Un tren de cremallera (también tren de cremallera , tren de cremallera o tren de cremallera ) es un ferrocarril de pendiente pronunciada con un carril de cremallera dentado , generalmente entre los carriles de rodadura . Los trenes van equipados con una o más ruedas dentadas o piñones que engranan con este carril cremallera. Esto permite que los trenes operen en pendientes pronunciadas superiores al 10%, que es el máximo para ferrocarriles basados en fricción . La mayoría de los cremalleras son ferrocarriles de montaña , aunque algunos son ferrocarriles de tránsito o tranvías construidos para superar una pendiente pronunciada en un entorno urbano .
El primer ferrocarril de cremallera fue el ferrocarril de Middleton entre Middleton y Leeds en West Yorkshire , Inglaterra, Reino Unido , donde funcionó la primera locomotora de vapor comercialmente exitosa , Salamanca , en 1812. Esta utilizaba un sistema de piñón y cremallera diseñado y patentado en 1811 por John Blenkinsop. . [1]
El primer ferrocarril de cremallera de montaña fue el ferrocarril de cremallera Mount Washington en el estado estadounidense de New Hampshire , que transportó a sus primeros pasajeros de pago en 1868. La vía se completó para alcanzar la cima del monte Washington en 1869. El primer cremallera de montaña en Europa continental fue la Vitznau-Rigi-Bahn en el monte Rigi en Suiza , inaugurada en 1871. Ambas líneas todavía están en funcionamiento.
A lo largo de los años se han desarrollado varios diseños diferentes de rieles de cremallera y ruedas dentadas a juego. Con la excepción de algunas de las primeras instalaciones de bastidores de Morgan y Blenkinsop, los sistemas de bastidores colocan el riel del bastidor a medio camino entre los rieles, montado sobre las mismas traviesas o tirantes que los rieles.
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John Blenkinsop pensó que la fricción sería demasiado baja con ruedas metálicas sobre rieles metálicos incluso en terreno llano, por lo que construyó sus locomotoras de vapor para el ferrocarril de Middleton en 1812 con una rueda dentada de 20 dientes y 3 pies (914 mm) de diámetro ( piñón) en el lado izquierdo que engranaba con los dientes de cremallera (dos dientes por pie) en el lado exterior del riel, el riel de borde de metal "barriga de pez" con su cremallera lateral se fundió todo en una sola pieza, en 3 pies (1 yarda ; 914 mm) de longitud. El sistema de Blenkinsop permaneció en uso durante 25 años en el ferrocarril de Middleton, pero se convirtió en una curiosidad porque se descubrió que la simple fricción era suficiente para los ferrocarriles que operaban en terreno llano. [2]
El sistema ferroviario de montaña de Fell, desarrollado en la década de 1860, no es estrictamente un cremallera, ya que no tiene ruedas dentadas. Más bien, este sistema utiliza un riel central elevado y suave entre los dos rieles de rodadura en secciones empinadas de líneas que se agarra por ambos lados para mejorar la fricción. Los trenes son propulsados por ruedas o frenados por zapatas presionadas horizontalmente sobre el carril central, así como por medio de ruedas de rodadura normales.
