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La vía férrea o vía permanente son los elementos propios de las líneas ferroviarias : generalmente los pares de carriles tendidos típicamente sobre las traviesas o traviesas embebidas en balasto, destinados a transportar los trenes ordinarios de un ferrocarril. Se describe como una vía permanente porque, en los primeros días de la construcción del ferrocarril, los contratistas solían colocar una vía temporal para transportar desechos y materiales por el sitio; cuando este trabajo estuvo sustancialmente completado, se tomó la vía temporal y se instaló la vía permanente.
Las primeras vías consistían en rieles de madera sobre traviesas transversales de madera, lo que ayudaba a mantener el espacio entre los rieles. Siguieron varios desarrollos, con placas de hierro fundido colocadas sobre los rieles de madera y más tarde placas de hierro forjado o placas angulares de hierro forjado ( escuadras de hierro como rieles de placas en forma de L). Los carriles también se fijaron individualmente a hileras de bloques de piedra, sin tirantes transversales para mantener una correcta separación. Este sistema también planteaba problemas, ya que los bloques podían moverse individualmente. La primera versión del sistema de ancho de vía de 7 pies ( 2134 mm ) de Isambard Kingdom Brunel utilizaba rieles colocados sobre traviesas longitudinales cuyo ancho de vía y elevación estaban fijados atados a pilotes (conceptualmente similar a un puente de pilotes ), pero esta disposición era caro y Brunel pronto lo reemplazó con lo que se convirtió en la clásica vía de ancho ancho, en la que se prescindieron de los pilotes y los travesaños, similares a las traviesas, mantuvieron el ancho del carril. Hoy en día, la mayoría de las vías férreas utilizan el sistema estándar de rieles y traviesas; El riel de escalera se utiliza en algunas aplicaciones.
Los avances en las tecnologías de fabricación han dado lugar a cambios en el diseño, fabricación e instalación de rieles, traviesas y medios de fijación. Los rieles de hierro fundido, de 1,2 m (4 pies) de largo, comenzaron a usarse en la década de 1790 y en 1820, se usaban rieles de hierro forjado de 4,6 m (15 pies) de largo. Los primeros rieles de acero se fabricaron en 1857 y la longitud de los rieles estándar aumentó con el tiempo de 30 a 60 pies (9,1 a 18,3 m). Los rieles generalmente se especificaban por unidades de peso por longitud lineal y estos también aumentaron. Las traviesas de ferrocarril se fabricaban tradicionalmente con maderas duras tratadas con creosota y esto continuó hasta los tiempos modernos. Los rieles soldados continuos se introdujeron en Gran Bretaña a mediados de la década de 1960, seguido de la introducción de traviesas de hormigón.
El primer uso de una vía férrea parece haber estado relacionado con la minería en Alemania en el siglo XII. [2] Los pasillos de las minas generalmente estaban húmedos y embarrados, y mover túmulos de mineral a lo largo de ellos era extremadamente difícil. Se realizaron mejoras colocando tablones de madera para que la mano de obra pudiera arrastrar contenedores con ruedas. En el siglo XVI, la dificultad de mantener el carro en línea recta se resolvió colocando un alfiler en un espacio entre las tablas. [3] Georg Agricola describe carros en forma de caja, llamados "perros", aproximadamente la mitad del tamaño de una carretilla, equipados con un pasador vertical romo y rodillos de madera que se desplazan sobre ejes de hierro. [4] Un ejemplo de esto de la época isabelina ha sido descubierto en Silvergill en Cumbria , Inglaterra, [5] y probablemente también estaban en uso en las cercanas Mines Royal de Grasmere, Newlands y Caldbeck. [6] Donde el espacio lo permitía, se instalaban vías de madera de sección redonda para el paso de camiones con ruedas con pestañas: un cuadro del año 1544 del artista flamenco Lucas Gassel muestra una mina de cobre con vías de este tipo saliendo de un túnel . [7] [ verificación fallida ]
Se desarrolló un sistema diferente en Inglaterra, probablemente a finales del siglo XVI, cerca de Broseley para transportar carbón desde las minas, a veces minas de deriva, por la ladera de Severn Gorge hasta el río Severn . Este, probablemente un plano inclinado arrastrado por cuerdas, existía "mucho antes" de 1605. [8] Probablemente precedió al Wollaton Wagonway de 1604, que hasta ahora se considera el primero. [9] [10]
En Shropshire, el ancho de vía solía ser estrecho para permitir que los vagones pudieran ser llevados bajo tierra en minas a la deriva. Sin embargo, con diferencia el mayor número de vías para vagones estaban cerca de Newcastle upon Tyne , donde un solo vagón era arrastrado por un caballo en una vía de aproximadamente el ancho estándar moderno. Estos llevaban el carbón desde la boca del pozo hasta una estación , donde el carbón se cargaba en barcos fluviales llamados quillas. [11]
El desgaste de los rieles de madera fue un problema. Se podían renovar dándoles la vuelta, pero había que sustituirlos periódicamente. A veces, el riel se hacía en dos partes, de modo que la parte superior pudiera reemplazarse fácilmente cuando estuviera desgastada. Los rieles estaban unidos por traviesas de madera, cubiertas con lastre para proporcionar una superficie sobre la que caminara el caballo. [ cita necesaria ]
