Un freno de ferrocarril es un tipo de freno que se utiliza en los vagones de los trenes para permitir la desaceleración, controlar la aceleración (cuesta abajo) o mantenerlos inmóviles cuando están estacionados. Si bien el principio básico es similar al del uso de vehículos de carretera, las características operativas son más complejas debido a la necesidad de controlar múltiples vagones vinculados y ser efectivas en vehículos que se quedan sin un motor primario . Los frenos de cierre son un tipo de frenos utilizados históricamente en los trenes.
En los primeros días de los ferrocarriles, la tecnología de frenado era primitiva. Los primeros trenes tenían frenos operativos en la locomotora y en los vehículos del tren, donde los "portadores" o, en los Estados Unidos, guardafrenos , que viajaban a tal efecto en esos vehículos accionaban los frenos. Algunos ferrocarriles instalaron un silbato de freno especial en las locomotoras para indicar a los porteadores la necesidad de aplicar los frenos. Todos los frenos en esta etapa de desarrollo se aplicaban mediante la operación de un tornillo y un enlace a las zapatas de freno aplicadas a las bandas de rodadura, y estos frenos podían usarse cuando los vehículos estaban estacionados. En los primeros tiempos, los porteadores viajaban en toscos refugios fuera de los vehículos, pero los "guardias auxiliares" que viajaban dentro de los vehículos de pasajeros y que tenían acceso a una rueda de freno en sus puestos, los suplantaron. El esfuerzo de frenado que se podía lograr era limitado y tampoco confiable, ya que la aplicación de los frenos por parte de los guardias dependía de que escucharan y respondieran rápidamente a un silbido pidiendo freno. [1]
Uno de los primeros avances fue la aplicación de un freno de vapor a las locomotoras, donde se podía aplicar presión de caldera a las zapatas de freno de las ruedas de la locomotora. A medida que aumentaba la velocidad de los trenes, se volvió esencial proporcionar un sistema de frenado más potente capaz de ser aplicado y liberado instantáneamente por el operador del tren, descrito como freno continuo porque sería efectivo de forma continua a lo largo del tren.
En el Reino Unido, el accidente ferroviario de Abbots Ripton en enero de 1876 se vio agravado por las largas distancias de parada de los trenes expresos sin frenos continuos, que, como quedó claro, en condiciones adversas podían exceder considerablemente las previstas al colocar las señales. [2] Esto se había hecho evidente a partir de las pruebas con frenos ferroviarios realizadas en Newark el año anterior, para ayudar a una Comisión Real que entonces consideraba los accidentes ferroviarios. En palabras de un funcionario ferroviario contemporáneo, estos
demostró que en condiciones normales se requería una distancia de 800 a 1200 yardas para detener un tren cuando viajaba a 45½ a 48½ mph, siendo esta velocidad muy por debajo de la velocidad de viaje normal de los trenes expresos más rápidos. Los funcionarios ferroviarios no estaban preparados para este resultado e inmediatamente se admitió la necesidad de mucha más potencia de frenado [3].
Los ensayos realizados después de que Abbots Ripton informaran lo siguiente para un tren expreso que coincidía aproximadamente con las condiciones involucradas (como un recorrido descendente de 1 en 200, pero sin frenar en condiciones favorables): [2]
Sin embargo, no había una solución técnica clara al problema, debido a la necesidad de lograr una tasa razonablemente uniforme de esfuerzo de frenado en todo el tren y a la necesidad de agregar y quitar vehículos del tren en puntos frecuentes del viaje. (En estas fechas los trenes unitarios eran una rareza).
Los principales tipos de solución fueron:
Nota: existen diversas variantes y desarrollos de todos estos sistemas.
Las pruebas de Newark demostraron que el rendimiento de frenado de los frenos de aire Westinghouse era claramente superior: [14] pero por otras razones [15] fue el sistema de vacío el que generalmente se adoptó en los ferrocarriles del Reino Unido.
