Ferrocarril de adhesión

Un ferrocarril de adherencia se basa en la tracción de adherencia para mover el tren, y es el tipo de ferrocarril más extendido y común del mundo. La tracción de adherencia es la fuerza de agarre por fricción entre las ruedas motrices de la locomotora y el riel de acero. ^{[ 1 ]} Debido a que la gran mayoría de los ferrocarriles son de adherencia, el término ferrocarril de adherencia solo se usa cuando es necesario distinguir los ferrocarriles de adherencia de otros tipos de ferrocarriles con trenes que se mueven por otros métodos, como por una máquina o motor estacionario que tira de un cable o cadena unido a los vagones, o por un piñón que engrana con una cremallera .

La fricción entre las ruedas y los rieles se produce en la interfaz rueda-riel , o zona de contacto . La fuerza de tracción, las fuerzas de frenado y las fuerzas de centrado contribuyen a un funcionamiento estable y suave. Sin embargo, la fricción durante el funcionamiento aumenta los costos debido al mayor consumo de combustible y energía, así como al mayor mantenimiento necesario para reparar la fatiga y el desgaste de las cabezas de los rieles y las llantas de las ruedas, y al movimiento de los rieles provocado por las fuerzas de tracción y frenado.

La tracción , o fricción , se reduce cuando la superficie del riel está mojada, helada o contaminada con grasa, aceite u hojas en descomposición , que se compactan formando una capa dura y resbaladiza de lignina . La contaminación por hojas se puede eliminar aplicando " Sandita " (una mezcla de gel y arena) desde trenes de mantenimiento, utilizando depuradores y chorros de agua, y se puede reducir con una gestión a largo plazo de la vegetación de las vías. Las locomotoras y los tranvías utilizan arena para mejorar la tracción cuando las ruedas motrices comienzan a patinar.

La adhesión se produce por fricción , y la fuerza tangencial máxima generada por una rueda motriz antes de que se produzca el deslizamiento viene dada por:

${\displaystyle F_{\mathrm {max} }=\mu W,}$^{[ 2 ]}

dónde${\displaystyle \mu }$es el coeficiente de fricción y${\displaystyle W}$es el peso sobre la rueda.

Por lo general, la fuerza necesaria para iniciar el deslizamiento es mayor que la necesaria para continuarlo. La primera se refiere a la fricción estática (también conocida como " adherencia " ^{[ 3 ]} ), o "fricción límite", mientras que la segunda es la fricción dinámica, también llamada "fricción de deslizamiento".

Para acero sobre acero, el coeficiente de fricción puede ser tan alto como 0,78, en condiciones de laboratorio, pero normalmente en ferrocarriles está entre 0,35 y 0,5, ^{[ 4 ]} mientras que en condiciones extremas puede caer hasta 0,05. Así, una locomotora de 100 toneladas podría tener un esfuerzo de tracción de 350 kilonewtons, en condiciones ideales (suponiendo que el motor pueda producir la fuerza suficiente), cayendo a 50 kilonewtons en las peores condiciones.

Las locomotoras de vapor sufren especialmente problemas de adherencia debido a que la fuerza de tracción en la llanta fluctúa (sobre todo en las de dos o la mayoría de las de cuatro cilindros) y, en las locomotoras grandes, no todas las ruedas son motrices. El "factor de adherencia", que es el peso sobre las ruedas motrices dividido por el esfuerzo de tracción inicial teórico, generalmente se diseñó con un valor de 4 o ligeramente superior, lo que refleja un coeficiente de fricción típico rueda-carril de 0,25. Una locomotora con un factor de adherencia mucho menor que 4 sería muy propensa al deslizamiento de las ruedas, aunque algunas locomotoras de tres cilindros, como la clase SR V Schools , funcionaban con un factor de adherencia inferior a 4 porque la fuerza de tracción en la llanta no fluctúa tanto. Otros factores que afectan la probabilidad de deslizamiento de las ruedas incluyen el tamaño de la rueda, la sensibilidad del regulador y la habilidad del maquinista.