Se podían colocar tiras de hierro fundido sobre rieles de madera, y el uso de tales materiales probablemente ocurrió en 1738, pero hay afirmaciones de que esta tecnología se remonta a 1716. [12] En 1767, la herrería Ketley comenzó a producir placas de hierro fundido , que se fijaron a la parte superior de los rieles de madera con clavos, para proporcionar una superficie de carrera más duradera. Esta construcción se conocía como riel de correa de hierro (o riel de correa) y se usó ampliamente en los ferrocarriles anteriores a la era de vapor en los Estados Unidos. [13] [14] Aunque eran relativamente baratos y rápidos de construir, no eran adecuados para cargas pesadas y requerían "mantenimiento excesivo". Las ruedas del tren que rodaban sobre las púas las aflojaron, permitiendo que el riel se liberara y se curvara hacia arriba lo suficiente como para que una rueda de automóvil pudiera pasar por debajo y forzar el extremo del riel hacia arriba a través del piso del vagón, retorciéndose y retorciéndose, poniendo en peligro a los pasajeros. Estos rieles rotos se conocieron como "cabezas de serpiente". [14]
Cuando el hierro forjado estuvo disponible, las placas de hierro forjado proporcionaron una superficie aún más duradera. Los rieles tenían orejetas (u orejas) salientes con un orificio para permitir su fijación al riel de madera subyacente. [15] [ cita necesaria ]
John Curr de Sheffield, director de la mina de carbón del duque de Norfolk , desarrolló una alternativa . Este tenía un riel en forma de L, de modo que la brida estaba en el riel en lugar de en la rueda. Esto también fue utilizado por Benjamin Outram de Butterley Ironworks y William Jessop (quien se convirtió en socio de ellos en 1790). Estos se utilizaban para transportar mercancías a distancias relativamente cortas hasta los canales, aunque Curr's corría entre la mina de carbón señorial y la ciudad de Sheffield . Estos rieles se denominan placas y, a veces, el ferrocarril se denomina meseta. El término "platelayer" también deriva de este origen. En teoría, las ruedas sin bridas podrían haberse utilizado en carreteras normales, pero en la práctica probablemente esto rara vez se hizo, porque las ruedas de los carros eran tan estrechas que se habrían hundido en la superficie de la carretera.
El sistema encontró una amplia adopción en Gran Bretaña. A menudo, las placas se montaban sobre bloques de piedra y, a veces, sin traviesas, pero esto podía provocar que los carriles se separaran, aumentando el ancho de vía. Ferrocarriles de este tipo se utilizaban ampliamente en el sur de Gales, particularmente para transportar piedra caliza hasta las ferrerías y luego para llevar el hierro a un canal, a veces a varios kilómetros de distancia, que llevaba los productos al mercado. Al principio, los rieles estaban hechos de hierro fundido, generalmente en longitudes de 3 pies (0,91 m), y se extendían entre bloques de piedra. [dieciséis]
Se suponía que los bloques de piedra eran permanentes, pero la experiencia demostró rápidamente que se asentaron y se movieron gradualmente bajo el tráfico, creando una geometría de vía caótica y provocando descarrilamientos. Otro problema era que la superficie de rodadura podía quedar obstruida por piedras desplazadas del lastre. Una alternativa era utilizar un tirante de hierro para mantener los rieles con el ancho adecuado, incorporando una zapata en la que se fijaba el riel. [dieciséis]
Un ejemplo de ello fue el tranvía de Penydarren o Merthyr . Esto fue utilizado por Richard Trevithick para demostrar una locomotora pionera en 1804, usando una de sus máquinas de vapor de alta presión , pero la máquina era tan pesada que rompió muchos de los rieles. [ cita necesaria ]
Thomas Dadford Jr. utilizó rieles de borde de hierro fundido al construir las líneas Beaufort y Blaenavon hacia el canal de Monmouthshire en 1793. Eran rectangulares, de 2,5 pulgadas (64 mm ) de ancho con una profundidad de 3 pulgadas (76 mm) y 4 pies. (1,2 m) de longitud y bridas requeridas en las ruedas del carro. El mismo año, Benjamin Outram utilizó rieles de borde en el canal de Cromford . William Jessop utilizó vigas en forma de T en la línea Loughborough - Nanpantan en 1794, y sus hijos utilizaron vigas en forma de I en 1813-15 en un ferrocarril de Grantham al castillo de Belvoir . Muestras de estos rieles se conservan en el Museo de Ciencias de Londres . [17]
Una alternativa de corta duración fue el perfil de vientre de pez , utilizado por primera vez por Thomas Barnes (1765-1801) en Walker Colliery, cerca de Newcastle en 1798, que permitió que los rieles tuvieran una luz más larga entre los bloques. Se trataba de carriles de borde en forma de T, de un metro de largo y colocados sobre traviesas transversales de piedra. Estos todavía estaban hechos de hierro fundido . [18]
Los primeros rieles tenían juntas a tope cuadradas, que eran débiles y difíciles de mantener alineadas. George Stephenson introdujo las uniones traslapadas, que mantenían bastante bien su alineación. [19] [ página necesaria ]
El gran avance se produjo cuando John Birkinshaw de Bedlington Ironworks en Northumberland desarrolló rieles laminados de hierro forjado en 1820 en longitudes de 15 pies (4,6 m), como los que se utilizan en el ferrocarril de Stockton y Darlington . Este era lo suficientemente fuerte como para soportar el peso de una locomotora y de un tren de vagones (o vagones) tirados por ella. Esto marca el comienzo de la era ferroviaria moderna. Este sistema tuvo éxito instantáneamente, aunque se produjeron algunos comienzos en falso. Algunos de los primeros rieles se fabricaron en sección transversal en T, pero la falta de metal en el pie limitó la resistencia a la flexión del riel, que tiene que actuar como una viga entre los soportes.
