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Una locomotora diésel es un tipo de locomotora ferroviaria en la que la fuente de energía es un motor diésel . Se han desarrollado varios tipos de locomotoras diésel, que se diferencian principalmente en el medio por el cual se transmite la potencia mecánica a las ruedas motrices . Las más habituales son las locomotoras diésel-eléctricas y las diésel-hidráulicas.
Las primeras locomotoras y vagones de combustión interna utilizaban queroseno y gasolina como combustible. Rudolf Diesel patentó su primer motor de encendido por compresión [2] en 1898, y las constantes mejoras en el diseño de los motores diesel redujeron su tamaño físico y mejoraron su relación potencia-peso hasta el punto de que uno podía montarse en una locomotora. Los motores de combustión interna sólo funcionan eficientemente dentro de una banda de potencia limitada , y mientras los motores de gasolina de baja potencia podían acoplarse a transmisiones mecánicas , los motores diésel más potentes requerían el desarrollo de nuevas formas de transmisión. [3] [4] [5] [6] [7] Esto se debe a que los embragues tendrían que ser muy grandes a estos niveles de potencia y no cabrían en el bastidor de una locomotora estándar de 2,5 m (8 pies 2 pulgadas) de ancho, o Se desgastaría demasiado rápido para ser útil.
Los primeros motores diésel exitosos utilizaron transmisiones diésel-eléctricas y, en 1925, un pequeño número de locomotoras diésel de 600 hp (450 kW) estaban en servicio en los Estados Unidos. En 1930, Armstrong Whitworth del Reino Unido entregó dos locomotoras de 1200 hp (890 kW) utilizando motores diseñados por Sulzer al Gran Ferrocarril del Sur de Buenos Aires de Argentina. En 1933, la tecnología diésel-eléctrica desarrollada por Maybach se utilizó para propulsar el DRG Class SVT 877 , un conjunto interurbano de dos coches de alta velocidad, y entró en producción en serie con otros conjuntos de coches aerodinámicos en Alemania a partir de 1935. En los Estados Unidos , la propulsión diésel-eléctrica se introdujo en el servicio principal de pasajeros de alta velocidad a finales de 1934, en gran parte gracias a los esfuerzos de investigación y desarrollo de General Motors que se remontaban a finales de la década de 1920 y a los avances en el diseño de carrocerías ligeras de la Budd Company .
La recuperación económica de la Segunda Guerra Mundial aceleró la adopción generalizada de locomotoras diésel en muchos países. Ofrecían mayor flexibilidad y rendimiento que las locomotoras de vapor , así como costes de operación y mantenimiento sustancialmente menores. [8]
El primer ejemplo registrado del uso de un motor de combustión interna en una locomotora de ferrocarril es el prototipo diseñado por William Dent Priestman , que fue examinado por William Thomson, primer barón Kelvin en 1888, quien lo describió como un " motor de aceite Priestman montado sobre un camión". que se trabaja en una línea temporal de rieles para mostrar la adaptación de un motor de petróleo con fines de locomotora." [9] [10] En 1894, se utilizó en Hull Docks una máquina de dos ejes de 20 hp (15 kW) construida por Priestman Brothers . [11] [12] En 1896, se construyó una locomotora de ferrocarril con motor de petróleo para el Royal Arsenal en Woolwich , Inglaterra, utilizando un motor diseñado por Herbert Akroyd Stuart . [13] No era un diésel, porque utilizaba un motor de bombilla caliente (también conocido como semidiésel), pero era el precursor del diésel.
Rudolf Diesel consideró utilizar su motor para propulsar locomotoras en su libro de 1893 Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren ( Teoría y construcción de un motor térmico racional ). [14] Sin embargo, el gran tamaño y la mala relación potencia-peso de los primeros motores diésel los hacían inadecuados para propulsar vehículos terrestres. Por lo tanto, inicialmente no se reconoció el potencial del motor como motor principal del ferrocarril. [15] Esto cambió a medida que la investigación y el desarrollo redujeron el tamaño y el peso del motor.
En 1906, Rudolf Diesel, Adolf Klose y el fabricante de motores de vapor y diésel Gebrüder Sulzer fundaron Diesel-Sulzer-Klose GmbH para fabricar locomotoras diésel. Sulzer fabrica motores diésel desde 1898. Los Ferrocarriles Estatales Prusianos encargaron a la empresa una locomotora diésel en 1909 y, tras varias pruebas entre Winterthur y Romanshorn (Suiza), la locomotora diésel-mecánica se entregó en Berlín en septiembre de 1912. La primera del mundo La locomotora diésel se puso en funcionamiento en el verano de 1912 en la misma línea desde Winterthur, pero no fue un éxito comercial. [16] Durante las pruebas realizadas en 1913 se encontraron varios problemas. El estallido de la Primera Guerra Mundial en 1914 impidió todos los juicios posteriores. El peso de la locomotora era de 95 toneladas y la potencia era de 883 kW (1184 CV) con una velocidad máxima de 100 km/h (62 mph). [17]
Hasta mediados de la década de 1920 se produjeron pequeñas cantidades de prototipos de locomotoras diésel en varios países.
Uno de los primeros vehículos diésel desarrollados en China fue el Dongfeng DMU (东风), producido en 1958 por CSR Sifang . La producción en serie de la primera clase de locomotoras diésel de China, la DFH1 , comenzó en 1964 tras la construcción de un prototipo en 1959.
En Japón, a partir de la década de 1920, se produjeron algunos vagones eléctricos de gasolina. Los primeros vehículos de tracción diésel-eléctrica y los primeros vehículos de aire sobre rieles japoneses fueron los dos DMU3 de la clase Kiha 43000 (キハ43000系). [18] La primera serie de locomotoras diésel de Japón fue la clase DD50 (国鉄DD50形), locomotoras gemelas, desarrolladas desde 1950 y en servicio desde 1953. [19]
En 1914, Waggonfabrik Rastatt produjo los primeros vagones diésel-eléctricos funcionales del mundo para Königlich-Sächsische Staatseisenbahnen ( Royal Saxon State Railways ) con equipos eléctricos de Brown, Boveri & Cie y motores diésel de Swiss Sulzer AG . Fueron clasificados como DET 1 y DET 2 ( de.wiki [de] ). Debido a la escasez de productos derivados del petróleo durante la Primera Guerra Mundial, no se utilizaron para el servicio regular en Alemania. En 1922 fueron vendidos a la Swiss Compagnie du Chemin de fer Régional du Val-de-Travers , donde se utilizaron en servicio regular hasta la electrificación de la línea en 1944. Posteriormente, la empresa los mantuvo en servicio como propulsores hasta 1965. .
Fiat afirma haber construido la primera locomotora diésel-eléctrica italiana en 1922, pero hay pocos detalles disponibles. Se construyeron varias locomotoras diésel Fiat- TIBB Bo'Bo' para el servicio en la línea de 950 mm ( 3 pies 1+3 ⁄ 8 pulgadas) de vía estrecha Ferrovie Calabro Lucane y laSocietà per le Strade Ferrate del Mediterranoen el sur de Italia en 1926, tras las pruebas de 1924-25. [20]El motor de seis cilindros y dos tiempos producía 440 caballos de fuerza (330 kW) a 500 rpm, impulsando cuatro motores de CC, uno para cada eje. Estas locomotoras de 44 toneladas (43 toneladas largas; 49 toneladas cortas) con una velocidad máxima de 45 km/h (28 mph) resultaron bastante exitosas. [21]
En 1924, los ferrocarriles soviéticos pusieron en servicio dos locomotoras diésel-eléctricas , casi al mismo tiempo:
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En 1935, Krauss-Maffei , MAN y Voith construyeron la primera locomotora diésel-hidráulica, llamada V 140, en Alemania. La hidráulica diésel se convirtió en la corriente principal en las locomotoras diésel en Alemania, ya que los ferrocarriles alemanes (DRG) estaban satisfechos con el rendimiento de esta locomotora. La producción en serie de locomotoras diésel en Alemania comenzó después de la Segunda Guerra Mundial.
En muchas estaciones de ferrocarril y complejos industriales, las maniobras de vapor debían mantenerse calientes durante muchos descansos entre tareas breves y dispersas. Por lo tanto, la tracción diésel se volvió económica para las maniobras antes de que fuera económica para transportar trenes. La construcción de maniobras diésel comenzó en 1920 en Francia, en 1925 en Dinamarca, en 1926 en los Países Bajos y en 1927 en Alemania. Después de algunos años de pruebas, se produjeron cientos de unidades en una década.