El término adherencia para todo tipo de clima se usa generalmente en Norteamérica y se refiere a la adherencia disponible durante el modo de tracción con una fiabilidad del 99 % en todas las condiciones climáticas. ^{[ 5 ]}

La velocidad máxima a la que un tren puede circular en una curva está limitada por el radio de la curva, la posición del centro de masa de las unidades, el ancho de vía y si la vía está peraltada o inclinada .

El vuelco se produce cuando el momento de vuelco debido a la fuerza lateral ( aceleración centrífuga ) es suficiente para que la rueda interior comience a separarse del riel. Esto puede provocar una pérdida de adherencia, lo que hace que el tren disminuya la velocidad e impida el vuelco. Alternativamente, la inercia puede ser suficiente para que el tren continúe moviéndose a gran velocidad, provocando que los vagones vuelquen por completo.

Para un ancho de vía de 1,5 m (4,9 pies) sin inclinación, una altura del centro de gravedad de 3 m (9,8 pies) y una velocidad de 30 m/s (110 km/h; 67 mph) , el radio mínimo de curvatura es de 360 ​​m (1180 pies) . Para un tren moderno de velocidad excepcionalmente alta a 80 m/s (290 km/h; 180 mph) , el radio mínimo sería de aproximadamente 2,5 km (1,6 millas) . En la práctica, el radio mínimo de giro es mucho mayor que este, ya que el contacto entre las pestañas de las ruedas y el riel a alta velocidad podría causar daños significativos a ambos. Para velocidades muy altas, el límite mínimo de adherencia parece nuevamente apropiado, lo que implica un radio de giro de aproximadamente 13 km (8,1 millas) . En la práctica, las vías curvas utilizadas para viajes de alta velocidad están peraltadas o inclinadas , de modo que el radio mínimo de curvatura se acerca a los 7 km (4,3 millas) .                  

Durante el siglo XIX, se creía que acoplar las ruedas motrices comprometería el rendimiento, por lo que se evitaba en las locomotoras destinadas al servicio exprés de pasajeros. Con un solo juego de ruedas motrices, la tensión de contacto hertziana entre la rueda y el riel requería el uso de ruedas de mayor diámetro posible. El peso de las locomotoras estaba limitado por la tensión sobre el riel, y se requerían cajas de arena, incluso en condiciones de adherencia razonables.

Juego de ruedas en posición central

El efecto del desplazamiento lateral

Podría pensarse que las ruedas se mantienen sobre las vías gracias a las pestañas. Sin embargo, un examen minucioso de una rueda de ferrocarril típica revela que la banda de rodadura está pulida, pero la pestaña no; las pestañas rara vez entran en contacto con el riel y, cuando lo hacen, la mayor parte del contacto es por deslizamiento. El roce de una pestaña contra la vía disipa grandes cantidades de energía, principalmente en forma de calor, pero también generando ruido y, si se prolonga, provocaría un desgaste excesivo de la rueda.

El centrado se logra mediante la forma de la rueda. La banda de rodadura de la rueda es ligeramente cónica. Cuando el tren se encuentra en el centro de la vía, la zona de contacto de las ruedas con el riel describe un círculo del mismo diámetro para ambas ruedas. Como las velocidades de las dos ruedas son iguales, el tren se mueve en línea recta.

Sin embargo, si el conjunto de ruedas se desplaza hacia un lado, los diámetros de las zonas de contacto, y por lo tanto las velocidades tangenciales de las ruedas en las superficies de rodadura, son diferentes y el conjunto de ruedas tiende a girar hacia el centro. Asimismo, cuando el tren encuentra una curva sin peralte , el conjunto de ruedas se desplaza lateralmente de forma leve, de modo que la banda de rodadura exterior acelera linealmente y la interior desacelera, lo que provoca que el tren gire en la curva. Algunos sistemas ferroviarios emplean un perfil de vía y rueda plano, basándose únicamente en el peralte para reducir o eliminar el contacto de la pestaña.

Al comprender cómo el tren se mantiene sobre la vía, resulta evidente por qué los ingenieros de locomotoras victorianos eran reacios a acoplar los conjuntos de ruedas. Esta sencilla acción de cono solo es posible con conjuntos de ruedas en los que cada una puede moverse libremente alrededor de su eje vertical. Si los conjuntos de ruedas están rígidamente acoplados, este movimiento se restringe, por lo que se esperaría que el acoplamiento de las ruedas introdujera deslizamiento, lo que resultaría en mayores pérdidas por rodadura. Este problema se mitigó en gran medida asegurando que los diámetros de todas las ruedas acopladas coincidieran con mucha precisión.

