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La vía férrea o vía permanente son los elementos de las líneas ferroviarias : generalmente, los pares de rieles que se colocan normalmente sobre traviesas o durmientes embebidos en balasto, destinados a transportar los trenes ordinarios de un ferrocarril. Se describe como vía permanente porque, en los primeros tiempos de la construcción ferroviaria, los contratistas solían colocar una vía temporal para transportar escombros y materiales por el sitio; cuando este trabajo estaba prácticamente terminado, se retiraba la vía temporal y se instalaba la vía permanente.
Las primeras vías consistían en raíles de madera sobre traviesas transversales de madera, que ayudaban a mantener el espaciado de los raíles. Siguieron varios desarrollos, con placas de hierro fundido colocadas sobre los raíles de madera y más tarde placas de hierro forjado o placas angulares de hierro forjado ( hierro angular como raíles de placa en forma de L). Los raíles también se fijaban individualmente a filas de bloques de piedra, sin ningún tipo de traviesas transversales para mantener la separación correcta. Este sistema también generó problemas, ya que los bloques podían moverse individualmente. La primera versión del sistema de ancho de vía ancho de 7 pies ( 2134 mm ) de Isambard Kingdom Brunel usaba raíles colocados sobre traviesas longitudinales cuyo ancho de vía y elevación se fijaban mediante amarres a pilotes (conceptualmente similar a un puente de pilotes ), pero este arreglo era costoso y Brunel pronto lo reemplazó con lo que se convirtió en la vía de ancho de vía ancho clásica, en la que se prescindía de los pilotes y los travesaños, similares a las traviesas, mantenían el ancho de vía. Hoy en día, la mayoría de las vías ferroviarias utilizan el sistema estándar de raíl y traviesas; la vía de escalera se utiliza en algunas aplicaciones.
Los avances en las tecnologías de fabricación han provocado cambios en el diseño, la fabricación y la instalación de rieles, traviesas y medios de fijación. Los rieles de hierro fundido, de 4 pies (1,2 m) de largo, comenzaron a utilizarse en la década de 1790 y, en 1820, se utilizaban rieles de hierro forjado de 15 pies (4,6 m) de largo. Los primeros rieles de acero se fabricaron en 1857 y las longitudes estándar de rieles aumentaron con el tiempo de 30 a 60 pies (9,1–18,3 m). Los rieles se especificaban típicamente por unidades de peso por longitud lineal y estas también aumentaron. Las traviesas de ferrocarril se fabricaban tradicionalmente con maderas duras tratadas con creosota y esto continuó hasta los tiempos modernos. El riel soldado continuo se introdujo en Gran Bretaña a mediados de la década de 1960 y esto fue seguido por la introducción de traviesas de hormigón.
El uso más antiguo de una vía férrea parece haber estado relacionado con la minería en Alemania en el siglo XII. [2] Los pasadizos de las minas solían estar húmedos y embarrados, y mover carretillas de mineral por ellos era extremadamente difícil. Se hicieron mejoras colocando tablones de madera para que los contenedores con ruedas pudieran ser arrastrados por la mano de obra. En el siglo XVI, la dificultad de mantener el carro en línea recta se había solucionado colocando un pasador en un hueco entre los tablones. [3] Georg Agricola describe carros con forma de caja, llamados "perros", aproximadamente la mitad de grandes que una carretilla, equipados con un pasador vertical romo y rodillos de madera que giraban sobre ejes de hierro. [4] Un ejemplo de la era isabelina de esto se ha descubierto en Silvergill en Cumbria , Inglaterra, [5] y probablemente también se usaban en las cercanas Minas Reales de Grasmere, Newlands y Caldbeck. [6] Allí donde el espacio lo permitía se instalaban vías de madera de sección circular para el paso de carros con ruedas con reborde: un cuadro de 1544 del artista flamenco Lucas Gassel muestra una mina de cobre con vías de este tipo saliendo de un socavón . [7] [ verificación fallida ]
En Inglaterra, probablemente a finales del siglo XVI, cerca de Broseley , se desarrolló un sistema diferente para transportar carbón desde las minas, a veces minas a la deriva por la ladera del desfiladero de Severn hasta el río Severn . Este sistema, probablemente un plano inclinado arrastrado por cuerdas, ya existía "mucho antes" de 1605. [8] Probablemente precedió al Wollaton Wagonway de 1604, que hasta ahora se ha considerado el primero. [9] [10]
En Shropshire, el ancho de vía era generalmente estrecho, para permitir que los carros fueran llevados bajo tierra en minas de deriva. Sin embargo, con diferencia, el mayor número de vías de transporte de carros se encontraba cerca de Newcastle upon Tyne , donde un solo carro era arrastrado por un caballo en una vía de aproximadamente el ancho estándar moderno. Estos llevaban carbón desde la bocamina hasta un staithe , donde el carbón se cargaba en barcos fluviales llamados quillas. [11]
El desgaste de los raíles de madera era un problema. Se podían renovar dándoles la vuelta, pero había que sustituirlos periódicamente. A veces, el raíl se hacía en dos partes, de modo que la parte superior se pudiera sustituir fácilmente cuando se desgastaba. Los raíles se mantenían unidos mediante traviesas de madera, cubiertas con balasto para proporcionar una superficie sobre la que caminar el caballo. [ cita requerida ]
