Un freno de aire ferroviario es un sistema de frenado hidráulico con aire comprimido como medio operativo. [1] Los trenes modernos dependen de un sistema de frenos de aire a prueba de fallas que se basa en un diseño patentado por George Westinghouse el 13 de abril de 1869. [2] Posteriormente se organizó la Westinghouse Air Brake Company para fabricar y vender el invento de Westinghouse. En diversas formas, ha sido adoptado casi universalmente.
El sistema Westinghouse utiliza presión de aire para cargar los depósitos de aire (tanques) de cada automóvil. La presión de aire total hace que cada automóvil suelte los frenos. Una reducción o pérdida posterior de presión de aire hace que cada automóvil aplique los frenos, utilizando el aire comprimido almacenado en sus depósitos. [3]
En la forma más simple del freno de aire, llamado sistema de aire directo , el aire comprimido empuja un pistón en un cilindro. El pistón está conectado a través de un enlace mecánico a zapatas de freno que pueden rozar las ruedas del tren, utilizando la fricción resultante para frenar el tren. El varillaje mecánico puede llegar a ser bastante complicado, ya que distribuye uniformemente la fuerza de un cilindro de aire presurizado a 8 o 12 ruedas.
El aire presurizado proviene de un compresor de aire en la locomotora y se envía de un vagón a otro mediante una línea de tren formada por tuberías debajo de cada vagón y mangueras entre los vagones. El principal problema del sistema de frenos de aire directo es que cualquier separación entre mangueras y tubos provoca una pérdida de presión de aire y, por tanto, una pérdida de fuerza al aplicar los frenos. Esto fácilmente podría causar un tren fuera de control . Los frenos de aire rectos todavía se utilizan en las locomotoras, aunque como un sistema de circuito dual, generalmente con cada bogie (camión) teniendo su propio circuito.
Para diseñar un sistema sin las deficiencias del sistema de aire puro, Westinghouse inventó un sistema en el que cada pieza del material rodante del ferrocarril estaba equipada con un depósito de aire y una válvula triple , también conocida como válvula de control . [4]
A diferencia del sistema de aire directo, el sistema Westinghouse utiliza una reducción de la presión del aire en la línea del tren para aplicar los frenos indirectamente.
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La válvula triple se llama así porque realiza tres funciones: permite que el aire entre a un tanque de aire listo para ser usado, aplica los frenos y los libera. Al hacerlo, apoya ciertas otras acciones (es decir, "retiene" o mantiene la aplicación y permite el escape de la presión del cilindro de freno y la recarga del depósito durante la liberación). En su solicitud de patente, Westinghouse se refiere a su "dispositivo de triple válvula" debido a los tres componentes valvulares que lo componen: la válvula de asiento operada por diafragma que alimenta el aire del depósito al cilindro de freno, la válvula de carga del depósito y la válvula de liberación del cilindro de freno. . Westinghouse pronto mejoró el dispositivo eliminando la acción de la válvula de asiento. Estos tres componentes se convirtieron en la válvula de pistón, la válvula deslizante y la válvula graduadora.
Cuando el operador del motor aplica el freno accionando la válvula de freno de la locomotora, la línea del tren se ventila a la atmósfera a una velocidad controlada, lo que reduce la presión de la línea del tren y, a su vez, activa la válvula triple de cada vagón para alimentar aire a su cilindro de freno. Cuando el operador del motor suelta el freno, el portal a la atmósfera de la válvula de freno de la locomotora se cierra, lo que permite que el compresor de la locomotora recargue la línea del tren. El posterior aumento de presión en la línea del tren hace que las válvulas triples de cada vagón descarguen el contenido del cilindro de freno a la atmósfera, liberando los frenos y recargando los depósitos.
Por lo tanto, el sistema Westinghouse es a prueba de fallas : cualquier falla en la línea del tren, incluida una separación ("rotura en dos") del tren, causará una pérdida de presión en la línea del tren, lo que provocará que se apliquen los frenos y que el detener el tren, evitando así que se desboque.
