Un ferrocarril de adherencia depende de la tracción por adherencia para mover el tren, y es el tipo de ferrocarril más extendido y común en el mundo. La tracción por adherencia es la fricción entre las ruedas motrices y el riel de acero. [1] Dado que la gran mayoría de los ferrocarriles son ferrocarriles de adherencia, el término ferrocarril de adherencia se utiliza solo cuando es necesario distinguir los ferrocarriles de adherencia de los ferrocarriles movidos por otros medios, como por un motor estacionario que tira de un cable unido a los vagones o por un piñón engranado con una cremallera .
La fricción entre las ruedas y los rieles se produce en la interfaz rueda-riel o zona de contacto. La fuerza de tracción, las fuerzas de frenado y las fuerzas de centrado contribuyen a un funcionamiento estable. Sin embargo, la fricción durante el funcionamiento aumenta los costos, debido al mayor consumo de combustible y al mayor mantenimiento necesario para abordar los daños por fatiga y el desgaste en las cabezas de los rieles y en las llantas de las ruedas, y el movimiento de los rieles debido a las fuerzas de tracción y frenado.
La tracción o fricción se reduce cuando la parte superior del riel está mojada o helada o contaminada con grasa, aceite u hojas en descomposición que se compactan formando una capa de lignina resbaladiza y dura . La contaminación de las hojas se puede eliminar aplicando " Sandita " (una mezcla de gel y arena) de los trenes de mantenimiento, utilizando depuradores y chorros de agua, y se puede reducir con un manejo a largo plazo de la vegetación de los costados del riel. Las locomotoras y los tranvías utilizan arena para mejorar la tracción cuando las ruedas motrices comienzan a patinar.
La adherencia es causada por la fricción , siendo la fuerza tangencial máxima producida por una rueda motriz antes de deslizarse dada por:
[2]
donde es el coeficiente de fricción y es el peso sobre la rueda.
Por lo general, la fuerza necesaria para iniciar un deslizamiento es mayor que la necesaria para continuar deslizándose. La primera se refiere a la fricción estática (también conocida como " fricción estática " [3] ) o "fricción límite", mientras que la segunda es la fricción dinámica, también llamada "fricción por deslizamiento".
En condiciones de laboratorio, el coeficiente de fricción entre acero y acero puede alcanzar 0,78, pero en los ferrocarriles suele estar entre 0,35 y 0,5 [4] , mientras que en condiciones extremas puede llegar a 0,05. Por tanto, una locomotora de 100 toneladas podría tener un esfuerzo de tracción de 350 kilonewtons en condiciones ideales (suponiendo que el motor pueda producir la fuerza suficiente), que se reduciría a 50 kilonewtons en las peores condiciones.
Las locomotoras de vapor sufren especialmente de problemas de adherencia porque la fuerza de tracción en la llanta de la rueda fluctúa (especialmente en las locomotoras de 2 o la mayoría de las de 4 cilindros) y, en las locomotoras grandes, no todas las ruedas son motrices. El "factor de adherencia", que es el peso en las ruedas motrices dividido por el esfuerzo de tracción teórico de partida, generalmente se diseñó para tener un valor de 4 o ligeramente superior, lo que refleja un coeficiente de fricción rueda-carril típico de 0,25. Una locomotora con un factor de adherencia mucho menor que 4 sería muy propensa al deslizamiento de las ruedas, aunque algunas locomotoras de 3 cilindros, como la clase SR V Schools , funcionaban con un factor de adherencia inferior a 4 porque la fuerza de tracción en la llanta de la rueda no fluctúa tanto. Otros factores que afectan a la probabilidad de deslizamiento de las ruedas incluyen el tamaño de la rueda, la sensibilidad del regulador y la habilidad del conductor.
El término adherencia para todo tipo de clima se utiliza generalmente en América del Norte y se refiere a la adherencia disponible durante el modo de tracción con un 99 % de confiabilidad en todas las condiciones climáticas. [5]
La velocidad máxima a la que un tren puede pasar por una curva está limitada por el radio de la curva, la posición del centro de masas de las unidades, el ancho de las ruedas y si la vía está peraltada o inclinada .
