UNIDAD 4: MATERIAL FERROVIARIO
4.1 Características de tracción y rendimientos:
La relación fuerza – fuerza – potencia potencia – – velocidad. velocidad. 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 4.2 Rendimiento termodinámico de los diversos sistemas.
Un sistema termodinámico es cualquier región del espacio sobre la que centramos nuestro interés. Para delimitar esta región la limitamos con una pared (que puede ser real o imaginaria) que la recubr e totalmente. La parte del espacio que no forma parte del sistema se denomina entorno o medio. El sistema y el entorno forman el universo. En termodinámica vamos a estudiar, pues, la evolución de un sistema cuando este interacciona con el el entorno que lo rodea, para ello vamos a emplear variables termodinámicas, que no son más que
variables que nos dan la información sobre el estado del sistema, el estado dinámico en el que se encuentran las partículas del sistema. Variables y equilibrio termodinámicos
Macroscópicamente el estado del sistema se define estudiando un conjunto de propiedades que afectan globalmente al sistema (como el volumen o la carga eléctrica) que denominaremos variables o coordenadas termodinámicas. Hay que hacer notar que las variables termodinámicas son mensurables y que no se necesitan conocer todas las posibles variables que definen un sistema, va a existir un número mínimo de variables que definirán el estado del sistema de forma unívoca, son las variables o coordenadas de estado. Estas variables se suelen clasificar de dos modos diferentes: por un lado están las variables extrínsecas (que dependen de la naturaleza del sistema y el valor que toman ciertas magnitudes del entorno) e intrínsecas (que sólo dependen de la naturaleza y el estado del sistema); por otro lado tenemos las variables extensivas (las que dependen de la cantidad de materia del sistema) y las intensivas (no dependen de la cantidad de materia del sistema). Es esta última clasificación la más importante y que se empleará a lo largo de los apuntes. Definimos como magnitud específica a las variables extensivas partidas de una cantidad que nos dé cuenta de la materia del sistema (bien la masa, bien b ien los moles). Es una variable var iable intensiva. Procesos e interacción termodinámicos
Decimos que un sistema termodinámico sufre un proceso termodinámico cuando pasa de un estado inicial de equilibrio1 a otro estado final (también de equilibrio). Los diferentes estados por los que pasa el sistema durante el proceso se llaman camino o trayectoria del proceso. Para que se dé este proceso es necesario que haya interacción entre el sistema y el entorno, y esto sólo puede ocurrir a través de la pared. Básicamente hay tres tipos de interacción: mecánica, másica y térmica. La interacción mecánica se debe a una variación en las var iables extrínsecas (por ejemplo el volumen) y se producirá hasta que las variables intrínsecas asociadas (en el caso del volumen sería la presión) se igualen en el entorno y el medio. En este caso decimos que la pared es adiabática. La interacción másica se debe al intercambio de materia a través de una pared permeable. Una interacción térmica es cualquier otro tipo de intercambio de energía. En este caso la pared se denomina diatérmica. Decimos que el sistema es abierto si pueden existir los tres tipos de interacción, decimos que es cerrado si no se permite el intercambio de materia y decimos que es aislado si no se permite ningún intercambio de energía. 4.3 Sistemas de tracción:
El transporte ferroviario ha de ser uno de los elementos más importantes en el futuro de la movilidad. En unos tiempos en los que se priorizan los sistemas sostenibles, el ferrocarril presenta múltiples ventajas, tanto a nivel medioambiental como económico. La sociedad ha entendido que un transporte basado en un gasto energético de combustibles contaminantes no es sostenible.
Los tipos de tracción que se emplean de forma intensiva en la actualidad en el ferrocarril son la tracción eléctrica y la tracción diésel, pero existen o han existido otros sistemas con poco uso en la actualidad (la tracción vapor y tracción por turbina de gas). 4.3.1 Tipos y desarrollo de los medios de tracción
4.3.2 Comparación desde el punto de vista de la operación
4.3.3 Comparación desde el punto de vista energético
4.3.4 Tracción a vapor
Para que naciese el ferrocarril fue requisito previo el invento de una máquina que crease su propio movimiento, a partir de la recepción de energía del exterior. La primera máquina o locomotora conocida (y con la que comenzó la andadura del ferrocarril) es la de vapor. En esencia, la máquina de vapor es un vehículo con un depó sito (caldera) lleno de agua que se calienta al quemar un combustible (al principio era carbón o madera, pero posteriormente se evolucionó también hacia el fuelóleo). Al calentarse el agua, se produce vapor de agua, y al expandirse éste, se mueven unos pistones situados en cilindros y se traslada el movimiento a las ruedas a través de un sistema de bielas-manivelas. Este principio básico constituyó la única máquina conocida hasta bien entrado el siglo XIX, y evolucionó fuertemente para conseguir mayores potencias y velocidades. Ventajas e inconvenientes
Uno de los principales obstáculos al desarrollo de la locomotora de vapor hay que buscarlo en el inconveniente que supone la gran cantidad de carbón que quema una locomotora y la subsiguiente necesidad de aprovisionar permanentemente la máquina de combustible. También, al evaporarse el agua de la caldera, las locomotoras de vapor necesitan frecuentes aprovisionamientos de agua; por lo tanto era habitual ver unas grúas hidráulicas (con sus depósitos de agua) junto a la vía en lugares estratégicamente situados en los cuales las locomotoras reponían el agua que habían consumido. En algunos países (como Inglaterra o Francia) se instalaban canales de agua entre los dos carriles de la
