En ingeniería ferroviaria, el término esfuerzo de tracción describe la capacidad de tracción o empuje de una locomotora . El valor de la fuerza de tracción publicado para cualquier vehículo puede ser teórico (es decir, calculado a partir de propiedades mecánicas conocidas o implícitas) u obtenerse mediante pruebas en condiciones controladas. La discusión aquí cubre el uso del término en aplicaciones mecánicas en las que la etapa final del sistema de transmisión de potencia es una o más ruedas en contacto por fricción con una vía de ferrocarril .
El término esfuerzo de tracción suele calificarse como esfuerzo de tracción inicial , esfuerzo de tracción continuo y esfuerzo de tracción máximo . Estos términos se aplican a diferentes condiciones de funcionamiento, pero están relacionados por factores mecánicos comunes: par de entrada a las ruedas motrices, diámetro de la rueda, coeficiente de fricción ( μ ) entre las ruedas motrices y la superficie de apoyo, y el peso aplicado a las ruedas motrices ( mg ). El producto de μ y mg es el factor de adherencia , que determina el par máximo que se puede aplicar antes de que las ruedas patinen o patinen .
El esfuerzo de tracción varía inversamente con la velocidad en cualquier nivel dado de potencia disponible. El esfuerzo de tracción continuo a menudo se muestra en forma de gráfico en un rango de velocidades como parte de una curva de esfuerzo de tracción . [1]
Los vehículos que tienen un acoplamiento hidrodinámico , un multiplicador de par hidrodinámico o un motor eléctrico como parte del sistema de transmisión de potencia también pueden tener un índice de esfuerzo de tracción continuo máximo , que es la fuerza de tracción más alta que se puede producir durante un período corto de tiempo sin causar daños a los componentes. El período de tiempo durante el cual se puede generar con seguridad el máximo esfuerzo de tracción continuo suele estar limitado por consideraciones térmicas. como el aumento de temperatura en un motor de tracción .
Las especificaciones de las locomotoras a menudo incluyen curvas de esfuerzo de tracción, [2] [3] [4] [5] que muestran la relación entre el esfuerzo de tracción y la velocidad.
La forma del gráfico se muestra a la derecha. La línea AB muestra el funcionamiento con el esfuerzo de tracción máximo, la línea BC muestra el esfuerzo de tracción continuo que es inversamente proporcional a la velocidad (potencia constante). [6]
Las curvas de esfuerzo de tracción a menudo tienen gráficos de resistencia a la rodadura superpuestos: la intersección del gráfico de resistencia a la rodadura [nota 1] y el gráfico de esfuerzo de tracción da la velocidad máxima en pendiente cero (cuando el esfuerzo de tracción neto es cero).
Para arrancar un tren y acelerarlo a una velocidad determinada, la locomotora debe desarrollar suficiente fuerza de tracción para superar la resistencia del tren, que es una combinación de la fricción del eje , la fricción de las ruedas sobre los rieles (que es sustancialmente mayor en vía curva que en vía tangente), y la fuerza de gravedad si está en pendiente . Una vez en movimiento, el tren desarrollará una resistencia adicional a medida que acelera debido a las fuerzas aerodinámicas , que aumentan con el cuadrado de la velocidad. La resistencia también se puede producir a gran velocidad debido a la oscilación del camión (bogie) , lo que aumentará la fricción de rodadura entre las ruedas y los rieles. Si la aceleración continúa, el tren eventualmente alcanzará una velocidad a la cual la fuerza de tracción disponible de la(s) locomotora(s) compensará exactamente la resistencia total, provocando que cese la aceleración. Esta velocidad máxima aumentará en una bajada debido a que la gravedad ayuda a la fuerza motriz, y se reducirá en una mejora debido a que la gravedad se opone a la fuerza motriz.
El esfuerzo de tracción se puede calcular teóricamente a partir de las características mecánicas de una locomotora (por ejemplo, presión de vapor, peso, etc.) o mediante pruebas reales con sensores de tensión en la barra de tiro y un vagón dinamómetro . Potencia en ferrocarril es un término ferroviario para referirse a la potencia disponible para tracción, es decir, la potencia disponible para impulsar el tren.
Se puede obtener una estimación del esfuerzo de tracción de una locomotora de vapor de un solo cilindro a partir de la presión del cilindro, el diámetro del cilindro, la carrera del pistón [nota 2] y el diámetro de la rueda. El par desarrollado por el movimiento lineal del pistón depende del ángulo que forma la varilla motriz con la tangente del radio de la rueda motriz. [nota 3] Para obtener un valor más útil, se utiliza un valor promedio sobre la rotación de la rueda. La fuerza motriz es el par dividido por el radio de la rueda.