Los vagones con motor diésel o "motor de petróleo", generalmente diésel-mecánicos, fueron desarrollados por varios fabricantes europeos en la década de 1930, por ejemplo, por William Beardmore and Company para los Ferrocarriles Nacionales de Canadá (el motor Beardmore Tornado se utilizó posteriormente en el dirigible R101 ). . Algunas de esas series para el tráfico regional comenzaron con motores de gasolina y luego continuaron con motores diésel, como el BC mot húngaro (el código de clase no dice nada más que "motor de ferrocarril con asientos de 2.ª y 3.ª clase"), 128 coches construidos en 1926. –1937, o ferrocarriles alemanes Wismar (57 vagones 1932-1941). En Francia, el primer vagón diésel fue el Renault VH , del que se produjeron 115 unidades en 1933/34. En Italia, después de seis coches de gasolina desde 1931, Fiat y Breda construyeron muchos motores diésel sobre carriles, más de 110 de 1933 a 1938 y 390 de 1940 a 1953, Clase 772 conocida como Littorina , y Clase ALn 900.
En la década de 1930, se desarrollaron vagones diésel aerodinámicos de alta velocidad en varios países:
En 1945, un lote de 30 locomotoras diésel-eléctricas Baldwin, Baldwin 0-6-6-0 1000 , fue entregado desde Estados Unidos a los ferrocarriles de la Unión Soviética.
En 1947, London, Midland and Scottish Railway (LMS) introdujo la primera de un par de locomotoras diésel-eléctricas Co-Co de 1.600 hp (1.200 kW) (más tarde British Rail Class D16/1 ) para uso regular en el Reino Unido. aunque fabricantes británicos como Armstrong Whitworth exportaban locomotoras diésel desde 1930. Las entregas de flotas a British Railways, de otros diseños como Clase 20 y Clase 31, comenzaron en 1957.
La producción en serie de locomotoras diésel en Italia comenzó a mediados de los años 50. En general, la tracción diésel en Italia tuvo menos importancia que en otros países, ya que se encontraba entre los países más avanzados en la electrificación de las principales líneas y porque la geografía italiana hace que el transporte de mercancías por mar sea más barato que el transporte por ferrocarril, incluso en muchas conexiones nacionales.
Adolphus Busch compró los derechos de fabricación estadounidense del motor diésel en 1898, pero nunca aplicó esta nueva forma de energía al transporte. Fundó la empresa Busch-Sulzer en 1911. A principios del siglo XX sólo se logró un éxito limitado con los vagones con motor de combustión interna, debido, en parte, a dificultades con los sistemas de propulsión mecánicos. [23]
General Electric (GE) entró en el mercado de los vagones a principios del siglo XX, cuando Thomas Edison poseía una patente sobre la locomotora eléctrica, siendo su diseño en realidad un tipo de vagón de propulsión eléctrica. [24] GE construyó su primer prototipo de locomotora eléctrica en 1895. Sin embargo, los altos costos de electrificación hicieron que GE centrara su atención en la energía de combustión interna para proporcionar electricidad a los vagones eléctricos. Inmediatamente se encontraron problemas relacionados con la coordinación del motor primario y el motor eléctrico , principalmente debido a las limitaciones del sistema de control de corriente Ward Leonard que se había elegido. [ cita necesaria ] GE Rail se formó en 1907 y 112 años después, en 2019, fue comprado y fusionado con Wabtec .
Un avance significativo se produjo en 1914, cuando Hermann Lemp , un ingeniero eléctrico de GE, desarrolló y patentó un sistema de control confiable que controlaba el motor y el motor de tracción con una sola palanca; Las mejoras posteriores también fueron patentadas por Lemp. [25] El diseño de Lemp resolvió el problema de sobrecargar y dañar los motores de tracción con energía eléctrica excesiva a bajas velocidades, y fue el prototipo de todos los sistemas de control de accionamiento eléctrico de combustión interna.
En 1917-1918, GE produjo tres locomotoras diésel-eléctricas experimentales utilizando el diseño de control de Lemp, las primeras construidas en los Estados Unidos. [26] Siguiendo este desarrollo, la Ley Kaufman de 1923 prohibió las locomotoras de vapor en la ciudad de Nueva York, debido a graves problemas de contaminación. La respuesta a esta ley fue electrificar las líneas ferroviarias de alto tráfico. Sin embargo, no resultaba económico aplicar la electrificación en zonas de menor tráfico.
El primer uso regular de las locomotoras diésel-eléctricas fue en aplicaciones de conmutación (de maniobras), que eran más indulgentes que las aplicaciones principales con las limitaciones de la tecnología diésel contemporánea y donde la economía de ralentí del diésel en relación con el vapor sería más beneficiosa. GE inició una colaboración con la American Locomotive Company (ALCO) e Ingersoll-Rand (el consorcio "AGEIR") en 1924 para producir un prototipo de locomotora "boxcab" de 300 hp (220 kW) entregado en julio de 1925. Esta locomotora demostró que el diesel –La unidad de energía eléctrica podría proporcionar muchos de los beneficios de una locomotora eléctrica sin que el ferrocarril tenga que soportar el considerable gasto de la electrificación. [27] La unidad demostró con éxito, en conmutación y servicio local de carga y pasajeros, en diez ferrocarriles y tres líneas industriales. [28] Westinghouse Electric y Baldwin colaboraron para construir locomotoras de conmutación a partir de 1929. Sin embargo, la Gran Depresión redujo la demanda de equipos eléctricos de Westinghouse y dejaron de construir locomotoras internamente, optando por suministrar piezas eléctricas. [29]
En junio de 1925, Baldwin Locomotive Works superó en compras a un prototipo de locomotora diésel-eléctrica para "usos especiales" (como recorridos donde el agua para las locomotoras de vapor era escasa) utilizando equipos eléctricos de Westinghouse Electric Company . [30] Su diseño bimotor no tuvo éxito y la unidad fue desechada después de un breve período de prueba y demostración. [31] Fuentes de la industria comenzaban a sugerir "las extraordinarias ventajas de esta nueva forma de fuerza motriz". [32] En 1929, los Ferrocarriles Nacionales Canadienses se convirtieron en el primer ferrocarril norteamericano en utilizar motores diésel en el servicio principal con dos unidades, 9000 y 9001, de Westinghouse. [33] Sin embargo, estos primeros motores diésel resultaron caros y poco fiables, y su alto coste de adquisición en relación con el vapor no se podía materializar en ahorros de costes operativos, ya que con frecuencia estaban fuera de servicio. Pasarían otros cinco años antes de que la propulsión diésel-eléctrica se utilizara con éxito en el servicio principal, y casi diez años antes de que la sustitución total del vapor se convirtiera en una perspectiva real con la tecnología diésel existente.
Antes de que la energía diésel pudiera incursionar en el servicio principal, había que superar las limitaciones de los motores diésel de alrededor de 1930 (bajas relaciones potencia-peso y rango de potencia estrecho). General Motors lanzó un importante esfuerzo para superar esas limitaciones después de ingresar al campo del diésel con la adquisición de Winton Engine Company , un importante fabricante de motores diésel para aplicaciones marinas y estacionarias, en 1930. Con el apoyo de la División de Investigación de General Motors , Winton Engine Corporation de GM buscó desarrollar motores diésel adecuados para uso móvil de alta velocidad. El primer hito en ese esfuerzo fue la entrega, a principios de 1934, del Winton 201A, un motor diésel de dos tiempos , aspirado mecánicamente , de flujo único e inyección unitaria que podía ofrecer el rendimiento requerido para un tren de pasajeros rápido y liviano. El segundo hito, y el que hizo que los ferrocarriles americanos avanzaran hacia el diésel, fue la entrega en 1938 del motor Modelo 567 de GM , diseñado específicamente para uso como locomotora, quintuplicando la vida útil de algunas piezas mecánicas y mostrando su potencial para afrontar los rigores. del servicio de carga. [34]
La locomoción ferroviaria diésel-eléctrica entró en servicio en la línea principal cuando Burlington Route y Union Pacific utilizaron " aerodinámicos " diésel hechos a medida para transportar pasajeros, a partir de finales de 1934. [23] [35] Los trenes Zephyr de Burlington evolucionaron a partir de conjuntos articulados de tres vagones con 600 hp en 1934 y principios de 1935, hasta los trenes semiarticulados Denver Zephyr de diez vagones tirados por grupos propulsores de cabina introducidos a finales de 1936. Union Pacific inició el servicio diésel aerodinámico entre Chicago y Portland, Oregón, en junio de 1935, y en los años siguientes. El año pasado agregaría Los Ángeles, CA , Oakland, CA y Denver, CO a los destinos de los aviones aerodinámicos diésel que salen de Chicago. Los aerodinámicos Burlington y Union Pacific fueron construidos por Budd Company y Pullman-Standard Company , respectivamente, utilizando los nuevos motores Winton y sistemas de tren de potencia diseñados por Electro-Motive Corporation de GM . Las locomotoras BB experimentales de 1800 hp de EMC de 1935 demostraron los sistemas de control de unidades múltiples utilizados para los conjuntos de cabina/propulsor y el formato bimotor utilizado con las unidades de potencia Zephyr posteriores . Ambas características se utilizarían en los modelos de locomotoras de producción posteriores de EMC. Las ligeras locomotoras diésel de mediados de la década de 1930 demostraron las ventajas del diésel para el servicio de pasajeros con tiempos de programación revolucionarios, pero la potencia de las locomotoras diésel no alcanzaría su plena madurez hasta que comenzara la producción en serie regular de locomotoras diésel principales y se demostrara que eran adecuadas para motores de tamaño completo. servicio de pasajeros y carga.