Los sistemas de frenos de aire modernos cumplen dos funciones:
Cuando se aplican los frenos del tren durante el funcionamiento normal, el operador del motor realiza una "aplicación de servicio" o una "reducción de la tasa de servicio", lo que significa que la presión del tubo de freno se reduce a un ritmo controlado. La presión del tubo de freno tarda varios segundos en disminuir. reduce y, en consecuencia, los frenos tardan varios segundos en aplicarse en todo el tren. La velocidad de los cambios de presión durante una reducción de servicio está limitada por la capacidad del aire comprimido para superar la resistencia al flujo de la tubería de diámetro relativamente pequeño y los numerosos codos a lo largo de su longitud. del tren, y el puerto de escape relativamente pequeño en la locomotora de cabecera, lo que significa que los frenos de los vagones más traseros se aplicarán en algún momento después de que se apliquen los de los vagones más adelantados, por lo que se puede esperar un rodaje flojo La reducción gradual de la presión en el tubo de freno mitigará este efecto.
Las locomotoras modernas emplean dos sistemas de frenos de aire. El sistema que controla el tubo de freno se llama freno automático y proporciona control de frenado de servicio y de emergencia para todo el tren. Las locomotoras en cabeza del tren (el "compuesto principal") tienen un sistema secundario llamado freno independiente. El freno independiente es un sistema de "aire puro" que hace que las aplicaciones de freno en la locomotora que va delante del tren sean independientes del freno automático, lo que proporciona un control del tren más matizado. Los dos sistemas de frenado pueden interactuar de forma diferente según las preferencias del fabricante de la locomotora o del ferrocarril. En algunos sistemas, las aplicaciones automáticas e independientes serán aditivas; en algunos sistemas, el mayor de los dos se aplicará a la locomotora. El sistema independiente también proporciona un mecanismo de liberación , que libera los frenos de las locomotoras principales sin afectar la aplicación de los frenos en el resto del tren.
En caso de que el tren necesite hacer una parada de emergencia, el operador del motor puede realizar una "aplicación de emergencia", que rápidamente liberará toda la presión de la tubería de freno a la atmósfera, lo que resultará en una aplicación más rápida de los frenos del tren. También se produce una aplicación de emergencia cuando se pierde la integridad del tubo de freno, ya que todo el aire también se ventilará inmediatamente a la atmósfera.
Una aplicación de freno de emergencia incorpora un componente adicional del sistema de frenos de aire de cada automóvil. La válvula triple se divide en dos partes: la sección de servicio, que contiene el mecanismo utilizado durante las aplicaciones de freno realizadas durante las reducciones de servicio, y la sección de emergencia, que detecta la reducción de emergencia más rápida de la presión de la línea del tren. Además, el depósito de frenos de aire de cada automóvil está dividido en dos secciones: la porción de servicio y la porción de emergencia, y se conoce como "depósito de doble compartimento". Las aplicaciones de servicio normales transfieren la presión del aire de la sección de servicio al cilindro de freno, mientras que Las aplicaciones de emergencia hacen que la válvula triple dirija todo el aire en ambas secciones del depósito de doble compartimento hacia el cilindro de freno, lo que resulta en una aplicación entre un 20 y un 30 por ciento más fuerte.
La parte de emergencia de cada válvula triple se activa mediante la mayor tasa de reducción de la presión del tubo de freno. [ ¿cómo? ] Debido a la longitud de los trenes y al pequeño diámetro del tubo de freno, la tasa de reducción es mayor cerca de la parte delantera del tren (en el caso de una aplicación de emergencia iniciada por el operador del motor) o cerca de la rotura del tubo de freno ( en caso de pérdida de integridad del tubo de freno). Más lejos de la fuente de la aplicación de emergencia, la tasa de reducción se puede reducir hasta el punto en que las válvulas triples no detectarán la aplicación como una reducción de emergencia. Para evitar esto, la porción de emergencia de cada válvula triple contiene un puerto de ventilación auxiliar que, cuando se activa mediante una aplicación de emergencia, también ventila localmente la presión del tubo de freno directamente a la atmósfera. Esto sirve para purgar más rápidamente el tubo de freno y acelerar la propagación del régimen de reducción de emergencia a lo largo de toda la longitud del tren.
