Un ferrocarril de cremallera (también ferrocarril de cremallera , ferrocarril de cremallera o ferrocarril de ruedas dentadas ) es un ferrocarril de pendiente pronunciada con un carril de cremallera dentado , generalmente entre los rieles de rodadura . Los trenes están equipados con una o más ruedas dentadas o piñones que engranan con este carril de cremallera. Esto permite que los trenes operen en pendientes pronunciadas del 100% (45 grados) o más, muy por encima del máximo del 10% para el riel basado en fricción . El mecanismo de cremallera y piñón también proporciona un frenado más controlado y reduce los efectos de la nieve o el hielo en los rieles. La mayoría de los ferrocarriles de cremallera son ferrocarriles de montaña , aunque algunos son ferrocarriles de tránsito o tranvías construidos para superar una pendiente pronunciada en un entorno urbano . El primer ferrocarril de cremallera fue el Middleton Railway entre Middleton y Leeds en West Yorkshire , Inglaterra, Reino Unido , donde funcionó la primera locomotora de vapor comercialmente exitosa , Salamanca , en 1812. Esta utilizó un sistema de cremallera y piñón diseñado y patentado en 1811 por John Blenkinsop . [1]
El primer ferrocarril de cremallera de montaña fue el Mount Washington Cog Railway en el estado estadounidense de New Hampshire , que transportó a sus primeros pasajeros de pago en 1868. La vía se completó para alcanzar la cima del monte Washington en 1869. El primer ferrocarril de cremallera de montaña en Europa continental fue el Vitznau-Rigi-Bahn en el monte Rigi en Suiza , que se inauguró en 1871. Ambas líneas todavía funcionan.
Además del sistema de cremallera utilizado, las líneas que utilizan sistemas de cremallera se dividen en dos categorías, dependiendo de si el raíl de cremallera es continuo o no. Las líneas en las que el raíl de cremallera es continuo y se utiliza el sistema de cremallera en toda su longitud se denominan líneas de cremallera pura. Otras líneas, que utilizan el sistema de cremallera solo en los tramos más empinados y en el resto del recorrido funcionan como un ferrocarril normal, se denominan líneas de cremallera y adherencia.
En las líneas de cremallera y adherencia, los trenes están equipados con sistemas de propulsión y frenado capaces de actuar tanto a través de las ruedas de rodadura como de las ruedas dentadas, dependiendo de la presencia o no del carril de cremallera. Las líneas de cremallera y adherencia también necesitan utilizar un sistema para suavizar la transición de tracción por fricción a tracción por cremallera, con una sección de cremallera montada sobre resortes para hacer que los dientes del piñón se engranen gradualmente. Esto fue inventado por Roman Abt, quien también inventó el sistema de cremallera Abt. [2]
En las líneas de cremallera pura, las ruedas de rodadura del tren sólo sirven para arrastrar el tren y no contribuyen a la propulsión ni al frenado, que se realiza exclusivamente a través de las ruedas dentadas. Las líneas de cremallera pura no necesitan sistemas de transición, ya que las ruedas dentadas permanecen en contacto con el carril de cremallera en todo momento, pero todas las vías, incluidas las vías de apartadero y las cocheras, deben estar equipadas con carril de cremallera independientemente de la pendiente.
A lo largo de los años se han desarrollado varios diseños diferentes de carriles de cremallera y ruedas dentadas correspondientes. Con la excepción de algunas de las primeras instalaciones de cremalleras Morgan y Blenkinsop, los sistemas de cremalleras colocan el carril de cremallera a mitad de camino entre los carriles de rodadura, montados sobre las mismas traviesas o durmientes que los carriles de rodadura.
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John Blenkinsop pensó que la fricción sería demasiado baja con ruedas de metal sobre rieles de metal incluso en terreno llano, por lo que construyó sus locomotoras de vapor para el ferrocarril de Middleton en 1812 con una rueda dentada (piñón) de 20 dientes y 3 pies (914 mm) de diámetro en el lado izquierdo que se acoplaba a los dientes de la cremallera (dos dientes por pie) en el lado exterior del riel, el riel de borde de "barriga de pez" de metal con su cremallera lateral se fundió en una sola pieza, en longitudes de 3 pies (1 yarda; 914 mm). El sistema de Blenkinsop permaneció en uso durante 25 años en el ferrocarril de Middleton, pero se convirtió en una curiosidad porque se descubrió que la fricción simple era suficiente para los ferrocarriles que operaban en terreno llano. [3]
El sistema de ferrocarril de montaña Fell, desarrollado en la década de 1860, no es propiamente un tren de cremallera, ya que no hay ruedas dentadas. En su lugar, este sistema utiliza un carril central elevado y liso entre los dos carriles de rodadura en los tramos empinados de las vías, que se sujeta por ambos lados para mejorar la fricción. Los trenes son propulsados por ruedas o frenados por zapatas presionadas horizontalmente sobre el carril central, así como por medio de las ruedas de rodadura normales.
