En una locomotora de vapor, el mecanismo inversor se utiliza para controlar la dirección de marcha de la locomotora. También ajusta el corte de la locomotora de vapor.
Esta es la forma más común de inversor. También se conoce como barra Johnson en los Estados Unidos. Consiste en una palanca larga montada paralela a la dirección de desplazamiento, en el lado del conductor de la cabina. Tiene un mango y un gatillo con resorte en la parte superior y pivota en la parte inferior para pasar entre dos placas sectoriales con muescas. La varilla de inversión, que se conecta al mecanismo de la válvula , está unida a esta palanca (mango) , ya sea por encima o por debajo del pivote, en una posición tal que proporcione un buen apalancamiento. Un pasador cuadrado está dispuesto para acoplarse con las muescas de las placas y mantener la palanca en la posición deseada cuando se suelta el gatillo.
Las ventajas de este diseño son que el cambio entre marcha adelante y marcha atrás se puede realizar muy rápidamente (como se necesita, por ejemplo, en una locomotora de maniobras).
La palanca de inversión tiene un mecanismo de enganche que se acopla a una serie de muescas para mantener la palanca en la posición de corte deseada. Esto significa que el operador no tiene una elección completa de posiciones de corte entre la marcha máxima y la marcha media, sino solo aquellas que corresponden con las muescas. La posición de las muescas la elige el diseñador o constructor de la locomotora teniendo en cuenta el propósito previsto de la locomotora. En general, las locomotoras diseñadas para mercancías tendrán menos muescas con un corte mínimo "más largo" (lo que proporciona un alto esfuerzo de tracción a bajas velocidades pero una eficiencia pobre a altas velocidades), mientras que una locomotora de pasajeros tendrá más muescas y un corte mínimo más corto (lo que permite la eficiencia a altas velocidades a expensas del esfuerzo de tracción). Si el corte mínimo previsto por las muescas fuera demasiado alto, no sería posible hacer funcionar la locomotora de la manera eficiente descrita anteriormente (con un regulador completamente abierto) sin provocar un desperdicio de vapor o un "obstrucción" de los conductos de vapor, por lo que el regulador tendría que estar cerrado. Eso limita la eficiencia.
La barra Johnson es parte de todo el mecanismo de válvulas , y está conectada a los diversos varillajes y brazos para cumplir su función de ajuste. Esto significa que las fuerzas en el mecanismo de válvulas se pueden transmitir a la palanca. Esto es especialmente así si el motor tiene válvulas de corredera desequilibradas , que tienen una alta fricción de funcionamiento y están sujetas a fuerzas de vapor en ambos lados de la válvula. Esta fricción significa que si la barra Johnson se desbloquea mientras el motor está funcionando bajo alta presión de vapor (amplias aberturas del regulador y alto corte) o a altas velocidades, las fuerzas que se supone que actúan sobre las válvulas de corredera pueden transmitirse de vuelta a través del varillaje a la palanca de inversión ahora libre. Esto hará que la palanca se levante de repente y violentamente a la posición de corte completo, lo que conlleva el peligro real de lesiones al conductor, daños al mecanismo de válvulas y el deslizamiento de las ruedas de la locomotora. La única forma de evitar esto es cerrar el regulador y permitir que baje la presión del vapor en el cofre de la válvula. La palanca de inversión se puede desbloquear y colocar en una nueva posición de corte y luego se puede abrir nuevamente el regulador. Durante este proceso, la locomotora no está bajo potencia. En pendientes ascendentes, era una cuestión de gran habilidad reducir la apertura del regulador lo suficiente como para desbloquear de forma segura la barra Johnson mientras se mantenía suficiente presión de vapor en los cilindros. Cada vez que se volvía a abrir el regulador existía la posibilidad de encontrar deslizamiento de las ruedas y, en trenes con acoplamientos sueltos , cada cierre y apertura del regulador generaba fuerzas dinámicas a lo largo de la longitud del tren que corrían el riesgo de romper los acoplamientos. El inversor de tornillo superó todos estos problemas.
Los peligros de la tradicional barra Johnson (que creció a medida que la potencia, el peso y las presiones de vapor de operación de las locomotoras aumentaron durante la primera mitad del siglo XX) llevaron a que la Comisión de Comercio Interestatal la prohibiera en los EE. UU . A partir de 1939, todas las locomotoras de vapor de nueva construcción tuvieron que estar equipadas con inversores de potencia y, a partir de 1942, las locomotoras equipadas con barras Johnson que se sometieran a una revisión o reconstrucción importante tuvieron que ser equipadas con inversión de potencia. Existían excepciones para las locomotoras y los cambiadores de marcha ligeros y de baja potencia . Para los cambios de marcha, que requerían cambios frecuentes de marcha adelante a marcha atrás, se prefería la barra Johnson porque el cambio se podía hacer rápidamente en un solo movimiento en lugar de las múltiples vueltas de la manija de un inversor de tornillo de baja velocidad.