El primer ferrocarril de cremallera exitoso en los Estados Unidos fue el ferrocarril de cremallera Mount Washington, desarrollado por Sylvester Marsh . [3] Marsh recibió una patente estadounidense por la idea general de un tren cremallera en septiembre de 1861, [4] y en enero de 1867 por una cremallera práctica cuyos dientes toman la forma de rodillos dispuestos como los peldaños de una escalera entre dos Rieles de hierro forjado en forma de L. [5] La primera prueba pública del bastidor Marsh en Mount Washington se realizó el 29 de agosto de 1866, cuando sólo se había completado un cuarto de milla (402 metros) de vía. El ferrocarril Mount Washington se abrió al público el 14 de agosto de 1868. [6] Las ruedas de piñón de las locomotoras tienen dientes profundos que aseguran que al menos dos dientes estén enganchados a la cremallera en todo momento; esta medida ayuda a reducir la posibilidad de que los piñones suban y se salgan de la cremallera. [1]
El sistema de estanterías Riggenbach fue inventado por Niklaus Riggenbach, que trabajó aproximadamente al mismo tiempo que Marsh, pero de forma independiente. A Riggenbach se le concedió una patente francesa en 1863 basada en un modelo funcional que utilizó para interesar a posibles patrocinadores suizos. Durante este tiempo, el cónsul suizo en los Estados Unidos visitó el ferrocarril de cremallera Mount Washington de Marsh e informó con entusiasmo al gobierno suizo. Deseoso de impulsar el turismo en Suiza, el gobierno encargó a Riggenbach la construcción de un cremallera hasta el monte Rigi . Tras la construcción de un prototipo de locomotora y una vía de pruebas en una cantera cerca de Berna , el ferrocarril Vitznau-Rigi se inauguró el 22 de mayo de 1871. [1]
El sistema Riggenbach es similar en diseño al sistema Marsh. Utiliza una escalera, formada por placas o canales de acero conectados por varillas redondas o cuadradas a intervalos regulares. El sistema Riggenbach tiene el problema de que su escalera fija es más compleja y costosa de construir que los otros sistemas.
Tras el éxito del ferrocarril Vitznau-Rigi, Riggenbach fundó Maschinenfabrik der Internationalen Gesellschaft für Bergbahnen (IGB), una empresa que producía locomotoras de cremallera según su diseño. [1]
El sistema Abt fue ideado por Carl Roman Abt , un maquinista de locomotoras suizo . Abt trabajó para Riggenbach en su fábrica de Olten y más tarde en su empresa de locomotoras de cremallera IGB. En 1885 fundó su propia empresa de ingeniería civil. [1]
A principios de la década de 1880, Abt trabajó para idear un sistema de estanterías mejorado que superara las limitaciones del sistema Riggenbach. En particular, el bastidor Riggenbach era caro de fabricar y mantener y los interruptores eran complejos. En 1882, Abt diseñó una nueva cremallera utilizando barras sólidas con dientes verticales mecanizados en ellas. Dos o tres de estas barras están montadas centralmente entre los rieles, con los dientes de los piñones desplazados rotacionalmente entre sí para que coincidan. [7] El uso de barras múltiples con dientes desplazados garantiza que los piñones de las ruedas motrices de la locomotora estén constantemente engranados con la cremallera. [8] El sistema Abt es más barato de construir que el Riggenbach porque requiere un menor peso de bastidor en una longitud determinada. Sin embargo, el sistema Riggenbach presenta una mayor resistencia al desgaste que el Abt. [1]
El primer uso del sistema Abt fue en Harzbahn en Alemania, que se inauguró en 1885. [1] El sistema Abt también se utilizó para la construcción del ferrocarril de montaña Snowdon en Gales de 1894 a 1896. [9]
Las ruedas de piñón pueden montarse en el mismo eje que las ruedas del carril o accionarse por separado. Las locomotoras de vapor del West Coast Wilderness Railway tienen cilindros separados que accionan la rueda de piñón, al igual que las locomotoras de clase "X" del Nilgiri Mountain Railway .
El sistema de rack Agudio [12] fue inventado por Tommaso Agudio. Su única aplicación duradera fue en el tranvía Sassi-Superga , inaugurado en 1884. Utilizaba un bastidor vertical con ruedas dentadas a cada lado del bastidor central. Sin embargo, su característica única era que la "locomotora" era propulsada por medio de un cable sin fin accionado desde una sala de máquinas situada al pie de la pendiente. Se convirtió para utilizar el sistema de estantería Strub en 1934. [13]
El sistema de cremallera Locher, inventado por Eduard Locher , tiene dientes de engranaje cortados en los lados en lugar de en la parte superior del riel, acoplados por dos ruedas dentadas en la locomotora. Este sistema permite su uso en pendientes más pronunciadas que los otros sistemas, cuyos dientes podrían salirse de la cremallera. Se utiliza en el ferrocarril Pilatus .