El primer ferrocarril de cremallera exitoso en los Estados Unidos fue el Mount Washington Cog Railway, desarrollado por Sylvester Marsh . [4] Marsh recibió una patente estadounidense por la idea general de un ferrocarril de cremallera en septiembre de 1861, [5] y en enero de 1867 por una cremallera práctica donde los dientes de la cremallera toman la forma de rodillos dispuestos como los peldaños de una escalera entre dos rieles de hierro forjado en forma de L. [6] La primera prueba pública de la cremallera Marsh en Mount Washington se realizó el 29 de agosto de 1866, cuando solo se había completado un cuarto de milla (402 metros) de vía. El ferrocarril de Mount Washington abrió al público el 14 de agosto de 1868. [7] Las ruedas de piñón de las locomotoras tienen dientes profundos que aseguran que al menos dos dientes estén engranados con la cremallera en todo momento; esta medida ayuda a reducir la posibilidad de que los piñones se suban y se salgan de la cremallera. [1]
El sistema de cremallera de Riggenbach fue inventado por Niklaus Riggenbach, que trabajaba casi al mismo tiempo que Marsh, pero de forma independiente. Riggenbach obtuvo una patente francesa en 1863 basada en un modelo de trabajo que utilizó para interesar a los posibles patrocinadores suizos. Durante este tiempo, el cónsul suizo en los Estados Unidos visitó el ferrocarril de cremallera del monte Washington de Marsh e informó con entusiasmo al gobierno suizo. Deseoso de impulsar el turismo en Suiza, el gobierno encargó a Riggenbach la construcción de un ferrocarril de cremallera hasta el monte Rigi . Tras la construcción de un prototipo de locomotora y una pista de pruebas en una cantera cerca de Berna , el ferrocarril Vitznau-Rigi se inauguró el 22 de mayo de 1871. [1]
El sistema Riggenbach tiene un diseño similar al sistema Marsh. Utiliza un bastidor de escalera, formado por placas o canales de acero conectados por varillas redondas o cuadradas a intervalos regulares. El sistema Riggenbach tiene el problema de que su bastidor de escalera fijo es más complejo y costoso de construir que los otros sistemas.
Tras el éxito del ferrocarril Vitznau-Rigi, Riggenbach fundó Maschinenfabrik der Internationalen Gesellschaft für Bergbahnen (IGB), una empresa que producía locomotoras de cremallera según su diseño. [1]
El sistema Abt fue ideado por Carl Roman Abt , un ingeniero de locomotoras suizo . Abt trabajó para Riggenbach en sus talleres de Olten y más tarde en su empresa de locomotoras de cremallera IGB. En 1885 fundó su propia empresa de ingeniería civil. [1]
A principios de la década de 1880, Abt trabajó para diseñar un sistema de cremallera mejorado que superara las limitaciones del sistema Riggenbach. En particular, la cremallera Riggenbach era costosa de fabricar y mantener y los cambios de agujas eran complejos. En 1882, Abt diseñó una nueva cremallera utilizando barras sólidas con dientes verticales mecanizados en ellas. Dos o tres de estas barras están montadas centralmente entre los rieles, con los dientes de los piñones desplazados rotacionalmente entre sí para que coincidan. [8] El uso de múltiples barras con dientes desplazados garantiza que los piñones de las ruedas motrices de la locomotora estén constantemente acoplados a la cremallera. [9] El sistema Abt es más económico de construir que el Riggenbach porque requiere un peso menor de cremallera en una longitud determinada. Sin embargo, el sistema Riggenbach exhibe una mayor resistencia al desgaste que el Abt. [1]
El primer uso del sistema Abt fue en el Harzbahn en Alemania, que se inauguró en 1885. [1] El sistema Abt también se utilizó para la construcción del ferrocarril de montaña Snowdon en Gales entre 1894 y 1896. [10]
Las ruedas dentadas se pueden montar en el mismo eje que las ruedas de los rieles o accionarse por separado. Las locomotoras de vapor del West Coast Wilderness Railway tienen cilindros separados que accionan la rueda dentada, al igual que las locomotoras de clase "X" del Nilgiri Mountain Railway .