Con un contacto de rodadura perfecto entre la rueda y el riel, este comportamiento cónico se manifiesta como un balanceo del tren de lado a lado. En la práctica, el balanceo se amortigua por debajo de una velocidad crítica , pero se amplifica por el movimiento hacia adelante del tren por encima de dicha velocidad. Este balanceo lateral se conoce como oscilación de caza . La oscilación de caza era conocida a finales del siglo XIX, aunque su causa no se comprendió completamente hasta la década de 1920, y no se tomaron medidas para eliminarla hasta finales de la década de 1960. La velocidad máxima no estaba limitada por la potencia bruta, sino por una posible inestabilidad en el movimiento.

La descripción cinemática del movimiento de las bandas de rodadura cónicas sobre los dos rieles es insuficiente para describir el efecto de oscilación con la precisión necesaria para predecir la velocidad crítica. Es necesario considerar las fuerzas implicadas. Hay dos características que deben tenerse en cuenta:

1. la inercia de los conjuntos de ruedas y las carrocerías de los vehículos, que da lugar a fuerzas proporcionales a la aceleración;
2. la deformación de la rueda y la vía en el punto de contacto, dando lugar a fuerzas elásticas.

La aproximación cinemática corresponde al caso en el que predominan las fuerzas de contacto.

Un análisis de la cinemática de la acción de cono produce una estimación de la longitud de onda de la oscilación lateral: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \lambda ={2\pi }{\sqrt {\frac {rd}{2k}}},}$

donde d es el ancho de vía, r es el radio nominal de la rueda y k es la conicidad de la banda de rodadura. Para una velocidad dada, cuanto mayor sea la longitud de onda, menores serán las fuerzas de inercia, por lo que será más probable que la oscilación se amortigüe. Dado que la longitud de onda aumenta al disminuir la conicidad, aumentar la velocidad crítica requiere reducir la conicidad, lo que implica un radio de giro mínimo grande.

Un análisis más completo, que tiene en cuenta las fuerzas reales que actúan, arroja el siguiente resultado para la velocidad crítica de un conjunto de ruedas:

${\displaystyle V^{2}={\frac {Wrad^{2}}{k\left(4C+md^{2}\right)}},}$

donde W es la carga por eje del conjunto de ruedas, a es un factor de forma relacionado con la cantidad de desgaste en la rueda y el riel, C es el momento de inercia del conjunto de ruedas perpendicular al eje, m es la masa del conjunto de ruedas.

El resultado es consistente con el resultado cinemático, ya que la velocidad crítica depende inversamente de la conicidad. Esto también implica que el peso de la masa giratoria debe minimizarse en comparación con el peso del vehículo. El ancho de vía aparece tanto en el numerador como en el denominador, lo que implica que solo tiene un efecto de segundo orden sobre la velocidad crítica.

La situación real es mucho más compleja, ya que debe tenerse en cuenta la respuesta de la suspensión del vehículo. Se pueden utilizar muelles de sujeción, que contrarresten el movimiento de guiñada del conjunto de ruedas, y sujeciones similares en los bogies , para aumentar aún más la velocidad crítica. Sin embargo, para alcanzar las velocidades más altas sin inestabilidad, es necesaria una reducción significativa de la conicidad de la rueda. Por ejemplo, la conicidad de las bandas de rodadura de las ruedas del Shinkansen se redujo a 1:40 (cuando el Shinkansen comenzó a operar) para lograr estabilidad a altas velocidades y un buen rendimiento en las curvas. ^{[ 7 ]} Dicho esto, a partir de la década de 1980, los ingenieros del Shinkansen desarrollaron una conicidad efectiva de 1:16 mediante el diseño de la rueda con múltiples arcos, de modo que pudiera funcionar eficazmente tanto a alta velocidad como en curvas más pronunciadas. ^{[ 7 ]}

El comportamiento de los vehículos que se desplazan sobre vías férreas adherentes está determinado por las fuerzas que surgen entre dos superficies en contacto. Esto puede parecer trivialmente simple a primera vista, pero se vuelve extremadamente complejo cuando se estudia con la profundidad necesaria para predecir resultados útiles.

