Articulo de referencia

Historia del ferrocarril

Sección de vía de madera de una mina de oro del siglo XVI en Transilvania . Los vagones eran guiados por la pronunciada pestaña de las ruedas de madera, y el ancho de vía estrec...

Sección de vía de madera de una mina de oro del siglo XVI en Transilvania . Los vagones eran guiados por la pronunciada pestaña de las ruedas de madera, y el ancho de vía estrecho de 480  mm ( 18 + 7/8 pulgadas  ) permitía cambiar las agujas girando el único carril de desvío . [ 1 ]
Ilustración contemporánea de un camión guiado utilizado en las minas del siglo XVI en Alemania.
Reconstrucción de una vía férrea plana de madera para el transporte de mineral de plata; la guía se realizaba mediante un pasador vertical que discurría entre las vigas.

La vía férrea , o vía permanente, está compuesta por los elementos de las líneas ferroviarias : generalmente, pares de rieles colocados sobre traviesas o durmientes incrustados en balasto , destinados a soportar los trenes habituales. Se denomina vía permanente porque, en los inicios de la construcción ferroviaria, los contratistas solían instalar una vía provisional para transportar escombros y materiales por la obra; una vez finalizada la mayor parte del trabajo, se retiraba la vía provisional y se instalaba la vía permanente.

Las primeras vías consistían en raíles de madera sobre traviesas transversales de madera, lo que ayudaba a mantener la separación entre los raíles. Posteriormente se introdujeron diversos avances, como la colocación de placas de hierro fundido sobre los raíles de madera y, más tarde, placas de hierro forjado o placas angulares de hierro forjado ( hombros de hierro en forma de L). Los raíles también se fijaban individualmente a filas de bloques de piedra, sin traviesas transversales para mantener la separación correcta. Este sistema también generó problemas, ya que los bloques podían moverse individualmente. La primera versión del sistema de vía ancha de 2134 mm ( 7 pies ) de Isambard Kingdom Brunel utilizaba raíles colocados sobre traviesas longitudinales cuyo ancho de vía y elevación se fijaban mediante anclajes a pilotes (conceptualmente similar a un puente de pilotes ), pero esta disposición era costosa y Brunel pronto la sustituyó por lo que se convertiría en la vía ancha clásica, en la que se prescindió de los pilotes y los travesaños, similares a las traviesas, mantenían el ancho de vía. Hoy en día, la mayoría de las vías férreas utilizan el sistema estándar de raíles y traviesas; la vía de escalera se utiliza en algunas aplicaciones.  

Los avances en las tecnologías de fabricación han dado lugar a cambios en el diseño, la fabricación y la instalación de raíles, traviesas y sus sistemas de fijación. Los raíles de hierro fundido, de 1,2 m (4 pies ) de longitud, comenzaron a utilizarse en la década de 1790, y en 1820 ya se empleaban raíles de hierro forjado de 4,6 m (15 pies ) de longitud . Los primeros raíles de acero se fabricaron en 1857, y la longitud estándar de los raíles aumentó con el tiempo, pasando de 9,1 a 18,3 m ( 30 a 60 pies ) . Los raíles se especificaban normalmente por unidades de peso por unidad de longitud lineal, las cuales también aumentaron. Las traviesas de ferrocarril se fabricaban tradicionalmente con maderas duras tratadas con creosota , práctica que se mantuvo hasta la actualidad. El raíl soldado continuo se introdujo en Gran Bretaña a mediados de la década de 1960, seguido de la introducción de las traviesas de hormigón.    

Sistemas de rieles de madera

Caminos de tablones

Fragmento de la pintura de Lucas Gassel de 1544, La mina de cobre, que representa una vía férrea.

El primer uso de una vía férrea parece estar relacionado con la minería en Alemania en el siglo XII. [ 2 ] Los pasadizos de las minas solían estar húmedos y fangosos, y mover carretillas de mineral a lo largo de ellos era extremadamente difícil. Se hicieron mejoras colocando tablones de madera para que los contenedores con ruedas pudieran ser arrastrados por la fuerza humana. Para el siglo XVI, la dificultad de mantener el vagón en línea recta se había resuelto colocando un pasador en un espacio entre los tablones. [ 3 ] Georg Agricola describe carros con forma de caja, llamados "perros", aproximadamente una vez y media más grandes que una carretilla, equipados con un pasador vertical romo y rodillos de madera que se deslizaban sobre ejes de hierro. [ 4 ] Se ha descubierto un ejemplo de la época isabelina en Silvergill en Cumbria , Inglaterra, [ 5 ] y probablemente también se usaban en las cercanas Minas Reales de Grasmere, Newlands y Caldbeck. [ 6 ] Donde el espacio lo permitía, se instalaban vías de madera de sección redonda para transportar vagones con ruedas con pestañas: una pintura de 1544 del artista flamenco Lucas Gassel muestra una mina de cobre con rieles de este tipo que salen de una galería . [ 7 ]

Rieles con bordes

En Inglaterra, probablemente a finales del siglo XVI, cerca de Broseley , se desarrolló un sistema diferente para transportar carbón desde las minas, a veces minas de galería, por la ladera del desfiladero del Severn hasta el río Severn . Este sistema, probablemente un plano inclinado accionado por cuerda, existía mucho antes de 1605. [ 8 ] Probablemente precedió al ferrocarril de Wollaton de 1604, que hasta ahora se ha considerado el primero. [ 9 ] [ 10 ]

