Un freno ferroviario es un tipo de freno que se utiliza en los vagones de los trenes para permitir la desaceleración, controlar la aceleración (cuesta abajo) o mantenerlos inmóviles cuando están estacionados. Si bien el principio básico es similar al que se utiliza en los vehículos de carretera, las características operativas son más complejas debido a la necesidad de controlar varios vagones vinculados y de ser efectivos en vehículos que se quedan sin un motor principal . Los frenos de abrazadera son un tipo de frenos que se han utilizado históricamente en los trenes.
En los primeros tiempos de los ferrocarriles, la tecnología de frenado era primitiva. Los primeros trenes tenían frenos operativos en el ténder de la locomotora y en los vehículos del tren, donde los "porteros" o, en los Estados Unidos, guardafrenos , que viajaban con ese propósito en esos vehículos, operaban los frenos. Algunos ferrocarriles instalaron un silbato de freno especial de tono profundo en las locomotoras para indicar a los porteadores la necesidad de aplicar los frenos. Todos los frenos en esta etapa de desarrollo se aplicaban mediante el funcionamiento de un tornillo y un enlace a las zapatas de freno aplicadas a las bandas de rodadura de las ruedas, y estos frenos podían usarse cuando los vehículos estaban estacionados. En los primeros tiempos, los porteadores viajaban en refugios rudimentarios fuera de los vehículos, pero los "guardias asistentes" que viajaban dentro de los vehículos de pasajeros y que tenían acceso a una rueda de freno en sus puestos, los suplantaron. El esfuerzo de frenado que se podía lograr era limitado y también poco confiable, ya que la aplicación de los frenos por parte de los guardias dependía de su audición y de responder rápidamente a un silbido para frenar. [1]
Un avance temprano fue la aplicación de un freno de vapor a las locomotoras, mediante el cual se podía aplicar la presión de la caldera a las zapatas de freno de las ruedas de la locomotora. A medida que aumentaba la velocidad de los trenes, se hizo esencial proporcionar un sistema de frenado más potente que el conductor del tren pudiera aplicar y liberar de forma instantánea, lo que se describía como un freno continuo porque sería efectivo de forma continua a lo largo de todo el tren.
En el Reino Unido, el accidente ferroviario de Abbots Ripton en enero de 1876 se vio agravado por las largas distancias de parada de los trenes expresos sin frenos continuos, que –como quedó claro– en condiciones adversas podían superar considerablemente las asumidas al colocar las señales. [2] Esto se había hecho evidente a partir de los ensayos de frenos ferroviarios realizados en Newark el año anterior, para ayudar a una Comisión Real que estudiaba los accidentes ferroviarios. En palabras de un funcionario ferroviario contemporáneo, estos
Se demostró que, en condiciones normales, se necesitaba una distancia de 800 a 1200 yardas para detener un tren que viajaba a 45½ a 48½ mph, lo que es muy inferior a la velocidad normal de viaje de los trenes expresos más rápidos. Los funcionarios del ferrocarril no estaban preparados para este resultado y se admitió de inmediato la necesidad de una potencia de frenado mucho mayor [3].
Los ensayos realizados después de que Abbots Ripton informara lo siguiente para un tren expreso que coincidía aproximadamente con las condiciones involucradas (como un descenso de 1 en 200, pero sin frenado en condiciones favorables): [2]
Sin embargo, no había una solución técnica clara al problema, debido a la necesidad de lograr un esfuerzo de frenado razonablemente uniforme en todo el tren y a la necesidad de añadir y quitar vehículos del tren en puntos frecuentes del viaje (en esas fechas, los trenes unitarios eran una rareza).
Los principales tipos de solución fueron:
Nota: existen numerosas variantes y desarrollos de todos estos sistemas.
Las pruebas de Newark demostraron que el rendimiento de frenado de los frenos de aire Westinghouse era claramente superior: [14] pero por otras razones [15] fue el sistema de vacío el que se adoptó generalmente en los ferrocarriles del Reino Unido.
En la práctica británica, hasta aproximadamente 1930 solo los trenes de pasajeros estaban equipados con frenos continuos; los trenes de mercancías y minerales circulaban a menor velocidad y dependían de la fuerza de frenado de la locomotora, el ténder y el vagón de freno , un vehículo pesado situado en la parte trasera del tren y ocupado por un guardia .
