Un freno de vía magnético (freno Mg) es un freno para vehículos ferroviarios . Consta de imanes de freno, zapatas polares , una suspensión, una transmisión de potencia y, en el caso de los ferrocarriles de línea principal , una barra de dirección. Cuando la corriente fluye a través de la bobina magnética, el imán es atraído hacia el riel, que presiona las zapatas polares contra el riel, desacelerando así el vehículo. [1]
Mientras que los frenos, como los de disco o los de zapata, dependen de la conexión por fricción entre la rueda y el raíl , el freno magnético actúa directamente sobre el raíl. Por lo tanto, su efecto de frenado no está limitado por el contacto rueda-raíl. Así, los factores ambientales como la humedad o la contaminación del raíl tienen menos influencia en la fuerza de frenado. [2]
Los frenos de vía magnéticos se utilizan en los vehículos ferroviarios además de los sistemas de freno primarios que actúan sobre las ruedas. Como sistema de freno adicional, ayudan a garantizar que se puedan respetar las distancias de frenado prescritas para los vehículos ferroviarios.
Dado que los frenos de vía magnéticos actúan siempre de forma no regulada y con la máxima fuerza de frenado, se utilizan únicamente como frenos de seguridad y de emergencia. Pueden utilizarse a velocidades de hasta 280 km/h (170 mph). Gracias al uso de materiales de fricción especiales, pueden utilizarse hasta velocidades de 350 km/h (220 mph).
Los frenos de vía magnéticos aumentan el coeficiente de adherencia entre las ruedas que van detrás y el carril durante el proceso de frenado gracias a su efecto limpiador de la vía. Esto también mejora la eficacia de los sistemas de frenado de las ruedas. [3]
Los frenos de vía magnéticos se distinguen entre imanes rígidos y articulados. [4]
El 5 de abril de 1900, la Westinghouse Air Brake Company de Londres registró la patente (AT11554) del primer freno electromagnético para vehículos ferroviarios . Tres años más tarde, la Westinghouse Company introdujo el freno electromagnético para vías en Alemania.
El freno de Mg se caracterizaba por el hecho de que los electroimanes estaban magnetizados en diferentes grados por las bobinas excitadoras, lo que hacía que la fuerza de frenado dependiera de la intensidad de la corriente de frenado. Incluso el número de bobinas de las bobinas excitadoras era diferente para poder regular la fuerza de frenado. Por ello, el freno de vía también estaba equipado con varias zapatas para poder adaptarse a posibles desniveles de los raíles.
En 1905, la empresa Rhin Railway Company realizó las primeras pruebas . Se trataba de imanes de vía con una fuerza de atracción de unos 4 kN que descendían automáticamente sobre los raíles al conectar la corriente y presionaban las zapatas de freno y las ruedas de los vagones mediante un mecanismo de palanca. En aquel momento, todavía no se había reconocido que los frenos de vía debían funcionar independientemente de la fricción entre el raíl y la rueda.
En 1908, Jores se hizo cargo de la representación de Westinghouse para frenos de vía en Alemania y desempeñó un papel importante en su continuidad. Después de la Primera Guerra Mundial, Jores dirigió la producción de sus propios frenos de vía después de que expiraran los derechos de patente. Los frenos de vía se basaban en planos tomados de Westinghouse y se fabricaron hasta 1929 sin grandes cambios. La característica principal del freno de vía en ese momento eran las zapatas de carril, que estaban hechas de un perfil laminado especial.
En 1920, la empresa Magnetic Brake Company, dirigida por M. Müller, se lanzó al mercado de los frenos de vía. Müller intentó mejorar los frenos de vía con nuevos diseños. Por ejemplo, sustituyó la zapata perfilada por una zapata de hierro plano que se podía conseguir en el mercado. Hasta entonces, los frenos de vía solo se habían utilizado en tranvías y, por tanto, para velocidades de hasta 40 km/h.
A principios de 1930, los Ferrocarriles Imperiales Alemanes iniciaron un proyecto ferroviario de alta velocidad que preveía velocidades de hasta 160 km/h (99 mph) y que sería de gran importancia para el freno de vía.
