INGENIERIA DEL TRANSPORTE I Transporte …materias.fi.uba.ar/6807/contenidos/Notas FFCC U03 Material rodante.pdf · INGENIERIA DEL TRANSPORTE I Transporte Ferroviario Unidad 3 Material

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Planeamiento del Transporte© Roberto D. Agosta Página 1

INGENIERIA DEL TRANSPORTE ITransporte Ferroviario

Unidad 3Material rodante

UCA. Facultad de Ciencias Fisicomatemáticas e ingeniería.

2008

Juan Pablo Martínez – Roberto Agosta

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“Juego” de la vía

1.435 (+1.470 / - 1.432) mmtrocha

Nueva 1.426 / Gast. 1.410 milímetros

Juego J : normal = 1.435 – 1.426 = 9 mm

mínimo = 1.432 – 1.426 = 6 mm

máximo = 1.470 – 1.410 = 60 mm

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Rodado primitivo

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Base rígida (i)

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Base rígida(ii)

b

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Inscripción en una curva (iii)

Base rígida trocha

trocha

sobreancho

Radio de la curva

Eje vía

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Alargamiento de los vehículos

bogie

Planta de coche o vagón

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Transporte Ferroviario: Contenido

- La Locomotora.- Material Remolcado.- Sistema de Frenos.- Aparatos de Tracción y Choque.- Mantenimiento del Material Rodante.

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La Locomotora

•Es el vehículo que posee toda la fuerza motriz del tren y desde el cual sepractica la “conducción”.

•Es un vehículo sin capacidad de transporte propia, pero con potencia suficiente para mover un tren de centenares o miles de toneladas, en formaciones de hasta cien vagones,

– lo que es posible gracias al efecto de guiado que ejercen los rieles sobre las

ruedas.

•La potencia de las locomotoras fue aumentando, desde algunas decenas de “caballos” en los comienzos del ferrocarril, hasta los 4.000 a 4.500 HP en las modernas máquinas diesel, o los 5.000 kw de las locomotoras eléctricas.

•Las locomotoras modernas pueden funcionar en múltiple, lo que quiere decir varias locomotoras acopladas y funcionando como solo una, conducidas desde una de ellas.

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CLASIFICACIÓN

Locomotoras de vapor•Sólo se emplean hoy en lugares aislados o sobre líneas de poca importancia, además de los trenes de interés turístico. •Quedaron obsoletas por su bajo rendimiento energético y lo costoso de su mantenimiento. •En la actualidad se anotaría también en su contra el impacto ambiental: ruido, humos y emisión de CO2.•Se caracterizaba a la locomotora a vapor por la disposición de ejes motores y portantes.

– Los ejes motores en número variable estaban mecánicamente acoplados mediante una gran biela.

– En los extremos de la locomotora existían ejes sólo portantes, dotados de ruedas mas pequeñas.

– Una locomotora 2-3-1 llevaba 2 ejes portantes adelante, 3 ejes motores y 1 eje portante trasero.

La Locomotora

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Locomotoras Eléctricas:•La energía es captada por la locomotora desde una línea aérea o un “tercer riel” bajo tensión, a través de un dispositivo de contacto –un pantógrafo si es con la línea aérea, un patín con el tercer riel– para alimentar los motores de tracción ubicados en la locomotora. •El retorno de la corriente se produce siempre por los rieles, que constituyen la “masa” eléctrica. •El motor eléctrico recibe la corriente de la línea y mueve el eje tractor correspondiente a través de una caja de engranajes reductora, siendo el piñón solidario con el motor y el engranaje mayor solidario con el eje.

Motores de corriente continua

•Los primeros vehículos eléctricos aplicaban la corriente continua, de moderada tensión, limitada por la calidad de los materiales aislantes.

– En Buenos Aires podemos ver el sistema de corriente continua con línea aérea en las líneas A, C, D y E del Subte y con tercer riel en la línea B del mismo Subte y en las líneas férreas Urquiza, Mitre y Sarmiento.

La Locomotora

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•En la locomotora (o en los tranvías) antiguos se tomaba de la línea aérea una tensión de corriente continua (cc) de una tensión entre 500 y 800 V la que se aplicaba a los motores mediante la interposición de una resistencia variable accionada por el conductor.