El sistema de cremallera de Agudio [11] fue inventado por Tommaso Agudio. Su única aplicación duradera fue en el tranvía Sassi-Superga , inaugurado en 1884. Utilizaba una cremallera vertical con ruedas dentadas a cada lado de la cremallera central. Sin embargo, su característica única era que la "locomotora" era impulsada por medio de un cable sin fin accionado desde una sala de máquinas al pie de la pendiente. Se modificó para utilizar el sistema de cremallera Strub en 1934. [12]
El sistema de cremallera de Locher, inventado por Eduard Locher , tiene dientes de engranaje tallados en los lados en lugar de en la parte superior del raíl, que se acoplan mediante dos ruedas dentadas en la locomotora. Este sistema permite su uso en pendientes más pronunciadas que los otros sistemas, cuyos dientes podrían salirse de la cremallera. Se utiliza en el ferrocarril Pilatus .
Locher se propuso diseñar un sistema de cremallera que pudiera utilizarse en pendientes tan pronunciadas como 1 en 2 (50%). El sistema Abt, el sistema de cremallera más común en Suiza en ese momento, estaba limitado a una pendiente máxima de 1 en 4 (25%). Locher demostró que en pendientes más pronunciadas, el sistema Abt era propenso a que el piñón de accionamiento pasara por encima de la cremallera, lo que causaba descarrilamientos potencialmente catastróficos, como predijo el Dr. Abt. Para superar este problema y permitir que una cremallera se alineara en las laderas empinadas del monte Pilatus , Locher desarrolló un sistema de cremallera donde la cremallera es una barra plana con dientes horizontales simétricos. Los piñones horizontales con bridas debajo de la cremallera enganchan la barra montada centralmente, impulsando la locomotora y manteniéndola centrada en la vía.
Este sistema proporciona una fijación muy estable a la vía, protegiendo además al vagón de volcar incluso con los vientos cruzados más fuertes. Estos engranajes también son capaces de conducir el vagón, por lo que incluso las bridas en las ruedas de rodadura son opcionales. El mayor inconveniente del sistema es que no se puede utilizar el desvío ferroviario estándar y se debe utilizar una mesa de transferencia u otro dispositivo complejo cuando se necesita una bifurcación de la vía.
Después de las pruebas, el sistema Locher se implementó en el ferrocarril Pilatus, que se inauguró en 1889. Ningún otro ferrocarril público utiliza el sistema Locher, aunque algunas minas de carbón europeas utilizan un sistema similar en líneas subterráneas de pendiente pronunciada. [1]
El sistema de cremallera Strub fue inventado por Emil Strub en 1896. Utiliza un raíl laminado de fondo plano con dientes de cremallera mecanizados en la cabeza con una separación de aproximadamente 100 mm (3,9 pulgadas). Las mordazas de seguridad instaladas en la locomotora se acoplan con la parte inferior de la cabeza para evitar descarrilamientos y sirven como freno. [1] La patente estadounidense de Strub, otorgada en 1898, también incluye detalles de cómo se integra el raíl de cremallera con el mecanismo de un desvío . [13]
El uso más conocido del sistema Strub se encuentra en la Jungfraubahn en Suiza. [1]
Strub es el sistema de bastidor más sencillo de mantener y se ha vuelto cada vez más popular. [14]