vía, y al pasar por ellos la locomotora (con una pala especial) recogía agua en marcha, evitando la parada para el aprovisionamiento. Las locomotoras de vapor fueron evolucionando al incrementar el tamaño de la caldera, el número de ruedas y su tamaño, y posteriormente se introdujeron mejoras tales como aumentar el número de cilindros (unos trabajando en alta y otros en baja presión) o dividir la locomotora en dos partes articuladas entre sí. La locomotora de vapor dejó de ser hegemónica ya bien entrado el siglo XX y los últimos ejemplares que se fabricaron lo fueron poco después de la mitad de ese siglo. En España, las postreras locomotoras de vapor se construyeron en 1960, y la tracción vapor desapareció en servicio regular en la red de ancho normal en 1975. En los últimos años, uno de los problemas básicos, que era el suministro de carbón, se había solucionado con la utilización del fuelóleo como combustible. La fuelización en España se realizó desde los años 50 y afectó a la mayor parte de las grandes locomotoras de vapor. Además de las limitaciones de suministro ya descritas, la locomotora de vapor presentaba el problema de la enorme dificultad para aumentar la potencia por encima de unos ciertos valores, y sobre todo un bajísimo rendimiento energético. En efecto, el motor de vapor necesita grandes cantidades de combustible para producir el movimiento; motivo por el cual fue desechado y sustituido por máquinas con mayor productividad. Por otra parte, para la conducción y aprovisionamiento de la máquina de vapor se necesitaba gran cantidad de personal sometido a condiciones de trabajo inhumanas: normalmente la dotación de una locomotora la componían el maquinista y el fogonero, este último se dedicaba a alimentar el fuego paleando carbón. La tracción vapor desapareció del servicio regular de transporte en los primeros años del siglo XX, siendo en Cuba y China los últimos países en los que se empleó. Existen en el mundo, sin embargo, numerosos ferrocarriles turísticos que utilizan este tipo de máqu inas, y también parques de ocio en los que circulan nuevas locomotoras de vapor alimentadas por gasóleo. Oportunidades de futuro
Es preciso anotar algunas posibilidades de la tracción vapor que sugieren que su utilización futura pueda ser considerada en ciertos casos. En primer lugar, la máquina de vapor puede emplear una gama muy amplia de combustibles, incluyendo los de la biomasa, por lo que en ciertos entorno s puede sustituir con ventaja al motor diésel. En segundo lugar, y algunos desarrollos realizados en Argentina y Suiza recientemente han elevado de forma importante su rendimiento. Sobre la experiencia Suiza, concretada en la mejora y modernización de una antigua locomotora, señala Ángel Maestro (2003): “Las pruebas efectuadas en diversos tramos de la red suiza, entre Winterthur y Frauenfeld y remolcando el Orient Express han resultado apabullantes en relación con la locomotora original. Se ha conseguido aumentar su potencia en un 30%, pasando de 2.200 CV a 3.000 CV, obteniendo una disminución del consumo
de combustible de un 40 %, aumentando la velocidad de 80 km/h a 100 km/h. (…) Los rendimie ntos son también sensacionales, lejanos de ese 5% esgrimido por los detractores de la máquina de vapor, demostrando sus enormes posibilidades sin explotar, que no es “un extravagante consumidor de carbón”, como diría un cierto personaje a principios de los años 50. Se ha pasado del rendimiento del 13% logrado por Porta en anteriores realizaciones, al 15 % de Wardale –en servicio normal un 13%-, ahora al 16’5-17 %. En la relación peso/potencia Porta diseñó hace años máquinas avanzadas, pero no correspondientes a la ultimísima tecnología, disponiendo de una relación 44 CV/t”. También en Cuba, en el año 2003, se terminó la reconstrucción de una locomotora de vapor con nuevas técnicas, de alto rendimiento, baja contaminación y, lo que es más importante, que permite la independencia del petróleo. En esta línea, cabe prever que en entornos locales (lo que limita los inconvenientes del aprovisionamiento de agua) y en ciertas condiciones, pequeñas máquinas de vapor pueden realizar un servicio energéticamente eficiente. 4.3.5 Tracción diésel
La aparición de los motores de combustión interna (de gasolina y gasóleo) que se aplicaron a la automoción desde los últimos años del siglo XIX, apuntaron la posibilidad de sustituir con ventaja las máquinas de vapor. Sin embargo, hasta entrado el siglo XX, el desarrollo de vehículos ferroviarios con este nuevo tipo de tracción fue muy limitado. Primero se empleó el motor de gasolina y posteriormente el de gasóleo (diésel) para aumentar las potencias; pero en todo caso, hasta la construcción de grandes motores diésel, la aplicación ferroviaria se limitó a automotores (vehículos semejantes a los autobuses con ruedas ferroviarias que circulaban por la vía). Estos automotores, con cajas de cambio análogas a las de los autobuse s, tenían al principio pequeños motores de gasolina; posteriormente fueron adoptando motores diésel, pero no consiguieron acoplarse éstos en las locomotoras por falta de potencia, y sobre todopor falta de un desarrollo adecuado de las transmisiones, ya que la tradicional caja de cambios mecánica no permite trabajar con altas potencias. Entrado ya el siglo XX se fueron construyendo motores cada vez más potentes que han permitido el desarrollo de locomotoras diésel, singularmente en Estados Unidos y Gran Bretaña donde la electrificación ha tenido poca penetración y se ha preferido siempre la versatilidad del diésel. Frente a la tracción vapor, la diésel tiene la ventaja de una conducción más limpia y fácil, de un aprovisionamiento más sencillo, y de un suministro de combustible más ágil. Por otra parte, también permite potencias mayores sin aumentar el peso de la locomotora. Frente a la tracción eléctrica tiene la ventaja de que no precisa las inversiones iniciales ni el gasto de conservación de la catenaria; pero presenta el inconveniente del menor rendimiento energético de la máquina, mayores emisiones; emisión de productos contaminantes en el lugar de circulación de la máquina; y mayor costo de combustible, aunque estas diferencias oscilan en función de la estructura de generación energética de cada país.