El vuelco se producirá cuando el momento de vuelco debido a la fuerza lateral ( aceleración centrífuga ) sea suficiente para hacer que la rueda interior comience a levantarse del riel. Esto puede provocar una pérdida de adherencia, lo que hace que el tren disminuya la velocidad y evite el vuelco. Alternativamente, la inercia puede ser suficiente para hacer que el tren continúe moviéndose a alta velocidad, lo que hace que los vagones vuelquen por completo.
Para un ancho de rueda de 1,5 m (4,9 ft) sin inclinación, una altura del centro de gravedad de 3 m (9,8 ft) y una velocidad de 30 m/s (110 km/h; 67 mph), el radio mínimo de curvatura es de 360 m (1.180 ft). Para un tren moderno de velocidad excepcionalmente alta a 80 m/s (290 km/h; 180 mph), el radio mínimo sería de unos 2,5 km (1,6 mi). En la práctica, el radio mínimo de curvatura es mucho mayor que esto, ya que el contacto entre las bridas de las ruedas y el carril a alta velocidad podría causar daños significativos a ambos. Para velocidades muy altas, el límite mínimo de adherencia parece apropiado de nuevo, [ aclaración necesaria ] lo que implica un radio de curvatura de unos 13 km (8,1 mi). En la práctica, las vías curvas utilizadas para viajar a alta velocidad están peraltadas o inclinadas , de modo que el radio mínimo de curvatura está más cerca de los 7 km (4,3 mi).
Durante el siglo XIX, se creía ampliamente que acoplar las ruedas motrices comprometería el rendimiento, y esto se evitó en las locomotoras destinadas al servicio exprés de pasajeros. Con un juego de ruedas motrices único, la tensión de contacto hertziana entre la rueda y el riel requería ruedas de mayor diámetro que se pudieran acomodar. El peso de las locomotoras estaba limitado por la tensión sobre el riel, y se necesitaban cajas de arena, incluso en condiciones de adherencia razonables.
Se podría pensar que las ruedas se mantienen en las vías gracias a las bridas. Sin embargo, un examen minucioso de una rueda de ferrocarril típica revela que la banda de rodadura está bruñida, pero la brida no: las bridas rara vez entran en contacto con el riel y, cuando lo hacen, la mayor parte del contacto es deslizante. El roce de una brida con la vía disipa grandes cantidades de energía, principalmente en forma de calor, pero también ruido, y, si se mantiene, provocaría un desgaste excesivo de las ruedas.
El centrado se consigue mediante la conformación de la rueda. La banda de rodadura de la rueda es ligeramente cónica. Cuando el tren se encuentra en el centro de la vía, la zona de las ruedas en contacto con el raíl traza un círculo que tiene el mismo diámetro para ambas ruedas. Las velocidades de las dos ruedas son iguales, por lo que el tren se mueve en línea recta.
Sin embargo, si el juego de ruedas se desplaza hacia un lado, los diámetros de las regiones de contacto y, por lo tanto, las velocidades tangenciales de las ruedas en las superficies de rodadura, son diferentes y el juego de ruedas tiende a desviarse hacia el centro. Además, cuando el tren encuentra una curva sin peralte , el juego de ruedas se desplaza lateralmente ligeramente, de modo que la banda de rodadura de la rueda exterior se acelera linealmente y la banda de rodadura de la rueda interior se desacelera, lo que hace que el tren gire en la esquina. Algunos sistemas ferroviarios emplean un perfil de rueda y vía plano, basándose únicamente en el peralte para reducir o eliminar el contacto de las bridas.