En la práctica británica, hasta aproximadamente 1930 sólo los trenes de pasajeros estaban equipados con frenos continuos; Los trenes de mercancías y minerales circulaban a menor velocidad y dependían de la fuerza de frenado de la locomotora, el ténder y el furgón de freno , un vehículo pesado situado en la parte trasera del tren y ocupado por un guardia .
Los vehículos de mercancías y minerales tenían frenos de mano que se accionaban mediante una palanca manual accionada por el personal en tierra. Estos frenos de mano se utilizaban cuando era necesario cuando los vehículos estaban estacionados pero también cuando los trenes descendían por una pendiente pronunciada. El tren se detuvo en la cima de la pendiente y el guardia caminó hacia adelante para "fijar" las manijas de los frenos, de modo que los frenos se aplicaron parcialmente durante el descenso. Los primeros vehículos de mercancías tenían manijas de freno en un solo lado, pero, aproximadamente a partir de 1930, se requerían manijas de freno en ambos lados de los vehículos buenos. Los trenes que contenían vehículos con freno manual se describieron como "no equipados": se utilizaron en Gran Bretaña hasta aproximadamente 1985. A partir de 1930 aproximadamente, se introdujeron los trenes semiequipados, en los que los vehículos de mercancías equipados con frenos continuos se agrupaban junto a la locomotora, dando suficiente potencia de frenado para circular a velocidades más altas que los trenes no equipados. En una prueba realizada en enero de 1952, un tren de carbón de 52 vagones y 850 toneladas recorrió 127 millas (204 km) a un promedio de 38 millas por hora (61 km/h), en comparación con la velocidad máxima habitual en la línea principal de Midland. 25 millas por hora (40 km/h) para trenes de mercancías no equipados. [16] En 1952, el 14% de los vagones abiertos, el 55% de los vagones cubiertos y el 80% de los camiones de ganado tenían frenos de vacío. [17]
En los primeros días de las locomotoras diésel , se adjuntaba a la locomotora un dispositivo de frenado especialmente diseñado para aumentar el esfuerzo de frenado al transportar trenes no equipados. El freno era bajo, de modo que el conductor aún podía ver la línea y las señales hacia adelante si el freno era impulsado (empujado) por delante de la locomotora, lo que solía ser el caso.
En 1878 había más de 105 patentes en varios países para sistemas de frenado, la mayoría de las cuales no fueron ampliamente adoptadas. [18]
A medida que aumentaban las cargas de los trenes, las pendientes y las velocidades, el frenado se convirtió en un problema más importante. A finales del siglo XIX comenzaron a aparecer frenos continuos significativamente mejores . El primer tipo de freno continuo fue el freno de cadena [19] , que utilizaba una cadena, que recorría la longitud del tren, para accionar los frenos de todos los vehículos simultáneamente.
El freno de cadena pronto fue reemplazado por frenos accionados por aire o por vacío . Estos frenos utilizaban mangueras que conectaban todos los vagones de un tren, por lo que el operador podía aplicar o soltar los frenos con una sola válvula en la locomotora.
Estos frenos continuos pueden ser simples o automáticos, siendo la diferencia esencial lo que ocurre si el tren se parte en dos. Con los frenos simples, se necesita presión para aplicar los frenos y toda la potencia de frenado se pierde si la manguera continua se rompe por cualquier motivo. Por lo tanto, los frenos simples y no automáticos son inútiles cuando las cosas van realmente mal, como lo demuestra el desastre ferroviario de Armagh .
Los frenos automáticos, por otro lado, utilizan la presión de aire o vacío para mantener los frenos contra un depósito que se encuentra en cada vehículo, que aplica los frenos si se pierde presión/vacío en la tubería del tren. Por lo tanto, los frenos automáticos son en gran medida " a prueba de fallos ", aunque un cierre incorrecto de los grifos de las mangueras puede provocar accidentes como el de la estación de Lyon .
