Un freno de aire para ferrocarril es un sistema de frenado de potencia con aire comprimido como medio de funcionamiento. [1] Los trenes modernos dependen de un sistema de frenos de aire a prueba de fallos que se basa en un diseño patentado por George Westinghouse el 13 de abril de 1869. [2] Posteriormente, se organizó la Westinghouse Air Brake Company para fabricar y vender el invento de Westinghouse. En diversas formas, ha sido adoptado casi universalmente.
El sistema Westinghouse utiliza presión de aire para cargar los depósitos de aire (tanques) de cada automóvil. La presión de aire máxima hace que cada automóvil suelte los frenos. Una reducción o pérdida posterior de la presión de aire hace que cada automóvil aplique sus frenos, utilizando el aire comprimido almacenado en sus depósitos. [3]
En la forma más simple del freno de aire, llamada sistema de aire directo , el aire comprimido empuja un pistón en un cilindro. El pistón está conectado a través de un enlace mecánico a las zapatas de freno que pueden rozar las ruedas del tren, utilizando la fricción resultante para reducir la velocidad del tren. El enlace mecánico puede llegar a ser bastante elaborado, ya que distribuye uniformemente la fuerza desde un cilindro de aire presurizado a 8 o 12 ruedas.
El aire presurizado proviene de un compresor de aire en la locomotora y se envía de vagón a vagón mediante una línea de tren formada por tuberías debajo de cada vagón y mangueras entre vagones. El principal problema con el sistema de frenos de aire recto es que cualquier separación entre mangueras y tuberías provoca la pérdida de presión de aire y, por lo tanto, la pérdida de la fuerza que aplica los frenos. Esto podría causar fácilmente un tren desbocado . Los frenos de aire rectos aún se utilizan en las locomotoras, aunque como un sistema de circuito doble, generalmente con cada bogie (bogie) teniendo su propio circuito.
Para diseñar un sistema sin las deficiencias del sistema de aire directo, Westinghouse inventó un sistema en el que cada pieza del material rodante del ferrocarril estaba equipada con un depósito de aire y una válvula triple , también conocida como válvula de control . [4]
A diferencia del sistema de aire directo, el sistema Westinghouse utiliza una reducción en la presión de aire en la línea del tren para aplicar los frenos indirectamente.
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La válvula triple recibe ese nombre porque cumple tres funciones: permite que entre aire en un tanque de aire listo para ser utilizado, aplica los frenos y los libera. Al hacerlo, respalda ciertas otras acciones (es decir, "sostiene" o mantiene la aplicación y permite la descarga de la presión del cilindro de freno y la recarga del depósito durante la liberación). En su solicitud de patente, Westinghouse se refiere a su "dispositivo de triple válvula" debido a los tres componentes valvulares que lo componen: la válvula de asiento operada por diafragma que alimenta el aire del depósito al cilindro de freno, la válvula de carga del depósito y la válvula de liberación del cilindro de freno. Westinghouse pronto mejoró el dispositivo eliminando la acción de la válvula de asiento. Estos tres componentes se convirtieron en la válvula de pistón, la válvula de corredera y la válvula graduada.
Cuando el maquinista aplica el freno al operar la válvula de freno de la locomotora, la línea del tren se ventila a la atmósfera a un ritmo controlado, lo que reduce la presión de la línea del tren y, a su vez, activa la válvula triple de cada vagón para alimentar aire a su cilindro de freno. Cuando el maquinista suelta el freno, el portal de la válvula de freno de la locomotora a la atmósfera se cierra, lo que permite que la línea del tren se recargue mediante el compresor de la locomotora. El aumento posterior de la presión de la línea del tren hace que las válvulas triples de cada vagón descarguen el contenido del cilindro de freno a la atmósfera, liberando los frenos y recargando los depósitos.
El sistema Westinghouse es, por lo tanto, a prueba de fallos : cualquier fallo en la línea del tren, incluida una separación ("ruptura en dos") del tren, provocará una pérdida de presión en la línea, lo que hará que se apliquen los frenos y el tren se detenga, evitando así un tren descontrolado.
