Locomotora de vapor de tecnología avanzada 5AT

La primera tarea del equipo del proyecto fue encargar a David Wardale la realización de los cálculos fundamentales de diseño de la locomotora. El objetivo de estos cálculos era verificar, mediante cálculos detallados, que el diseño conceptual era viable desde el punto de vista de la ingeniería y que cumpliría con las predicciones de rendimiento que Wardale había formulado (véase más adelante). Al mismo tiempo, se creó un sitio web del proyecto ^{[ 8 ] .}

Wardale completó los cálculos de diseño fundamental para la locomotora a finales de 2004, tras dos años y medio de trabajo casi continuo. El trabajo comprende 6100 líneas de cálculo divididas en 26 secciones, como se detalla a continuación:

• Sección 1.1 - Cálculos generales - Determinación de la potencia objetivo y las características de esfuerzo de tracción-velocidad ^{[ 9 ]}
• Sección 1.2 - Cálculos generales - Determinación de las curvas objetivo de carga-velocidad-pendiente ^{[ 10 ]}
• Sección 1.3 - Cálculos generales - Cálculos básicos preliminares ^{[ 11 ]}
• Sección 1.4 - Cálculos generales - Diagramas de esfuerzo de tracción ^{[ 12 ]}
• Sección 2.1 - Pistones, anillos, bielas y varillas de cola;
• Sección 2.2 - Cruceta y barras deslizantes;
• Sección 2.3 - Bielas;
• Sección 3 - Muñones de biela, bielas de acoplamiento, ejes motrices y acoplados, y cojinetes de rodillos de muñones de biela y ejes;
• Sección 4 - Válvulas de pistón, anillos de válvula, vástagos de válvula y empaquetaduras;
• Sección 5 - Mecanismo de distribución;
• Sección 6 - Cilindros y camisas de cilindro;
• Sección 7 - Cálculos del vapor de refrigeración del revestimiento de la válvula;
• Sección 8 - Equilibrado de ruedas;
• Sección 9 - Calentamiento del agua de alimentación;
• Sección 10 - Calentamiento del aire de combustión;
• Sección 11.1 - Resistencia de la caldera;
• Sección 11.2 - Sistema de combustión de la caldera;
• Sección 11.3 - Flujo de gases de combustión + vapor y transferencia de calor;
• Sección 12 - Sistema de escape;
• Sección 13 - Montaje de muelles;
• Sección 14 - Estructura principal;
• Sección 15 - Frenos;
• Sección 16 - Estabilidad del bogie delantero y del motor;
• Sección 17 - Especificación de equipos patentados;
• Sección 18 - Predicciones de rendimiento (verificación de la Sección 1 incorporando los resultados de otros cálculos).
• Sección 1.3F - Cálculos generales - Cálculos básicos preliminares (versión final) ^{[ 13 ]}

Tras la finalización de los cálculos de diseño fundamentales, el equipo del proyecto 5AT se centró en el desarrollo de un plan de negocios para atraer inversión. Esta tarea resultó compleja debido a los elevados costes de desarrollo previstos para el diseño y la obtención de las homologaciones ferroviarias de la locomotora prototipo, así como a la limitada rentabilidad que cabría esperar de su uso en trenes turísticos y de crucero. Se concluyó que el coste de construcción de la locomotora solo se justificaría si se amortizaban los costes iniciales de desarrollo.

El equipo del proyecto también llevó a cabo una extensa investigación sobre las posibilidades de desarrollar diseños alternativos basados ​​en los conceptos de alta eficiencia y bajo mantenimiento de la 5AT. Se prestó especial atención a las posibilidades de la tracción a vapor ( alimentada con carbón ) para el transporte de carbón en países en desarrollo como Indonesia , donde se estimó que los costos operativos serían sustancialmente menores que los de la tracción diésel y eléctrica .

El rendimiento previsto para la locomotora 5AT se resume de la siguiente manera: ^{[ 14 ]}

• Velocidad máxima de funcionamiento continuo: 180  km/h/113  mph (con una velocidad máxima de diseño de 200  km/h/125  mph);
• Potencia máxima en la barra de tiro de 1.890  kW/2.535  hp a 113  km/h/70  mph;
• Relación potencia-peso de 12  kW por tonelada (en la barra de tiro);
• Eficiencia térmica máxima en la barra de tracción : 11,8 % (eficiencia indicada: 14 %);
• Autonomía operativa entre repostajes de combustible de 925 km (575 millas) y entre repostajes de agua de 610 km (380 millas) en "condiciones medias";    
• Autonomía operativa entre repostajes de combustible: 552 km (343 millas) y entre repostajes de agua: 367 km (228 millas) a velocidad y potencia máximas de funcionamiento.    