Lo cierto es que la tracción diésel ha sustentado el desarrollo del ferrocarril de mercancías en Estados Unidos, mientras que en la Europa continental se ha destinado fundamentalmente a servicios de maniobras y de mercancías en las líneas no principales y desde los años 60 ha “barrido” las máquinas de vapor, de manera que en todos los países europeos la tracción vapor ha sido sustituida por la diésel. Modernamente, los motores diésel mueven generadores que a limentan motores de tracción eléctricos (en las llamadas máquinas diésel-eléctricas) con lo cual se ha conseguido el mayor apogeo de la tracción diésel, al combinar las ventajas del suministro del motor diésel con las de la transmisión eléctrica. Además, la tracción diésel presenta una alta flexibilidad para la explotación, ya que puede circular por,todo tipo de líneas, con independencia de que estén electrificadas o no, su combustible tiene una excelente red de distribución y las locomotoras tienen una gran autonomía. Por el contra, las máquinas diésel no son aptas para muy altas potencias (lo que desaconseja su uso con frecuentes aceleraciones o en alta velocidad), el rendimiento energético en el vehículo es bajo (del orden del 30 al 35 %), dependen casi totalmente del petróleo y tienen un nivel alto de emisiones y de contaminación locales, lo que hace imposible su utilización intensiva en líneas subterráneas. La tracción diésel está evolucionando mucho, especialmente en Norteamérica con el desarrollo de nuevos motores de mayor rendimiento y bajas emisiones, y este tipo de tracción se beneficiará del desarrollo de las tecnologías de la automoción y del uso de nuevos combustibles. Por otra parte, se están realizando experimentos de uso de biocombustibles para la alimentación del motor. 4.3.6 Tracción eléctrica
Las locomotoras eléctricas se desarrollan desde finales del siglo XIX por un doble impulso. Por una parte, por la necesidad de resolver en los ferrocarriles subterráneos (fundamentalmente urbanos) el problema de la contaminación que producían las máquinas d e vapor; por otro lado, por la c onveniencia de aumentar la potencia en las líneas con fuertes rampas y pendientes, en las cuales las máquinas de vapor tenían un rendimiento muy bajo (lo que obligaba a emplear dos o tres máquinas) y poca velocidad. La tracción eléctrica ofrece enormes ventajas en cuanto a limpieza, potencia, rendimiento, etc., frente al vapor, pero presenta el inconveniente de la necesidad del suministro continuo de energía. Este inconveniente ha impedido el desarrollo a gran escala de vehículos de carretera de tracción eléctrica porque requieren acumuladores de energía muy pesados. Sin embargo, al circular el ferrocarril sobre una vía con un único grado de libertad, se aprovecha la posibilidad de suministrar la energía eléctrica al tren en el momento que la va necesitando, con un conductor paralelo a la misma vía (cables aéreos o tercer carril). En ocasiones se ha empleado un tercer carril para suministro de energía al tren, pero ha sido frecuentemente desechado por dificultades técnicas y sobre todo por motivos de seguridad, ya que cualquier viandante puede resultar electrocutado al tocar simultáneamente uno de los dos carriles sobre los que circula el tren y el que le alimenta de energía eléctrica. Más utilizada es la alimentación al tren con conductores aéreos situados sobre la vía.
Estos conductores empezaron siendo cables muy sencillos, pero posteriormente se fue mejorando la instalación para mantener perfectamente la horizontalidad, surgiendo así la catenaria o conjunto de cables que aseguran el suministro de energía a los trenes. A su vez, las máquinas eléctricas tienen en su parte superior un pantógrafo de altura variable que se va adaptando a la posición de la catenaria para la captación de corriente. Desde el primer momento, se comprobaron las ventajas de la tracción eléctrica frente a la tracción vapor. Sin embargo, al requerirse unos mayores gastos iniciales de instalación (catenaria, subestaciones que reciben la energía de la red, adquisición de material motor más sofisticado) solamente es económicamente interesante la electrificación a partir de un cierto nivel de tráfico. Como ya se ha señalado, primero se electrificaron las líneas urbanas y las que tienen mayores pendientes, pero posteriormente (a partir de mediados del siglo XX) se lanzó una campaña de electrificación más extensiva para dar continuidad a las existentes, y así lograr una tracción homogénea de los trenes a lo largo de su recorrido. Modernamente, la tracción eléctrica (que ha entrado en competencia con la tracción diésel) se ha revelado como la única capaz de desarrollar muy altas velocidades, por lo cual, a las ventajas tradicionales se ha añadido su exclusividad en el campo de la alta velocidad. En efecto, para explotación regular por encima de 220-240 km/h está prácticamente desechada la tracción diésel o la tracción a base de turbinas de gas (que fue experimentada a mediados de siglo en Francia). La alta velocidad se ha transformado en un patrimonio exclusivo de la tracción eléctrica. Los equipos han evolucionado muy notablemente desde las primeras locomotoras eléctricas. En efecto, han pasado de tener sistemas de control basados en mecanismos complejos y en resistencias, a sistemas electrónicos; y el motor ha pasado de ser de corriente continua (el más empleado en los primeros años de la electrificación) a ser de corriente alterna trifásico (síncrono y, mas frecuentemente, asíncrono). El suministro de energía al tren puede ser en corriente continua (tensiones de 600V, 1.500 V y hasta 3 kV) o en corriente alterna (el sistema normal, empleado en las más modernas electrificaciones y en todas las de alta velocidad es 25 kV a 50 Hz, aunque en Japón hay líneas 25 kV 60 Hz, y en Alemania y en otros países de su en torno a 15 kV, 16 2/3 Hz). El rendimiento energético de la tracción eléctrica es muy alto en la máquina, del orden del 80-90%, el mayor de entre todos los tipos de tracción. Sin embargo, el análisis del rendimiento global debe tener en cuenta el rendimiento con el que se produce y transporta la energía eléctrica que consume el sistema ferroviario (este rendimiento y los factores de emisión pueden variar en el tiempo y entre países). Este análisis global, puede llegar a bajar el rendimiento de la tracción eléctrica cerca de los valores d e la tracción diésel, por lo que puede afirmarse que la ventaja de la tracción eléctrica frente a la diésel no proviene de un mejor rendimiento energético, aunque si produce normalmente menos emisiones de CO2, menos energía no renovable, y deslocalización de las emisiones de contaminantes de efecto local.