Al comprender cómo se mantiene el tren sobre la vía, resulta evidente por qué los ingenieros de locomotoras victorianos eran reacios a acoplar los juegos de ruedas. Esta simple acción de conificación solo es posible con juegos de ruedas en los que cada uno puede tener cierto movimiento libre sobre su eje vertical. Si los juegos de ruedas están acoplados rígidamente entre sí, este movimiento está restringido, de modo que se esperaría que el acoplamiento de las ruedas provoque deslizamiento, lo que daría lugar a mayores pérdidas por rodadura. Este problema se alivió en gran medida al garantizar que los diámetros de todas las ruedas acopladas coincidieran lo más posible.
En caso de un contacto perfecto entre la rueda y el raíl, este comportamiento cónico se manifiesta como un balanceo del tren de un lado a otro. En la práctica, el balanceo se amortigua por debajo de una velocidad crítica, pero se amplifica con el movimiento hacia delante del tren por encima de la velocidad crítica. Este balanceo lateral se conoce como oscilación de caza . La oscilación de caza se conocía a finales del siglo XIX, aunque la causa no se entendió por completo hasta la década de 1920 y las medidas para eliminarla no se tomaron hasta finales de la década de 1960. La velocidad máxima no estaba limitada por la potencia bruta, sino por una posible inestabilidad en el movimiento.
La descripción cinemática del movimiento de las bandas de rodadura cónicas sobre los dos raíles no es suficiente para describir la oscilación con la suficiente precisión como para predecir la velocidad crítica. Es necesario tener en cuenta las fuerzas implicadas. Hay dos características que deben tenerse en cuenta:
La aproximación cinemática corresponde al caso en el que predominan las fuerzas de contacto.
Un análisis de la cinemática de la acción cónica produce una estimación de la longitud de onda de la oscilación lateral: [6]
donde d es el ancho de vía, r es el radio nominal de la rueda y k es la conicidad de las bandas de rodadura. Para una velocidad dada, cuanto mayor sea la longitud de onda y menores sean las fuerzas de inercia, más probable será que la oscilación se amortigüe. Dado que la longitud de onda aumenta al reducirse la conicidad, aumentar la velocidad crítica requiere reducir la conicidad, lo que implica un radio de giro mínimo grande.
Un análisis más completo, teniendo en cuenta las fuerzas reales que actúan, arroja el siguiente resultado para la velocidad crítica de un juego de ruedas: [ aclaración necesaria ]
donde W es la carga del eje del juego de ruedas, a es un factor de forma relacionado con la cantidad de desgaste de la rueda y el riel, C es el momento de inercia del juego de ruedas perpendicular al eje, m es la masa del juego de ruedas.
El resultado es coherente con el resultado cinemático en el sentido de que la velocidad crítica depende inversamente de la conicidad. También implica que el peso de la masa giratoria debe minimizarse en comparación con el peso del vehículo. El ancho de la rueda aparece tanto en el numerador como en el denominador, lo que implica que solo tiene un efecto de segundo orden en la velocidad crítica.
La situación real es mucho más complicada, ya que debe tenerse en cuenta la respuesta de la suspensión del vehículo. Se pueden utilizar resortes de retención, que se oponen al movimiento de guiñada del juego de ruedas, y restricciones similares en los bogies , para aumentar aún más la velocidad crítica. Sin embargo, para lograr las velocidades más altas sin encontrar inestabilidad, es necesaria una reducción significativa en la conicidad de la rueda. Por ejemplo, la conicidad en las bandas de rodadura de las ruedas del Shinkansen se redujo a 1:40 (cuando el Shinkansen funcionó por primera vez) tanto para la estabilidad a altas velocidades como para el rendimiento en las curvas. [7] Dicho esto, a partir de la década de 1980, los ingenieros del Shinkansen desarrollaron una conicidad efectiva de 1:16 al afilar la rueda con múltiples arcos, de modo que la rueda pudiera funcionar de manera efectiva tanto a alta velocidad como en curvas más cerradas. [7]
El comportamiento de los vehículos que circulan por vías de adherencia está determinado por las fuerzas que surgen entre dos superficies en contacto. Esto puede parecer trivialmente simple a simple vista, pero se vuelve extremadamente complejo cuando se estudia con la profundidad necesaria para predecir resultados útiles.