Los sistemas de frenos de aire modernos cumplen dos funciones:
Cuando se aplican los frenos del tren durante el funcionamiento normal, el maquinista realiza una "aplicación de servicio" o una "reducción de la tasa de servicio", lo que significa que la presión de la tubería de freno se reduce a una tasa controlada. La presión de la tubería de freno tarda varios segundos en reducirse y, en consecuencia, los frenos tardan varios segundos en aplicarse en todo el tren. La velocidad de los cambios de presión durante una reducción de servicio está limitada por la capacidad del aire comprimido para superar la resistencia al flujo de la tubería de diámetro relativamente pequeño y los numerosos codos a lo largo de la longitud del tren, y el puerto de escape relativamente pequeño en la locomotora de la cabeza, lo que significa que los frenos de los vagones más traseros se aplicarán algún tiempo después de que se apliquen los de los vagones más delanteros, por lo que se puede esperar un rodaje lento . La reducción gradual de la presión de la tubería de freno mitigará este efecto.
Las locomotoras modernas emplean dos sistemas de frenos de aire. El sistema que controla el conducto de freno se denomina freno automático y proporciona control de frenado de servicio y de emergencia para todo el tren. La(s) locomotora(s) en la cabeza del tren (el "grupo de cabeza") tienen un sistema secundario llamado freno independiente. El freno independiente es un sistema de "aire directo" que hace que las aplicaciones de freno en el grupo de locomotoras de cabeza del tren sean independientes del freno automático, lo que proporciona un control del tren más matizado. Los dos sistemas de freno pueden interactuar de forma diferente según la preferencia del constructor de la locomotora o del ferrocarril. En algunos sistemas, las aplicaciones automáticas e independientes serán aditivas; en algunos sistemas, la mayor de las dos se aplicará al grupo de locomotoras. El sistema independiente también proporciona un mecanismo de liberación , que libera los frenos en las locomotoras líderes sin afectar la aplicación de los frenos en el resto del tren.
En caso de que el tren deba hacer una parada de emergencia, el operador del motor puede realizar una "aplicación de emergencia", que liberará rápidamente toda la presión de la tubería de freno a la atmósfera, lo que dará como resultado una aplicación más rápida de los frenos del tren. Una aplicación de emergencia también se produce cuando se pierde la integridad de la tubería de freno, ya que todo el aire también se liberará inmediatamente a la atmósfera.
La aplicación del freno de emergencia activa un componente adicional del sistema de frenos de aire de cada vagón. La válvula triple está dividida en dos partes: la sección de servicio, que contiene el mecanismo utilizado durante las aplicaciones de freno realizadas durante las reducciones de servicio, y la sección de emergencia, que detecta la reducción de emergencia más rápida de la presión de la línea del tren. Además, el depósito de frenos de aire de cada vagón está dividido en dos secciones (la parte de servicio y la parte de emergencia) y se conoce como "depósito de doble compartimento". Las aplicaciones de servicio normales transfieren la presión de aire de la sección de servicio al cilindro de freno, mientras que las aplicaciones de emergencia hacen que la válvula triple dirija todo el aire de ambas secciones del depósito de doble compartimento al cilindro de freno, lo que da como resultado una aplicación entre un 20 y un 30 por ciento más fuerte.
La parte de emergencia de cada válvula triple se activa con la mayor tasa de reducción de la presión de la tubería de freno. [ ¿Cómo? ] Debido a la longitud de los trenes y al pequeño diámetro de la tubería de freno, la tasa de reducción es más alta cerca de la parte delantera del tren (en el caso de una aplicación de emergencia iniciada por el operador del motor) o cerca de la rotura en la tubería de freno (en el caso de pérdida de la integridad de la tubería de freno). Más lejos de la fuente de la aplicación de emergencia, la tasa de reducción se puede reducir hasta el punto en que las válvulas triples no detecten la aplicación como una reducción de emergencia. Para evitar esto, la parte de emergencia de cada válvula triple contiene un puerto de ventilación auxiliar, que, cuando se activa mediante una aplicación de emergencia, también ventila localmente la presión de la tubería de freno directamente a la atmósfera. Esto sirve para ventilar más rápidamente la tubería de freno y acelerar la propagación de la tasa de reducción de emergencia a lo largo de toda la longitud del tren.