A medida que mejoraron las tecnologías del metal, estos rieles de hierro forjado se hicieron progresivamente algo más largos y con una sección transversal más pesada y, por lo tanto, más resistente. Al proporcionar más metal en el pie del riel, se creó una viga más fuerte, logrando mucha mejor resistencia y rigidez, y se creó una sección similar a la sección del riel en forma de cabeza de toro que todavía es visible hoy. Sin embargo, esto era costoso y los promotores de los primeros ferrocarriles lucharon por tomar decisiones sobre el peso apropiado (y por lo tanto la resistencia y el costo) de sus rieles.
Al principio, la sección del riel era casi simétrica de arriba a abajo y se describió como un riel de dos cabezas. La intención era invertir el riel después de que la superficie superior se hubiera desgastado, pero los rieles tienden a desarrollar agallas de silla, un desgaste del riel donde se apoya en las sillas, y esto habría hecho que correr sobre la superficie inferior anterior fuera increíblemente ruidoso y irregular. Era mejor proporcionar metal adicional en la superficie superior y ganar desgaste adicional allí sin la necesidad de invertir el riel en su vida media.
Muchos ferrocarriles prefirieron una sección de carril inferior plana, donde los carriles podían colocarse directamente sobre las traviesas, lo que representaba un marcado ahorro de costes. El problema era la sangría del durmiente; donde el tráfico era intenso, se hizo necesario prever una única placa debajo de los carriles para repartir la carga sobre el traviesa, anulando en parte el ahorro de costes. Sin embargo, en situaciones de línea principal, esta forma encontró una adopción casi universal en América del Norte y Australia, y en gran parte de Europa continental. El Reino Unido persistió con el riel de cabeza de toro en el uso de las líneas principales, y la introducción generalizada del riel de fondo plano comenzó alrededor de 1947.
Los primeros rieles hechos de acero se fabricaron en 1857 , cuando Robert Forester Mushet refundió chatarra de acero de una prueba fallida de Bessemer , en crisoles en la ferretería Ebbw Vale , y se colocaron experimentalmente en la estación de tren de Derby en Midland Railway en Inglaterra . Los rieles demostraron ser mucho más duraderos que los rieles de hierro que reemplazaron y permanecieron en uso hasta 1873. [20] [21] Henry Bessemer suministró 500 toneladas de perfiles de acero a la fábrica de rieles de London and North Western Railway en Crewe en 1860. Varios Otras empresas comenzaron a producir rieles de acero en los años siguientes. [22] La transición a los carriles de acero se aceleró con la introducción de la fabricación de acero con hogar abierto . William Siemens instaló su acería Landore en parte para suministrar ferrocarril al Great Western Railway . [22] Siguió un auge en la producción ferroviaria, pero una crisis bancaria en Estados Unidos ralentizó el ritmo al que se construían ferrocarriles allí y los pedidos a los productores ferroviarios británicos. [23] La industria siderúrgica británica entró en recesión, lo que afectó especialmente al sector del hierro forjado. Cuando la demanda de rieles comenzó a crecer nuevamente, fue en gran medida de rieles de acero, que eran más duraderos que los de hierro. [ cita necesaria ]
Traviesas de madera, es decir, vigas transversales que sostienen los dos carriles que forman la vía, sustituyeron a los bloques de piedra utilizados anteriormente. Este sistema tiene la gran ventaja de que los ajustes de mantenimiento en la geometría de la vía no alteraron el importante ancho de vía. La alineación de la vía se podía ajustar desplazando las traviesas, sin pérdida de ancho. La madera blanda se utilizaba ampliamente, pero su vida era limitada si no se trataba con conservantes, y algunos ferrocarriles instalaron plantas de creosotación con ese fin. La madera dura tratada con creosota se utiliza ahora ampliamente en América del Norte y otros lugares.
Para entonces, se utilizaban rieles de hierro forjado relativamente largos (quizás 20 pies) sostenidos en sillas sobre traviesas de madera, una forma de vía reconocible hoy en día en vías más antiguas.
Se probaron traviesas de acero como alternativa a la madera; Acworth [24], en un escrito de 1889, describe la producción de traviesas de acero en el London & North Western Railway, y hay una ilustración que muestra una sección de canal enrollada (formas de "U" poco profundas invertidas hacia arriba) sin extremos sin forma y con sillas forjadas de tres partes. remachado directo. Sin embargo, las traviesas de acero no parecen haber disfrutado de una adopción generalizada hasta aproximadamente 1995. Su uso predominante ahora es para prolongar la vida útil de las vías existentes en rutas secundarias. Tienen una ventaja significativa en formaciones débiles y malas condiciones de lastre, ya que el área de apoyo está a un nivel alto, inmediatamente debajo del asiento del riel.