El freno de aire Westinghouse estándar tiene la mejora adicional de una válvula triple y un depósito local en cada vagón, lo que permite aplicar los frenos por completo con solo una ligera reducción de la presión del aire, lo que reduce el tiempo que lleva soltar los frenos, ya que no todos La presión se libera a la atmósfera.
Los frenos no automáticos siguen desempeñando un papel en las locomotoras y en los primeros vagones, ya que pueden utilizarse para controlar todo el tren sin tener que aplicar los frenos automáticos.
La mayoría de las unidades tractoras, vagones de pasajeros y algunos vagones de mercancías están equipados con un freno de mano (freno de mano). Éste actúa directamente (mecánicamente) sobre el varillaje de freno del vehículo. La activación de un freno de este tipo impide el giro de las ruedas independientemente del freno neumático y, por lo tanto, es adecuado para asegurar vagones y autocares estacionados contra movimientos involuntarios. Para ello sólo se pueden utilizar frenos mecánicos, ya que la fuerza de retención de los frenos neumáticos puede disminuir debido a fugas inevitables.
Hay dos tipos. El freno de mano , que se puede accionar a bordo del vehículo, se utiliza, por un lado, para evitar que éste se desplace y, por otro, para regular la velocidad en determinadas maniobras y para detener los trenes en caso de que falle el freno automático. Generalmente está diseñado como freno de tornillo y se acciona desde una plataforma de guardafrenos o, en el caso de vagones de viajeros, desde el interior del vagón, normalmente desde una zona de entrada. En los vagones de mercancías UIC, este peso de frenado está enmarcado en blanco (blanco como el resto de la inscripción del freno, alternativamente negro sobre fondo blanco o claro). Los frenos de mano de los ténders y locomotoras cisterna suelen estar diseñados como frenos de contrapeso .
El freno de mano de accionamiento manual sólo es adecuado para impedir que los vehículos ferroviarios estáticos se desplacen. Puede estar diseñado como volante o como freno de resorte; en los vagones de mercancías, las manijas de manejo están marcadas con marcos rojos.
En los vehículos que circulan por cremalleras se suele instalar un freno de trinquete dependiente de la dirección. Sólo frena en bajada. Al conducir cuesta arriba, el freno de trinquete aplicado se libera mediante un mecanismo de trinquete y evita que el tren ruede hacia atrás.
A principios del siglo XX, muchos ferrocarriles británicos empleaban frenos de vacío en lugar de los frenos de aire utilizados en gran parte del resto del mundo. La principal ventaja del vacío era que el vacío puede crearse mediante un eyector de vapor sin partes móviles (y que podría ser impulsado por el vapor de una locomotora de vapor ), mientras que un sistema de frenos de aire requiere un compresor ruidoso y complicado .
Sin embargo, los frenos de aire pueden ser mucho más efectivos que los frenos de vacío para un tamaño determinado de cilindro de freno. Un compresor de frenos de aire suele ser capaz de generar una presión de 90 psi (620 kPa ; 6,2 bar ) frente a sólo 15 psi (100 kPa; 1,0 bar) para el vacío. Con un sistema de vacío, el diferencial de presión máximo es la presión atmosférica (14,7 psi o 101 kPa o 1,01 bar al nivel del mar, menos en altitud). Por lo tanto, un sistema de frenos de aire puede utilizar un cilindro de freno mucho más pequeño que un sistema de vacío para generar la misma fuerza de frenado. Esta ventaja de los frenos de aire aumenta a gran altura, por ejemplo en Perú y Suiza, donde hoy en día los ferrocarriles secundarios utilizan frenos de vacío. La eficacia mucho mayor de los frenos de aire y la desaparición de la locomotora de vapor han hecho que los frenos de aire se vuelvan omnipresentes; sin embargo, el frenado por vacío todavía se utiliza en India , Argentina y Sudáfrica , pero disminuirá en un futuro próximo. [ cita requerida ] Consulte Jane's World Railways .