En 1931, la empresa de Jores fue adquirida por Knorr-Bremse AG y convenció al director técnico Müller, de la empresa de frenos magnéticos, para que se uniera a la empresa. Por primera vez, en la empresa Knorr-Bremse se desarrolló un freno de vía para vehículos de alta velocidad. En cooperación con los Ferrocarriles Imperiales Alemanes, se realizaron las primeras pruebas con el "Flying Hamburgian" . Para frenar, se utilizaron pastillas de freno especiales con revestimientos de materiales de fricción sintéticos, que actuaban sobre tambores de freno y se fijaban a las crucetas de las ruedas. También había disponible un freno de vía electromagnético, que, sin embargo, solo se debía utilizar como freno de emergencia adicional.
Se hizo evidente que las zapatas polares que se utilizaban hasta entonces ya no eran capaces de hacer frente a las exigencias de la alta velocidad y el elevado nivel de calentamiento asociado. Por ello, las zapatas polares se cortaron primero y luego se dividieron y se fabricaron a partir de segmentos individuales. Esto aumentó el rendimiento del freno en un 20%. La bobina se fijó entonces al núcleo y luego se insertó en la caja desde el extremo junto con el núcleo. La caja de la bobina se atornilló firmemente entre el núcleo y las nervaduras de la bobina magnética, lo que hizo imposible que se aflojara. Ahora parecía que el desarrollo posterior del freno de vía estaba completado por el momento.
El coeficiente de fricción entre la zapata y el carril depende de la velocidad, es decir, al aumentar la velocidad, el coeficiente de fricción disminuye. Cuando se hizo oficial el proyecto "velocidad hasta 350 km/h", parecía que el freno de vía ya no podía ser útil para este fin.
No fue hasta que los trenes de pasajeros superaron los 140 km/h (87 mph) y se hizo necesario un sistema de frenos independiente de la fricción que se retomó el diseño del freno de vía y se mejoró su diseño. Para mejorar las superficies de contacto con el raíl, se desarrollaron y patentaron imanes articulados. [5]
El componente principal del freno magnético de vía es el imán de freno. Siguiendo el principio de un electroimán , consiste en una bobina enrollada alrededor de un núcleo de hierro, que está rodeado por imanes con forma de herradura.
La corriente continua pasa a través de esta bobina magnética, lo que genera un campo magnético . Esto provoca una fuerza de atracción entre el imán del freno con las zapatas polares unidas a él y el riel. Las zapatas polares se presionan contra el riel y la fricción resultante convierte la energía cinética del movimiento en calor ( disipación ) hasta que la energía cinética se consume o se desactiva el freno. [6]
Los frenos magnéticos de vía también deben funcionar de forma segura en caso de fallo de la línea de contacto. Por ello, el sistema de frenado debe estar diseñado de forma que, en caso de corte de corriente, esté garantizado en todo momento el suministro de las baterías del vehículo .
Los imanes rígidos contienen un único núcleo de acero que recorre toda la longitud del cuerpo del imán, con zapatas polares ubicadas en la parte inferior como piezas de desgaste. [7]
Los imanes rígidos se utilizan normalmente en tranvías, donde suelen estar suspendidos en una posición baja.
La suspensión se encarga de mantener el imán apagado sobre el raíl. En caso de frenado, el imán se atrae automáticamente hacia los raíles contra el efecto de los muelles de la suspensión. Tras la desconexión, los muelles de la suspensión tiran del imán de nuevo a la posición de preparación. [8]
Los maquinistas son los encargados de transmitir la fuerza de frenado desde el imán al bogie. Esto se produce a través de tirantes o torres de maquinistas .
Las barras de unión se fijan a los extremos delantero y trasero del imán de freno respectivamente. Son la forma preferida y más eficaz de transmitir la fuerza de frenado.