En 1900, EC Morgan de Chicago recibió una patente sobre un sistema de ferrocarril de cremallera que era mecánicamente similar a la cremallera de Riggenbach, pero donde la cremallera también se usaba como un tercer carril para impulsar la locomotora eléctrica. [15] Morgan continuó desarrollando locomotoras más pesadas [16] y con JH Morgan, desvíos para este sistema. [17] En 1904, patentó una cremallera simplificada pero compatible, donde los dientes de los piñones del motor se acoplaban a agujeros cuadrados perforados en un carril central en forma de barra. [18] JH Morgan patentó varios diseños de desvíos alternativos para su uso con este sistema de cremallera. [19] [20] Curiosamente, Morgan recomendó una cremallera descentrada para permitir un paso libre para peatones y animales que caminaban por las vías. [15] Algunas fotos de las primeras instalaciones de Morgan muestran esto. [21] Se podía utilizar un sistema de montaje de cremallera simplificado cuando la cremallera Morgan no se usaba para la energía del tercer carril [22] y la cremallera Morgan ofrecía posibilidades interesantes para los tranvías. [23] El bastidor Morgan era bueno para calificaciones de hasta el 16 por ciento . [24]
La Goodman Equipment Company comenzó a comercializar el sistema Morgan para ferrocarriles mineros , y tuvo un uso generalizado, particularmente donde se encontraban pendientes pronunciadas bajo tierra. [25] [26] [27] En 1907, Goodman tenía oficinas en Cardiff, Gales , para atender al mercado británico. [21] Entre 1903 y 1909, la compañía McKell Coal and Coke en el condado de Raleigh, Virginia Occidental, instaló 35.000 pies (10.700 m) de vías de cremallera/tercer carril Morgan en sus minas. [28] Entre 1905 y 1906, la Mammoth Vein Coal Company instaló 8.200 pies (2.500 m) de cremallera motorizada en dos de sus minas en Everist, Iowa , con una pendiente máxima del 16%. [29] La Donohoe Coke Co. de Greenwald, Pensilvania, tenía 10 000 pies (3050 m) de cremallera Goodman en su mina en 1906. [30] El sistema Morgan tuvo un uso limitado en un ferrocarril de transporte común en los Estados Unidos, la Chicago Tunnel Company , un transportador de carga de vía estrecha que tenía una pendiente pronunciada en la línea hasta su estación de eliminación de superficie en la orilla del lago de Chicago . [31]
El sistema de láminas (también conocido como sistema Von Roll) fue desarrollado por la empresa Von Roll después de que los rieles de acero laminado utilizados en el sistema Strub dejaran de estar disponibles. Está formado por una sola cuchilla cortada con una forma similar al sistema Abt, pero normalmente más ancha que una sola barra Abt. La cremallera de láminas puede ser utilizada por locomotoras diseñadas para su uso en los sistemas Riggenbach o Strub, siempre que no se utilicen las mordazas de seguridad que eran una característica del sistema Strub original. Algunos ferrocarriles utilizan cremalleras de varios sistemas; por ejemplo, el ferrocarril St. Gallen Gais Appenzell en Suiza tiene secciones de cremallera Riggenbach, Strub y de láminas. [1]
La mayoría de los ferrocarriles de cremallera construidos a partir de finales del siglo XX han utilizado el sistema de láminas. [1]
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Los cambios de vía en el tren de cremallera son tan variados como las tecnologías de este tipo de ferrocarril. En el caso de las líneas de cremallera opcionales, como la Zentralbahn en Suiza y la West Coast Wilderness Railway en Tasmania, es conveniente utilizar cambios de vía solo en secciones lo suficientemente planas para la adherencia (por ejemplo, en la cima de un paso). Otros sistemas que dependen de la cremallera para la tracción (sin tracción de las ruedas de los raíles convencionales), como la Dolderbahn en Zúrich , Štrbské Pleso en Eslovaquia y el tren de cremallera Schynige Platte , deben cambiar de vía en el raíl de la cremallera. El cambio de vía en la Dolderbahn funciona doblando los tres raíles, una operación que se realiza en cada viaje cuando los dos trenes pasan por el medio.