Locher se propuso diseñar un sistema de estanterías que pudiera usarse en pendientes tan pronunciadas como 1 de cada 2 (50%). El sistema Abt, el sistema de estanterías más común en Suiza en aquel momento, estaba limitado a una pendiente máxima de 1 en 4 (25%). Locher demostró que en pendientes más pronunciadas, el sistema Abt era propenso a que el piñón motriz pasara por encima de la cremallera, provocando descarrilamientos potencialmente catastróficos, como predijo el Dr. Abt. Para superar este problema y permitir que una rejilla se alinee en las laderas empinadas del Monte Pilatus , Locher desarrolló un sistema de rejilla en el que la rejilla es una barra plana con dientes horizontales simétricos. Los piñones horizontales con bridas debajo de la cremallera enganchan la barra montada centralmente, impulsando la locomotora y manteniéndola centrada en la vía.
Este sistema proporciona una fijación muy estable a la pista y también protege el coche contra vuelcos incluso con los vientos cruzados más fuertes. Estos engranajes también son capaces de conducir el automóvil, por lo que incluso las bridas en las ruedas son opcionales. El mayor inconveniente del sistema es que el desvío ferroviario estándar no se puede utilizar y se debe utilizar una mesa de transferencia u otro dispositivo complejo cuando se necesita una bifurcación de la vía.
Tras las pruebas, el sistema Locher se implementó en el ferrocarril Pilatus, inaugurado en 1889. Ningún otro ferrocarril público utiliza el sistema Locher, aunque algunas minas de carbón europeas utilizan un sistema similar en líneas subterráneas con pendientes pronunciadas. [1]
El sistema de cremallera Strub fue inventado por Emil Strub en 1896. Utiliza un riel de fondo plano enrollado con dientes de cremallera mecanizados en el cabezal con una separación de aproximadamente 100 mm (3,9 pulgadas). Las mordazas de seguridad montadas en la locomotora se engranan con la parte inferior de la cabeza para evitar descarrilamiento y sirven como freno. [1] La patente estadounidense de Strub, concedida en 1898, también incluye detalles de cómo se integra el riel de cremallera con el mecanismo de un desvío . [14]
El uso más conocido del sistema Strub se encuentra en el Jungfraubahn , en Suiza. [1]
Strub es el sistema de estanterías más sencillo de mantener y se ha vuelto cada vez más popular. [15]
En 1900, EC Morgan de Chicago recibió una patente sobre un sistema de cremallera que era mecánicamente similar a la cremallera Riggenbach, pero en el que la cremallera también se utilizaba como tercer carril para impulsar la locomotora eléctrica. [16] Morgan pasó a desarrollar locomotoras más pesadas [17] y con JH Morgan, desvíos para este sistema. [18] En 1904, patentó una cremallera simplificada pero compatible, donde los dientes de los piñones del motor encajaban en orificios cuadrados perforados en un riel central en forma de barra. [19] JH Morgan patentó varios diseños de desvíos alternativos para usar con este sistema de estanterías. [20] [21] Curiosamente, Morgan recomendó una rejilla descentrada para permitir el paso libre a los peatones y animales que caminaban por las vías. [16] Algunas fotografías de las primeras instalaciones de Morgan muestran esto. [22] Se podría utilizar un sistema de montaje en bastidor simplificado cuando el bastidor Morgan no se utilizara para energía del tercer carril [23] y el bastidor Morgan ofreciera posibilidades interesantes para tranvías. [24] El estante Morgan era bueno para grados de hasta el 16 por ciento . [25]