En Shropshire, el ancho de vía solía ser estrecho para permitir que los vagones se desplazaran bajo tierra en las minas de galería. Sin embargo, la mayor cantidad de vías férreas se encontraba cerca de Newcastle upon Tyne , donde un solo vagón era arrastrado por un caballo en una vía de ancho de vía similar al estándar actual. Estas vías transportaban el carbón desde la bocana de la mina hasta un embarcadero , donde se cargaba en barcazas fluviales llamadas keels. [ 11 ]

El desgaste de los rieles de madera era un problema. Se podían renovar dándoles la vuelta, pero había que reemplazarlos periódicamente. A veces, el riel se fabricaba en dos partes, de modo que la parte superior se pudiera reemplazar fácilmente cuando se desgastaba. Los rieles se mantenían unidos mediante traviesas de madera, cubiertas con balasto para proporcionar una superficie sobre la que caminara el caballo.

Rieles de hierro antiguos

Se podían colocar tiras de hierro fundido sobre rieles de madera, y el uso de tales materiales probablemente ocurrió en 1738, pero hay quienes afirman que esta tecnología se remonta a 1716. [ 12 ] En 1767, la fundición de hierro de Ketley comenzó a producir placas de hierro fundido , que se fijaban a la parte superior de los rieles de madera con clavos, para proporcionar una superficie de rodadura más duradera. Esta construcción se conocía como riel de hierro de correa (o riel de correa) y se utilizó ampliamente en los ferrocarriles anteriores al vapor en los Estados Unidos. [ 13 ] [ 14 ] Aunque relativamente baratos y rápidos de construir, no eran adecuados para cargas pesadas y requerían un «mantenimiento excesivo». Las ruedas del tren que rodaban sobre los clavos los aflojaban, permitiendo que el riel se rompiera y se curvara hacia arriba lo suficiente como para que la rueda de un vagón pudiera pasar por debajo y forzar el extremo del riel a través del piso del vagón, retorciéndose y 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 salientes (o orejas) con un orificio para poder fijarlos al riel de madera subyacente. [ 15 ]

Planchas de hierro

Sección de rieles de placa en forma de L
Una larga barandilla con forma de vientre de pez sostenía varias sillas.

John Curr de Sheffield, gerente de la mina de carbón del Duque de Norfolk , desarrolló una alternativa . Esta consistía en un raíl en forma de L, de modo que la pestaña quedaba sobre el raíl en lugar de sobre la rueda. También la utilizaron Benjamin Outram de Butterley Ironworks y William Jessop (quien se convirtió en socio en 1790). Estos raíles se usaban para transportar mercancías a distancias relativamente cortas hasta los canales, aunque el de Curr conectaba la mina de carbón de la mansión con la ciudad de Sheffield . Estos raíles se denominan placas, y el ferrocarril a veces se llama vía férrea de placas. El término "plataforma" también deriva de este origen. En teoría, las ruedas sin pestaña podrían haberse usado en carreteras ordinarias, pero en la práctica probablemente se hacía raramente, porque las ruedas de los vagones eran tan estrechas que se clavaban en la superficie de la carretera.

El sistema tuvo una gran acogida en Gran Bretaña. A menudo, las placas se montaban sobre bloques de piedra, a veces sin traviesas, pero esto podía provocar que los raíles se separaran, aumentando el ancho de vía. Los ferrocarriles de este tipo se utilizaban mucho en el sur de Gales, sobre todo para transportar piedra caliza hasta las ferrerías y, posteriormente, llevar el hierro a un canal, a veces a varios kilómetros de distancia, que transportaba los productos al mercado. Los raíles, en un principio, eran de hierro fundido, normalmente de 0,91 m (3 pies) de longitud , y se colocaban entre bloques de piedra. [ 16 ] 

Se había asumido que los bloques de piedra eran permanentes, pero la experiencia pronto demostró que se asentaban y se movían gradualmente bajo el paso del tráfico, creando una geometría de vía caótica y provocando descarrilamientos. Otro problema era que la superficie de rodadura podía obstruirse con piedras desplazadas del balasto. Una alternativa consistía en utilizar una barra de unión de hierro para mantener los raíles en el ancho de vía adecuado, incorporando una placa en la que se fijaba el raíl. [ 16 ]

Un ejemplo de ello fue el tranvía de Penydarren o Merthyr . Richard Trevithick lo utilizó en 1804 para demostrar el funcionamiento de una locomotora pionera , empleando una de sus máquinas de vapor de alta presión , pero la máquina era tan pesada que rompió muchos de los raíles.

Rieles de borde tempranos

Thomas Dadford Jr. utilizó raíles de borde de hierro fundido en la construcción de las líneas Beaufort y Blaenavon hasta el canal de Monmouthshire en 1793. Estos eran rectangulares, de 64 mm ( 2,5 pulgadas ) de ancho, 76 mm (3 pulgadas) de profundidad y 1,2 m (4 pies) de largo, y requerían bridas en las ruedas de los vagones. Ese mismo año, Benjamin Outram utilizó raíles 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 entre 1813 y 1815 en un ferrocarril desde Grantham hasta el castillo de Belvoir . Se conservan muestras de estos raíles en el Museo de Ciencias de Londres . [ 17 ]   