Como aproximación, se puede utilizar la siguiente fórmula (para una locomotora de dos cilindros): [nota 4]
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La constante 0,85 era el estándar de la Asociación Estadounidense de Ferrocarriles (AAR) para tales cálculos, y sobreestimaba la eficiencia de algunas locomotoras y subestimaba la de otras. Probablemente se subestimaron las locomotoras modernas con rodamientos de rodillos .
Los diseñadores europeos utilizaron una constante de 0,6 en lugar de 0,85, por lo que ambas no se pueden comparar sin un factor de conversión. En Gran Bretaña, los ferrocarriles principales generalmente utilizaban una constante de 0,85, pero los constructores de locomotoras industriales solían utilizar una cifra más baja, normalmente 0,75.
La constante c también depende de las dimensiones del cilindro y del tiempo en que las válvulas de entrada de vapor están abiertas; Si las válvulas de entrada de vapor se cierran inmediatamente después de obtener la presión total del cilindro, se puede esperar que la fuerza del pistón haya disminuido a menos de la mitad de la fuerza inicial. [nota 5] dando un valor c bajo . Si las válvulas del cilindro se dejan abiertas por más tiempo, el valor de c se acercará más a uno.
El resultado debe multiplicarse por 1,5 para una locomotora de tres cilindros y por dos para una de cuatro cilindros. [8]
Alternativamente, el esfuerzo de tracción de todas las locomotoras "simples" (es decir, no compuestas) se puede calcular así:
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Para otros números y combinaciones de cilindros, incluidos motores de doble y triple expansión, el esfuerzo de tracción se puede estimar sumando los esfuerzos de tracción debidos a los cilindros individuales a sus respectivas presiones y carreras de cilindros. [nota 6]
El esfuerzo de tracción es la cifra que a menudo se cita al comparar las potencias de las locomotoras de vapor, pero es engañosa porque el esfuerzo de tracción muestra la capacidad de arrancar un tren, no la capacidad de remolcarlo. Posiblemente el mayor esfuerzo de tracción jamás reclamado fue el de la locomotora triplex 2-8-8-8-4 del Virginian Railway , que en modo de expansión simple tenía un TE inicial calculado de 199.560 lbf (887,7 kN), pero la caldera no podía producir suficiente vapor para transportar a velocidades superiores a 5 mph (8 km/h).
De las locomotoras de vapor más exitosas, aquellas con el esfuerzo de tracción inicial más alto fueron las 2-10-10-2 de la clase AE de Virginian Railway , con 176.000 lbf (783 kN) en modo de expansión simple (o 162.200 lb si se calcula con el método habitual). fórmula). Los Union Pacific Big Boys tenían un TE inicial de 135,375 lbf (602 kN); Los modelos 2-8-8-2 de clase Y5, Y6, Y6a y Y6b de Norfolk & Western tenían un TE inicial de 152,206 lbf (677 kN) en modo de expansión simple (posteriormente modificado a 170,000 lbf (756 kN), afirman algunos entusiastas); y el dúplex de carga del ferrocarril de Pensilvania en el segundo trimestre alcanzó 114.860 lbf (510,9 kN, incluido el propulsor), el más alto para una locomotora de estructura rígida. Las locomotoras de pasajeros de dos cilindros posteriores tenían generalmente entre 40.000 y 80.000 lbf (170 a 350 kN) de TE.
Para una locomotora eléctrica o una locomotora diésel-eléctrica , el esfuerzo de tracción de arranque se puede calcular a partir de la cantidad de peso sobre las ruedas motrices (que puede ser menor que el peso total de la locomotora en algunos casos), el par combinado de pérdida de los motores de tracción , el relación de transmisión entre los motores de tracción y los ejes, y diámetro de la rueda motriz . Para una locomotora diésel-hidráulica , el esfuerzo de tracción inicial se ve afectado por el par de pérdida del convertidor de par , así como por el engranaje, el diámetro de las ruedas y el peso de la locomotora.
Hay (1978) expresó la relación entre potencia y esfuerzo de tracción como
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Las locomotoras de mercancías están diseñadas para producir un esfuerzo de tracción máximo mayor que las unidades de pasajeros de potencia equivalente, lo que es necesario debido al peso mucho mayor típico de un tren de mercancías. En las locomotoras modernas, el engranaje entre los motores de tracción y los ejes se selecciona para adaptarse al tipo de servicio en el que se operará la unidad. Como los motores de tracción tienen una velocidad máxima a la que pueden girar sin sufrir daños, el engranaje para un mayor esfuerzo de tracción se realiza a expensas de la velocidad máxima. Por el contrario, el engranaje utilizado con las locomotoras de pasajeros favorece la velocidad sobre el esfuerzo de tracción máximo.
Las locomotoras eléctricas con bogies monomotores a veces están equipadas con engranajes de dos velocidades. Esto permite un mayor esfuerzo de tracción para transportar trenes de mercancías pero a velocidad reducida. Por ejemplo, las clases SNCF BB 8500 y BB 25500 .