Si no hay suficiente espacio delante o detrás del imán de freno para montar los controladores, estos se montan encima del imán. Estos se denominan torres de controladores . Este tipo de controlador solo se debe utilizar en casos excepcionales. [9]
Las zapatas polares se encuentran en la parte inferior del imán de freno. Entre las dos zapatas polares hay una banda no magnética que garantiza que no se produzca un cortocircuito magnético. [10]
El material de fricción de las zapatas del riel puede estar hecho de diferentes materiales, cada uno de los cuales determina la vida útil y el rendimiento de frenado de las zapatas del riel. [11]
Los imanes articulados tienen núcleos magnéticos divididos en dos piezas finales y varios elementos intermedios separados por tabiques. Mientras que las piezas finales están firmemente atornilladas al cuerpo de la bobina, los elementos intermedios pueden moverse libremente en las aberturas de la carcasa de la bobina. De esta manera, pueden adaptarse mejor a las irregularidades de los raíles durante el proceso de frenado. [12]
Las barras de dirección sirven para mantener la distancia entre los imanes de freno y garantizar su paralelismo y estabilidad. Junto con los dos imanes de freno, las barras de dirección forman el denominado bastidor de freno . Las barras de dirección deben adaptarse individualmente a cada modelo de vehículo. [13]
Los cilindros de accionamiento se encuentran en la parte superior del cuadro de freno. Son los encargados de bajar el cuadro de freno sobre los raíles y volver a levantarlo. [14]
Los resortes incorporados mantienen el bastidor de freno en la posición alta cuando no se aplican los frenos. Cuando se aplican los frenos, el bastidor de freno se baja neumáticamente sobre los rieles contra la fuerza de los resortes. El suministro de aire comprimido necesario para esto se proporciona mediante un depósito de aire comprimido separado. Esto garantiza que el sistema de frenos siga funcionando incluso si falla el conducto de freno del vehículo. Cuando se sueltan los frenos, los resortes en los cilindros de accionamiento elevan el bastidor de freno nuevamente a la posición alta. [15]
En el estado desactivado, los imanes se desactivan y el cuadro de freno se coloca en la posición alta. En este caso, el dispositivo de centrado garantiza que el cuadro de freno esté centrado y fijado en su posición. Durante el frenado, los imanes de freno se activan y se centran en los carriles mediante la fuerza magnética. [16]
Además, con los imanes articulados, los conductores se aseguran de que la fuerza de frenado se transmita desde los imanes de freno al vehículo. Estos imanes están ubicados en las cuatro esquinas del interior del marco del freno. [17]
En caso necesario, se puede montar un interruptor de tope en el bastidor del freno, que avisa cuando el bastidor del freno abandona su posición alta y, de este modo, proporciona información sobre el estado del freno de la vía. [18]
Las zapatas polares de los frenos de vía magnéticos pueden estar hechas de diferentes materiales. Estos se diferencian principalmente en sus propiedades magnéticas, coeficiente de fuerza de frenado y desgaste . [19]
El acero es el material de fricción estándar para los frenos de vía. El desgaste de las zapatas de acero para los postes es bajo, pero forman soldaduras que deben eliminarse periódicamente.
Las zapatas polares de sinter ofrecen un mayor rendimiento de frenado y no forman soldaduras, pero su desgaste es mayor. El sinter se utiliza en casos en los que la fuerza de frenado es crítica. Actualmente lo utiliza, por ejemplo, Vy en Noruega.
Las zapatas de hierro fundido se utilizan únicamente en las líneas principales. Tienen una fuerza de frenado reducida y un mayor desgaste, pero no forman soldaduras. En Francia, el hierro fundido es el material de fricción estándar utilizado para los frenos de vía magnéticos.
Los frenos de vía magnéticos están instalados en casi todos los vehículos ferroviarios. Solo los trenes de alta velocidad utilizan frenos de corrientes parásitas en lugar de frenos de vía magnéticos por razones técnicas.
Los imanes rígidos se suelen colocar en suspensiones bajas y se utilizan en tranvías. En casos especiales, es posible utilizar barras de dirección.
Los imanes articulados suelen estar suspendidos en posición alta y se utilizan en los ferrocarriles de línea principal. Sin embargo, también se pueden utilizar en suspensión baja, por ejemplo en el metro .
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