•Muy pronto la electrotecnia determinó que la forma económica de producir y transmitir la energía eléctrica era la corriente alternada multifásica, cuya frecuencia se adoptó, según los países, de 50 o 60 Hz.

– La energía se generó y distribuyó como corriente alternada y para utilizarla en los trenes se instalaron subestaciones transformadoras-rectificadoras a lo largo de la línea.

– En cada subestación la corriente trifásica de media tensión era rebajada y rectificada para conseguir corriente continua a la tensión de alimentación de la línea férrea.

– En los ferrocarriles se emplearon tensiones de 750 V, 1.100 V, 1.500 V o 3.000 V, entre los valores más comunes.

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•El aumento de la tensión conviene para disminuir la corriente de alimentación ya que rige la relación básica:

Potencia (watt) = tensión (volt) x intensidad (ampere)

•Aumentando la tensión y se consigue la potencia necesaria con menos intensidad de corriente y disminuye la pérdida de energía por disipación térmica en la línea de alimentación (R x I 2).

Motores de corriente alterna monofásica

•Para aprovechar la ventaja de la distribución en corriente alterna algunos ferrocarriles probaron instalar en sus locomotoras motores monofásicos, pero los ensayos con la frecuencia industrial no dieron buen resultado (chisporroteo en los colectores)

La Locomotora

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•La generación de energía eléctrica de frecuencia especial por el ferrocarril, o la conversión de frecuencia mediante máquinas rotatorias, era una operación costosa por lo que éste sistema no se difundió más allá de pocos países

Alimentación a frecuencia industrial y rectificación en la locomotora

•En pos de aumentar la tensión de la línea de contacto –para reducir la intensidad, alivianar la línea aérea y disminuir el número de subestaciones se ensayó la alimentación por corriente alternada monofásica de frecuencia industrial y alta tensión, con rebaje y rectificación a bordo de la locomotora.

– En vez de disponerse de una subestación rectificadora en la línea alimentando varios trenes, se tiene una pequeña subestación rectificadora en cada locomotora.

•La primera aplicación industrial exitosa la hicieron los ferrocarriles franceses con la línea aérea monofásica de 25 KV – 50 Hz.

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•En nuestro país se aplica este sistema en la línea suburbana Roca y una sola subestación alimenta desde Temperley una red de 45 Km que llega hasta Constitución, Glew y Ezeiza.

•A bordo de cada tren, en la locomotora la tensión es rebajada de 25 KV a la tensión que una vez rectificada producirá la corriente aplicada a los motores de corriente continua.

Motor Trifásico asincrónico

•Como equipamiento estándar se ha desarrollado el motor asincrónico de tensión y frecuencia variable.

•La frecuencia y la tensión son comandadas electrónicamente de manera de optimizar la potencia obtenida del motor en cada velocidad.

•El motor es muy robusto y económico y por no tener colector con escobillas tiene muy bajo mantenimiento

La Locomotora

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•La corriente de alimentación continua o alterna es convertida a corriente trifásica de tensión y frecuencia variable en un dispositivo llamado “inversor”, y desde allí se alimentan los motores de tracción.

•La ventaja de este sistema es que las ventajas del motor trifásico pueden ser aprovechadas con cualquier sistema de alimentación de los antes descriptos.

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Rodado de la locomotora eléctrica

•La locomotora eléctrica está armada sobre un bastidor que soporta la carrocería y todo el equipamiento (cabina de conducción, generador auxiliares, compresor para el sistema de freno, etc).

•El bastidor descansa sobre los boguis; estos tienen respecto del bastidor un movimiento de rotación alrededor de un punto pivote.

– El bogui es un conjunto formado por una estructura o bastidor, de acero soldado o fundido, los ejes con el rodado (pares montados), la suspensión y los motores de tracción.

– Los boguis son de 2, 3 o excepcionalmente de 4 ejes. Cuando todos los ejes son motores, el bogui se denomina B, C o D según posea 2, 3 o 4 ejes respectivamente.

La Locomotora

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BB

CC

BBB

LOCOMOTORAS ELÉCTRICAS esquemas de rodado

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•A su vez el bastidor de la locomotora puede descansar sobre 2 o 3. Tipos comunes de locomotoras eléctricas con todos sus ejes motores, son los siguientes:

– B-B : dos boguis de 2 ejes.– C-C : dos boguis de 3 ejes.– B-B-B : tres boguis de 2 ejes.