Las tiras de hierro fundido se podían colocar sobre los raíles de madera, y el uso de tales materiales probablemente se produjo en 1738, pero hay afirmaciones de que esta tecnología se remonta a 1716. [12] En 1767, la siderúrgica Ketley comenzó a producir placas de hierro fundido , que se fijaban a la parte superior de los raíles de madera con clavos, para proporcionar una superficie de rodadura más duradera. Esta construcción se conocía como raíl de hierro con correas (o raíl con correas) y se utilizó ampliamente en los ferrocarriles anteriores al vapor en los Estados Unidos. [13] [14] Aunque eran relativamente baratos y rápidos de construir, no eran adecuados para cargas pesadas y requerían un "mantenimiento excesivo". Las ruedas del tren que rodaban sobre los clavos los aflojaban, lo que permitía que el raíl se soltara y se curvara hacia arriba lo suficiente como para que una rueda de automóvil pudiera pasar por debajo y forzar el extremo del raíl a subir a través del piso del vagón, retorciéndose y retorciéndose, poniendo en peligro a los pasajeros. Estos raíles rotos se conocieron como "cabezas de serpiente". [14]
Cuando el hierro forjado estuvo disponible, las placas de hierro forjado proporcionaron una superficie aún más duradera. Los rieles tenían orejetas salientes (u orejas) con un orificio para permitir que se fijaran al riel de madera subyacente. [15] [ cita requerida ]
John Curr de Sheffield, el gerente de la mina de carbón del duque de Norfolk en esa ciudad, desarrolló una alternativa: tenía un raíl en forma de L, de modo que la pestaña estaba sobre el raíl en lugar de sobre la rueda. También lo utilizaron Benjamin Outram de Butterley Ironworks y William Jessop (que se convirtió en socio de la empresa en 1790). Se utilizaban para transportar mercancías a lo largo de distancias relativamente cortas hasta los canales, aunque el de Curr discurría entre la mina de carbón de la mansión y la ciudad de Sheffield . Estos raíles se denominan placas y, a veces, al ferrocarril se lo denomina plataforma. El término "plataforma" también deriva de este origen. En teoría, las ruedas sin pestaña se podrían haber utilizado en carreteras normales, pero en la práctica probablemente esto se hizo en raras ocasiones, porque las ruedas de los carros eran tan estrechas que se habrían clavado en la superficie de la carretera.
El sistema se adoptó ampliamente en Gran Bretaña. A menudo, las placas se montaban sobre bloques de piedra y, a veces, sin traviesas, pero eso podía provocar que los rieles se separaran, aumentando el ancho de vía. Los ferrocarriles de este tipo se usaban ampliamente en el sur de Gales, en particular para transportar piedra caliza hasta las fundiciones y luego llevar el hierro hasta un canal, a veces a varios kilómetros de distancia, que llevaba los productos al mercado. Los rieles al principio estaban hechos de hierro fundido, normalmente en longitudes de 3 pies (0,91 m), que se extendían entre bloques de piedra. [16]
Se suponía que los bloques de piedra eran permanentes, pero la experiencia demostró rápidamente que se asentaban y se movían gradualmente bajo el tráfico, creando una geometría caótica en la vía y causando descarrilamientos. Otro problema era que la superficie de rodadura podía quedar obstruida por piedras desplazadas del balasto. Una alternativa era utilizar una barra de unión de hierro para mantener los rieles con el ancho de vía adecuado, incorporando una zapata en la que se fijaba el riel. [16]
Un ejemplo de esto fue el tranvía de Penydarren o Merthyr , que Richard Trevithick utilizó para demostrar una locomotora pionera en 1804, utilizando uno de sus motores de vapor de alta presión , pero el motor era tan pesado que rompió muchos de los rieles. [ cita requerida ]
Thomas Dadford Jr. utilizó rieles de borde de hierro fundido cuando construyó las líneas Beaufort y Blaenavon hasta el canal de Monmouthshire en 1793. Estos eran rectangulares, de 2,5 pulgadas (64 mm ) de ancho con una profundidad de 3 pulgadas (76 mm) y 4 pies (1,2 m) de largo, y requerían bridas en las ruedas de los vagones. El mismo año, Benjamin Outram utilizó rieles de borde en el canal de Cromford . William Jessop utilizó vigas en forma de T en la línea Loughborough - Nanpantan en 1794, y sus hijos utilizaron vigas en forma de I en 1813-15 en un ferrocarril de Grantham al castillo de Belvoir . Muestras de estos rieles se conservan en el Museo de Ciencias de Londres . [17]
Una alternativa de corta duración fue el perfil de vientre de pez , utilizado por primera vez por Thomas Barnes (1765-1801) en Walker Colliery, cerca de Newcastle en 1798, que permitía que los rieles tuvieran una distancia mayor entre bloques. Se trataba de rieles de borde de sección en T, de tres pies de largo y colocados sobre traviesas de piedra transversales. Todavía estaban hechos de hierro fundido . [18]
Los primeros rieles tenían juntas a tope cuadradas, que eran débiles y difíciles de mantener alineadas. George Stephenson introdujo las juntas traslapadas, que mantenían bastante bien su alineación. [19] [ página necesaria ]
El gran avance se produjo cuando John Birkinshaw, de Bedlington Ironworks en Northumberland, desarrolló en 1820 raíles de hierro forjado laminado de 4,6 m (15 pies) de longitud, como los utilizados en el ferrocarril Stockton and Darlington . Estos raíles eran lo suficientemente fuertes como para soportar el peso de una locomotora y de un tren de vagones (o carruajes) tirados por ellos. Esto marca el comienzo de la era moderna del ferrocarril. Este sistema tuvo un éxito inmediato, aunque se produjeron algunos intentos fallidos. Algunos de los primeros raíles se fabricaron con una sección transversal en T, pero la falta de metal en la base limitaba la resistencia a la flexión del raíl, que tiene que actuar como una viga entre los soportes.
