Locomotora - Universidad de Sevilla Catia v5

Recreacin Virtual en CATIA V5 de una locomotora de vapor, tipo 2-4-1 Montaa, basada en las locomotoras

de la antigua serie 1700 de M.Z.A. fabricadas por La Maquinista Terrestre y Martima

Carlos Garca de Ziga Canivell Proyecto Fin de Carrera Tutorado por Gloria del Ro Cidoncha y Juan Martnez Palacios.

Departamento de Ingeniera Grfica.

Escuela Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla.

Recreacin Virtual en CATIA V5 de una Locomotora de Vapor 2-4-1 Montaa

Carlos Garca de Ziga Canivell

ndice Pgina 2

ndice de Contenidos Prefacio............................................................................................................................... 4 1 Locomotoras de Vapor Espaolas .............................................................................. 6

1.1 Introduccin.......................................................................................................... 6 1.2 La construccin de locomotoras de vapor en Espaa por La Maquinista Terrestre y Martima........................................................................................................ 7 1.3 Conclusiones...................................................................................................... 21

2 La Locomotora de Vapor ........................................................................................... 23 2.1 Introduccin........................................................................................................ 23 2.2 Aspectos generales de las locomotoras de vapor.............................................. 27 2.3 La caldera........................................................................................................... 30

2.3.1 El hogar....................................................................................................... 32 2.3.2 El cuerpo cilndrico y el haz tubular. ........................................................... 37 2.3.3 Vapor saturado frente al vapor recalentado................................................ 38 2.3.4 La caja de humos........................................................................................ 41 2.3.5 La alimentacin de la caldera ..................................................................... 44

2.4 El motor .............................................................................................................. 45 2.4.1 Cilindros ...................................................................................................... 47 2.4.2 mbolos y vstagos .................................................................................... 48 2.4.3 Crucetas y guas ......................................................................................... 49 2.4.4 Bielas motrices y de acoplamiento.............................................................. 50 2.4.5 Distribuidores .............................................................................................. 52 2.4.6 Mecanismo de la distribucin: distribucin Walschaerts............................. 54 2.4.7 Fases de la distribucin Walschaerts.......................................................... 61

2.5 El vehculo.......................................................................................................... 70 2.5.1 El bastidor ................................................................................................... 70 2.5.2 Suspensin ................................................................................................. 73 2.5.3 Ejes, ruedas y llantas .................................................................................. 75 2.5.4 Cajas de engrase ........................................................................................ 79



ndice Pgina 3

2.5.5 Inscripcin de la locomotora en las curvas ................................................. 82 2.6 Revisin y comentarios ...................................................................................... 87

3 Herramienta CAD ...................................................................................................... 90 3.1 Introduccin........................................................................................................ 90 3.2 Aplicaciones CAD/CAM...................................................................................... 91 3.3 CATIA V5 ........................................................................................................... 93

4 Modelado en CATIA V5............................................................................................. 96 4.1 Introduccin........................................................................................................ 96 4.2 Eje motriz ........................................................................................................... 99 4.3 Cajas de vapor ................................................................................................. 105 4.4 Mecanismos de la transmisin y la distribucin. .............................................. 113

4.4.1 Ensamblado .............................................................................................. 121 4.4.2 Cinemtica ................................................................................................ 123 4.4.3 Simulacin................................................................................................. 132

5 Resumen y Conclusiones........................................................................................ 135 Bibliografa, material grfico y recursos web .................................................................. 143 ndice de Figuras ............................................................................................................ 145



Prefacio Pgina 4

Prefacio

El presente Proyecto Fin de Carrera recrea, con cierto grado de detalle, una de las locomotoras de vapor por excelencia de los ferrocarriles espaoles, tanto por su esttica como por su comportamiento en el trazado ferroviario por el que daban su servicio: las locomotoras de la serie 1700, de la antigua lnea Madrid-Zaragoza-Alicante, construidas por la ya desaparecida La Maquinista Terrestre y Martima de Barcelona (La MTM).

Siempre con el beneplcito de mis tutores, D. Juan Martnez Palacios y Gloria del Ro Cidoncha, el grado de detalle de la locomotora y el grado de alcance del proyecto se evaluaron bsicamente segn dos criterios:

Por un lado, el volumen de documentacin tcnica existente y accesible. A lo largo de la realizacin de este proyecto, se ha encontrado diversa documentacin, tanto bibliogrfica como digital, sobre las locomotoras de vapor, pero no as los planos constructivos de esta locomotora en cuestin. Gracias a un antiguo catlogo de locomotoras de Renfe, se han obtenido las especificaciones tcnicas de la misma. Bajo dichas especificaciones se ha recreado una locomotora ficticia, pero perfectamente operativa, tomando como base las distintas soluciones constructivas de las locomotoras de vapor.

Por otro, el volumen de distintos elementos existentes en cualquier locomotora de vapor. Debe recalcarse que el diseo de una locomotora de vapor era un trabajo multidisciplinar, al igual que hoy en da para cualquier obra de envergadura, y el diseo de cualquier sistema, elemento o pieza podra ser en s mismo un proyecto fin carrera, como ejemplo, el diseo de un eyector para la alimentacin del agua en la caldera.

Por estos motivos se habla de una recreacin; recreacin cuya finalidad es dar una visin global de este tipo de locomotoras, as como entrar con cierto grado de detalle en su funcionamiento y en alguno de sus elementos.



Prefacio Pgina 5

El contenido del proyecto se estructura en tres partes. La primera parte, de carcter histrico, revisa brevemente la produccin nacional de locomotoras de vapor por parte de La MTM, centrndose en aquellas mquinas de mayor trascendencia. La segunda parte pretende explicar el funcionamiento de las locomotoras de vapor, usando como apoyo grfico el modelo recreado con CATIA V5. Para finalizar, se presenta la recreacin de la locomotora, el diseo en CATIA V5 de las piezas de mayor inters y el modelado del mecanismo del aparato motor.

Con respecto a CATIA V5, me gustara comentar la labor autodidacta que he tenido que realizar para la elaboracin de la recreacin. La primer parte del proyecto se puede considerar como el aprendizaje de la herramienta. Para ello me he apoyado en manuales e informacin obtenida de Internet. Quiero mencionar el sitio www.muchocatia.es, de un tal El Juanri, de Cdiz, que me facilit enormemente la tarea al contener unos videos tutoriales muy didcticos; sirva la mencin, por lo menos como agradecimiento.



Captulo I.- Locomotoras de Vapor Espaolas Pgina 6

1 Locomotoras de Vapor Espaolas

1.1 Introduccin La historia del ferrocarril espaol se puede contemplar desde muchos puntos de

vista; quizs, uno de los ms interesantes, puede ser la fabricacin de locomotoras en el propio territorio nacional.

Como bien narra el autor Fernando Fernndez Sanz en [1] y [2], las primeras locomotoras que circularon por el territorio nacional estaban constituidas casi en su totalidad de material forneo que se montaba en los talleres nacionales o vena ya montado del exterior.

Espaa dependa tecnolgicamente de sus vecinos, y tena muy complicado competir con la industria extranjera, especialmente la alemana, debido a la fuerte poltica de patentes de aquella poca. Bajo este contexto, se hacia muy difcil el desarrollo de una industria nacional ferroviaria. Por ello, todo el desarrollo de los complementos como eyectores, equipos de freno, tuberas, bombas e inyectores de agua, engrasadores y




material de equipo de las locomotoras se siguieron importando hasta el fin del vapor espaol en el ao 1976.

A principios del siglo XX, y siempre bajo una fuerte dependencia exterior en materia de complementos, la construccin de locomotoras nacionales alcanza volmenes considerables gracias a la produccin en serie de varias locomotoras para los antiguos ferrocarriles de M.Z.A.; fueron llevadas a cabo por la empresa La Maquinista Terrestre y Martima de Barcelona.

La Maquinista no fue la nica empresa nacional dedicada a la construccin de locomotoras de vapor, pero si la ms importante y la que sacaba al mercado mayor nmero de productos nacionales. La mayora de las empresas nacionales se dedicaban a montar el material importado del extranjero. Sin embargo, La Maquinista adems de eso, creaba sus propios diseos, de fuerte influencia alemana, y los llevaba a cabo.

Por estos motivos, el apartado siguiente se centra en la evolucin cronolgica de las locomotoras de vapor de La Maquinista, que pueden considerarse con justa razn como las verdaderas grandes locomotoras de vapor espaolas.

1.2 La construccin de locomotoras de vapor en Espaa por La Maquinista Terrestre y Martima Las primeras locomotoras que circularon por la pennsula ibrica fueron las de los

ferrocarriles de Barcelona-Matar y Madrid-Aranjuez. Para el primero de ellos se encargaron, al constructor de locomotoras ingls Warrington, cuatro locomotoras de un eje motor y casi todo el material adicional para la construccin del ferrocarril. Para el ferrocarril de Madrid-Aranjuez, se encargaron, casi al unsono que su homlogo cataln, ocho locomotoras de origen belga e ingls, adems de todo el material de va y vagones.

En 1851, en los talleres del ferrocarril de Matar, a la orden del Ingeniero Ingls White, se mont la locomotora conocida como La 1 Espaola o La Matar. Popularmente, esta locomotora se considera como la primera locomotora construida en Espaa. Esto realmente no es del todo cierto, puesto que se trataba de locomotoras




elaboradas con material importado, por lo que los versados en la materia, no la consideran como un producto netamente nacional.

