia, siendo su valor máximo posible expresado por la fórmula: Ff ≤ µP (2) Igualando y despejando las ecuaciones (1) y (2) resulta: ax ≤ µg Como tenemos valores de µ = 0,20 se llega a que la deceleración máxima que puede alcanzarse es de 2 m/s2. La velocidad de los trenes se ve limitada prácticamente por las prescripciones de frenado (p.e. Un tren a 100 km/h tardará del orden de 14 s en detenerse). 219

Material móvil TIPOS DE FRENO VEHÍCULO FERROVIARIO Ø  Neumático §  Zapata: De adherencia. Actúa directamente sobre la superficie de rodadura. Deteriorio de la misma para v>120 km/h §  Disco: De adherencia. Disco colocado en el propio eje (hasta 3 discos en alta velocidad). Aumentan el peso no suspendido. A más velocidad, más discos. Para v>230 km/h desgaste excesivo. Ø  De motor §  Reostático: Los motores funcionan como generadores de energía. Convierten la energía cinética en energía eléctrica y posteriomente en energía calorífica que hace disminuir la velocidad del tren. Solo para ejes motores eléctricos donde aprovechan la energía del motor. §  Recuperación: Transforman la energía cinética del tren en energía eléctrica reenviándola a la red. Caso de trenes de cercanías y de fuertes pendientes. 220

Material móvil •  Existen otros tipos de frenos: patín electromagnético, de Foucault, hidráulicos, etc. Es de interés señalar que muchos vehículos están equipados con más de un tipo de freno. •  En cuanto a la diferencia de tipo de frenos entre vehículos convencionales y de Alta Velocidad, cabe destacar que en este aspecto no existen grandes diferencias. Ambos tipos de vehículos están dotados normalmente de un combinación de estos frenos: neumático (de zapata para convencionales y de disco para Alta Velocidad), reostático y de recuperación. •  Sí que se encuentran diferencias en cuanto a la potencia de dichos frenos. Hay que tener en cuenta que a mayor velocidad de circulación, mayores distancias de parada, siendo necesaria, por tanto, una potencia de frenado mayor. 221


FRENO NEUMÁTICO.

Los frenos de un tren sirven para moderar su velocidad, asegurar su detención y garantizar la inmovilidad del Material Móvil en plena vía o durante el estacionamiento. Además, las normas de la UIC establecen que los sistemas de freno deben satisfacer las siguientes características: Moderabilidad.- Cualidad del equipo de freno, tal que tanto el apriete como el afloje se apliquen de forma gradual y escalonada. Inagotabilidad.- Cualidad del equipo de freno que permite a este frenar y aflojar repetida y consecutivamente sin que la presión de los cilindros de freno quede por debajo de su valor máximo prescrito. Sensibilidad.- Cualidad del equipo de freno que le permite discernir entre lo que son órdenes de freno y lo que son fugas del circuito neumático, ante las que no reaccionara frenando. 222

Material móvil v REQUISITOS

DEL FRENO.

Las fuerzas durante el frenado se reparten de la manera siguiente:

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Material móvil P = Presión total de las zapatas sobre un eje. Mk = Adherencia zapatas / rueda. Q = Carga total del eje. Ms = Adherencia rueda / carril. Para que no se bloque el eje => P * Mk ≤ Q * Ms Condiciones de máximo frenado => P * Mk = Q * Ms Esta condición es muy difícil de cumplir dado que los coeficientes de adherencia zapatas/rueda y rueda/carril no se mantienen constantes.

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Material móvil v 

COMPRESOR.

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 la ayuda de una maquina motriz eléctrica (motor asíncrono). Toda instalación que haga uso del aire comprimido, estará compuesta de los elementos básicos siguientes: •  Grupo de comprensión (motor, compresor, regulador, válvula de seguridad, etc.) •  Refrigerador posterior (de agua o de aire/aire). •  Filtro separador (de agua, aceite y partículas) •  Secador (frigorífico, de absorción o adsorción) •  Deposito principal. •  Tuberías.

