Un ferrocarril de adhesión depende de la tracción de adhesión 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 adhesión, el término ferrocarril de adhesión se utiliza sólo cuando es necesario distinguir los ferrocarriles de adhesión de los ferrocarriles movidos por otros medios, como por una locomotora estacionaria que tira de un cable sujeto a los vagones o por un piñón que engrana con una cremallera .
La fricción entre las ruedas y los rieles se produce en la interfaz rueda-carril o en la 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 en funcionamiento aumenta los costos, debido al mayor consumo de combustible y al mayor mantenimiento necesario para abordar los daños por fatiga (material) 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 la fricción se reducen cuando la parte superior del riel está mojada, helada o contaminada con grasa, aceite u hojas en descomposición que se compactan formando una capa de lignina dura y resbaladiza . La contaminación de las hojas se puede eliminar aplicando " Sandite " (una mezcla de gel y arena) de los trenes de mantenimiento, usando depuradores y chorros de agua, y se puede reducir con un manejo a largo plazo de la vegetación a lo largo de las vías. Las locomotoras y los tranvías utilizan arena para mejorar la tracción cuando las ruedas motrices empiezan 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.
Generalmente la fuerza necesaria para comenzar a deslizarse es mayor que la necesaria para continuar deslizándose. El primero se refiere a la fricción estática (también conocida como " stiction " [3] ) o "fricción limitante", mientras que el segundo es la fricción dinámica, también llamada "fricción deslizante".
Para acero sobre acero, el coeficiente de fricción puede llegar a 0,78, en condiciones de laboratorio, pero normalmente en los ferrocarriles está entre 0,35 y 0,5, [4] mientras que en condiciones extremas puede caer hasta 0,05. Así, una locomotora de 100 toneladas podría tener un esfuerzo de tracción de 350 kilonewtons, en las condiciones ideales (suponiendo que el motor pueda producir suficiente fuerza), cayendo a 50 kilonewtons en las peores condiciones.
Las locomotoras de vapor sufren especialmente problemas de adherencia porque la fuerza de tracción en las llantas fluctúa (especialmente en los motores de 2 o 4 cilindros) y, en las locomotoras grandes, no todas las ruedas están accionadas. El "factor de adherencia", que es el peso sobre las ruedas motrices dividido por el esfuerzo de tracción inicial teórico, 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 muy inferior a 4 sería muy propensa a patinar, 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 no fluctúe tanto. Otros factores que afectan la probabilidad de deslizamiento de las ruedas incluyen el tamaño de las ruedas, la sensibilidad del regulador y la habilidad del conductor.
El término adherencia para todo clima se usa generalmente en Norteamérica 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 girar está limitada por el radio de giro, la posición del centro de masa 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 provocará que el tren disminuya la velocidad y evitará que se vuelque. Alternativamente, la inercia puede ser suficiente para hacer que el tren continúe moviéndose a gran velocidad, provocando que los vagones se vuelquen por completo.
Para un ancho de rueda de 1,5 m, sin inclinación, una altura del centro de gravedad de 3 m y una velocidad de 30 m/s (108 km/h), el radio de curvatura mínimo es de 360 m. Para un tren moderno, excepcionalmente de alta velocidad, de 80 m/s, el radio mínimo sería de unos 2,5 km. En la práctica, el radio mínimo de giro es mucho mayor, ya que el contacto entre las pestañas de las ruedas y el carril a alta velocidad podría causar daños importantes a ambos. Para velocidades muy elevadas, el límite mínimo de adherencia parece apropiado, [ es necesaria una aclaración ] implicando un radio de giro de unos 13 km. En la práctica, las vías curvas utilizadas para viajes a alta velocidad están peraltadas o inclinadas , de modo que el radio mínimo de curvatura se acerca a los 7 km.
Durante el siglo XIX, se creía ampliamente que acoplar las ruedas motrices comprometería el rendimiento, y esto se evitaba en los motores destinados al servicio expreso de pasajeros. Con un solo juego de ruedas motrices, la tensión de contacto hertziana entre la rueda y el riel necesitaba ruedas de mayor diámetro que pudieran acomodarse. El peso de las locomotoras estaba limitado por la tensión sobre el raíl y se necesitaban cajas de arena, incluso en condiciones de adherencia razonables.
Se puede pensar que las ruedas se mantienen en las vías mediante las pestañas. Sin embargo, un examen minucioso de una rueda de ferrocarril típica revela que la banda de rodadura está bruñida pero la pestaña no; las pestañas rara vez hacen contacto con el riel y, cuando lo hacen, la mayor parte del contacto es deslizante. El roce de una brida sobre la vía disipa grandes cantidades de energía, principalmente en forma de calor pero también de ruido y, si se prolonga, provocaría un desgaste excesivo de las ruedas.