La geometría del sistema de cremallera tiene un gran impacto en la construcción de los desvíos. Si la cremallera está elevada por encima de los rieles de rodadura, no hay necesidad de interrumpir los rieles de rodadura para permitir el paso de los piñones de accionamiento de las locomotoras. Strub documentó esto explícitamente en su patente estadounidense. [13] Strub utilizó un conjunto complejo de manivelas acodadas y varillas de empuje que conectaban la varilla de lanzamiento de los puntos con las dos varillas de lanzamiento para las secciones de cremallera móvil. Se requería una interrupción en la cremallera para seleccionar entre las dos rutas, y una segunda interrupción donde los rieles de la cremallera cruzaban los rieles de rodadura. Los desvíos para el sistema de cremallera Morgan eran similares, con la cremallera elevada por encima de los rieles de rodadura. La mayoría de las patentes de desvíos Morgan incluían secciones de cremallera móviles para evitar roturas en la cremallera, [17] [20] pero debido a que todas las locomotoras Morgan tenían dos piñones de accionamiento vinculados, no había necesidad de una cremallera continua. Siempre que los cortes en la cremallera fueran más cortos que la distancia entre los piñones de accionamiento de la locomotora, el carril de la cremallera podría interrumpirse dondequiera que fuera necesario cruzar un carril de rodadura. [15]
Los desvíos son mucho más complejos cuando el bastidor está al nivel de los rieles de rodadura o por debajo de él. La primera patente de cremallera de Marsh muestra una disposición de este tipo, [5] y el ferrocarril de cremallera Mount Washington original que construyó no tenía desvíos. No fue hasta 1941 que se construyó un desvío en esta línea. [32] Se construyeron más desvíos para la línea, pero todos se operaban manualmente. En 2003, se desarrolló y construyó un nuevo desvío hidráulico automático en la base como prototipo. Con el éxito del nuevo desvío, se construyeron más desvíos hidráulicos automáticos nuevos para reemplazar los operados manualmente. Los nuevos desvíos instalados en la línea Mount Washington en 2007 son esencialmente mesas de transferencia . [33] El bastidor Locher también requiere mesas de transferencia.
Originalmente, casi todos los ferrocarriles de cremallera funcionaban con locomotoras de vapor . La locomotora de vapor necesita ser modificada en gran medida para funcionar de manera efectiva en este entorno. A diferencia de una locomotora diésel o una locomotora eléctrica , la locomotora de vapor solo funciona cuando su planta motriz (la caldera, en este caso) está bastante nivelada. La caldera de la locomotora requiere agua para cubrir los tubos de la caldera y las láminas de la caja de fuego en todo momento, en particular la chapa de corona , la parte superior metálica de la caja de fuego. Si no está cubierta con agua, el calor del fuego la ablandará lo suficiente como para ceder bajo la presión de la caldera, lo que provocará una falla catastrófica.
En los sistemas de cremallera con pendientes extremas, la caldera, la cabina y la superestructura general de la locomotora están inclinadas hacia delante con respecto a las ruedas, de modo que quedan más o menos horizontales cuando circulan por vías con pendientes pronunciadas. Estas locomotoras a menudo no pueden funcionar en vías a nivel, por lo que toda la línea, incluidos los talleres de mantenimiento, debe disponerse en pendiente. Esta es una de las razones por las que los ferrocarriles de cremallera fueron de los primeros en electrificarse y la mayoría de los ferrocarriles de cremallera actuales funcionan con electricidad. En algunos casos, se puede utilizar una caldera vertical que es menos sensible a la pendiente de la vía.
En un ferrocarril de cremallera, las locomotoras siempre van por debajo de los vagones de pasajeros por razones de seguridad: la locomotora está equipada con frenos potentes, que a menudo incluyen ganchos o abrazaderas que sujetan firmemente el raíl de la cremallera. Algunas locomotoras están equipadas con frenos automáticos que se aplican si la velocidad es demasiado alta, lo que evita que se desboquen. A menudo no hay acoplamiento entre la locomotora y el tren, ya que la gravedad siempre empujará el vagón de pasajeros hacia abajo contra la locomotora. Los vehículos propulsados eléctricamente también suelen tener frenos de vía electromagnéticos.
La velocidad máxima de los trenes que circulan por un tren de cremallera es muy baja, generalmente de 9 a 25 kilómetros por hora (5,6 a 15,5 mph) dependiendo de la pendiente y el método de propulsión. Debido a que el Skitube tiene pendientes más suaves de lo habitual, sus velocidades son más altas de lo habitual.
El ferrocarril de cremallera de Culdee Fell es un ferrocarril de cremallera ficticio de la isla de Sodor que aparece en la serie The Railway del reverendo W. Awdry . Su funcionamiento, sus locomotoras y su historia se basan en los del ferrocarril de montaña de Snowdon . Aparece en el libro Mountain Engines . El ferrocarril de cremallera de Štrbské Pleso en Eslovaquia aparece en "The Bounty" de Janet Evanovich y Steve Hamilton .
…nuevos rieles de cremallera Strub, el sistema tecnológicamente más avanzado y que requiere menos mantenimiento de Suiza.