El uso de energía distribuida (es decir, unidades de locomotoras controladas de forma remota en el medio del tren y/o en la parte trasera) mitiga en cierta medida el problema del desfase temporal en los trenes largos, porque una señal de radio telemétrica del operador del motor en la locomotora delantera ordena a las unidades distantes que inicien reducciones de presión de freno que se propagan rápidamente a través de los vagones cercanos.
Muchos sistemas de frenos de aire modernos utilizan distribuidores [ aclaración necesaria ] en lugar de válvulas triples. Estos cumplen la misma función que las válvulas triples, pero tienen funciones adicionales, como la capacidad de liberar parcialmente los frenos. [6]
El compresor de aire de la locomotora normalmente carga el depósito principal con aire a 125–140 psi (8,6–9,7 bar; 860–970 kPa). Los frenos del tren se liberan admitiendo una presión de aire reducida y regulada del depósito principal en el conducto de freno a través de la válvula de freno automática del maquinista. En Estados Unidos, un conducto de freno completamente cargado normalmente funciona a 90 psi (6,2 bar; 620 kPa) para trenes de mercancías y a 110 psi (7,6 bar; 760 kPa) para trenes de pasajeros. [7] Los frenos se aplican cuando el maquinista mueve la palanca del freno automático a una posición de "servicio", lo que provoca una reducción de la presión del conducto de freno.
Durante el servicio normal, la presión en la tubería de freno nunca se reduce a cero y, de hecho, la reducción más pequeña que causará una respuesta de freno satisfactoria se utiliza para conservar la presión de la tubería de freno. Una reducción de presión repentina y sustancial causada por una pérdida de integridad de la tubería de freno (por ejemplo, una manguera reventada), el tren partiéndose en dos y desacoplando las mangueras de aire, o el ingeniero moviendo la válvula de freno automática a la posición de emergencia, causará una aplicación de freno de emergencia . [8] Por otro lado, una fuga lenta que reduce gradualmente la presión de la tubería de freno a cero, algo que podría suceder si el compresor de aire no funciona y, por lo tanto, no mantiene la presión del depósito principal, no causará una aplicación de freno de emergencia.
Los frenos electroneumáticos o EP son un tipo de freno de aire que permite la aplicación inmediata de los frenos en todo el tren en lugar de la aplicación secuencial. Los frenos EP se han utilizado en la práctica británica desde 1949 y también en los trenes de alta velocidad alemanes (sobre todo el ICE ) desde finales de la década de 1980; se describen en detalle en Sistema de frenos electroneumáticos en trenes ferroviarios británicos . A partir de 2005 [update], los frenos electroneumáticos se estaban probando en América del Norte y Sudáfrica en trenes de mineral y carbón de servicio cautivo.
Los trenes de pasajeros disponen desde hace mucho tiempo de una versión de tres cables del freno electroneumático, que proporciona hasta siete niveles de fuerza de frenado.