El uso de energía distribuida (es decir, unidades de locomotoras controladas remotamente en el medio del tren y/o en la parte trasera) mitiga en cierta medida el problema del retraso en los trenes largos, porque una señal de radio telemétrica del operador del motor en la locomotora delantera ordena las unidades distantes. para iniciar reducciones de la presión de los frenos que se propagan rápidamente a través de los automóviles cercanos.
Muchos sistemas de frenos de aire modernos utilizan distribuidores [ se necesita aclaración ] en lugar de válvulas triples. Estas cumplen la misma función que las válvulas triples, pero tienen una funcionalidad adicional, como la capacidad de liberar parcialmente los frenos. [6]
El compresor de aire de la locomotora normalmente carga el depósito principal con aire a 125 a 140 psi (8,6 a 9,7 bar; 860 a 970 kPa). Los frenos del tren se liberan admitiendo presión de aire del depósito principal reducida y regulada al tubo de freno a través de la válvula de freno automática del maquinista. En Estados Unidos, una tubería de freno completamente cargada normalmente funciona a 70 a 90 psi (4,8 a 6,2 bar; 480 a 620 kPa) para trenes de carga y 110 psi (7,6 bar; 760 kPa) AAA [ ampliar acrónimo ] para trenes de pasajeros. [ cita necesaria ] Los frenos se aplican cuando el ingeniero mueve la manija del freno automático a una posición de "servicio", lo que provoca una reducción en la presión de la tubería del freno.
Durante el servicio normal, la presión en el tubo de freno nunca se reduce a cero y, de hecho, la reducción más pequeña que cause una respuesta de freno satisfactoria se utiliza para conservar la presión del tubo de freno. Una reducción repentina y sustancial de la presión causada por una pérdida de la integridad de la tubería de freno (por ejemplo, una manguera rota), que el tren se parta en dos y desacople las mangueras de aire, o que el maquinista mueva la válvula del freno automático a la posición de emergencia, provocará un freno de emergencia. solicitud . [7] Por otro lado, una fuga lenta que reduce gradualmente la presión de la tubería del freno a cero, algo que podría suceder si el compresor de aire no funciona y, por lo tanto, no mantiene la presión del depósito principal, no provocará una aplicación del freno de emergencia.
Los frenos electroneumáticos o EP son un tipo de freno de aire que permite la aplicación inmediata de los frenos en todo el tren en lugar de la aplicación secuencial. Los frenos EP se utilizan en Gran Bretaña desde 1949 y también se utilizan en los trenes de alta velocidad alemanes (sobre todo el ICE ) desde finales de los años 1980; se describen detalladamente en Sistema de frenos electroneumáticos en trenes ferroviarios británicos . En 2005 [actualizar], se estaban probando frenos electroneumáticos en América del Norte y Sudáfrica en trenes de servicio cautivo de mineral y carbón.
Los trenes de pasajeros cuentan desde hace mucho tiempo con una versión de freno electroneumático de tres hilos, que proporciona hasta siete niveles de fuerza de frenado.
