Texto Vias Ferreas

 

Capítulo 1

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CAPÍTULO 1

1.

VÍAS FÉRREAS

1.1. DEFINICIÓN Un ferrocarril se define como el camino provisto de perfiles paralelos denominados rieles, sobre los que se deslizan una serie de vehículos movidos por tracción eléctrica, motores eléctricos o motore mot oress diesel diesel - eléc eléctri tricos cos..

1. 1.2. 2. CLA LASI SIFI FIC CACIÓN CIÓN En la actualidad no se cuenta con una clasificación unificada de las líneas del ferrocarril, debido a que las mismas presentan una gran variedad en sus características. Tomando en cuenta algunos puntos de vista, se pueden clasificar en:

1.2.1. 1.2 .1. LÍN LÍNEAS EAS PRI PRINCI NCIPAL PALES ES Y SE SECU CUNDA NDARIA RIASS Las líneas principales son aquellas que forman las grandes líneas tróncales, y las líneas secundarias las que complementan la red formada por las anteriores dando así un sistema completo de líneas férreas.

1.2.2. 1.2 .2. LÍN LÍNEAS EAS DE VÍA ANG ANGOSTA OSTA Y V VÍA ÍA ANC ANCHA HA Esta clasificación corresponde al nivel de servicio que prestan las líneas férreas, sin tener en cuenta si es una línea principal o secundaria, es decir que una línea principal no necesariamente debe ser de línea ancha o que una secundaria sea de línea angosta, ya que ello dependerá de los aspectos de servicio que son relacionados a la construcción. El ancho de la vía, definida como trocha de vía, es la separación entre rieles, como se muestra en la figura 1.1.

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Fig. 1. 1. Troch Trocha a de la vía. vía.

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1.2.3. 1.2 .3. LÍN LÍNEAS EAS DE TRA TRANSI NSITO TO GEN GENERA ERAL, L, URBANA URBANASS Y SUB - UR URBAN BANAS AS Esta es una clasificación relativa al servicio publico que prestan. Así se tiene que las líneas de tránsito general corresponden al servicio nacional o internacional de larga distancia. Las líneas suburbanas son aquellas que comunican una población con sus zonas de influencia cercanas. Las líneas urbanas son las que prestan servicio dentro de las poblaciones, ya sean estos servicios efectuados sobre la superficie, como los tranvías, subterráneos o elevados, y como los metropolitanos. Existen también líneas de servicio particular que corresponden a las líneas dedicadas exclusivamente al servicio de algunas empresas de carácter privado, tales como las líneas mineras. A pesar que el estudio del trazado geométrico de la vía, no ha sido considerado en el presente tomo de libro, es necesario introducir al menos el análisis del peralte de la vía, como un criterio practico, ya que al no satisfacer este criterio, no se aseguraría ciertas condiciones en el calculo de la seguridad, donde este peralte tiene influencia indirecta.

1.3. PERALTE Se denomina peralte a la diferencia de cota entre los dos rieles de la vía en curva, para una sección normal al eje de la vía. Se proporciona mediante la elevación gradual del riel exterior sobre el interior, manteniendo esté a su nivel original en la recta. Las principales misiones del peralte son: 

Producir una mejor distribución de cargas en ambos rieles.



Reducir la degradación y desgaste de los rieles y del material rodante.

1

Elaboración Propia

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

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Compensar parcial o totalmente el efecto de la fuerza centrífuga con la consiguiente reducción de sus consecuencias.



Proporcionar confort a los viajeros.

2

Fig.. 1. 2. Aná Fig Análisi lisis s del pe peralt ralte. e.

1. 1.3. 3.1. 1. PE PERA RALT LTE E TE TEÓR ÓRIC ICO O Este peralte debe considerarse solo como teórico, ya que en la practica el peralte que se puede dar a la vía se encuentra limitado por la coexistencia de trenes rápidos y trenes lentos; en estos últimos, que se encuentran con exceso de peralte, el apoyo de las pestañas con el riel riel interior, agravado por la resultante de las fuerzas de tracción, origina el desgaste de tales elementos y, sobre todo, aumenta notablemente la resistencia a la rodadura, hasta el punto de hacer difícil el arranque en caso de parada imprevista en curva. Debe observarse que, por efecto del peralte, la presión del vehículo sobre los rieles aumenta.

h

V 2  s

127  R

[1. [1. 1]

2

Fuente: Referencia [14]

1— 3

 

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1. 1.3. 3.2. 2. PE PERA RALT LTE EP PRÁ RÁCT CTIC ICO O Se tomara al peralte practico a los 2/3 del valor del teórico.

h  1

2 V 2  s



[1. [1. 2]

3 127  R

   g   s  T   2      2 

[1. [1. 3]

Donde: h = Peralte teórico. h1 = Peralte práctico. V = Velocidad.  R = Radio de curvatura.

de la cabeza del riel. s = Ancho de vía mas dos veces el semiancho de g = Ancho de la cabeza del riel.

El límite del peralte se encontrara entre:

1 9

 T  y

 

1 12

 T 

[1. [1. 4]

1.4.. SUP 1.4 SUPERE ERESTR STRUC UCTUR TURA A E INF INFRAE RAESTR STRUCT UCTURA URA Como partes esenciales en la constitución del camino de rodadura que se ofrece a los trenes, se consideran la infraestructura y la superestructura. La primera es la parte que da origen a la línea, con sus cortes y terraplenes, viaductos, puentes, alcantarillas, túneles, y en general, con todas las obras de arte y de fábrica necesarias para el establecimiento de la superficie sobre la que se asienta la vía. La superestructura es la vía propiamente propiamente dicha, con el balas balasto, to, los durmientes, los rieles, rieles, los aparatos de vía, y también los elementos precisos para asegurar la circulación de los trenes, como las señales, y enclavamientos.

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1.5. RIEL A la vía, cuando en España se empezó a tratar de ferrocarriles, se le llamó camino de fierro o riel de hierro. Se daba este nombre de camino, porque el riel es el perfil de hierro que sirve de huella a las ruedas de un carro.

3

Fig. 1. 3 Antiguos Antiguos rieles rieles de vientre vientre de pez, sobre sobre dado dados s de pi piedra. edra.

A las barras de hierro se las llamaba riel, tomando del Inglés y del Francés esta palabra, que tiene su raíz en la latina  regula, que quiere decir regla. En la actualidad, lo corriente es llamar riel a las barras de acero que se asientan sobre los durmientes. En los primeros ferrocarriles ingleses, la vía estaba constituida por rieles apoyados en dados de piedra. Con el empleo de las locomotoras, los rieles tuvieron su parte inferior en curva, en forma llamada de vientre de pez, como se muestra en la figura 1.3. Hacia 1835 se abandonó abandonó el sistema sistema de base pétrea, y, y, en lugar de dados, dados, se utilizaron ap apoyos oyos metálicos para después empezar a emplear durmientes de madera. Los rieles después de diversas formas en su sección transversal han venido a quedar representadas en dos formas; la de doble cabeza (tipo Stephenson) y la de base plana (tipo Vignol). Los primeros se conocen también por  riel de cojinetes, como se ilustra en la figura 1.3, por que se monta sobre cojinetes, que son los que aseguran su estabilidad; se empleó mucho en el continente Europeo. Debido a no estar tan extendido por el mundo mundo como el de base plana, en lo que sigue sólo habremos habremos de referirnos a rieles tipo Vignol.

3

Fig. 1. 4 Sección Sección de dell riel riel y cojinetes. cojinetes.

3

Fuente: Referencia [15]

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El riel que en Europa se conoce por el nombre de Vignol, porque el inglés Carlos Vignoles lo introdujo en el viejo continente, fue ideado por el Americano Stevens, uno de los grandes ferroviarios de tiempos pasados. Este tipo de riel tiene tres partes, que son: cabeza, alma y pie. Al pie solemos llamarle patín (Figura 1.4).

La cabeza tiene una forma apropiada para que sobre ella se acomoden las ruedas de los vehículos. La cara superior del riel, que es la superficie de rodadura, se ofrece plana o ligeramente abombada, con objeto de de hacer frente a los desgastes desgastes recíprocos del riel y de la rueda. Lo Loss planos inclinados que unen la cabeza al alma además de servir para sostener aquélla, sirven de apoyo de las bridas, elementos que unen los rieles consecutivos cuando estos no están soldados. El alma del riel debe tener una altura en relación con el ancho del patín, patín, a fin de resistir lo mejor posible los esfuerzo esfuerzoss transversales. Esta relación se acerca cada vez más a la unidad, con esto y con el aumento de ancho del alma se tiende a establecer una proporción entre las masas de la cabeza, alma y patín, como mejor medio de evitar tensiones interiores y de proporcionar al riel mayor estabilidad y resistencia a los esfuerzos que lo solicitan. El patín se une al alma por planos inclinados, sobre los que se apoyan también las bridas de unión de rieles. El ancho del patín debe ser suficiente suficiente para asegurar la estabilidad estabilidad del riel y para resistir los esfuerzos transversales que tienden a inclinarlo.

4

Fig.. 1. 5 Secció Fig Sección n transve transversal rsal del riel

El peso de los rieles, varia en razón del tráfico y de las condiciones de explotación de la línea, como son, la velocidad de los trenes y peso de locomotoras y vehículos. Este peso del riel, va siendo cada vez mayor, por lo mismo que va siendo mayor la velocidad de los trenes y el peso de locomotoras y vehículos. Por lo general, los países Europeos poseen rieles de pesos elevados debido al alto rendimiento que se espera de ellos, por ejemplo en España los rieles más pesados, son de 45 Kg/m. En

4

Ver dimensiones y propiedades en la Tabla 5.5 del Capitulo 5. Fuente: Referencia [15]

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otros países se emplean rieles más pesados, como los de 52 y 57 Kg/m, del Estado Belga, y otros que llegan a 60 y 70 Kg/m. En el caso de nuestro país la red ferroviaria esta conformada por rieles de 60, 65 y 75 lb/yd, lo que equivaldría a 30, 32 y 35 Kg/m. Con el peso del riel se aumenta la resistencia de la vía, en la que también influye de modo principal, el número de durmientes y el espesor de la capa de balasto. El procurar un exceso en la masa metálica del riel es también necesario si se tiene en cuenta el desgaste que el uso produce, sobre todo todo en la cabeza. La circulación de lo loss trenes ocasiona, en efecto, cierto desgaste de la cabeza del riel. La presión de las ruedas y el roce que ejercen, sobre todo en las curvas; el efecto de las frenadas; los golpes de las ruedas, cuando la vía presenta alguna desigualdad, cosa que más frecuentemente ocurre en las juntas; los golpes que producen también las ruedas cuando los ejes de los vehículos no están en debidas condiciones o el sobreancho de la vía es excesivo; la acción de los agentes atmosféricos, atmosféricos, y otras causas de menor menor importancia van reduciend reduciendo o la altura y el ancho de la cabeza del riel. Naturalmente que estos motivos de desgaste, en su mayoría, crecen al aumentar el número, velocidad y peso de los trenes. trenes. Cuando el desgaste pasa de cierto llímite, ímite, como 15 ó 18 mm para rieles de mediano peso, 20 ó 25 para los de gran peso, los rieles deben ser renovados, y como la sustitución aislada de algunos de ellos no es conveniente, se suele hacer la renovación completa, para dejar una nueva vía de rieles homogénea, utilizando el gastado en vías de estaciones o de líneas de menor importancia. Los rieles tienen longitudes diversas, y se procura que sean las mayores posibles para reducir el número de juntas y hacer más eficaz la resistencia al deslizamiento longitudinal y a los esfuerzos transversales. Las juntas de los rieles son los puntos débiles y conviene que su número sea el menor posible. El máximo de la longitud viene fijado por por la posibilidad del laminado y por por la separación entre rieles para el juego de dilatación, separación que no pasa de 20 mm. Por otra parte, la conveniencia de facilitar el transporte pone también un límite a la longitud de rieles. La longitud se toma usualmente de 12 a 15 m y para los rieles más pesados se emplea de 18 m de largo.