El primer error que debemos abordar es la suposición de que las ruedas son redondas. Un vistazo a los neumáticos de un coche aparcado demuestra inmediatamente que esto no es cierto: la zona de contacto con la carretera está notablemente aplanada, de modo que la rueda y la carretera se adaptan entre sí en dicha zona. Si no fuera así, la tensión de contacto de una carga que se transfiere a través de una línea de contacto sería infinita. Los raíles y las ruedas de los ferrocarriles son mucho más rígidos que los neumáticos y el asfalto, pero la misma deformación se produce en la zona de contacto. Normalmente, la zona de contacto es elíptica, del orden de 15  mm de diámetro. ^{[ 8 ]}

La deformación en la rueda y el riel es pequeña y localizada, pero las fuerzas que de ella se derivan son grandes. Además de la deformación debida al peso, tanto la rueda como el riel se deforman al aplicar fuerzas de frenado y aceleración, y cuando el vehículo está sometido a fuerzas laterales. Estas fuerzas tangenciales provocan deformación en la región donde entran en contacto por primera vez, seguida de una región de deslizamiento. El resultado neto es que, durante la tracción, la rueda no avanza tanto como se esperaría por contacto rodante, pero, durante el frenado, avanza más. Esta combinación de deformación elástica y deslizamiento local se conoce como "fluencia" (que no debe confundirse con la fluencia de los materiales bajo carga constante). La definición de fluencia ^{[ 9 ]} en este contexto es:

${\displaystyle {\mbox{creep}}={\frac {({\mbox{desplazamiento real}}-{\mbox{desplazamiento de rodadura}})}{({\mbox{desplazamiento de rodadura}})}}\,}$

Al analizar la dinámica de los conjuntos de ruedas y los vehículos ferroviarios completos, las fuerzas de contacto pueden tratarse como dependientes linealmente del deslizamiento ^{[ 10 ]} ( teoría lineal de Joost Jacques Kalker , válida para pequeños deslizamientos), o se pueden utilizar teorías más avanzadas de la mecánica de contacto por fricción .

Las fuerzas que dan lugar a la estabilidad direccional , la propulsión y el frenado pueden atribuirse al deslizamiento lento. Este se presenta en un solo juego de ruedas y compensa la ligera incompatibilidad cinemática que se produce al acoplar varios juegos de ruedas, sin causar un deslizamiento excesivo, como se temía anteriormente.

Siempre que el radio de giro sea suficientemente grande (como cabe esperar en los servicios de pasajeros exprés), dos o tres juegos de ruedas acopladas no deberían suponer ningún problema. Sin embargo, las locomotoras de carga pesada suelen utilizar 10 ruedas motrices (5 juegos de ruedas principales).

El ferrocarril de adherencia se basa en una combinación de fricción y peso para arrancar un tren. Los trenes más pesados ​​requieren la mayor fricción y la locomotora más pesada. La fricción puede variar mucho, pero en los primeros ferrocarriles se sabía que la arena ayudaba, y todavía se usa hoy en día, incluso en locomotoras con controles de tracción modernos. Para arrancar los trenes más pesados, la locomotora debe ser tan pesada como lo permitan los puentes a lo largo de la ruta y la propia vía. El peso de la locomotora debe distribuirse equitativamente entre las ruedas motrices, sin transferencia de peso a medida que aumenta la fuerza de arranque. Las ruedas deben girar con una fuerza motriz constante sobre la pequeña área de contacto de aproximadamente 1 ^cm²  entre cada rueda y la parte superior del riel. La parte superior del riel debe estar seca, sin contaminación artificial ni climática, como aceite o lluvia. Se necesita arena para mejorar la fricción o un equivalente. Las ruedas motrices deben girar más rápido que la locomotora (conocido como control de avance lento) para generar el coeficiente de fricción máximo, y los ejes deben ser impulsados ​​independientemente con su propio controlador porque diferentes ejes experimentarán diferentes condiciones. La fricción máxima disponible ocurre cuando las ruedas están patinando/avanzando lentamente. Si la contaminación es inevitable, las ruedas deben ser impulsadas con mayor avance lento porque, aunque la fricción disminuye con la contaminación, el máximo obtenible en esas condiciones ocurre con valores mayores de avance lento. ^{[ 11 ]} Los controladores deben responder a diferentes condiciones de fricción a lo largo de la vía.