Una alternativa efímera fue el perfil abombado , utilizado por primera vez por Thomas Barnes (1765-1801) en la mina Walker Colliery, cerca de Newcastle , en 1798, que permitía que los raíles tuvieran una mayor distancia entre bloques. Se trataba de raíles de sección en T, de tres pies de largo, colocados sobre traviesas de piedra transversales. Estos seguían siendo de hierro fundido . [ 18 ]

Uniones a tope y solapadas

Los primeros raíles tenían juntas a tope cuadradas, que eran débiles y difíciles de mantener alineadas. George Stephenson introdujo juntas solapadas, que mantenían su alineación bastante bien. [ 19 ]

Rieles de borde modernos

El avance se produjo cuando John Birkinshaw , de Bedlington Ironworks en Northumberland, desarrolló en 1820 raíles de hierro forjado laminado de 4,6 metros (15 pies) de longitud, utilizados en el ferrocarril de Stockton y Darlington . Estos raíles eran lo suficientemente resistentes como para soportar el peso de una locomotora y de un tren de vagones (o coches) arrastrados por ella. Esto marca el comienzo de la era moderna del ferrocarril. Este sistema tuvo un éxito inmediato, aunque hubo algunos tropiezos. Algunos de los primeros raíles tenían una sección transversal en forma de T, pero la falta de metal en la base limitaba la resistencia a la flexión del raíl, que debía actuar como una viga entre soportes. 

Con la mejora de las tecnologías metalúrgicas, estos raíles de hierro forjado se fueron alargando progresivamente y adquiriendo una sección transversal más pesada y, por lo tanto, más resistente. Al añadir más metal en la base del raíl, se creaba una viga más robusta, logrando una mayor resistencia y rigidez, y se obtenía una sección similar a la sección de raíl en cabeza de toro que aún se puede observar hoy en día. Sin embargo, esto resultaba costoso, y los promotores de los primeros ferrocarriles tuvieron dificultades para decidir el peso adecuado (y, por consiguiente, la resistencia y el coste) de sus raíles.

Inicialmente, el tramo de riel era casi simétrico de arriba a abajo y se describía como un riel de doble cabeza. La intención era invertir el riel una vez que la superficie superior se desgastara, pero los rieles tienden a desarrollar desgaste en las zonas de apoyo, lo que habría provocado que la circulación sobre la superficie inferior fuera extremadamente ruidosa e irregular. Era preferible añadir metal en la superficie superior y obtener un mayor desgaste en esa zona sin necesidad de invertir el riel al llegar a la mitad de su vida útil.

Muchas compañías ferroviarias preferían los rieles de fondo plano, que se colocaban directamente sobre las traviesas, lo que suponía un importante ahorro. El problema radicaba en la deformación de las traviesas; en zonas de mucho tráfico, era necesario colocar una placa base debajo de los rieles para distribuir la carga, lo que contrarrestaba parcialmente el ahorro. Sin embargo, en las líneas principales, este tipo de riel se adoptó casi universalmente en Norteamérica, Australia y gran parte de Europa continental. El Reino Unido siguió utilizando rieles de cabeza de toro en sus líneas principales, y la introducción generalizada de los rieles de fondo plano no comenzó hasta aproximadamente 1947.

Rieles de acero

Los primeros raíles de acero se fabricaron en 1857 , cuando Robert Forester Mushet refundió chatarra de acero de un ensayo fallido de Bessemer , en crisoles en la fundición de Ebbw Vale , y se colocaron experimentalmente en la estación de ferrocarril de Derby en el Midland Railway en Inglaterra . Los raíles demostraron ser mucho más duraderos que los raíles de hierro a los que reemplazaron y permanecieron en uso hasta 1873. [ 20 ] [ 21 ] Henry Bessemer suministró 500 toneladas de lingotes de acero a la fábrica de raíles del London and North Western Railway en Crewe en 1860. Varias otras compañías comenzaron a producir raíles de acero en los años siguientes. [ 22 ] La transición a los raíles de acero se aceleró con la introducción de la fabricación de acero en horno de hogar abierto . William Siemens estableció su fundición de Landore en parte para suministrar raíles al Great Western Railway . [ 22 ] Le siguió un auge en la producción de raíles, pero una crisis bancaria en Estados Unidos ralentizó el ritmo al que se construían los ferrocarriles allí y los pedidos a los productores de raíles británicos. [ 23 ] La industria siderúrgica británica entró en recesión, lo que afectó particularmente al sector del hierro forjado. Cuando la demanda de raíles comenzó a crecer de nuevo, fue principalmente de raíles de acero, que eran más duraderos que los de hierro.

Características asociadas

Estaca de medio kilómetro de NZR, vía de 70 lb/yd y placa de unión de vía. Ferrocarril de Weka Pass.

Traviesas

Las traviesas de madera, es decir, las vigas transversales que soportan los dos rieles que forman la vía, reemplazaron los bloques de piedra individuales que se usaban anteriormente. Este sistema tenía la gran ventaja de que los ajustes de mantenimiento a la geometría de la vía no alteraban el ancho de vía, que era fundamental. La alineación de la vía podía ajustarse desplazando las traviesas, sin perder el ancho de vía. Se usaba mucha madera blanda, pero su vida útil era limitada si no se trataba con conservantes, por lo que algunos ferrocarriles instalaron plantas de creosota para este fin. La madera dura tratada con creosota se usa ahora ampliamente en Norteamérica y otros lugares.

Para entonces, ya se utilizaban raíles de hierro forjado relativamente largos (quizás de 6,1 metros o 20 pies ) apoyados sobre soportes en traviesas de madera, un tipo de vía que aún hoy se puede reconocer en las vías más antiguas.  