Los vehículos de transporte de mercancías y minerales tenían frenos de mano que se aplicaban mediante una palanca manual operada por el personal en tierra. Estos frenos de mano se utilizaban cuando era necesario cuando los vehículos estaban estacionados, pero también cuando los trenes descendían por una pendiente pronunciada. El tren se detenía en la parte superior de la pendiente y el guardia caminaba hacia adelante para "fijar" las manijas de los frenos, de modo que los frenos se aplicaran parcialmente durante el descenso. Los primeros vehículos de mercancías tenían manijas de freno en un solo lado, pero, a partir de 1930, se exigieron manijas de freno en ambos lados de los vehículos de mercancías. Los trenes que contenían vehículos con frenos de mano se describían como "no equipados": estuvieron en uso en Gran Bretaña hasta aproximadamente 1985. A partir de 1930, se introdujeron los trenes semi-equipados, en los que los vehículos de mercancías equipados con frenos continuos se agrupaban junto a la locomotora, lo que proporcionaba suficiente potencia de frenado para circular a velocidades más altas que los trenes no equipados. En enero de 1952, en una prueba, un tren de carbón de 52 vagones y 850 toneladas recorrió 204 kilómetros a una media de 61 kilómetros por hora, frente a la velocidad máxima habitual en la línea principal de Midland de 40 kilómetros por hora para trenes de mercancías no equipados. [16] En 1952, el 14% de los vagones abiertos, el 55% de los vagones cubiertos y el 80% de los vagones de ganado tenían frenos de vacío. [17]
En los primeros tiempos de las locomotoras diésel , se acoplaba a la locomotora un ténder de freno especialmente diseñado para aumentar el esfuerzo de frenado al remolcar trenes no equipados. El ténder de freno estaba bajo, de modo que el maquinista podía ver la vía y hacer señales si el ténder de freno se impulsaba (empujaba) por delante de la locomotora, lo que ocurría a menudo.
En 1878 había más de 105 patentes en varios países para sistemas de frenos, la mayoría de las cuales no fueron ampliamente adoptadas. [18]
A medida que aumentaban las cargas, las pendientes y las velocidades de los trenes, el frenado se convirtió en un problema más importante. A finales del siglo XIX, empezaron a aparecer frenos continuos significativamente mejores . El primer tipo de freno continuo fue el freno de cadena [19] , que utilizaba una cadena que recorría la longitud del tren para accionar los frenos de todos los vehículos simultáneamente.
El freno de cadena fue reemplazado rápidamente por frenos accionados por aire o por vacío . Estos frenos utilizaban mangueras que conectaban todos los vagones de un tren, de modo que el operador podía aplicar o liberar los frenos con una sola válvula en la locomotora.
Estos frenos continuos pueden ser simples o automáticos, siendo la diferencia esencial lo que ocurre si el tren se parte en dos. Con los frenos simples, se necesita presión para aplicar los frenos, y toda la potencia de frenado se pierde si la manguera continua se rompe por cualquier motivo. Los frenos simples no automáticos son, por tanto, inútiles cuando las cosas realmente van mal, como se demostró con el desastre ferroviario de Armagh .
Los frenos automáticos, por otra parte, utilizan la presión del aire o del vacío para mantener los frenos presionados contra un depósito que lleva cada vehículo, que aplica los frenos si se pierde la presión o el vacío en la tubería del tren. Por lo tanto, los frenos automáticos son en gran medida " a prueba de fallos ", aunque el cierre incorrecto de las llaves de paso de las mangueras puede provocar accidentes como el de la estación de Lyon .
El freno de aire Westinghouse estándar tiene la mejora adicional de una válvula triple y un depósito local en cada vagón, lo que permite que los frenos se apliquen por completo con solo una ligera reducción en la presión de aire, lo que reduce el tiempo que lleva liberar los frenos ya que no toda la presión se libera a la atmósfera.
Los frenos no automáticos siguen teniendo una función en los motores y en los primeros vagones, ya que pueden utilizarse para controlar todo el tren sin tener que aplicar los frenos automáticos.