1. 1.5. 5.1. 1. SU SUJE JECI CIÓN ÓN DE DEL LR RIE IEL L Las sujeciones del riel son elementos que hacen posible la continuidad estructural de la vía. Las funciones de las sujeciones, son: 

Fijar los rieles a los durmientes



Asegurar la invariabilidad invariabilidad del ancho ancho de la vía



Facilitar la transferencia de las cargas car gas estáticas y dinámicas del material rodante.

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Fi Fig. g. 1. 1. 6 Tir Tiraf afon ondo do

Un elemento importante de las sujeciones es la placa de asiento, que reduce la presión específica transmitida por el riel protegiendo así al durmiente. Entre los tipos de sujeciones, los más comunes son: 

Las sujeciones rígidas clásicas, que son elementos clavados, como las escarpias o atornillados como los tirafondos, como se ilustra en la figura 1.6. por uno de sus extremos y por el otro sirve de sujeción sobre el patín del riel.



Clavos elásticos, que combinan la sencillez de los los elementos clavados con la ventaja ventaja de la elasticidad, incrementando su conservación y facilitando su montaje. Entre este tipo de sujeciones se tiene a Calvos Dorken, T-flex, Elastic Elastic flex, J-flex, etc.



Sujeciones elásticas de lámina o grapa, que presenta una chapa de acero elástico, denominado grapa o lámina elástica que es unida a otros elementos como una chapa de gaucho, casquillo aislante aislante de plástico, mediante un tornillo tornillo de acero o tirafondo en caso de tener durmiente de madera. Entre los principales tipos de estas sujeciones, están las sujeciones RN, CIL, C4, Heyback , etc.



Sujeciones elásticas de clip, que cuentan con un elemento soporte de diferente forma para poder sujetar el patín del riel. La principal sujeción de este tipo es la Pandrol, como se muestra en la figura 1.7.



Otros tipos de sujeción son la sujeción de cuña y cojinete, sujeciones elásticas de lámina o grapa, etc.

5

Fuente: Referencia [14]

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Fi Fig. g. 1. 7 Se Secc cción ión trans transve versa rsall del del riel riel

6

1.5. 1.5.2. 2. JU JUNT NTAS AS DE LO LOSS CAR CARRI RILE LES. S. Una junta viene a ser la unión longitudinal de dos rieles consecutivos. Se efectúa por medio de piezas denominadas bridas. Las juntas mas recomendadas son las que se encuentran suspendidas, es decir, cuando la junta se encuentra entre dos durmientes, esto produce menor desgaste en los extremos del riel ya que se considera como una junta elástica, trabajando a flexión. La función de las las bridas es la de unir los los extremos de los rieles de manera que sus ejes longitudinales coincidan. Se proyecta la brida de manera que el par de bridas en la junta, produzcan el mismo momento de inercia del riel. Las bridas se fijan entre sí y a los rieles, por medio de tornillos que tienen la cabeza en forma de pico de pato, que que no permite el aflojamiento y son asegurados utilizando utilizando arandelas elásticas. Es necesario en las juntas que exista un juego u holgura, para lo cual se puede dividir las los tipos de juntas en dos: 

JUNTA TIPO A

Son las vías en las que se cuenta con sujeciones de gran eficiencia, como los clavos elásticos, sujeciones o grapas elásticas, que vienen provistas con chapas de gaucho, etc. La holgura de las juntas para este tipo de vías esta dada por la ecuación [1. 5].

 J  A 

6

 L3rieles  

3



 L 3rieles  t 

80

[1. [1. 5]

Fuente: Referencia [20]

1— 9

 

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JUNTA TIPO B



Son aquellas vías donde las sujeciones son rígidas y generalmente sin elementos que mejorarían la eficiencia de la sujeción. La holgura esta dada por la ecuación [1.6]

 L3rieles    J  B  2.5 

 L 2rieles  t 

[1. [1. 6]

80

donde:  L2rieles = Longitud de dos rieles [m]  L3rieles = Longitud de tres rieles [m] ∆t

= variación de temperatura en grados

 J = Holgura de la junta [mm]

1.5. 1.5.3. 3. NA NATU TURA RALEZ LEZA A Y VID VIDA AD DEL EL R RIE IEL L El riel, que empezó siendo de hierro, es de acero hace ya bastantes bastantes años. La composición composición química del acero de los rieles es variable, y en relación con esta composición están los resultados de dureza, fragilidad, resistencia a la deformación y al desgaste. Los pliegos de condiciones definen las proporciones de los componentes, que esencialmente son el carbono, manganeso, silicio, fósforo y azufre, estos dos últimos resultan nocivos, especialmente el fósforo. A continuación se mostrara la tabla 1.1 con la composición composición química química del acero según los pliegos de condiciones condiciones para rieles fabricados en Europa Europa y América. Con mayor cantidad de carbono se aumenta la dureza, y con la de manganeso; la resistencia al desgaste. Una excesiva proporción de fósforo aumenta la fragilidad, pero favorece la resistencia al desgaste.

Fabricados Europa en % d e C a rb o n o % d e M a n ga n e so % d e S ilic io % de Fosfo Fosforo ro % de Azufr Azufree

Fabricados America en

0 ,4 - 0 ,5 7 m a yor a 0 ,57 0 ,8 - 1 , 2 m e n or a 0,8 0 ,1 - 0 ,2 5 0 ,1 - 0 ,2 5 maximo admisible maximo admisible 0,06 0,06 maximo admisible maximo admisible 0,06 0,06 7

Tabla 1. 1. 1 Composición Composición químic química a del acero acero para rieles.

7

Fuente: Referencia [15]

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El acero es fabricado por el procedimiento Bessemer, o por el Martín-Siemens. El lingote debidamente saneado; se pasa a los trenes de laminación, y a la salida final de ellos se despuntan los rieles para suprimirles las posibles segregaciones, que son impurezas que se presentan también, previamente, en la obtención del lingote, a la solidificación del metal fundido. Al producirse la solidificación, por contracciones, se suelen originar también cavidades en las puntas del lingote, que se llaman rechupes. El corte de las barras a la salida del laminador y el acabado de los extremos, taladrado y marcado son las operaciones finales en la fabricación del riel. La vida del riel depende de su desgaste y de las roturas. Estas son debidas, además de a la calidad, a la defectuosa colocación y a las temperaturas extremas del invierno. El desgaste es de varios órdenes: el normal, por la acción del paso de los trenes, y otros especiales, como el muy frecuentemente observado en el plano de rodadura de la cabeza, que es el llamado   desgaste ondulatorio, y produce unas desigualdades que se nota al paso del material móvil ligero.

Entre los ensayos que se practican durante la fabricación y recepc recepción ión de rieles, se enc encuentra uentra uno que se lleva a cabo en la explotación ferroviaria, para deducción de las causas de roturas, y es el llamado de obtención de macrografias, que son imágenes de la sección del riel que revelan defectos de la estructura en la composición química del metal, que denuncian la existencia de excesos temibles de algunos componentes, como el azufre y el fósforo, y sobre todo, que enseñan si esos excesos se acumulan en puntos o zonas que constituyen las segregaciones. Son representaciones gráficas del mismo tamaño de la sección por tal motivo la denominación de macrografía. Para obtener las macrografías se emplean diversos procedimientos, que en el fondo se basan en el mismo principio de reacciones químicas. A continuación se presenta uno de los procedimientos mas comunes: Pulimentada la sección, sobre ella se aplica un papel al bromuro de plata, el mismo que sirve para las diapositivas fotográficas fotográficas y que previamente se ha humedec humedecido ido con agua y ácido sulfúrico. Al contacto de la sección y del papel así mojado, contacto que se prolonga varios minutos, el azufre y el fósforo, a los cuales se trata de descubrir en el metal, dan lugar a sulfhídrico y fosfaminas, que con las sales de plata del papel, producen en éste el mismo efecto que la luz en la fotografía y dan lugar á una coloración oscura y a las manchas negras que denotan la existencia de las segregaciones.

1.6. DURMIENTES 1.6. 1.6.1. 1. DU DURM RMIE IENT NTES ES DE MA MADER DERA A Los durmientes que mayormente se emplean son son los de de madera. Para las vías Boliv Bolivianas ianas tenemos en general las siguientes dimensiones 200 cm, y su sección transversal es un rectángulo de

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base 24 cm y 12 cm de altura. No se precisa, sin embargo, una sección perfectamente escuadrada, sino que la cara inferior sea plana y la superior ofrezca también una superficie plana de al menos 21 cm de ancho, que servirá de asiento para el patín del riel. En la figura 1.8 y la tabla 1.2 se tienen los tipos de secciones transversales y sus dimensiones para durmientes de madera en RENFE.

Fig. 1. 8 Tipos de secciones secciones transversa transversales les de durmiente durmientes s de madera en RENFE. RENFE.

Categoria

l

Tipo 1 e d

r

l

Tipo 2 e d

r

l

Tipo 3 e d

8

r

 Primera   230 Segunda   210

140 130

0 0

0 0

230 210

140 130

150 140

40 35

240 220

140 130

160 150

80 70

 Primera   240 Segunda   230

150 140

0 0

0 0

240 230

150 140

160 160

40 35

245 235

150 140

165 165

80 70 8

Tabla 1. 1. 2 Dimensio Dimensiones nes de las seccio secciones nes transversal transversales es de los durmient durmientes es de madera madera en [mm].

Las maderas más corrientemente empleadas en la fabricación de durmientes son las de quebracho, cuchi, haya, pino, eucalipto. Es de recomendar que, como para cualquier explotación explotación de un bosque, la tala se haga en el momento de paralización de la savia, e igualmente beneficioso es que se sequen bien los durmientes después de obtenido el tronco. El secado resulta necesario para la impregnación a que se las debe someter, porque sin esta operación los durmientes duran mucho menos. Los durmientes, como como todas las piezas de madera, se pueden pueden secar al aire, procedimiento procedimiento natural y primitivo, o por distintos sistemas de estufa, estos son procedimientos en los que se utiliza el fuego para calentar el aire o producir vapor con que se trata a las maderas, reduciendo el tiempo de su desecación. Después de esta previa operación se deberán impregnar de alguna sustancia antiséptica, que generalmente se introduce a presión en la madera. La sustancia que generalmente se emplea es la creosota, obtenida de la destilación del alquitrán de hulla; también se emplea el cloruro de zinc. El procedimiento de aplicación de la creosota, es el de inyección Ruping, que consiste en someter previamente los durmientes a la presión del aire en un autoclave 9 para abrir los canales de la madera,

8

Fuente: Referencia [14]

9

Autoclave, recipiente metálico de paredes resistentes y cierre hermético que sirve para esterilizar o

hervir por medio medio del vapor a presi presión. ón.

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introduciendo luego la creosota caliente y elevando al doble la presión anterior, para que la creosota penetre en dichos canales. Para el apoyó de los rieles sobre los durmientes, se hacen unas entalladuras, formando como una caja10 en la que entra el patín del riel (figura 1.9), y se da a la superficie de apoyo una cierta inclinación, para que a su vez, la sección del riel no quede completamente vertical, sino con inclinación inclinación hacia el interior, inclinación que en casi c asi todos los ferrocarriles viene a ser de 1/20 y 1/40.

Placa de asiento

Cajeo 11

Fig. 1. 9 Apoyo del riel riel sobre sobre el durmien durmiente. te.

Entré el durmiente y el patín del riel se coloca generalmente una placa metálica, llamada placa de asiento (Fig. 1.9), que tiene por objeto aumentar la superficie de apoyo del riel y también aumentar la resistencia al desplazamiento transversal del riel. Permiten suprimir o reducir la importancia del cajeo del durmiente. Los durmientes se asientan sobre el balasto, presionando éste bajo ellas con golpes de bate, a lo que que se llama el bateado bateado.. Para el asiento asiento de la vía vía se pueden pueden emplear emplear procedimi procedimiento entoss mecánicos, por medio de los cuales se efectúan todas o parte de las operaciones: preparación de durmientes, cajeado y perforación, bateado, etc. Se ensaya incluso, y a veces se utiliza, el procedimiento de montar la vía fuera de la explanación, y luego trasladar a ésta tramos armados con rieles y durmientes.