Goodman Equipment Company comenzó a comercializar el sistema Morgan para ferrocarriles mineros y vio su uso generalizado, particularmente donde se encontraban pendientes pronunciadas bajo tierra. [26] [27] [28] En 1907, Goodman tenía oficinas en Cardiff, Gales , para atender al mercado británico. [22] Entre 1903 y 1909, la compañía McKell Coal and Coke en el condado de Raleigh, Virginia Occidental, instaló 35.000 pies (10.700 m) de vía de cremallera/tercer carril Morgan en sus minas. [29] Entre 1905 y 1906, Mammoth Vein Coal Company instaló 8.200 pies (2.500 m) de bastidor motorizado en dos de sus minas en Everist, Iowa , con una ley máxima del 16%. [30] Donohoe Coke Co. de Greenwald, Pensilvania, tenía 10.000 pies (3.050 m) de bastidor Goodman en su mina en 1906. [31] El sistema Morgan tuvo un uso limitado en un ferrocarril de transporte público en los Estados Unidos, el Túnel de Chicago. Company , un transportista de carga de vía estrecha que tenía una pendiente pronunciada en la línea hasta su estación de eliminación de superficie en la orilla del lago de Chicago . [32]
El sistema Lamella (también conocido como sistema Von Roll) fue desarrollado por la empresa Von Roll después de que los rieles de acero laminado utilizados en el sistema Strub dejaran de estar disponibles. Está formado por una sola hoja cortada con una forma similar al sistema Abt, pero generalmente más ancha que una sola barra Abt. La cremallera de láminas puede utilizarse en locomotoras diseñadas para su uso con los sistemas Riggenbach o Strub, siempre que no se utilicen las mordazas de seguridad que eran una característica del sistema Strub original. Algunos ferrocarriles utilizan bastidores de múltiples sistemas; por ejemplo, el ferrocarril St. Gallen Gais Appenzell en Suiza tiene tramos de cremallera Riggenbach, Strub y Lamella. [1]
La mayoría de los cremalleras construidos a partir de finales del siglo XX han utilizado el sistema Lamella. [1]
Además del sistema de estanterías utilizado, las líneas que utilizan sistemas de estanterías se dividen en dos categorías, dependiendo de si el carril de estantería es continuo o no. Las líneas en las que el riel de cremallera es continuo y se utiliza el engranaje dentado en todas partes se describen como líneas de cremallera pura. Otras líneas, que sólo utilizan el sistema de cremallera en los tramos más empinados y que en otros lugares funcionan como un ferrocarril normal, se denominan líneas de cremallera.
En las líneas de cremallera y adherencia, los trenes están equipados con sistemas de propulsión y frenado capaces de actuar tanto a través de las ruedas del carril de rodadura como de las ruedas dentadas, según esté presente o no el carril de cremallera. Las líneas de cremallera y adhesión también necesitan utilizar un sistema para suavizar la transición de la fricción a la tracción de cremallera, con una sección de cremallera montada sobre un resorte para que los dientes del piñón se engranen gradualmente. Esto fue inventado por Roman Abt, quien también inventó el sistema de bastidor Abt. [33]
En las líneas puramente de cremallera, las ruedas de rodadura del tren sólo se utilizan para transportar el tren y no contribuyen a la propulsión ni al frenado, que se realiza exclusivamente a través de las ruedas dentadas. Las líneas de cremallera pura no necesitan sistemas de transición, ya que las ruedas dentadas permanecen acopladas al carril de cremallera en todo momento, pero todas las vías, incluidos apartaderos y depósitos, deben estar equipadas con carril de cremallera independientemente de la pendiente.
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Los desvíos de los ferrocarriles de cremallera son tan variados como las tecnologías de los ferrocarriles de cremallera; para líneas de cremallera opcionales como Zentralbahn en Suiza y West Coast Wilderness Railway en Tasmania, es conveniente utilizar únicamente desvíos en secciones lo suficientemente planas para la adhesión (por ejemplo, en la cima de un paso). ). Otros sistemas que dependen de la cremallera para su accionamiento (con las ruedas convencionales sin accionar), como el Dolderbahn de Zúrich , Štrbské Pleso en Eslovaquia y el cremallera de Schynige Platte, deben cambiar el carril de cremallera. El interruptor de Dolderbahn funciona doblando los tres rieles, una operación que se realiza en cada viaje cuando los dos trenes pasan por el medio.
La geometría del sistema de estanterías tiene un gran impacto en la construcción de los desvíos. Si la cremallera está elevada por encima de los carriles de rodadura, no es necesario interrumpir los carriles de rodadura para permitir el paso de los piñones de accionamiento de los motores. Strub lo documentó explícitamente en su patente estadounidense. [14] Strub utilizó un conjunto complejo de palancas acodadas y varillas de empuje que unían la varilla de lanzamiento para las puntas con las dos varillas de lanzamiento para las secciones de bastidor móviles. Se requirió una ruptura en el bastidor para seleccionar entre las dos rutas, y una segunda ruptura donde los rieles del bastidor se cruzan con los rieles de rodadura. Los desvíos para el sistema Morgan Rack eran similares, con el estante elevado por encima de los rieles. La mayoría de las patentes de desvío de Morgan incluían secciones de cremallera móviles para evitar roturas en la cremallera, [18] [21] pero debido a que todas las locomotoras Morgan tenían dos piñones de accionamiento unidos, no había necesidad de una cremallera continua. Mientras las pausas en la cremallera fueran más cortas que la distancia entre los piñones de accionamiento de la locomotora, el carril de cremallera podía interrumpirse allí donde fuera necesario cruzar un carril de rodadura. [dieciséis]
Los desvíos son mucho más complejos cuando el bastidor está al nivel de los rieles o por debajo de él. La primera patente de Marsh muestra tal disposición, [4] y el ferrocarril de cremallera Mount Washington original que construyó no tenía desvíos. No fue hasta 1941 que se construyó un desvío en esta línea. [34] Se construyeron más desvíos para la línea, pero todos eran operados manualmente. En 2003 se desarrolló y construyó en la base un nuevo desvío hidráulico automático a modo de prototipo. Con el éxito del nuevo desvío, se construyeron más desvíos hidráulicos automáticos nuevos para reemplazar los manuales. Los nuevos desvíos instalados en la línea Mount Washington en 2007 son esencialmente mesas de transferencia . [35] El bastidor Locher también requiere mesas de transferencia.
Al principio, casi todos los trenes de cremallera funcionaban con locomotoras de vapor . La locomotora de vapor necesita modificaciones importantes para que funcione eficazmente en este entorno. A diferencia de una locomotora diésel o eléctrica , la locomotora de vapor sólo funciona cuando su motor (la caldera, en este caso) está bastante nivelado. La caldera de locomotora requiere agua para cubrir en todo momento los tubos de la caldera y las láminas del hogar , especialmente la lámina de corona , la parte superior metálica del hogar. Si no se cubre con agua, el calor del fuego lo ablandará lo suficiente como para ceder bajo la presión de la caldera, provocando una falla catastrófica.
En sistemas de estanterías con pendientes extremas, la caldera, la cabina y la superestructura general de la locomotora están inclinadas hacia adelante con respecto a las ruedas, de modo que quedan más o menos horizontales cuando se encuentran en vías con pendientes pronunciadas. Estas locomotoras a menudo no pueden funcionar en vías niveladas, por lo que toda la línea, incluidos los talleres de mantenimiento, debe colocarse en pendiente. Ésta es una de las razones por las que los cremalleras estuvieron entre los primeros en electrificarse y la mayoría de los cremalleras actuales funcionan con electricidad. En algunos casos se puede utilizar una caldera vertical que sea menos sensible a la pendiente de la vía.
En un ferrocarril de cremallera, las locomotoras siempre están abajo de sus vagones de pasajeros por razones de seguridad: la locomotora está equipada con potentes frenos, que a menudo incluyen ganchos o abrazaderas que sujetan firmemente el carril de cremallera. Algunas locomotoras están equipadas con frenos automáticos que se aplican si la velocidad aumenta demasiado, evitando descontroles. A menudo no hay ningún acoplador entre la locomotora y el tren, ya que la gravedad siempre empuja el vagón de pasajeros contra la locomotora. Los vehículos eléctricos suelen tener también frenos de vía electromagnéticos.
La velocidad máxima de los trenes que circulan en un ferrocarril de cremallera es muy baja, generalmente de 9 a 25 kilómetros por hora (5,6 a 15,5 mph), dependiendo de la pendiente y el método de propulsión. Debido a que el Skitube tiene pendientes más suaves de lo normal, sus velocidades son más altas de lo normal.
El ferrocarril Culdee Fell es un ferrocarril de cremallera ficticio en la isla de Sodor en The Railway Series del Rev. W. Awdry . Su funcionamiento, locomotoras e historia se basan en las del Snowdon Mountain Railway . Aparece en el libro Mountain Engines . El cremallera de Štrbské Pleso en Eslovaquia aparece en "The Bounty" de Janet Evanovich y Steve Hamilton .
…nuevos raíles dentados Strub, el sistema suizo más avanzado tecnológicamente y que requiere menos mantenimiento.