Se probaron traviesas de acero como alternativa a la madera; Acworth [ 24 ] , en 1889, describe la producción de traviesas de acero en el London & North Western Railway, y hay una ilustración que muestra perfiles en U laminados (formas de "U" invertidas poco profundas) sin extremos perfilados, y con soportes forjados de tres partes remachados directamente. Sin embargo, parece que las traviesas de acero no se adoptaron de forma generalizada hasta alrededor de 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 condiciones de balasto deficientes, ya que el área de apoyo está a un nivel alto, inmediatamente debajo del asiento del riel.

Fijaciones de riel

Los primeros raíles de hierro fundido del siglo XVIII y anteriores utilizaban fijaciones integrales para clavar o atornillar a las traviesas. Los raíles de fleje, introducidos a finales del siglo XVIII, de hierro fundido y posteriormente laminado, se clavaban a soportes de madera mediante orificios avellanados en el metal. La introducción de perfiles de raíl laminado en la década de 1820, como el raíl paralelo en T de una sola pestaña y, más tarde, el raíl paralelo en T de doble pestaña, requirió el uso de soportes, chavetas para sujetar el raíl y pernos o clavos para fijar el soporte. El raíl de fondo plano, inventado por Robert L. Stevens en 1830, se clavaba inicialmente directamente a las traviesas de madera; posteriormente se utilizaron placas de asiento para distribuir la carga y mantener el raíl dentro de la anchura de vía gracias a los hombros incorporados en la placa. Fuera de Norteamérica, se introdujo posteriormente una amplia variedad de sistemas de fijación con resortes en combinación con placas base y raíles de fondo plano; estos sistemas son ahora omnipresentes en las líneas ferroviarias de alta velocidad.

Lastre

Originalmente, la vía se colocaba directamente sobre el suelo, pero esto pronto resultó insatisfactorio y fue necesario algún tipo de balasto para asegurar un buen drenaje, distribuir la carga y mantener la vía en su lugar. El terreno natural rara vez es lo suficientemente resistente como para soportar la carga de las locomotoras sin un asentamiento excesivo, sobre todo en condiciones húmedas; una capa de balasto bajo las traviesas reduce la presión sobre el suelo, tiende a mantenerlas en su sitio y resiste el desplazamiento, y mantiene la vía permanente bien drenada.

En sus inicios, el balasto solía ser un producto mineral disponible localmente, como grava o material de desecho de la minería del carbón y el hierro. El ferrocarril Great North of Scotland utilizaba grava de río redondeada , que no restringe tanto el movimiento como la piedra de bordes afilados. Posteriormente, se empleó escoria , un subproducto de la fabricación de acero, y ceniza de locomotoras de vapor. Actualmente, se utiliza piedra de bordes afilados triturada dentro de un rango de tamaño específico.

Medidores

Ancho de vía antiguo

Los primeros ferrocarriles eran casi exclusivamente empresas locales dedicadas al transporte de minerales a algún curso de agua; para ellos, el ancho de vía se adaptaba a los vagones que se iban a utilizar, y generalmente oscilaba entre 1200 mm ( 4 pies ) y 1435 mm ( 4 pies 8 pulgadas y media ) , y al principio no existía la idea de que fuera necesario ajustarse al ancho de vía de otras líneas. Cuando se desarrollaron los primeros ferrocarriles públicos, la ingeniosa innovación de George Stephenson hizo que sus ferrocarriles fueran dominantes y , por lo tanto, el ancho de vía de 1435 mm ( 4 pies 8 pulgadas y media ) que él utilizaba se convirtió en el más extendido. A medida que evolucionaron las primeras ideas de conectar diferentes sistemas ferroviarios, este ancho de vía se generalizó. Es casi una casualidad histórica que este ancho de vía —que se adaptaba a los vagones que ya se utilizaban en la mina donde George Stephenson había trabajado como maquinista— se convirtiera en el ancho de vía estándar británico: se exportó a la mayor parte de Europa y América del Norte.         

A veces se hace referencia al "ancho" de los surcos en los caminos de piedra de yacimientos antiguos como Pompeya , y a menudo se afirma que este ancho es similar al de Stephenson. Por supuesto, los surcos fueron hechos por las ruedas de carros, y estos carros tenían un tamaño razonable para ser tirados por caballos antes de la era industrial, prácticamente del mismo tamaño que los carros anteriores al ferrocarril en la mina de carbón donde trabajaba Stephenson: esa es la única conexión.

Vía de ancho de vía ancho

Cuando Isambard Kingdom Brunel concibió el Great Western Railway (GWR), buscó un diseño mejorado para su vía férrea y no aceptó sin cuestionar ninguna de las ideas preconcebidas. El ancho de vía de 1,435 m ( 4 pies 8 pulgadas y media ) había sido adecuado para pequeños vagones de mineral en un tranvía tirado por caballos, pero Brunel 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 irregulares, y Brunel originalmente pretendía que sus vagones de pasajeros se transportaran de la misma manera: sobre ruedas de gran diámetro colocadas en el exterior de las carrocerías. Para lograr esto, necesitaba un ancho de vía mayor y optó por el famoso ancho de vía ancho de 2,1 m (7 pies ) . (Posteriormente se redujo a 2,14 m o 7 pies 0 pulgadas y media ). Cuando llegó el momento de construir los vagones de pasajeros, se diseñaron de forma convencional con ruedas más pequeñas bajo las carrocerías, pero con un ancho de vía de 2,14 m (7 pies), las carrocerías podían ser mucho más anchas que en el ancho de vía estándar. Su intención original de que las ruedas quedaran fuera del ancho de las carrocerías fue abandonada.       