12

Fig. 1. 10 Vía férrea para para un ferrocarril ferrocarril con durmientes durmientes de mad madera. era.

10

Recibe el nombre de cajeo al procedimiento de crear las entalladuras en los durmientes.

11

Fuente: Referencia [15]

12

Fuente: Referencia [21]

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La distancia entre durmientes es variable. Reduciendo esta distancia y aumentando el número de durmientes se aumenta la fortaleza de la vía. En la figura 1.10, se ilustra una vía férrea con durmientes de madera los cuales se encuentran encuentran con una separación d dee 50 cm entre ellos.

1.6. 1.6.2. 2. DU DURM RMIE IENT NTES ES ME METÁ TÁLI LICO COSS Y DE HO HORM RMIG IGÓN ÓN.. Hay también durmientes metálicos, huecos, que han dado buenos resultados, a pesar de ello, no se han generalizado mucho, como se ilustra en las figuras 1.11 y 1.12. Están colocadas hace unos cincuenta años en las líneas del país. El uso esta restringido, ya que allí donde él balasto es de piedra caliza ó silícea duran mucho; no así cuando cuando hay carbonilla o tierras con yeso, que atacan al palastro de acero de que están formadas.

13

Fig. 1. 1. 11 Secció Sección n longitudinal longitudinal y planta de un durmient durmiente e metálico. metálico.

Sus extremos están doblados; de modo que bajo el durmiente queda aprisionado el balasto, el cual sujeta e impide el desplazamiento desplazamiento longitudinal longitudinal y transversal. Por otra parte la unió unión n del riel al durmiente es también muy fuerte por intermedio de placas de asiento; un tornillo sujeta el riel y la placa al durmiente, aventajando en esto al tirafondo del durmiente de madera. Al ser mas pesado, el durmiente metálico compite menos con el de madera porque en elasticidad no la iguala, ya que la vía con durmiente metálico resulta más rígida y desde luego, más sonora al paso de los trenes. La elasticidad que el balasto y el durmiente de madera proporcionan no se obtiene con el metálico, sin contar con que la conductibilidad de éste lo hace impropio en líneas que tengan equipo de señalización con circuito de vía, y aun en las de tracción eléctrica.

13

Fuente: Referencia [15]

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Bastantes limitaciones se presentan para el empleo de los durmientes metálicos, por su alto costo de inversión. Estos durmientes son más bien propios de líneas secundarias, en las cuales, la conservación resulta verdaderamente económica, porque su duración puede ser muy grande, su colocación rápida y su manejo fácil.

14

Fig. 1. 12. Riel sobre durmiente durmiente metálico. metálico.

En la figura 1.13 y la tabla 1.3 se muestran las dimensiones básicas de la sección de un durmiente metálico.

15

Fig. 1. 13 Secció Sección n transv transversal ersal de de un durmiente durmiente metál metálico. ico.

14

Fuente: Referencia [21]

15

Fuente: Referencia [14]

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 Durmiente  Irani   CFFI    Turca   SNCF (Norte)

 

  Griega UIC 28    DB SW 7     DB SW 1   SNCF (A1)  

h mm

 d 1  mm

d   22  mm

b 1  mm

b 2  mm

91 90 85 80

11 11 11 13

7 7 8 8

40 130 130 140

231 240 242 266

212 218   225 240

95 90 100 100 90

12.5 12 9 11 12

8 7 9 8 7

130 150 135 130 130

260 260 272 272 263

244 236   251 251 238  

 b mm

16

Tabla 1. 1. 3 Dimensiones Dimensiones bás básicas icas de un durmiente durmiente metá metálico. lico.

Existen también durmientes de hormigón armado, que empezaron por ser prismáticas y por lo tanto, sumamente pesadas, como como se ilustra en la figura 1.17. En la ffigura igura 1.18 se muestra una línea férrea con durmientes de hormigón armado. Después han sido ideados diversos tipos, incluso una combinación de partes metálicas y partes de hormigón.

17

Fig. 1. 14. Durmie Durmientes ntes de hormigón. hormigón.

16

Fuente: Referencia [14]

17

Fuente: Referencia [16]

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18

Fig. 1. 15. Línea férre férrea a con durmientes durmientes de hormigón.

Se ensayan también tipos compuestos de hormigón y madera, como el de la Fig. 1.16, propuesto en Inglaterra, y que está constituido por dos tacos de hormigón armado con metal, unidos por un tabloncillo de unos 25 cm de ancho por 6,5 cm de espesor. Estos durmientes, no se usan en vías comerciales, a pesar que con este tipo se aprovechan las ventajas de la madera y se reduce su consumo, que vendría ha ser el principal fin de la fabricación de nuevos tipos de durmientes, ante la escasez cada vez mayor de este material.

Concreto

Madera

Fig.. 1. 16 Vía s Fig sobre obre durmien durmientes tes mixtos mixtos de mad madera era y h hormi ormigón gón..

19

Entre otros durmientes durmientes mixtos, son frecuentes frecuentes los de tacos de hormigón, uno por por debajo de cada riel, unidos por una barra o angular de hierro. En la figura 1.17 se ilustra los durmientes mixtos de hormigón y acero, muy usados en Francia.

18

Fuente: Referencia [16]

19

Fuente: Referencia [15]

1—17 

 

Capítulo 1

Texto Guía Vías Férreas

Riel

Bloques de hormigón Barra de acero 20

Fig. 1. 1. 17. Durmient Durmiente e mixto de ace acero ro y ho hormigón. rmigón.

1.7. BALASTO El balasto es la capa de piedra partida que se tiende sobre la explanación explanación o plataforma y sirve de asiento a los durmientes. Se reconocen en el balasto las sig siguientes uientes funciones. 

Repartir uniformemente sobre la plataforma las cargas que recibe del durmiente de forma tal que su tensión admisible no sea superada.



Estabilizar vertical, longitudinal y lateralmente la vía.



Amortiguar mediante mediante su estructura estructura pseudo - elástica las acciones acciones de los vehículos vehículos sobre la vía.



Proporcionar una rodadura suave a los vehículos y un notable confort a los viajeros.



Proteger la plataforma de las variaciones de humedad debidas al medio ambiente.



Facilitar la evacuación de las aguas de lluvia.



Permitir la recuperación de la calidad geométrica de la vía mediante operaciones de alineación y nivelación.

Riel Durmiente Altura de balasto entre 30 a 50 cm

Balasto Plataforma 21

Fig. 1. 18. Distri Distribución bución d de e presio presiones nes en la capa balasto.

20

Fuente: Referencia [16]

21

Fuente: Referencia [15]

1—18

 

Capítulo 1

Texto Guía Vías Férreas

Para cumplir estas funciones los materiales utilizados como balasto en las vías férreas deben poseerr ciertas caracterí posee característica sticass entre las cuales cuales hace referencia referencia fund fundament amentalmen almente te su curva granulométrica que se muestra en la figura 1. 19.

22

Fig. 1. 19. Curvas granulométr granulométricas icas de los los tipos de suelo suelo para cap capa a balast balasto. o.

Las condiciones que debe reunir el balasto, para cumplir con los fines mencionados, son: 

La capa de balasto, debe ser de suficiente espesor para que reparta las presiones sobre una base más ancha, según las cargas que los durmientes reciban. Esta altura del balasto, esta relacionada con la velocidad, peso y número de los trenes, también con la naturaleza del terreno y con el clima del país. En la figura 1.18, se ilustra una distribución de presiones en el balasto, para distribuir esta en la plataforma considerando una base más amplia para soportar los esfuerzos. La altura del balasto 23 varía de 30 a 50 cm, por debajo de los durmientes.



Deben ser las piedras de arista viva, pues los cantos rodados no sujetan tanto los durmientes.

22

Fuente: Referencia [18]

23

Para la determinación de la altura de balasto ver Capítulo 6

1—19

 

Capítulo 1

Texto Guía Vías Férreas



No deben ser las piedras muy pequeñas, porque entre ellas quedaría poco espacio para el drenaje y además, se perderían y desgastarían más fácilmente; ni ser muy grandes, pues se reduciría aristas al apoyo del durmiente y se dificultaría el bateado. Un tamaño de 3 a 6 cm es recomendable. Se comprende la conveniencia de la regularidad de los tamaños, de la uniformidad de las dimensiones.



Las piedras deben ser de roca dura, que se oponga a quebraduras y desgastes: pórfido, basalto, cuarcita, caliza y granito.

Reuniendo estas condiciones, el balasto se coloca sobre la explanación o plataforma, como se ilustra en la sección transversal de la vía de las figuras 1.20. y 1.21. La superficie de la explanación, sobre la cual el balasto se coloca, debe tener cierta inclinación, en sentido transversal, para dar salida a las aguas, vertiéndolas por uno uno o dos lados. Se coloca el balasto en capa de de buen espesor y dimensiones dimensiones al ancho que, naturalmente, varían con el de la vía y la categoría de la línea.

Fig. 1. 1. 20 Sección Sección tran transversa sversall de la vía. vía.

24

Fig. 1. 21 Secció Sección n transv transversal ersal de doble doble vía en recta recta..

24

Se hace penetrar el balasto, bajo el durmiente, por medio del bateado, de manera que al compactar la piedra, se afiance sobre el balasto el durmiente en que se apoyan los rieles; entre éstos, el balasto queda más suelto bajo el centro del durmiente, y más presionando en los extremos. No es sólo

24

Fuente: Referencia [15]

1— 20

 

Capítulo 1

Texto Guía Vías Férreas

el ahorro de trabajo lo que limita el bateado persistente a estos extremos, sino las razones de conveniencia a que más adelante aludimos. Entre los rieles, el balasto puede cubrir o no los durmientes, hay partidarios de una y otra solución. Dejando descubierto el durmiente se facilita su vigilancia, en la figura 1.22 se muestra la diferencia entre estas soluciones, la primera para una vía en recta y la segunda en el caso de tener una vía en curva. Nos hemos referido en cuanto antecede al tipo corriente de balasto, al de piedras de tamaño uniforme. Puede también emplearse el formado por piedras de distinto tamaño; en el fondo las grandes, y en la superficie las pequeñas; disposición razonada, pero costosa y dificultosa.

Fig. 1. 22 Seccio Secciones nes transversales transversales de vía, vía, con d durmiente urmientes s al descubier descubierto, to, en e ell primer ca caso, so, y cubiertas por el balasto en el segundo.

25

1.8. PLATAFORMA Es la superficie de terreno que se ofrece para que sobre ella se coloque la superestructura. Su anchura depende, como es natural, de que se se establezca una o más vías, y del ancho de éstas. Esta superficie de plataforma tiene cierta inclinación transversal, a una o dos aguas para el debido saneamiento, es decir con inclinación para el drenaje, como se muestra en las figuras 1.23 y 1.24 respectivamente, inclinación que suele ser de 3%. En caso de terrenos muy húmedos y arcillosos, el saneamiento tiene que ser especial, utilizando carbonilla, arena, piedras gruesas, placas de hormigón y aun tubos de drenaje. Recientemente se ha empleado para algunos de estos casos, y en vía ya establecida, inyecciones de cemento, en forma parecida a lo que se utiliza para reforzar la cimentación de las construcciones.

25

Fuente: Referencia [15]

1— 21

 

Capítulo 1

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Durmiente

Balasto Plataforma Fig. 1. 23 Plataforma Plataforma de la vía con una sola sola incli inclinación nación..

26

El establecimiento de una plataforma rígida ha sido objeto de diversas pruebas y aplicaciones parciales en estos tiempos de empleo de un material como el hormigón, que tan bien se presta presta a diversas soluciones; pero resulta limitado el campo de su utilización, por su costo elevado y sobre todo, porque para las velocidades velocidades algo crecidas, la elasticidad elasticidad de la vía vía con balasto y durmientes de madera es, hasta ahora insustituible.

Durmiente Balasto Plataforma 26

Fig. 1. 24 Platafo Plataforma rma de la la vía c con on dos aguas.