Utilización de la tracción
Los trenes de tracción eléctrica no pueden circular por líneas no electrificadas, pero los vehículos diésel sí que pueden hacerlo por líneas electrificadas, por lo que es preciso adoptar decisiones en el ámbito de la explotación sobre si interesa o no, y cuándo, que circulen vehículos diésel por líneas electrificadas (bajo catenaria). Las razones que, en un momento determinado, pueden favorecer el empleo de la tracción diésel en líneas electrificadas se refieren a trenes que circulan en la mayor parte de su recorrido por líneas no electrificadas y que recorren un tramo corto electrificado. En este caso, puede no ser interesante cambiar la locomotora, pues el menor coste de tracción no se compensaría con el tiempo perdido y la duplicidad recursos necesarios. También si al final del recorrido el tren debe entrar a un apartadero o punto de descarga no electrificado puede interesar que sea la propia máquina titular del tren la que haga la maniobra. Este problema se soluciona modernamente con vehículos (locomotoras o trenes) “híbridos”, que son a la vez eléctricos y diésel -eléctricos. 4.4 Material rodante remolcado: Material rodante
Antigua locomotora de aire comprimido utilizada en minas,California. Dentro del transporte por ferrocarril se llama material rodante o material móvil a todos los tipos de vehículos dotados de ruedas capaces de circular sobre una vía férrea, considerándolos como vehículo aislado. Una composición de tren —también denominada formación y, fuera del ámbito ferroviario, tren — es uno o más vehículos que forman un tren. En el ámbito ferroviario la palabra tren se aplica a una composición formada, con una estación de salida, un horario y un itinerario establecido. También se utiliza para designar a servicios de tren que resultan peculiares por algún motivo, como el Tren a las nubes, Argentina. Por contrapartida a la composición de un tren, dos o más vehículos acoplados entre sí por cualquier circunstancia —maniobras interiores en la estación por clasificación, agrupación de vehículos estacionados, etc.— pero que no forman la composición de un tren propiamente dicha, se denominan corte de material .
4.4 .1 Evolución y estructura del vehículo ferroviario Evolución:
El primer tren o ferrocarril:
El primer medio de transporte que usó ruedas montadas sobre rieles y que utilizaba la fuerza motriz proporcionada por la máquina de vapor, fue diseñado por e l inglés Richard Trevithick, el 24 de febrero de 1804, al adaptar la máquina de vapor utilizada desde principios del siglo XVIII. La usó para bombear agua y así tirar de una locomotora que hizo circular a una velocidad de 8km/h. Este se puede considerar el primer tren y fue usado para transportar 10 toneladas de acero y 70 hombres, sobre una vía de 15 km, desde la fundición de Pen-y-Darren, en el sur de Gales.
La distancia entre rieles:
Los ferrocarriles requerían de guías para el transporte de los vagones; era necesario tener una línea metálica sobre la cual montar los vagones y que estos fueran arrastrados por la locomotora. Estas líneas férreas se construyeron como líneas paralelas separadas por una medida específica. La definición de esta distancia surgió de las prácticas anteriores. En Europa y Estados Unidos esta medida fue de 1.435 mm (56 pulgadas y media), originada en la separación de las ruedas de las vagonetas de minas, usadas en el pueblo de origen de Stephenson. Dicha separación correspondía a un diseño estable para ser arrastrado por medios humanos o con caballos. Posteriormente, en la Conferencia de Berna sobre el transporte público en 1887, se estableció como norma internacional.
Transporte público: El primer transporte público que funcionó con locomotoras de vapor, sobre vías
férreas, fue inaugurado en 1830. Seguía la vía de Liverpool a Manchester, Inglaterra. Esta primera empresa de transporte ferroviario fue dirigida por George Stephenson con ayuda de su hijo Robert. En Estados Unidos el ferrocarril se desarrolló por el deseo de comunicar las ciudades de la costa este hacia el interior del país. El primer ferrocarril de vapor se inauguró en 1830 en Charleston (Carolina del Sur). La construcción de ferrocarriles se siguió extendiendo por todo el mundo, porque era un medio de transporte efectivo, público y de bajo costo y permitía el transporte de carga y de personas a zonas en el interior de los continentes.
El mantenimiento y la competencia impulsaron cambios:
El mantenimiento que requieren las locomotoras con motores de vapor, resultó ser un inconveniente ante el surgimiento del automóvil, que permitía transportes más rápidos que el tren. A mediados del siglo XX surgen otras energías alternativas para ser usadas en los medios de transporte guiados por rieles. Se inicia así la era de locomotoras movidas por motores diesel, las cuales requerían menor tiempo de mantenimiento. En la década de los 60, Francia y Japóndesarrollaron una gran experiencia en la construcción de trenes eléctricos. Como resultado a finales del siglo XX el transporte ferroviario fue dominado por esta tecnología. Esto permitió competir, ya no sólo con el automóvil, sino también con los aviones de entonces, pues los trenes lograron desarrollar velocidades mayores.
