Tema 3: La Rodadura Ferroviaria (2024-25) PDF

Ferrocarriles (33544) TEMA 3 RODADURA FERROVIARIA Ferrocarriles TEMA 3: LA RODADURA FERROVIARIA 3.0 INTRODUCCIÓN 3.1 LA RODADURA FERROVIARIA 3.2 RESISTENCIA AL AVANCE 3.3 ESFUERZOS DE TRACCIÓN Y FRENADO, ADHERENCIA 3.4. MOVIMIENTO DEL TREN 3.5 GRÁFICOS DE FUERZAS 3.6 CARGA MÁXIMA DE...

Ferrocarriles (33544) TEMA 3 RODADURA FERROVIARIA Ferrocarriles TEMA 3: LA RODADURA FERROVIARIA 3.0 INTRODUCCIÓN 3.1 LA RODADURA FERROVIARIA 3.2 RESISTENCIA AL AVANCE 3.3 ESFUERZOS DE TRACCIÓN Y FRENADO, ADHERENCIA 3.4. MOVIMIENTO DEL TREN 3.5 GRÁFICOS DE FUERZAS 3.6 CARGA MÁXIMA DE UN TREN Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN PARTES PRINCIPALES DE UN VEHÍCULO FERROVIARIO: CAJAS DE GRASA CAJA (ESTRUCTURA) BASTIDOR EJES BOGIE APARATOS DE TRACCIÓN Y CHOQUE Estructura Caja Cabina Estructura Estructura Cercanías https://ingemetrica.com/estructuras-ferroviarias/ Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN PARTES PRINCIPALES DE UN VEHÍCULO FERROVIARIO: CAJAS DE GRASA CAJA (ESTRUCTURA) BASTIDOR EJES BOGIE APARATOS DE TRACCIÓN Y CHOQUE FUNCIONES CAJA DE GRASA  Transmisión de esfuerzos entre bastidor y eje.  Punto de alojamiento de los rodamientos del eje.  Lubricación del rodamiento del eje.  Soporte de suspensiones primarias, amortiguación entre eje y bastidor de bogie.  Contacto eléctrico para los ejes.  Alojamiento de tacogeneradores para equipos de medida de velocidad de giro de ejes, control de tracción y señalización ferroviaria. Componentes de una caja de grasa tipo. Fuente. RENFE. Material Móvil Ferroviario. Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN PARTES PRINCIPALES DE UN BOGIE: Bogie Trenes de rodadura montados en una estructura separada que permita el movimiento relativo al cuerpo del vehículo. Este proporciona un movimiento seguro del vehículo a lo largo de la vía. Está compuesto por bastidor, juegos de ruedas, cajas de grasa, suspensión elástica y los mecanismos encargados de transmitir fuerzas de tracción (motores) y frenado. Bastidor Estructura metálica o armazón (normalmente de acero soldado) que conforma el conforma el conjunto del bogie, sirviendo de elemento de fijación de ejes, ruedas, motores, elementos de tracción, suspensión, etc. Juego de Se compone de dos ruedas conectadas rígidamente por un eje común. ruedas Las ruedas, junto a los ejes son las partes más críticas de un tren de rodaje. Un fallo mecánico o un exceso en las dimensiones del diseño pueden causar un descarrilamiento. Caja de El mecanismo que permite al juego de ruedas rotar, montando en ella el grasa alojamiento para los rodamientos y también el montaje de la suspensión primaria para fijar el juego de ruedas al bogie o a la estructura del vehículo. La caja de grasa transmite fuerzas longitudinales, laterales y verticales desde el juego de ruedas al resto de elementos del bogie. Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN PARTES PRINCIPALES DE UN BOGIE: Suspensiones El encargado de soportar el peso del vehículo, permitir su movimiento elástico controlado sobre sus ejes y de absorber la energía producida por las irregularidades de la vía para mantener la estabilidad del vehículo, proporcionando mayor confort y seguridad a los pasajeros y/o carga que se transporta. Suspensión primaria: entre el conjunto de ejes y ruedas y el bastidor del bogie, siempre se intercala un sistema de suspensión siendo el primer órgano flexible entre dicho conjunto y el tren. Suspensión secundaria: entre la propia caja del coche ferroviario y el bogie. Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN PARTES PRINCIPALES DE UN BOGIE: Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN PARTES PRINCIPALES DE UN VEHÍCULO FERROVIARIO: Bogie de vehículo autopropulsado de Alta Velocidad. Coche motor de la Serie 103. Fuente. RENFE. Material Móvil Ferroviario. Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN PARTES PRINCIPALES DE UN VEHÍCULO FERROVIARIO: CAJAS DE GRASA CAJA (ESTRUCTURA) BASTIDOR EJES BOGIE APARATOS DE TRACCIÓN Y CHOQUE Eje montado para vagones de metro Eje montado de carga Eje montado de alta velocidad https://www.ghh-bonatrans.com/es/productos/ejes-montados/ Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN PROBLEMA: Transportar lo más económicamente una carga dada en un tiempo establecido. Cantidad de trabajo a emplear en el transporte Potencia a desarrollar para efectuarlo en el plazo deseado P toneladas a transportar L distancia en recta y horizontal Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN PROBLEMA: Planteamiento general FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE EL TREN  Sobre un tren pueden actuar fuerzas a favor: a) Esfuerzo de tracción (esfuerzo motor del tren F) (para el arranque, acelerar y mantener velocidad V) Energía = Trabajo = Fuerza*distancia = F (Newton) · L (m) Potencia (watt)=Trabajo/tiempo=Fuerza*distancia/tiempo=F (Newton) · V (m/s) b) Fuerza de gravedad, que actúa en las pendientes.  También actúan fuerzas en contra del movimiento del tren (a vencer para arrancar, acelerar y rodar a una velocidad V) a) Esfuerzo de frenado. b) Resistencia al avance. c) Fuerza de gravedad de las rampas. Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN Potencia en kW. También puede darse en CV (1 CV = 750 w) Fuerza en daN o en Kg = 9.8 N 10 N 1Kg = 1 daN Velocidad en km/h 1km/h = (1/3.6) m/s El diagrama esfuerzo-velocidad permite visualizar la capacidad de tracción del tren. Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE EL TREN: Sobre un tren pueden actuar en un momento determinado muchas y muy diferentes FUERZAS LONGITUDINALES:  FUERZAS PASIVAS: son aquellas que soporta el tren sin que el mismo realice ninguna acción especial. Son fuerzas pasivas la resistencia al avance (en recta y en curva) y la fuerza gravitatoria.  FUERZAS ACTIVAS: son aquellas que se derivan de acciones del propio tren; en concreto, son las fuerzas de tracción y frenados Estas fuerzas provocan una aceleración sobre la masa del tren que hace que éste se mueva y avance sobre la vía. Ferrocarriles 3.0. INTRODUCCIÓN FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE EL TREN: La dinámica longitudinal se refiere a las componentes de las fuerzas sobre el eje L longitudinal de la vía. Las componentes de las fuerzas sobre los otros dos ejes (H y V) se estudian en el dominio de la infraestructura, ya que condicionan la resistencia de ésta; o al analizar la estabilidad del vehículo. Dinámica de los trenes de Alta Velocidad. Cinemática Ferroviaria. 15 edición. Alberto García Álvarez, Ignacio González Franco Ferrocarriles 3.1. LA RODADURA FERROVIARIA CARACTERÍSTICAS: 1.- La rodadura se establece mediante un contacto acero-acero, esto nos sitúa en unas condiciones cinemáticas de bajo rozamiento y baja adherencia. La dureza de la rodadura hace que pueda soportar cargas elevadas pero que los defectos de la vía produzcan aceleraciones muy fuertes. 2.- El movimiento ferroviario es un movimiento guiado. rigidez en el empleo de las infraestructuras y de las características de los trenes mayor que en otros modos de transporte. Ferrocarriles 3.1. LA RODADURA FERROVIARIA CARACTERÍSTICAS: VENTAJAS INCONVENIENTES - Débil resistencia al avance. - Débil adherencia. - Elevada capacidad portante - Limitación de pendientes de traza. (20 –22,5 tn/ eje) - Contacto rígido. - Bajo desgaste en carriles y - Valor elevado de la relación tara/carga: ruedas. vehículos muy pesados Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE Resistencia al avance es la resultante de las fuerzas que se oponen al movimiento del tren en la dirección longitudinal de la vía, diferentes de las fuerzas de tracción y frenado. La resistencia al avance es siempre una fuerza de valor negativo (se opone al movimiento del tren). Dinámica de los trenes de Alta Velocidad. Cinemática Ferroviaria. 