A medida que las tecnologías del metal fueron mejorando, estos raíles de hierro forjado se fueron haciendo cada vez más largos y con una sección transversal más pesada y, por lo tanto, más resistente. Al proporcionar más metal en la base del raíl, se creó una viga más fuerte, logrando una resistencia y rigidez mucho mejores, y se creó una sección similar a la sección del raíl de cabeza de toro que todavía se puede ver hoy en día. Sin embargo, esto era costoso y los promotores de los primeros ferrocarriles tuvieron dificultades para tomar decisiones sobre el peso adecuado (y, por lo tanto, la resistencia y el costo) de sus raíles.
Al principio, la sección del riel era casi simétrica de arriba a abajo y se describía como un riel de dos cabezas. La intención era invertir el riel después de que la superficie superior se hubiera desgastado, pero los rieles tienden a desarrollar agallas de silla, un desgaste del riel donde se apoya en las sillas, y esto habría hecho que el funcionamiento en la antigua superficie inferior fuera increíblemente ruidoso e irregular. Era mejor proporcionar el metal adicional en la superficie superior y obtener un desgaste adicional allí sin la necesidad de invertir el riel en su vida útil media.
Muchos ferrocarriles preferían una sección de carril de base plana, en la que los carriles se podían colocar directamente sobre las traviesas, lo que representaba un notable ahorro de costes. El problema era la hendidura de las traviesas; cuando el tráfico era intenso, se hacía necesario proporcionar una placa de apoyo debajo de los carriles para distribuir la carga sobre la traviesa, lo que anulaba en parte el ahorro de costes. Sin embargo, en las líneas principales, esta forma encontró una adopción casi universal en América del Norte y Australia, y en gran parte de Europa continental. El Reino Unido persistió con el carril de cabeza de toro en el uso de las líneas principales, y la introducción generalizada del carril de base plana recién comenzó alrededor de 1947.
Los primeros raíles hechos de acero se fabricaron en 1857 , cuando Robert Forester Mushet volvió a fundir acero de desecho de un ensayo fallido de Bessemer , en crisoles en la siderúrgica de Ebbw Vale , y se colocaron experimentalmente en la estación de ferrocarril de Derby en el Ferrocarril Midland en Inglaterra . Los raíles demostraron ser mucho más duraderos que los raíles de hierro que reemplazaron y se mantuvieron en uso hasta 1873. [20] [21] Henry Bessemer suministró 500 toneladas de desbastes de acero al laminador de raíles del Ferrocarril de Londres y Noroeste en Crewe en 1860. Varias otras empresas comenzaron a producir raíles de acero en los años siguientes. [22] La transición a los raíles de acero se aceleró con la introducción de la fabricación de acero de hogar abierto . William Siemens instaló su acería de Landore en parte para suministrar raíles al Great Western Railway . [22] A esto le siguió un auge en la producción de raíles, pero una crisis bancaria en Estados Unidos desaceleró el ritmo al que se construían los ferrocarriles allí y los pedidos a los productores ferroviarios británicos. [23] La industria siderúrgica británica entró en recesión, lo que afectó especialmente al sector del hierro forjado. Cuando la demanda de raíles volvió a crecer, se trató principalmente de raíles de acero, que eran más duraderos que los de hierro. [ cita requerida ]
Los durmientes de madera, es decir, las vigas transversales que sostienen los dos raíles que forman la vía, reemplazaron a los bloques de piedra individuales que se usaban anteriormente. Este sistema tiene la gran ventaja de que los ajustes de mantenimiento a la geometría de la vía no alteraban el ancho de vía, que es de suma importancia. La alineación de la vía se podía ajustar desplazando los durmientes en su conjunto, sin pérdida de ancho. La madera blanda se usaba ampliamente, pero su vida útil era limitada si no se trataba con conservantes, y algunos ferrocarriles instalaban plantas de creosota para este propósito. La madera dura tratada con creosota se usa ahora ampliamente en América del Norte y en otros lugares.
En esa época, se utilizaban rieles de hierro forjado relativamente largos (quizás de 20 pies o 6,1 m) sostenidos por sillas sobre traviesas de madera, una forma de vía que hoy en día se reconoce en vías más antiguas.
Las traviesas de acero se probaron como una alternativa a la madera; Acworth [24], escribiendo en 1889, describe la producción de traviesas de acero en el Ferrocarril de Londres y Noroeste, y hay una ilustración que muestra una sección de canal laminado (formas de "U" poco profundas y vueltas hacia arriba) sin extremos moldeados y con sillas forjadas de tres partes remachadas directamente. Sin embargo, las traviesas de acero parecen no haber disfrutado de una adopción generalizada hasta aproximadamente 1995. Su uso dominante ahora es para prolongar la vida útil de las vías existentes en rutas secundarias. Tienen una ventaja significativa en formaciones débiles y malas condiciones de balasto, ya que el área de apoyo está a un nivel alto, inmediatamente debajo del asiento del carril.