El primer error que hay que corregir es la suposición de que las ruedas son redondas. Basta con echar un vistazo a los neumáticos de un coche aparcado para comprobar inmediatamente que esto no es cierto: la zona de contacto con la carretera está notablemente aplanada, de modo que la rueda y la carretera se ajustan entre sí en una zona de contacto. Si no fuera así, la tensión de contacto de una carga que se transfiere a través de un contacto lineal sería infinita. Los raíles y las ruedas de los ferrocarriles son mucho más rígidos que los neumáticos y el asfalto, pero la misma distorsión se produce en la zona de contacto. Normalmente, la zona de contacto es elíptica, del orden de 15 mm de ancho. [8]
La distorsión en la rueda y el raíl es pequeña y localizada, pero las fuerzas que surgen de ella son grandes. Además de la distorsión debida al peso, tanto la rueda como el raíl se distorsionan cuando se aplican fuerzas de frenado y aceleración y cuando el vehículo se ve sometido a fuerzas laterales. Estas fuerzas tangenciales provocan una distorsión en la región donde entran en contacto por primera vez, seguida de una región de deslizamiento. El resultado neto es que, durante la tracción, la rueda no avanza tanto como se esperaría del contacto de rodadura, pero, durante el frenado, avanza más. Esta mezcla de distorsión elástica y deslizamiento local se conoce como "fluencia" (que no debe confundirse con la fluencia de los materiales bajo carga constante). La definición de fluencia [9] en este contexto es:
Al analizar la dinámica de los juegos de ruedas y de los vehículos ferroviarios completos, las fuerzas de contacto se pueden tratar como dependientes linealmente del deslizamiento [10] ( teoría lineal de Joost Jacques Kalker , válida para pequeños deslizamientos) o se pueden utilizar teorías más avanzadas de la mecánica de contacto por fricción .
Las fuerzas que dan lugar a la estabilidad direccional, la propulsión y el frenado pueden atribuirse al deslizamiento. Está presente en un solo juego de ruedas y se adaptará a la ligera incompatibilidad cinemática introducida al acoplar juegos de ruedas entre sí, sin provocar un deslizamiento excesivo, como se temía en el pasado.
Si el radio de giro es lo suficientemente grande (como es de esperar en los servicios de transporte exprés de pasajeros), dos o tres juegos de ruedas acoplados no deberían presentar ningún problema. Sin embargo, en las locomotoras de carga pesada se suelen asociar 10 ruedas motrices (5 juegos de ruedas principales).
El ferrocarril de adherencia depende de una combinación de fricción y peso para poner en marcha un tren. Los trenes más pesados requieren la mayor fricción y la locomotora más pesada. La fricción puede variar mucho, pero en los primeros ferrocarriles se sabía que la arena ayudaba, y todavía se utiliza hoy en día, incluso en locomotoras con controles de tracción modernos. Para poner en marcha los trenes más pesados, la locomotora debe ser tan pesada como puedan tolerar los puentes a lo largo de la ruta y la propia vía. El peso de la locomotora debe repartirse equitativamente entre las ruedas que se impulsan, sin que haya transferencia de peso a medida que aumenta la fuerza de arranque. Las ruedas deben girar con una fuerza motriz constante en la pequeña área de contacto de aproximadamente 1 cm2 entre cada rueda y la parte superior del riel. La parte superior del riel debe estar seca, sin contaminación provocada por el hombre o relacionada con el clima, como aceite o lluvia. Se necesita arena que mejore la fricción o un equivalente. Las ruedas motrices deben girar más rápido que la locomotora (lo que se conoce como control de deslizamiento) para generar el máximo coeficiente de fricción, y los ejes deben accionarse de forma independiente con su propio controlador porque los diferentes ejes verán diferentes condiciones. La máxima fricción disponible se produce cuando las ruedas patinan o se arrastran. Si la contaminación es inevitable, las ruedas deben accionarse con más deslizamiento porque, aunque la fricción se reduce con la contaminación, el máximo que se puede obtener en esas condiciones se produce con mayores valores de deslizamiento. [11] Los controladores deben responder a diferentes condiciones de fricción a lo largo de la vía.