Los primeros rieles de hierro fundido del siglo XVIII y anteriores utilizaban fijaciones integrales para clavar o atornillar a las traviesas del ferrocarril. Los rieles de correa introducidos a finales del siglo XVIII, de hierro fundido y luego laminado, se clavaban a soportes de madera mediante agujeros avellanados en el metal. La introducción de perfiles de rieles enrollados en la década de 1820, como el riel paralelo en T de brida simple y, más tarde, el riel paralelo en T de doble brida requirió el uso de sillas, llaves para sujetar el riel y pernos o púas para fijar la silla. El riel de fondo plano inventado por Robert L. Stevens en 1830 inicialmente se fijó directamente a traviesas de madera; luego se usaron placas de unión para distribuir la carga y también mantener el riel en ancho con hombros incorporados en la placa. Fuera de América del Norte, posteriormente se introdujo una amplia variedad de sistemas de sujeción basados en resortes en combinación con placas base y rieles de fondo plano, que ahora son omnipresentes en las líneas principales de ferrocarriles de alta velocidad.
Originalmente, la vía se tendía directamente sobre el suelo, pero rápidamente resultó insatisfactoria y era esencial algún tipo de lastre para garantizar un buen drenaje, distribuir la carga y mantener la vía en su posición. El terreno natural rara vez es lo suficientemente fuerte como para aceptar la carga de las locomotoras sin un asentamiento excesivo, más aún en condiciones de humedad; una capa de lastre debajo de las traviesas reduce la presión de apoyo sobre el suelo, tiende a mantenerlas en su lugar y resistir el desplazamiento, y mantiene el camino permanente bien drenado.
En los primeros tiempos, el lastre solía ser un producto mineral disponible localmente, como grava o material rechazado de la minería del carbón y del hierro. El ferrocarril del Gran Norte de Escocia utilizó grava de río redondeada , que no limita el movimiento tanto como la piedra con bordes afilados. En años posteriores se utilizó escoria , un subproducto de la fabricación de acero, y cenizas de locomotoras de vapor. La práctica moderna es emplear piedra con bordes afilados triturada dentro de un rango de tamaño estrecho.
Los primeros ferrocarriles eran casi exclusivamente empresas locales involucradas en el transporte de minerales a alguna vía fluvial; para ellos, el ancho de vía se adoptó para adaptarse a los vagones previstos para su uso, y normalmente estaba en el rango de 4 pies a 4 pies 8½ pulgadas, y al principio no había idea de la necesidad de conformidad con el ancho de vía. otras líneas. Cuando se desarrollaron los primeros ferrocarriles públicos, la hábil innovación de George Stephenson significó que sus ferrocarriles fueran dominantes y los 4 pies 8+Por lo tanto, el calibre de 1 ⁄ 2 pulgadas(1435 mm) que utilizó fue el más extendido. A medida que evolucionaron las nociones tempranas de conectar diferentes sistemas ferroviarios, este ancho aseguró la adopción generalizada. Es más o menos un accidente de la historia que este ancho de vía, que se adaptaba a los vagones que ya se utilizaban en la mina de carbón donde George Stephenson había sido maquinista, se convirtiera en el ancho estándar británico: se exportaba a la mayor parte de Europa y América del Norte.
A veces se hace referencia al "medidor" de los surcos en los caminos de piedra en sitios antiguos como Pompeya , y a menudo se afirma que son aproximadamente los mismos que el indicador de Stephenson. Por supuesto, los surcos se formaban con las ruedas de los carros, y los carros eran de un tamaño razonable para los carros tirados por caballos antes de la era industrial, más o menos el mismo tamaño que los carros anteriores al ferrocarril en la mina de carbón donde trabajaba Stephenson. : esa es la única conexión.
Cuando Isambard Kingdom Brunel concibió el Great Western Railway (GWR), buscó un diseño mejorado para su vía férrea y no aceptó ninguna de las sabidurías anteriores sin cuestionarlas. El ancho de 4 pies y 8½ pulgadas había sido adecuado para pequeños camiones de minerales en un tranvía tirado por caballos, pero quería algo más estable para su ferrocarril de alta velocidad. Las ruedas de gran diámetro utilizadas en las diligencias proporcionaban una mejor calidad de marcha en terrenos accidentados, y Brunel originalmente tenía la intención de transportar sus vagones de pasajeros de la misma manera: sobre ruedas de gran diámetro colocadas fuera de los cuerpos de los vagones. Para lograrlo necesitaba un ancho de vía más amplio y se decidió por el famoso ancho de vía de 7 pies (2,1 m) . (Más tarde se redujo a 7 pies 0¼ pulgadas). Cuando llegó el momento de construir los vagones de pasajeros, después de todo, se diseñaron convencionalmente con ruedas más pequeñas debajo de las carrocerías, pero con un ancho de vía de siete pies las carrocerías podían ser mucho más anchas que en el ancho estándar. Su intención original de tener las ruedas fuera del ancho de las carrocerías fue abandonada.