En América del Norte , la Westinghouse Air Brake Company suministró equipos de control de frenos de alta velocidad para varios trenes de pasajeros aerodinámicos posteriores a la Segunda Guerra Mundial . Se trataba de una superposición controlada eléctricamente sobre el equipo de frenos de locomotoras de pasajeros D-22 y 24-RL convencionales. En el lado convencional, la válvula de control establecía una presión de referencia en un volumen, que establecía la presión del cilindro de freno a través de una válvula de relé. En el lado eléctrico, la presión de una segunda línea de tren de aire recto controlaba la válvula de relé a través de una válvula de retención de dos vías. Esta línea de tren de "aire recto" se cargaba (desde depósitos en cada vagón) y se liberaba mediante válvulas magnéticas en cada vagón, controladas eléctricamente por una línea de tren de tres cables, a su vez controlada por un controlador maestro electroneumático en la locomotora de control. Este controlador comparaba la presión en la línea de aire recto con la suministrada por una parte autoajustable de la válvula del maquinista, lo que indicaba que todas las válvulas magnéticas de "aplicación" o "liberación" del tren se abrieran simultáneamente, cambiando la presión en la línea de aire recto mucho más rápidamente y de manera más uniforme que si se suministrara aire directamente desde la locomotora. La válvula de relé estaba equipada con cuatro diafragmas, válvulas magnéticas, equipo de control eléctrico y un sensor de velocidad montado en el eje, de modo que a velocidades superiores a 60 mph (97 km/h) se aplicaba toda la fuerza de frenado y se reducía en pasos a 60, 40 y 20 mph (97, 64 y 32 km/h), lo que detenía suavemente el tren. Cada eje también estaba equipado con un equipo de frenos antibloqueo. La combinación minimizaba las distancias de frenado, lo que permitía un mayor funcionamiento a plena velocidad entre paradas. Las partes del sistema de aire directo (línea de tren electroneumática) , antibloqueo y graduación de velocidad no dependían entre sí de ninguna manera, y cualquiera o todas estas opciones podían suministrarse por separado. [9]
Los sistemas posteriores sustituyen el freno de aire automático por un cable eléctrico que recorre todo el tren en círculo y que debe mantenerse energizado para que los frenos no se activen. En el Reino Unido, se lo conoce como cable de tren . Pasa por varios "reguladores" (interruptores accionados por presión de aire) que controlan componentes críticos como compresores, conductos de freno y depósitos de aire. Si el tren se divide, el cable se romperá, lo que garantiza que todos los motores se apaguen y que ambas partes del tren tengan una aplicación inmediata del freno de emergencia .
Las innovaciones más recientes son los frenos neumáticos controlados electrónicamente, donde los frenos de todos los vagones (automóviles) y locomotoras están conectados por una especie de red de área local , que permite el control individual de los frenos de cada vagón y la notificación del rendimiento de los frenos de cada vagón.
El sistema de frenos de aire de Westinghouse es muy fiable, pero no infalible. Los depósitos de los vagones se recargan únicamente cuando la presión de la tubería de freno es superior a la presión del depósito. La recarga completa de los depósitos en un tren largo puede requerir un tiempo considerable (de 8 a 10 minutos en algunos casos [10] ), durante el cual la presión de la tubería de freno será inferior a la presión del depósito de la locomotora.
Si los frenos deben aplicarse antes de que se haya completado la recarga, será necesaria una reducción mayor de la tubería de freno para lograr la cantidad deseada de esfuerzo de frenado, ya que el sistema comienza en un punto de equilibrio más bajo (presión general más baja). Si se realizan muchas reducciones de la tubería de freno en una sucesión corta ("abanicando el freno" en la jerga ferroviaria), se puede llegar a un punto en el que la presión del depósito del vagón se agote gravemente, lo que dará como resultado una fuerza del pistón del cilindro de freno sustancialmente reducida, lo que hará que los frenos fallen. En una pendiente descendente , el resultado será un descontrol.
En caso de pérdida de frenado debido al agotamiento del depósito, el maquinista puede recuperar el control con una aplicación de freno de emergencia, ya que la parte de emergencia del depósito de doble compartimento de cada vagón debe estar completamente cargada; no se ve afectada por las reducciones de servicio normales. Las válvulas triples detectan una reducción de emergencia en función de la tasa de reducción de presión de la tubería de freno. Por lo tanto, siempre que se pueda ventilar rápidamente un volumen suficiente de aire de la tubería de freno, la válvula triple de cada vagón provocará una aplicación de freno de emergencia. Sin embargo, si la presión de la tubería de freno es demasiado baja debido a una cantidad excesiva de aplicaciones de freno, una aplicación de emergencia no producirá un volumen de flujo de aire lo suficientemente grande como para activar las válvulas triples, lo que deja al maquinista sin medios para detener el tren.