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Material móvil 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, y para diversos accionamientos: elevación de pantógrafos, cierre de contactores, accionamientos de servomotores, etc. Instalación característica de producción de aire comprimido en un vehículo ferroviario

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Material móvil ²  Tipos de Compresores. El equipo principal 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: o  Alternativos (de pistón). o  Rotativos En nuestro caso explicaremos el compresor que normalmente están instalados en los trenes, que es el compresor alternativo de pistón.

227

Material móvil o  Compresores alternativos de pistón. La compresión se obtiene por admisión de aire en un recipiente hermético, donde se le reduce el volumen desplazando el embolo, pistón, a lo largo de un cilindro. Los compresores de pistón se pueden clasificar en sencillos o de doble etapa. Compresores sencillos. Los compresores sencillos poseen una sola fase de compresión. En los giros del cigüeñal se producen carreras de admisión y compresión, controlados 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

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Material móvil

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). 229

Material móvil El ciclo de compresión será; cierre de la válvula de admisión – apertura de la válvula de compresión - carrera ascendente del pistón reduciendo el volumen e inyectando el aire en la tubería de aire comprimido (figura de la derecha). Compresores de doble etapa. En los compresores de doble etapa, el aire se comprime en dos etapas; en la primera etapa el aire se comprime a 2 o 3 bar (baja presión) y, en la segunda etapa, se comprime a 8 o 10 bar (alta presión). En estos compresores existe un enfriador entre ambas etapas y la temperatura de salida del aire comprimido se sitúa alrededor de 130º. Este tipo de compresor de dos cilindros de compresión, hay uno para comprimir a baja presión, siempre de mayor volumen, y otro para comprimir a alta presión.

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Material móvil

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Material móvil Instalación característica de producción de aire comprimido en un vehículo ferroviario

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Material móvil **A continuación explicaremos la simbología del esquema anterior para poder entenderlo. Hemos explicado el compresor y continuamos hacia la derecha del esquema. v Refrigerador posterior. 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

Refrigerador posterior

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Material móvil La temperatura característica de salida de un compresor de doble etapa, se sitúa en torno a los 130ºC, la misión del “refrigerador posterior” es rebajar la temperatura hasta unos 25÷ 30ºC lo cual permite 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. v Filtro de aire comprimido. El aire comprimido refrigerado al entrar en el filtro a través de una placa deflectora entra en rotación. Las partículas de agua, aceite o impurezas sólidas son lanzadas contra la pared interior del depósito por el efecto centrífugo.

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Material móvil Estas impurezas caen en un depósito colector. El aire descargado de humedad, aceite y partículas gruesas, por centrifugación, sale atravesando un filtro que es capaz de retener partículas pequeñas. Es habitual el uso de cartuchos filtrantes de 5 micrones, capaces de retener todas las partículas mayores de 0,005 mm de diámetro. v Válvula de seguridad La producción de aire comprimido se regulará de algunas 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. Su funcionamiento es muy simple: el cierre permanece fuertemente presionado sobre su asiento mediante un resorte cuya fuerza se regula por medio de un tornillo, figura de la izquierda, y el aire atraviesa la válvula sin que su presión sea capaz de actuar el cierre. 235

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Material móvil Cuando la presión del aire sobrepasa el valor regulado de la válvula (10 a 11 bar en vehículos ferroviarios), la presión sobre la tapa vence la fuerza del muelle, disminuyendo la presión a través de los orificios de escape, figura de la derecha. Al tratarse de un dispositivo de seguridad, deberá ser ajustado en el servicio de neumática, situado en el taller de mantenimiento que le corresponda a la unidad de tren, a un valor adecuado según normas del fabricante de la válvula. No se debe actuar sobre el dispositivo de regulación por personal no autorizado, 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 y aún a las personas que trabajan en su proximidad.