Después de su prototipo de 1925, el consorcio AGEIR produjo 25 unidades más de locomotoras de conmutación AGEIR de cabina cerrada de 300 hp (220 kW) y "60 toneladas" entre 1925 y 1928 para varios ferrocarriles de la ciudad de Nueva York, lo que las convirtió en las primeras locomotoras diésel producidas en serie. [36] El consorcio también produjo siete furgones bimotores de "100 toneladas" y una unidad híbrida de carro/batería con un circuito de carga accionado por diésel. ALCO adquirió McIntosh & Seymour Engine Company en 1929 y entró en la producción en serie de unidades de conmutación de cabina única de 300 hp (220 kW) y 600 hp (450 kW) en 1931. ALCO sería el fabricante preeminente de motores de conmutación hasta mediados de -1930 y adaptaría el diseño básico del conmutador para producir locomotoras de carretera versátiles y de gran éxito, aunque de potencia relativamente baja.
GM, al ver el éxito de los aerodinámicos personalizados, buscó expandir el mercado de energía diésel produciendo locomotoras estandarizadas bajo su Electro-Motive Corporation . En 1936, la nueva fábrica de EMC inició la producción de motores conmutadores. En 1937, la fábrica comenzó a producir sus nuevas locomotoras de pasajeros aerodinámicas de la serie E , que se actualizarían con motores más confiables especialmente diseñados en 1938. Al ver el rendimiento y la confiabilidad del nuevo motor modelo 567 en locomotoras de pasajeros, EMC estaba ansioso por demostrar las capacidades del diésel. viabilidad en el servicio de carga.
Tras la exitosa gira de 1939 de la locomotora de carga de demostración FT de EMC , se preparó el escenario para la dieselización de los ferrocarriles estadounidenses. En 1941, ALCO-GE introdujo el conmutador de carretera RS-1 que ocupaba su propio nicho de mercado, mientras que se buscaban locomotoras de la serie F de EMD para el servicio de carga principal. La entrada de Estados Unidos en la Segunda Guerra Mundial ralentizó la conversión al diésel; La Junta de Producción de Guerra detuvo la construcción de nuevos equipos para pasajeros y dio prioridad a los usos navales para la producción de motores diésel. Durante la crisis del petróleo de 1942-1943 , el vapor alimentado con carbón tenía la ventaja de no utilizar combustible que escaseaba críticamente. Posteriormente se permitió a EMD aumentar la producción de sus locomotoras FT y a ALCO-GE se le permitió producir un número limitado de locomotoras de carretera DL-109 , pero la mayor parte del negocio de locomotoras se limitó a fabricar locomotoras de conmutación y locomotoras de vapor.
A principios de la posguerra, EMD dominaba el mercado de locomotoras principales con sus locomotoras de las series E y F. A finales de la década de 1940, ALCO-GE produjo conmutadores y conmutadores de carreteras que tuvieron éxito en el mercado de corta distancia. Sin embargo, EMD lanzó sus locomotoras de conmutación de carretera de la serie GP en 1949, que desplazaron a todas las demás locomotoras en el mercado de transporte de mercancías, incluidas sus propias locomotoras de la serie F. Posteriormente, GE disolvió su asociación con ALCO y surgiría como el principal competidor de EMD a principios de la década de 1960, y finalmente arrebató a EMD la primera posición en el mercado de locomotoras.
Las primeras locomotoras diésel-eléctricas de Estados Unidos utilizaban motores de tracción de corriente continua (CC), pero los motores de corriente alterna (CA) se generalizaron en la década de 1990, comenzando con la Electro-Motive SD70MAC en 1993 y seguida por la AC4400CW de General Electric en 1994 y AC6000CW en 1995. [37]
El Ferrocarril Transaustraliano construido entre 1912 y 1917 por Commonwealth Railways (CR) atraviesa 2.000 km de terreno desértico sin agua (o con agua salada) inadecuado para locomotoras de vapor. El ingeniero original Henry Deane imaginó el funcionamiento con diésel para superar estos problemas. [38] Algunos han sugerido que CR trabajó con los Ferrocarriles del Sur de Australia para probar la tracción diésel. [39] Sin embargo, la tecnología no se desarrolló lo suficiente como para ser confiable.
Como en Europa, el uso de motores de combustión interna avanzó más rápidamente en los vagones autopropulsados que en las locomotoras:
Una locomotora diésel-mecánica utiliza una transmisión mecánica similar a la empleada en la mayoría de los vehículos de carretera. Este tipo de transmisión generalmente se limita a locomotoras de maniobra (conmutación) de baja potencia y baja velocidad , unidades múltiples livianas y vagones autopropulsados .
Las transmisiones mecánicas utilizadas para la propulsión ferroviaria son generalmente más complejas y mucho más robustas que las versiones estándar de carretera. Generalmente hay un acoplamiento de fluido interpuesto entre el motor y la caja de cambios, y la caja de cambios suele ser del tipo epicíclico (planetario) para permitir cambios bajo carga. Se han ideado varios sistemas para minimizar la rotura de la transmisión durante el cambio de marcha, por ejemplo, la caja de cambios SSS (synchro-self-shifting) utilizada por Hudswell Clarke .
La propulsión diésel-mecánica está limitada por la dificultad de construir una transmisión de tamaño razonable capaz de hacer frente a la potencia y el par necesarios para mover un tren pesado. Se han realizado varios intentos de utilizar la propulsión diésel-mecánica en aplicaciones de alta potencia (por ejemplo, la locomotora British Rail 10100 de 1.500 kW (2.000 hp ), aunque ninguno ha tenido éxito al final.
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En una locomotora diésel-eléctrica , el motor diésel acciona un generador eléctrico de CC (generalmente, menos de 3000 hp (2200 kW) netos para tracción) o un alternador-rectificador eléctrico de CA (generalmente 3000 hp netos o más para tracción), cuya salida proporciona energía a los motores de tracción que accionan la locomotora. No existe conexión mecánica entre el motor diésel y las ruedas.
Los componentes importantes de la propulsión diésel-eléctrica son el motor diésel (también conocido como motor primario ), el generador principal/alternador-rectificador, los motores de tracción (normalmente con cuatro o seis ejes) y un sistema de control que consta del regulador del motor y Componentes eléctricos o electrónicos, incluidos conmutadores , rectificadores y otros componentes, que controlan o modifican el suministro eléctrico a los motores de tracción. En el caso más elemental, el generador se puede conectar directamente a los motores con sólo un interruptor muy sencillo.
Originalmente, los motores de tracción y el generador eran máquinas de corriente continua . Tras el desarrollo de rectificadores de silicio de alta capacidad en la década de 1960, el generador de CC fue reemplazado por un alternador que utilizaba un puente de diodos para convertir su salida a CC. Este avance mejoró enormemente la confiabilidad de la locomotora y disminuyó los costos de mantenimiento del generador mediante la eliminación del conmutador y las escobillas del generador. La eliminación de las escobillas y el conmutador, a su vez, eliminó la posibilidad de un tipo de evento particularmente destructivo conocido como descarga disruptiva (también conocido como falla de arco ), que podría resultar en una falla inmediata del generador y, en algunos casos, arrancar un motor. fuego de la habitación.