•Hay locomotoras que al igual que las máquinas de vapor tienen ejes portantes. Los ejes portantes se identifican con un número.

– 2-C-C-2 : denomina una locomotora con dos boguis extremos, ambos con 2 ejes portantes, y en la parte central dos boguis de tres ejes motores.

– 2-D-2 : denomina una locomotora con dos boguis extremos, ambos con 2 ejes portantes, y en la parte central un bogie con 4 ejes motores.

La Locomotora

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Locomotora Diesel

• La diesel es hoy la locomotora estándar en todo el mundo, cuando las líneas no están electrificadas. Las máquinas mas difundidas son las General Motorsy General Electric

•El motor diesel es la fuente energética y según la forma en que la energía de tracción es transmitida a los ejes tenemos los siguientes tipos:

– Diesel mecánica.– Diesel hidráulica.– Diesel eléctrica.

•En la tracción diesel mecánica el motor diesel acciona directamente los ejes motores a través de una caja de velocidades.•Las aplicaciónes más común es el “locotractor”, pequeña locomotora de maniobra usada para mover pequeños cortes de vagones en las estaciones de carga.

La Locomotora

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•En la tracción diesel mecánica el motor diesel acciona directamente los ejes motores a través de una caja de velocidades.

•Las aplicaciónes más común es el “locotractor”, pequeña locomotora de maniobra usada para mover pequeños cortes de vagones en las estaciones de carga.

•En la tracción diesel hidráulica el motor diesel acciona los ejes a través de un convertidor de par, dispositivo que trabaja con aceite

•La tracción diesel eléctrica es el sistema de transmisión dominante cuando se trata de trenes que requieren potencias elevadas, superiores a los 1.500 HP.

La Locomotora

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Locomotora diesel eléctrica

•Consiste en un bastidor sobre el cual va montada la carrocería que incluye la/las cabina/s de conducción, y que soporta el equipamiento. Los principales equipos a bordo de la locomotora son:

– El motor diesel, cuya potencia va desde los 1.000 HP hasta los 5.000 HP en las máquinas modernas de EEUU.

– El generador principal, accionado por el motor diesel, que produce la corriente continua que alimenta los motores.

– Los motores de tracción (4 o 6). En la locomotora tradicional son motores de corriente continua alimentados directamente por el generador principal.

– El generador auxiliar, que suministra corriente a los equipos auxiliares.

– El compresor que produce el aire a presión para el accionamiento del freno (o, anteriormente, el exhaustor que creaba una depresión, en el sistema denominado de “freno vacuo”.

La Locomotora

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Rodado de la locomotora diesel

•El bastidor de la locomotora estándar apoya en dos boguis donde van montados los ejes con sus ruedas (par montado), la suspensión y el motor de tracción, un motor por eje. El bogui puede ser de dos o de tres ejes, y la configuración se denomina igual que en las locomotoras eléctricas, B-B o C-C.

La Locomotora

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La Locomotora diesel eléctrica

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•Se denominan “vagones” los vehículos para transporte de cargas.

•Se denomina “coches” para transporte de personas.

•En ambos tipos la caja o carrocería va montada sobre un bastidor portante, que descansa sobre el rodado constituido por ejes simples o por boguis, casi siempre de 2 ejes.

VagonesEn el parque tradicional de los ferrocarriles se encontraban muchos tipos:

– Carga general, cubiertos (todo tipo de carga).– Cubiertos ventilados para frutas frescas.– Cubiertos refrigerados (carnes, pescados, frutas frescas).– Cubiertos ventilados con tanques para leche.

Material Remolcado

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– Abiertos, borde bajo o plataforma: rieles, durmientes, perfiles de acero, bobinas de acero, etc..

– Plataforma portacontendores.– Tolva para minerales.– Etc.

•Varios de estos tipos tradicionales cayeron en desuso porque el ferrocarril dejó de transportar ese tipo de mercadería.

Caja y rodado

•Actualmente la caja de los vagones es de acero encontrándose unos pocos cubiertos cargas general con caja de madera.

•Fue muy común en Europa, y en nuestro país hasta hace unos 30 años, el vagón de 2 ejes.