Brunel también estudió nuevas formas de vía y decidió utilizar un riel con soporte continuo. Al usar vigas longitudinales debajo de cada riel, logró un perfil más suave sin necesidad de una sección de riel tan robusta, y para ello utilizó un riel de puente poco profundo . La base más ancha y plana también significó que se podía prescindir del soporte necesario para la sección de cabeza de toro. Las vigas longitudinales debían mantenerse a la distancia adecuada para conservar el ancho de vía correcto, y Brunel lo logró utilizando travesaños de madera (separadores transversales) y tirantes de hierro. Todo el conjunto se denominó vía de apoyo (los ferroviarios suelen llamar a su vía "vía"). Inicialmente, Brunel había anclado la vía a pilotes de madera para evitar el movimiento lateral y el rebote, pero había pasado por alto que el terreno artificial, sobre el cual se apoyaba su vía entre los pilotes, se asentaría. Los pilotes permanecieron estables y el terreno entre ellos se asentó, de modo que su vía pronto presentó una ondulación desagradable, y tuvo que cortar los pilotes para que la vía se asentara de forma más o menos uniforme. Una variante de la vía de balasto aún se puede observar hoy en día en muchos pasos inferiores antiguos donde no se instaló balasto. El diseño varía considerablemente, pero en muchos casos las traviesas longitudinales se apoyan directamente sobre las vigas transversales, con travesaños y tirantes para mantener el ancho de vía, aunque, por supuesto, con raíles y placas base o soportes modernos. Las traviesas longitudinales son algo similares a las vías de escalera actuales .

El grupo de compañías ferroviarias que contaba con Brunel como ingeniero tuvo éxito y la vía de ancho ancho se extendió por el oeste de Inglaterra, el sur de Gales y las Midlands Occidentales . Sin embargo, a medida que se expandía la red ferroviaria británica, la incompatibilidad de ambos sistemas se convirtió en un grave obstáculo, ya que no era posible enviar un vagón de un sistema a otro sin transbordar la mercancía manualmente. Se nombró una Comisión de Ancho de Vía para determinar la política nacional. El ancho ancho era técnicamente superior, pero la conversión de las rutas de ancho estándar a ancho ancho habría implicado la reconstrucción de todos los túneles, puentes y andenes de las estaciones, mientras que la adopción universal del ancho estándar solo requería la conversión progresiva de la propia vía. El ancho ancho estaba condenado al fracaso y no se pudieron construir más líneas independientes de este tipo.

Las vías de ancho ancho existentes podían mantenerse, pero al no tener potencial de desarrollo, era solo cuestión de tiempo que se convirtieran a ancho estándar. Mientras tanto, se instaló una extensa red de vías de ancho mixto , con tres raíles por línea para acomodar trenes de ambos anchos. En algunos casos, circularon trenes de ancho mixto , con vagones de cada ancho en un mismo tren. El legado del ancho ancho original aún se aprecia en la aparente amplitud innecesaria entre los andenes de las estaciones.

El siglo XX y más allá

1900 a 1945

Los ferrocarriles del mundo en 1908, según lo presentado por el atlas y guía geográfica de Harmsworth.

A principios del siglo XX, la forma de las vías férreas británicas había convergido en el uso de raíles de cabeza de toro de hierro forjado apoyados en soportes de hierro fundido sobre traviesas de madera, colocadas sobre algún tipo de balasto. En Norteamérica, el estándar eran raíles en T y placas de unión fijadas a traviesas de madera con clavos cortados. Muchos ferrocarriles utilizaban raíles muy ligeros y, a medida que aumentaban el peso y la velocidad de las locomotoras, estos resultaron insuficientes. En consecuencia, en las líneas principales, los raíles en uso se hicieron progresivamente más pesados ​​(y resistentes). Los procesos metalúrgicos mejoraron y se empezaron a utilizar mejores raíles, incluyendo algunos de acero. Desde el punto de vista del mantenimiento, las juntas de los raíles eran la fuente de la mayor parte del trabajo, y a medida que mejoraron las técnicas de fabricación de acero, fue posible laminar raíles de acero de mayor longitud, reduciendo el número de juntas por milla. La longitud estándar pasó a ser de 30 pies (9144 mm) , luego de 45 pies (13720 mm) y finalmente de 60 pies (18290 mm), convirtiéndose en la norma. Para su uso en la línea principal, el tramo de riel estándar pasó a ser el tramo 95BH, con un peso de 95 lb/yd (47 kg/m) . Para las rutas secundarias, se utilizó un tramo más ligero, el 85BH, de 85 lb/yd (42 kg/m) .          

Los raíles de fondo plano seguían considerándose poco adecuados para las líneas ferroviarias principales británicas, a pesar de su éxito en Norteamérica, aunque algunas líneas ferroviarias británicas con poca actividad los utilizaban, generalmente fijados directamente a las traviesas con clavos. Con un uso intensivo, dañaban gravemente las traviesas, y el coste adicional de una placa base apareció ya en una época temprana, lo que descartó la opción de los raíles de fondo plano.