En realidad, el centrado se logra dando forma a la rueda. La banda de rodadura de la rueda es ligeramente cónica. Cuando el tren está en el centro de la vía, la zona de las ruedas en contacto con el carril 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 zonas de contacto y, por tanto, las velocidades tangenciales de las ruedas en las superficies de rodadura, son diferentes y el juego de ruedas tiende a girar hacia el centro. Además, cuando el tren encuentra una curva no peraltada , el juego de ruedas se desplaza ligeramente lateralmente, de modo que la banda de rodadura exterior acelera linealmente y la banda de rodadura interior se desacelera, lo que hace que el tren gire en la esquina. Algunos sistemas ferroviarios emplean una rueda plana y un perfil de vía, basándose únicamente en el peralte para reducir o eliminar el contacto de las bridas.
Al comprender cómo se mantiene el tren en la vía, se hace evidente por qué los maquinistas de locomotoras victorianos eran reacios a acoplar juegos de ruedas. Esta simple acción de conificación sólo es posible con juegos de ruedas en los que cada una puede tener cierto movimiento libre alrededor de su eje vertical. Si los juegos de ruedas están acoplados rígidamente, este movimiento se restringe, de modo que se esperaría que el acoplamiento de las ruedas introdujera deslizamiento, lo que daría como resultado mayores pérdidas por rodadura. Este problema se alivió en gran medida asegurando que los diámetros de todas las ruedas acopladas coincidieran estrechamente.
En caso de un perfecto contacto de rodadura entre la rueda y el carril, este comportamiento cónico se manifiesta como un balanceo del tren de un lado a otro. En la práctica, la oscilación se amortigua por debajo de una velocidad crítica, pero se amplifica con el movimiento de avance del tren por encima de la velocidad crítica. Este balanceo lateral se conoce como oscilación de caza . La oscilación de la caza se conoció a finales del siglo XIX, aunque la causa no se entendió completamente hasta la década de 1920 y no se tomaron medidas para eliminarla 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 carriles es insuficiente para describir la oscilación lo suficientemente bien como para predecir la velocidad crítica. Es necesario abordar las fuerzas involucradas. Hay dos características que se deben tener en cuenta:
La aproximación cinemática corresponde al caso en el que predominan las fuerzas de contacto.
Un análisis de la cinemática de la acción del cono produce una estimación de la longitud de onda de la oscilación lateral: [6]
donde d es el ancho de la rueda, r es el radio nominal de la rueda y k es la conicidad de las bandas de rodadura. Para una velocidad dada, cuanto más larga sea la longitud de onda y menores serán las fuerzas de inercia, más probable será que la oscilación se amortigüe. Dado que la longitud de onda aumenta al reducir la conicidad, aumentar la velocidad crítica requiere que se reduzca 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: [ se necesita aclaración ]
donde W es la carga por 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 consistente con el resultado cinemático en que la velocidad crítica depende inversamente del cono. 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 tiene sólo un efecto de segundo orden sobre la velocidad crítica.
La situación real es mucho más complicada, ya que hay que tener en cuenta la respuesta de la suspensión del vehículo. Se pueden utilizar resortes de restricción, 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 alcanzar las velocidades más altas sin encontrar inestabilidad, es necesaria una reducción significativa en la forma cónica de las ruedas. Por ejemplo, la inclinación de 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 estrechando la rueda con múltiples arcos, de modo que la rueda pudiera funcionar eficazmente tanto a alta velocidad como en curvas más cerradas. [7]
El comportamiento de los vehículos que circulan por vías de adhesión está determinado por las fuerzas que surgen entre dos superficies en contacto. Esto puede parecer trivialmente simple a primera vista, pero se vuelve extremadamente complejo cuando se estudia con la profundidad necesaria para predecir resultados útiles.