Los primeros raíles de hierro fundido del siglo XVIII y anteriores utilizaban fijaciones integrales para clavarlos o atornillarlos a las traviesas del ferrocarril. Los raíles de correa introducidos a finales del siglo XVIII, de hierro fundido y luego laminado, se clavaban a soportes de madera mediante agujeros avellanados en el metal. La introducción de perfiles de raíl laminados en la década de 1820, como el raíl paralelo en T de una sola pestaña y, más tarde, el raíl paralelo en T de doble pestaña , requirió el uso de sillas, llaves para sujetar el raíl y pernos o clavos para fijar la silla. El raíl de fondo plano inventado por Robert L. Stevens en 1830 se clavaba inicialmente directamente a las traviesas de madera; más tarde, se utilizaron placas de unión para distribuir la carga y también para mantener el raíl dentro del ancho de vía con hombros incorporados en la placa. Fuera de América del Norte, más tarde se introdujeron una amplia variedad de sistemas de sujeción basados en resortes en combinación con placas de base y raíles de fondo plano; ahora son omnipresentes en los ferrocarriles de alta velocidad de las líneas principales.
En un principio, las vías se tendían directamente sobre el suelo, pero pronto se demostró que no eran suficientes y era necesario algún tipo de balasto para garantizar un buen drenaje, distribuir la carga y mantener la vía en su posición. El suelo natural rara vez es lo suficientemente resistente como para soportar la carga de las locomotoras sin un asentamiento excesivo, más aún en condiciones húmedas; una capa de balasto debajo de las traviesas reduce la presión de apoyo sobre el suelo, tiende a mantenerlas en su lugar y a resistir el desplazamiento, y mantiene la vía permanente bien drenada.
En los primeros tiempos, el balasto era un producto mineral disponible localmente, como grava o material desechado de la minería de carbón y hierro. El ferrocarril Great North of Scotland Railway utilizaba grava de río redondeada , que no restringe el movimiento tanto como la piedra de cantos afilados. En años posteriores , se utilizó escoria , un subproducto de la fabricación de acero, y cenizas de locomotoras de vapor. La práctica moderna consiste en emplear piedra de cantos afilados triturada dentro de un rango estrecho de tamaño.
Los primeros ferrocarriles eran empresas casi exclusivamente locales dedicadas al transporte de minerales a alguna vía fluvial; para ellos, el ancho de vía se adaptaba a los vagones que se pretendía utilizar y normalmente estaba en el rango de 4 pies (1200 mm) a 4 pies 8 pulgadas.+1 ⁄ 2 pulgada (1435 mm), y al principio no había idea de la necesidad de ninguna conformidad con el ancho de otras líneas. Cuando se desarrollaron los primeros ferrocarriles públicos,la hábil innovación de George Stephenson significó que sus ferrocarriles eran dominantes y el ancho de 4 pies 8 pulgadas+Por lo tanto, el ancho de vía que utilizó fue el de 1 ⁄ 2 pulgada(1435 mm) y, a medida que se fueron desarrollando las primeras ideas para conectar diferentes sistemas ferroviarios, este ancho de vía se fue generalizando. Es más o menos un accidente histórico que este ancho de vía, que se adaptaba a los vagones que ya se utilizaban en la mina de carbón donde George Stephenson había sido maquinista, se convirtiera en el ancho de vía estándar británico: se exportó a la mayor parte de Europa y Norteamérica.
A veces se hace referencia al "calibre" de los surcos en las calzadas de piedra en sitios antiguos como Pompeya , y a menudo se afirma que son aproximadamente iguales al calibre de Stephenson. Por supuesto, los surcos fueron hechos por las ruedas de los carros, y los carros eran de un tamaño razonable para los carros tirados por caballos antes de la era industrial, prácticamente el mismo tamaño que los carros anteriores al ferrocarril en la mina de carbón donde trabajaba Stephenson: esa es la única conexión.
Cuando Isambard Kingdom Brunel concibió el Great Western Railway (GWR), buscó un diseño mejorado para su vía férrea y no aceptó ninguna de las ideas recibidas hasta entonces sin cuestionarlas .+El ancho de vía de 1 ⁄ 2 pulgada (1,435 m) había sido adecuado para pequeños camiones de minerales en un tranvía tirado por caballos, pero quería algo más estable para su ferrocarril de alta velocidad. Las ruedas de gran diámetro utilizadas en las diligencias proporcionaban una mejor calidad de marcha sobre terreno accidentado, y Brunel originalmente tenía la intención de que sus vagones de pasajeros se transportaran de la misma manera, sobre ruedas de gran diámetro colocadas fuera de las carrocerías de los vagones. Para lograrlo, necesitaba un ancho de vía más amplio y se decidió por el famoso ancho de vía de 7 pies (2,1 m) . (Más tarde se redujo a7 pies 0+1 ⁄ 4 in o 2,140 m). Cuando llegó el momento de construir los vagones de pasajeros, se diseñaron de manera convencional con ruedas más pequeñas debajo de las carrocerías, después de todo, pero con un ancho de vía de siete pies, las carrocerías podían ser mucho más anchas que en el ancho estándar. Su intención original de tener las ruedas fuera del ancho de las carrocerías fue abandonada.
Brunel también estudió formas novedosas para las vías y decidió utilizar un raíl con soporte continuo. Utilizando vigas longitudinales debajo de cada raíl, consiguió un perfil más liso sin necesidad de una sección de raíl tan fuerte, y utilizó para ello un raíl de puente poco profundo . El pie más ancho y plano también significaba que se podía prescindir de la silla que necesitaba la sección de cabeza de toro. Las vigas longitudinales debían mantenerse a la distancia adecuada para mantener el ancho de vía correctamente, y Brunel lo consiguió utilizando travesaños de madera (espaciadores transversales) y tirantes de hierro. Todo el conjunto se denominaba camino de apoyo ( los ferroviarios suelen llamar camino a sus vías). Inicialmente, Brunel hizo que las vías se sujetaran a pilotes de madera para evitar el movimiento lateral y el rebote, pero había pasado por alto el hecho de que el suelo preparado, sobre el que se apoyaba la vía entre pilotes, se asentaría. Los pilotes permanecieron estables y el suelo entre ellos se asentó, de modo que la vía pronto tuvo una ondulación desagradable, y tuvo que cortar los pilotes para que la vía pudiera asentarse de manera más o menos uniforme. Hoy en día, todavía se puede ver una variante de la vía de balasto en muchos puentes subterráneos antiguos en los que no se proporcionó balasto. El diseño varía considerablemente, pero en muchos casos las vigas longitudinales se apoyan directamente sobre las vigas transversales, con travesaños y barras de unión para mantener el ancho de vía, pero, por supuesto, con rieles modernos y placas de base o sillas. Las traviesas longitudinales son algo similares a las vías de escalera modernas .
El grupo de ferrocarriles que tenía a Brunel como ingeniero tuvo éxito y la vía de ancho ancho se extendió por todo el oeste de Inglaterra, el sur de Gales y las Midlands occidentales . Pero, a medida que se extendía la red ferroviaria británica, la incompatibilidad de los dos sistemas se convirtió en un serio obstáculo, ya que no se podía enviar un vagón de un sistema al otro sin transbordar las mercancías a mano. Se nombró una Comisión de Ancho para determinar la política nacional. El ancho ancho era técnicamente superior, pero la conversión de las rutas de ancho estándar a ancho ancho habría significado reconstruir cada túnel, puente y plataforma de estación, mientras que la adopción universal del ancho estándar solo requirió la conversión progresiva de la propia vía. El ancho ancho estaba condenado y no se pudieron construir más líneas de ancho ancho independientes.
Las vías de ancho de vía existentes podían continuar, pero como no tenían potencial de desarrollo, era solo cuestión de tiempo antes de que finalmente se convirtieran en vías estándar. Mientras tanto, se instaló un gran kilometraje de vías de ancho mixto , donde cada línea tenía tres carriles para acomodar trenes de cualquier ancho. Hubo algunos casos de trenes de ancho mixto en los que circulaban vagones de cada ancho en un solo tren. El legado del ancho de vía ancho todavía se puede ver donde parece haber un espacio innecesariamente amplio entre los andenes de las estaciones.
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A principios del siglo XX, la forma de las vías británicas había convergido hacia el uso de raíles de hierro forjado apoyados en sillas de hierro fundido sobre traviesas de madera, colocadas sobre algún tipo de balasto. En América del Norte, el estándar eran los raíles en T y las placas de unión sujetas a las traviesas de madera con clavos cortados. Muchos ferrocarriles utilizaban raíles muy ligeros y, a medida que aumentaban los pesos y las velocidades de las locomotoras, estos se volvieron inadecuados. En consecuencia, en las líneas principales, los raíles en uso se hicieron progresivamente más pesados (y más fuertes). Los procesos metalúrgicos mejoraron y se empezaron a utilizar mejores raíles, incluidos algunos de acero. Desde el punto de vista del mantenimiento, las juntas de los raíles eran la fuente de la mayor parte del trabajo y, a medida que las técnicas de fabricación de acero mejoraron, se hizo posible laminar raíles de acero de mayor longitud, lo que redujo el número de juntas por milla. La longitud estándar pasó a ser de 30 pies (9144 mm), luego de 45 pies (13720 mm) y, finalmente, de 60 pies (18290 mm) como norma. Para el uso en líneas principales, la sección de riel estándar pasó a ser la sección 95BH, con un peso de 95 lb/yd (47 kg/m). Para las rutas secundarias, se utilizó una sección 85BH más liviana, de 85 lb/yd (42 kg/m).
Los rieles de base plana todavía se consideraban indeseables para el uso en las líneas principales de ferrocarril británicas, a pesar de su uso exitoso en América del Norte, aunque algunos ferrocarriles británicos de bajo rendimiento los usaban, generalmente clavados directamente a las traviesas. Con un uso intensivo, las traviesas se hundían severamente y el costo adicional de una placa de base apareció en esta fecha temprana, descartando la sección de base plana.
Las traviesas de madera eran caras y no eran duraderas, y los ingenieros de los ferrocarriles tenían opiniones firmes (y contradictorias) sobre las mejores especies de madera y los mejores tratamientos de conservación. Los ferrocarriles avanzaron hacia la estandarización en una traviesa de madera blanda preservada mediante inyección a presión de creosota , que medía 8 pies 6 pulgadas (2,59 m) de largo por 10 pulgadas (250 mm) por 5 pulgadas (130 mm). Las sillas se aseguraban a las traviesas con clavos de acero (clavos de acero clavados a través de una manga de madera) o tres tornillos para sillas en las rutas de primera clase. El GWR, solo entre los ferrocarriles de línea principal, mantuvo su propio estándar, el carril 00 a 97,5 lb/yd (48,4 kg/m), y con dos pernos de colmillo que aseguraban cada silla a la traviesa, con la cabeza del perno debajo de la traviesa y una tuerca sobre la silla, más seguro pero mucho más difícil de ajustar.
Antes de 1945 se hicieron algunos experimentos con traviesas de hormigón armado, en la mayoría de los casos con sillas de apoyo montadas sobre ellas. Esto se hizo como respuesta al altísimo precio de la mejor madera (la más duradera), pero las traviesas de hormigón armado nunca tuvieron éxito en el uso en líneas principales. También se utilizaron contenedores de hormigón en las vías de apartadero; a veces se las llama traviesas de dos bloques y consistían en dos bloques de hormigón montados sobre cada uno de ellos con una silla y un ángulo de hierro que los conectaba y retenía la vía.
Al final de la Segunda Guerra Mundial, en 1945, los ferrocarriles británicos estaban agotados, ya que habían tenido que ser reparados tras los daños de la guerra sin disponer de mucho material nuevo. El país también se encontraba en una situación económica débil y durante casi una década después de la guerra, los materiales, especialmente el acero y la madera , escasearon. La disponibilidad de mano de obra también estaba seriamente restringida.
Las compañías ferroviarias se convencieron de que las formas tradicionales de vía con cabeza de toro necesitaban una revisión y, después de cierta experimentación, se adoptó un nuevo formato de riel de fondo plano. Las secciones del estándar británico no eran adecuadas y se estableció un nuevo perfil, un riel de 109 lb/yd (54 kg/m), como el nuevo estándar. En longitudes de 60 pies (18 m), colocado sobre placas de base de acero sobre traviesas de madera blanda , iba a ser el estándar universal. Las sujeciones debían ser de un tipo de acero resistente y, para las rutas secundarias, se adoptó un riel de 98 lb/yd. Aún persistían las variaciones regionales y , por ejemplo, en la Región Oriental se favorecieron las traviesas de madera dura y las sujeciones de clip Mills .
Los nuevos diseños tuvieron éxito, pero plantearon muchos desafíos, especialmente porque la disponibilidad de personal de mantenimiento de vías experimentado se volvió extremadamente difícil y parecía más difícil mantener en buen estado una vía de fondo plano mal mantenida que una vía de cabeza de toro mal mantenida. La mayor rigidez de la vía de fondo plano era una ventaja, pero tendía a enderezarse entre las juntas en las curvas; y la rigidez de la vía de fondo plano generaba altas fuerzas de impacto vertical en juntas mal mantenidas y esto daba como resultado un alto volumen de fracturas por fatiga en las juntas. Además, las sujeciones elásticas de los rieles tenían poca resistencia al deslizamiento de los rieles: la propensión de los rieles a moverse gradualmente en la dirección del tráfico y la carga de trabajo de tirar hacia atrás de los rieles para regular las juntas era sorprendentemente alta.
Gran parte del trabajo de mantenimiento de la vía se realizó en las juntas, especialmente cuando los rieles rígidos se hundieron y las traviesas de las juntas sufrieron un duro golpe. Se realizaron experimentos de preguerra con tramos largos de rieles soldados y en los años a partir de 1960 se instalaron tramos largos de rieles, al principio sobre traviesas de madera dura, pero pronto sobre traviesas de hormigón. Por ejemplo, el primer riel largo soldado (casi 1 mi o 1,6 km) en la línea principal de la costa este del Reino Unido se colocó en 1957, justo al sur de Carlton-on-Trent , descansando sobre almohadillas de goma para resistir el deslizamiento del riel. [25] En esta etapa pionera, se cometieron algunos errores catastróficos en el diseño detallado, pero a partir de aproximadamente 1968, el riel soldado continuo se convirtió en un estándar confiable para la instalación universal en rutas principales y secundarias. La forma adoptada utilizaba traviesas de hormigón pretensado y una sección de riel de 110A (una ligera mejora respecto de los rieles 109 utilizados anteriormente); la A se utilizaba para distinguirla de la sección de riel de 110 lb/yd (55 kg/m) de la norma británica, que no era adecuada. Las fijaciones de los rieles acabaron por convergir en un clip de resorte patentado fabricado por la empresa Pandrol , que fue la forma exclusiva de fijación en Gran Bretaña durante unos 30 años.
La vía soldada debía colocarse sobre un balasto de piedra triturada de entre 15 y 30 cm (6 a 12 pulgadas), aunque esto no siempre se logró y no siempre se tuvo en cuenta la capacidad de carga de la formación, lo que provocó algunas fallas espectaculares en la formación.
Una mejora adicional del perfil del carril dio lugar a la sección 113A, que fue el estándar universal hasta aproximadamente 1998; las mejoras de detalle en las traviesas y el perfil del balasto completaron el cuadro y la forma general de la vía se había estabilizado. Este formato se utiliza actualmente en el 99% de las líneas principales de primera clase en Gran Bretaña, aunque la sección de carril CEN60 (60 kg/m) se introdujo en el Reino Unido durante la década de 1990. Esta tiene un pie de carril más ancho y es más alta que la sección 113A, por lo que es incompatible con las traviesas estándar.
Los trenes de renovación de vías han sustituido a las cuadrillas de vías permanentes que requerían mucha mano de obra. Los raíles largos soldados eran difíciles de instalar manualmente. En 1958, se realizó una demostración temprana de colocación mecanizada de vías con dos tramos de 180 m de raíles soldados largos en el ramal Fighting Cocks . Los dos tramos se cargaron en diez vagones, se sujetaron a la vía existente con un cable de acero y se tiraron hacia atrás a 9,1 m/min. A medida que el tren retrocedía, se sacaban los raíles viejos y se dejaban caer los nuevos en las sillas. Un polipasto en el vagón trasero dejó caer la última parte del raíl en su lugar. [26]
Como se ha dicho, el ancho de vía general en Gran Bretaña era de 4 pies y 8 pulgadas.+1 ⁄ 2 in(1435 mm). A finales de la década de 1950, los estándares generales de mantenimiento de las vías se deterioraron rápidamente debido a la escasez de mano de obra y, en algunas rutas, a la mayor velocidad de los trenes de carga. Los trenes de carga estaban compuestos casi en su totalidad por vagones de cuatro ruedas de distancia entre ejes corta (10 pies o 3,0 m) transportados sobre una suspensión de ballesta elíptica muy rígida, y estos vagones mostraron un rápido aumento de descarrilamientos.[ cita requerida ]
En respuesta al comportamiento dinámico ("cacería") de los vagones, la velocidad permitida de los vagones se redujo a 45 mph (72 km/h) y, en las nuevas instalaciones de vías soldadas continuamente sobre traviesas de hormigón, se redujo el ancho de vía en un octavo de pulgada a 4 pies 8 pulgadas.+3 ⁄ 8 in (1.432 mm). [ cita requerida ] En la práctica, este cambio causó más problemas de los que solucionó y se volvió a aplicar en las renovaciones a 1435 mm a partir de 1996. El ancho de vía se establece mediante la posición de las fijaciones fundidas, por lo que no es una tarea sencilla volver a calibrar la vía existente; también crea problemas con la sustitución puntual de traviesas. Muchas traviesas se fabricaron con el ancho de vía reducido, pero 1.435 mm ( 4 pies 8 pulgadas)+En épocas más recientes también se han fabricado versiones con calibre estándar de 1 ⁄ 2 pulgada . [27]
La terminología es difícil para los "cambios y cruces" (S&C), anteriormente "puntos y cruces" o "accesorios".
Los primeros S&C solo permitían una velocidad muy lenta en la ruta secundaria (el "desvío"), por lo que el diseño geométrico no era demasiado importante. Muchas unidades S&C más antiguas tenían una junta suelta en el talón para que el carril de cambio pudiera girar demasiado cerca del carril de serie o abrirse desde él. Cuando el carril de cambio estaba cerrado, se aseguraba una alineación razonable; cuando estaba abierto, ninguna rueda podía pasar por él, por lo que no importaba.
A medida que aumentaba la velocidad, esto ya no era factible y los raíles de cambio se fijaron en el extremo del talón, y su flexibilidad permitía que el extremo del pie se abriera y cerrara. La fabricación de los raíles de cambio fue un proceso complejo, y la de los cruces aún más. Las velocidades en la ruta secundaria rara vez superaban los 32 km/h (20 mph), excepto en diseños muy especiales, y se empleó un gran ingenio para proporcionar una buena marcha a los vehículos que pasaban a gran velocidad por la línea principal. Una dificultad era el cruce común donde el apoyo continuo a las ruedas que pasaban era difícil, y el raíl de cambio se cepilló para protegerlo del impacto directo en la dirección opuesta, de modo que se introdujo una irregularidad diseñada en el apoyo.
A medida que se necesitaban velocidades más rápidas, se diseñaron más configuraciones de vías de cambio y se requirió una gran cantidad de componentes, cada uno específico para un solo tipo de vía de cambio. A velocidades más rápidas en la vía de cambio, la desviación de la ruta principal es mucho más gradual y, por lo tanto, se requiere una planificación muy larga del carril de cambio.
En 1971, esta tendencia se invirtió con el llamado S&C vertical, en el que los raíles se mantenían en posición vertical, en lugar de con la inclinación habitual de 1 por 20. Con otras simplificaciones, esto redujo considerablemente el stock necesario para una amplia gama de velocidades de S&C, aunque el raíl vertical impone una pérdida del efecto de dirección y la conducción a través de los nuevos S&C verticales suele ser irregular.
El sistema de riel soldado continuo (CWR) se desarrolló como respuesta a la observación de que la mayor parte del trabajo de mantenimiento de las vías se realiza en las juntas. A medida que los procesos de producción y fabricación de acero mejoraron, las longitudes de riel instaladas se fueron incrementando progresivamente y la extensión lógica de esto sería eliminar las juntas por completo.
Un obstáculo importante para lograrlo es la expansión térmica : los rieles se expanden a temperaturas más altas. Sin juntas, no hay espacio para que los rieles se expandan; a medida que los rieles se calientan, desarrollarán una fuerza enorme al intentar expandirse. Si se les impide expandirse, desarrollan una fuerza de 1,7 toneladas (17 kN) por cada grado Celsius de cambio de temperatura en una sección práctica del riel. [28]
Si se comprime un pequeño cubo de metal entre las mordazas de una prensa, se contraerá (es decir, se aplastará un poco) y podrá resistir una fuerza muy grande sin que se rompa por completo. Sin embargo, si se comprime un trozo largo de metal de la misma sección transversal, se deformará lateralmente y adoptará la forma de un arco; el proceso se denomina pandeo y la fuerza de compresión que puede soportar es mucho menor.
Si se pudiera restringir la pieza de metal delgada y larga para evitar que se deforme (por ejemplo, colocándola dentro de un tubo), podría resistir una fuerza de compresión mucho mayor. Si se pueden restringir los rieles de una manera similar, se puede evitar que se deformen. El peso de la vía resiste el deformamiento hacia arriba, por lo que es más probable que el deformamiento se produzca lateralmente. Esto se evita mediante:
Si el riel se mantiene de tal manera que no pueda expandirse en absoluto, entonces no hay límite en la longitud del riel que se puede manipular. (La fuerza expansiva en un tramo de 30 cm de riel a una temperatura determinada es la misma que en un tramo de 1,5 o 160 km de riel). Los primeros rieles soldados continuos se instalaron en longitudes limitadas solo debido a limitaciones tecnológicas. Sin embargo, en el extremo de la sección del CWR donde lindaba con una vía con juntas más antigua y común, esa vía no podría resistir la fuerza expansiva y la vía con juntas podría verse obligada a pandearse. Para evitarlo, se instalaron interruptores de expansión especiales, a veces llamados respiraderos. Los interruptores de expansión podían acomodar un movimiento expansivo considerable, típicamente de 100 mm (4 pulgadas) aproximadamente, en la sección final del CWR sin transmitir el movimiento a la vía con juntas.
El CWR se instala y se fija a una temperatura óptima, para garantizar que se limite la mayor fuerza expansiva posible. Esta temperatura se denomina temperatura libre de tensión y en el Reino Unido es de 27 °C (81 °F). [28] Está en el rango superior de las temperaturas exteriores ordinarias y el trabajo de instalación real tiende a realizarse a temperaturas más frías. Originalmente, los rieles se calentaban físicamente a la temperatura libre de tensión con calentadores de gas propano; luego se golpeaban con barras manuales para eliminar cualquier atasco, impidiendo una expansión uniforme, y luego se sujetaban. Sin embargo, desde aproximadamente 1963 se utilizan gatos hidráulicos para estirar físicamente los rieles mientras están apoyados en rodillos temporales. Al estirar los rieles a la longitud que tendrían si estuvieran a la temperatura libre de tensión, entonces no hay necesidad de calentarlos; simplemente se pueden sujetar con clips antes de soltar los gatos.
Los raíles CWR se fabrican soldando raíles comunes. Durante muchos años, los raíles solo se podían fabricar en longitudes de hasta 60 pies (18 m) (18,288 m) en Gran Bretaña, y el proceso de soldadura en fábrica los convertía en longitudes de 600 pies (180 m), 900 pies (270 m) o 1200 pies (370 m), según la fábrica. El proceso utilizado era un proceso de soldadura por chispa en el que se utilizan altas corrientes eléctricas para ablandar el extremo del raíl y luego los extremos se unen mediante arietes. El proceso de soldadura por chispa es muy fiable, siempre que la fábrica garantice una buena geometría de los extremos del raíl.
Los raíles largos podían transportarse hasta el lugar de la obra mediante un tren especial y descargarse en el suelo (encadenando el extremo en su posición y sacando el tren de debajo de los raíles). Los raíles largos debían soldarse entre sí (o a la vía adyacente) mediante un proceso de soldadura en el lugar de la obra; y, después de una experimentación inicial, se utilizó el proceso de soldadura patentado Thermit . Se trataba de un proceso aluminotérmico en el que se encendía una "porción" de polvo; el aluminio era el combustible y una composición metalúrgicamente apropiada de acero fundido descendía al hueco entre los extremos de los raíles, contenida en moldes refractarios.
El proceso SmW original era muy sensible a la habilidad del operador y, como la soldadura era generalmente el proceso final antes de que la vía volviera a funcionar, a veces se aplicaba presión de tiempo, lo que daba como resultado soldaduras incorrectas no deseadas. El proceso SkV mejorado era menos sensible y con el paso de los años la calidad de la soldadura mejoró. [29]
El problema del pandeo no se limita a los CWR, y las vías con juntas han sufrido pandeos en el pasado. Las placas de unión deben quitarse y engrasarse anualmente (el requisito se relajó a dos veces al año en 1993) y donde esto no se hizo o donde las condiciones del balasto eran especialmente débiles, el pandeo se produjo en climas cálidos. Además, si se permitía que los rieles se deslizaran, siempre era posible que varias juntas sucesivas se cerraran, de modo que se perdiera el espacio de expansión, con resultados inevitables al comienzo del clima cálido.
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