Las traviesas de madera eran caras y poco duraderas, y los ingenieros ferroviarios tenían opiniones firmes —y contradictorias— sobre las mejores especies de madera y los mejores tratamientos de conservación. Los ferrocarriles avanzaron hacia la estandarización en una traviesa de madera blanda conservada mediante inyección a presión de creosota , que medía 2,59 m de largo por 250 mm de ancho por 130 mm de alto . Las sillas se fijaban a las traviesas con clavos de acero (clavos de acero insertados a través de un manguito de madera) o tres tornillos de silla en las rutas de primera clase. El GWR fue el único entre los ferrocarriles de línea principal que mantuvo su propio estándar, el carril 00 a 48,4 kg /m , y con dos pernos de fijación que aseguraban cada silla a la traviesa, con la cabeza del perno debajo de la traviesa y una tuerca encima de la silla, más seguro 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 soportes de apoyo montados sobre ellas. Esto se debió al elevado precio de la mejor madera (la más duradera), pero las traviesas de hormigón armado nunca tuvieron éxito en las líneas principales. También se utilizaron bloques de hormigón en las vías de apartadero; a veces se les llama traviesas de doble bloque y consistían en dos bloques de hormigón, cada uno con un soporte de apoyo, y un perfil angular que los conectaba y mantenía el ancho de vía.

Desarrollos de la posguerra

Al finalizar la Segunda Guerra Mundial en 1945, los ferrocarriles británicos estaban muy deteriorados, tras haber sido reparados con parches debido a los daños sufridos durante la guerra, sin apenas material nuevo disponible. El país también se encontraba en una situación económica precaria, y durante casi una década después de la guerra, los materiales —especialmente el acero y la madera— escasearon enormemente. La disponibilidad de mano de obra también era muy limitada.

Las compañías ferroviarias se convencieron de que las vías tradicionales con forma de cabeza de toro necesitaban una revisión, y tras algunas pruebas se adoptó un nuevo formato de carril de fondo plano. Las secciones estándar británicas resultaron inadecuadas y se estableció un nuevo perfil, un carril de 109 lb/yd (54 kg/m) , como nuevo estándar. En longitudes de 60 pies (18 m) , colocado sobre placas base de acero sobre traviesas de madera blanda , se convertiría en el estándar universal. Las fijaciones serían de acero elástico, y para las rutas secundarias se adoptó un carril de 98 lb/yd. Aún persistían variaciones regionales, y en la Región Este , por ejemplo, se preferían las traviesas de madera dura y las fijaciones con clips Mills.     

Los nuevos diseños tuvieron éxito, pero plantearon numerosos desafíos, especialmente debido a la grave escasez de personal experimentado para el mantenimiento de vías. Además, las vías de fondo plano, aunque mal mantenidas, parecían más difíciles de conservar que las de cabeza de toro. La mayor rigidez de las vías de fondo plano era una ventaja, pero tendían a enderezarse entre las juntas en las curvas. Esta rigidez generaba altas fuerzas de impacto vertical en las juntas mal mantenidas, lo que provocaba un elevado número de fracturas por fatiga. Asimismo, las fijaciones elásticas de los raíles ofrecían poca resistencia al deslizamiento de los mismos (la tendencia de los raíles a moverse gradualmente en la dirección del tráfico) y la carga de trabajo necesaria para retraerlos y regular las juntas era sorprendentemente alta.

Rieles largos soldados

Gran parte del trabajo de mantenimiento de la vía se concentraba en las juntas, especialmente cuando los rieles rígidos se hundían y las traviesas de las juntas sufrían un gran desgaste. Se tomaron como base los experimentos de antes de la guerra con tramos largos de rieles soldados, y en los años posteriores a 1960 se instalaron tramos largos de rieles, primero sobre traviesas de madera dura, pero pronto sobre traviesas de hormigón. Por ejemplo, el primer riel largo soldado (casi 1 milla o 1,6 km ) en la East Coast Main Line del Reino Unido se colocó en 1957, justo al sur de Carlton-on-Trent , apoyado 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 a partir de 1968 el riel soldado continuo se convirtió en un estándar confiable para la instalación universal en rutas principales y secundarias. El sistema adoptado utilizaba traviesas de hormigón pretensado y un perfil de carril 110A, una ligera mejora respecto a los carriles 109 utilizados anteriormente. La letra A servía para distinguirlo del perfil de carril estándar británico de 110 lb/yd (55 kg/m) , que resultaba inadecuado. Finalmente, los sistemas de fijación de los carriles se decantaron por una abrazadera de resorte patentada fabricada por la empresa Pandrol, que fue el único sistema de fijación utilizado en Gran Bretaña durante unos 30 años.    

La vía soldada debía colocarse sobre una capa de balasto de piedra triturada de entre 15 y 30 cm (6 a 12 pulgadas ) , aunque esto no siempre se conseguía, y la capacidad portante de la estructura no siempre se tenía en cuenta, lo que provocó algunos fallos espectaculares en la misma. 

Una mejora posterior en el perfil del carril dio lugar a la sección 113A, que fue el estándar universal hasta aproximadamente 1998. Las mejoras en los detalles de las traviesas y el perfil del balasto completaron el panorama y la forma general de la vía se estabilizó. Este formato se utiliza actualmente en más del 99 % de las líneas principales de primera clase en Gran Bretaña, aunque la  sección de carril CEN60 (60 kg/m) se introdujo en el Reino Unido durante la década de 1990. Esta tiene una base más ancha y es más alta que la sección 113A, por lo que es incompatible con las traviesas estándar.