Para evitar un descontrol debido a la pérdida de presión de los frenos, se puede utilizar el frenado dinámico (reostático) para que la(s) locomotora(s) ayuden a retardar el tren. A menudo, se utilizará el frenado combinado , la aplicación simultánea de los frenos dinámicos y del tren, para mantener una velocidad segura y mantener la holgura acumulada en pendientes descendentes. Se debe tener cuidado al soltar los frenos de servicio y dinámicos para evitar daños en el mecanismo de tracción causados por una pérdida repentina de la holgura del tren.
Otra solución a la pérdida de presión de los frenos es el sistema de dos tubos, instalado en la mayoría de los vehículos de pasajeros transportados por locomotoras y en muchos vagones de mercancías. Además del tubo de freno tradicional, esta mejora añade el tubo del depósito principal , que se carga continuamente con aire directamente desde el depósito principal de la locomotora. El depósito principal es donde se almacena la salida del compresor de aire de la locomotora y es, en última instancia, la fuente de aire comprimido para todos los sistemas conectados.
Como el conducto principal del depósito se mantiene constantemente presurizado por la locomotora, los depósitos de los vagones se pueden cargar independientemente del conducto de freno, lo que se logra mediante una válvula de retención para evitar el retorno al conducto. Esta disposición ayuda a reducir los problemas de pérdida de presión descritos anteriormente y también reduce el tiempo necesario para que se liberen los frenos, ya que el conducto de freno solo tiene que recargarse por sí solo.
La presión de la tubería del depósito principal también se puede utilizar para suministrar aire a sistemas auxiliares, como operadores de puertas neumáticos o suspensiones neumáticas. Casi todos los trenes de pasajeros (todos en el Reino Unido y los EE. UU.) y muchos de carga, ahora tienen el sistema de dos tuberías.
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En ambos extremos de cada vagón hay instaladas válvulas angulares . Estas válvulas cortan el aire de la línea del tren y purgan las mangueras de acoplamiento para desacoplar los vagones. El freno de aire solo funciona si las válvulas angulares están abiertas, excepto las que están en la parte delantera de la locomotora y al final del tren. [11]
El freno de aire puede fallar si una de las válvulas angulares se cierra accidentalmente. En este caso, los frenos de los vagones detrás de la válvula cerrada no responderán a la orden del conductor. Esto sucedió en el accidente de tren de Pennsylvania Railroad de 1953 que involucró al Federal Express , un tren de pasajeros de Pennsylvania Railroad que se desbocó mientras se dirigía a la estación Washington Union en Washington, DC , lo que provocó que el tren se estrellara contra el vestíbulo de pasajeros y cayera al suelo. De manera similar, en el accidente ferroviario de Gare de Lyon , la tripulación cerró accidentalmente una válvula, lo que redujo la potencia de frenado.
Existen varias medidas de seguridad que se suelen adoptar para evitar que ocurra este tipo de accidente. Los ferrocarriles tienen estrictos procedimientos aprobados por el gobierno para probar los sistemas de frenos de aire cuando se preparan trenes en un patio o se recogen vagones en ruta. Estos generalmente implican conectar las mangueras de freno de aire, cargar el sistema de frenos, ajustar los frenos e inspeccionar manualmente los vagones para asegurarse de que los frenos estén aplicados, y luego soltar los frenos e inspeccionar manualmente los vagones para asegurarse de que los frenos estén liberados. Por lo general, se presta especial atención al vagón más trasero del tren, ya sea mediante una inspección manual o mediante un dispositivo automatizado de final de tren , para garantizar que exista continuidad de la tubería de freno en todo el tren. Cuando existe continuidad de la tubería de freno en todo el tren, la falla de los frenos al aplicarse o soltarse en uno o más vagones es una indicación de que las válvulas triples de los vagones están funcionando mal. Dependiendo de la ubicación de la prueba de aire, las instalaciones de reparación disponibles y las regulaciones que rigen la cantidad de frenos inoperativos permitidos en un tren, el vagón puede ser enviado a reparar o llevado a la siguiente terminal donde puede ser reparado.