Material Remolcado

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Base Rígida

Caja

Bastidor

Vagón de 2 ejes

Vagón de 4 ejes (C/boguis)

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Bogui de vagón

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Bogui de vagón

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Bogui de vagón

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•El vagón moderno es de gran capacidad y por consiguiente de 4 ejes, agrupados en 2 boguis, sobre los que descansa el bastidor. Si el peso por eje es 20 toneladas, la capacidad de carga neta llega hasta unas 60 toneladas.

•El vagón de 2 ejes tenía un largo de unos 10 metros. La longitud de los vagones actuales de 4 ejes es del orden de los 16 a 18 metros.

Material Remolcado

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Vagones

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Coches para pasajerosSe clasifican por el grado de comodidad que ofrecen a los pasajeros.

– Primera clase. – Segunda clase o “clase turista”. – Salón con aire acondicionado. Era un vehículo con 52 asientos reclinables.– Dormitorio. – Coche comedor.– Coche cine. Furgón de equipajes. Era un vehículo cuyo rodado lo

autorizaba a circular en los trenes de pasajeros, pero destinaba al transporte de los equipajes de los pasajeros y de alguna carga de alto valor (encomienda).

– Clase única, para trenes suburbanos.

Material Remolcado

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Carrocería y rodado

•Las carrocerías actuales son sin excepción metálicas, usándose el acero protegido con pintura, el aluminio o el acero inoxidable, todos tienen bogies, casi siempre de 2 ejes, excepcionalmente de 3 ejes.

•Los coches de pasajeros tienen cajas con longitudes entre 20 y 25 metros.

•Un caso especial, que no existe aún en nuestro país, es el tren Talgo

Coches de dos niveles

•Como una forma de aumentar la capacidad de una línea férrea, se recurre allídonde el gálibo lo permite, a los coches de dos niveles.

– Aumentan en un 50% la capacidad de un coche de 1 nivel.

Material Remolcado

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Coches motores

•El coche motor es un vehículo con capacidad de transporte de pasajeros, que cuenta con fuerza motriz propia e independiente. Hoy sólo operan los coches motor diesel y los eléctricos.

Coches motores diesel

•En su versión más sencilla es un vehículo aislado con motor diesel. Es un ómnibus sobre rieles. El motor diesel es pequeño, similar al de un camión, y puede estar debajo del bastidor del coche. En este caso el coche tiene dos cabinas o pupitres de conducción, que le permite circular en uno u otro sentido sin tener que rotar el vehículo.

Material Automotor para pasajeros

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•Cuando se demanda mayor capacidad, se apela a las unidades múltiples, formadas por dos coches, uno de los cuales lleva el motor diesel. En este caso estamos frente a una unidad doble. El segundo vehículo tiene una cabina auxiliar, desde la cual puede también conducirse el tren.

•La transmisión de la fuerza motriz a los ejes puede ser mecánica o hidráulica, siendo la primera apta sólo para las pequeñas potencias, y la segunda para las mayores.

•El coche motor se introdujo como un modo económico de dar servicio de pasajeros en los ramales y líneas de tráfico liviano. Por ser vehículos de menor peso por eje que una locomotora pueden circular sobre vías de superestructura débil o en estado regular, a mayor velocidad que la posible para un tren formado por locomotora y coches.


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Coches motores eléctricos

•La fuerza motriz la proveen motores eléctricos ubicados en los bogies, los que pueden ser de los mismos tipos mencionados respecto de las locomotoras (de corriente continua, monofásicos de frecuencia ferroviaria o trifásicos asincrónicos).

•El coche motor puede constituir una unidad simple, que circular aislada y cuenta con una cabina o pupitre de conducción en cada extremo del coche.

•Un grupo de unidades simples pueden acoplarse y funcionar conducidos desde el primer coche, formando un “tren eléctrico”.

•La unidad simple, aunque es muy flexible operativamente, es un vehículo caro. De modo que se usan otras configuraciones más económicas: las unidades múltiples que pueden formarse con dos, tres o cuatro coches (llamadas duplas, triplas o cuádruplas, respectivamente.


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•En las unidades dobles hay una cabina de conducción en uno de los extremos de cada coche. En las unidades triples tienen cabina los dos coches extremos, mientras que el central no las tiene. Un tren de 6 coches puede formarse con tres duplas o con dos triplas.