En 1948 y con motivo del centenario del la lnea Barcelona-Matar, la empresa espaola, La Maquinista Terrestre y Martima construy una rplica de La Matar, esta vez s, un producto cien por cien nacional. La siguiente ilustracin (Figura 1), muestra dicha locomotora en el paseo de Chapina junto a la drsena del Guadalquivir. La locomotora se trajo a Sevilla para una exposicin ferroviaria, all por el ao 1989, que fue organizada por Renfe.

Figura 1.- Rplica de La 1 Espaola..Imagen obtenida de coleccin particular.

Retomando el hilo argumental, las primeras locomotoras que circularon por Espaa, se montaban en los talleres de las empresas ferroviarias a partir de material importado, principalmente de Inglaterra y Blgica. Segn datos recogidos por los autores Fernando Fernndez Sanz y Gustavo Reder en [1], hacia 1875, por las distintas redes de ferrocarriles del territorio nacional, haba en servicio un total de 1.245 locomotoras. La mayora de este parque mvil haba venido terminado del exterior, o bien se haban importado casi la totalidad de los componentes para su montaje en los talleres nacionales.




No es hasta la primera dcada de los 80 del siglo XIX, y gracias a La Maquinista Terrestre y Martima, cuando se inici la verdadera construccin de locomotoras de vapor en Espaa.

Figura 2.- Logotipo corporativo de La Maquinista Terrestre y Martima

La Maquinista se fund en Barcelona el 4 de septiembre del ao 1855, por los empresarios Espar, Tous y Ascacibar y cuyo objetivo social, segn Fernando F. Sanz y Gustavo Reder en [1], era la fundicin de metales, construccin de buques, calderas, maquinas de vapor terrestre y martima, locomotoras para ferrocarriles, motores hidrulicos, transmisiones, maquinas para hilado y cuantas mquinas se creyesen convenientes.

Figura 3.-Placa identificativa que el constructor colocaba a sus locomotoras [1].

En sus orgenes, la escasez de pedidos haca peligrar la continuidad de la empresa. La Maquinista efectu diferentes suministros para las lneas ferroviarias en construccin, como puentes, placas giratorias para depsitos de locomotoras, cambios de aguja y seales; pero no reciba encargos de locomotoras.




No es hasta el ao 1882, cuando el Ferrocarril Econmico de Villena-Alcoy encarga a La Maquinista la construccin de dos locomotoras. Por desgracia, y por causas desconocidas, dichos pedidos no pudieron realizarse.

La creacin de la primera locomotora de vapor de produccin nacional no se dio hasta el ao siguiente, el 13 de julio de 1883, cuando La Maquinista realiza el encargo de dos pequeas locomotoras de vapor de va estrecha para el Tranva de Vapor de Barcelona al Clot y San Andrs del Palomar.

El xito alcanzado por el buen funcionamiento de estas locomotoras, de relativa sencillez en la operacin y sin demasiados alardes tecnolgicos, anim a La Maquinista a ampliar sus instalaciones y fabricar locomotoras de mayor potencia. En 1900, recibi el primer encargo de envergadura. Se trataba de construir 15 locomotoras tipo 0-4-0 para los Ferrocarriles de M.Z.A. (Figura 4).

Figura 4.- Locomotora 0-4-0 construido por La Maquinista para la M.Z.A. Obtenido de [1]

En 1920, La Maquinista Terrestre y Martima y la compaa de M.Z.A firmaron un acuerdo para la construccin de 50 locomotoras tipo 2-4-0 que constituiran la serie 1400 de M.Z.A. (




Figura 5). Fue la primera locomotora de vapor de fabricacin en serie de produccin nacional.

Figura 5.- Locomotora tipo 2-4-0, fabricadas por La M.T.M. para la serie 1400 de M.Z.A.. Obtenido de [1].

Cinco aos ms tarde, en 1925, se comenz la construccin de una de las locomotoras ms logradas en los ferrocarriles espaoles. Se trataba de una locomotora tipo 2-4-1 Montaa de la serie 1700 de la antigua M.Z.A. (Figura 6). Se fabricaron entre 1925 y 1931, un total de 95 unidades. Se caracteriz por ser una de las locomotoras ms robustas que circularon por las lneas espaolas, ya que era capaz de adaptarse fcilmente a los ms difciles perfiles del trazado ferroviario.

Manuel Maristany, pionero fotgrafo, escritor y autor de innumerable documentacin ferroviaria, comenta en [7] que esta locomotora era muy apreciada entre los maquinistas, ya no slo por sus lneas esbeltas, sino por su sencillez de operacin y su buen funcionamiento.

Figura 6.- Locomotora tipo 2-4-1 Montaa de MTM para la famosa serie 1700 de M.Z.A.. Obtenido de [1].




Dos aos ms tarde de la construccin de la serie 1700, la Compaa del Norte, encarg la construccin de otras 56 locomotoras tipo Montaa, que conformaron la famosa serie 4600 de la Compaa del Norte, a la empresa inglesa Babcock & Wilcox.

De estas 56 locomotoras, 5 se montaron en los talleres de La Maquinista, 23 en Euskalduna y el resto en la propia Babcock en la casa Hanomag. Las diferencias entre ambas locomotoras tipo Montaa eran notables, y no solo estticamente. Como ejemplo, las 4600 eran de 4 cilindros de doble expansin o compund, mientras que las 1700 eran de 2 cilindros de simple expansin. Al igual que la serie 1700 de M.Z.A., la serie 4600 fue concebida para adaptarse a un perfil irregular dando tambin unos excelentes resultados.

En la posterior unificacin de los ferrocarriles espaoles, la serie 1700 form parte de la Renfe con los nmeros de serie 241-2001/95. En las figuras siguientes se muestran las caractersticas tcnicas de dicha serie obtenidas de [3] (Figura 8 y Figura 9).

Hoy en da se conserva la primera locomotora de la serie 1700, la 1701 (Figura 6), en el Museo del Ferrocarril de Madrid, y ha estado prestando servicios de recreo en el tren turstico de la fresa entre Madrid y Aranjuez, junto a otras locomotoras de vapor salvadas del soplete.

Figura 7.- Locomotora tipo 2-4-1 Montaa construidas por la Babcock & Wilcox para la Compaa del Norte. Obtenido de [1]




Figura 8.-Caractersticas tcnicas de la antigua serie 1700 de M.Z.A.. Obtenido de [3].




Figura 9.- Curvas Caractersticas de la antigua serie 1700 de M.Z.A.. Obtenido de [3].

As se constituyeron las series 1361-1380 y la 1801-1810 de M.Z.A. La primera de ellas, conocidas como las 1300 Nuevas (Figura 10), era una variante de la serie 1400 que inclua deflectores de humos y distribucin por vlvulas, entre otras mejoras.




Figura 10.- Locomotora 2-4-0 construida por La Maquinista para la serie 1300 de M.Z.A. Obtenido de [1].

La serie 1800 (Figura 12), fue una modificacin de las 1700 con carenado y timbradas para trabajar a alta presin (18 kg/cm2) con cilindros de menor dimetro y distribuidor por vlvulas.

Una de las ventajas que tena llevar el vapor recalentado a alta presin, era que, a igualdad de seccin del mbolo, el trabajo producido por el vapor era superior al contener mayor cantidad de energa (Figura 11); pero tambin permita disminuir la seccin del mbolo para obtener la misma cantidad de trabajo, disminuyendo el volumen de los cilindros de la mquina. Adems, como el grado de recalentamiento era mayor, se evitaban condensaciones en los circuitos de vapor, previniendo la corrosin y los posibles golpes de lquido en los cilindros.




Figura 11.- Diagrama de Mollier. Obenido de [4].

La 1800 se ide para llevar trenes de gran velocidad en la compaa de los ferrocarriles de M.Z.A., pero por diversos factores, slo se construyeron las 10 locomotoras encargadas a La M.T.M. en 1935. Fue la nica locomotora espaola de vapor recalentado a alta presin, timbrada a 18 kg/cm2, y fue este el motivo, por el que, en la Espaa de la posguerra, la locomotora no diera los resultados esperados.

En aquella poca, de gran escasez de materias primas, no se tena acceso a lubricantes de alta calidad que soportaran altas temperaturas sin quemarse, lo que obligaba operar a menores temperaturas y por tanto menor presin, disminuyendo mucho las prestaciones de la locomotora.

Como consecuencia, un pedido de 15 de locomotoras para la serie 1800, se sustituy por otras tantas que conformaran la nueva serie 2400 de M.Z.A. (Figura 13); conocida popularmente como La Mastodonte por el tipo de rodadura 2-4-0. Decir que fue una mquina que dio unos resultados ms que excelentes por su sencillez, su dureza y




su gran fuerza de traccin; lo que la llevo a ser la serie ms numerosa que tuvo tanto M.Z.A., como posteriormente Renfe.

Figura 12.- Locomotora tipo 2-4-1 construida por La M.T.M.para la malograda serie 1800 de M.Z.A. Obtenido de [1].

Figura 13.- Locomotora tipo 2-4-0 de MTM para la serie 2400 de M.Z.A.. Popularmente conocida como La Mastodonte. Obtenido de [1].