Brunel también examinó nuevas formas de vía y decidió utilizar un carril con soporte continuo. Usando vigas longitudinales debajo de cada riel, logró un perfil más suave sin requerir una sección de riel tan fuerte, y usó un riel de puente poco profundo para este propósito. Gracias al pie plano y más ancho, también se podía prescindir de la silla que necesitaba la sección de cabeza de toro. Las vigas longitudinales debían mantenerse con el espacio adecuado para retener el ancho correctamente, y Brunel lo logró utilizando travesaños de madera (espaciadores transversales) y tirantes de hierro. Todo el conjunto se denominó camino de obstáculos; los ferroviarios suelen llamar camino a su vía. Al principio, Brunel hizo amarrar la vía a pilotes de madera para evitar movimientos laterales y rebotes, pero había pasado por alto el hecho de que el terreno preparado sobre el que se apoyaba su vía entre pilotes se asentaría. Los pilotes permanecieron estables y el terreno entre ellos se asentaba de modo que su camino pronto tuvo una ondulación desagradable, y tuvo que cortar los pilotes para que el camino pudiera asentarse más o menos uniformemente. Hoy en día todavía se puede ver una variante de la carretera de balancín en muchos puentes subterráneos más antiguos donde no se proporcionaba lastre. El diseño varía considerablemente, pero en muchos casos las vigas longitudinales se apoyan directamente sobre las vigas transversales, con travesaños y tirantes para mantener el ancho, pero por supuesto con rieles y placas de base o sillas modernas. Las traviesas longitudinales son algo similares a los carriles de escalera actuales .
El grupo de ferrocarriles que tenía a Brunel como ingeniero tuvo éxito y la vía de ancho ancho se extendió por el oeste de Inglaterra, Gales del Sur y West Midlands . Pero, a medida que se extendió la red ferroviaria británica, la incompatibilidad de los dos sistemas se convirtió en un grave bloqueo, ya que no se podía enviar un vagón de un sistema a otro sin transbordar las mercancías a mano. Se nombró una Comisión de Medidores para determinar la política nacional. El ancho de vía era técnicamente superior, pero la conversión de las rutas de ancho estándar a ancho habría significado reconstruir cada túnel, puente y plataforma de la estación, mientras que la adopción universal del ancho estándar solo requería la conversión progresiva de la propia vía. La vía ancha estaba condenada al fracaso y no se pudieron construir más líneas independientes de vía ancha.
Las rutas existentes de vía ancha podrían continuar, pero como no tenían potencial de desarrollo, era sólo cuestión de tiempo antes de que finalmente se convirtieran en estándar. Mientras tanto, se instaló una vía de ancho mixto de gran kilometraje, donde cada línea tenía tres rieles para acomodar trenes de cualquier ancho. Hubo algunos casos en los que circulaban trenes de ancho mixto , donde los vagones de cada ancho circulaban en un solo tren. El legado de la vía ancha todavía se puede ver allí donde parece haber un espacio innecesariamente amplio entre los andenes de las estaciones.
A principios del siglo XX, la forma de las vías británicas había convergido en el uso de rieles de cabeza de toro de hierro forjado sostenidos por sillas de hierro fundido sobre traviesas de madera, colocadas sobre algún tipo de lastre. En Norteamérica, el estándar eran los rieles en T y las placas de anclaje sujetas a traviesas de madera con púas cortadas. Muchos ferrocarriles utilizaban carriles muy ligeros y, a medida que aumentaron el peso y la velocidad de las locomotoras, estos se volvieron inadecuados. En consecuencia, en las líneas principales, los rieles en uso se hicieron progresivamente más pesados (y resistentes). Los procesos metalúrgicos mejoraron y se empezaron a utilizar mejores rieles, incluidos algunos de acero. Desde el punto de vista del mantenimiento, las uniones de los rieles fueron la fuente de la mayor parte del trabajo y, a medida que mejoraron las técnicas de fabricación de acero, fue posible laminar rieles de acero de mayor longitud, lo que redujo el número de uniones por milla. La longitud estándar pasó a ser rieles de 30 pies (9 144 mm), luego 45 pies (13 716 mm) y finalmente 60 pies (18 288 mm) se convirtieron en la norma. Para uso en la línea principal, la sección de riel estándar se convirtió en la sección 95BH, con un peso de 95 libras por yarda (47,13 kg por metro). Para vías secundarias se utilizó un tramo más ligero de 85BH (42,16 kg por metro).
Los rieles de fondo plano todavía se consideraban indeseables para el uso de los ferrocarriles de la línea principal británica, a pesar de su uso exitoso en América del Norte, aunque algunos ferrocarriles británicos ligeramente operados los usaban, generalmente conectados directamente a las traviesas. Bajo un uso intensivo, las traviesas se mellan severamente y el costo incremental de una placa base apareció en esta fecha temprana, para descartar la sección de fondo plano.