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Material móvil v  Secador 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 del tren 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. Cuando se sobrepasa la humedad relativa del aire, aparece agua en forma de gotas; una parte importante de esa agua se elimina con el enfriado previo y el filtro separador. No obstante, aire a 40-50oC puede contener hasta un máximo de 50-79 gr de agua por m3. 238

Material móvil A partir de esa cantidad se iría desprendiendo en forma de gotas. Para eliminar esa humedad se utilizan los siguientes procedimientos: •  Secado por absorción, 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. •  Secado por adsorción, 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. Secadores de absorción 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.

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Material móvil Secadores de adsorción 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. 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.

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Material móvil

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Material móvil v  Depósito Principal. 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. v  Filtro de salida del depósito principal Con el fin de mejorar la calidad del aire, se suele instalar otro filtro a la salida del depósito, garantizando y complementado, el tratamiento de las torres de secado y filtro centrífugo. 242

Material móvil v  Regulador del compresor Un interruptor accionado por presión, 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: §  Parada del motor de accionamiento, con motores eléctricos de corriente continua o asíncronos de alterna trifásica. §  Puesta en escape del compresor a la atmósfera, mediante una válvula de descarga, en compresores accionados por motores térmicos o eléctricos síncronos.

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Material móvil v Llave de cierre del depósito principal 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. v Alimentación de aire comprimido para la puesta en marcha del tren. 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 electro neumático, etc). v Depósito de reserva 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. 244

Material móvil

Instalación de aire comprimido en un tren 245

Material móvil v  Compresor auxiliar Se trata de un pequeño compresor cuyo motor funciona alimentado con corriente de batería; se instala en previsión de la falta de aire comprimido en los depósitos principales durante la puesta en marcha del tren. 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 o 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. 246

Material móvil v  Manómetros En el circuito se ha representado un manómetro para control visual de la presión de reserva. v  Válvula reguladora de presión Los elementos básicos de arranque requieren aire comprimido a presión limitada entre 3,5 y 5bar; en el circuito de la figura se representa una válvula reguladora de presión a la salida de la tubería de alimentación

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Material móvil APLICACIONES DEL AIRE COMPRIMIDO EN VEHÍCULOS FERROVIARIOS 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. 248

Material móvil • 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. • Maniobra y soplado de extinción de contactores: locomotoras y automotores eléctricos. • Servomotores de accionamiento de contactos eléctricos: locomotoras y automotores.

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Material móvil • 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.

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Esquema sinóptico de la instalación neumática de una locomotora 251

Material móvil 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 ésta, 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, si bien puede ser alimentado desde la TFA, como sucede en coches y vagones. 252

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Material móvil v  TUBERIA DE FRENO AUTOMÁTICO (TFA) 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, que se acumula en unos depósitos y aporta la energía necesaria para el frenado. La Tubería de Freno Automático (TFA) 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 la aplicación de freno en todos los coches o vagones del tren. Las órdenes de freno se dan desde el panel de mando, o cabeza de freno, desde válvulas de emergencia o por simple rotura de la tubería.

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Material móvil v  Distribuidor de freno El elemento básico del freno neumático por tubería UIC es el distribuidor de freno; a través de él se almacena aire comprimido en un depósito auxiliar de freno, convirtiendo las variaciones de presión en la TFA en esfuerzos proporcionales de freno. Los distribuidores de freno garantizan que el freno sea automático, moderable en el apriete y el afloje e inagotable. v  Timonería de freno. 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. 256

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Material móvil v  Mando de freno 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, a saber: §  Cabezas de freno, de naturaleza mecánico-neumática, apenas utilizadas en la actualidad salvo en cabinas auxiliares y líneas de segundo freno. §  Paneles de control electroneumático, 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. 260

Material móvil 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. v Mando de freno electroneumático U.I.C. Uno de los problemas más importantes que tiene el distribuidor de freno son los de sincronización que estos presentan en trenes de gran longitud. Por ese motivo, se ha desarrollado 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 o vagones, según la disposición de la figura siguiente.