1.9. APARATOS D DE EV VÍÍA Los aparatos de vía tienen por objeto realizar bien el desdoblamiento o el cruce de las vías (figura 1.25), aún cuando adoptan formas variadas, derivan todas ellas de los aparatos fundamentales: el desvío, que permite el paso de los vehículos de una vía sobre otra y la entrevía, que permite realizar la conexión entre dos vías.

26

Fuente: Referencia [15]

1— 22

 

Capítulo 1

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Fig.. 1. 25. Aparato Fig Aparatos s de vía (Sapo) (Sapo)..

27

En el desvío los ejes de ambas vías se juntan tangencialmente mientras que en la entrevía dichos ejes se cortan. Para efectuar la separación o el cruce de unas y otras filas de los carriles se emplean dos elementos, llamados cambios de vía y cruzamientos. Así en un desvío sencillo o de dos vías, y a partir del origen común de las vías, se encuentran sucesivamente el cambio, en el que se separan ambas filas de la izquierda y ambas filas de derecha; los rieles o agujas de unión, y el cruzamiento, en el que las dos filas interiores, una de derecha y otra de izquierda, se cruzan.

Fig. 1. 26. Cruzamie Cruzamiento nto doble doble o entrevía entrevía oblicua. oblicua.

28

En una entrevía oblicua se encuentran sucesivamente: un cruzamiento sencillo, análogo al anterior, en el que se cruzan filas de rieles de distinto nombre, es decir, la fila de la derecha de la vía izquierda con la fila de la izquierda de la vía derecha; rieles intermedios de unión; un cruzamiento doble, frente a la intersección de los ejes de ambas vías, compuesta sobre cada vía por un doble cruzamiento, llamado también cruzamiento obtuso, en el que se cruzan filas del mismo nombre; nuevos carriles de unión; finalmente, un cruzamiento de salida análogo al cruzamiento de entrada como se muestra en la figura 1.26.

27

Fuente: Referencia [16]

28

Fuente: Referencia [8]

1— 23

 

Capítulo 1

Texto Guía Vías Férreas

1.10. 1.1 0. CA CARAC RACTER TERÍST ÍSTICA ICASS DEL SIS SISTEM TEMA A FERR FERROVI OVIARI ARIO O EN BOLI BOLIVIA VIA El actual sistema ferroviario en Bolivia es administrado por el sector privado, de acuerdo a

contratos suscritos por el Estado Boliviano con la Empresa “Cruz Blanca” que concesionó los servicios de la red oriental a la Empresa “Ferrocarriles de Oriente S.A.” (FCOSA) y en la Red Andina a la Empresa “Ferrocarril Andino S.A.” (FCASA). Estas dos empresas operan en forma independiente. Según la modalidad actual de operación, el Estado mantiene la propiedad de todas las vías e instalaciones fijas, además de percibir las tasas impositivas por la concesión, licencia y el alquiler de material rodante. Por su parte la empresa adjudicataria se compromete a administrar los servicios de acuerdo a las necesidades estipuladas en el contrato, satisfaciendo las regulaciones de la Superintendencia de Transportes.

1.10.1 1.1 0.1.. EXT EXTENS ENSIÓN IÓN D DE E LA VÍ VÍA A

La longitud de vía de las redes esta especificada en la tabla 1.4. tanto la red andina como la oriental no se encuentran en explotación explotación en su longitud longitud total.

 Red

Kilómetros de vía

 Red Andina

2,275.00

 Red Oriental

1,377.00

Total

3,652.00 Tabla Tabl a 1. 4 Extensi Extensión ón de la la vía. vía.

29

1.10.2.. DISTA 1.10.2 DISTANCIA NCIASS DESDE FRONT FRONTERA ERA HASTA PUER PUERTOS TOS OCEÁN OCEÁNICOS ICOS Los servicios de tráfico internacional en la red Andina durante la gestión 1997 correspondieron 63 % al puerto de Antofagasta, 20 % al Puerto de Arica y 14 % al Puerto de Guaqui. Existen conexiones con trafico muy limitado como la línea Uyuni  –  Villazón hacia la Argentina. Con respecto a la red Oriental, las principales vías son Santa Cruz  –  Quijarro y Santa Cruz –  Yacuiba, que conectan al país con el Brasil y Argentina respectivamente. En la tabla 1.5. se muestra las salidas hacia los puertos marítimos, tanto al Océano Pacífico y Atlántico, desde las fronteras de nuestro país donde llegan las vías férreas locales.

29

Fuente: Referencia [7]

1— 24

 

Capítulo 1

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 País Sobre el Atlántico

 Argentina

 Brasil

A través de

Destino

Distancia [Km.] 

Villazón

Rosario

1527  

Villazón

Buenos Aires

1907  

Yacuiba

Rosario

1549

Yacuiba

Buenos Aires

1929

Quijarro

Santos

Quijarro

Paranagua

Charaña

Arica

 Avaroa

Antofagasta

444

Guaqui

Matarani

700

1788   2212

Sobre el Pacífico Chile Perú

206  

30

Tabla 1. 5 Distanc Distancias ias desde las fron fronteras teras hasta los puertos puertos oceá oceánicos. nicos.

1.10.3.. DESCR 1.10.3 DESCRIPCIÓN IPCIÓN FÍSIC FÍSICA A DE LA VÍ VÍA A 1.10.3.1. 1.10.3 .1. TROCHA DE UN METRO E EN N TODA L LA A EXTE EXTENSIÓN NSIÓN DEL SIS SISTEMA TEMA ZONA MONTAÑOSA:  Altitud : De 2,800 a 4,350 metros sobre el nivel del mar



o

Sinuosa. Radios máximos de 72 m. Gradientes elevadas con pendientes hasta de 38.5  / oooo.

MESETA ALTIPLÁNICA:  Altitud promedio: 3,700 metros sobre el nivel del mar.



Largas tangentes. Radios máximos de 100 m.

LLANOS ORIENTALES:  Altitud promedio: 400 metros sobre el nivel del mar



o

Largas tangentes. Radios amplios hasta de 250 m. Pendientes máximas de 33.3  / oooo

30

Fuente: Referencia [7]

1— 25

 

Capítulo 1

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31

Fig.. 1. 27. Mapa Fig Mapa de la a actua ctuall red ferrovi ferroviaria aria de de Bolivi Bolivia. a.

31

Fuente: Referencia [7]

1— 26 

 

Capítulo 1

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1.10.4 1.1 0.4.. CAR CARACT ACTERÍ ERÍSTI STICA CASS DE DEL L RIE RIEL L   

Peso del riel: 37.5 kilos promedio por metro. Número de durmientes: 1,460 unidades por kilómetro Soportee de la vvía: Soport ía: 15 toneladas por eje.

1.10.5 1.1 0.5.. ENL ENLACE ACE D DE E LAS R REDE EDESS Hace 10 años años se ha proyect proyectado ado la constru construcción cción del del enlace enlace Cochabamb Cochabambaa - Santa Cruz Cruz,, que permitirá desarrollar una verdadera estrategia del sistema de transporte ferroviario, que integre las regiones del Altiplano, Valle y Llanos Orientales del territorio nacional, vinculando en línea directa dos polos fronterizos nacionales: Charaña en La Paz y Puerto Suárez en Santa Cruz a través de 1,858 [Km.] de línea férrea. Además de contar con el importantísimo Corredor Internacional Bioceánico desde Santos en el Brasil hasta Arica o Antofagasta en Chile y Matarani en el e l Perú.

Las características del enlace proyectado para ese entonces, son las siguientes: 

Extensión 388 Km aproximadamente.



Trocha métrica en toda su extensión.



Radios mínimos de 132.3 m promedio.



Pendiente máxima entre 1.2 % y 2 %



Velocidad directriz, 45 a 65 Km/h.



Tangente mínima, 30 m.

1.11. VEHÍC VEHÍCULO ULO TRAC TRACTIVO TIVO (LOCOM (LOCOMOTORA) OTORA) Entre los principales principales vehículos vehículos de tracción podemos citar a los más comunes como ser las locomotoras a vapor, diesel-eléctricas diesel-eléctricas y eléctricas. En cuanto a 1as locomotoras locomotoras de vapor vapor , como la figura 1.28, que son las locomotoras mas antiguas entre las tres mencionadas, su capacidad de tracción queda limitada por la capacidad de la caldera. Asimismo la capacidad de las locomotoras eléctricas queda limitada por la capacidad de la línea de transmisión que a pesar de ser una fuente exterior casi ilimitada, presenta la gran desventaja de la necesidad de construir líneas de transmisión e instalar subestaciones eléctricas, lo que eleva el costo de las mismas. Las locomotoras eléctricas, mostradas en la figura 1.29, son muy útiles en las zonas montañosas ya que pueden ejercer la fuerza total de tracción a velocidades más elevadas comparadas con las velocidades de las locomotoras Diesel-Eléctricas.

1— 27 

 

Capítulo 1

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Fi Fig. g. 1. 28 Loco Locomot motor ora a a vapor vapor..

32

El empleo de de las locomotoras locomotoras diesel - eléctricas y de de las eléctricas eléctricas en las líneas del ferrocarril (principalmente 1as primeras por ser más económicas), ha eliminado hoy día, prácticamente, a las locomotoras de vapor. Esta preferencia es debida, principalmente, a la gran fuerza de tracción de baja velocidad que tienen las locomotoras diesel diesel - eléctricas y además, a la economía en el funcionamiento de las mismas. La potencia normal de la máquina viene dada por la clasificación del fabricante.

32

Fig.. 1. 29 Loc Fig Locomot omotora ora eléctric eléctrica. a.

Las locomotoras locomotoras diesel diesel - eléctricas tienen tienen tres partes principales: principales: 

El motor diesel.



El generador.



Los motores de tracción.

El motor diesel es el que produce la energía, la cual es transformada por el generador, conectado directamente al motor diesel, en energía eléctrica, la cual es trasmitida a los motores de 32

Fuente: Referencia [16]

1— 28

 

Capítulo 1

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tracción para así accionar las ruedas motrices a través de un tren de engranajes llamado caja de grasas. El generador está proyectado para que pueda producir, simultáneamente, tanto corriente continua para los motores de tracción, como corriente alterna para iluminación, compresor de aire, motores eléctricos, etc.

33

Fig.. 1. 30 Loc Fig Locomot omotora ora DieselDiesel-Elé Eléctri ctrica. ca.

1.11.1.. LOCOMO 1.11.1 LOCOMOTORAS TORAS DI DIESEL-EL ESEL-ELÉCTR ÉCTRICAS ICAS Y ELÉCTR ELÉCTRICAS ICAS Se construye construye en la actualidad actualidad una gran cantidad cantidad de locomotoras locomotoras di diesel esel - eléctricas. eléctricas. El méto método do mas usual para describir es siguiendo dos reglas básicas. La primera es que las ruedas no se identifican individualmente y la segunda es que a los ejes locos 34 o de arrastre se le asignan números, en cambio a los ejes motrices se los designa con letras. La letra o el número hacen referencia al numero de ejes del boguie.

En la figura 1.31. se ilustran locomotoras con ejes B-B, que simbolizan boguies motrices con ejes acoplados, Bo-Bo y Co-Co, que son los tipos de locomotoras diesel-eléctricas mas frecuentes. Así, la locomotora 1-Bo-Bo-1 representa una una locomotora con cuatro cuatro boguies, el primero primero tiene un eje loco, seguido de dos boguies con dos ejes motrices cada uno en el centro del automóvil y un ultimo boguie que tiene un eje loco al final del vehículo. En la figura 1.32 se ilustran las locomotoras Bo-Bo y Co-Co respectivamente.

33 34

Fuente: Referencia [16] Se denomina   eje loco a los ejes sin tracción tracción que sirven para para el guiado de los eejes jes motric motrices, es,

especialmente en las curvas

1— 29

 

Capítulo 1

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35

Fig. 1. 31. Tipos de boguies u usuale suales s en las lo locomotora comotoras. s.

En la tabla 1.6. están representadas las principales características de las locomotoras dieseleléctricas eléctr icas de la G.E. Universal Universal..