La práctica actual en América del Norte es utilizar cuatro ejes para pasajeros de alta velocidad o carga "por tiempo", o seis ejes para carga "manifiesta" o de menor velocidad. Las unidades más modernas en el servicio de carga "por tiempo" suelen tener seis ejes debajo del bastidor. A diferencia de las que están en servicio "manifiesto", las unidades de carga "de tiempo" tendrán sólo cuatro de los ejes conectados a motores de tracción, y los otros dos como ejes locos para la distribución del peso.
A finales de la década de 1980, el desarrollo de variadores de tensión/frecuencia variable (VVVF) de alta potencia , o "inversores de tracción", permitió el uso de motores de tracción de CA polifásicos, eliminando así también el conmutador y las escobillas del motor. El resultado es un variador más eficiente y confiable que requiere relativamente poco mantenimiento y es más capaz de hacer frente a condiciones de sobrecarga que a menudo destruían los tipos de motores más antiguos.
La potencia de salida de una locomotora diésel-eléctrica es independiente de la velocidad de la carretera, siempre que no se excedan los límites de corriente y voltaje del generador de la unidad. Por tanto, la capacidad de la unidad para desarrollar esfuerzo de tracción (también denominado tracción de barra de tiro o fuerza de tracción , que es lo que realmente impulsa el tren) tenderá a variar inversamente con la velocidad dentro de estos límites. (Ver curva de potencia a continuación). Mantener parámetros operativos aceptables fue una de las principales consideraciones de diseño que tuvieron que resolverse en el desarrollo inicial de las locomotoras diésel-eléctricas y, en última instancia, condujo a los complejos sistemas de control implementados en las unidades modernas.
La potencia de salida del motor primario está determinada principalmente por su velocidad de rotación ( RPM ) y el índice de combustible, que están regulados por un regulador o mecanismo similar. El gobernador está diseñado para reaccionar tanto a la configuración del acelerador, según lo determinado por el conductor del motor, como a la velocidad a la que está funcionando el motor primario (consulte Teoría de control ).
La potencia de salida de la locomotora y, por lo tanto, la velocidad, normalmente la controla el conductor del motor mediante un acelerador escalonado o "con muescas" que produce señales eléctricas binarias correspondientes a la posición del acelerador. Este diseño básico se presta bien para la operación de unidades múltiples (MU) al producir condiciones discretas que aseguran que todas las unidades en un conjunto respondan de la misma manera a la posición del acelerador. La codificación binaria también ayuda a minimizar la cantidad de líneas de tren (conexiones eléctricas) que se requieren para pasar señales de una unidad a otra. Por ejemplo, sólo se necesitan cuatro líneas de tren para codificar todas las posiciones posibles del acelerador si hay hasta 14 etapas de aceleración.
Las locomotoras norteamericanas, como las construidas por EMD o General Electric , tienen ocho posiciones de aceleración o "muescas", así como un "inversor" para permitirles operar bidireccionalmente. Muchas locomotoras fabricadas en el Reino Unido tienen un acelerador de diez posiciones. Los equipos de locomotoras suelen referirse a las posiciones de potencia según la configuración del acelerador, como "marcha 3" o "muesca 3".
En las locomotoras más antiguas, el mecanismo del acelerador tenía un trinquete para que no fuera posible avanzar más de una posición de potencia a la vez. El maquinista no podía, por ejemplo, tirar del acelerador desde la muesca 2 a la muesca 4 sin detenerse en la muesca 3. Esta característica estaba destinada a evitar un manejo brusco del tren debido a aumentos abruptos de potencia causados por el movimiento rápido del acelerador ("throttle stripping", un violación de las reglas de operación en muchos ferrocarriles). Las locomotoras modernas ya no tienen esta restricción, ya que sus sistemas de control pueden modular suavemente la potencia y evitar cambios repentinos en la carga del tren , independientemente de cómo el maquinista opera los controles.
Cuando el acelerador está en la posición de ralentí, el motor primario recibe una cantidad mínima de combustible, lo que hace que funcione en ralentí a bajas RPM. Además, los motores de tracción no están conectados al generador principal y los devanados de campo del generador no están excitados (energizados): el generador no produce electricidad sin excitación. Por tanto, la locomotora estará en punto muerto. Conceptualmente, esto es lo mismo que colocar la transmisión de un automóvil en punto muerto mientras el motor está en marcha.
Para poner la locomotora en movimiento, la palanca de control del inversor se coloca en la posición correcta (hacia adelante o hacia atrás), se suelta el freno y se mueve el acelerador a la posición de marcha 1 (la primera muesca de potencia). Un maquinista experimentado puede realizar estos pasos de forma coordinada, lo que dará como resultado un arranque casi imperceptible. La posición del inversor y el movimiento del acelerador juntos es conceptualmente como poner la transmisión automática de un automóvil en marcha mientras el motor está en ralentí.
Colocar el acelerador en la primera posición de potencia hará que los motores de tracción se conecten al generador principal y se exciten las bobinas de campo de este último. Con la excitación aplicada, el generador principal entregará electricidad a los motores de tracción, lo que generará movimiento. Si la locomotora va "ligera" (es decir, no acoplada al resto del tren) y no está en pendiente ascendente, acelerará fácilmente. Por otro lado, si se está poniendo en marcha un tren largo, la locomotora puede detenerse tan pronto como se haya recuperado parte de la holgura, ya que la resistencia impuesta por el tren excederá la fuerza de tracción que se está desarrollando. Un conductor de motor experimentado podrá reconocer una pérdida incipiente y avanzará gradualmente el acelerador según sea necesario para mantener el ritmo de aceleración.
A medida que el acelerador se mueve a niveles de potencia más altos, la tasa de combustible hacia el motor primario aumentará, lo que resultará en un aumento correspondiente en las RPM y la producción de caballos de fuerza. Al mismo tiempo, la excitación del campo del generador principal aumentará proporcionalmente para absorber la mayor potencia. Esto se traducirá en una mayor salida eléctrica a los motores de tracción, con el correspondiente aumento de la fuerza de tracción. Finalmente, dependiendo de las exigencias del horario del tren, el maquinista habrá movido el acelerador a la posición de máxima potencia y lo mantendrá allí hasta que el tren haya acelerado a la velocidad deseada.
El sistema de propulsión está diseñado para producir el máximo par del motor de tracción en el arranque, lo que explica por qué las locomotoras modernas son capaces de arrancar trenes que pesan más de 15.000 toneladas, incluso en pendientes ascendentes. La tecnología actual permite que una locomotora desarrolle hasta el 30% del peso del conductor cargado en fuerza de tracción, lo que equivale a 120.000 libras-fuerza (530 kN) de fuerza de tracción para una unidad grande de carga (mercancías) de seis ejes. De hecho, una combinación de tales unidades puede producir una fuerza de barra de tiro más que suficiente en el arranque para dañar o descarrilar los vagones (si están en una curva) o romper los acopladores (esto último se conoce en la jerga ferroviaria norteamericana como "sacudir un pulmón"). ). Por lo tanto, corresponde al conductor del motor controlar cuidadosamente la cantidad de potencia que se aplica en el arranque para evitar daños. En particular, "sacudir un pulmón" podría ser un asunto calamitoso si ocurriera en una pendiente ascendente, excepto que la seguridad inherente al funcionamiento correcto de los frenos de tren automáticos a prueba de fallas instalados en los vagones hoy en día evita que los trenes se desboquen aplicando automáticamente el vagón frena cuando cae la presión del aire en la línea del tren.
El sistema de control de una locomotora está diseñado para que la salida de energía eléctrica del generador principal coincida con cualquier velocidad del motor determinada. Dadas las características innatas de los motores de tracción, así como la forma en que los motores están conectados al generador principal, el generador producirá alta corriente y bajo voltaje a bajas velocidades de la locomotora, cambiando gradualmente a baja corriente y alto voltaje a medida que la locomotora acelera. . Por lo tanto, la potencia neta producida por la locomotora permanecerá constante para cualquier ajuste del acelerador ( consulte el gráfico de la curva de potencia para la muesca 8 ).
En diseños más antiguos, el regulador del motor primario y un dispositivo complementario, el regulador de carga, desempeñan un papel central en el sistema de control. El gobernador tiene dos entradas externas: velocidad solicitada del motor, determinada por la configuración del acelerador del conductor del motor, y velocidad real del motor ( retroalimentación ). El gobernador tiene dos salidas de control externas: configuración del inyector de combustible , que determina la tasa de combustible del motor, y posición del regulador de corriente, que afecta la excitación del generador principal. El gobernador también incorpora un mecanismo de protección contra exceso de velocidad separado que cortará inmediatamente el suministro de combustible a los inyectores y hará sonar una alarma en la cabina en caso de que el motor primario exceda unas RPM definidas. No todas estas entradas y salidas son necesariamente eléctricas.
A medida que cambia la carga sobre el motor, su velocidad de rotación también cambiará. Esto lo detecta el gobernador mediante un cambio en la señal de retroalimentación de la velocidad del motor. El efecto neto es ajustar tanto la tasa de combustible como la posición del regulador de carga de modo que las RPM y el par del motor (y por lo tanto la potencia de salida) permanezcan constantes para cualquier ajuste del acelerador, independientemente de la velocidad real de la carretera.
En los diseños más nuevos controlados por una "computadora de tracción", a cada paso de velocidad del motor se le asigna una potencia de salida adecuada, o "kW de referencia", en el software. La computadora compara este valor con la potencia de salida real del generador principal, o "retroalimentación en kW", calculada a partir de los valores de retroalimentación de la corriente del motor de tracción y del voltaje del generador principal. La computadora ajusta el valor de retroalimentación para que coincida con el valor de referencia controlando la excitación del generador principal, como se describió anteriormente. El gobernador todavía tiene control de la velocidad del motor, pero el regulador de carga ya no juega un papel central en este tipo de sistema de control. Sin embargo, el regulador de carga se conserva como "respaldo" en caso de sobrecarga del motor. Es posible que las locomotoras modernas equipadas con inyección electrónica de combustible (EFI) no tengan regulador mecánico; sin embargo, se conservan un regulador de carga y un gobernador "virtuales" con los módulos de computadora.
El rendimiento del motor de tracción se controla variando la salida de voltaje de CC del generador principal, para motores de CC, o variando la frecuencia y la salida de voltaje del VVVF para motores de CA. Con los motores de CC, se utilizan varias combinaciones de conexiones para adaptar el variador a diferentes condiciones de funcionamiento.
En estado parado, la salida del generador principal es inicialmente de bajo voltaje/alta corriente, a menudo superior a 1000 amperios por motor a plena potencia. Cuando la locomotora está parada o casi parada, el flujo de corriente estará limitado únicamente por la resistencia de CC de los devanados del motor y los circuitos de interconexión, así como por la capacidad del propio generador principal. El par en un motor bobinado en serie es aproximadamente proporcional al cuadrado de la corriente. De esta forma, los motores de tracción producirán su mayor par, haciendo que la locomotora desarrolle el máximo esfuerzo de tracción , permitiéndole superar la inercia del tren. Este efecto es análogo a lo que sucede en la transmisión automática de un automóvil al arrancar, donde está en primera marcha y, por lo tanto, produce la máxima multiplicación del par.
A medida que la locomotora acelera, las armaduras del motor que ahora giran comenzarán a generar una fuerza contraelectromotriz (EMF inverso, lo que significa que los motores también están tratando de actuar como generadores), que se opondrá a la salida del generador principal y provocará corriente en el motor de tracción. disminuir. El voltaje del generador principal aumentará correspondientemente en un intento de mantener la potencia del motor, pero eventualmente alcanzará una meseta. En este punto, la locomotora prácticamente dejará de acelerar, a menos que esté en una bajada de categoría. Dado que esta meseta generalmente se alcanzará a una velocidad sustancialmente menor que la máxima que se puede desear, se debe hacer algo para cambiar las características de la transmisión para permitir una aceleración continua. Este cambio se conoce como "transición", un proceso análogo al cambio de marchas en un automóvil.
Los métodos de transición incluyen:
Ambos métodos también se pueden combinar para aumentar el rango de velocidad de funcionamiento.
En locomotoras más antiguas, era necesario que el maquinista ejecutara la transición manualmente mediante el uso de un control separado. Como ayuda para realizar la transición en el momento adecuado, se calibró el medidor de carga (un indicador que muestra al conductor del motor cuánta corriente consumen los motores de tracción) para indicar en qué puntos debe tener lugar la transición hacia adelante o hacia atrás. Posteriormente se desarrolló la transición automática para producir una mejor eficiencia operativa y proteger el generador principal y los motores de tracción contra la sobrecarga debido a una transición inadecuada.
Las locomotoras modernas incorporan inversores de tracción , de CA a CC, capaces de entregar 1200 voltios (anteriores generadores de tracción , de CC a CC, eran capaces de entregar sólo 600 voltios). Esta mejora se logró en gran medida gracias a mejoras en la tecnología de diodos de silicio. Con la capacidad de entregar 1200 voltios a los motores de tracción, se eliminó la necesidad de "transición".
Una opción común en las locomotoras diésel-eléctricas es el frenado dinámico (reostático) .
El frenado dinámico aprovecha el hecho de que las armaduras del motor de tracción siempre están girando cuando la locomotora está en movimiento y que se puede hacer que un motor actúe como generador excitando por separado el devanado de campo. Cuando se utiliza el frenado dinámico, los circuitos de control de tracción se configuran de la siguiente manera:
El efecto agregado de lo anterior es hacer que cada motor de tracción genere energía eléctrica y la disipe en forma de calor en la rejilla de frenado dinámico. Un ventilador conectado a través de la red proporciona refrigeración por aire forzado. En consecuencia, el ventilador funciona con la salida de los motores de tracción y tenderá a funcionar más rápido y a producir más flujo de aire a medida que se aplica más energía a la rejilla.
En última instancia, la fuente de la energía disipada en la rejilla de frenado dinámico es el movimiento de la locomotora impartido a las armaduras del motor de tracción. Por tanto, los motores de tracción imponen resistencia y la locomotora actúa como freno. A medida que disminuye la velocidad, el efecto de frenado disminuye y generalmente se vuelve ineficaz por debajo de aproximadamente 16 km/h (10 mph), dependiendo de la relación de transmisión entre los motores de tracción y los ejes .
El frenado dinámico es especialmente beneficioso cuando se conduce en regiones montañosas, donde siempre existe el peligro de que se salga de control debido al sobrecalentamiento de los frenos de fricción durante el descenso. En tales casos, los frenos dinámicos generalmente se aplican junto con los frenos de aire , denominándose el efecto combinado como frenado combinado . El uso de frenado combinado también puede ayudar a mantener la holgura en un tren largo estirado cuando llega a la cima de una pendiente, lo que ayuda a evitar un "rodaje", una acumulación abrupta de holgura del tren que puede provocar un descarrilamiento. El frenado combinado también se utiliza comúnmente en los trenes de cercanías para reducir el desgaste de los frenos mecánicos, que es un resultado natural de las numerosas paradas que suelen realizar estos trenes durante un recorrido.
Estas locomotoras especiales pueden funcionar como locomotora eléctrica o como locomotora diésel. Long Island Rail Road , Metro-North Railroad y New Jersey Transit Rail Operations operan locomotoras de modo dual diésel-eléctrico/tercer carril ( catenaria en NJTransit) entre territorios no electrificados y la ciudad de Nueva York debido a una ley local que prohíbe el diésel- locomotoras propulsadas en túneles de Manhattan . Por la misma razón, Amtrak opera una flota de locomotoras de modo dual en el área de Nueva York. Locomotoras duales diésel-eléctricas/eléctricas operadas por British Rail diseñadas para funcionar principalmente como locomotoras eléctricas con potencia reducida disponible cuando funcionan con energía diésel. Esto permitió que los patios de ferrocarril permanecieran sin electricidad, ya que el sistema eléctrico del tercer carril es extremadamente peligroso en el área del patio.
Las locomotoras diésel-hidráulicas utilizan uno o más convertidores de par , en combinación con engranajes de relación fija. Los ejes de transmisión y los engranajes forman el mando final para transmitir la potencia de los convertidores de par a las ruedas y efectuar la marcha atrás. La diferencia entre los sistemas hidráulicos y mecánicos es donde se ajusta la velocidad y el par. En el sistema de transmisión mecánica que tiene múltiples relaciones como en una caja de cambios, si hay una sección hidráulica, es solo para permitir que el motor funcione cuando el tren está demasiado lento o parado. En el sistema hidráulico, el sistema hidráulico es el sistema principal para adaptar la velocidad y el par del motor a la situación del tren, con selección de marchas para uso limitado, como la marcha atrás.
Se han aplicado sistemas de accionamiento hidráulico que utilizan un sistema de accionamiento hidráulico hidrostático al uso ferroviario. Los ejemplos modernos incluyeron locomotoras de maniobras de 350 a 750 hp (260 a 560 kW) de Cockerill (Bélgica), [43] locomotoras industriales de vía estrecha de 4 a 12 toneladas de 35 a 58 kW (47 a 78 hp) de GIA, filial de Atlas Copco . [44] Los accionamientos hidrostáticos también se utilizan en máquinas de mantenimiento ferroviario (apisonadores, rectificadoras de rieles). [45]
La aplicación de las transmisiones hidrostáticas generalmente se limita a pequeñas locomotoras de maniobras y equipos de mantenimiento ferroviario, además de usarse para aplicaciones no tractoras en motores diésel, como accionamientos para ventiladores de motores de tracción. [ cita necesaria ]
La transmisión hidrocinética (también llamada transmisión hidrodinámica) utiliza un convertidor de par . Un convertidor de par consta de tres partes principales, dos de las cuales giran y una (el estator ) que tiene un bloqueo que evita la rotación hacia atrás y agrega par de salida al redirigir el flujo de aceite a bajas RPM de salida. Las tres piezas principales están selladas en una carcasa llena de aceite. Para hacer coincidir la velocidad del motor con la velocidad de carga en todo el rango de velocidades de una locomotora, se requiere algún método adicional para brindar un rango suficiente. Un método consiste en seguir el convertidor de par con una caja de cambios mecánica que cambia las relaciones automáticamente, similar a una transmisión automática en un automóvil. Otro método consiste en proporcionar varios convertidores de par, cada uno con un rango de variabilidad que cubra parte del total requerido; todos los convertidores de par están conectados mecánicamente en todo momento, y se selecciona el adecuado para el rango de velocidad requerido llenándolo de aceite y drenando los demás. El llenado y vaciado se realiza con la transmisión bajo carga, y da como resultado cambios de gama muy suaves sin interrupción de la potencia transmitida.
Las locomotoras diésel-hidráulicas son menos eficientes que las diésel-eléctricas. Los sistemas hidráulicos diésel BR de primera generación eran significativamente menos eficientes (c. 65%) que los diésel eléctricos (c. 80%), [ cita necesaria ] Además, en muchos países se descubrió que las versiones iniciales eran mecánicamente más complicadas y más propensas a romperse. abajo. [ cita necesaria ] La transmisión hidráulica para locomotoras se desarrolló en Alemania. [ cita necesaria ] Todavía existe un debate sobre los méritos relativos de los sistemas de transmisión hidráulica frente a los eléctricos: las ventajas reclamadas para los sistemas hidráulicos incluyen menor peso, alta confiabilidad y menor costo de capital. [ cita necesaria ]
En el siglo XXI, para la tracción de locomotoras diésel en todo el mundo, la mayoría de los países utilizaban diseños diésel-eléctricos, y los diseños diésel-hidráulicos no se encuentran en uso fuera de Alemania y Japón, y algunos estados vecinos, donde se utiliza en diseños para trabajos de transporte.
En Alemania y Finlandia los sistemas diésel-hidráulicos han logrado una alta fiabilidad en su funcionamiento. [ cita necesaria ] En el Reino Unido, el principio diésel-hidráulico ganó mala reputación debido a la escasa durabilidad y confiabilidad de la transmisión hidráulica Maybach Mekydro . [ cita necesaria ] Continúa la discusión sobre la confiabilidad relativa de los sistemas hidráulicos, con preguntas sobre si los datos han sido manipulados para favorecer a los proveedores locales sobre los no alemanes. [ cita necesaria ]
Las locomotoras diésel-hidráulicas tienen una cuota de mercado menor que aquellas con transmisión diésel-eléctrica: el principal usuario mundial de transmisiones hidráulicas de línea principal fue la República Federal de Alemania , con diseños que incluyen la DB clase V 200 de los años 1950 y las DB de los años 1960 y 1970. Familia Clase V 160 . British Rail introdujo una serie de diseños diésel-hidráulicos durante su Plan de Modernización de 1955 , inicialmente versiones construidas bajo licencia de diseños alemanes (ver Categoría: Locomotoras diésel-hidráulicas de Gran Bretaña ). En España, Renfe utilizó diseños alemanes bimotores de alta relación potencia-peso para transportar trenes de alta velocidad entre los años 1960 y 1990. (Ver Renfe Clases 340 , 350 , 352 , 353 , 354 )
Otras locomotoras principales del período de posguerra incluyeron las locomotoras experimentales GMD GMDH-1 de la década de 1950; Henschel & Son construyó la Clase 61-000 sudafricana ; En la década de 1960, Southern Pacific compró 18 locomotoras diésel-hidráulicas Krauss-Maffei KM ML-4000 . Denver & Rio Grande Western Railroad también compró tres, los cuales luego se vendieron a SP. [47]
En Finlandia, desde principios de la década de 1960 se han utilizado continuamente más de 200 sistemas hidráulicos diésel VR clase Dv12 y Dr14 fabricados en Finlandia con transmisiones Voith . Todas las unidades de clase Dr14 y la mayoría de las unidades de clase Dv12 todavía están en servicio. VR ha abandonado algunas unidades defectuosas de la serie 2700 Dv12. [48]
En la producción en serie del siglo XXI, los diseños diésel-hidráulicos de ancho estándar incluyen el Voith Gravita , encargado por Deutsche Bahn , y los diseños Vossloh G2000 BB , G1206 y G1700 , todos fabricados en Alemania para uso de carga.
La propulsión diésel-hidráulica es común en varias unidades, y se utilizan varios diseños de transmisión, incluidos convertidores de par Voith y acoplamientos de fluido en combinación con engranajes mecánicos.
La mayoría de las DMU de pasajeros de segunda generación de British Rail utilizaban transmisión hidráulica. En el siglo XXI, los diseños que utilizan transmisión hidráulica incluyen las familias Turbostar , Talent y RegioSwinger de Bombardier ; versiones con motor diésel de la plataforma Siemens Desiro y el Stadler Regio-Shuttle .
Las locomotoras híbridas de vapor y diésel pueden utilizar vapor generado por una caldera o diésel para impulsar un motor de pistón. El sistema de vapor comprimido de Cristiani utilizaba un motor diésel para alimentar un compresor que impulsaba y recirculaba el vapor producido por una caldera; utilizar eficazmente el vapor como medio de transmisión de potencia, siendo el motor diésel el motor principal [49]
La locomotora diésel-neumática despertó interés en los años 30 porque ofrecía la posibilidad de convertir las locomotoras de vapor existentes al funcionamiento diésel. Se conservarían el bastidor y los cilindros de la locomotora de vapor y la caldera se sustituiría por un motor diésel que accionaría un compresor de aire . El problema era la baja eficiencia térmica debido a la gran cantidad de energía desperdiciada en forma de calor en el compresor de aire. Se intentó compensar esto utilizando el escape diésel para recalentar el aire comprimido, pero tuvo un éxito limitado. Una propuesta alemana de 1929 dio como resultado un prototipo [50] pero una propuesta británica similar de 1932, para utilizar una locomotora LNER Clase R1 , nunca pasó de la etapa de diseño.
La mayoría de las locomotoras diésel son capaces de funcionar con unidades múltiples (MU) como medio para aumentar la potencia y el esfuerzo de tracción al transportar trenes pesados. Todas las locomotoras norteamericanas, incluidos los modelos de exportación, utilizan un sistema de control eléctrico AAR estandarizado interconectado por un cable MU de 27 pines entre las unidades. Para las locomotoras fabricadas en el Reino Unido, se utilizan varios sistemas de control incompatibles, pero el más común es el sistema Blue Star, que es electroneumático y está instalado en la mayoría de las primeras clases de diésel. Un pequeño número de tipos, normalmente locomotoras de mayor potencia destinadas al trabajo exclusivo de pasajeros, no tienen sistemas de control múltiples. En todos los casos, las conexiones de control eléctrico comunes a todas las unidades de un conjunto se denominan líneas de tren. El resultado es que todas las locomotoras de un grupo se comportan como una sola en respuesta a los movimientos de control del maquinista.
La capacidad de acoplar locomotoras diésel-eléctricas en forma MU se introdujo por primera vez en el EMC EA/EB de 1937. Se realizaron interconexiones eléctricas para que un maquinista pudiera operar todo el conjunto desde la unidad de cabecera.
En las regiones montañosas, es común interponer locomotoras auxiliares en el medio del tren, tanto para proporcionar la potencia adicional necesaria para subir una pendiente como para limitar la cantidad de tensión aplicada al tren de tiro del vagón acoplado a la cabecera. fuerza. Las unidades auxiliares en dichas configuraciones de energía distribuida se controlan desde la cabina de la unidad principal a través de señales de radio codificadas. Aunque técnicamente no se trata de una configuración MU, el comportamiento es el mismo que con las unidades físicamente interconectadas.
La disposición de la cabina varía según el constructor y el operador. La práctica en los EE. UU. ha sido tradicionalmente colocar una cabina en un extremo de la locomotora con visibilidad limitada si la locomotora no se maneja con la cabina hacia adelante. Esto no suele ser un problema, ya que las locomotoras estadounidenses suelen funcionar en parejas o en grupos de tres y están dispuestas de manera que haya una cabina en cada extremo de cada juego. La práctica europea suele ser la de colocar una cabina en cada extremo de la locomotora, ya que los trenes suelen ser lo suficientemente ligeros como para funcionar con una sola locomotora. La práctica inicial en EE. UU. era agregar unidades de potencia sin cabina ( unidades de refuerzo o B ) y la disposición era a menudo AB, AA, ABA, ABB o ABBA, donde A era una unidad con cabina. A veces se utilizaban cabinas centrales para locomotoras de cambio.
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En los ferrocarriles norteamericanos, un conjunto vaca-ternero es un par de locomotoras tipo conmutador: una (la vaca) equipada con una cabina de conducción, la otra (el ternero) sin cabina y controlada desde la vaca a través de cables. Los conjuntos vaca-ternero se utilizan en trabajos pesados de cambio y servicio de joroba en el patio . Algunos se controlan por radio sin que haya un ingeniero operativo presente en la cabina. Esta disposición también se conoce como maestro-esclavo . Cuando había dos unidades conectadas, EMD las llamaba TR-2 (aproximadamente 2000 hp o 1500 kW); donde tres unidades, TR-3 (aproximadamente 3.000 hp o 2.200 kW).
Las terneras han desaparecido en gran medida ya que estas combinaciones de motores excedieron su vida útil hace muchos años.
La práctica actual en América del Norte es combinar dos conmutadores de carreteras GP40-2 o SD40-2 de 3.000 hp , a menudo casi desgastados y muy pronto listos para su reconstrucción o desguace, y utilizarlos para usos llamados de "transferencia", para los cuales el Los motores TR-2, TR-3 y TR-4 estaban destinados originalmente, de ahí la designación TR, para "transferencia".
Ocasionalmente, a la segunda unidad se le puede quitar el motor primario y el alternador de tracción y reemplazarlos por lastre de concreto o acero y la energía para la tracción se obtiene de la unidad maestra. Como un motor de 16 cilindros generalmente pesa en el rango de 36 000 libras (16 000 kg) y un alternador de tracción de 3000 hp generalmente pesa en el rango de 18 000 libras (8200 kg), esto significaría que 54 000 lb (24 000 kg) Se necesitaría para lastre.
Un par de unidades "Dash 2" totalmente capaces tendrían una potencia de 6.000 hp (4.500 kW). Un par "Dash 2" donde solo uno tuviera un motor primario/alternador tendría una potencia de 3000 hp, con toda la potencia proporcionada por el maestro, pero la combinación se beneficia del esfuerzo de tracción proporcionado por el esclavo ya que los motores en servicio de transferencia rara vez se utilizan. para ofrecer 3.000 CV y mucho menos 6.000 CV de forma continuada.
Una locomotora diésel estándar presenta un riesgo de incendio muy bajo, pero la "prueba de fuego" puede reducir el riesgo aún más. Esto implica colocar una caja llena de agua en el tubo de escape para apagar las partículas de carbón al rojo vivo que puedan emitirse. Otras precauciones pueden incluir un sistema eléctrico completamente aislado (ninguno de los lados conectado a tierra al marco) y todo el cableado eléctrico encerrado en un conducto.
La locomotora diésel ignífuga ha sustituido a la locomotora de vapor sin fuego en zonas con alto riesgo de incendio, como refinerías de petróleo y depósitos de municiones . Los ejemplos conservados de locomotoras diésel a prueba de llamas incluyen:
El último desarrollo del "Nuevo sistema de tratamiento de tipo seco de gases de escape aplicado a vehículos diésel a prueba de llamas" no necesita suministro de agua. [52]
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Las luces instaladas en las locomotoras diésel varían de un país a otro. Las locomotoras norteamericanas están equipadas con dos faros (por seguridad en caso de que uno funcione mal) y un par de luces de cuneta. Estos últimos están instalados en la parte delantera baja y están diseñados para que la locomotora sea fácilmente visible cuando se aproxima a un paso a nivel . Las locomotoras más antiguas pueden estar equipadas con Gyralite o Mars Light en lugar de las luces de cuneta.
Aunque las locomotoras diésel generalmente emiten menos dióxido de azufre, un importante contaminante del medio ambiente y gases de efecto invernadero, que las locomotoras de vapor, no son completamente limpias en ese sentido. [53] Además, al igual que otros vehículos propulsados por diésel, emiten óxidos de nitrógeno y partículas finas , que suponen un riesgo para la salud pública. De hecho, en este último aspecto las locomotoras diésel pueden tener peores resultados que las de vapor.
Durante años, los científicos del gobierno estadounidense que miden la contaminación del aire pensaron que los motores de las locomotoras diésel eran relativamente limpios y emitían muchas menos emisiones peligrosas para la salud que los de los camiones u otros vehículos diésel; sin embargo, los científicos descubrieron que debido a que utilizaron estimaciones erróneas de la cantidad de combustible consumida por las locomotoras diésel, subestimaron enormemente la cantidad de contaminación generada anualmente. Después de revisar sus cálculos, concluyeron que las emisiones anuales de óxido de nitrógeno, un ingrediente importante del smog y la lluvia ácida , y de hollín serían para 2030 casi el doble de lo que supusieron originalmente. [54] [55] En Europa, donde la mayoría de los principales ferrocarriles han sido electrificados, hay menos preocupación.
Esto significaría que en los EE.UU. las locomotoras diésel emitirían más de 800.000 toneladas de óxido de nitrógeno y 25.000 toneladas de hollín cada año dentro de un cuarto de siglo, frente a las proyecciones anteriores de la EPA de 480.000 toneladas de dióxido de nitrógeno y 12.000 toneladas de Hollín. Desde que se descubrió esto, para reducir los efectos de la locomotora diésel en los humanos (que respiran las emisiones nocivas) y en las plantas y animales, se considera práctico instalar trampas en los motores diésel para reducir los niveles de contaminación [56] y otros métodos. de control de la contaminación (por ejemplo, uso de biodiesel ).
La contaminación de las locomotoras diésel ha sido motivo de especial preocupación en la ciudad de Chicago . El Chicago Tribune informó que los niveles de hollín diésel dentro de las locomotoras que salen de Chicago eran cientos de veces superiores a los que normalmente se encuentran en las calles exteriores. [57] Los residentes de varios vecindarios probablemente estén expuestos a emisiones de diésel a niveles varias veces superiores al promedio nacional de las áreas urbanas. [58]
En 2008, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) impuso regulaciones que exigen que todas las locomotoras diésel nuevas o reacondicionadas cumplan con los estándares de contaminación Nivel II que reducen la cantidad de hollín permitido en un 90% y requieren una reducción del 80% en las emisiones de óxido de nitrógeno . Ver Listado de locomotoras de bajas emisiones .
Otras tecnologías que se están implementando para reducir las emisiones de las locomotoras y el consumo de combustible incluyen locomotoras de conmutación "Genset" y diseños híbridos Green Goat . Las locomotoras con grupo electrógeno utilizan varios motores diésel y generadores (grupos electrógenos) de alta velocidad más pequeños, en lugar de un único motor diésel de velocidad media y un único generador. [59] Debido al costo de desarrollar motores limpios, estos motores más pequeños de alta velocidad se basan en motores de camión ya desarrollados. Las Green Goats son un tipo de locomotora de conmutación híbrida que utiliza un pequeño motor diésel y un gran banco de baterías recargables. [60] [61] Las locomotoras de conmutación son motivo de especial preocupación, ya que normalmente operan en un área limitada, a menudo en o cerca de centros urbanos, y pasan gran parte de su tiempo inactivas. Ambos diseños reducen la contaminación por debajo de los estándares Tier II de la EPA y reducen o eliminan las emisiones durante el ralentí.
A medida que avanzaron las locomotoras diésel, el costo de fabricarlas y operarlas disminuyó, y su propiedad y operación se volvieron más baratas que las locomotoras de vapor. En América del Norte, las locomotoras de vapor se fabricaban a medida para rutas ferroviarias específicas, por lo que era difícil lograr economías de escala. [62] Aunque era más complejo de producir con tolerancias de fabricación exigentes ( 1 ⁄ 10000 pulgadas o 0,0025 milímetros para el diésel, en comparación con 1 ⁄ 100 pulgadas (0,25 mm) para el vapor), las piezas de locomotoras diésel eran más fáciles de producir en masa. Baldwin Locomotive Works ofrecía casi 500 modelos de vapor en su apogeo, mientras que EMD ofrecía menos de diez variedades diésel. [63] En el Reino Unido, los ferrocarriles británicos construyeron locomotoras de vapor con diseños estándar a partir de 1951. Estas incluían piezas estándar e intercambiables, lo que hacía que su producción fuera más barata que las locomotoras diésel disponibles en ese momento. El costo de capital por caballo de fuerza en la barra de tiro fue de £ 13 6 chelines (vapor), £ 65 (diesel), £ 69 7 chelines (turbina) y £ 17 13 chelines (eléctrico). [64]
Las locomotoras diésel ofrecen importantes ventajas operativas sobre las locomotoras de vapor. [65] Pueden ser operadas de manera segura por una sola persona, lo que las hace ideales para tareas de conmutación/maniobras en patios (aunque por razones de seguridad muchas locomotoras diésel de línea principal siguen teniendo tripulaciones de dos personas: un maquinista y un conductor/guardavías) y el entorno operativo es mucho más atractivo, más silencioso, totalmente resistente a la intemperie y sin la suciedad y el calor que son una parte inevitable del funcionamiento de una locomotora de vapor. Las locomotoras diésel pueden funcionar en grupo con un solo equipo controlando varias locomotoras en un solo tren, algo que no es práctico con las locomotoras de vapor. Esto aportó mayores eficiencias al operador, ya que las locomotoras individuales podían tener una potencia relativamente baja para usarse como una sola unidad en tareas livianas, pero agrupadas para proporcionar la potencia necesaria en un tren pesado. Con la tracción a vapor, se necesitaba una única locomotora muy potente y costosa para los trenes más pesados, o el operador recurría al doble rumbo con múltiples locomotoras y tripulaciones, método que también era costoso y traía consigo sus propias dificultades operativas.
Los motores diésel se pueden arrancar y detener casi instantáneamente, lo que significa que una locomotora diésel no puede generar costes de combustible cuando no se utiliza. Sin embargo, todavía es práctica de los grandes ferrocarriles norteamericanos utilizar agua pura como refrigerante en los motores diésel en lugar de refrigerantes que incorporan propiedades anticongelantes; esto da como resultado que las locomotoras diésel queden inactivas cuando están estacionadas en climas fríos en lugar de apagarse por completo. Un motor diésel puede dejarse en ralentí sin supervisión durante horas o incluso días, especialmente porque prácticamente todos los motores diésel utilizados en locomotoras tienen sistemas que apagan automáticamente el motor si se producen problemas como pérdida de presión de aceite o pérdida de refrigerante. Hay disponibles sistemas de arranque/parada automáticos que monitorean las temperaturas del refrigerante y del motor. Cuando la unidad está a punto de congelarse el refrigerante, el sistema reinicia el motor diésel para calentar el refrigerante y otros sistemas. [66]
Las locomotoras de vapor requieren mantenimiento, lubricación y limpieza intensivos antes, durante y después de su uso. Preparar y encender una locomotora de vapor para su uso en frío puede llevar muchas horas. Se pueden mantener listos entre usos con fuego bajo, pero esto requiere avivarlos regularmente y prestar atención frecuente para mantener el nivel de agua en la caldera. Esto puede ser necesario para evitar que el agua de la caldera se congele en climas fríos, siempre y cuando el suministro de agua no esté congelado. Después de su uso, una locomotora de vapor requiere una larga operación de eliminación para realizar limpieza, inspección, mantenimiento y recarga de agua y combustible antes de que esté lista para su siguiente servicio. Por el contrario, ya en 1939, EMD promocionaba su locomotora de la serie FT como si no necesitara mantenimiento entre las inspecciones de 30 días más allá del reabastecimiento de combustible y las comprobaciones básicas de nivel de líquido y seguridad que se podían realizar con el motor primario aún en funcionamiento. Los ferrocarriles que pasaron del funcionamiento a vapor al diésel en las décadas de 1940 y 1950 descubrieron que, durante un período determinado, las locomotoras diésel estaban disponibles durante, en promedio, tres o cuatro veces más horas rentables que las locomotoras de vapor equivalentes, lo que permitió reducir drásticamente el tamaño de las flotas de locomotoras. manteniendo la capacidad operativa. [ cita necesaria ]
Los costos de mantenimiento y operación de las locomotoras de vapor eran mucho más altos que los de las diésel. Los costes anuales de mantenimiento de las locomotoras de vapor representaron el 25% del precio de compra inicial. Las piezas de repuesto se fabricaron a partir de maestros de madera para locomotoras específicas. La gran cantidad de locomotoras de vapor únicas significaba que no había forma viable de mantener los inventarios de repuestos. [67] Con las locomotoras diésel, las piezas de repuesto podrían producirse en masa y mantenerse en stock listas para su uso y muchas piezas y subconjuntos podrían estandarizarse en toda la flota de un operador utilizando diferentes modelos de locomotoras del mismo constructor. Los motores de locomotoras diésel modernos están diseñados para permitir que los conjuntos de potencia (sistemas de piezas de trabajo y sus interfaces de bloque) se reemplacen mientras se mantiene el bloque principal en la locomotora, lo que reduce en gran medida el tiempo que una locomotora está fuera de servicio generador de ingresos cuando requiere mantenimiento. [34]
Las máquinas de vapor requerían grandes cantidades de carbón y agua, lo que generaba elevados costes operativos variables. [68] Además, la eficiencia térmica del vapor era considerablemente menor que la de los motores diésel. Los estudios teóricos del diésel demostraron eficiencias térmicas potenciales para un motor de encendido por compresión del 36% (en comparación con el 6-10% para el vapor), y un prototipo de un cilindro de 1897 funcionó con una notable eficiencia del 26%. [69]
Sin embargo, un estudio publicado en 1959 sugirió que muchas de las comparaciones entre las locomotoras diésel y de vapor se hicieron injustamente, principalmente porque las diésel eran una tecnología más nueva. Después de un análisis minucioso de los registros financieros y el progreso tecnológico, el autor descubrió que si se hubiera continuado la investigación sobre la tecnología de vapor en lugar de diésel, el beneficio financiero de la conversión a la locomoción diésel sería insignificante. [70]
A mediados de la década de 1960, las locomotoras diésel habían reemplazado efectivamente a las locomotoras de vapor donde no se utilizaba tracción eléctrica. [68] Los intentos de desarrollar tecnología avanzada de vapor continúan en el siglo XXI, pero no han tenido un efecto significativo.
Se ha montado un pequeño motor de dos cilindros en un camión, que se trabaja en una línea temporal de rieles, para mostrar la adaptación de un motor de petróleo con fines de locomotora, en tranvías
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{{citation}}: Falta o está vacío |title=( ayuda )En cierto sentido, una autoridad portuaria fue el primer usuario de una locomotora con motor de petróleo, ya que fue en los muelles de Hull del Ferrocarril del Noreste donde la locomotora Priestman puso en su corto período de servicio en 1894
{{citation}}: Falta o está vacío |title=( ayuda )El diésel tiene una historia bastante larga, y el primero funcionó ya en 1894. Se trataba de una pequeña locomotora de dos ejes y 30 caballos de fuerza, de vía estándar y con un motor de dos cilindros, diseñada por William Dent Priestman.
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