Ferrocarriles Magnéticos (El metro):
Por los años 1960, en Japón se empezó a desarrollar un tren que lograba altas velocidades con poca pérdida de energía debido a que no hacía contacto con los rieles. Así se inició la era de los trenes de levitación magnética Los primeros trenes de este tipo se movían a velocidades de 270 km/h. Ya para 1994 otros países habían logrado desarrollar sus propios ferrocarriles MAGLEV, entre ellos Estados Unidos, Francia, Alemania, Italia y España. En estos momentos su velocidad ha superado los 300 kilómetros por hora.La Unión Europea, bajo su criterio de unir a los países que la integran, tiene como proyecto conectar nuevas líneas nacionales que permitan ofrecer viajes internacionales en trenes de alta velocidad sin tener interrupciones. Después de Japón, en Oriente hay otro país que ha de sarrollado la tecnología de levitación magnética para construir su propio tren "bala" y este es Corea del Sur. Su proyecto de unir la capital Seúl con Pusan en el sureste peninsular. Este tipo de transporte terrestre se ha estado perfeccionando con miras a que sea el transporte del futuro, ya que no presenta problemas de contaminación, alcanza velocidades competitivas con el transporte aéreo, y no genera pérdidas de energía por rozamiento.
Su mantenimiento es relativamente cómodo.A finales del Siglo XX los trenes de levitación magnética son los que marcan el camino del desarrollo ferroviario. Este modelo sigue evolucionando y ha generado la puesta en servicio de un tren controlado automáticamente. Las computadoras que controlan este servicio puede corregir el horario de un tren o modificar la ruta de alguno que venga fuera de su plan original. En 1989 se puso en funcionamiento el metro de Lille, en Francia, gracias a esta renovada tecnología.
Estructura
3. Características generales del material móvil
Tanto el material móvil motor como el material remolcado tienen las siguientes características: • Ruedas troncocónicas: la inclinación de las generatrices es de 1/20, la misma que la de los carriles. Con esto se mejora el apoyo de las ruedas sobre los carriles y se ayuda a la inscripción de eje en las curvas, al permitir que cada rueda adopte un radio de contacto distinto para de esta forma poder girar a diferente velocidad lineal pero a iguales revoluciones (el eje une ambas ruedas, siendo rígido). •
Ruedas caladas: como ventaja el calaje confiere al conjunto eje-rueda una mayor robustez,
que lo hace muy apropiado para el ferrocarril, donde se mueven grandes cargas a grandes velocidades. Un inconveniente es la problemática de la inscripción en las curvas. Como excepción, existe el sistema de Talgo que se muestra en la siguiente figura, en el que las rue das no están caladas, sino que son independientes. Este sistema no es un eje típico ferroviario.
Figura 4. Ruedas de un vehículo ferroviario. •
Pestañas interiores: permiten el guiado del tren.
•
Cargas aplicadas sobre la parte exterior de las ruedas: el eje ferroviario sobresale de las
ruedas, este saliente se denomina “mangueta”. Sobre estas mangu etas se apoya la caja del vehículo (a través de la suspensión). Con esta longitud adicional del eje se obtienen dos ventajas: las cajas de los vehículos pueden ser más anchas (mayor capacidad de transporte) y, se aumenta la estabilidad de los vehículos.
•
Peso suspendido y no suspendido : el peso suspendido de un vehículo ferroviario es aquel
que pasa por la suspensión para llegar al carril, es decir, está amortiguado. El peso no suspendido (ejes, cajas de grasa y todo o parte del peso de los motores y/o de la transmisión) está sin amortiguar. Cuanto mayor sea el peso no suspendido de un vehículo, más agresivo será este con la vía, ya que las cargas dinámicas incidirán sobre ella bruscamente. •
Ruedas debajo de las cajas: esto permite aumentar la anchura de las cajas, ya que no se ve
limitada lateralmente por las ruedas, pero penaliza la altura de las mismas, al ser el gálibo limitado. Para ganar altura, las ruedas se fabrican con un radio pequeño (normalmente de 0,5 m). •
Material móvil rígido o articulado: se dice que es rígido cuando sus ejes no pueden girar
respecto a un eje vertical para mejorar su inscripción en las curvas. La distancia entre 2 ejes fijos se denomina “empate”. Cuanto mayor es el empate de un vehículo, peor será su capacidad de inscripción en las curvas y, por ello su agresión a la vía y su posibilidad de descarrillar serán mayores. Hoy en día, se utilizan los vehículos articulados, cuyos ejes pueden colocarse en una posición más o menos cercana al radio de curvatura, con lo cual mejora su inscripción. Actualmente, la mayor parte del material móvil utiliza bogies (ejes agrupados en carretones), cuyos bastidores tienen un pivote central que les permite girar. Con el material articulado se reduce el empate de los vehículos y, además (en el caso de los bogies) se obtienen más ejes sobre los cuales repartir la carga. Los vehículos articulados que mejor se inscriben en las curvas son los trenes articulados guiados, en los cuales el eje siempre se sitúa radialmente y, por ello, la rueda es tangente a los carriles. Partes del material móvil ferroviario
Las partes más importantes de un material móvil ferroviario son las siguientes:
•
Caja: en su interior se sitúan los viajeros, la mercancía, los motores, etc., según el tipo de
vehículo (coche, vagón o locomotora).
•
Bastidor: es la estructura metálica o armazón formada por el bogie, que sirve como elemento
de fijación de los ejes, las ruedas, los motores de tracción y las suspensiones, entre otras partes. •
Larguero: elemento longitudinal que forma parte de la estructura del bastidor de un vehículo.
•
Traviesas extremas o cabeceros: elemento estructural situado en el extremo del bastidor de
un vehículo que une los largueros de forma perpendicular a éstos y, que soporta normalmente los aparatos de choque y tracción. Al conjunto de elementos que configuran la caja del vehículo sobre la traviesa extrema se le denomina “testero”.