36

Fig. 1. 32. Locomotoras Bo-Bo (dos boguies con dos ejes) y Co-Co (dos boguies con tres ejes).

35

Fuente: Referencia [17]

36

Fuente: Referencia [16]

1— 30

 

Capítulo 1

Texto Guía Vías Férreas

U6B

U8B

U9B

U9C

U13B

U13C

700

900

990

990

1420

1420

640

810

900

900

1300

1300

15400

15400

15400

23000

15400

23000

34000

34000

34000

51000

34000

51000

47,5

49

65,5

75

70

80

52,8

54,6

73

83,2

77,2

88,2

12

12,4

16,5

12,7

17,6

13,4

13,2

13,6

18,2

13,9

19,3

14,7  

3,65

3,65

3,65

3,65

3,65

3,65

12

12

12

12

12

12

2,75

2,75

2,75

2,75

2,75

2,75

9

9

9

9

9

9

 

 HP bruto

 HP para para traccio traccionn  Fuerza tractiva  Fuerza tractiva en kg. y en libras  Peso minimo minimo  cargadoo Tm. y  cargad Ton.  Peso minimo minimo por por eje en Tm. y en Ton.  Alto en metros metros y en pies.

 Ancho en metros  Ancho metros  y en pies.

 

37

Tabla 1. 6 Princip Principales ales caracte característica rísticas s de las locomotoras diesel-eléctr diesel-eléctricas icas de la G.E. Universal.

1.12. 1.1 2. EL ME MEDIO DIO A AMBI MBIENT ENTE E Y EL FE FERRO RROCA CARRI RRIL L Estudios efectuados efectuados por la la Junta de Recursos del Aire Aire (California - CARB), en junio de 1990, revelaron que los ferrocarriles producen menos del uno por ciento de toda la contaminación del aire. Esto se debe a mejoras en la tecnología de las locomotoras, cambios en la operación ferroviaria y significativas mejoras de eficiencia en el consumo de combustible. "Mas trafico en los ferrocarriles, menos contaminación en el aire". "Mayor "Ma yor capacidad de transporte sin utilizar mas suelo". "Menos combustible por tonelada / kilómetro de carga transportada".

37

Fuente: Referencia [3]

1— 31

 

Capítulo 2

Texto Guía Vías Férreas

CAPÍTULO 2

2.

RES RESIST ISTENC ENCIA IA AL MOV MOVIMI IMIENT ENTO O Y MAT MATERI ERIAL AL MOT MOTOR OR

2.1. INTROD ODU UCCIÓN El estudio de la capacidad de tracción de locomotoras, supone el conocimiento de las nociones básicas referentes a sus condiciones condiciones de utilización y a las condiciones de ttrazado razado de los trenes. Tales condiciones pueden estudiarse a través del análisis de los siguientes aspectos:  



2. 2.2. 2.

Los esfuerzos resistentes debido al movimiento en función a una velocidad dada. Las limitaciones del esfuerzo de tracción ejercidas en la rueda a una velocidad dada, a causa de la adherencia a dherencia global de las locomotoras. El esfuerzo de tracción necesario en velocidad (noción de potencia de las locomotoras).

LO LOSS ES ESFU FUER ERZO ZOSS R RES ESIS ISTE TENT NTES ES

Los esfuerzos resistentes so sonn una com composición posición de esfuerzos para uunn tren ((locomotora locomotora + material remolcado) producida a una velocidad constante. Esta composición se da de la siguiente manera: 

 

La suma de resistencias de cualquier naturaleza que, en línea recta y horizontal, se oponen al movimiento del tren (resistencia normal al movimiento). La resistencia ocasional debido a curvas y la gradiente. Los esfuerzos de inercia de las grandes masas (en los arranques y aceleraciones).

2.3. 2.3. RE RESI SIST STEN ENCI CIA A EN RE RECT CTA AY H HOR ORIZ IZON ONTA TAL L Esta resistencia, contrariamente contrariamente al movim movimiento iento del tren en recta y horizontal, const constituye ituye una fuerza retardadora que depende del tipo, peso, velocidad del tren, y de las condiciones del camino o vía, siendo básicamente provenientes de los atributos internos de los vehículos, del atributo de las ruedas con barras y de de la resistencia del aire. Dep Depende ende también del ccarácter arácter constructivo yyaa sea de la vía como del mismo vehículo.

 2—1

 

Capítulo 2

Texto Guía Vías Férreas

Así se denominara a  r1 como la resistencia especifica en recta y horizontal normal al movimiento del tren. Se deberá tener en cuenta para el cálculo que el tren consta de locomotoras y vagones, de manera que sus pesos, tendrán un efecto diferente en el cálculo de la Resistencia total en recta y horizontal del tren.

1

Fig. 2. 1 Resistencia Resistencia e en n recta y ho horizontal rizontal

Entonces en recta y hor horizontal, izontal, las rresistencias esistencias qu quee debe vencer eell tren para en entrar trar en movimiento son las resistencias debidas a la rodadura de la rueda sobre el riel, la resistencia en las cajas de grasa de las ruedas, resistencias debidas a choques en las juntas, pérdidas de energía en enganches y suspensiones además del rozamiento de las pestañas de las ruedas sobre los rieles y las resistencias del aire, que son las mas representativas. En general, la resistencia especifica global podrá ser calculada por formulas practicas que consideran los factores de influencia anteriormente descritos, resumiéndose en la ecuación [2.1], que depende de algunos coeficientes relativos al tipo de vehículo que se quiera calcular. r  N   V 

  a  

b V 



c V 

2

[2. [2. 1]2

Donde: a = Coeficiente que representa los efectos de rodadura y resistencia en las

cajas de grasa b = Engloba la influencia de los choques en las juntas de la vía y las perdidas de energía. c = Representa la influencia del aire.

1

Fuente: Referencia [4]

En lo posterior, posterior, el subíndice subíndice N  de la ecuación, que hace referencia a la dirección normal al movimiento, será reemplazado por el subíndice 1, para la locomotora, o por v, para los vagones. 2

 2— 2

 

Capítulo 2

Texto Guía Vías Férreas

En los apartados siguientes, presentamos algunas fórmulas para el cálculo de la resistencia específica3 normal al movimiento del tren.

2. 2.3. 3.1. 1. FÓ FÓRM RMUL ULAS AS DE JJ.. DA DAVI VISS Estas fórmulas son resultado de los ensayos logrados por el Ing. W. J. Davis Jr. de la General Electric4. En lo posterior, las ecuaciones [2. 2] y [2. 4], serán las de uso general para el cálculo de las resistencias en recta y horizontal. 

Para locomotoras: r  N 





 p

 A

 0.00932    V   0.00456  V  2

[2. [2. 2]

P

13.15

 0.65 

 p

 A

 0.00932    V   0.000645  V  2

[2. [2. 3]

P

Para Vagones de carga:

Con caja grase grasera ra - cojin cojinetes: etes: r  N 



13.15

Para carros de pasajeros: r  N 



 0.65 

13.15

 0.65 

 p

 A

 0.01398    V   0.0009428  V  2

[2. 4]

P

Con rodamiento de barras: r  N 

 0.30 

9.07  p

 A

 0.00311    V   0.012262  V  2

[2. [2. 5]

P

Donde: r  N   N  = Resistencia normal especifica [Kg/Ton].  p = Peso por eje del vehículo [Ton]. P = Peso total del vehículo

5

[Ton].

3

Resistencia especifica, es la resistencia por unidad de peso. Empresa dedicada a la construcción de material rodante 5 Como la diferencia entre los números que experimenta experimenta la masa de un cuerpo en toneladas y su peso en tonelada-fuerza (debido a la variación de la aceleración aceleración de la gravedad con con la latitud y la altitud) es inferior a 0,5 %, se admitirá que el mismo número (representado por P) represente la carga total (masa) en toneladas y el peso 4

total del vehículo en toneladas-fuerza. t oneladas-fuerza.

 2— 3

 

Capítulo 2

Texto Guía Vías Férreas 2

 A = Área de la sección frontal del vehículo [m

].

V = Velocidad [km/h].

2.3.2. 2.3 .2. FÓR FÓRMUL MULAS AS DE LA SOCI SOCIEDA EDAD D N NACI ACIONA ONAL L D DE E C CAMI AMINOS NOS DE FIE FIERRO RRO DE FRANCIA (SNCF) 

Para locomotoras: r  N 



 0.65 

[2. [2. 6]

P

V  2

  1.5    37Ton   P  42Ton 4500

[2. [2. 7]

Cargaa medi Carg mediaa de 10 Ton / eje

  1.5 

r  N  



[2. [2. 8]

1600

  1.2 

V  2

[2. [2. 9]

4000

Carga media de 25 Ton / eje r  N 



V  2

Carga media de 18 Ton / eje r  N 

  1.1 

V  2

[2. [2. 10] 10]

5500

Vagón vació: r  N 

 2  .25 

V  2

[2. [2. 11] 11]

1200

Para locomotoras: r  N 



  0.01  V   0.03

Para vagones: 



 p

V  2

Para carro de pasajeros:

r  N 



13

 0.9174 

9.174  p

  0.003058  V   0.004485

V  2

[2. [2. 12] 12]

P

Para vagones:

 2— 4

 

Capítulo 2

Texto Guía Vías Férreas

r  N 

 0.9174 

9.174  p

  0.003058  V   0.0265

V  2

[2. [2. 13] 13]

P

2.3. 2.3.3. 3. FO FORM RMUL ULAS AS DE K. SACH SACHSS & F F.. G GER ERBER BER 



Para locomotoras: r  N 

V    12   3  0.35       P   10  

r  N 

V    12   2          4000  

 A

2

[2. [2. 14] 14]

Para vagones: 2

[2. [2. 15] 15]

Donde: r  N   N  = Resistencia normal especifica [Kg/Ton]  p = Peso por eje del vehículo [Ton] P = Peso total del vehículo [Ton] 2

 A = Área de la sección frontal del vehículo [m

]

V = Velocidad [km/h]

Dada la inexistencia de ensayos específicos para la determinación de un mejor modelo matemático que se adapte a las condiciones condiciones actuales de nu nuestros estros ferrocarriles, serán utilizadas las fórmulas de W. J. Davis Jr., que corresponde a los materiales que son usados en Sudamérica. Entonces, la resistencia total en recta y horizontal estará dada por la ecuación [2.16].  R1

   Rl   Rv

[2. [2. 16] 16]

 Rl

  r l  Pl

[2. [2. 17] 17]

 Rv

   r v  Q

[2. [2. 18] 18]

Para hallar el valor de peso de los vagones tendremos: Q   N    v  Pv ;

[ 2. 19]

Donde:  Rl = Resistencia total de la locomotora en recta y horizontal [Kg].  Rv = Resistencia total de los vagones en recta y horizontal [Kg]. Pl = Peso de la locomotora [Kg]. Pv = Peso de el vagón [Kg].

 2— 5

 

Capítulo 2

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Peso de los vagones. Será ig igual ual al peso del vag vagón ón por el numero de de vagones en el tren considerado [Kg].  N v = Numero de vagones. Q=

2. 2.4. 4. RE RESI SIST STEN ENCI CIAS AS LO LOCA CALE LESS Se pueden llamar resistencias locales, a las producidas ya sea por los efectos de las gradientes que existen en un trazado, como por los esfuerzos que se produ producen cen en las curvas. Por tanto, tale taless resistencias son propias de la topografía del trazado que tiene la vía en consideración.

2.4. 2.4.1. 1. RE RESI SIST STEN ENCI CIA A POR G GRA RADI DIEN ENTE TE La resistencia especifica en gradiente será denominada r denominada  r 2 y su valor dependerá de la diferencia de niveles entre dos puntos cualesquiera del trazado. La resistencia total por gradiente será proporcionada por el peso del tren, del cual el componente debe tomarse paralelamente a la vía, es decir:  R g



G  sin θ

En la Fig. 2.2, están representados los componentes de las fuerzas que se tomaran en consideración para cálculo de la resistencia por gradiente, los que estarán en función de la gravedad.