Algunos de los requisitos iniciales fueron un desafío para los diseñadores de locomotoras de vapor: "sistemas de lijado que no funcionaban, controles que eran incómodos de operar, lubricación que arrojaba aceite por todas partes, desagües que mojaban los rieles, etc." [12] Otros tuvieron que esperar las transmisiones eléctricas modernas en locomotoras diésel y eléctricas.
La fuerza de fricción sobre los rieles y la cantidad de deslizamiento de las ruedas disminuyen constantemente a medida que el tren aumenta la velocidad.
Una rueda motriz no rueda libremente, sino que gira más rápido que la velocidad correspondiente de la locomotora. La diferencia entre ambas se conoce como "velocidad de deslizamiento". "Deslizamiento" es la "velocidad de deslizamiento" comparada con la "velocidad del vehículo". Cuando una rueda rueda libremente a lo largo del riel, la zona de contacto está en lo que se conoce como una condición de "atascamiento". Si la rueda es motriz o frenada, la proporción de la zona de contacto con la condición de "atascamiento" se hace más pequeña y una proporción que aumenta gradualmente está en lo que se conoce como una "condición de deslizamiento". Esta disminución del área de "atascamiento" y el aumento del área de "deslizamiento" respaldan un aumento gradual en la tracción o el par de frenado que se puede sostener a medida que aumenta la fuerza en la llanta de la rueda hasta que toda el área está "deslizante". [13] El área de "deslizamiento" proporciona la tracción. Durante la transición de la condición de "totalmente pegajosa" sin par a la condición de "totalmente deslizante", la rueda ha tenido un aumento gradual en el deslizamiento, también conocido como deslizamiento y deslizamiento. Las locomotoras de alta adherencia controlan el deslizamiento de las ruedas para dar el máximo esfuerzo al arrancar y tirar lentamente de un tren pesado.
El deslizamiento es la velocidad adicional que tiene la rueda y el deslizamiento es el nivel de deslizamiento dividido por la velocidad de la locomotora. Estos parámetros son los que se miden y que van al controlador del deslizamiento. [14]
En un ferrocarril de adherencia, la mayoría de las locomotoras tendrán un recipiente de contención de arena. Se puede dejar caer arena debidamente seca sobre el riel para mejorar la tracción en condiciones resbaladizas. La arena se aplica con mayor frecuencia utilizando aire comprimido a través de una torre, una grúa, un silo o un tren. [15] [16] Cuando un motor patina, en particular al arrancar un tren pesado, la arena aplicada en la parte delantera de las ruedas motrices ayuda en gran medida al esfuerzo de tracción, lo que hace que el tren se "levante" o comience el movimiento previsto por el maquinista.
Sin embargo, el lijado también tiene algunos efectos negativos. Puede provocar una "película de arena", que consiste en arena triturada, que se comprime hasta formar una película sobre la vía donde las ruedas hacen contacto. Junto con algo de humedad en la vía, que actúa como un adhesivo ligero y mantiene la arena aplicada sobre la vía, las ruedas "cuecen" la arena triturada hasta formar una capa de arena más sólida. Debido a que la arena se aplica a las primeras ruedas de la locomotora, las ruedas siguientes pueden rodar, al menos parcialmente y durante un tiempo limitado, sobre una capa de arena (película de arena). Durante el viaje, esto significa que las locomotoras eléctricas pueden perder contacto con el suelo de la vía, lo que hace que la locomotora cree interferencias electromagnéticas y corrientes a través de los acopladores. En parada, cuando la locomotora está estacionada, los circuitos de vía pueden detectar una vía vacía porque la locomotora está aislada eléctricamente de la vía. [17]