•
Suspensión: la caja transmite las cargas a las ruedas a través de la suspensión. La suspensión
ferroviaria es doble: primaria y secundaria. La suspensión primaria tiene como misión absorber las irregularidades del carril y deformaciones geométricas de la vía, está situada entre las cajas de gras as y el bastidor del bogie o en el caso de los vagones de 2 ejes, entre la caja de grasa y el bastidor del vehículo. La suspensión secundaria es la encargada de absorber los movimientos verticales y laterales
del bogie con respecto al bastidor del vehículo; además, sirve de apoyo de éste con el bastidor del bogie. Cajas de grasas: las cargas de la caja pasan al bastidor, del bastidor a la susp ensión y de ésta
•
a las manguetas de los ejes a través de las cajas de grasas. Son unos recipientes metálicos que contienen lubricantes y llevan encajado un rodamiento en el apoyo de las cargas sobre los ejes. Rodadura: permite que el vehículo se mueva sobre la vía. Puede estar formada por ejes
•
independientes o bogies. Para el desplazamiento de los vehículos son necesarios los órganos de rodadura que están compuestos por: Eje: pieza cilíndrica de acero en la que se montan las ruedas, en los extremo s están las manguetas
—
que van dentro de los rodamientos y éstos en el interior de la caja de grasa. En algunos vehículos están instalados discos de frenos. Para aligerar la masa no suspendida, a veces se utiliza un mecanismo consistente en un taladro a lo largo de todo el eje. Las manguetas son la parte de los ejes sobre la que se acopla la pista interior del rodamiento permitiendo su giro. Normalmente se encuentran en los extremos del eje (caja de grasa exteriores). Bogie: es el conjunto de elementos constituidos por el bastidor con elementos de suspensión,
—
rodadura y freno. Generalmente, este bastidor suele tener una forma de H cerrada o abierta. En algunos vehículos el bastidor se utiliza para depósitos auxiliares de aire. Rodamientos: permiten el giro de la mangueta con el mínimo rozamiento posible y están lubricados
—
habitualmente con grasa consistente. Caja de grasa: son los elementos que contienen los rodamientos; están situadas en torno a la
—
mangueta del eje y, sobre ellas, descansa el peso del vehículo a través de la suspensión. Ruedas: son los elementos de forma circular que giran con su eje, teniendo su superficie de
—
contacto con forma troncocónica. Éstas permiten el movimiento y guiado del vehículo. Actualmente, las ruedas son de tipo monoblock, esto quiere decir, que están fabricadas de una sola pieza. La rueda tiene tres zonas diferenciadas. La llanta es la superficie de rodadura, que presenta una forma concreta llamada perfil, que es ligeramente cónico y tiene la función de realizar el guiado, existiendo distintos tipos de perfiles dependiendo de la velocidad, el diámetro, la masa, la solución de amortiguación, etc. La parte central de la ruedas se llama cubo. Esta es la parte que se cala en la mangueta del eje. El velo es la zona de la rueda que une la llanta con el cubo, puede ser plano o presentar un prominencia, que disminuye la masa no suspendida, manteniendo o aumentado su resistencia lateral.
Figura 5. Partes de un bogie. •
Aparatos de tracción y choque: los aparatos de tracción transmiten la fuerza de tracción a lo
largo de todo el tren. Pueden ser enganches automáticos, cadenas, ganchos, barras, etc. Los elementos de choques están formados por 2 topes situados en e l testero del vehículo, tienen la misión de amortiguar las fuerzas longitudinales de compresión que se producen durante la marcha, tanto en las frenadas como en las paradas o los impactos que reciben los vagones en diferentes situaciones, protegiendo así la estructura de los vehículos y las mercancías que transportan.
•
Canalizaciones: discurren a lo largo de toda la composición. Las principales son la conducción
de aire para el frenado del tren (que acciona las zapatas o los discos de freno de los coches y vagones) y las líneas eléctricas para tracción, gobierno y servicios auxiliares de la composición, tales como por ejemplo climatización o luminaria en los coches de pasajeros. 4.4.2 Material remolcado
Coche de viajeros convencional (centro) y caja tipoTalgo (izquierda). El material remolcado es el material rodante ferroviario autónomo que puede acoplarse con otros para formar un tren y que no tienetracción propia. Existen, principalmente, tres tipos:
Los vagones de mercancías.
Los coches de pasajeros.
Los furgones.1
En la jerga ferroviaria se denomina vagón exclusivamente a los de mercancías, y es incorrecto el uso de «vagón de pasajeros» por «coche de pasajeros». Existen otros tipos de vagones minoritarios, como las dresinas, que se utilizan para trabajos y mantenimientosobre la vía. Para crear un tren necesitan ser traccionados por una o varias locomotoras. Coche de viajeros Artículo principal: Coche (ferrocarril)
Los coches de pasajeros tienen como única finalidad el transporte de personas y su equipaje. Su interior puede estar distribuido de varias formas, entre las que las más habituales son:
Tipo compartimentos: Un pasillo lateral da acceso a diferentes departamentos independientes con dos filas de asientos enfrentadas Tipo salón: Un pasillo central y asientos en perpendicular a la vía, todos en la misma estancia Tipo ferrocarril suburbano: Un único espacio con asientos en paralelo o en perpendicular a la vía, preparado para llevar pasajeros de pie
Distribución tipo salón
Distribución tipo compartimentos
Distribución tipo ferrocarril suburbano Es también habitual que el número de asientos por fila sea 3, 4 o 5, y que cada asiento o grupo de asientos dispongan de una mesilla. Los coches de viajeros pueden tomar el suministro de electricidad (necesaria para calefacción, iluminación, vídeo y otros servicios) conectándolos a través de una manga (cable grueso dispuesto al efecto) a una locomotora o un furgón generador, o a través de un generador que acciona uno de los ejes del coche. Los modernos suelen tener aire acondicionado o ventanas que se pueden abrir (a veces las ventanas se bloquean por seguridad), o ambos. También pueden proporcionar varios tipos de instalaciones de aseo. Los coches de pasajeros, en la mayoría de los gálibos de vía ancha, pueden ser construidos con dos pisos. A menudo, aunque no siempre, los coches de un tren están unidos entre sí por un paso cerrado por conexiones flexibles y una pasarela por la que se puede pasar de un coche a otro. En ocasiones, especialmente cuando se emplean ramas, se puede circular por los coches que componen una rama, pero no se puede pasar de una rama a otra. La unión entre un coche y otro, además del acople, suele incorporar dispositivos que evitan que los coches se dañen excesivamente e ntre sí en caso de colisión. Coche-cama Artículo principal: Coche-cama