Esta no es una lista completa de todos los frenos ferroviarios, pero enumera la mayoría de los ejemplos más comunes.
La mayoría de las unidades tractoras, vagones de pasajeros y algunos vagones de mercancías están equipados con un freno de estacionamiento manual (freno de mano). Este actúa directamente (mecánicamente) sobre el varillaje de freno del vehículo. La activación de un freno de este tipo impide la rotación de las ruedas independientemente del freno neumático y, por lo tanto, es adecuado para asegurar vagones y vagones estacionados contra un movimiento involuntario. Solo se pueden utilizar frenos mecánicos para este propósito, ya que la capacidad de retención de los frenos neumáticos puede disminuir debido a fugas inevitables.
Existen dos tipos. El freno de mano, que se puede accionar a bordo del vehículo, se utiliza, por un lado, para evitar que se desplace y, por otro, para regular la velocidad en determinadas maniobras y para detener los trenes en caso de que falle el freno automático. Suele estar diseñado como freno de tornillo y se acciona desde la plataforma de guardafrenos o, en el caso de los vagones de pasajeros, desde el interior del vagón, normalmente desde una zona de entrada. En los vagones de mercancías UIC, este peso de frenado está enmarcado en blanco (blanco como el resto de la inscripción del freno, alternativamente negro sobre un fondo blanco o de color claro). Los frenos de mano de los ténderes y locomotoras cisterna suelen estar diseñados como frenos de contrapeso .
Un freno de estacionamiento de accionamiento manual es adecuado únicamente para asegurar que los vehículos ferroviarios estáticos no se desplacen. Puede estar diseñado como un volante o como un freno accionado por resorte.
En los vehículos que circulan por ferrocarriles de cremallera se suele instalar un freno de trinquete que depende de la dirección. Este freno solo frena en bajadas. En subidas, el freno de trinquete aplicado se libera mediante un mecanismo de trinquete e impide que el tren se desplace hacia atrás.
A principios del siglo XX, muchos ferrocarriles británicos empleaban frenos de vacío en lugar de los frenos de aire que se utilizaban en gran parte del resto del mundo. La principal ventaja del vacío era que se podía crear mediante un eyector de vapor sin partes móviles (y que podía funcionar con el vapor de una locomotora de vapor ), mientras que un sistema de frenos de aire requiere un compresor ruidoso y complicado .
Sin embargo, los frenos de aire pueden ser mucho más efectivos que los frenos de vacío para un tamaño determinado de cilindro de freno. Un compresor de frenos de aire normalmente es capaz de generar una presión de 90 psi (620 kPa ; 6,2 bar ) frente a solo 15 psi (100 kPa; 1,0 bar) para el vacío. Con un sistema de vacío, la diferencia de presión máxima es la presión atmosférica (14,7 psi o 101 kPa o 1,01 bar al nivel del mar, menos en altitud). Por lo tanto, un sistema de frenos de aire puede utilizar un cilindro de freno mucho más pequeño que un sistema de vacío para generar la misma fuerza de frenado. Esta ventaja de los frenos de aire aumenta a gran altitud, por ejemplo, Perú y Suiza, donde hoy en día los ferrocarriles secundarios utilizan frenos de vacío. La eficacia mucho mayor de los frenos de aire y la desaparición de la locomotora de vapor han hecho que el freno de aire se vuelva omnipresente; sin embargo, el frenado por vacío todavía se utiliza en India , Argentina y Sudáfrica , pero esto disminuirá en un futuro próximo. [ cita requerida ] Véase Jane's World Railways .
Las diferencias visuales entre los dos sistemas se muestran en los frenos de aire que funcionan a alta presión, con mangueras de aire en los extremos del material rodante que tienen un diámetro pequeño; los frenos de vacío funcionan a baja presión, y las mangueras en los extremos del material rodante tienen un diámetro mayor. Los frenos de aire en los vehículos más externos de un tren se apagan mediante un grifo. Los frenos de vacío en los vehículos más externos de un tren están sellados por tapones fijos ("dummies") sobre los cuales se coloca el extremo abierto del tubo de vacío. Está sellado contra una arandela de goma por el vacío, con un pasador para mantener el tubo en su lugar cuando el vacío cae durante el frenado. [20] [21]
Una mejora del freno de aire automático es tener una segunda manguera de aire (el depósito principal o línea principal) a lo largo del tren para recargar los depósitos de aire de cada vagón. Esta presión de aire también se puede utilizar para operar las puertas de carga y descarga en vagones de trigo y vagones de carbón y balasto . En los vagones de pasajeros , la tubería del depósito principal también se utiliza para suministrar aire para operar las puertas y la suspensión neumática.