En Norteamérica , la Westinghouse Air Brake Company suministró equipos de frenos de control de alta velocidad para varios trenes de pasajeros aerodinámicos posteriores a la Segunda Guerra Mundial . Se trataba de una superposición controlada eléctricamente en el equipo de frenos de locomotora 24-RL y de pasajeros D-22 convencional. En el lado convencional, la válvula de control ajusta una presión de referencia en un volumen, que ajusta la presión del cilindro de freno a través de una válvula de relé. En el lado eléctrico, la presión de una segunda línea de tren de aire recto controlaba la válvula de relé a través de una válvula antirretorno de dos vías. Esta línea de tren de "aire directo" se cargaba (desde depósitos en cada vagón) y se liberaba mediante válvulas magnéticas en cada vagón, controladas eléctricamente por una línea de tren de tres cables, a su vez controlada por un controlador maestro electroneumático en la locomotora de control. Este controlador comparó la presión en la línea recta del tren con la suministrada por una parte de la válvula del ingeniero, indicando a todas las válvulas magnéticas de "aplicación" o "liberación" en el tren que se abrieran simultáneamente, cambiando la presión en la línea recta. -línea de aire mucho más rápida y uniforme de lo que sería posible simplemente suministrando aire directamente desde la locomotora. La válvula relé estaba equipada con cuatro diafragmas, válvulas magnéticas, equipo de control eléctrico y un sensor de velocidad montado en el eje, de modo que a velocidades superiores a 97 km/h (60 mph) se aplicaba la fuerza de frenado total y se reducía en pasos de 60, 40 y 20 mph (97, 64 y 32 km/h), lo que detuvo suavemente el tren. Cada eje también estaba equipado con un equipo de frenos antibloqueo. La combinación minimizó las distancias de frenado, permitiendo correr a mayor velocidad entre paradas. Las partes del sistema de aire recto (línea de tren electroneumática) , antibloqueo y de graduación de velocidad no dependían entre sí de ninguna manera, y cualquiera o todas estas opciones podían suministrarse por separado. [8]
Los sistemas posteriores reemplazan el freno de aire automático con un cable eléctrico que recorre en círculo alrededor de todo el tren y debe mantenerse energizado para mantener los frenos apagados. En el Reino Unido se le conoce como cable de tren . Se conduce a través de varios "gobernadores" (interruptores operados por presión de aire) que monitorean componentes críticos como compresores, tuberías de freno y depósitos de aire. Además, si el tren se divide, el cable se romperá, lo que garantiza que todos los motores estén apagados y que ambas partes del tren tengan una aplicación inmediata del freno de emergencia .
Las innovaciones más recientes son los frenos neumáticos controlados electrónicamente donde los frenos de todos los vagones (vagones) y locomotoras están conectados por una especie de red de área local , que permite el control individual de los frenos de cada vagón y el informe del rendimiento de cada vagón. frenos.
El sistema de frenos de aire Westinghouse es muy confiable pero no infalible. Los depósitos del coche se recargan sólo cuando la presión del tubo de freno es superior a la presión del depósito. Recargar completamente los depósitos en un tren largo puede requerir un tiempo considerable (de 8 a 10 minutos en algunos casos [9] ), durante el cual la presión de la tubería de freno será menor que la presión del depósito de la locomotora.
Si es necesario aplicar los frenos antes de que se complete la recarga, será necesaria una mayor reducción del tubo de freno para lograr la cantidad deseada de esfuerzo de frenado, ya que el sistema comienza en un punto de equilibrio más bajo (presión general más baja). Si se realizan muchas reducciones en las tuberías de freno en corta sucesión ("avivar el freno" en la jerga ferroviaria), se puede llegar a un punto en el que la presión del depósito del vagón se agotará gravemente, lo que dará como resultado una fuerza sustancialmente reducida del pistón del cilindro de freno, lo que provocará que los frenos fallen. En una pendiente descendente , el resultado será una fuga.
En caso de pérdida de frenado debido al agotamiento del depósito, el conductor del motor puede recuperar el control aplicando el freno de emergencia, ya que la porción de emergencia del depósito de doble compartimento de cada automóvil debe estar completamente cargada; no se ve afectada por el frenado normal. reducciones de servicios. Las válvulas triples detectan una reducción de emergencia según la tasa de reducción de la presión del tubo de freno. Por lo tanto, siempre que se pueda expulsar rápidamente un volumen suficiente de aire del tubo de freno, la válvula triple de cada automóvil provocará una aplicación del freno de emergencia. Sin embargo, si la presión del tubo de freno es demasiado baja debido a un número excesivo de aplicaciones de freno, una aplicación de emergencia no producirá un volumen de flujo de aire lo suficientemente grande como para activar las válvulas triples, dejando al maquinista sin medios para detener el tren.
Para evitar un descontrol debido a la pérdida de presión de los frenos, se puede utilizar el frenado dinámico (reostático) para que las locomotoras ayuden a retardar el tren. A menudo, se utilizará el frenado combinado , la aplicación simultánea de frenos dinámicos y de tren, para mantener una velocidad segura y mantener la holgura en pendientes descendentes. Entonces se tendría cuidado al soltar los frenos de servicio y dinámicos para evitar daños al mecanismo de tracción causados por una pérdida repentina de la holgura del tren.
Otra solución a la pérdida de presión de los frenos es el sistema de dos tubos, instalado en la mayoría de los vehículos de pasajeros arrastrados por locomotoras y en muchos vagones de mercancías. Además del tradicional tubo de freno, esta mejora añade el tubo de depósito principal , que se carga continuamente con aire directamente desde el depósito principal de la locomotora. El depósito principal es donde se almacena la salida del compresor de aire de la locomotora y, en última instancia, es la fuente de aire comprimido para todos los sistemas que lo utilizan.
Dado que la locomotora mantiene constantemente presurizada la tubería del depósito principal, los depósitos del vagón se pueden cargar independientemente del tubo de freno, esto se logra a través de una válvula de retención para evitar la retroalimentación hacia la tubería. Esta disposición ayuda a reducir los problemas de pérdida de presión descritos anteriormente y también reduce el tiempo necesario para que se liberen los frenos, ya que el tubo de freno sólo tiene que recargarse.
La presión de la tubería del depósito principal también se puede utilizar para suministrar aire a sistemas auxiliares como operadores de puertas neumáticos o suspensión neumática. Casi todos los trenes de pasajeros (todos en el Reino Unido y EE. UU.) y muchos trenes de carga tienen ahora el sistema de dos tuberías.
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En ambos extremos de cada vagón hay instalados grifos angulares . Estas válvulas cortan el aire de la línea del tren y ventilan las mangueras de acoplamiento para desacoplar los vagones. El freno de aire sólo funciona si los grifos angulares están abiertos, excepto los de la parte delantera de la locomotora y los del final del tren. [10]
El freno de aire puede fallar si uno de los grifos angulares se cierra accidentalmente. En este caso, los frenos de los vagones detrás del grifo cerrado no responderán a la orden del conductor. Esto sucedió en el accidente de tren de 1953 del Ferrocarril de Pensilvania que involucró al Federal Express , un tren de pasajeros del Ferrocarril de Pensilvania que se desbocó mientras se dirigía a la Estación Union de Washington DC , lo que provocó que el tren se estrellara contra la terminal de pasajeros y cayera al suelo. De manera similar, en el accidente ferroviario de la Gare de Lyon , la tripulación cerró accidentalmente una válvula, lo que redujo la potencia de frenado.
Hay una serie de medidas de seguridad que generalmente se toman para evitar que ocurra este tipo de accidente. Los ferrocarriles tienen procedimientos estrictos aprobados por el gobierno para probar los sistemas de frenos de aire cuando preparan trenes en un patio o recogen vagones en ruta. Estos generalmente implican conectar las mangueras de los frenos de aire, cargar el sistema de frenos, ajustar los frenos e inspeccionar manualmente los automóviles para garantizar que se apliquen los frenos, y luego soltar los frenos e inspeccionar manualmente los automóviles para garantizar que se liberen los frenos. Por lo general, se presta especial atención al vagón más trasero del tren, ya sea mediante inspección manual o mediante un dispositivo automatizado de final de tren , para garantizar que exista continuidad en la tubería de freno en todo el tren. Cuando existe continuidad en la tubería de frenos en todo el tren, la falta de aplicación o liberación de los frenos en uno o más vagones es una indicación de que las válvulas triples de los vagones no funcionan correctamente. Dependiendo de la ubicación de la prueba de aire, las instalaciones de reparación disponibles y las regulaciones que rigen la cantidad de frenos inoperativos permitidos en un tren, el vagón puede ser preparado para reparación o llevado a la siguiente terminal donde puede ser reparado.
Puede ocurrir un tipo diferente de accidente si un mal funcionamiento en el sistema de frenos de aire (como una manguera de freno de aire rota) hace que los frenos de aire se activen inesperadamente. Un ejemplo de este problema se puede ver en el accidente que provocó la muerte de John Luther "Casey" Jones el 30 de abril de 1900 en la línea principal del Ferrocarril Central de Illinois en Vaughan, Mississippi .
El freno de aire moderno no es idéntico al original ya que se han producido ligeros cambios en el diseño de la triple válvula, que no son del todo compatibles entre versiones, por lo que deben introducirse por fases. Sin embargo, los frenos de aire básicos utilizados en los ferrocarriles de todo el mundo son notablemente compatibles.
Los sistemas de frenos europeos pueden variar según el país, pero el principio de funcionamiento es el mismo que el del freno de aire Westinghouse. Los turismos europeos utilizados en las extensas redes ferroviarias nacionales deben cumplir la ley TSI LOC&PAS [11] que establece en el punto 4.2.4.3 que todos los sistemas de frenos deben cumplir la norma EN 14198:2004, de la que se deriva y vincula la ratificada por muchos trenes. empresas operadoras [12] Folleto UIC 540. Dichos documentos permiten los siguientes tipos de diseño de frenos para material rodante de nueva construcción:
Históricamente y según UIC 540 distinguimos sistemas técnicamente homologados ya desde 1927-1932 como: Westinghouse W [a] , Knorr K [b] , Kunze-Knorr , Drolshammer, Bozic, Hildebrand-Knorr.
En la era del vapor, los ferrocarriles británicos estaban divididos (algunos usaban frenos de vacío y otros usaban frenos de aire), pero hubo una estandarización gradual del freno de vacío. Algunas locomotoras, por ejemplo en el Ferrocarril de Londres, Brighton y la Costa Sur , tenían doble equipamiento para poder trabajar con trenes con frenos de vacío o neumáticos. En la era del diésel, el proceso se invirtió y los ferrocarriles británicos pasaron del material rodante con frenos de vacío al material rodante con frenos de aire en la década de 1960. [13]
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El principal competidor del freno de aire es el freno de vacío, que funciona con presión negativa. El freno de vacío es un poco más simple que el freno de aire. En lugar de un compresor de aire, las máquinas de vapor tienen un eyector sin partes móviles, y las locomotoras diésel o eléctricas tienen un "extractor" mecánico o eléctrico. No se necesitan grifos de desconexión en los extremos de los automóviles, ya que las mangueras sueltas se succionan hacia un bloque de montaje.
Sin embargo, la presión máxima en un sistema de vacío está limitada a la presión atmosférica, por lo que todo el equipo tiene que ser mucho más grande y pesado para compensar. Esa desventaja se agrava a gran altura. El freno de vacío también es considerablemente más lento tanto para aplicar como para soltar el freno, lo que requiere un mayor nivel de habilidad y anticipación por parte del conductor. Por el contrario, el freno de vacío originalmente tenía la ventaja de permitir una liberación gradual, mientras que el freno de aire automático Westinghouse estaba originalmente disponible solo en la forma de liberación directa que aún es común en el servicio de carga.
Una falla principal de los frenos de vacío es la incapacidad de encontrar fugas fácilmente. En un sistema de aire positivo, se encuentra rápidamente una fuga debido al aire presurizado que se escapa. Descubrir una fuga de vacío es más difícil, aunque es más fácil de reparar, porque se puede atar un trozo de goma (por ejemplo) alrededor de la fuga y el vacío lo mantendrá firmemente en su lugar.
Los frenos de electrovacío se han utilizado con considerable éxito en trenes eléctricos de unidades múltiples de Sudáfrica. A pesar de requerir equipos más grandes y pesados, como se indicó anteriormente, el rendimiento del freno de electrovacío se acercó al de los frenos electroneumáticos contemporáneos. Sin embargo, su uso no se ha repetido.
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