Por el Decreto Ferroviario del 24 de enero de 1941, se dispuso el agrupamiento de todas las lneas de ancho normal espaol de seis pies castellanos (1.674 mm posteriormente se redujo hasta los 1.668 mm) y la creacin de la Red Nacional de Ferrocarriles Espaoles, por lo que todo el material las distintas compaas pas a manos de Renfe [2].




Al poco despus, Renfe encarga a los distintos constructores de la poca, un pedido de 130 locomotoras, de las cuales 22 le correspondieron a La Maquinista, para elaborar un nuevo modelo a partir de la antigua serie 2700 de M.Z.A., tipo 2-4-1 tipo montaa, herederas de las 1700 de M.Z.A., y de mayor potencia. Como curiosidad, a esta locomotora se la conoci como las atmicas como recordatorio del triste lanzamiento de la bomba atmica en Hiroshima. Ms tarde se las empez a conocer como las bonitas.

Figura 14.- Locomotora tipo 2-4-1 de MTM para la Renfe basada en la antigua serie 2700 de M.Z.A. Obtenido de [1].

En 1942, La Maquinista entreg a la compaa del Norte uno de sus ltimos pedidos antes de incorporarse a la Renfe. Se trataba de la primera locomotora tipo 1-5-1 Santa Fe (Figura 15). La antigua Compaa del Norte buscaba soluciones a los problemas de traccin que tenan los trenes carboneros. Estudiaron la posibilidad de emplear locomotoras de 5 ejes motrices y tres cilindros, que hasta entonces no haban circulado por las lneas espaolas.

El proyecto quedo paralizado por la guerra, pero nada ms concluir la contienda se entregaron dos prototipos que tuvieron un xito rotundo en su servicio carbonero. Tal fue el xito que se encargaron otras 22 unidades a lo largo de los aos siguientes.




Figura 15.- Locomotora 1-5-1 Santa Fe de MTM para la serie 5000 de la compaa del Norte. Obtenido de [1].

Bajo el Plan General de Reconstruccin de 1949, La Maquinista Terrestre y Martima, entre los encargos que recibi, tuvo el pedido de 10 locomotoras de gran velocidad para los grandes expresos que deban mantener velocidades superiores a los 90 km/h.

Segn se relata en [1], La Maquinista opt por una locomotora, tipo 2-4-2 Confederacin, de clara influencia alemana. Para ello readaptaron la caldera, el bogie y el mecanismo motor de las locomotoras tipo 2-4-1 de la serie 2700 de la ya antigua M.Z.A., pero con ruedas de 1.900 mm de dimetro (frente a los 1.750 mm de la 2700). El aumento del dimetro de las ruedas, oblig a llevar la caldera hacia la parte posterior, lo que haca imprescindible, para equilibrar el peso, el uso de un bisel de dos ejes en lugar de uno como el de la 2700.

Estas locomotoras fueron diseadas para utilizar fuel en lugar de carbn. Decir que esta locomotora alcanz puntas de velocidad de 135 km/h arrastrando trenes de ms de 430 toneladas.




Figura 16.- Locomotora 242, Confederacin, construida por La Maquinista para Renfe. Obtenido de [1].

La ltima locomotora de vapor que construy La Maquinista Terrestre y Martima, fue la tipo 2-4-2 T, nmero de fbrica 721, en 1957 para la Empresa Nacional Calvo Sotelo, posteriormente ENDESA (Empresa Nacional de Energa, Sociedad Annima), con el fin de prestar servicio en el Ferrocarril de Andorra a Escatrn del antiguo I.N.I. (Instituto Nacional de Industria). Dicha locomotora era una nueva versin de la antigua locomotora de la serie 1600 de M.Z.A., construidas por La M.T.M. a partir de 1924.

Figura 17.- Locomotora tipo 2-4-2 Tender, ltima locomotora de vapor construida por La Maquinista. Obtenido de [1].




1.3 Conclusiones Segn nos exponen los distintos autores de literatura ferroviaria, todas las

locomotoras espaolas que fueron construidas por La Maquinista Terrestre y Martima, salvo raras excepciones como la malograda serie 1800 (Figura 12), se caracterizaron por su buen comportamiento y robustez.

El motivo principal de estos magnficos resultados resida en la relativa sencillez del motor de las locomotoras fabricadas por La Maquinista: de dos, tres o cuatro cilindros de simple expansin.

Los sistemas de doble expansin mediante el uso de cuerpos de alta y baja presin, haca imprescindible el uso de distribuciones independientes para controlar los grados de expansin en cada cuerpo. Esto traa consigo, aparte de obtener mayor energa del vapor, grades labores de reglaje y operacin que deban llevarse a cabo por personal altamente cualificado. Desarrollos posteriores consiguieron ligar las fases de los cilindros de alta y baja presin, con lo que nicamente se haca necesario un rbol de distribucin para cada par de cilindros, reducindose enormemente dichas labores de reglaje.

Sin embargo para la simple expansin, independientemente del nmero de cilindros que tuviera la mquina, las distribuciones estaban acopladas entre s, por lo que las labores de reglaje y operacin eran mucho ms sencillas.

El mayor problema que tenan todas las locomotoras que circularon por Espaa, independientemente del fabricante o constructor, era la mala calidad del combustible que se empleaba. Mientras que en Inglaterra se usaban carbones bituminosos de muy buena calidad, en Espaa se usaban antracitas y lignitos con concentraciones elevadas de azufre, que literalmente, se coman las calderas al condensar los gases de la combustin.

Otra desventaja respecto a otros pases, y motivo principal por el cual la alta presin no se dio en Espaa, fue la escasez de lubricantes de calidad que resistieran las altas temperaturas del vapor recalentado a alta presin.




En el captulo siguiente se revisarn las soluciones tecnolgicas que se empleaban para la fabricacin de las locomotoras de vapor espaolas. Para ilustrar tal cometido se emplear el modelo, recreado en CATIA V5, basado en la serie 1700 de M.Z.A. Como se ha comentado anteriormente, se trataba de una mquina de vapor recalentado con dos cilindros de simple expansin, muy caracterstico de los motores de vapor de las locomotoras fabricadas por La Maquinista.

Bajo estas especificaciones tcnicas, obtenidas mayoritariamente de [3], [4] y [5], se ha construido una maqueta virtual que pretende dar una visin general de este tipo de vehculos.



Captulo II.- La Locomotora de Vapor Pgina 23

2 La Locomotora de Vapor

2.1 Introduccin La primera locomotora de vapor, que se desplaz sobre carriles, fue realizada por el

ingls Trewithick en 1804, pero debe considerarse que la verdadera antecesora de la locomotora de vapor moderna, fue La Rocket del ingeniero ingls Stephenson en 1829 (Figura 18).

La Rocket reuna las dos caractersticas esenciales en las que se basaron las locomotoras de vapor modernas: la caldera tubular, inventada por Marc Segun; y el tiro forzado por inyeccin de vapor en el escape de la chimenea, ideado por Trewithick y posteriormente mejorado por Hacworth.

En 1876, el francs Mallet aport al motor de la locomotora la doble expansin o compound. Esta tecnologa no lleg a Espaa hasta mediados de 1901 con la




incorporacin de locomotoras tipo 2-3-0 que dieron muy buenos resultados como mquinas para trenes rpidos y ligeros, y las locomotoras Montaa del Norte (Figura 7) fabricadas por el constructor ingls Babcock & Wilcox.

Figura 18.- La Rocket de Stephenson, ganadora del concurso de Rainhill. Obtenido de [5].

El alemn Schmidt, en 1888, introdujo el sistema del recalentamiento del vapor, que revolucion la caldera de vapor saturado. Esta invencin se extendi universalmente por las mejoras que aportaba. En Espaa se adopt hacia el ao 1909.

Debido al paulatino aumento del peso de los trenes, hubo que aumentar el tamao de las locomotoras para aumentar su potencia y aumentar el nmero de ruedas motrices para mejorar la adherencia. En Espaa se crearon en orden cronolgico las locomotoras tipo 2-3-1 Pacific, las 2-4-0, las tipo 2-4-1 Montaa, las 1-5-1 Santa Fe y las 2-4-2 Confederacin.

Las exigencias de los trenes hacan que las locomotoras cada vez fueran ms grandes y voluminosas, hasta tal punto que algunas rozaban los pesos mximos autorizados por la va. Para solucionar este problema, se hicieron innumerables




investigaciones para intentar dilucidar la prdida de rendimiento en las locomotoras e implementar mejoras con los resultados obtenidos.

Se dieron cuenta que el rendimiento de la locomotora de vapor aumentaba si se mejoraba el mecanismo de escape, el grado de recalentamiento, y si se aumentaban las secciones de paso de los conductos de admisin a los cilindros, para minimizar las prdidas por friccin. Segn se indica en [6], las locomotoras que adoptaron dichas mejoras aumentaron su potencia, en algunos casos, de 1500 CV a 2600 CV con un aumento de peso de slo 10 toneladas. Dado los excelentes resultados, las posteriores locomotoras se construyeron con las nuevas mejoras.

En los apartados siguientes se realiza una exposicin de los elementos constituyentes de las locomotoras de vapor, y en particular, de los elementos que compondran una locomotora tipo 2-4-1 Montaa, de vapor recalentado con dos cilindros de simple expansin; para dar obtener una visin de conjunto de las locomotoras de vapor y entrar en captulos posteriores, en el modelado de los principales componentes y del mecanismo motor.