15 edición. Alberto García Álvarez, Ignacio González Franco Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE Froz en daN/t (esfuerzos de resistencia al avance por unidad de peso) A velocidad constante.  En recta y horizontal (RESISTENCIA GENERAL AL AVANCE) - Resistencia mecánica  Resistencia debido al área de contacto, flexión del carril. Pasivas  Rozamiento rozamientos mecánicos internos (en cajas de grasa) - Resistencia debida a la entrada de aire. - Resistencias aerodinámicas: resistencia de presión (choque frontal del tren y succión de cola) y resistencia de fricción.  En rampa.  En curva. Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE ˗ Para lograr que una rueda gire a velocidad constante es necesario aplicar una fuerza en el sentido de la trayectoria que al menos iguale a las fuerzas de rozamiento que se oponen al movimiento. ˗ Esta fuerza es tanto mayor cuanto mayor es la carga vertical que actúa sobre la rueda, de forma que se puede definir el coeficiente de rozamiento a la rodadura. Coeficiente de rozamiento a la rodadura (μ) Peso F Velocidad μ P Resistencia F: la fuerza (mínima) que necesita para lograr la rodadura P: el peso que soporta la rueda Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE ˗ El coeficiente de rozamiento a la rodadura se produce por diferentes causas que desde el punto de vista físico ejercen un efecto acumulativo. Cada uno de los términos corresponde a un efecto distinto:  ( ,  ,  ,  ,  ) 1 2 3 4 5 A. μ1 rozamiento debido al área de contacto B. μ2 rozamiento debido a los rodamientos C. μ3 rozamiento aerodinámico D. μ4 rozamiento debido a las rampas E. μ5 rozamiento debido a las curvas ˗ La fuerza de resistencia a la rodadura vendrá determinada por la fórmula: Q: peso del todo el tren Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE ˗ EN RECTA: suele expresarse con una función polinómica de segundo grado que relaciona, para cada tren, la resistencia en avance en recta con la velocidad instantánea. Fórmula de DAVIS Fresist.avance.recta [daN] siempre de valor negativo, pues se opone al movimiento del tren y tiene sentido contrario a la velocidad. A, B, C, coeficientes que dependen de las características físicas del material rodante, que se miden, respectivamente, en [daN], [daN/(km/h)] y [daN/(km/h)2]. a, b, C, coeficientes específicos de la resistencia al avance, que se miden, respectivamente, en [daN/t], [daN/(t·km/h)] y [daN/t·(km/h)2]. Q peso de todo el tren [t] LA FÓRMULA GENERAL SÓLO PUEDE CONSIDERARSE VÁLIDA PARA VELOCIDADES POR ENCIMA DE 7 A 10 KM/H Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE A. Rozamiento debido al área de contacto µ1 ˗ Deformación tanto de la llanta como del carril, de forma que exista un área de contacto con tensiones aceptables por el material. ˗ Desgaste o pérdida de material por la fricción que se produce en el área de contacto, tanto en la rueda como en el carril y es la causa del desgaste y deterioro que sufren ambos elementos. Fórmula de DUPUIT µ1 coeficiente de resistencia a la rodadura [daN/kg] Area de contacto 2  δ = penetración rueda en carril [m], con   valores normales del orden de 18x 10-8 m. 1 R R = radio rueda (m), con valores típicos en trenes de alta velocidad de 0,45 metros. r1 > r2 R=0,45 [m] µ1= 8,94x10-4 [daN/kg] = 0,894 [daN/t] 15 daN/t para turismos, de 12 daN/t para camiones r2 r1 Froz.rodadura [daN] µ1 entre 0,5 y 0,9 [daN/t] Q [t)] Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE B. Rozamiento debido a los rodamientos (cajas de grasa) µ2 La fuerza que se requiere para superar el rozamiento se transmite a las ruedas por medio de cojinetes o rodamientos alojados en las cajas de grasas. En estos cojinetes también se producen fricciones que equivalen a considerar otro término en el coeficiente de rozamiento. Fórmula de DAVIS Para trenes con una masa media por eje del orden de 20 toneladas, a un valor del coeficiente específico asociado (µ2) de 1,3 daN/t. Froz.interno [daN] Ne [número de ejes del tren] Para trenes con masa del orden 17 Q [t] toneladas por eje, a valores de (µ2) de 1,4 daN/t. Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE Coeficiente de resistencia mecánico La resistencia mecánica al avance es la suma de la resistencia al área de contacto y la de los rozamientos internos. µmecánico (µ1,µ2) Los totales de la resistencia mecánica total (por unidad de masa) para locomotoras y trenes clásicos estaban habitualmente en valores de 1,2 a 2 daN/t. El valor recogido en las fórmulas empleadas en la mayor parte de las administraciones ferroviarias para las composiciones remolcadas, tanto de viajeros como de mercancías, es de 2 daN/t. Este valor encaja bien con las fórmulas clásicas, y permite deducir que 1/3 de la resistencia corresponde a la resistencia a la rodadura y 2/3 a la resistencia de los rozamientos internos. Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE Resistencia mecánica - Coeficiente específico de resistencia a la rodadura, µ1 entre 0,5 y 0,9 (daN/t). - Coeficiente específico de resistencia a los rodamientos internos:  Trenes con masa media por eje del orden de 20 t = 1,3 daN/t  Trenes con masa media por eje del orden de 17 t = 1,4 daN/t ADIF, según Norma Técnica de determinación de las Cargas Máximas Renfe NT- CGC-6, de 2001: Para composiciones remolcadas Para locomotoras, el valor deducido de la fórmula para máquina de 6 ejes y 22t por eje Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE C. Rozamiento aerodinámico µ3 ˗ Resistencia aerodinámica al avance a la fuerza longitudinal que se opone al movimiento como consecuencia de la interacción entre tren y aire circundante con el que choca y lo envuelve. (Régimen laminar / régimen turbulento) ˗ Las ruedas deben vencer la posición del aire situado frente al tren (chasis). ˗ El rozamiento es menor cuando se establece un régimen laminar que hace que las capas del aire que se desplazan queden pegadas al lateral del vehículo. ˗ El rozamiento es mayor cuanta más zona quede afectada por un régimen turbulento. ˗ Por este motivo el frente de las locomotoras se diseña con formas geométricas adecuadas para lograr un régimen laminar del aire (aerodinámicas). Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE C. Rozamiento aerodinámico µ3 Froz.aerodinámico [daN] C coeficiente propio de cada vehículo [daN/(km/h)2] v velocidad instantánea del vehículo [km/h] Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE C. Rozamiento aerodinámico µ3 - La reducción de la resistencia aerodinámica es especialmente importante en los trenes cuando circulan a velocidades altas, típicamente por encima de 160 km/h. - Para minimizar la resistencia en la zona baja es importante carenar los bajos, intentando que todos los equipos y el bogie estén ocultos a la corriente de aire. - Se deben evitar al máximo componentes salientes del tren. - Para reducir la resistencia de fricción es esencial optimizar el perímetro y la longitud del tren. Un aumento de sección puede ser favorable si permite reducir la longitud del tren (es el caso de los trenes de dos pisos o de caja ancha). - El diseño de la cabeza de los trenes de alta velocidad, además de por su incidencia en la resistencia de presión, está muy condicionado por la necesidad de minimizar los fenómenos aerodinámicos en túneles. Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE C. Rozamiento aerodinámico µ3 Partes Aerodinámicas del Tren:  Cabeza (Nariz del tren)  Puertas y ventanas al ras de la carrocería.  No hay espacio entre coches (evitar turbulencias en ese punto)  Base cubierta o carenada Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE C. Rozamiento aerodinámico µ3 En trenes de alta velocidad, la parte del coeficiente C independiente de la longitud del tren está entre de 0,01 y 0,02. Dinámica de los trenes de Alta Velocidad. Cinemática Ferroviaria. 15 edición. Alberto García Álvarez, Ignacio González Franco Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE La parte proporcional a la velocidad al cuadrado (coeficiente C) es de origen aerodinámico y no es proporcional a la masa del tren, sino que depende de la forma y tamaño del tren y de sus características superficiales Para trenes de viajeros (composición remolcada, sin locomotora) a=2, b=0, c=2,22x10-4 Para trenes de mercancías (composición remolcada) a=2, b=0, c=6,2x10-4 Dinámica de los trenes de Alta Velocidad. Cinemática Ferroviaria. 15 edición. Alberto García Álvarez, Ignacio González Franco Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE Coeficientes absolutos y específicos de las fórmulas de resistencia al avance en diversos trenes de alta velocidad Dinámica de los trenes de Alta Velocidad. Cinemática Ferroviaria. 15 edición. Alberto García Álvarez, Ignacio González Franco Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE - Los nuevos trenes, a igualdad de velocidad, ofrecen una resistencia al avance mucho menor que los trenes clásicos. - La resistencia al avance aumenta mucho al incrementarse la velocidad. Dinámica de los trenes de Alta Velocidad. Cinemática Ferroviaria. 15 edición. Alberto García Álvarez, Ignacio González Franco Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE Gráfico, resistencia al avance del Talgo 102 hasta 350 km/h en una rampa de 11,2 mm/m.  La componente aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad. Dinámica de los trenes de Alta Velocidad. Cinemática Ferroviaria. 15 edición. Alberto García Álvarez, Ignacio González Franco Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE D. Rozamiento debido a las rampas µ4 - La fuerza de la gravedad terrestre disminuye (en las pendientes) o aumenta (en las rampas) la resistencia al avance. - Cuando el tren debe ascender por una rampa, existe una componente del peso que se opone al movimiento ya que los valores de la rampa son pequeños y se puede aproximar el seno a la tangente. i es el parámetro que indica la pendiente en el perfil longitudinal del trazado. H μ4  i H W  N  W Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE D. Rozamiento debido a las rampas µ4 Gráfica de la resistencia total en diversas rampas y pendientes (tren alta velocidad Talgo serie 112) La resistencia al avance crece con el cuadrado de la velocidad y la fuerza de la gravedad es independiente de la velocidad. Cuando la pendiente supera determinado valor, la resistencia al avance es positiva, es decir, el tren tiende a acelerarse en ausencia de tracción o freno. Dinámica de los trenes de Alta Velocidad. Cinemática Ferroviaria. 15 edición. Alberto García Álvarez, Ignacio González Franco Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE E. Rozamiento debido a las curvas µ5 Al circular el tren por una curva, existe una fuerza longitudinal retardadora que actúa sobre el tren, por efecto de tres causas (López Pita, 2008): a) Solidaridad de las ruedas y los ejes (las ruedas son solidarias con los ejes y ello hace que giren las dos ruedas del mismo eje con la misma velocidad angular mientras la rueda externa recorre en la curva una mayor longitud). a es el ancho de la vía en metros (1,435 m o 1,668 m o 1 m). f es el rozamiento rueda carril (0,2 es un valor representativo). Q es el peso del vehículo [daN/t] R es el radio de la curva [m] b) Paralelismo de los ejes. a es el ancho de la vía en metros (1,435 m o 1,668 m o 1 m). b es la distancia entre los ejes (empate) [m] f es el rozamiento rueda carril (orden de 0,2). Q es el peso sobre un eje [daN/t] R es el radio de la curva [m] c) Fuerza centrífuga. Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE E. Rozamiento debido a las curvas µ5 Para la resistencia total al avance en las curvas (se ha comprobado empíricamente) responde, aproximadamente, para vía de ancho 1.668 mm, a la fórmula F [daN] Q es el peso del vehículo [t] R es el radio de la curva [m] En vía de ancho 1.435 mm la fórmula es F [daN] Q es el peso del vehículo [t] R es el radio de la curva [m] D μ5  López Pita (2008) R La resistencia al avance en curva pierde importancia al aumentar la velocidad de los trenes, tanto en valores absolutos (porque altas velocidades requieren mayores radios de curva, y por ello se produce una menor resistencia al avance) como relativos (porque con la velocidad crece la resistencia al avance de forma importante) y por ello pierde peso relativo la resistencia inducida por la curva. Ferrocarriles 3.2. RESISTENCIA AL AVANCE E. Rozamiento debido a las curvas µ5 Perfil ficticio, tiene relación con las características geométricas del trazado (rampas y curvas), e influye directamente en el coeficiente de rozamiento a la rodadura. i D μ 4  μ5   1000 R Ferrocarriles 3.3. ESFUERZOS DE TRACCIÓN Y FRENADO, ADHERENCIA  En el ferrocarril convencional la transmisión de esfuerzos tanto para tracción como para frenado se realiza mediante la adherencia metal- metal entre rueda y carril, siendo entonces clave tanto la vía como el material rodante para unos valores óptimos de la misma.  La adherencia es la fuerza que se opone al deslizamiento (patinado) de las ruedas sobre el carril, y por tanto, provoca que el ferrocarril avance. Ferrocarriles 3.3. ESFUERZOS DE TRACCIÓN Y FRENADO, ADHERENCIA  Ventajas adherencia metal – metal: - Bajo coeficiente de adherencia podrá mover cargas muy elevadas con ratios potencia/carga mucho más bajos que en la carretera. - El desgaste, que aumenta claramente según lo hace el coeficiente de adherencia entre las dos superficies en contacto.  Desventajas adherencia metal – metal: - Distancias de aceleración y frenado. Con valores bajos de adherencia y resistencia a la rodadura mayor distancia se requiere para acelerar y frenar. Para reducir desde 200 km/h hasta 10 km/h un tren de la serie 104 necesita casi 3,5 kilómetros (frenada de servicio). - Rampas Una menor adherencia implica una menor fuerza de tracción con respecto al peso del vehículo. Las rampas no hacen otra cosa que aplicar una resistencia extra al movimiento, y en el caso de que esta sea demasiado elevada lo impedirá. Ferrocarriles 3.3. ESFUERZOS DE TRACCIÓN Y FRENADO, ADHERENCIA Definiciones Esfuerzo de Tracción (Et): es la resultante de las fuerzas producidas por el tren en sentido de su marcha y se opone a las resistencias al avance. Esfuerzo de Frenado (Ef): es la resultante de las fuerzas que se realizan desde los diferentes frenos del tren y que se oponen al avance, sumando su acción, por lo tanto, a las resistencias al avance. La resultante de los esfuerzos de tracción y frenado Etf presentes en un momento determinado será positiva (es decir, tendrá el sentido de la marcha del tren) cuando es un esfuerzo de tracción, y negativo (es decir, tiene sentido contrario a la marcha del tren) cuando es un esfuerzo de frenado. Tren traccionando Eft > 0 Et > 0 generalmente Ef = 0 Tren frenado Eft < 0 Ef > 0 generalmente Et = 0 En deriva Eft = 0 Et > 0 y a la vez Ef = 0 Ferrocarriles 3.3. ESFUERZOS DE TRACCIÓN Y FRENADO, ADHERENCIA Esfuerzo