Los trenes de renovación de vías han sustituido a las cuadrillas de mantenimiento de vías, que requerían mucha mano de obra. La instalación manual de rieles soldados largos era complicada. En 1958, se realizó una demostración temprana de tendido mecanizado de vías con dos tramos de 180 m (600 pies ) de riel soldado largo en la línea Fighting Cocks. Los dos tramos se cargaron en diez vagones, se unieron a la vía existente mediante un cable de acero y se remolcaron a una velocidad de 9,1 m /min (30 pies /min) . A medida que el tren retrocedía, los rieles viejos se retiraban mediante palancas y los nuevos se colocaban en las bancadas. Un polipasto en el último vagón colocaba la última parte del riel en su lugar. [ 26 ]    

Ancho de vía

Como se mencionó, el ancho de vía general en Gran Bretaña era de 4 pies 8 pulgadas y media ( 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 una distancia entre ejes corta ( 10 pies o 3,0 m ) que soportaban una suspensión de ballestas elípticas muy rígida, y estos vagones mostraron un rápido aumento en los descarrilamientos.      

En respuesta al comportamiento dinámico ("oscilación") de los vagones, la velocidad permitida se redujo a 72 km/h (45 mph ) y, en las nuevas instalaciones de vía soldada continuamente sobre traviesas de hormigón, se redujo el ancho de vía en un octavo de pulgada, a 1432 mm ( 4 pies 8 + 3/8 pulgadas ) . En la práctica, este cambio causó más problemas de los que solucionó y, a partir de 1996, se volvió a establecer el ancho de vía original de 1435 mm en las renovaciones . El ancho de vía se determina mediante la posición de las fijaciones empotradas, por lo que no es una tarea sencilla modificar el ancho de vía de una vía existente; además, genera problemas con la sustitución puntual de traviesas. Muchas traviesas se fabricaron con el ancho de vía reducido, pero en tiempos más recientes también se han fabricado versiones con el ancho de vía estándar de 1435 mm ( 4 pies 8 + 1/2 pulgadas ) . [ 27 ]          

Desvíos y cruces

Desvíos ferroviarios

La terminología es difícil para "desvíos y cruces" (S&C), anteriormente denominados "puntos y cruces" o "accesorios".

Los primeros trenes S&C solo permitían una velocidad muy baja en la vía secundaria (el desvío), por lo que el diseño geométrico no era demasiado importante. Muchas unidades S&C antiguas tenían una articulación suelta en el talón para que el carril de desvío pudiera girar para acercarse o alejarse del carril principal. Cuando el carril de desvío estaba cerrado, se aseguraba una alineación razonable; cuando estaba abierto, ninguna rueda podía circular sobre él, así que no importaba.

A medida que aumentaban las velocidades, esto dejó de ser factible y los rieles de cambio se fijaron en el extremo del talón, y su flexibilidad permitió que el extremo de la punta se abriera y cerrara. La fabricación de los rieles de cambio era un proceso complejo, y la de los cruces aún más. Las velocidades en la ruta secundaria rara vez superaban los 32 km/h ( 20 mph ) , excepto en diseños muy especiales, y se empleó un gran ingenio para proporcionar un buen viaje a los vehículos que pasaban a gran velocidad por la línea principal. Una dificultad radicaba en el cruce común, donde el soporte continuo a las ruedas que pasaban era difícil, y el riel de la aguja se cepilló para protegerlo del impacto directo en la dirección de entrada, por lo que se introdujo una irregularidad de diseño en el soporte.  

A medida que se requerían velocidades más altas, se diseñaron más configuraciones de desvíos y se necesitó una gran cantidad de componentes, cada uno específico para un solo tipo de desvío. A velocidades más altas en la vía de desvío, la divergencia de la ruta principal es mucho más gradual, por lo que se requiere una planificación considerable del carril de cambio.

Hacia 1971, esta tendencia se revirtió con el llamado desvío vertical, en el que los raíles se mantenían en posición vertical, en lugar de con la inclinación habitual de 1 en 20. Junto con otras simplificaciones, esto redujo considerablemente el material rodante necesario para una amplia gama de velocidades de desvío, aunque el raíl vertical conlleva una pérdida del efecto de dirección y el recorrido a través de los nuevos desvíos verticales suele ser irregular.

Carril soldado continuo

Vía continua soldada con carril conductor instalada en la década de 1970.

El carril soldado continuo (CWR, por sus siglas en inglés) se desarrolló en respuesta a la observación de que la mayor parte del mantenimiento de la vía se realiza en las juntas. A medida que mejoraron los procesos de producción y fabricación de acero, la longitud de los carriles instalados aumentó progresivamente, y la consecuencia lógica de esto sería eliminar por completo las juntas.

Un obstáculo importante para lograrlo es la dilatación térmica : los rieles se expanden a temperaturas elevadas. Sin juntas, no hay espacio para que los rieles se expandan; a medida que se calientan, desarrollan 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 un tramo de riel práctico. [ 28 ]

Si se comprime un pequeño cubo de metal entre las mordazas de una prensa, se contraerá (es decir, se aplastará ligeramente) y podrá resistir una fuerza muy grande sin romperse por completo. Sin embargo, si se comprime una pieza larga de metal de la misma sección transversal, se deformará lateralmente adquiriendo forma de arco; este proceso se denomina pandeo, y la fuerza de compresión que puede soportar es mucho menor.