•En las unidades dobles ambos coches pueden ser motores, o bien uno de ellos tiene la tracción y el otro circula remolcado o empujado. En ambos casos se distribuyen los equipos auxiliares entre ambos ambos vehículos para equilibrar el peso. En las triplas y cuádruplas pueden ser motores dos de los coches y remolcados (o empujados) el otro (o los otros). Lo mismo sucede con las cuádruplas.


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COCHES MOTORES ELÉCTRICOS Unidades Simples (i) : Línea B, Nagoya Línea D Unidades Simples (ii) : Hitachi Ls. Mitre-Sarmiento.

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Unidades Simples (iii) : Línea A.

Unidades Dobles (i) : Siemens Línea C, G.E. Línea E

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Unidades Dobles (ii) : Siemens Línea C

Unidades Dobles (iii) : Materfer Línea D

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Unidades Triples : Línea Roca Unidades Cuádruples : Línea Roca

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Coches eléctricos de dos pisos

•Existen en los servicios suburbanos de varias ciudades del mundo coches de dos niveles. Generalmente tienen menos puertas por costado. Su capacidad de transporte expresada en pasajeros por metro lineal de tren es del orden del 50% mayor que en los trenes de un nivel convencionales, y crece el porcentaje de pasajeros sentados..

•El coche eléctrico de dos niveles en por consiguiente más pesado y tiende a utilizar al máximo la capacidad portante de la vía. Pero son vehículos de peso por más elevado. Una limitación para su empleo puede ocurrir en los gálibos; este aspecto no impidió su difusión en Europa, pero sí en Gran Bretaña.


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•Al comienzo los ferrocarriles frenaban sus trenes con agentes freneros que iban en los vagones o coches. A fines del siglo XIX se inventó el freno operado desde la locomotora. Se usa universalmente el sistema de aire comprimido, y todavía se usa aunque cada vez menos, el de vacío.

Freno de aire comprimido

•En la locomotora existe un compresor que alimenta el depósito principal de aire a presión. El aire llena una tubería dispuesta a lo largo del tren y llena un depósito auxiliar en cada vagón que tenga freno.

•Cuando el conductor frena acciona un comando que deja salir aire de la cañería. En el cilindro de freno en el vagón esa depresión hace que se mueva el freno, impulsado por el aire a presión que está en el depósito auxiliar.

Sistema de Frenos

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•Si el tren se fracciona por cualquier motivo, el freno se activaautomáticamente, tanto en ambas partes del convoy. Por eso los vagones con freno deben distribuirse uniformemente a lo largo del tren.

•Hasta 1991 en nuestro país en los trenes de carga sólo iban acoplados a la tubería de freno los primeros vagones después de la locomotora. Por eso el guarda que iba en el furgón de cola tenía la obligación de frenar mecánicamente el tren.

Freno de vacío

•Funcionaba bajo el mismo concepto, salvo que en la tubería de freno se hacía el vacío mediante un exhaustor. Como el vacío nunca puede ser inferior al absoluto, si los trenes son muy largos las inevitables pérdidas impiden que se haga el vacío correcto en la cola del tren.

•En los coches de pasajeros en nuestro país se usaba el freno de vacío, y la tubería abarcaba todo el tren.

Sistema de Frenos

52Manguera de freno

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•Hay dos sistemas: el enganche a tornillo con paragolpe y el enganche central a mandíbula.

Enganche a tornillo

•El enganche a tornillo consiste en una suerte de cadena cuyo eslabón externo se sujeta en un gancho del vehículo contiguo. La tarea de enganche la hace un operario, el “cambista”.

– La resistencia del enganche está limitada por el peso de la cadena que un hombre normal puede levantar.

– .•En la tracción y el frenado se producen esfuerzos longitudinales entre vehículos, tironeos o topetazos. Para limitarlos existe el aparato de choque, o paragolpes. Cuando un vehículo toca al otro, lo que entra en contacto son los paragolpes.

Aparatos de Tracción y Choque

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Enganche a tornillo•Para que los vagones no vayan sueltos, una vez colocado en enganche el cambista gira un tornillo hasta que el enganche queda tenso y los paragolpes contiguos se tocan y quedan ligeramente apretados. Los tironeosdurante la marcha no despegan los paragolpes. De este modo la transmisión del esfuerzo a lo largo del tren es más suave.