Algunos de los requisitos iniciales supusieron un desafío para los diseñadores de locomotoras de vapor: «sistemas de arenado que no funcionaban, controles difíciles de operar, lubricación que derramaba aceite por todas partes, desagües que mojaban los rieles, etc.» ^{[ 12 ]} Otros tuvieron que esperar a las modernas transmisiones eléctricas en las locomotoras diésel y eléctricas.

La fuerza de fricción sobre los rieles y la cantidad de deslizamiento de las ruedas disminuyen progresivamente a medida que el tren aumenta la velocidad.

Una rueda motriz no rueda libremente, sino que gira más rápido que la velocidad correspondiente de la locomotora. La diferencia entre ambas se conoce como "velocidad de deslizamiento". El "deslizamiento" es la "velocidad de deslizamiento" comparada con la "velocidad del vehículo". Cuando una rueda rueda libremente sobre el riel, la zona de contacto se encuentra en lo que se conoce como condición de "adherencia". Si la rueda es motriz o frenada, la proporción de la zona de contacto con la condición de "adherencia" disminuye y una proporción que aumenta gradualmente se encuentra en lo que se conoce como "condición de deslizamiento". Esta disminución del área de "adherencia" y el aumento del área de "deslizamiento" permiten un incremento gradual del par de tracción o frenado que se puede mantener a medida que aumenta la fuerza en la llanta de la rueda hasta que toda el área está en "deslizamiento". ^{[ 13 ]} El área de "deslizamiento" proporciona la tracción. Durante la transición de la condición de "adherencia total" sin par a la condición de "deslizamiento total", la rueda ha experimentado un aumento gradual del deslizamiento, también conocido como deslizamiento lento. Las locomotoras de alta adherencia controlan el deslizamiento lento de la rueda para proporcionar el máximo esfuerzo al arrancar y arrastrar un tren pesado lentamente.

El deslizamiento es la velocidad adicional que tiene la rueda y el avance lento es el nivel de deslizamiento dividido por la velocidad de la locomotora. Estos parámetros son los que se miden y que se introducen en el controlador de avance lento. ^{[ 14 ]}

${\displaystyle {\mbox{creep}}={\frac {({\mbox{velocidad de la rueda}}-{\mbox{velocidad de la locomotora}})}{({\mbox{velocidad de la locomotora}})}}\,}$

En un ferrocarril de adherencia, la mayoría de las locomotoras cuentan con un depósito de arena. Se puede esparcir arena debidamente seca sobre el riel para mejorar la tracción en condiciones resbaladizas. La arena se aplica con mayor frecuencia mediante aire comprimido a través de una torre, una grúa, un silo o un tren. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Cuando una locomotora patina, especialmente al arrancar un tren pesado, la arena aplicada en la parte delantera de las ruedas motrices ayuda enormemente a la tracción, lo que provoca que el tren se eleve o inicie el movimiento deseado por el maquinista.

El lijado, sin embargo, también tiene algunos efectos negativos. Puede causar una "película de arena", que consiste en arena triturada, comprimida en una película sobre la vía donde las ruedas hacen contacto. Junto con la humedad presente en la vía, que actúa como un adhesivo ligero y mantiene la arena aplicada sobre ella, las ruedas "cocinan" la arena triturada, convirtiéndola en una capa más sólida. Dado que la arena se aplica a las primeras ruedas de la locomotora, las ruedas siguientes pueden circular, al menos parcialmente y durante un tiempo limitado, sobre una capa de arena (película de arena). Durante el trayecto, esto significa que las locomotoras eléctricas pueden perder contacto con la vía, lo que provoca interferencias electromagnéticas y corrientes a través de los acoplamientos. En reposo, cuando la locomotora está estacionada, los circuitos de la vía pueden detectar una vía vacía porque la locomotora está aislada eléctricamente de la vía. ^{[ 17 ]}