En la terminología ferroviaria , el golpe de martillo o aumento dinámico es una fuerza vertical [1] que alternativamente suma y resta peso de la locomotora sobre una rueda. Se transfiere a la vía por las ruedas motrices [2] de muchas locomotoras de vapor . Es una fuerza desequilibrada sobre la rueda (conocida como sobreequilibrio [3] ). Es el resultado de un compromiso cuando las ruedas de una locomotora se desequilibran para compensar masas recíprocas horizontales, como bielas y pistones , para mejorar el andar. El golpe de martillo puede causar daños a la locomotora y la vía si la fuerza rueda/carril es lo suficientemente alta.
La adición de pesos adicionales en las ruedas reduce las fuerzas recíprocas desequilibradas en la locomotora, pero hace que esté desequilibrada verticalmente, creando un golpe de martillo. [4]
Las locomotoras se equilibraban según sus casos individuales, especialmente si se construían varias del mismo diseño (una clase). [4] Cada miembro de la clase se equilibraba para su velocidad de funcionamiento normal. [4] Entre el 40% y el 50% de los pesos alternativos de cada lado se equilibraban mediante pesos giratorios en las ruedas. [1]
Mientras que las barras laterales (en el Reino Unido: barras de acoplamiento) de una locomotora se pueden equilibrar completamente mediante pesos en las ruedas motrices , ya que su movimiento es completamente rotatorio, los movimientos alternativos de los pistones, vástagos de pistón y mecanismo de válvulas no se pueden equilibrar completamente de esta manera. Las barras principales tampoco se pueden equilibrar completamente mediante contrapesos de rueda, ya que sus movimientos tienen un mayor desplazamiento en la dirección horizontal que en la dirección vertical. Casi todas las locomotoras de dos cilindros tienen sus manivelas "cuarteadas" - colocadas a 90° de distancia - de modo que las cuatro carreras de potencia de los pistones de doble efecto se distribuyen uniformemente alrededor del ciclo y no hay "puntos muertos" (puntos en los que ambos cilindros están en el punto muerto superior o inferior simultáneamente).
Una locomotora de cuatro cilindros puede equilibrarse completamente en los ejes longitudinal y vertical, aunque hay algunos momentos de balanceo que se pueden solucionar en la suspensión y el centrado de la locomotora; una locomotora de tres cilindros también se puede equilibrar mejor, pero una locomotora de dos cilindros se moverá hacia adelante y hacia atrás si se equilibra solo para la rotación. Se puede agregar un peso de equilibrio adicional ("sobreequilibrio") para reducir esto, generalmente lo suficiente para "promediar" las vibraciones haciendo que las fuerzas y los momentos restantes sean iguales en las direcciones vertical y horizontal. Sin embargo, las fuerzas verticales que se agregan como resultado, conocidas técnicamente como golpe de martillo, pueden ser extremadamente dañinas para la vía y, en casos extremos, pueden hacer que las ruedas motrices se salgan de la vía por completo.
Cuanto más pesada sea la maquinaria alternativa, mayores serán estas fuerzas y mayor será el problema. A excepción de un breve período a principios del siglo XX, cuando se probaron las locomotoras compuestas equilibradas, los ferrocarriles estadounidenses no estaban interesados en locomotoras con cilindros internos, por lo que el problema del equilibrio no se podía resolver añadiendo más cilindros por juego de ruedas acoplado. A medida que las locomotoras se hicieron más grandes y más potentes, su maquinaria alternativa tuvo que hacerse más fuerte y, por lo tanto, más pesada, y, por lo tanto, los problemas planteados por el desequilibrio y el golpe de martillo se volvieron más graves. Las velocidades más altas también aumentan las fuerzas desequilibradas, ya que aumentan con el cuadrado de la velocidad de rotación de la rueda.
Una solución a este problema fue la locomotora dúplex , que repartía la potencia motriz entre varios conjuntos de pistones, lo que reducía enormemente el golpe del martillo. La locomotora triplex tuvo menos éxito .
La Unión Soviética utilizó una solución diferente al golpe de martillo con su diseño de locomotora 2-10-4 (y 2-8-2) . Los cilindros se colocaron sobre el eje motriz central y, lo más importante, tenían una configuración de pistones opuestos (dos pistones en fase de 180 grados dentro de un cilindro). Por lo tanto, a diferencia de casi todas las locomotoras de vapor, los pistones tenían varillas en ambos extremos que transferían potencia a las ruedas. La idea era equilibrar las fuerzas motrices en las ruedas, lo que permitía que los contrapesos en las ruedas fueran más pequeños y reducía el golpe de martillo en la vía.
En el Reino Unido, el Comité de Estrés de Puentes del Gobierno investigó el impacto del golpe de martillo en la creación de tensiones en los puentes ferroviarios y la necesidad de equilibrar los movimientos de los cilindros interiores y exteriores. El uso de cilindros interiores (que era poco común en los EE. UU.) da como resultado una locomotora más estable y, por lo tanto, un golpe de martillo reducido. Muchas locomotoras de tanque europeas tenían cilindros interiores para reducir el desgaste de las vías del patio de maniobras debido al uso frecuente e intenso. Sin embargo, los cilindros exteriores son más fáciles de mantener y, aparentemente, para muchos ferrocarriles estadounidenses esto se consideró más importante que otras consideraciones. Los costos de mantenimiento asociados con los cilindros interiores casi inaccesibles en las locomotoras 4-12-2 de Union Pacific pueden haber acelerado su retiro.
Las locomotoras basadas en motor de vapor tienen componentes alternativos más pequeños y numerosos que requieren piezas mucho más ligeras y son más fáciles de equilibrar. No se han registrado problemas relacionados con golpes de martillo en estos diseños, pero surgieron en una época en la que los ferrocarriles estaban avanzando hacia la dieselización .
Las locomotoras de turbina de vapor carecen de pistones, mecanismo de válvulas y otros componentes alternativos de proa y popa, lo que hace posible equilibrar las ruedas y las bielas para eliminar el golpe de martillo. Las locomotoras de turbina de vapor fueron probadas por varias empresas de todo el mundo en las décadas de 1930 y 1940 (como la S2 6-8-6 de Pennsylvania Railroad y la Turbomotive de LMS ). Si bien muchas de estas locomotoras de turbina sufrieron problemas en servicio (generalmente un consumo excesivo de combustible y/o poca confiabilidad), demostraron estar libres de golpes de martillo y ofrecieron una forma de lograr altas salidas de potencia y velocidades sin causar daños a las vías.