Las traviesas de madera eran caras y poco duraderas, y los ingenieros de los ferrocarriles tenían opiniones firmes (y contradictorias) sobre las mejores especies de madera y los mejores tratamientos conservantes. Los ferrocarriles avanzaron hacia la estandarización sobre una traviesa de madera blanda preservada mediante inyección a presión de creosota , que medía 8 pies 6 pulgadas (2 591 mm) de largo por 10 pulgadas (254 mm) por 5 pulgadas (127 mm). Las sillas se sujetaban a las traviesas mediante trenails (puntas de acero clavadas a través de una funda de madera) o tres tornillos para sillas en rutas de primera clase. El GWR es el único entre los ferrocarriles de la línea principal que mantuvo su propio estándar, el riel 00 a 97½ lb/yd (48,365 kg por metro), y con dos pernos que sujetan cada silla a la traviesa, con la cabeza del perno debajo de la traviesa y una tuerca encima de la silla: más segura pero mucho más difícil de ajustar.
Antes de 1945 se realizaron algunos experimentos con traviesas de hormigón armado, en la mayoría de los casos con sillas de cabeza de toro montadas sobre ellas. Esto fue en respuesta al precio muy alto de la mejor madera (la más duradera), pero las traviesas de hormigón armado nunca tuvieron éxito en el uso en la línea principal. También se utilizaron macetas de hormigón en apartaderos; a veces se les llama traviesas de dos bloques y consistían en dos bloques de concreto, cada uno de los cuales estaba montado con una silla y un ángulo de hierro que los conectaba y retenía el ancho.
Al final de la Segunda Guerra Mundial en 1945, los ferrocarriles británicos estaban desgastados, ya que habían sido reparados tras los daños de la guerra sin disponer de mucho material nuevo. El país también se encontraba en una situación económica débil y durante casi una década después de la guerra, los materiales, especialmente acero y madera , escasearon. La disponibilidad de mano de obra también estaba seriamente restringida.
Las compañías ferroviarias se convencieron de que las formas tradicionales de vía en forma de cabeza de toro necesitaban una revisión y, después de cierta experimentación, se adoptó un nuevo formato de riel de fondo plano. Las secciones del estándar británico no eran adecuadas y se convirtió en el nuevo estándar un nuevo perfil, un riel de 109 lb/yarda. En longitudes de 60 pies, colocadas sobre bases de acero sobre traviesas de madera blanda , se convertiría en el estándar universal. Las fijaciones debían ser de un tipo de acero resistente y para las rutas secundarias se adoptó un riel de 98 lb/yd. Las variaciones regionales aún persistían, y en la Región Oriental , por ejemplo, se preferían las traviesas de madera y las fijaciones con clip Mills.
Los nuevos diseños tuvieron éxito, pero presentaron muchos desafíos, especialmente porque la disponibilidad de personal experimentado en mantenimiento de vías se volvió extremadamente difícil, y una vía de fondo plano mal mantenida parecía más difícil de mantener en buen estado que una vía de cabeza de toro mal mantenida. La mayor rigidez del fondo plano era una ventaja, pero tendía a enderezarse entre las juntas en las curvas; y la rigidez del fondo plano provocó altas fuerzas de impacto vertical en uniones mal mantenidas y esto resultó en grandes volúmenes de fracturas por fatiga en las uniones. Además, las fijaciones elásticas de los rieles tenían poca resistencia al deslizamiento de los rieles: la propensión de los rieles a moverse gradualmente en la dirección del tráfico y la carga de trabajo de tirar de los rieles hacia atrás para regular las juntas era sorprendentemente alta.
Gran parte del trabajo de mantenimiento de la vía se realizó en las juntas, especialmente cuando los rieles rígidos se hundieron y las traviesas de las juntas sufrieron golpes. Se continuaron los experimentos de antes de la guerra con raíles soldados de gran longitud y, a partir de 1960, se instalaron raíles de gran longitud, al principio sobre traviesas de madera y pronto sobre traviesas de hormigón. Por ejemplo, el primer riel largo soldado (casi 1,6 km (1 mi)) en la línea principal de la costa este del Reino Unido se colocó en 1957, justo al sur de Carlton-on-Trent , descansando sobre almohadillas de goma para resistir el deslizamiento del riel. [25] En esta etapa pionera, se cometieron algunos errores catastróficos en el diseño detallado, pero aproximadamente a partir de 1968 el riel soldado continuo se convirtió en un estándar confiable para la instalación universal en rutas principales y secundarias. La forma adoptada utilizó traviesas de hormigón pretensado y una sección de riel 110A (una ligera mejora con respecto a los 109 rieles utilizados anteriormente); la A debía distinguirla de la sección de riel estándar británica de 110 lb/yd, que no era adecuada. Las fijaciones de rieles finalmente convergieron en un clip de resorte patentado fabricado por la empresa Pandrol , que fue la forma exclusiva de fijación en Gran Bretaña durante unos 30 años.
La vía soldada debía colocarse sobre entre 15 y 30 centímetros (de seis a doce pulgadas) de lastre de piedra triturada, aunque esto no siempre se logró y no siempre se tuvo en cuenta la capacidad de carga de la formación, lo que provocó algunas fallas espectaculares en la formación. .