El freno de contrapresión es un tipo de freno de locomotora de vapor que frena la locomotora utilizando los cilindros de accionamiento. El freno funciona utilizando los cilindros como compresores de aire y convirtiendo la energía cinética en calor.
Una característica común en las locomotoras eléctricas y diésel-eléctricas es el freno dinámico; éste funciona utilizando los motores eléctricos que normalmente hacen girar las ruedas como generador eléctrico, reduciendo así la velocidad del tren.
Un freno de corrientes de Foucault ralentiza o detiene un tren generando corrientes de Foucault y disipando así su energía cinética en forma de calor.
El freno EP de mayor rendimiento utiliza un "tubo de depósito principal" que alimenta de aire a todos los depósitos de freno del tren, y las válvulas de freno se controlan eléctricamente con un circuito de control de tres cables. Si se desconecta el cable, los frenos se aplican automáticamente, por lo que se conserva la naturaleza a prueba de fallos de otros sistemas de frenos. Esto proporciona entre cuatro y siete niveles de frenado, según la clase de tren. También permite una aplicación más rápida de los frenos, ya que la señal de control eléctrico se propaga de manera efectiva e instantánea a todos los vehículos del tren, mientras que el cambio en la presión de aire que activa los frenos en un sistema convencional puede tardar varios segundos o decenas de segundos en propagarse completamente a la parte trasera del tren. Sin embargo, este sistema no se utiliza en trenes de mercancías debido a su coste. [ cita requerida ]
Los frenos neumáticos controlados electrónicamente (ECP) son un desarrollo estadounidense de finales del siglo XX para trenes de mercancías muy largos y pesados, y son una evolución del freno EP con un nivel de control aún mayor. Además, la información sobre el funcionamiento de los frenos de cada vagón se envía al panel de control del conductor.
En el sistema ECP, se instala una línea de alimentación y control de vagón a vagón, desde la parte delantera del tren hasta la trasera. Las señales de control eléctricas se propagan de forma instantánea y eficaz, a diferencia de los cambios de presión del aire, que se propagan a una velocidad bastante lenta, limitada en la práctica por la resistencia al flujo de aire de las tuberías, de modo que los frenos de todos los vagones se pueden aplicar simultáneamente, o incluso de atrás hacia delante en lugar de hacerlo de delante hacia atrás. Esto evita que los vagones de atrás "empujen" a los de delante, y da como resultado una distancia de frenado reducida y un menor desgaste del equipo.
Hay dos marcas de frenos ECP disponibles en Norteamérica: una de New York Air Brake y la otra de Wabtec . Estos dos tipos son intercambiables.
El freno Heberlein es un freno ferroviario continuo que se utiliza en Alemania y que se activa mediante un cable mecánico. El frenado del tren se inicia de forma centralizada desde la locomotora mediante un enrollador. De este modo, se aplican las pinzas de freno a los vagones individuales, con la ayuda de un servosistema que aprovecha la rotación del eje. Los frenos se activan automáticamente si se rompe el cable.
Un freno de vapor es un tipo de freno para locomotoras de vapor y sus ténderes, en el que un cilindro de vapor actúa directamente sobre los enlaces del freno.
Las conexiones de freno entre vagones pueden simplificarse si los vagones apuntan siempre en la misma dirección. Se haría una excepción en el caso de las locomotoras que suelen girar sobre plataformas giratorias o triángulos .
En el nuevo ferrocarril de Fortescue , inaugurado en 2008, los vagones circulan en grupos, aunque su dirección cambia en el circuito de globos del puerto. Las conexiones ECP se realizan en un solo lado y son unidireccionales.
Los frenos defectuosos o mal aplicados pueden provocar que un tren se descontrole ; en algunos casos esto ha causado accidentes ferroviarios :
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