Si la pieza larga y delgada de metal pudiera restringirse para evitar que se pandee (por ejemplo, conteniéndola dentro de un tubo), podría resistir una fuerza de compresión mucho mayor. Si los rieles se pudieran restringir de manera similar, se evitaría que se pandearan. El peso de la vía resiste el pandeo hacia arriba, por lo que es más probable que este se produzca lateralmente. Esto se evita mediante:

  • proporcionando traviesas pesadas que generan fricción en el lecho de balasto.
  • asegurar que las traviesas estén bien apoyadas sobre balasto consolidado para permitir la generación de la fricción.
  • proporcionar balasto consolidado alrededor de los lados de las traviesas para proporcionar fricción adicional
  • calentar los rieles cuando se instalan y fijan en clima fresco o frío, de modo que la expansión en los días más calurosos sea menor que de otra manera.
  • Asegurarse de que cualquier riel que se añada en caso de rotura durante el clima frío se retire antes de que regrese el clima cálido.
  • asegurarse de que las curvas no se alineen hacia adentro durante el clima frío lo suficiente como para aumentar la probabilidad de pandeo cuando regrese el clima cálido.
  • tomar precauciones al realizar trabajos de mantenimiento de la vía en clima cálido y asegurarse de que el balasto esté suficientemente consolidado antes de reanudar la operación a máxima velocidad.

Si el riel se mantiene de forma que no pueda expandirse en absoluto, entonces no hay límite en la longitud del riel que se puede manejar. (La fuerza de expansión en un tramo de riel de un pie a cierta temperatura es la misma que en un tramo de milla o 100 millas). Los primeros rieles soldados continuos se instalaron en longitudes limitadas debido a limitaciones tecnológicas. Sin embargo, en el extremo de la sección de CWR donde colindaba con la vía más antigua y convencional con juntas, esta última no podría resistir la fuerza de expansión y la vía con juntas podría deformarse. Para evitarlo, se instalaron interruptores de expansión especiales, a veces llamados respiraderos. Los interruptores de expansión podían acomodar un movimiento de expansión considerable —típicamente de 4 pulgadas (unos 100 mm) — en la sección final del CWR sin transmitir el movimiento a la vía con juntas.  

El CWR se instala y se fija a una temperatura óptima para garantizar que se limite la fuerza de expansión máxima posible. Esta temperatura se denomina temperatura libre de tensiones y, en el Reino Unido, es de 27 °C (81 °F) . [ 28 ] Se encuentra en el rango superior de las temperaturas exteriores habituales, y el trabajo de instalación propiamente dicho suele realizarse a temperaturas más bajas. Originalmente, los rieles se calentaban físicamente hasta la temperatura libre de tensiones con calentadores de gas propano; luego se agitaban con barras manuales para eliminar cualquier fricción, evitando una expansión uniforme, y finalmente se fijaban con grapas. Sin embargo, desde aproximadamente 1963, se utilizan gatos hidráulicos para estirar físicamente los rieles mientras están apoyados sobre rodillos temporales. Al estirar los rieles hasta la longitud que tendrían si estuvieran a la temperatura libre de tensiones, no es necesario calentarlos; simplemente se pueden fijar con grapas antes de liberar los gatos.  

Los raíles CWR se fabrican soldando raíles comunes. Durante muchos años, en Gran Bretaña, los raíles solo se fabricaban en longitudes de hasta 18 m (60 pies ) , y el proceso de soldadura en fábrica los convertía en longitudes de 180 m (600 pies) , 270 m (900 pies ) o 370 m (1200 pies) , según la fábrica. El proceso utilizado era de soldadura por chispa, en el que se emplean altas corrientes eléctricas para ablandar los extremos de los raíles, que luego se unen mediante prensas. Este proceso es muy fiable, siempre que la fábrica garantice una buena geometría de los extremos de los raíles.        

Los largos raíles podían transportarse a la obra mediante un tren especial y descargarse en el suelo (encadenando el extremo y retirando el tren de debajo de los raíles). Los raíles debían soldarse entre sí (o a la vía adyacente) mediante un proceso de soldadura in situ; y, tras una experimentación inicial, se utilizó el proceso patentado de soldadura Thermit . Este era un proceso aluminotérmico en el que se encendía una porción de polvo; el aluminio actuaba como combustible y una composición metalúrgicamente adecuada de acero fundido descendía al espacio entre los extremos de los raíles, contenido en moldes refractarios.

El proceso SmW original era muy sensible a la habilidad del operario, y como la soldadura solía ser el proceso final antes de volver a poner la vía en circulación, a veces se aplicaba presión de tiempo, lo que resultaba en soldaduras defectuosas no deseadas. El proceso SkV mejorado era menos sensible y, con el paso de los años, la calidad de la soldadura mejoró. [ 29 ]

El problema del pandeo no se limita a las vías de vía continua (CWR), y las vías con juntas también lo han sufrido en el pasado. Las placas de unión en las juntas deben retirarse y engrasarse anualmente (este requisito se redujo a dos veces al año en 1993), y cuando esto se omitía o cuando las condiciones del balasto eran especialmente débiles, se producía pandeo en épocas de calor. Además, si se permitía que los raíles se deslizaran, siempre existía la posibilidad de que varias juntas sucesivas se cerraran, perdiendo así la junta de dilatación, con las consiguientes repercusiones al inicio del calor.

Véase también

Referencias

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Fuentes

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