•En este sistema el aparato de tracción está separado del aparato de choque.


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Enganche a Tornillo

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Enganche a mandíbula

•Aparte la limitación impuesta por el peso que se puede levantar, el enganche es peligroso porque obliga al cambista a trabajar entre los vagones. El enganche a mandíbula resuelve ambos problemas.

•El enganche a mandíbula reúne en una sola pieza la función de tracción y choque. Ambos esfuerzos se transmiten a través de una barra centra debajo del vagón. La barra termina en una “mandíbula” con una pieza móvil que el cambista abre cuando quiere enganchar y luego cierra, quedando encerrojada.

•Al no estar limitado por la fuerza humana el enganche a mandíbula puede tener sección suficiente para obtener esfuerzos de tracción muy elevados

•En la Argentina se usa el enganche a tornillo en los ferrocarriles de trocha ancha y media, si bien todos los vagones nuevos comprados después de 1970 tienen el bastidor preparado para alojar la barra del enganche central.

•En Japón en 1 semana se cambiaron los enganches de decenas de miles de vagones.


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Enganche a Mandíbula

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Enganches integrales

•Existen enganches más avanzados, que reúnen en un aparato único la función de tracción, absorción de choques, conexión de la cañería del freno y conexión eléctrica. Se usan sobre todo en los metros.

– Por ejemplo el tipo Scharffenberg, coches Siemens líneas C, D y E.

•En Europa fracasó el cambio al enganche integral, en los años 70. Preveía conexiones neumáticas y eléctricas.


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•El material rodante ferroviario necesita diversos niveles de atención para su buen funcionamiento. Podemos clasificar estas tareas:

– Abastecimiento de combustible.– Alistamiento.– Inspección o revisión.– Mantenimiento periódico.– Grandes reparaciones (parciales, generales).– Reparaciones accidentales– Estos conceptos son importantes para el diseño de la planta fija del

ferrocarril. Las tareas se cumplen en áreas, vías y edificios cuyas funciones a veces no se distinguen netamente.

Mantenimiento del material rodante

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Combustible

•Requieren abastecimiento las locomotoras y coches motores diesel. El lugar para hacerlo es la “estación de servicio”, ubicada generalmente en un centro de mantenimiento periódico o, a veces, en una estación importante, para evitar movimientos en vacío con la única finalidad de reabastecimiento.

Alistamiento

•Se aplica al material para pasajeros y se refiere a las tareas de poner en condiciones el coche para el servicio. Incluye los distintos niveles de limpieza, desde el barrido y plumereado del interior hasta el lavado profundo. Requiere vías auxiliares anexas a las grandes estaciones terminales. Según el tráfico, algunos vagones necesitan ser limpiados antes de otra carga.


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Inspección

•En los períodos en que los coches no están operativos –período entre horas de punta o nocturno– los trenes de pasajeros ingresan a vías equipadas con fosa para la inspección visual del rodado y equipamiento ubicado en la parte inferior.

•Los vagones son revisados en las grandes playas o patios, verificándose el estado de los enganches, frenos, suspensión y rodado y daños menores en la caja. La revisión se hace tanto a la llegada como a la salida de los trenes de carga.

Mantenimiento periódico

•Las locomotoras y coches motores eléctricos o diesel tienen un ciclo de reparaciones programadas.


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– El ciclo se establece en kilómetros recorridos desde la anterior intervención.

– El mantenimiento periódico se hace en un establecimiento llamado “galpón” (en época de la tracción a vapor) o “depósito”. Estos se ubican contiguos o cercanos a grandes estaciones terminales o playas de carga. Es común que en un depósito se haga también reabastecimiento de diesel.

Reparaciones parciales y generales

•Cada varios años, o cada muchas decenas de miles de kilómetros, los vehículos deben someterse a una reparación pesada, que implica detener el equipo por varias semanas, ya que se desmonta totalmente y se testean, reparan o sustituyen todos los equipos a bordo.

•Las grandes reparaciones tienen lugar en un establecimiento llamado “taller”.


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Reparaciones accidentales

•Son las que atienden a percances, descomposturas en servicio, o accidentes de variada gravedad. Según sea el desperfecto o daño la accidental se cumple en un depósito o desvío, o bien en el taller.


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