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Material móvil v  Equipo de antideslizamiento Como ya se dijo al principio, la máxima eficacia del freno sólo puede ser obtenida cuando el tren posee un dispositivo que permite controlar la presión de las zapatas ajustándola al estado de adherencia. La siguiente figura muestra uno de estos equipos. Cada eje dispone de un tacogenerador 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 de la presión.

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Material móvil 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. 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.

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Material móvil Ø  FRENOS COMPLEMENTARIOS 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: §  Moderables: - Eléctricos. - Hidráulicos. - Magnéticos de corrientes de Foucault. §  No moderables: - Magnéticos

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Material móvil Frenos eléctricos Pertenecen a este grupo aquellos que utilizan los motores de tracción, como generadores de corriente continua o como alternadores, cuando ejecutan la frenada del tren, 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 asíncronos de corriente alterna.

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Material móvil 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 o inversores de potencia. La energía eléctrica producida se opone al movimiento de giro de los ejes del tren, 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 esta 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.

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Material móvil Frenos hidráulicos Los frenos hidráulicos (hidrodinámicos) son propios de vehículos diesel con transmisión hidráulica, y también mecánica, una carcasa de freno contiene una turbina conectada a la transmisión que gira enfrentada a otra fija. De forma esquemática el principio de funcionamiento de los frenos hidrodinámicos se basa en que mediante una se mantiene un flujo constante de aceite entre ésta 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.

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Material móvil Consideraciones comunes a los frenos eléctricos e hidrodinámicos Los frenos dinámicos, basan su eficacia en la adherencia rueda/carril de los ejes motrices, resultando, por tanto, en algunos casos incompatibles con el uso del 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 tracción/freno, denominado freno de servicio, para su uso manual. 270

Material móvil También se suele producir de forma automática en respuesta a cualquier demanda de freno neumático del tren, denominándose freno conjugado. 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.

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Material móvil Freno magnético por corrientes de Foucault 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 del conductor, se obtiene así una potente fuerza de frenado sin rozamiento ni desgaste utilizando el principio de frenado por corrientes de Foucault.

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INDUCIDO

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Material móvil En su uso ferroviario se han utilizado dos versiones: •  una rotativa que emplea las ruedas del tren como disco rotor sometiéndolas a la acción de unos potentes electroimanes; •  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. 274

Material móvil v  FRENOS DE ESTACIONAMIENTO. Los frenos de estacionamiento se usan para mantener detenido el tren 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. Frenos de mano 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. 275

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Material móvil 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 la figura).

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Material móvil Para acceder a las timonerías instaladas en vehículos dotados de freno de discos, se hace preciso acceder de forma elástica a un dispositivo de tensado instalado en el bogie, recurriendo en ocasiones a sistemas hidráulicos como el representado en las figuras siguientes.

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Material móvil 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.

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Freno de estacionamiento hidráulico AFLOJANDO

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Material móvil v  BLOQUES DE FRENO Cada vez son más comunes los bloques de freno en ejes motrices de vehículos motores; 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. Bloques de freno con muelle acumulador 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 este capítulo dado que las unidades dotadas de muelle acumulador para freno de estacionamiento presentan ciertas particularidades que conviene conocer. 281

Material móvil 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.

Bloque de freno con resorte acumulador en posición de AFLOJE total

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Material móvil En la figura anterior no existe presión en el cilindro de freno, freno neumático aflojado y sí en la cámara del resorte multiplicador (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.

Bloque de freno con resorte acumulador en posición de freno neumático APRETADO

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Material móvil La figura anterior muestra la situación de freno neumático apretado (el aire en el cilindro de freno se ha representado en color azul) y el resorte se encuentra comprimido. El mecanismo de empuje del cilindro de freno es concéntrico al mecanismo de tracción del muelle. 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 muelle acumulador, la distensión del muelle acumulador arrastra el mecanismo de aplicación del cilindro de freno y mantiene apretado el freno mediante la energía acumulada en el resorte. Ver figura siguiente.

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Bloque de freno con resorte acumulador en posición de freno mecánico apretado

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Muchas Gracias [email protected]

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BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA

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Infraestructuras Material Movil Material Movil Plaja 1.3.13

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