Entre los coches de viajeros destaca el coche-cama, que es capaz de acomodar a cada viajero en una cama o litera. Se utiliza en los trenes nocturnos que recorren largas distancias y ocupan toda la noche en el trayecto. Están equipados con compartimentos o pequeñas habitaciones. Los coches-litera son los que proporcionan el alojamiento más básico. A veces, debido a la estrechez de los compartimentos es necesario unir un furgón para equipajes al tren. En la práctica europea solían ser común los compartimentos, aunque en algunos países como Reino Unido cayeron en desuso en los años 1980 por falta de seguridad. Coche-motor
Un coche-motor es un coche utilizado normalmente en trenes automotores, con uno o varios motores en su bogies, que es capaz de traccionar un tren pero no dispone de cabina. El espacio en el interior del coche-motor se puede dedicar a viajeros, con la misma disposición que los coches convencionales. En la práctica, los trenes en los que se incluyen coches motores ya disponen de locomotoras en sus extremos, por lo que sirven para añadir más potencia al tren. Por ello se utiliza en trenes que requieren gran potencia, como los trenes demetro o de alta velocidad. Coche-piloto
Un coche-piloto es aquel coche que no tiene tracción propia pero incorpora una cabina que permite conducir el tren. Se utiliza para evitar las maniobras en trenes compuestos de locomotora y coches convencionales, de modo que el tren pueda funciona r con la locomotora empujando al resto, en lo que se denomina una composición « push-pull ». Coche-bar y coche-restaurante
Un coche-bar está preparado para servir comidas y bebidas a los pasajeros de un tren. Su ditribución suele ser similar a la de una cafetería con barra, en la que los asientos están anclados al suelo y existen elementos para agarrarse. En los coches-restaurante existen además mesas fijas y cocina, que permiten servir comidas completas. Caja
Algunas ramas de ferrocarril incorporan remolques que no son autónomos entre sí, pues no pueden circular desacoplados del resto de la rama. Este tipo de remolques reciben diversos nombres, como el de cajas o remolques articulados. Entre los trenes que se componen de cajas están las ramas Talgo y los TGV. Coche de observación
Los coches de observación fueron construidos para la parte trasera de muchos trenes para permitir a los viajeros ver el paisaje. Esto fue bien admitido por los pasajeros, lo que llevó al desarrollo de coches-cúpula que podían ser colocados a mitad de tren, con una zona acristalada más alta que el resto de los coches para ver el paisaje.
Interior de compartimento de coche-cama
Coche-motor
Coche-piloto
Interior de coche-restaurante
Cajas formando una rama
Interior de coche de observación
Coche de dos pisos
Aseo en un coche de viajeros Vagón de mercancías Artículo principal: Vagón (ferrocarril)
En los inicios del ferrocarril la mayoría de los vagones de mercancías no incorporaban bojes, tenían dos ejes y eran de muy simple construcción. La mayoría eran vagones simples de caja de madera, sin especialización según la carga. En países como Alemania surgieron compañías de gran tamaño que se dedicaban exclusivamente al alquiler de vehículos de mercancías. Las velocidades se mantenían en torno a los 32 km/h. La introducción de bojes y de frenos de aire comprimido a partir de los años 1920 permitió aumentar la velocidad mientras se mantenía la seguridad. Los actuales vagones de
mercancías suelen estar homologados a velocidades en torno a 120 km/h y algunos están equipados con GPS y transpondedores. La DBha introducido vagones de mercancías en líneas de alta velocidad a velocidades cercanas a los 200 km/h. La construcción de vagones de ferrocarril tiene que estar basada en la estandarización, ya que es habitual que circulen por diferentes países con redes ferroviarias diferentes. Furgón Artículo principal: Furgón
Un furgón es un vehículo ferroviario que acompaña a un tren. Tiene una función diferente al resto de los vehículos del tren, por ejemplo, transportar paquetería en trenes de viajeros o personas en trenes de mercancías. Limitaciones
Cada vagón/coche se homologa con unas limitaciones de velocidad y en ocasiones de aceleración lateral que no puede sobrepasar. Estas limitaciones se denominan tipo. Por lo tanto, cada tren queda limitado según la limitación que tiene el peor vagón/coche. Esto hace que, por ejemplo, si un tren se compone de 20 vagón/coche tipo 180B y 1 vagón/coche tipo 16 0A, el tren tenga que ser tipo 160A.
Trenes: material rodante del transporte ferroviario A. Berbey1 | R. Caballero 1 | J.D. Sanz Bobi 2 | J. Brunel2 | K. Guerra 1 | J. Flores 1 | A. Samaniego 1 | W. Orozco 1
1 Universidad Tecnológica de Panamá 2 Universidad Politécnica de Madrid Resumen: se le conoce como material rodante a todos los tipos de vehículos dotados de ruedas capaces de circular sobre una vía férrea cuyo principal objetivo es trasportar diferentes tipos de cargas. Los mismos se pueden clasificar de muchas formas, aunqu e los criterios fundamentales para clasificar el material rodante suelen ser su capacidad tra ctora y su uso comercial. En este artículo de divulgac ión tecnológica/científica se presentan varios aspectos del material rodante tales como: tipos de trenes, ventajas y desventajas de cada uno de ellos, características y partes del material móvil ferroviario y tipos de material móvil remolcado. Palabras claves: material rodante, transporte, trenes. Title: Trains: Rolling Stock of the Railroad Transportation.
Abstract: rolling stock comprises all types of vehicles equipped with wheels capable of moving on a railroad, which main objective is to transport different types of loads. These can be classified in many ways, although the basic criteria to classify the rolling stock are, typically, its tractive capacity and its commercial use. In this popular technical/science article, several aspects of the rolling stock such as: types of trains, advantages and disadvantages of each of them, features and parts of the rolling stock and the types of towed rolling stock, are presented. Keywords: rolling-stock, transportation, trains. 1. Introducción
La necesidad de transportar grandes cargas, a grandes distancias llevó al hombre a la construcción de máquinas con gran capacidad de tracción. El constructor de la primera locomotora (25 de julio de 1814), que derivaría más tarde en un ferrocarril, fue George Stephenson. El destino inicial de la locomotora fue su utilización en las minas carboníferas, en cuya primera demostración se logró arrastrar una carga de cuarenta toneladas, a una velocidad de seis kilómetros por hora. El ferrocarril fue producto de la Revolución Industrial surgida en Inglaterra durante los siglos XVIII y XIX. Su evolución ha sido notable, y la utilización de material rodante es necesaria no sólo para el transporte de grandes cargas en vagones, sino también para el trasporte de pasajeros en coches, tanto para pequeñas como para grandes distancias. 2. Trenes convencionales y automotores
Dentro del material móvil hay diversos tipos de vehículos que pueden ser motores o material remolcado. Dentro del material motriz se encuentran las locomotoras y los automotores. En las siguientes figuras se presentan las clasificaciones de las locomotoras de acue rdo a la tracción que las acciona.
Figura 1. Clasificación de las locomotoras según el tipo de tracción.
Figura 2. Clasificación de locomotoras con tracción diesel.
Figura 3. Clasificación de locomotoras con tracción eléctrica. Existe otro tipo de clasificación de las locomotoras que corresponden a su funcionalidad, es decir, allí encontramos locomotoras de maniobras, locomotoras de carga para los medios y largos recorridos y, las locomotoras para servicios de viajeros que llegan a alcanzar hasta 220 km/h, como las últimas 252 de RENFE de toneladas.
En cuanto a su nomenclatura, los vehículos ferroviarios tienen
asignada una matrícula internacional que está integrada dentro de la Unión Internacional de Ferrocarriles (UIC) y que corresponde a parámetros tales como el tipo de vehículo, la compañía a la que pertenece y el país en el que está inscrita en los registros. Luego, con respecto a la distribución de la tracción en el material rodante nos encontramos con los trenes convencionales y automotores.
• Trenes convencionales: se caracterizan por las locomotoras, que son los vehículos que dan tracción a los trenes convencionales (locomotora(s) + coches o vagones); es decir, es una locomotora que tira de una serie de vagones o coches. • Automotores: cuando la tracción se incorpora en los mismos vagones o coches; ocasiona una composición indeformable con un número fijo de vagones y, se forma un vehículo que en el argot
ferroviario se denomina “automotor”; otros autores los denominan “material autopropulsado” o “unidad del tren”. En la tabla 1 se muestra una explicación de las configuraciones comunes de los automotores. Tabla 1. Configuraciones comunes de los automotores
Configuración
Denominación
Coche motor-Coche intermedio-Coche motor
M-Ri-M
Coche motor-Remolque intermedio-Remol-
M-Ri-Rc
que con cabina Coche motor-Coche motor
M-M
Coche motor
M
Los coches con ausencia de tracción también se llaman remolques. Existen coches motores con cabina y sin cabina. Los coches intermedios también pueden denominarse por la letra R sola si son remolcados, o con la letra S o M si son motrices (en algunos sitios se utiliza la letra S para definir los coches motores sin cabina). Hay ocasiones en las que la tracción es distribuida a lo largo de todo el tren, y existen coches con capacidad motriz que no disponen de cabina. El tren serie 7000 o el 9000 de Metro de Madrid dispone de unidades motrices sin cabina. Igualmente el ICE-3 alemán o serie 103 de RENFE tiene coches motores sin cabina. Como desventajas del material rodante autopropulsado frente a l convencional tenemos dos aspectos: la rigidez de las composiciones y la comunicación entre composiciones acopladas. El primer aspecto se refiere al hecho de que, como los automotores se utilizan sobre todo para tra nsporte de viajeros, la única forma de variar la oferta de plazas en un servicio asegurado por automotores, es acoplando 2 o 3 de ellos, pero en ese caso la oferta de plazas aumenta bruscamente, por lo que la adaptación a la demanda es peor que en el caso de los trenes convencionales. Los trenes convencionales pueden adaptarse mejor a la demanda incorporando o segregando coches o vagones. El segundo aspecto negativo se refiere a que hay que disponer de puertas de intercomunicaciones en el frontal de las cabinas y éstas suelen dar problemas de estanqueidad. En la mayoría de los automotores modernos se ha optado por suprimirla.
Tabla 2. Ventajas del material rodante autopropulsado frente al tren convencional.
Propiedad
Tracción distribuida
Descripción Permite tener una mejor prestación de aceleración y frenado, al tener mejor repartido el peso adherente. Además, el peso máximo por eje (que siempre corresponde al eje de los motores) es menor, por lo que la agresión o desgaste de la vía es menor y, esto beneficia a las actividades de mantenimien-
to posterior de la vía. Posibilidad de redundancia en la
conducción
Al tener la tracción distribuida en varios vagones, el fallo de un motor no deja inactivo o fuera de servicio al tren, sino que sólo habría una disminución de la potencia de
circulación. Reversibilidad
Al contar con 2 cabinas de una misma composición, la cabeza del tren se puede convertir en cola y viceversa, según la dirección
de la conducción. Sencillez de enganche
Entre automotores, permite agregar ramas a lo largo del recorrido en comparación con
los trenes convencionales. Mayor espacio físico
Al no llevar locomotora, casi toda la longitud es aprovechable para el transporte de
pasajeros. Comunicación entre
La unión entre los coches se realiza a través
los coches del automotor
de enganches “semipermanentes”.