Las diferencias visuales entre los dos sistemas se muestran en los frenos de aire que funcionan con alta presión, con las mangueras de aire en los extremos del material rodante que tienen un diámetro pequeño; los frenos de vacío funcionan con baja presión y las mangueras en los extremos del material rodante son de mayor diámetro. Los frenos de aire de los vagones más exteriores de un tren se desactivan mediante un grifo. Los frenos de vacío en los vagones más exteriores de un tren están sellados mediante tapones fijos ("maniquíes") sobre los que se coloca el extremo abierto del tubo de vacío. El vacío lo sella contra una arandela de goma, con un pasador para mantener el tubo en su lugar cuando el vacío cae durante el frenado. [20] [21]
Una mejora del freno de aire automático es tener una segunda manguera de aire (el depósito principal o línea principal) a lo largo del tren para recargar los depósitos de aire en cada vagón. Esta presión de aire también se puede utilizar para accionar las puertas de carga y descarga de vagones de trigo , carbón y lastre . En los vagones de pasajeros , la tubería del depósito principal también se utiliza para suministrar aire para operar las puertas y la suspensión neumática.
El freno EP de mayor rendimiento utiliza un "tubo de depósito principal" que alimenta aire a todos los depósitos de freno del tren, con las válvulas de freno controladas eléctricamente con un circuito de control de tres cables. Si se desconecta el cable, los frenos se aplican automáticamente, por lo que se conserva la naturaleza a prueba de fallos de otros sistemas de frenos. Esto proporciona entre cuatro y siete niveles de frenado, dependiendo de la clase del tren. También permite una aplicación más rápida de los frenos, ya que la señal de control eléctrico se propaga efectivamente instantáneamente a todos los vehículos en el tren, mientras que el cambio en la presión del aire que activa los frenos en un sistema convencional puede tardar varios segundos o decenas de segundos en propagarse completamente a la parte trasera del tren. Sin embargo, este sistema no se utiliza en trenes de mercancías debido al coste. [ cita necesaria ]
Los frenos neumáticos controlados electrónicamente (ECP) son un desarrollo estadounidense de finales del siglo XX para hacer frente a trenes de mercancías muy largos y pesados, y son un desarrollo del freno EP con un nivel de control aún mayor. Además, la información sobre el funcionamiento de los frenos de cada vagón se devuelve al panel de control del conductor.
Con ECP, se instala una línea de potencia y control de vagón a vagón desde la parte delantera del tren hasta la parte trasera. Las señales de control eléctricas se propagan de manera efectiva de manera instantánea, a diferencia de los cambios en la presión del aire que se propagan a una velocidad bastante lenta limitada en la práctica por la resistencia al flujo de aire de las tuberías, de modo que los frenos de todos los vagones se pueden aplicar simultáneamente, o incluso desde de atrás hacia adelante en lugar de de adelante hacia atrás. Esto evita que los vagones traseros "empujen" a los vagones delanteros y da como resultado una distancia de frenado reducida y un menor desgaste del equipo.
Hay dos marcas de frenos ECP disponibles en Norteamérica, una de New York Air Brake y la otra de Wabtec . Estos dos tipos son intercambiables.
Las conexiones de freno entre vagones pueden simplificarse si los vagones apuntan siempre en la misma dirección. Se haría una excepción con las locomotoras, que a menudo funcionan sobre plataformas giratorias o triángulos .
En el nuevo ferrocarril Fortescue inaugurado en 2008, los vagones circulan por grupos, aunque su dirección cambia en el circuito de globos del puerto. Las conexiones del ECP están en un solo lado y son unidireccionales.
Los frenos defectuosos o mal aplicados pueden provocar que el tren se desboque ; en algunos casos esto ha provocado accidentes de trenes :
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