Se omite, debido a la extensin de los contenidos, todos los sistemas auxiliares de la locomotora. Por ello el lector podr notar que no se hablar de sistemas de frenos, de seguridad, etc.

Para toda la exposicin se usara como apoyo grfico la locomotora recreada en CATIA V5 (Figura 19), que se ha modelado bajo las especificaciones antes descritas y siguiendo en la medida de lo posible, las soluciones constructivas de aquella poca en Espaa y en concreto para las locomotoras de La Maquinista.

Figura 19.-Recreacin virtual con CATIA V5 de una locomotora tipo 2-4-1 Montaa basada en la serie 1700 de M.Z.A.. Realizaado en CATIA V5.




2.2 Aspectos generales de las locomotoras de vapor Mediante una notacin cifrada se poda representar el aspecto exterior de una

locomotora de vapor, indicando, adems, el tipo de servicio al cual iban destinadas:

Las locomotoras con muchos ejes acoplados y ruedas con radio relativamente pequeo (< 1,30 m) se empleaban para el transporte de mercancas. La justificacin es bastante sencilla, si se tiene en cuenta que la adherencia una locomotora, de vapor o moderna, aumenta cuando se reparte el par motor entre mayor nmero de ejes.

Por el contrario, las locomotoras de pocos ejes acoplados con ruedas de gran dimetro (> 1,7 m), se empleaban para trenes rpidos de pasajeros, en los que la carga arrastrada era sensiblemente menor que en el caso anterior.

As, la notacin americana, que era la ms empleada, indicaba el nmero de ruedas portantes o libres y el nmero de las ruedas acopladas. Adems, esta notacin tambin indicaba la posicin que dichas ruedas ocupan entre s (Figura 20).

La posicin de los cilindros, los rganos principales de la mquina, constitua una caracterstica muy importante que tambin serva de base para la clasificacin de las locomotoras de vapor:

Dos cilindros de simple expansin.

Tres cilindros de simple o doble expansin.

Cuatro cilindros de simple o doble expansin.

La posicin de los cilindros poda ser interior o exterior a los largueros del bastidor. Para los sistemas con ms de dos cilindros, normalmente para los sistemas de doble expansin, los cuerpos de alta se colocaban interiores a los largueros y los de baja al exterior.

Aumentar el nmero de cilindros permita disminuir el dimetro de los mismos para una potencia dada, y adems permita una mayor expansin del vapor si se incorporaba la doble expansin.




Figura 20.- Notacin simplificada de las locomotoras de vapor. Obtenido de [5]




La potencia de las locomotoras de vapor provena del calor desprendido por el combustible (carbn y posteriormente fuel). Dicho calor se empleaba para la produccin de vapor para su posterior conversin en trabajo a partir del empuje sobre el mbolo en el cilindro.

Esta transformacin de energa, de calor en trabajo, exiga una serie de elementos que se pueden dividir en tres grupos:

el primer grupo consiste en el generador de vapor o caldera,

el segundo, el motor,

y finalmente el vehculo, que soportaba la caldera y el motor del que reciba el movimiento.

La caldera, rgano potente y pesado, estaba sostenida por el bastidor que deba ser lo ms rgido posible. Debido a las dilataciones trmicas que sufra la caldera, sta se fijaba nicamente por un punto al bastidor; el resto de apoyos se realizaban mediante patines de deslizamiento que permitan las deformaciones provocadas por los cambios de temperatura.

El bastidor apoyaba siempre sobre los ejes por medio de resortes, que constituan el conjunto de la suspensin. El bastidor llevaba los cilindros, las guas o paralelas de las crucetas y todas las piezas del mecanismo que no deban forzosamente fijarse a los ejes, como por ejemplo el sector.




2.3 La caldera Como se ha comentado, la caldera de las locomotoras de vapor era el rgano ms

voluminoso y pesado de la locomotora, y obligaba el uso de bastidores rgidos y resistentes teniendo en cuenta que se deba reducir el peso al mximo.

Debido a las dilataciones provocadas por las cargas trmicas, la caldera se fijaba nicamente a la parte delantera del bastidor, descansando sobre patines de deslizamiento en la parte posterior.

La potencia de la locomotora dependa de la potencia de vaporizacin de la caldera; es decir, de la rapidez con que poda producir una cierta cantidad de vapor y del tiempo que poda mantenerla. Adems, la caldera deba caracterizarse por tener una fuerte produccin de vapor en un volumen muy reducido.

La caldera de la locomotora de vapor era del tipo llamado tubular y de hogar interior. Se compona de tres partes:

El hogar.

El cuerpo cilndrico.

La caja de humos. Comprenda, adems, como accesorios, los aparatos de alimentacin, de

seguridad, de inspeccin, y de limpieza. Se completaba en muchas locomotoras con sistemas para el recalentamiento del vapor.

En apartados siguientes veremos con detenimiento estos tres elementos que constituan la caldera de la locomotora. Se omitir toda aquella explicacin referente a accesorios; nicamente se mencionar el sistema de alimentacin del agua a la caldera mediante eyectores por su particularidad.

La siguiente figura muestra la disposicin de estos elementos modelados con CATIA V5 (Figura 21).




Figu

ra 21

.- Se

cci

n lo

ngi

tudi

na

l de

la

lo

com

oto

ra re

cre

ada

e

n CA

TIA

V5.




2.3.1 El hogar

El hogar de cualquier caldera, es el lugar geomtrico donde se produce la combustin del combustible. En el hogar, el calor transferido es de naturaleza radiante, debido a las altas temperaturas en su interior (superiores a los 1000 C). Para mejorar dicho mecanismo de transferencia de calor, y aumentar sensiblemente la temperatura en el hogar, a ste se le inclua una bveda refractaria. La siguiente figura (Figura 22), se muestra una seccin longitudinal de un hogar tpico de las locomotoras alemanas.

Figura 22.- Seccin longitudinal del hogar. Obtenido de [5].

El hogar de las locomotoras de vapor era de gran volumen y de formas muy diversas. Sus partes constituyentes son el cielo, la cara inferior con la parrilla, la placa tubular y la placa posterior donde se ubica la puerta de carga de combustible.

Si nos referimos nicamente a las paredes laterales, el hogar se poda presentar de tres formas distintas. En las locomotoras poco potentes, las paredes laterales normalmente eran verticales. En locomotoras ms potentes, debido a que el dimetro del




haz tubular era mayor y el hogar deba colocarse entre las ruedas, las paredes laterales presentaban una forma entrante. Cuando se necesitaba una superficie de intercambio radiante mayor, la superficie de la parrilla deba aumentar por lo que se poda llegar al caso de hogares con paredes divergentes o desbordantes (Figura 23).

Figura 23.- Distintas tipologas de los hogares de las locomotoras. Obtenido de [5].

Figura 24.- Seccin simplificada, realizada con CATIA V5, del hogar desbordante de una locomotora de vapor

Generalmente las paredes laterales del hogar se formaban con el cielo del hogar mediante una nica plancha curvada. El hogar, completamente rodeado de agua, estaba envuelto por la caja de fuego, de forma similar al hogar. El nombre de caja de fuego




resultaba bastante impropio, pues en realidad era una caja de agua. Muchas veces, al hogar propiamente dicho se le llamaba caja de fuego interior (Figura 25).

Figura 25.- Seccin simplificada, realizada con CATIA V5, del hogar de una locomotora de vapor.

La envuelta del hogar era de chapa de acero dulce, de unos 30 mm de espesor, mientras que el cielo y las paredes del hogar, se hacan de cobre o de palastros de acero. Tanto en Espaa, como en Norte Amrica, los hogares eran de acero. En el resto de Europa, sobre todo en Blgica, los primeros hogares eran de cobre, pero a finales de 1946 empezaron a construirse con palastros de acero para reducir el peso de las locomotoras.

El empleo del cobre para la construccin del hogar estaba justificado, pues es un material con resistencia a las altas temperaturas alcanzadas en la combustin y es bastante resistente a las acciones qumicas.

Estos hogares de cobre podan sufrir deformaciones importantes debido a los cambios bruscos de temperatura, lo que los haca menos sensibles a los enfriamientos bruscos por las entradas de aire a la caldera, el lavado con agua fra, etc.




Sin embargo, la resistencia a la traccin del cobre disminuye bruscamente con la temperatura, lo que obligaba la construccin de hogares con espesores muy grandes, y por tanto muy pesados.

Como se ha comentado, para reducir el peso de las locomotoras, y poder alcanzar altas presiones en la caldera, los constructores comenzaron a fabricar los hogares de acero en vez de cobre.

El acero dulce es mucho ms resistente que el cobre y adems su resistencia a la traccin es menos sensible a la temperatura que la del cobre. As, por ejemplo, segn datos obtenidos de [6], a 200 la resistencia del cobre disminuye de 23 kg/cm2 a 19 kg/cm2. Ahora bien, 200 C es la temperatura del vapor a 16 kg/cm2. A 350 C, si se aplica una carga permanente, el cobre puede romperse con una carga de 7,5 kg/cm2. En cambio la resistencia a la traccin del acero extra dulce es de 34 a 41 kg/cm2 de 200 a 300 C.

Los hogares de acero, sin embargo, eran ms sensibles a las variaciones de temperatura y a los ataques qumicos; lo que a la larga se incrementaron sensiblemente las labores de mantenimiento para reparar y revisar los hogares de acero.

Las paredes del hogar estaban sometidas a presiones del orden de 18 bar. Bajo semejantes presiones, el cielo y las paredes del hogar se aplastaran s no se arriostrasen. Por ello, las dos paredes laterales, la pared de atrs y la parte inferior de la placa tubular se arriostraban con la envolvente exterior mediante los virotillos (Figura 22 y Figura 26).

Los virotillos eran barras de cobre o de acero, roscadas en toda su longitud o slo en los extremos, que se introducan en agujeros roscados, practicados en la envolvente y las paredes del bogar. Los virotillos se solan adelgazar en la parte que no iba roscada para mejorar la flexibilidad del conjunto, y evitar las incrustaciones por deposiciones calcreas.




Figura 26.-Detalle del arriostrado del hogar. Obtenido de [5].

Los virotillos, adems, eran huecos para que cuando rompieran, y por motivos de seguridad, el vapor descargara en el interior del hogar. Esto avisaba a los maquinistas y fogoneros para las reparaciones de mantenimiento de la caldera (Figura 27). El nmero y la disposicin de los virotillos dependa en gran mediad de las presiones que tendra que soportar el hogar.

Figura 27.- Detalle de los virotillos, realizado con CATIA V5,




2.3.2 El cuerpo cilndrico y el haz tubular.

Las superficies de intercambio de calor en las calderas pirotubulares de las locomotoras de vapor, se componan de dos partes: la superficie de intercambio directa, constituida por las paredes del hogar; y la superficie de intercambio indirecta, constituida por la superficie interior de los tubos de humo que conformaban el haz tubular.

Como se ha comentado en el apartado anterior, en el hogar, se transmita el calor principalmente por radiacin, ya que las temperaturas alcanzadas en su interior alcanzaban los 1600. Este calor radiante, representaba aproximadamente el 40 % del calor total que se aportaba para la vaporizacin del agua.

El resto del calor aportado lo cedan los gases de combustin a travs de su paso por los tubos de humo (conveccin). La temperatura de los gases de entrada sola variar de 1000 a 1300 C, y a la salida entre 250 y 400 C.

Los tubos de fuego de las locomotoras ms potentes no superaban los 8 metros de longitud. Esto a priori parece una contradiccin si se quiere obtener el mximo calor de los gases de escape.

La evolucin de la temperatura de salida de los gases de escape, en funcin de la longitud de los tubos de fuego, sigue la curva que se muestra ms abajo (Figura 28). Como se puede apreciar, el gradiente trmico para longitudes superiores a los 8 metros es muy pequeo, por lo que no mereca la pena alagar ms all los tubos de fuego.

0

100

200

300

400

500

600

700

2 4 6 8 10 12 14 16L (m)

T (C

)

Figura 28.-Evolucin de la temperatura de los gases calientes de escape en funcin de la longitud de los tubos de fuego. Datos obtenidos de [5].




Tubos ms largos implican un aumento de la prdida de carga, por lo que el tiro deba ser mayor. Adems no interesaba bajar la temperatura de los gases de escape por debajo de los 200 C, ya que por debajo de esa temperatura comenzaba a condensar el agua procedente de la combustin, formndose cidos que deterioraban las calderas. Esto se acentuaba si se quemaban carbones de mala calidad con altas concentraciones de azufre.

2.3.3 Vapor saturado frente al vapor recalentado

La incorporacin del sistema de intercambio de calor para el recalentamiento del vapor saturado, fue uno de los progresos ms importantes en el desarrollo de las locomotoras de vapor. Al principio, las ventajas del recalentamiento como se comenta en [4], fueron muy discutidas pero con el paso del tiempo se reconocieron sin la menor duda:

El recalentamiento permita, en servicio normal de la locomotora, economizar entre un 20 y 30 % de combustible con slo aumentar la temperatura del vapor 50 grados. Adems, como el vapor recalentado ocupa ms volumen que el vapor saturado, se consegua ahorrar agua (3/2 de la cantidad de combustible ahorrado aproximadamente). Efectivamente, el rendimiento terico de una mquina trmica crece cuando aumenta la diferencia entre las temperaturas del foco fro y del foco caliente. Hay que tener en cuenta que un excesivo recalentamiento del vapor saturado, dificultaba el engrase del cilindro y disminua la vida til de los segmentos debido a la baja calidad de los aceites de la poca.

Mximo Carnot= (Tcaliente-Tfro)/ Tcaliente

Gracias al recalentamiento, se evitaban las condensaciones. El vapor saturado es un estado de equilibrio entre la fase gaseosa y la lquida, por lo que cualquier descenso de la temperatura a presin constante, provoca la condensacin del vapor.




Si se evitaban las condensaciones, el rendimiento trmico aumentaba debido a que las prdidas trmicas eran menores, ya que las superficies secas transmiten menor calor que las hmedas.

Con el recalentamiento se evitaban los golpes de lquido producidos por las posibles condensaciones de vapor en el interior de los cilindros. Adems, se disminuan las prdidas de carga por el laminado del vapor saturado, especialmente en las lumbreras de escape por las que el vapor pasaba a gran velocidad.

Existan infinidad de soluciones para obtener el recalentamiento deseado. El sistema de recalentamiento ms extendido fue el introducido por Schmidt en 1888. Este sistema recoga el vapor saturado en un colector y lo reparta a travs de elementos recalentadores que discurran por el interior de los tubos de humo.

La siguiente figura muestra una seccin longitudinal de la caldera de la locomotora modelada en CATIA V5 (Figura 29).

Figura 29.-Detalle del cuerpo cilndrico y el haz tubular, realizado con CATIA V5. Ntese el colector del vapor saturado en el domo de la locomotora y el circuito para el recalentamiento del vapor saturado.




Figura 30.- Recalentador y haz tubular de la caldera, realizados con CATIA V5.




2.3.4 La caja de humos La caja de humos era el volumen cerrado delante de la caldera que sostena la

chimenea. Este volumen cerrado tena como objeto retener las cenizas y escorias arrastradas por los gases de combustin y crear el tiro forzado, gracias a la creacin del vaco a partir del vapor de escape por efecto venturi.

El escape de la locomotora era fundamental para su comportamiento. Un buen escape influa muy positivamente en la potencia de vaporizacin de la caldera y por tanto en el rendimiento del motor, ya que mejoraba notablemente la combustin del combustible alcanzndose altas temperaturas en el interior del hogar. Un buen escape, adems, disminua la contrapresin en los conductos de escape, mejorando el rendimiento del motor.

Las siguientes figuras (Figura 31 y Figura 32) representan varias secciones de la parte frontal de la caldera de la locomotora recreada en CATIA V5. Ntese los circuitos de admisin y escape de la locomotora, as como la chimenea, el cono Kylchap y el conducto convergente-divergente para la creacin del tiro forzado.

Figura 31.- Detalle de la Caja de Humos de la locomotora, realizada con CATIA V5.




Figura 32.- Seccin transversal de la locomotora a la altura de la chimenea, realizadas con CATIA V5.




Figura 33.- Vista frontal de la locomotora, realizada con CATIA V5




2.3.5 La alimentacin de la caldera

Las calderas de las primeras locomotoras de vapor se alimentaban gracias a bombas movidas por las crucetas de los mbolos o por excntricas. Esta prctica se abandon porque no permita la alimentacin cuando la mquina estaba parada.

Estas bombas se sustituyeron por un sistema, ideado por el ingeniero francs Enric Giffard, que utilizaba directamente el vapor producido en la caldera para aumentar la presin del agua del tender ms all de la presin de la caldera. Este sistema consista en una serie de inyectores, que hacan que el vapor arrastrara literalmente el agua de alimentacin hacia el interior de la caldera con cierto precalentamiento (Figura 34).

Figura 34.- Inyector Giffard. N entrada de vapor; E alimentacin de agua. Obtenido de [5].

El agua de alimentacin a la caldera deba tratarse en muchos casos para disminuir su dureza y eliminar partculas en suspensin. Muchas de las locomotoras estaban dotadas con sistemas para la depuracin de las aguas de alimentacin para evitar las deposiciones calcreas, que disminuan considerablemente el rendimiento de la caldera, al depositarse por el exterior de los tubos de humo. Dicha pelcula de cal en la superficie del tubo haca de aislante, aumentaba la resistencia al paso del calor, por lo que disminua el flujo de calor por unidad de tiempo (potencia de vaporizacin).

Las partculas eran tambin muy perjudiciales pues al ser arrastradas por el vapor, podan entrar en el cilindro y daar su superficie interior, por lo que la estanqueidad entra las dos caras del mbolo se podra perder en gran medida.




2.4 El motor A pesar de su aparente sencillez, el motor de las locomotoras de vapor deba

satisfacer mltiples exigencias. Por un lado deban dar la potencia necesaria para arrastrar los trenes, pudiendo variar la velocidad cuando fuera necesario manteniendo el rendimiento en la medida de lo posible. Por otro, deban ser seguros y fiables.

El rendimiento de las locomotoras de vapor era realmente muy bajo: de 100 unidades de energa aportadas en la combustin del combustible, como mximo y slo en las locomotoras ms modernas, se obtenan 8 unidades de energa mecnica.

Este rendimiento tan bajo respecto a las mquinas de vapor estticas, como las alternativas y las turbinas de vapor (rendimiento del orden del 35%), se deba fundamentalmente a la ausencia del condensador en las locomotoras.

Figura 35.- Detalle de los rganos distribuidores y motores del motor de vapor, realizado con CATIA V5.

Obviamente, con la instalacin de un condensador se consigue bajar la temperatura del foco fro y la contrapresin en el escape de la mquina, por ello los rendimientos terico y real de la mquina trmica aumentan (pg. 37). El problema reside en el propio condensador, al ser un elemento muy voluminoso y pesado; aumentara considerablemente el peso total de la locomotora y con ello la potencia especfica, por lo que, unido al bajo coste del carbn en la era del vapor, no interesaba su instalacin. No




obstante, existieron prototipos alemanes de locomotoras de vapor, ya fuelizadas, pero no llegaron a prestar servicio regular.

El nmero de cilindros dependa de muchos factores. Por un lado, al aumentar el nmero de cilindros, el esfuerzo motor era ms regular. Por otro, cuando se expanda por etapas el vapor, en cuerpos de alta y baja presin, se obtena adems de un par ms regular, mayor energa del vapor. La mayora de las locomotoras que fueron construidas por La Maquinista, estaban dotadas con motores de dos y tres cilindros de simple expansin, ya que se prefera la sencillez y las garantas de buen funcionamiento con pocos reglajes, que tecnologas ms complicadas como la doble expansin.

En los apartados siguientes se explicar el motor de dos cilindros de simple expansin de doble efecto, que fue muy empleado en las locomotoras de fabricacin espaola como se acaba de comentar.

En dicho motor de vapor, al igual que en el resto, se distingua entre:

Los rganos motores, compuestos por: las cajas de vapor, los cilindros, los mbolos, las crucetas, las guas, las bielas motrices y las bielas de acoplamiento.

Los rganos distribuidores compuestos por: las capillas de admisin, los distribuidores y los mecanismos de accionamiento.

Figura 36.- Detalle de los rganos de la locomotora, realizado con CATIA V5. Ntese el mbolo y sus vstagos y el distribuidor de correderas cilndricas.




2.4.1 Cilindros

En los cilindros, el vapor desarrollaba trabajo ejerciendo presin sobre las dos caras del mbolo, de ah el nombre de doble efecto. Las primeras locomotoras tenan los cilindros verticales o con una fuerte inclinacin respecto al plano horizontal de la mquina. Esta disposicin haca a la locomotora bastante inestable cuando adquira cierta velocidad, ya que debido al movimiento alternativo de los mbolos y al esfuerzo del vapor, la locomotora tenda a cabecear de manera notoria. Por otro lado, tener los cilindros verticales limitaba la carrera de los mbolos y la longitud de las bielas motoras. Las posteriores mquinas llevaban los cilindros horizontales, o con una ligera inclinacin.

Figura 37.- Detalle del espacio muerto, realizado con CATIA V5.

Los cilindros se fabricaban de fundiciones especiales o de acero moldeado, el cual exiga el uso de camisas en su interior.

En teora, la longitud del cilindro deba ser igual al doble de la longitud de la manivela ms el espesor del mbolo, pero debido a las dilataciones y los desgastes de los distintos elementos, era conveniente, al igual que hoy en da para las mquinas alternativas, dejar un espacio muerto para corregir dichos defectos (Figura 37).

Como se indica en [6], los cilindros deban estar provistos de elementos de proteccin y para el drenaje de condensados, muy perjudiciales por la corrosin y los golpes de lquido, usndose las vlvulas de seguridad y los purgadores. Adems,




disponan de dispositivos que permitan la marcha de la locomotora con la toma de vapor cerrada: ventosas y conductos de equilibrio o bypass, que comunicaban las dos caras del mbolo.

Figura 38.- Secciones de la caja de vapor, realizadas con CATIA V5.

2.4.2 mbolos y vstagos El mbolo (Figura 37) era el rgano que reciba la accin del vapor y la transmita al

mecanismo biela-manivela a travs del vstago.

La construccin del mbolo deba responder a ciertas condiciones:

Estanqueidad entre los compartimentos del cilindro sin un rozamiento excesivo entre el mbolo y el cilindro.

Resistencia para soportar el esfuerzo considerable que ejerca el vapor sobre sus caras.

Ligereza para minimizar las fuerzas de inercia provocadas por el movimiento alternativo.




La estanqueidad se consegua mediante una serie de aros, o segmentos, dispuestos en la superficie lateral del mbolo.

Para las dos ltimas especificaciones, se deba llegar a un compromiso entre la resistencia y el peso del mbolo. Debido a esto ltimo, los mbolos eran fabricados de acero forjado, de gran resistencia y poco peso (en comparacin con las aleaciones conocidas en aquella poca).

El vstago transmita a la cruceta el esfuerzo que el vapor ejerca sobre el mbolo, por lo que deba ser un elemento robusto. Poda ser solidario al mbolo o desmontable; dependa sobre todo de las preferencias del fabricante.

Cuando el dimetro de los cilindros era considerable, el peso de los mbolos haca que el cilindro se desgastara principalmente por su parte inferior. Para evitar este desgaste, los constructores europeos incluyeron el contra-vstago de forma generalizada (Figura 36). Gracias al contra-vstago, el mbolo descansaba sobre las guarniciones de las tapas de los cilindros, evitando el desgaste desigual de la superficie del cilindro.

2.4.3 Crucetas y guas

La cruceta formaba la unin articulada entre el vstago del mbolo y la biela motriz. Adems, junto a las paralelas, aseguraba que el movimiento del vstago fuera en lnea recta (Figura 39).

Figura 39.- Detalle de la cruceta y las paralelas. Realizado en CATIA V5.




2.4.4 Bielas motrices y de acoplamiento

La biela motriz transmita a la manivela el esfuerzo que el vapor haba desarrollado en el mbolo, y era la encargada junto con la manivela de transformar el movimiento alternativo en un movimiento circular continuo.

La biela motriz se compona de dos articulaciones unidas por el cuerpo o caa de la biela. La articulacin con la cruceta se llamaba pie de la biela motriz, mientras que la articulacin con la muequilla de la rueda se le llamaba cabeza de la biela.

La biela motriz era bastante esbelta, por lo que tenda a deformarse por flexin debido a las cargas dinmicas y estticas a las que estaba sometida. Todo ello haca que se adoptaran secciones en doble t para aumentar el momento de inercia en el plano vertical, dndole una altura decreciente hacia el pie de la biela.

Figura 40.- Vistas de la biela motriz. Ntese el depsito para el engrase. Realizado en CATIA V5.




Las dimensiones de la seccin transversal de la caa dependan, evidentemente, de los esfuerzos que tena que soportar la biela. El diseo de las bielas en general deba ser muy fino; se tena que llegar a soluciones ligeras para minimizar los efectos negativos de las masas en movimiento sin detrimento de su resistencia y rigidez.

Las bielas de acoplamiento eran necesarias para repartir el esfuerzo entre las ruedas y evitar que se superara, en el contacto llanta carril, la resistencia al deslizamiento en el centro instantneo de rotacin de las ruedas a traccin.

El diseo de las bielas de acoplamiento se haca bajo las mismas reglas de construccin que las motrices. Ambas llevaban cojinetes de bronce y elementos para la correccin al desgaste y ajuste (Figura 40).

Cuando se acoplaban ms de dos ejes, no poda emplearse una nica biela que uniera las manivelas de todas las ruedas, ya que debido a los desplazamientos relativos verticales y laterales, deformaran y partiran la biela. Por ese motivo la biela de acoplamiento se realizaba mediante varios tramos articulados (Figura 41 y Figura 42).

Figura 41.-Biela de acoplamiento. Realizado en CATIA V5.

Figura 42.- Detalle del acoplamiento entre ruedas. Ntese la articulacin y los depsitos del engrase. Realizado en CATIA V5.




2.4.5 Distribuidores

En las locomotoras, la distribucin del vapor hacia el cilindro se realizaba mediante correderas. Las primeras locomotoras iban provistas de correderas planas ordinarias o de concha (Figura 43). Los distribuidores mediante correderas planas eran muy sencillos pero requeran mucha energa para accionarlos debido al fuerte rozamiento entre el espejo (superficie de la capilla de vapor dnde apoyaba la corredera) y la propia corredera. Otras desventajas, que presentaban este tipo de distribuidor, eran el difcil engrase y la tendencia al levantamiento de la corredera por la diferencia de presiones existente entre sus caras . Los posteriores desarrollos para compensar las presiones en ambas caras de la corredera plana, no hacan ms que aumentar el rozamiento; por lo que pronto se dejo de instalar en las locomotoras, en favor del distribuidor mediante correderas cilndricas.

Figura 43.- Corte transversal de corredera plana compensada. Obtenido de [5].

Los distribuidores con correderas cilndricas estaban completamente equilibrados, por lo que los hacia ideales para trabajar a altas presiones del vapor de admisin. El empleo de altas presiones y sobre todo la aplicacin del recalentamiento hicieron que este tipo de distribuidor y sus variantes se extendieran rpidamente. Las correderas cilndricas se movan, al igual que las planas, en el interior de las capillas de distribucin. Las lumbreras de admisin y escape se desarrollaban en superficies cilndricas (Figura 44).




Figura 44.- Detalle del distribuidor con correderas cilndricas. Realizado en CATIA V5.

Generalmente, y sobre todo en los cilindros de alta presin, la admisin se realizaba por el centro de la capilla de distribucin y el escape por los laterales; as se evitaba el contacto del vapor vivo con superficies fras, minimizando prdidas trmicas y evitando posibles condensaciones. Adems, gracias a esta inversin de la admisin, las caras del distribuidor del lado de los conductos de escape estaban siempre a baja presin. Esto permita que el cierre del distribuidor no debiera realizarse tan minuciosamente, por lo que podan reemplazarse los prensaestopas de las guarniciones de las tapas del distribuidor por un simple casquillo de desbaste.

En comparacin con las correderas planas, las correderas cilndricas se desgastaban poco, aumentaban considerablemente las secciones de las lumbreras de admisin y de escape mejorando sensiblemente el funcionamiento del motor. Sin embargo, al igual que los cilindros, el montaje deba ser muy preciso para conservar la estanqueidad entre las distintas cmaras, lo que haca obligado el uso de segmentos.

Desarrollos posteriores, con el objeto de aumentar las secciones de paso del vapor sobre todo en los cuerpos de baja presin, se desarrollaron sistemas de distribucin mediante vlvulas. Las vlvulas eran de apertura y cierre rpidos, con grandes secciones de paso que conseguan desligar las fases de la distribucin; que a grandes velocidades permitan aumentar la expansin del vapor, avanzando el cierre de la admisin y retrasando la apertura del escape, lo suficiente como para dar tiempo a evacuar el vapor expandido en la carrera de retorno del mbolo.




2.4.6 Mecanismo de la distribucin: distribucin Walschaerts

La distribucin de Stephenson llevaba dos excntricas por cilindro (segmentos OA y OB de la Figura 45). Esto supona un alto rozamiento entre superficies que provocaba unas prdidas considerables de potencia y un excesivo desgaste de las piezas.

Figura 45.- Diagrama de barras de la distribucin Stephenson. Obtenido de [5].

La distribucin Walschaerts remediaba ese inconveniente al suprimir una excntrica por cilindro. El desplazamiento de la corredera era el resultado de la combinacin del movimiento de la excntrica y del movimiento del mbolo. Era tal su sencillez y sus buenos resultados que se emple en casi la totalidad de las locomotoras (Figura 47).

Figura 46.- Diagrama de barras de la distribucin Walschaerts. Obtenido de [5].




Figura 47.- Mecanismo de la distribucin Walschaerts en la posicin para la marcha adelante. Realizado en CATIA V5.

Por un lado, el movimiento del distribuidor iba acoplado al del mbolo. Se acoplaban a travs una barra horizontal y otra vertical, denominada de avance o pndulo, desde la cruceta hasta el vstago de la corredera (Figura 47)

Por otro, la excntrica, segmento AN, iba montada a 90 grados respecto a la manivela motriz, segmento AM, y accionaba, a travs de la biela de la distribucin, el sector (Figura 48).

Figura 48.- Decalaje entre la excntrica y la manivela motriz. Realizado en CATIA V5.

A N

M




El sector de Walschaerts, a diferencia del de Stephenson, iba suspendido por un punto fijo. El sector era el elemento que haca posible la regulacin y el cambio de marcha. El radio y el centro de curvatura del sector deba coincidir con el punto O cuando el mbolo estaba a fondo de carrera y la colisa en el punto muerto.

Figura 49.- Mecanismo de la distribucin en el punto muerto. Ntese que la colisa esta en el centro de rotacin del sector. Realizado en CATIA V5.

El sector iba ligado al distribuidor mediante una barra denominada colisa. La colisa, en el lado del sector, llevaba una incorporada una resbaladera para poder variar la marcha, al modificar su posicin respecto el sector; en el otro extremo, se ligaba al vstago del distribuidor o corredera. Para poder fijar y modificar la posicin relativa de la colisa con el sector, la colisa iba ligada al rbol de cambio de marcha.

El punto fijo del sector daba lugar a que, por la rotacin de la excntrica, el extremo inferior del sector se desplazara en un sentido, y el punto superior en sentido contrario. Para invertir el sentido de la marcha bastaba con colocar la colisa por encima o por debajo de dicho punto de rotacin del sector (Figura 50 y Figura 51).

O

p

i




Figura 50.-Regulacin de la marcha adelante. Ntese las distintas posiciones de la colisa. En el arranque se trabajaba a plena presin, prcticamente sin expansin alguna. En marcha regular se podan ajustar los grados de expansin. Realizado en CATIA V5.




Figura 51.-Regulacin de la marcha atrs. Realizado en CATIA V5.

Debido a esta forma de realizar el cambio de marcha y la regulacin, la excntrica deba montarse siempre a 90 grados respecto a la manivela motriz. En caso contrario, si se diera un avance a la apertura de la admisin en un sentido de la marcha, en el sentido




contrario de marcha se le dara un retraso; se mejorara un sentido de la marcha en detrimento del otro.

Al variar la posicin de la colisa, adems, se variaba el grado de expansin del vapor vivo. A marchas rpidas, se usaban grandes grados de expansin, colocndose la resbaladera de la colisa cerca del centro de rotacin del sector. Para los arranques y puntas de esfuerzo de traccin, deba trabajarse casi a plena presin; para ello se deba levantar la colisa hasta la altura deseada.

Cuando la colisa estaba en punto muerto, el punto O poda considerarse un punto fijo. Entonces, la carrera del distribuidor se limitaba al movimiento que le transmita el pndulo. Dicha carrera, para garantizar el funcionamiento correcto de la distribucin, no deba sobrepasar los 69 mm.

Figura 52.- Detalle de la ligadura entre el sector, la colisa y el rbol del cambio de marcha. Realizado en CATIA V5.

Las dimensiones y posicin del distribuidor deban ser tal, que estando la manivela motriz a 90 respecto al plano horizontal, y la marcha en el punto muerto, dejara los recubrimientos a la admisin y los descubrimientos al escape necesarios, y conseguir los avances perseguidos para las aperturas de las lumbreras de admisin y escape (Figura 53 y Figura 54).




Figura 53-Detalle de los recubrimientos y decubrimientos. Como norma bsica de diseo los decubimientos no deban superar los 3 mm, los recubrimientos podan variar de 24 a 30 mm. Realizado en CATIA V5.

Figura 54.- Distribucin en el punto de reglaje de los decubrimientos y recubrimientos a las lumbreras de escape y admisin. Realizado en CATIA V5.

En distribucin Walschaerts no se podan hacer grandes modificaciones en sus elementos principales. Si el diseo se sala de ciertos rangos, el funcionamiento de la




distribucin no estaba asegurado. La carrera de la excntrica, la amplitud de oscilacin del sector, la relacin entre los segmentos IO/OP (Figura 49), los recubrimientos y decubrimientos (Figura 53), y los avances lineales a la admisin y al escape no tenan un amplio margen de modificacin.

Sin embargo, la distribucin Walschaerts era tan robusta, de funcionamiento seguro y de fcil reglaje, que la llev a ser la distribucin por excelencia de las locomotoras de vapor. En sus orgenes tuvo sus detractores por tener las fases ligadas y no poder ajustar, con grados pequeos de admisin, los supuestos valores ptimos de la distribucin.

Desarrollos posteriores, con las fases independientes, no aportaron mejoras sustanciales, si no todo lo contrario, por lo que pensaron que a lo mejor esa ligazn de las fases era el motivo del buen funcionamiento de la distribucin Walschaerts.

2.4.7 Fases de la distribucin Walschaerts

Como se ha comentado anteriormente, gracias a la variacin de la posicin relativa de la colisa respecto el punto fijo del sector se consegua regular y cambiar tanto la marcha como su sentido. Las figuras siguientes (Figura 55 y Figura 56) muestran las fases de la distribucin Walschaerts para dos grados de admisin distintos. Veremos como en cada caso se obtienen distintos grados de admisin, y por tanto distintos grados de expansin, dando lugar, a la regulacin de la marcha de la locomotora.

Hay que recordar que la mayora de las locomotoras de vapor eran de doble efecto, o que es lo mismo, el vapor ejerca presin sobre las dos caras del mbolo, a diferencia de los motores de combustin interna alternativos, de simple efecto, ya que los gases de escape se expanden nicamente por una cara del pistn. Para mayor simplicidad en la explicacin se limita el anlisis para la cara derecha del mbolo:




1. Estando el mbolo en el punto muerto superior, se presenta el avance lineal a la apertura de la admisin en la lumbrera situada a la derecha del pistn. En este punto se producen prdidas por laminado debido a la estrecha seccin de paso (Figura 55 a.1 y Figura 56 a.1).

2. Mientras el mbolo se aleja del punto muerto superior, la corredera de la distribucin abre la lumbrera de admisin hasta la apertura mxima del grado de admisin establecido. Si se comparan las aperturas de la lumbrera de admisin para distintas posiciones de la colisa, se puede observar que a mayor levantamiento de la colisa, mayor apertura de la admisin (Figura 55 a.2 y Figura 56 a.2).

3. Alcanzado el punto de mxima apertura de la lumbrera de admisin, sta comienza a cerrarse hasta pasado un cuarto de vuelta de la manivela motriz (Figura 55 a.3 y Figura 56 a.3).

4. En este punto comienza la expansin del vapor vivo. El vapor se expande hasta que se abre la lumbrera derecha, esta vez de escape (Figura 55 b.4 y Figura 56 b.4). Como se puede comprobar, el grado de expansin del vapor es inverso al grado de admisin. A mayor grado de admisin, menor grado de expansin. En efecto, si comparamos el ngulo girado por la manivela motriz desde el punto 3 al punto 4 para los dos grados de admisin, en el primer caso, el grado de expansin es mayor que para el segundo.




5. Una vez abierta la lumbrera de escape de la cara derecha del mbolo, comienza la fase del escape. La presin no cae bruscamente, si no que se expande. A mayor grado de admisin esta expansin del vapor de escape es mayor ya que el grado de expansin es menor y por tanto el vapor tiene mayor presin.

6. Alcanzado el punto muerto inferior se abre la lumbrera de admisin para la cara izquierda del mbolo (Figura 55 b.5 y Figura 56 b.5). La apertura mxima de la lumbrera de escape se produce pasado el punto muerto inferior (Figura 55 b.6 y Figura 56 b.6).

7. Antes de alcanzarse el punto muerto superior se cierra la lumbrera de escape de la cara derecha del mbolo (Figura 55 c.7 y Figura 56 c.7). En este instante comienza la etapa de compresin del vapor que permanece en el cilindro. Dicha etapa de compresin era necesaria, y adems beneficiosa. El vapor al comprimirse actuaba a modo de colchn, amortiguando la inercia que llevaba el mbolo.

8. La compresin termina cuando se abre la lumbrera de admisin justo antes de llegar al punto muerto superior (Figura 55 c.8 y Figura 56 c.8). A la velocidad de giro del motor de las locomotoras, superiores a las 400 r.p.m., el avance a la apertura de la admisin y el escape eran fundamentales para contrarrestar los efectos inerciales.

9. mbolo en punto muerto superior.




1.- mbolo en el punto muerto superior. La apertura de la lumbrera de admisin representa el avance lineal a la admisin. Aparecen prdidas por el laminado del vapor en la lumbrera.

2.- Apertura mxima de la lumbrera de admisin para el grado de admisin establecido. El grado de admisin se define como la distancia recorrida por la corredera en la fase de admisin Ntese que la lumbrera est cubierta parcialmente por el distribuidor A partir de este punto comienza a cerrarse la lumbrera de admisin. Aumentan las prdidas por el laminado del vapor.

3.- Fin de la admisin y comienzo de la expansin del vapor vivo. Ntese que no existe admisin ni escape en el distribuidor derecho.

Figura 55 a.- Fases de la distribucin para la marcha adelante con grado de admisin para marcha de crucero. Realizado en CATIA V5.

E

A

A

E

E




4.- Apertura de la lumbrera de escape: fin de la expansin del vapor vivo. En este punto permanecen las dos lumbreras de escape abiertas.

5.- Punto muerto inferior. Avance lineal de la admisin por la otra cara del mbolo

6.- Apertura mxima de la lumbrera de escape. Ntese que la apertura mxima del escape es mayor que la de admisin. De ah el decubrimiento.

Figura 55 b.- Fases de la distribucin para la marcha adelante con grado de admisin para marcha de crucero. Realizado en CATIA V5.

E

E

E A

E A




7.- Fin del escape, inicio de la compresin del vapor de escape.

8.- Fin de la compresin. Inicio de la admisin con la apertura de la lumbrera de admisin antes de llegar al punto muerto superior.

9.- mbolo en punto muerto superior.

Figura 55 c.- Fases de la distribucin para la marcha adelante con grado de admisin para marcha de crucero. Realizado en CATIA V5.

E E

E E

A

E A




1.- mbolo en punto muerto superior. La apertura de la lumbrera de admisin representa el avance lineal a la admisin. Aparecen prdidas por el laminado del vapor en la lumbrera.

2.- Apertura mxima de la lumbrera de admisin para el grado de admisin establecido. El grado de admisin se define como la distancia recorrida por la corredera en la fase de admisin Ntese que la lumbrera est totalmente descubierta, el grado de admisin es mayor que en el caso anterior .A partir de este punto comienza a cerrarse la lumbrera de admisin. Aumentan las prdidas por el laminado del vapor.

3.- Fin de la admisin y comienzo de la expansin del vapor vivo. Ntese que no existe admisin ni escape en el distribuidor derecho. Este periodo es menor que en el caso anterior

Figura 56 a.- Fases de la distribucin para la marcha adelante con grado de admisin para arranque. Realizado en CATIA V5.

E

A

A

E

E




4.- Apertura de la lumbrera de escape: fin de la expansin del vapor vivo. En este punto permanecen las dos lumbreras de escape abiertas. Ntese que el grado de expansin es menor que en el caso anterior

5.- Punto muerto inferior. Avance lineal de la admisin por la otra cara del mbolo

6.- Apertura mxima de la lumbrera de escape.

Figura 56 b.- Fases de la distribucin para la marcha adelante con grado de admisin para arranque. Realizado en CATIA V5.

E

E

E A

E A




7.- Fin del escape, inicio de la compresin del vapor de escape.

8.- Fin de la compresin. Inicio de la admisin con la apertura de la lumbrera de admisin antes de llegar al punto muerto superior.

9.-mbolo en punto muerto superior.

Figura 56 c.- Fases de la distribucin para la marcha adelante con grado de admisin para arranque. Realizado en CATIA V5.

E E

E E

A

E A




2.5 El vehculo La caldera y el motor de la locomotora iban montados sobre un vehculo compuesto

de tres rganos:

El bastidor,

La suspensin,

Las ruedas, los ejes y las cajas de engrase. El vehculo de las locomotoras evolucion lentamente en Europa. Durante mucho

tiempo, los ejes estaban invariablemente ligados al bastidor en sentido lateral. Por el contrario, en Amrica, el uso de biseles y bogies fueron utilizados desde los orgenes del ferrocarril.

2.5.1 El bastidor

El bastidor deba ser lo ms resistente, rgido y ligero posible. El bastidor estaba sometido a infinidad de esfuerzos: los esfuerzos provenientes del motor por la accin del vapor, inercias de las masas desequilibradas en rotacin y en movimiento, las cargas transmitidas a los ejes y las reacciones de la va sobre la mquina.

Los bastidores, no slo deban resistir sin romperse, si no que no deban deformarse elsticamente de forma exagerada. Por el contrario, bastidores demasiado rgidos dificultaban la inscripcin en las curvas de la locomotora, por lo que haba que llegar a un compromiso razonable.

En Europa, las locomotoras descansaban sobre dos largueros de chapa arriostradas, mediante roblones, para asegurar la rigidez y resistencia anteriormente comentada. En Amrica se tenda fabricar los bastidores de un solo bloque, de mayor rigidez y resistencia, pero de mayor peso.

El bastidor moderno de las locomotoras de vapor, conservaba los dos largueros de chapa, pero se arriostraban siguiendo el patrn del bastidor monobloque americano. Se aumentaba considerablemente la rigidez del conjunto. Se soldaban barras de acero moldeado, de gran ligereza y resistencia, y se usaban chapas de acero para tal fin.




El bastidor moderno intentaba unir la rigidez y la ligereza exigida por la va. Se construan a gran escala utilizando los mtodos de construccin ms avanzados de la poca. Se usaba acero moldeado o soldado, reduciendo al mnimo el empleo de tornillos y roblones.

Las siguientes imgenes muestran el bastidor clsico de la locomotora diseada en CATIA V5.

.

Figura 57.- Arriostrado del bastidor. Realizado en CATIA V5.

Figura 58.- Perspectiva del bastidor clsico de la locomotora. Realizado en CATIA V5.




Figura 59.- Vistas de perfil y alzado del bastidor. Realizado en CATIA V5.

En la siguiente tabla se resumen el peso tpico para las distintas tipologas de bastidores.

Elemento del Bastidor Bastidor Clsico

Bastidor Monobloque Bastidor Moderno

Largueros 5 T 7 T 6 T Riostras 1.5 T - 2.5 T Traviesas 2.5 T 3 T 3.5 T Cilindros 3 T 6 T 3 T

Total Bastidor 12 T 20 T 15 T Tabla 1.- Peso tpico de las distintas tipologas de bastidor. Obtenido de [4].




2.5.2 Suspensin

Para la suspensin de las locomotoras se usaban habitualmente dos tipos de suspensin: la suspensin con amortiguadores independientes y la suspensin con balancines compensadores.

Con la suspensin en n puntos, de amortiguadores independientes, se consegua mediante el reglaje, que cada eje soportara la carga que se deseara. Este reparto de carga variaba debido a las irregularidades de la va. Como solucin a este problema se podan usar resortes con menor rigidez, pero peligraba la estabilidad de la locomotora a grandes velocidades.

Con la suspensin mediante balancines compensadores, se consegua que el reparto de cargas sobre los ejes fuera invariante. Cuando un eje se levantaba, su amortiguador se comprima; al estar ste ligado a los resortes de los dems ejes mediante balancines, la c

Documents

Locomotora - Universidad de Sevilla Catia v5