6

Fig.. 2. 2 Diagrama Fig Diagrama de fuerzas fuerzas en gradi gradiente ente

Donde:  Rg = Resistencia total en gradiente debida al peso. θ = Angulo que el camino hace con el plano horizontal. G = Peso del tren. 6

Fuente: Referencia [4]  2—6 

 

Capítulo 2

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Para todos los declives encontrados en tracción por simple adherencia 7, se puede reemplazar el senθ como la ta nθ como la inclinación   de vía, la que normalmente normalmente se expresa en tanto por mil (o / oo oo), mm/m ó Kgf/Ton. Así se tiene que:  R g



G  sin θ



 R g

  G  tan θ

[2. [2. 20] 20]

G α

[2. [2. 21] 21]

La resistencia especifica debida a la gradiente será por consiguiente: r g

  α 

r 2   i

ó

r 2

[2. [2. 22] 22]8

Donde: o i = Gradiente del terreno expresada en tanto por mil (  / oo oo). Por tanto, la resistencia total por gradiente será:  R2

  R g 

G  r 2

[2. [2. 23] 23]

  ( Pl  Q)  i

Donde: G = Peso del tren. Peso de locomotora más vagones.

2.4. 2.4.2. 2. RE RESI SIST STEN ENCI CIA A POR C CUR URVA VATU TURA RA La resistencia en curva proviene de los atributos atributos resultantes de la solidaridad entre las ruedas y los ejes y también del paralelismo de los ejes en los vagones. Estos atributos causan pérdidas que son traducidas por una resistencia que depende principalmente del radio de curva y de la trocha de la vía. La resistencia especifica por curvatura se denomina denomina r  r 3 y esta dada por la formula de Desdovits:

r c



500  b

[2. [2. 24] 24]

 R

Donde: r c = Resistencia especifica en curva (Kg/Ton). b = Trocha de la vía (m). Tambien se designa T a la trocha según otras literaturas.  R = Radio de curva (m). 7

El termino adherencia y su influencia en el cálculo, será explicado en subtítulos posteriores

Para el calculo de la resistencia total se debe utilizar la gradiente mas desfavorable en el trazado considerado. 8

 2—7 

 

Capítulo 2

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La resistencia total por curvatura estará dada por la ecuación [2.25]  Rc

  r c  Pl

[2. [2. 25] 25]

2.4. 2.4.3. 3. RE RESI SIST STEN ENCI CIA A CO COMB MBIN INAD ADA A Las resistencias debidas a las rampas y curvas, son normalmente normalmente expresadas po porr un termino único r gc , denominado de resistencia combinada de rampa y curva dado por: r gc

 

r c

 r g = r gc    r 3  r 2

[2. [2. 26] 26]9

Donde: r g = r 2 = i = Resistencia especifica por gradiente.

La resistencia específica r g también llamada r 2 o i, dependerá como ya se menciono de la gradiente que será desfavorable en subidas y favorable f avorable o no en bajadas.

2. 2.5. 5. RE RESI SIST STEN ENCI CIA AD DE E IN INER ERCI CIA A La resistencia especifica de inercia, dependerá fundamentalmente de los atributos de aceleración   –  velocidad de las locomotoras. La fórmula elemental de la dinámica muestra que para acelerar una masa  M  o G con una aceleración    que depende del tipo de locomotora que se este considerando, es necesario desarrollar un esfuerzo M γ . En el caso de tracción de trenes, los cálculos de los esfuerzos de aceleración (esfuerzo útil) serán hechos para la expresión:  R4

 1 

[2. [2. 27] 27]

K   G  γ

que utilizando las unidades usuales forma:  R4

 28.32  1 

K   G  γ

[2. [2. 28] 28]

Donde:  R4 = Esfuerzo útil o resistencia total de inercia [Kgf] 10 G = Peso del tren K = Coeficiente de grandes masas, co conn los siguien siguientes tes valores:  para las locomotoras: 0.1   K   0.3 9 La 10

resistencia combinada solo es un valor referencial y no influirá en la resistencia total. Peso del tren es igual al peso de un vagón por su cantidad mas el peso de la locomotora (Pl+Q).  2—8

 

Capítulo 2

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

para el material remolcado: 0.02   K   0.1

La fuerza dada por  R4  28.32  K  G  γ , corresponde al incremento del esfuerzo debido a la inercia de las grandes masas del tren. tren. En general, se adopta K = 0.1 , resultando:  R4

 31.1  G  γ

[2. [2. 29] 29]

Para casos prácticos se utilizaran los valores de resistencia especifica de inercia que dependerán del tipo y fu funcionalidad ncionalidad del locomotor. E Enn la tabla 2.1. se presenta una tabla tabla para los valores de resistencia especifica de inercia de acuerdo al tipo de vehículo.

Tipo de Vehículo

 r 4 [Kg/Ton] 

Tr enes de c a r ga

2a 3

Tr enes de pa sa jer os de la r ga dista nc ia

5a 6  

Tr enes su subb   –  ur b a nos de pa sa jer os

15 a 20

Tr enes eléc tr ic os

70 a 80 11

Tabla 2. 1 Resistencia Resistencia e especifi specifica ca de Inercia

La resistencia total de inercia será calculada como:  R4  R4



r 4

  r 4  G

 ( Pl    Q)

[2. [2. 30] 30]

Las resistencias totales R2 (gradiente) y R4 (inercia), serán calculadas para el peso total del tren (Pl+Q), en cambio que la resistencia total R c (curva) será calculada para el peso de la locomotora únicamente.

2.6. MATERIAL MOT MOTOR 2. 2.6. 6.1. 1. GE GENE NERA RALI LIDA DADE DESS Un ferrocarril, así como los otros medios de transporte, ejercen una acentuada influencia en el tipo de vida del hombre moderno. Sus características cuando, bien exploradas, pueden conducir a la mejora del padrón de vida del hombre, así como a la conservación de los recursos de energía.

11

Fuente: Referencia [10]  2— 9

 

Capítulo 2

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A continuación se aborda un tema de la ingeniería ferroviaria que busca fundamentalmente, una mejor exploración de los recursos disponibles en el ferrocarril, en términos de material de tracción, que busca el incremento de su productividad, para que así se consiga alcanzar de una manera eficaz los objetivos del ferrocarril. El conocimiento de la capacidad real de tracción de las locomotoras, es un factor fundamental para cualquier tipo de planificación operacional del ferrocarril. El estudio de la capacidad de tracción de locomotoras, supone el conocimiento de nociones básicas referentes a sus condiciones de utilización, sean ellas, las condiciones de trazado de los trenes. Tales condiciones pueden estudiarse a través del análisis de los siguientes aspectos:  



Los esfuerzos resistentes debidos al movimiento de un tren a una velocidad dada Las limitaciones del esfuerzo de tracción ejercidas en la rueda a una velocidad dada, a causa de la adherencia glob global al de las locom locomotoras. otoras. El esfuerzo de tracción necesario en velocidad (noción de potencia de las locomotoras).

2. 2.7. 7. ES ESFU FUER ERZO ZO DE TR TRAC ACCI CIÓN ÓN 2.7. 2.7.1. 1. NO NOCI CION ONES ES DE AD ADHER HEREN ENCI CIA A La adherencia impone un un límite al esfuerzo de tracción ejercido en los aros de las locomotor locomotoras as a una velocidad dada. Si este límite es superado, los ejes patinan y la locomotora tiene su desempeño comprometido. Considerando un esfuerzo de tracción C m, como se muestra en la figura 2.1 ejercido sobre el eje. En el aro de la rueda, este esfuerzo se traduce en una una fuerza tangencial Fm. Si la locomotora avanza adelante, es porque tal fuerza tangencial encuentra en la barra un apoyo, o sea, una reacción igual y de sentido contrario que constituye un apoyo horizontal Rm, la existencia de este apoyo hace qque ue ocurra un deslizamiento de la rueda, que se denomina de adherencia . La adherencia de la rueda sobre el riel será mayor cuanto mayor sea el peso que apoya la rueda sobre el riel, conforme indica la expresión: F     µ  P

[2. [2. 31] 31]

El coeficiente µ se define como el Coeficiente de Adherencia , y esta dado por la relación entre el esfuerzo máximo que puede aplicarse en el rueda sin patinar y la carga vertical que la rueda soporta.

 2—10

 

Capítulo 2

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Existirá adherencia mientras el esfuerzo en la rueda sea inferior al valor del máximo dado para la ecuación [2.31]. A medida que este límite es superado, ocurre la ruptura de adherencia y la rueda empieza a resbalar en el riel. La reacción del riel en la rueda (R m) cae a un val valor or infe inferior rior a los los dado dadoss para la ecuación [2.31], incrementando la aceleración de rotación del eje, ocurriendo por consiguiente, el patinaje. El esfuerzo de tracción máximo de una locomotora dependerá, por consiguiente, de su coeficiente de adherencia global. Existen otros factores que hacen que el coeficiente de adherencia global de una locomotora varíe de una máquina para otra. La influencia de algunos de estos factores crece con el aumento de la velocidad y haciendo que haya una reducción en el coeficiente de adherencia global de una locomotora, en función de la velocidad. Estos factores por ejemplo son:       

Fluctuación de las cargas por eje (carga suspendida). Masas no suspendidas (aceleraciones verticales y choques laterales). Calidad de la vía. Efecto de carenado de la locomotora. Acoplamiento de los ejes motores. Estabilidad general de la maquina. Esquema eléctrico de la potencia.

Varios ensayos fueron realizados de manera que se pueda determinar, en condiciones reales de utilización, tanto el coeficiente ddee adherencia de un eje aislado com comoo el coeficiente de adherencia global de las locomotoras. Algunos de los resultados son presentados en la Fig. 2.3.

2.7.2. 2.7 .2. DET DETERM ERMINA INACIÓ CIÓN N EXP EXPERI ERIMEN MENTAL TAL D DE E LAS CU CURVA RVASS DE AD ADHER HERENCI ENCIA A Se han realizado numerosos ensayos para determinar la adherencia de las ruedas de los vehículos a la superficie de rodado de los rieles. Graficando los resultados de los esfuerzos de tracción inmediatamente anteriores al patinaje, para diferentes velocidades. De estos ensayos se obtiene una nube de puntos que cubre una inmensa región de dispersión del plano  Esfuer zo vs V eloc ida d . Esta región está limitada por dos envolventes correspondientes a las condiciones de adherencia con el riel seco y mojado respectivamente, pudiéndose deduci deducirr una curva media media µ(V ) como se indica en la figura 2.4. Para las necesidades prácticas, es razonable considerar curvas medias de adherencia. Evidentemente, consideración proporciona riesgos pordesarrollo definición. Así, siempre se quepuede la seguridad de la locomotora notalesté en juego o que está no llegué a un comprometido, asumir las  2—11

 

Capítulo 2

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curvas promedio de adherencia para el cálculo del esfuerzo máximo de tracción disponible en el aro de las locomotoras.

µ/µο [%]

100 10 0 Formula de Parodi-Tetrel F. Nouvion Ejes desacoplados F. Nouvion Ejes acoplados

90

Formula de Nussbaun

80

70

60

50 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 110

Velocidad [Km/h] 12

Fig. 2. 3 Coeficiente Coeficiente de adhe adherencia rencia en función función de la velocidad velocidad

El cálculo del coeficiente de adherencia fue propuesto por varios autores. Tales como F. Nouvion, Paradi-Tretel y F. Nussbaun, las relaciones relativas a la variación del coeficiente de adherencia en función de la velocidad y a los coeficientes iniciales µ0, los cuales dependen del tipo de locomotor como se mostrara en la tabla 2.2, son:

12

Fuente: Referencia [4]  2—12

 

Capítulo 2 

F. Nouvion 







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Para ejes desacoplados: µ

 µ0 

8  0.1  V  8  0.2  V 

[2. [2. 32] 32]

µ

 µ0 

8  0.1  V  8  0.18  V 

[2. [2. 33] 33]

µ

 µ0 

1 1  0.01  V 

[2. [2. 34] 34]

µ

 D     V     µ 0     1    1  0.35 100    20   

Para ejes acoplados:

Pa Paro rodi di - Te Tetr trel el

F. Nussbaun [2. [2. 35] 35]

Donde: µ0= Coeficiente de adherencia inicial o en reposo µ = Coeficiente de adherencia global V = Velocidad en [Km/h]  D = Diámetro [m] También se debe tomar en cuenta que el coeficiente de adherencia sufre una caída o reducción en las curvas según las expresiones: 

vía de trocha ancha con radios de curva  400 m µ



1500   µ 0    1  2     R  

[2. [2. 36] 36]

vía de trocha métrica con radios de curva  500 m

µ

6000   µ 0    1  2     R  

[2. [2. 37] 37]

 2—13

 

Capítulo 2



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vía de trocha métrica con radios de curva < 500 m

µ

250  1.55  R   µ 0       500  1.10  R 

[2. [2. 38] 38]

 R = Radio de curvatura [m].