El primer error a abordar es la suposición de que las ruedas son redondas. Una mirada a los neumáticos de un automóvil estacionado mostrará inmediatamente que esto no es cierto: la región en contacto con la carretera está notablemente aplanada, de modo que la rueda y la carretera se adaptan entre sí en una región de contacto. Si este no fuera el caso, la tensión de contacto de una carga que se transfiere a través de un contacto de línea sería infinita. Los rieles y las ruedas de ferrocarril son mucho más rígidos que los neumáticos y el asfalto, pero se produce la misma distorsión en la zona de contacto. Normalmente, el área de contacto es elíptica, del orden de 15 mm de ancho. [8]
La distorsión en la rueda y el riel es pequeña y localizada pero las fuerzas que surgen de ella son grandes. Además de la deformación debida al peso, tanto la rueda como el riel se deforman cuando se aplican fuerzas de frenado y aceleración y cuando el vehículo se somete a fuerzas laterales. Estas fuerzas tangenciales causan 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 por el contacto de rodadura pero, durante el frenado, avanza más. Esta combinación de distorsión elástica y deslizamiento local se conoce como "fluencia" (que no debe confundirse con la fluencia de materiales bajo carga constante). La definición de fluencia [9] en este contexto es:
Al analizar la dinámica de juegos de ruedas y vehículos ferroviarios completos, las fuerzas de contacto pueden tratarse como linealmente dependientes de la fluencia [10] ( teoría lineal de Joost Jacques Kalker , válida para líneas de fuga pequeñas) o se pueden utilizar teorías más avanzadas a partir del contacto por fricción. mecánica .
Las fuerzas que resultan en la estabilidad direccional, la propulsión y el frenado pueden atribuirse a la fluencia. Está presente en un único juego de ruedas y se adaptará a la ligera incompatibilidad cinemática que se produce al acoplar juegos de ruedas entre sí, sin provocar un deslizamiento grave, como antes se temía.
Siempre que el radio de giro sea suficientemente grande (como es de esperar en los servicios exprés de pasajeros), dos o tres ejes montados unidos no deberían representar un problema. Sin embargo, las locomotoras de mercancías pesadas suelen tener 10 ruedas motrices (5 ejes principales).
El ferrocarril de adhesión se basa en 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 del recorrido y la propia vía. El peso de la locomotora debe repartirse equitativamente entre las ruedas motrices, sin transferencia de peso a medida que aumenta la fuerza de arranque. Las ruedas deben girar con una fuerza motriz constante en el área de contacto muy pequeña de aproximadamente 1 cm 2 entre cada rueda y la parte superior del riel. La parte superior del riel debe estar seca, sin contaminación artificial o climática, como aceite o lluvia. Se necesita arena que mejore la fricción o un equivalente. Las ruedas motrices deben girar más rápido de lo que se mueve la locomotora (lo que se conoce como control de avance lento) para generar el máximo coeficiente de fricción, y los ejes deben ser accionados de forma independiente con su propio controlador porque 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 conducirse con mayor fluencia porque, aunque la fricción disminuye con la contaminación, el máximo que se puede obtener en esas condiciones ocurre con mayores valores de fluencia. [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, drenajes que mojaban los rieles, etc.". [12] Otros Hubo que esperar a que llegaran las modernas transmisiones eléctricas de las 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 gana velocidad.
Una rueda motriz no rueda libremente sino que gira más rápido que la velocidad locomotora correspondiente. La diferencia entre los dos se conoce como "velocidad de deslizamiento". "Deslizamiento" es la "velocidad de deslizamiento" en comparación con la "velocidad del vehículo". Cuando una rueda rueda libremente a lo largo del riel, la zona de contacto se encuentra en lo que se conoce como condición "pegada". Si la rueda se acciona o se frena, la proporción de la zona de contacto con la condición de "palo" se reduce y una proporción que aumenta gradualmente se encuentra en lo que se conoce como una "condición de deslizamiento". Esta área de "palo" decreciente y área de "deslizamiento" creciente soporta un aumento gradual en la tracción o el par de frenado que puede mantenerse a medida que aumenta la fuerza en la llanta de la rueda hasta que toda el área esté "deslizante". [13] El área de "deslizamiento" proporciona la tracción. Durante la transición de la condición "sin torsión" a la condición "deslizamiento total", la rueda ha tenido un aumento gradual en el deslizamiento, también conocido como fluencia y fuga. 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 entran en el controlador de fluencia. [14]
En un ferrocarril de adhesión, la mayoría de las locomotoras tendrán un recipiente de contención de arena. Se puede dejar caer arena adecuadamente seca sobre el riel para mejorar la tracción en condiciones resbaladizas. La arena se aplica normalmente mediante aire comprimido mediante torre, grúa, silo o tren. [15] [16] Cuando una locomotora patina, particularmente 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 en la vía donde las ruedas hacen contacto. Junto con un poco de humedad en la pista, que actúa como un adhesivo ligero y mantiene la arena aplicada en la pista, las ruedas "hornean" la arena triturada hasta convertirla en una capa de arena más sólida. Debido a que la arena se aplica a las primeras ruedas de la locomotora, las siguientes ruedas pueden circular, al menos parcialmente y durante un tiempo limitado, sobre una capa de arena (película de arena). Mientras viajan, esto significa que las locomotoras eléctricas pueden perder contacto con 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]
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