Un tipo diferente de accidente puede ocurrir si un mal funcionamiento del sistema de frenos de aire (como una manguera rota) hace que los frenos de aire se activen inesperadamente. Un ejemplo de este problema se puede ver en el accidente que causó la muerte de John Luther "Casey" Jones el 30 de abril de 1900 en la línea principal del ferrocarril Illinois Central Railroad en Vaughan, Mississippi .
El freno neumático moderno no es idéntico al original, ya que se han producido ligeros cambios en el diseño de la válvula triple, que no son totalmente compatibles entre versiones y, por lo tanto, deben introducirse por fases. Sin embargo, los frenos neumáticos básicos que se utilizan en los ferrocarriles de todo el mundo son notablemente compatibles.
Los sistemas de frenos europeos varían de un país a otro, pero el principio de funcionamiento es el mismo que el del freno neumático Westinghouse. Los vagones de pasajeros europeos utilizados en las redes ferroviarias nacionales deben cumplir la normativa TSI LOC&PAS [12] , que especifica en la sección 4.2.4.3 que todos los sistemas de frenos deben cumplir la norma EN 14198:2004. Esta norma se basa y se alinea con la Hoja UIC 540, un documento ratificado por muchas empresas operadoras de trenes. [13] La Hoja UIC 540 aprueba explícitamente los siguientes sistemas de frenos:
Históricamente, y según UIC 540, distinguimos sistemas técnicamente homologados desde 1927-1932 como: Westinghouse W [a] , Knorr K [b] , Kunze-Knorr , Drolshammer, Bozic, Hildebrand-Knorr.
En la era del vapor, los ferrocarriles británicos estaban divididos (algunos usaban frenos de vacío y otros frenos de aire), pero hubo una estandarización gradual del freno de vacío. Algunas locomotoras, por ejemplo, en el London, Brighton and South Coast Railway , tenían doble equipamiento para poder funcionar con trenes con frenos de vacío o de aire. En la era diésel, el proceso se invirtió y los ferrocarriles británicos cambiaron el material rodante con frenos de vacío por el de frenos de aire en la década de 1960. [14]
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El principal competidor del freno neumático es el freno de vacío, que funciona con presión negativa. El freno de vacío es un poco más sencillo que el freno neumático. En lugar de un compresor de aire, las máquinas de vapor tienen un eyector sin partes móviles, y las locomotoras diésel o eléctricas tienen un "extractor" mecánico o eléctrico. No se necesitan grifos de desconexión en los extremos de los vagones porque las mangueras sueltas se succionan hacia un bloque de montaje.
Sin embargo, la presión máxima en un sistema de vacío está limitada a la presión atmosférica, por lo que todo el equipo tiene que ser mucho más grande y pesado para compensar. Esa desventaja se agrava a gran altitud. El freno de vacío también es considerablemente más lento tanto para aplicarlo como para soltarlo, lo que requiere un mayor nivel de habilidad y anticipación por parte del conductor. Por el contrario, el freno de vacío originalmente tenía la ventaja de permitir una liberación gradual, mientras que el freno de aire automático Westinghouse originalmente estaba disponible solo en la forma de liberación directa que todavía es común en el transporte de mercancías.
Una falla principal de los frenos de vacío es la incapacidad de encontrar fugas fácilmente. En un sistema de aire positivo, una fuga se encuentra rápidamente debido al aire presurizado que se escapa. Descubrir una fuga de vacío es más difícil, aunque es más fácil de reparar, porque un trozo de goma (por ejemplo) se puede atar alrededor de la fuga y quedará firmemente en su lugar gracias al vacío.
Los frenos de electrovacío se han utilizado con considerable éxito en los trenes eléctricos de unidades múltiples de Sudáfrica. A pesar de requerir equipos más grandes y pesados, como se indicó anteriormente, el rendimiento del freno de electrovacío se aproxima al de los frenos electroneumáticos contemporáneos. Sin embargo, su uso no se ha repetido.
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