Zona de ri riel el seco seco

Zona de riel húmedo

13

Fig. 2. 4 Coeficiente Coeficiente de adhe adherencia rencia inicial inicial en función función de la velocidad velocidad

2.7.3. 2.7 .3. VAL VALORE ORESS DE DEL L COE COEFIC FICIEN IENTE TE D DE E AD ADHER HERENC ENCIA IA En la Tabla 2.2, se presentan valores de dell coeficiente de adherencia de locomotoras. locomotoras. 13

Fuente: Referencia [4]  2—14

 

Capítulo 2



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Ferrocarril Ferroc arriles es Nac Nacional ionales es Del Ja Japón pón - JNR Tipo de Locomotora

 

µ c

 Loc omotor omotoraa Diesel

0.285

 Loc omotor omotoraa s Eléc tr ic a s de Cor r iente Continua Clásic a s

0.265

 Moder na s

0.292

 Loc omotor omotoraa s Eléc tr ic a s Monofásic Monofásicaa s







Clásic a s

0.326

 Moder na s

0.359

Caminos de Fierro de la Federación Suiza –  CFF Tipo de Locomotora

 

µ c

 Loc omotor omotoraa Clásic a s

0.20 a 0.24

 Loc omotor omotoraa s Moder na s

0.26 a 0.29

Ferrocarriles Británicos –  BR Tipo de Locomotora

 

 

µ c

 Loc omotor omotoraa c on lija dor a s

0.34

 Loc omotor omotoraa sin lija dor a s

0.20

Sociedad Socied ad Naci Nacional onal de Ca Caminos minos de F Fierro ierro de Fra Francia ncia - JNR Tipo de Locomotora  

µ c

 Loc omotor omotoraa s de Cor r iente Continua Clásic a s  Motor es a Media Tensión

0.25

 Motor es a Plena Tensión

0.27 

 Loc omotor omotoraa s de Cor r iente Continua Moder na s Tr uc k Monomotor

0.33

 Loc omotor omotoraa s Monofásica Monofásic a s  Ejes Desa c opla dos  Ejes Ac opla dos 

Deutschen Bundesbahn –  DB Tipo de Locomotora

0.33 0.35

 

µ c

 Loc omotor omotoraa Monofásica Monofásic a s

0.33

 Loc omotor omotoraa s Diesel

0.30 14

Tabla 2. 2. Coeficiente Coeficiente de Adhere Adherencia ncia Global

14

Fuente: Referencia [4]  2—15

 

Capítulo 2

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2.7. 2.7.4. 4. NO NOCI CION ONES ES DE P POT OTEN ENCI CIA A DE U UNA NA L LOC OCOM OMOT OTOR ORA A Considere una locomotora de 100 Ton, tal que el límite de adherencia sea mostrado en la figura 2.5, donde también están representadas las curvas de los esfuerzos resistentes para condiciones diferentes. Estas curvas representan los esfuerzos de tracción del considerado locomotor. En caso de que el tren se suponga en condiciones del régimen, esto es por ejemplo, la velocidad constante. En la misma ilustración se graficaron curvas escalonadas equipotenciales desde 500 Kw. a 4500 Kw. que representa la potencia de tracción en los aros de la locomotora.

15

Fig. 2. 5 Coeficiente Coeficiente de adhe adherencia rencia inicial inicial en función función de la velocidad velocidad

Analizándose la figura, se nota que para el caso de un tren de pasajeros de 100 Ton con 20 coches, en rampa de 11 o / oooo no resulta ser el limite de adherencia de la locomotora que impone el límite del operación, sino, la potencia de tracción de la locomotora. Nótese que son necesarios por lo menos 3300 Kw. para remolcar este tren en línea recta y nivelar a una velocidad de 150 Km/h y 4100 Kw. 15

Fuente: Referencia [4]  2—16 

 

Capítulo 2

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para remolcarlo en rampa de 11 o / oooo a 90 Km/h. Se puede concluir entonces que allí no existirán problemas del adherencia adherencia para los trenes de pasajeros, sa salvo lvo que por razones de exploració exploración, n, sea necesario aumentar el peso del tren significativam significativamente ente en detrimento de la velocidad. Para velocidades más altas (> Km/h), también se verifica que no habrá problemas de adherencia adhere ncia co conn los tr trenes enes de pasaj pasajeros, eros, ccuando uando el caso sea del ttren ren TGV - Tren de G Gran ran Vit Vitesse esse cu cuyo yo esfuerzo necesario de tracción para mantenerlo a 300 Km/h, corresponde a 2 % de su peso adherente en cuanto que la adherencia constatada a esta misma velocidad supera 6 %. Por otro lado, en el caso de un tren de carga, con 750 Ton para 40 bodegas en una gradiente de 22 o / oooo, viene a ser el límite de la locomotora considerada, no pudiendo superarse los 42 Km/h, en caso de que se considere una curva de adherencia prom promedio edio como lím límite ite para el esfuerzo de tracción de la locomotora. Nótese que para operar este tren en condiciones convenientes, es suficiente una potencia de tracción de solo 2500 Kw contra 4100 Kw necesario en el caso ejemplificado de los trenes de pasajeros. Se concluye por consiguiente que para los trenes de cargas los limites estarán fijados por la adherencia, en tanto que para los trenes de pasajeros el límite es la potencia de tracción.

2.7.5. DIAGRAMAS Como ya se menciono anteriormente, el plano de  Esfuer  Esfuerzo zo vs. V eloc ida d llegara a ser la manera mas practica de visualizar los componentes relativos al movimiento de las locomotoras, para así  conseguir que el desempeño de la locomotora sea lo más eficiente posible sin estar comprometido su rendimiento. En la figura 2.6 esta representada la cu curva rva característica de una locomotora cualquiera, cualquiera, esto es el esfuerzo máximo de tracción disponible en el aro de la locomotora. También esta representada la curva de esfuerzos resistentes para cierto tipo tipo de condiciones, es decir, un determinado peso de locomotora y carga, pendiente, curvatura del trazado, etc. 

CURVA CURV A DE ESFUER ESFUERZOS ZOS RESIST RESISTENTES ENTES

Esta curva será calculada mediante las ecuaciones ec uaciones anteriormente descritas en los apartados 2.3 apartados 2.3 ,  2.4 y 2.5, 2.5, su representación se realizada para una sola gradiente, es así que para diferentes trazados que podrán tener distintas pendientes en su perfil, las curvas de esfuerzos resistentes de un mismo locomotor serán diferentes. La resistencia total, por tanto, será la suma de las resistencias totales en recta y horizontal, en gradiente, por curvatura y por inercia de grandes masas, según:

 2—17 

 

Capítulo 2

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 RT 

  R1l   R1v    R2   R3   R4

[2. [2. 39] 39]

La resistencia total por gradiente y por inercia, serán calculadas para el peso total del tren (Pl+Q), en cambio que la resistencia total por curvatura, será calculada para el peso de la locomotora únicamente. F [Kg]

Curva de Adherencia Global

 F u

Curva de Resistencias Totales

Curva de Esfuerzo Máximo

Velocidad Crítica

Velocidad de Ré ime imen

Velocidad [km/h]

16

Fig.. 2 Fig 2.. 6 Grafico Grafico General General Esfuerz Esfuerzo o – Vel Veloci ocidad dad



VELOCIDAD CRITICA

Las curvas representadas se han generado con propósitos ilustrativos y no representan a ningún material rodante en particular. Fuente: Referencia [10] 16

 2—18

 

Capítulo 2

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La velocidad critica es aquella velocidad donde donde se consigue el es esfuerzo fuerzo de tracción máxim máximoo por simple adherencia. Es un valor teórico de cálculo, servirá para aproximaciones del peso de la carga máxima de arrastre del tren. El esfuerzo tractivo neto de la locomotora locomotora es máxim máximoo para la velocidad critica. 

VELOCIDAD DE RÉGIMEN

Es la velocidad que se usa para par a el diseño geométrico y será la máxima velocidad que desarrolla el vehículo circulando por una determinada topografía y donde el esfuerzo tractivo neto es cero. Gráficamente, la velocidad de régim régimen en esta representada po porr el punto de int intersección ersección de la curva resistencia totales  RT  y la curva de esfuerzos máximos  Fu. El cálculo de esta velocidad se realizara mediante aproximación aproximación por tanteos suces sucesivos ivos ya que esta en función de las resistencias en recta y horizontal de la locomotora y de los vagones, razón por la cual se debe asumir una velocidad tentativa que pueda servir para el cálculo adecuado.

2.8. 2.8. PO POTE TENC NCIA IASS EN LA LO LOCO COMO MOTOR TORA A Para realizar la verificación de la potencia con la fuerza tractiva se partirá de la formula: f ormula: P



  F  V  270

Esta formula de potencia proporciona un resultado muy teórico, por tal motivo, en el cálculo de la potencia en los distintos sectores de la maquina que proporcionara el movimiento, se aplicaran coeficientes que reflejan el rendimiento optimo del motor.

2.8. 2.8.1. 1. PO POTE TENC NCIA IA DE AD ADHE HERE RENC NCIA IA El coeficiente de adherencia es máximo en el arranque, de esta manera se utiliza al máximo el esfuerzo que nos dé la locomotora. La potencia límite que impone la adherencia sobre el esfuerzo motor y las potencias aplicables a un eje, esta dado por la ecuación [2.40] utilizando el esfuerzo máximo de adherencia, antes definido, que es igual a F   Pa  µ .

Pa dh



Pa  µ

V         270  1  0.01  V  

[2. [2. 40] 40]

Donde: Pa dh= Potencia de adherencia [Hp] Pa = Peso de la locomotora [Kg]

 2—19

 

Capítulo 2

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F = Esfuerzo máximo teórico [Kg]

µ = coeficiente de adherencia V = Velocidad [Kph]

2. 2.8. 8.2. 2. PO POTE TENC NCIA IA EN LL LLAN ANTA TA Es la potencia medida en llanta y necesaria para realizar el trabajo en el gancho de la locomotora, que es el punto donde se reflejara el máximo esfuerzo tractivo, tomando en cuenta las perdidas de energía en las cajas de grasa y los rozamientos de los engranajes del motor y las transmisiones a los ejes. Pll



F g  V 

270

[2. [2. 41] 41]

Donde: Pll = Potencia en llanta [Hp]. F g = Esfuerzo en el gancho.

2.8. 2.8.3. 3. PO POTE TENC NCIA IA DE RE RESI SIST STEN ENCI CIA A Es la potencia necesaria para superar la resistencia total al movimiento de la locomotora, producida en las cajas de grasa, en los engranajes y transmisiones del motor y los ejes. Esta en función al rendimiento del motor y a la resistencia que tendrá que sobrepasar para realizar el movimiento, según la ecuación [2.42]. Pr 

 R  V  k      270 η

[2. [2. 42] 42]

Donde: Pr  = Potencia de resistencia [Hp].  R = Resistencia total de la locomotora [Kg]. η = Rendimiento del motor. k = Coeficiente de servicios.

2.8. 2.8.4. 4. PO POTE TENC NCIA IA EN EL GANC GANCHO HO Es la diferencia de la potencia que ejerce la locomotora para realizar el movimiento y la potencia de resistencia a la que esta sometida. Es decir, es la potencia efectiva que llevara a cabo la locomotora para realizar el movimiento y será calcula con la ecuación [2.43].