En el mecanismo inversor de tornillo (a veces llamado cortador de tocino en el Reino Unido), la varilla de inversión está controlada por un tornillo y una tuerca, accionados por una rueda en la cabina. La tuerca opera sobre la varilla de inversión directamente o mediante una palanca, como se indica anteriormente. El tornillo y la tuerca se pueden cortar con una rosca doble (también conocida como 2-start) y un paso grueso para mover el mecanismo lo más rápido posible. La rueda está equipada con una palanca de bloqueo para evitar el deslizamiento y hay un indicador para mostrar el porcentaje de corte en uso. Este método de alterar el corte ofrece un control más preciso que la palanca de sector, pero tiene la desventaja de un funcionamiento lento. Es más adecuado para locomotoras de pasajeros de larga distancia donde no se requieren cambios frecuentes de corte y donde los ajustes finos ofrecen el mayor beneficio. En las locomotoras equipadas con equipos de freno de aire Westinghouse y engranaje de válvula Stephenson , era común utilizar la carcasa del tornillo como un cilindro de aire, con la tuerca extendida para formar un pistón. Se aplicó aire comprimido desde los depósitos de freno a un lado del pistón para reducir el esfuerzo necesario para levantar el pesado enlace de expansión, mientras la gravedad ayudaba en la dirección opuesta. [1]
En los motores más grandes, los mecanismos involucrados en controlar el corte y la dirección se volvieron progresivamente más pesados y se necesitaba asistencia eléctrica para ajustarlos. Los engranajes inversores accionados por vapor (más tarde, aire comprimido) se desarrollaron a fines del siglo XIX y principios del XX. Por lo general, el operador accionaba una válvula que admitía vapor a un lado u otro de un cilindro conectado al mecanismo inversor hasta que el indicador mostraba la posición deseada. Se necesitaba un segundo mecanismo, generalmente un pistón en un cilindro lleno de aceite que se mantenía en posición al cerrar una llave de control, para mantener los mecanismos en su lugar.
El primer ingeniero de locomotoras que instaló un dispositivo de este tipo fue James Stirling , del ferrocarril Glasgow and South Western, en 1873. [2] Varios ingenieros los probaron, entre ellos William Dean, del GWR , y Vincent Raven , del ferrocarril North Eastern , pero no les agradaron demasiado, principalmente por las dificultades de mantenimiento: cualquier fuga de aceite del cilindro de bloqueo, ya sea a través del casquillo del pistón o del grifo, permitía que el mecanismo se deslizara, o peor aún, se "hundiera", hasta la marcha hacia adelante completa mientras estaba en funcionamiento. Stirling se trasladó al ferrocarril South Eastern y Harry Smith Wainwright , su sucesor en esa empresa, los incorporó a la mayoría de sus diseños, que estaban en producción unos treinta años después de la innovación de Stirling. Más tarde, el ingeniero de ferrocarriles del sur Oliver Bulleid , con visión de futuro, los instaló en su famosa clase de locomotoras de la Marina Mercante , pero en su mayoría se eliminaron durante la reconstrucción.
El mecanismo inversor de Henszey, patentado en 1882, ilustra una solución típica de los primeros tiempos. [3] El dispositivo de Henszey consta de dos pistones montados en un único vástago. Ambos pistones tienen dos extremos. Uno es un pistón de vapor para mover el vástago según sea necesario. El otro, que contiene aceite, mantiene el vástago en una posición fija cuando se corta el vapor. El control se realiza mediante una pequeña válvula de vapor de tres vías (“adelante”, “parada”, “atrás”) y un indicador independiente que muestra la posición del vástago y, por lo tanto, el porcentaje de corte en uso. Cuando la válvula de vapor está en “parada”, un grifo de aceite que conecta los dos extremos del pistón de bloqueo también está cerrado, manteniendo así el mecanismo en posición. El vástago del pistón se conecta mediante palancas al mecanismo inversor, que funciona de la forma habitual, según el tipo de mecanismo de válvula en uso.
El servomotor de reversa de Ragonnet, patentado en 1909, era un servomecanismo controlado por retroalimentación . El servomotor de reversa amplificaba los pequeños movimientos de la palanca de reversa realizados en la cabina de la locomotora con una fuerza modesta y los convertía en movimientos mucho más grandes y contundentes de la barra de alcance que controlaba el apagado y la dirección del motor. [4] Por lo general, funcionaba con aire acondicionado, pero también podía funcionar con vapor. [5] Los desarrolladores de algunos mecanismos de reversa de reversa posteriores utilizaron explícitamente el término servomotor . [6] El uso del control por retroalimentación en estos mecanismos de reversa de reversa posteriores eliminó la necesidad de un segundo cilindro para un mecanismo de bloqueo hidráulico y restauró la simplicidad de una sola palanca operativa que controlaba el varillaje de reversa e indicaba su posición.
El desarrollo de locomotoras articuladas fue un impulso importante para el desarrollo de sistemas de inversión de potencia, porque estos típicamente tenían dos o incluso tres juegos de marcha atrás, en lugar de solo uno en una locomotora simple. [7] [8] Baldwin Locomotive Works utilizó el engranaje inversor Ragonnet, y otros fabricantes estadounidenses generalmente abandonaron las características de bloqueo positivo más temprano que tarde. Muchas locomotoras estadounidenses se construyeron, o se modernizaron, con inversores de potencia, incluidas las PRR K4 , PRR N1 , PRR B6 y PRR L1 , pero en Gran Bretaña los cilindros de bloqueo siguieron en uso. El engranaje inversor Hadfield, patentado en 1950, era en la mayoría de los detalles un engranaje inversor Ragonnet con cilindro de bloqueo agregado. [9] La mayoría de las locomotoras Beyer Garratt usaban el sistema Hadfield. [10]