Una mejora adicional del perfil del riel produjo la sección 113A, que fue el estándar universal hasta aproximadamente 1998; Las mejoras detalladas en las traviesas y el perfil de lastre completaron la imagen y la forma general de la vía se estabilizó. Este formato se aplica actualmente en el 99% de las líneas principales de primera clase de Gran Bretaña, aunque el tramo ferroviario CEN60 (60 kg/m) se introdujo en el Reino Unido durante los años noventa. Tiene un pie de riel más ancho y es más alto que la sección 113A, por lo que es incompatible con las traviesas estándar.
Los trenes de renovación de vías ahora han reemplazado a las cuadrillas permanentes que requieren mucha mano de obra. El riel largo soldado era difícil de instalar manualmente. En 1958 se llevó a cabo una primera demostración de tendido de vías mecanizado con dos tramos de rieles soldados de 600 pies (180 m) de largo en el ramal Fighting Cocks. Los dos tramos se cargaron en diez vagones, sujetos a la vía existente mediante un cable de acero y retrocedido a 30 pies (9,1 m) por minuto. A medida que el tren retrocedía, se quitaron los rieles viejos y se dejaron caer los nuevos en las sillas. Un polipasto en el vagón trasero dejó caer la última parte del riel en su lugar. [26]
Como se indicó, el ancho de vía general en Gran Bretaña era de 4 pies 8+1 ⁄ 2 pulgadas(1435 mm). A finales de la década de 1950, los estándares generales de mantenimiento de las vías se deterioraron rápidamente debido a la escasez de mano de obra y, en algunas rutas, a la mayor velocidad de los trenes de carga. Los trenes de carga consistían casi en su totalidad en vagones de cuatro ruedas con batalla corta (10 pies) transportados sobre una suspensión de ballestas elípticas muy rígida, y estos vagones mostraron un rápido aumento de descarrilamientos.[ cita necesaria ]
En respuesta al comportamiento dinámico ("caza") de los vagones, la velocidad permitida de los vagones se redujo a 70 km/h y, en nuevas instalaciones de vías soldadas continuamente sobre traviesas de hormigón, se redujo el ancho de vía en un octavo de pulgada a 4 pies 8⅜ pulgadas (1432 mm). [ cita necesaria ] En la práctica, este cambio causó más problemas de los que solucionó y se devolvió en las renovaciones a 1435 mm a partir de 1996. El calibre se establece mediante la posición de las fijaciones fundidas, por lo que no es una tarea sencilla volver -calibrar la vía existente; también crea problemas con el reemplazo puntual de las traviesas. Muchas traviesas se fabricaron con un ancho de vía reducido, pero de 1435 mm ( 4 pies 8+En tiempos más recientes también se han fabricado versiones de calibre estándar de 1 ⁄ 2 pulgadas .[27]
La terminología es difícil para "interruptores y cruces" (S&C), anteriormente "puntos y cruces" o "accesorios".
Los primeros S&C permitían sólo una velocidad muy lenta en la ruta subsidiaria (el "desvío"), por lo que el diseño geométrico no era demasiado importante. Muchas unidades de s&c más antiguas tenían una junta suelta en el talón para que el riel del interruptor pudiera girar para acercarse al riel original o abrirse desde él. Cuando se cerró el carril de cambio, se aseguró una alineación razonable; cuando estaba abierto, ninguna rueda podía girar sobre él, por lo que no importaba.
A medida que aumentaban las velocidades, esto ya no era factible y los rieles de cambio se fijaron en el extremo del talón, y su flexibilidad permitió que la punta se abriera y cerrara. La fabricación de los carriles de cambio fue un proceso complejo, y aún más el de los cruces. Las velocidades en la ruta subsidiaria rara vez superaban las 20 mph, excepto en diseños muy especiales, y se empleó un gran ingenio para dar una buena marcha a los vehículos que pasaban a gran velocidad en la línea principal. Una dificultad fue el cruce común donde era difícil el soporte continuo para el paso de las ruedas, y el carril puntual se planeó para protegerlo del impacto directo en la dirección orientada, de modo que se introdujo una irregularidad diseñada en el soporte.
A medida que se requerían velocidades más rápidas, se diseñaron más configuraciones de s&c y se requirió una gran cantidad de componentes, cada uno de ellos específico para un solo tipo de s&c. A velocidades más altas en la vía de desvío, la desviación de la ruta principal es mucho más gradual y, por lo tanto, se requiere una planificación muy larga del carril de cambio.
Alrededor de 1971, esta tendencia se revirtió con el llamado s&c vertical, en el que los rieles se mantenían verticales, en lugar de la inclinación habitual de 1 en 20. Con otras simplificaciones, esto redujo considerablemente el almacenamiento requerido para una amplia gama de velocidades de s&c, aunque el riel vertical impone una pérdida del efecto de dirección y el recorrido a través de nuevos s&c verticales es a menudo irregular.
El riel soldado continuo (CWR) se desarrolló en respuesta a la observación de que la mayor parte del trabajo de mantenimiento de vías se realiza en las juntas. A medida que los procesos de producción y fabricación del acero mejoraron, las longitudes de carril instaladas fueron aumentando progresivamente, y la extensión lógica de esto sería eliminar las juntas por completo.
Un obstáculo importante para hacerlo es la expansión térmica : los rieles se expanden a temperaturas más altas. Sin juntas, no hay espacio para que los rieles se expandan; A medida que los rieles se calientan, desarrollarán una fuerza enorme al intentar expandirse. Si se les impide expandirse, desarrollan una fuerza de 1,7 toneladas (17 kN) por cada grado Celsius de cambio de temperatura en una sección práctica de ferrocarril. [28]
Si se comprime un pequeño cubo de metal entre las mandíbulas de una prensa, se contraerá (es decir, quedará algo aplastado) y podrá resistir una fuerza muy grande sin que finalmente falle. Sin embargo, si se comprime una pieza larga de metal de la misma sección transversal, se deformará lateralmente hasta formar un arco; el proceso se llama pandeo y la fuerza de compresión que puede soportar es mucho menor.
Si se pudiera restringir la pieza larga y delgada de metal para evitar que se pandee (por ejemplo, manteniéndola dentro de un tubo), entonces podría resistir una fuerza de compresión mucho mayor. Si los rieles se pueden restringir de manera similar, se puede evitar que se pandeen. El peso de la vía se resiste al pandeo hacia arriba, por lo que es más probable que el pandeo se produzca lateralmente. Esto se previene mediante:
Si el riel se sostiene de manera que no pueda expandirse en absoluto, entonces no hay límite en la longitud del riel que se puede manipular. (La fuerza expansiva en un riel de un pie de longitud a una determinada temperatura es la misma que en una milla o 100 millas de riel). Los primeros rieles soldados continuos se instalaron en longitudes limitadas solo debido a limitaciones tecnológicas. Sin embargo, al final de la sección CWR, donde lindaba con una vía articulada ordinaria más antigua, esa vía no podría resistir la fuerza expansiva y la vía articulada podría verse obligada a pandearse. Para evitarlo, se instalaron interruptores de expansión especiales, a veces llamados respiradores. Los interruptores de expansión podrían acomodar un movimiento expansivo considerable, generalmente cuatro pulgadas (100 mm) aproximadamente, en la sección final del CWR sin transmitir el movimiento a la vía articulada.
El CWR se instala y fija a una temperatura óptima para garantizar que se limite la mayor fuerza expansiva posible. Esta temperatura se llama temperatura libre de estrés y en el Reino Unido es de 27 °C (81 °F). [28] Está en el rango superior de temperaturas exteriores normales, y el trabajo de instalación real tiende a realizarse a temperaturas más frías. Originalmente, los rieles se calentaban físicamente a una temperatura libre de tensiones con calentadores de gas propano; Luego los sacudieron con barras manuales para eliminar cualquier atadura, evitando una expansión uniforme, y luego los sujetaron. Sin embargo, desde aproximadamente 1963 se utilizan gatos hidráulicos para estirar físicamente los rieles mientras están apoyados sobre rodillos temporales. Al estirar los rieles a la longitud que tendrían si estuvieran a la temperatura libre de tensión, entonces no hay necesidad de calentarlos; simplemente se pueden recortar antes de soltar los gatos.
Los rieles CWR se fabrican soldando rieles comunes. Durante muchos años, los rieles sólo se podían fabricar en longitudes de hasta 60 pies (18 m 288 mm) en Gran Bretaña, y el proceso de soldadura en fábrica los convertía en longitudes de 600, 900 o 1200 pies, dependiendo de la fábrica. El proceso utilizado fue un proceso de flash-butt en el que se utilizan altas corrientes eléctricas para ablandar el extremo del riel y luego los extremos se juntan mediante arietes. El proceso de flash-butt es muy fiable, siempre que la fábrica garantice una buena geometría de los extremos del carril.
Los rieles largos podrían transportarse al lugar mediante un tren especial y descargarse en el suelo (encadenando el extremo en su posición y sacando el tren de debajo de los rieles). Los rieles largos tuvieron que soldarse entre sí (o a la vía adyacente) mediante un proceso de soldadura en el sitio; y, después de la experimentación inicial, se utilizó el proceso de soldadura patentado Thermit . Se trataba de un proceso aluminotérmico en el que se encendía una "porción" de polvo; el aluminio era el combustible y una composición metalúrgicamente apropiada de acero fundido descendió al espacio entre los extremos del riel, contenido en moldes refractarios.
El proceso SmW original era muy sensible a la habilidad del operador y, como la soldadura era generalmente el proceso final antes de devolver la vía al tráfico, a veces se aplicaba presión de tiempo, lo que daba como resultado soldaduras inadecuadas no deseadas. El proceso SkV mejorado fue menos sensible y con el paso de los años la calidad de la soldadura mejoró. [29]
El problema del pandeo no se limita a los CWR, y las vías articuladas han sufrido pandeos en el pasado. Las eclisas en las uniones deben retirarse y engrasarse anualmente (el requisito se redujo a dos veces al año en 1993) y cuando esto se omitió o donde las condiciones del lastre eran especialmente débiles, el pandeo se produjo en climas cálidos. Además, si se permitía que los carriles se deslizaran, siempre era posible que se cerraran varias juntas sucesivas, de modo que se perdiera la junta de dilatación, con resultados inevitables cuando llegaba el calor.
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