 2— 20

 

Capítulo 2

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Pg

   Pll  Pr 

[2. [2. 43] 43]

Donde: Pg = Potencia en gancho [Hp].

2.9. 2.9. ES ESFU FUER ERZO ZO TR TRAC ACTI TIVO VO NE NETO TO ETN ETN De la figura 2.6, donde se muestra la curva de esfuerzo tractivo de una locomotora y la curva de esfuerzos totales, se puede deducir que mientras la curva de esfuerzo tractivo este sobre la de resistencia, la locomotora estará acelerando y el punto donde se cruzan las curvas, será conocido como el de velocidad de equilibrio o veloc velocidad idad de régimen, que es la vvelocidad elocidad máxim máximaa admisible para la locomotora en esas condiciones. Entonces el esfuerzo tractivo neto, ETN o ETW es la diferencia del esfuerzo máximo que se puede desarrollar en el aro de la locomotora y la resistencia de esa locomotora en recta y horizontal que ofrece la locomotora y los vagones, como se describe en la ecuación [2.44].  ETN 

F g

  F g  Rv

   F u  Rl

[2. [2. 44] 44]

[2. [2. 45] 45]

Donde:  ETN = Esfuerzo tractivo neto [Kg]. F g = Fuerza tractiva [Kg].  Rl = Resistencia total de la locomotora en recta y

horizontal [Kg].  Rv = Resistencia total de los vagones en recta y horizontal [Kg].

2.10. 2.1 0. CA CAPAC PACIDA IDAD D DE AR ARRAS RASTRE TRE Llamada también, capacidad de tracción, es la cantidad máxima que se pueda transportar con el máximo número de vagones o vehículos sin que ello conduzca al calentamiento excesivo de los motores. Se definirá la capacidad de tracción de una locomotora como la máxima carga a ser remolcada, de tal manera que se garanticen las ssiguientes iguientes condicio condiciones: nes: 

La salida del tren en los puntos más críticos del perfil del trecho considerado.



Operación del tren en las rampas mas pronunciadas y largas, a una velocidad de equilibrio que corresponde al punto de referencia de la locomotora.  2— 21

 

Capítulo 2

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 

La garantía de seguridad en las rampas largas. Utilización de motores de tracción dentro de un rango de temperatura compatible con los límites establecidos por la clase de calentamiento de sus rodamientos.

Para el cálculo se toma en cuenta el Esfuerzo Tractivo Neto ETN, el cual dividido entre la resistencia específica en recta y horizontal de los vagones y de la resistencia en gradiente, proporcionara el peso o tonelaje al que nos referimos.

CA 

 ETN  r v   r 2

[2. [2. 46] 46]

Donde: CA = Capacidad e arrastre [Ton] r v = Resistencia específica en recta y horizontal de los vagones [Kg/Ton] r 2 = Resistencia específica en gradiente [Kg/Ton]

EJERCICIOS PRÁCTICOS17

E.2.1 Utilizando los siguientes datos calcular la velocidad de régimen del trazado. Tomar en cuenta que un trazado esta compuesto por varios tramos y los datos a ser considerados fueron escogidos como los mas críticos a ser vencidos dentro de estos. - Peso de la llocom ocomotora otora Pl = 10 1000 tton on - Peso ddee un vvagón agón Pv = 80 ton - Nume Numero ro de va vagone goness  N v = 8 - Area de la sección frontal de la locomotora locomotora Al = 8 m2. - Area de la secció secciónn fronta frontall del vagón Av = 6 m2. - Trocha de la vía b = 1 m. - Radio de curv curvatura atura (el ma mass desfav desfavorabl orablee en todo el traz trazado) ado) R = 250 m. - Gradiente (la mas desfavorable en tod todoo el trazado) i = 15 o / oo oo - Coefic Coeficiente iente de adher adherencia encia µ = 0.15 - Los esfuer esfuerzos zos máx máximos imos F u están dados en la tabla a continuación: 17

Fuente: Referencia [10] y Elaboración Propia.  2— 22

 

Capítulo 2

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Vel (Kph)

Fu (kg)

20 30 40 50

23700 14790 11305 9350

60 70 80 90 100 110 120 140

7820 6630 5865 5100 4760 4438 3813 3420

 2— 23

 

Capítulo 2

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De las ecuaciones [2.2] y [2.4] tenemos que la resistencia especifica en recta y horizontal es: r l r  v

 0.65 

 0.65 

13.15  pl

13.15

 0.00932    V   0.00456

 Al Pl

 0.01398    V   0.0009428

 pv

 V  2

 Av

 V  2

Pv

donde :  p l



 p v

100     16.66 ton 6 6 P 80  v     20 ton 4 4 Pl

de la ecuación [2.22], tenemos tenemos que la resistencia especifica deb debida ida a la gradiente es igual a:

  i  15

r 2

kg ton

de la ecuación [2.24] tenemo tenemoss que la resistencia especifica en curvatura curvatura esta dada por: r 3



500  b  R

 

500  1 kg 2 250 ton

de la tabla 2.1 tenemos que la resistencia especifica de inercia para trenes de carga esta entre 2 y 3 kg/ton. Por lo que asumiremos 2.5 kg/ton. r 4   

2.5

kg ton

las resistencias totales estarán dadas por las siguientes ecuaciones:  R1

   Rl   Rv

 Rl

  r l  Pl

 Rv

   r v  Q

donde: Q   N  v  Pv

 8  80    640 ton

 R2

  G  r 2

donde: G



Pl    Q

 2— 24

 

Capítulo 2

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 R3

  r 3  Pl

 R4

  r 4  G

donde la resistencia total será igual a:  RT 

  Rl   Rv    R2   R3   R4

calculamos la resistencia total  RT  en función de la velocidad:

Vel (Kph) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 140

rl 1,771 2,047 2,395 2,817 3,311 3,879 4,519 5,233 6,019 6,878 7,811 9,894

rv 1,332 1,336 1,341 1,347 1,355 1,363 1,372 1,383 1,394 1,407 1,421 1,453

r2 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15

r3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

r4 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5

Rl 177,13 204,69 239,55 281,70 331,15 387,89 451,93 523,27 601,90 687,83 781,05 989,39

Rv 852,79 855,30 858,49 862,36 866,92 872,19 878,16 884,86 892,29 900,48 909,44 929,75

R2 11100 11100 11100 11100 11100 11100 11100 11100 11100 11100 11100 11100

R3 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200

R4 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1600

RT 13929,92 13960,00 13998,04 14044,06 14098,07 14160,08 14230,09 14308,12 14394,19 14488,31 14590,49 14819,14

graficamos  RT  vs. F u en función de la velocidad, el la intersección de estas curvas se encontrara la velocidad de régimen:

Vel (kph)

Fu (kg)

RT (kg)

20

23700

13929,92

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 140

14790 11305 9350 7820 6630 5865 5100 4760 4438 3813 3420

13960,00 13998,04 14044,06 14098,07 14160,08 14230,09 14308,12 14394,19 14488,31 14590,49 14819,14

 2— 25

 

Capítulo 2

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F [kg] 25000

20000

15000

10000

5000

0 0

20

60 80 100 Velocidad12[km/h] 0 32 40 De la intersección de las curvas curvas tenemos una velocidad de régimen de 32 kph

E.2.2 Calcular el esfuerzo tractivo neto y la capacidad de arrastre que corresponde a la velocidad de régimen hallada en el ejercicio anterior. Para una velocidad de régimen de 32 kph se tiene un esfuerzo F u aproximado de 14000 kg Calculando las resistencias para una velo velocidad cidad de 32 kph tenem tenemos: os:

r l

 0.65 

13.15  pl

 0.00932    V   0.00456 r l

r v

 0.65 

13.15  pv

 2.11

 Al Pl

kg ton

 0.01398    V   0.0009428 r v

 1.34

 Rl  Rl

 V  2

 Av Pv

 V  2

kg ton

  r l  Pl

 211.08 kg 2—26

 2  26 

 

Capítulo 2

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   r v  Q

 Rv  Rv

 855.89 kg

de las ecuaciones [2.40], [2.41] y [2.42] tenemos:  ETN  F g  ETN 



F u  Rl

  F g  Rv

   F u  Rl

 Rv  14000  211   .08  855.89

 12933 kg  ETN  12933 CA   r v  r 2 1  .34  15 CA  643 Ton  ETN 

E.2.3 Se tiene una resistencia especifica en recta y horizontal de 2.6 kg/ton, un coeficiente de servicios k igual a 1.07, una velocidad de 30 kph, un rendimiento del motor η de 0.8, una resistencia especifica de inercia de 2 kg/ton, una trocha de 1 m, con un peso de locomotora Pl de 100 ton y un peso del tren G de 1200 ton. Se pide calcular c alcular la potencia de una locomotora en función de la topografía.

r 1   

 r 2 A  0  kg  r 2 B  5 ton  r 2C   2 kg ton 

2.6

kg ton

 2  27 

 

Capítulo 2

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r   500  1.676  3.4 kg  3 A 250 ton  r 3 B  0  r 3C   500  1.676  5.6 kg 150 ton  r 4   

 RT 

 RT 

2 kg

ton

Pl

 100 ton

G

 1200 ton

  r 1 

r 2

 

r 4   G  r 3  Pl

  2.6  5  2  1200  5.6  100  RT   12080 kg

la potencia de resistencia será:  R  V  k      270 η 12080  30 1.07   270 0.8 Pr   1795 HP Pr 

Pr 

EJERCICIOS PROPUESTOS18 EP.2.1. Utilizando los datos del ejemplo 3.1 construya una grafica F u vs.  RT, haciendo variar la pendiente en 5° desde 10° hasta 30°. EP.2.2. De la grafica creada en el ejercicio 3.1 calcule el esfuerzo tractivo neto y la capacidad de arrastre para las curvas que pertenezcan a las gradientes de 25° y 30°. EP.2.3. Se tiene una resistencia especifica en recta y horizontal de 4 kg/ton, un coeficiente de servicios k igual a 1, una velocidad de 25 kph, un rendimiento del motor η de 0.8, una resistencia especifica de inercia de 2 kg/ton, una trocha de 1 m, una potencia de 2300 HP, con un peso de locomotora Pl de 200 ton. Se pide calcular el peso del tren G. Considere un tramo recto sin pendiente.

18

Elaboración Propia

 2  28

 

Capítulo 3

Texto Guía Vías Férreas

CAPÍTULO 3

3.

LONGITUD VIRTUAL

3. 3.1. 1. CARA RACT CTER ERÍS ÍSTI TIC CAS

Para entender el concepto de longitud virtual se presentara a continuación algunos conceptos relativos al trazado y al trabajo realizado por un tren entre dos puntos.   Longitud

real. Es el desarrollo efectivo efectivo de un eje para un determin determinado ado camino o trazado.

Entonces se define la longitud virtual de un trazado, como el trazado ideal de una vía en recta y horizontal equivalente a la longitud real estableciéndose varios criterios de equivalencia. Estos criterios son:    

Igualdad en el trabajo mecánico. Igualdad en los gastos de explotación. Igualdad en los tiempos de recorrido. Igualdad en los gastos de tracción.

Las longitudes virtuales se pueden tratar desde dos puntos de vista:  

Desde el punto punto de vvista ista del esfuerzo tractor necesario para vencer la resistencia al avance. Desde el punto de vista de la determinación de gastos totales que produce un determinado determinado recorrido por su trazado en comparación con uno recto y horizontal.

El objeto de la longitud virtual virtual es el de comparar dos o más trazados entre dos eestaciones staciones con la finalidad de  optimizar el tráfico de carga y  reducir los costos de operación, mediante el tren y el trazado más económico. La longitud virtual de un trazado, de longitud real  L r  con rampas, rampas, curv curvas, as, en el que el traba trabajo jo necesario para vencer las resistencias sea el mismo que en el trazado real suponiendo iguales condiciones de velocidad carga y explotación se calculara de la siguiente manera: