Una locomotora dúplex es una locomotora de vapor que divide la fuerza motriz en sus ruedas mediante el uso de dos pares de cilindros montados rígidamente en un solo bastidor de locomotora ; no es una locomotora articulada . El concepto se utilizó por primera vez en Francia en 1863, pero fue desarrollado particularmente a principios de la década de 1930 por Baldwin Locomotive Works , el mayor constructor comercial de locomotoras de vapor en América del Norte, bajo la supervisión de su entonces ingeniero jefe, Ralph P. Johnson.
Antes de esto, el término locomotora dúplex se aplicaba a veces a las locomotoras articuladas en general.
La principal desventaja de las locomotoras de dos cilindros es el fuerte golpe de martillo sobre los raíles causado por el intento de equilibrar las piezas recíprocas con masas adicionales montadas en las ruedas. Este efecto se puede reducir utilizando varios cilindros que actúen sobre más ruedas motrices. [1]
En Europa, este problema se solía superar dividiendo la transmisión entre cilindros internos y externos , o bien utilizando locomotoras articuladas , aunque en ese momento no se creía que fuera posible hacer funcionar una de ellas de manera estable a más de 50 mph (80 km/h). Los ferrocarriles estadounidenses en general se mostraron reacios a utilizar locomotoras con cilindros internos, por lo que el problema del equilibrio no se podía resolver añadiendo más cilindros por juego de ruedas acoplado. A medida que las locomotoras se hacían más grandes y más potentes, su maquinaria reciprocante tenía que hacerse más fuerte y, por tanto, más pesada, y así los problemas planteados por el desequilibrio y el golpe de martillo se hicieron más graves. La velocidad también influyó, ya que las fuerzas se hicieron mayores y más destructivas a velocidades de rueda más altas. Ralph P. Johnson pensó que el tamaño creciente y los empujes de los pistones de las locomotoras de pasajeros exprés existentes no podían sostenerse con el diseño convencional de dos cilindros 4-8-4 . Además, se convenció de que un solo par de cilindros con válvulas de pistón y mecanismos de distribución convencionales estaba acercándose a los límites en términos de flujo de vapor.
El primer intento de locomotora dúplex fue una locomotora de tanque 0-6-6-0 diseñada por Jules Petiet en 1863 para el Ferrocarril del Norte francés , pero la idea no se perpetuó. Sin embargo, la innovación de las bisagras más rígidas que permitían solo movimientos de balanceo horizontales y no de torsión ni movimiento vertical fue de ALCO , y no se vio hasta el Challenger de Union Pacific de 1936 [ cita requerida ] .
En su lugar, surgió la idea de tener múltiples grupos de cilindros y ruedas motrices montados en un marco rígido. Una versión "dúplex" de un 4-8-4 sería un 4-4-4-4 , con las ocho ruedas motrices divididas en dos grupos de cuatro, cada uno con su propio conjunto de cilindros y mecanismo de válvulas. La masa recíproca de ambos conjuntos sería sustancialmente menor que el conjunto único en el 4-8-4, ya que estarían bajo menos tensión y empujes de pistón más suaves. Los cilindros podrían ser más pequeños pero tener válvulas más grandes y más eficientes. La desventaja más obvia fue que, en el diseño propuesto por Baldwin, la distancia entre ejes rígida era más larga ya que el segundo conjunto de cilindros tenía que estar entre los dos conjuntos de ruedas motrices. Una solución a esto fue colocar el segundo conjunto después del segundo conjunto de ruedas motrices mirando hacia adelante, en lugar de delante de ellas y mirando hacia atrás como el primer conjunto de cilindros. Esto tenía sus propias complicaciones, y los desafíos eran lo suficientemente preocupantes para muchas carreteras, para quienes las locomotoras actuales eran lo suficientemente exigentes, como para rechazar la idea del dúplex.
A fecha de 2023, ninguna de las locomotoras dúplex que se enumeran a continuación sobrevive. Aún se debate si han tenido éxito y si se podría haber logrado que funcionaran bien con el tiempo y el esfuerzo suficientes. Una conclusión común es que los problemas de la locomotora de vapor convencional no eran tan insolubles como creía Baldwin, y que la disposición dúplex creó casi tantos problemas como los que resolvió. Sin embargo, un grupo de entusiastas está en proceso de construir una nueva locomotora dúplex de la clase T1 de Pennsylvania Railroad , utilizando mejoras de diseño de la era del vapor de posguerra con la esperanza de lograr mejores características de rendimiento.
La primera empresa de ferrocarril que utilizó esta idea fue la Baltimore and Ohio Railroad , que rechazó una propuesta de Baldwin en 1932-33, pero luego construyó la única Baltimore and Ohio Class N-1 , #5600 George H. Emerson en los propios talleres del ferrocarril sin la ayuda de Baldwin. La locomotora se completó en mayo de 1937 y logró conservar la misma distancia entre ejes acoplada que las 4-8-2 actuales de la empresa de ferrocarril al tener el segundo juego de cilindros invertido, montado junto a la caja de fuego y accionando el segundo juego de ruedas acopladas hacia adelante. Esto resultó ser menos que ideal, ya que el tamaño de los cilindros y la caja de fuego estaban limitados por esta ubicación, los largos pasajes de vapor resultaron problemáticos y los cilindros sufrieron el polvo y el calor de la caja de fuego cercana.
La locomotora estuvo en servicio ligero y fue probada hasta su retirada en 1943. No tuvo el suficiente éxito como para que el B&O manifestara mayor interés.
El siguiente uso del tipo dúplex fue el S1 de Pennsylvania Railroad , diseñado para cumplir con el requisito de operar un tren de 1200 toneladas cortas (1070 toneladas largas; 1090 t) a 100 mph (160 km/h) en vías niveladas y capaz de acelerar a esa velocidad fácilmente. Se necesitaban más de 4000 hp (3,0 MW) para ese requisito, y para cumplirlo Baldwin y el PRR crearon posiblemente la locomotora de vapor de pasajeros más grande jamás construida: una locomotora 6-4-4-6 de 140 pies 2+1 ⁄ 2 pulgadas (42,74 m) de largo y 1.060.000 libras (480.000 kg) de peso con ténder. De hecho, era demasiado grande para funcionar en la mayor parte del sistema de la PRR y se puso en servicio solo entre Chicago, Illinois y Crestline, Ohio (283 millas [455 km]). En servicio después de diciembre de 1940, demostró ser potente y capaz, pero propensa a patinar y a sobretensiones, presagiando los problemas con los diseños dúplex posteriores. En general, sus defectos se descartaron como simples problemas iniciales de un prototipo inicial. Se retiró del servicio en 1946. Esta locomotora recibió el apodo de "La gran locomotora".
El S1 no representaba los verdaderos deseos de Baldwin para el modelo, pero en el diseño del T1 , del que se encargaron dos prototipos en julio de 1940, Baldwin tuvo mucha más libertad. Los requisitos del PRR eran el uso de la caja de fuego Belpaire y el mecanismo de válvulas de asiento con leva oscilante Franklin. Los dos, el n.° 6110 y el n.° 6111, se entregaron en abril y mayo de 1942. Las pruebas demostraron una vez más que eran potentes y capaces, pero no seguros.
En febrero de 1945, cuando se relajaron las restricciones impuestas a la producción de locomotoras de pasajeros durante la guerra, la PRR encargó 50 unidades de producción. Se trató de un paso decisivo, ya que los problemas que habían surgido con los prototipos no se habían solucionado ni se habían probado con la intensidad necesaria para garantizar su fiabilidad en la producción. Las locomotoras de producción se diferenciaban en los detalles de sus carcasas aerodinámicas y en la suspensión, en un intento de aumentar la adherencia.
Los problemas se hicieron evidentes muy pronto. Las locomotoras eran increíblemente susceptibles a un deslizamiento violento de las ruedas, no solo al arrancar, sino también a gran velocidad. Dividir la transmisión en dos grupos significaba que cada grupo tenía muchas más probabilidades de patinar. Se ha propuesto una teoría según la cual la apertura más rápida y "más brusca" de las válvulas con el mecanismo de válvulas de asiento exacerbaba el problema. Peor aún, ese deslizamiento violento a alta velocidad podía dañar los componentes del mecanismo de válvulas. Este era un problema importante en una locomotora con el mecanismo de válvulas de asiento porque, a diferencia de las conocidas válvulas de pistón y el mecanismo de válvulas Walschaerts externo de otras locomotoras, muchos de los componentes eran casi inaccesibles dentro del bastidor. Su complejidad significaba que la disponibilidad y la fiabilidad eran deficientes y, aunque un maquinista (conductor) muy capaz podía extraer un gran rendimiento de una T1, resultaron bastante infructuosos en servicio.
Desde entonces, no se sabe si los problemas tenían solución. Sin embargo, la solución mucho más sencilla, la locomotora diésel, se adoptó a los pocos meses de que se entregaran las locomotoras de producción y, en dos años, todos los trenes de pasajeros principales eran diésel. Las T1 estuvieron algunos años más en servicio menor antes de ser retiradas del servicio en 1952.
Un grupo sin fines de lucro conocido como T1 Trust está en proceso de construir una nueva locomotora dúplex, una locomotora de clase T1 conocida como Pennsylvania Railroad 5550 , con la intención de utilizar mejoras de diseño de la era de vapor de posguerra que no se usaron o rara vez se probaron en las T1 preexistentes con la esperanza de crear mejores características de rendimiento. El año estimado de finalización del proyecto es 2030. [2]
El PRR también deseaba aplicar el principio dúplex al transporte de mercancías, y la Q1 fue el primer experimento en esa dirección. Era una locomotora de carga rápida 4-6-4-4 , entregada en mayo de 1942. Al igual que la George H. Emerson de B&O , tenía el segundo par de cilindros orientados hacia atrás, y todos estaban equipados con un mecanismo de válvulas Walschaerts estándar. Las ruedas tenían un diámetro de 77 pulgadas (1,956 m) (poco adecuadas para el transporte de mercancías) y el motor estaba aerodinámico más como un motor de pasajeros. La aerodinámica se eliminó más tarde, ya que restringía el trabajo de mantenimiento. Los cilindros orientados hacia atrás también eran problemáticos, en parte debido a la ubicación incómoda de estar directamente debajo de la caja de fuego del motor. Además, los conductores grandes y el área de la rejilla de la caja de fuego más pequeña de lo adecuado también pueden haber contribuido a más problemas. El tamaño limitado de la caja de fuego también fue un efecto directo de los cilindros orientados hacia atrás. El único Q1, PRR 6130, se construyó en las obras de Altoona de PRR en 1942 y se retiró del servicio en 1946.
A finales de 1944 se fabricaron locomotoras de producción, pero eran bastante diferentes y la lección de que los cilindros orientados hacia atrás junto a la caja de fuego eran una mala elección de diseño quedó clara. Las locomotoras Q2 de producción tenían una disposición 4-4-6-4 ; eran las locomotoras no articuladas más grandes jamás construidas y las locomotoras más potentes jamás probadas en pruebas estáticas, produciendo 7987 hp (5956 kW) en la planta de pruebas estáticas de PRR. Las locomotoras Q2 también fueron las locomotoras de vapor más potentes jamás construidas con diez ruedas motrices.
En funcionamiento, la Q2 podía superar a las locomotoras de carga preexistentes, transportando el doble de tonelaje que sus predecesoras. Además, la Q2 no tenía problemas para acumular potencia de vapor y era conocida por ser una locomotora muy suave. Se construyeron 26 en Altoona Works de PRR , y fueron, con diferencia, el tipo dúplex más exitoso. La propensión de las locomotoras dúplex a patinar se combatía mediante un mecanismo automático de control de deslizamiento que reducía la potencia de la unidad que patinaba. El mecanismo de control de deslizamiento no siempre respondía y su complejidad a menudo hacía que los equipos de mantenimiento no lo mantuvieran durante las revisiones.
A pesar del éxito general, los Q2 estuvieron fuera de servicio en 1951. Con la dieselización, fueron los primeros objetivos obvios en ser retirados, ya que eran solo un poco más capaces que los 2-10-4 convencionales de la clase J1 , pero con costos de funcionamiento y cargas de mantenimiento mucho más altos.
En Francia, el tipo dúplex se hizo famoso por las diez locomotoras compuestas 2-4-6-2 construidas en 1932 para los Chemins de fer de Paris à Lyon et à la Méditerranée (PLM) para transportar trenes de mercancías pesados en la pendiente del 0,8% del ferrocarril París-Marsella entre Les Laumes y Dijon . El rendimiento era tan bueno que la empresa quiso encargar más locomotoras, pero la nacionalización de los ferrocarriles en 1938 detuvo todos los proyectos. Estas locomotoras dúplex estaban equipadas con un engranaje de válvula de leva rotativa Lenz-Dabeg y poco después con doble escape . Los cilindros de baja presión impulsaban los dos primeros ejes acoplados, y los cilindros de alta presión el segundo juego de ruedas motrices que constaba de tres ejes. Ambos grupos de conductores estaban conectados con bielas internas a través de manivelas internas en el segundo y tercer conductor, lo que hacía de esta locomotora una auténtica 2-10-2. Las ruedas motrices tenían un diámetro de 1,50 m (4 pies 11 pulgadas). La velocidad máxima permitida era de 53 mph (85 km/h).
En una prueba realizada el 19 de diciembre de 1933, el motor desarrolló algo más de 3.000 caballos (2.200 kW) en la barra de tiro a lo largo de una distancia de 37 millas (60 km) y una velocidad de al menos 46 mph (74 km/h), sin ser sometido a un exceso de trabajo. En servicio ordinario, estos motores podían transportar 1.375 toneladas cortas (1.228 toneladas largas; 1.247 t), manteniendo una velocidad de 31 mph (50 km/h) en la cima de la pendiente de 0,8% de Blaisy. Después de la electrificación de la línea, los 151A fueron enviados a prestar servicio en el noreste de Francia. Fueron retirados del servicio en 1956 y desguazados .