Las predicciones de rendimiento anteriores se basaron en varios avances técnicos, desarrollados principalmente por el Ing. LD Porta , todos los cuales han sido probados en la práctica, en la mayoría de los casos en el SAR Clase 26 "The Red Devil" de Wardale y descritos en el libro de Wardale ^{[ 15 ]} sobre el tema. Estos avances se resumen a continuación:

• Presión máxima de la caldera: 2100 kPa (305 psi);
• Temperatura de sobrecalentamiento elevada: 450  °C;
• Sistema de escape Lempor para minimizar la contrapresión en los cilindros;
• Precalentamiento del agua de alimentación;
• Precalentamiento del aire de combustión;
• Grandes tuberías, conductos y cámaras de vapor aerodinámicas;
• Válvulas y orificios de válvula de gran tamaño para facilitar el libre flujo de vapor dentro y fuera de los cilindros;
• Carrera larga del pistón para minimizar la masa del pistón y las fugas de vapor;
• Pistones y válvulas equipados con anillos de calidad diésel para reducir las fugas de vapor;
• Tolerancias estrictas en todo el proceso (equivalentes a los estándares diésel modernos);
• Aislamiento de altísima calidad, fijado permanentemente en su lugar, para minimizar las pérdidas de calor;
• Sistema de lijado neumático y perfiles de llanta de mayor adherencia para controlar el deslizamiento de la rueda;
• Apriete los frenos en todas las ruedas para mejorar el rendimiento de frenado y reducir las distancias de parada;
• Mecanismos ultraligeros (varillas, pistones y válvulas de pistón) para minimizar las fuerzas de inercia y, por lo tanto, los requisitos de equilibrado (y, por consiguiente, el impacto del martillo en la vía).

Además, la locomotora habría incorporado las siguientes características que habrían minimizado sus necesidades de mantenimiento y aumentado su fiabilidad:

• Diseño de componentes mejorado mediante CAD/CAM para garantizar tolerancias estrictas y un ajuste exacto;
• Análisis de esfuerzos mediante elementos finitos de todos los componentes críticos para determinar con precisión los niveles de esfuerzo en dichos componentes;
• Mejores materiales, incluidos cojinetes, lubricantes, componentes de desgaste, aislamiento, etc.;
• Sustituir, siempre que sea posible, los pernos y remaches por conexiones soldadas, eliminando así la posibilidad de que los componentes se aflojen.
• Diseño sencillo de dos cilindros para minimizar el número de componentes móviles.
• No hay componentes inaccesibles.
• Se recomienda el uso de las normas de la AAR cuando sea apropiado, ya que las normas de la Asociación Americana de Ferrocarriles suelen ser las normas de diseño más sólidas cuando se deben utilizar métodos empíricos.
• Rodamientos de rodillos en todos los ejes, muñequillas del cigüeñal, mecanismo de transmisión y distribución de válvulas, lo que proporciona un desgaste prácticamente nulo y una vibración mínima;
• Cuñas autoajustables en todas las cajas de ejes motrices y acopladas para eliminar los huecos entre la caja de ejes y el bastidor, y así evitar los golpes y vibraciones asociados con el desgaste de la caja de ejes;
• Soportes robustos para los cuernos que minimizan el riesgo de que el marco se agriete en las esquinas superiores de los mismos;
• Mejora de la tribología de válvulas y cilindros para minimizar el desgaste de anillos y camisas;
• Varillas de cola en los pistones para reducir el desgaste de los anillos del pistón y del cilindro;
• Caldera totalmente soldada: elimina los problemas causados ​​por las uniones remachadas y los tirantes atornillados. No hay posibilidad de fugas ni de fragilización cáustica .
• Tratamiento eficaz del agua de la caldera que prácticamente elimina la necesidad de mantenimiento.
• Diseño superior de los tirantes de la cámara de combustión para minimizar la incidencia de fracturas en los mismos;
• Sistema de tracción rígido entre la locomotora y el ténder para eliminar el "golpeteo" y las vibraciones;
• Tapones fusibles para la cámara de combustión de tipo "caída": más seguros que los tapones habituales rellenos de plomo;
• Acero resistente a la corrosión para la ténder y la caja de humos ;
• Se han mejorado las conexiones entre la caldera y el bastidor para aumentar la rigidez y reducir la flexión del bastidor;
• Frenos de sujeción para minimizar las cargas sobre el eje y los cojinetes del eje debidas a las fuerzas de frenado;
• Sistema centralizado de dispensación de lubricante para la lubricación automática de todas las superficies deslizantes, etc.;
• Los revestimientos de las válvulas se enfrían con vapor saturado para proteger los lubricantes de las temperaturas extremas asociadas con el vapor altamente sobrecalentado.