de Tracción Esfuerzo de Tracción (Et): se transmite a través de las ruedas motoras al apoyarse éstas sobre el carril y transmitir el par que se produce en los motores del tren. Es diferente para cada vehículo motor, entre cuyas características suelen facilitarse las curvas que determinan el esfuerzo de tracción máximo posible en función de la velocidad. El esfuerzo está muy ligado a la potencia disponible del vehículo. Puede estimarse que la potencia disponible para la tracción eléctrica es un porcentaje (del orden del 80 al 90%) de la potencia de los motores de tracción Ferrocarriles 3.3. ESFUERZOS DE TRACCIÓN Y FRENADO, ADHERENCIA Esfuerzo de Frenado Esfuerzo de Frenado (Ef): se transmite a través de los diferentes recursos (frenos) para disminuir la velocidad del tren. Los frenos empleados pueden estar basados en la adherencia entre rueda y carril (frenos dinámicos o frenos de fricción: zapatas o discos) o emplear otros fenómenos físicos, tales como los frenos por corrientes de Focault o los frenos aerodinámicos. Desde el punto de vista de la dinámica, se clasifican en: - Freno de emergencia es el que emplea el máximo esfuerzo de frenado, y sólo se utiliza en condiciones extraordinarias, ante la necesidad de frenar de forma urgente, normalmente por una incidencia. No se emplea regularmente, puesto que produce unas deceleraciones molestas para el viajero y un desgaste importante en el material rodante. - Freno de servicio, de menor esfuerzo, es el que se emplea de forma regular en la marcha ordinaria del tren. Ferrocarriles  3.3. ESFUERZOS DE TRACCIÓN Y FRENADO, ADHERENCIA Esfuerzo de Frenado Prestaciones mínimas de los frenos en la Para trenes a velocidades ETI de Alta Velocidad convencionales, deceleraciones medias empleadas en Renfe con el freno de servicio:  Para velocidad máxima de 100 km/h, 0,47 m/s2  Para 120 km/h, 0,61 m/s2  Para 140 km/h, 0,77 m/s2  Para 160 km/h, 0,74 m/s2 Para trenes en metros y tranvías: Se denomina Caso A el tren en horizontal, con una climatología normal, con carga normal (80 kg por asiento) y un módulo de freno eléctrico aislado. Se  En recta y horizontal 1,20 m/s2 considera Caso B, las circunstancias del caso anterior y, además, un distribuidor de freno aislado, una adherencia rueda carril reducida y el  En urgencia 1,30 m/s2 – 1,60 m/s2 coeficiente de fricción entre la guarnición y el disco de freno reducido por la humedad. Ferrocarriles 3.3. ESFUERZOS DE TRACCIÓN Y FRENADO, ADHERENCIA Adherencia - El motor de la locomotora provoca el giro de las ruedas sobre las que reposa en el carril. - Gracias al rozamiento que se produce entre estas ruedas (motrices) y el carril, la locomotora avanza desarrollando un cierto esfuerzo de tracción. - Una parte del esfuerzo de tracción sirve para asegurar la propulsión de la propia locomotora y, una vez realizado esto, queda disponible en el gancho de tracción un cierto esfuerzo (esfuerzo útil), que debe ser, para que el tren avance, igual o superior al esfuerzo resistente del tren. - Este proceso pone en juego fenómenos de rozamiento que permiten el desplazamiento de la locomotora sobre el carril. Par motor M aplicado a un eje se traduce a la llanta por un esfuerzo horizontal EM. Si la locomotora avanza es que esta fuerza encuentra sobre el carril que apoya una reacción igual y de sentido contrario RM. La existencia de este apoyo se denomina adherencia. La adherencia será mayor cuanto mayor sea el peso P que apoya la rueda sobre el carril (peso adherente). Existirá adherencia mientras que el esfuerzo EM en la llanta sea inferior a un cierto límite, que es una cierta fracción del peso. EM = P · φ = m · g · φ · 100 EM [daN] m [t] g [m/s2] φ coeficiente de adherencia (φ 0 F es – el tren disminuye velocidad, a < 0 Ferrocarriles 3.4. MOVIMIENTO DEL TREN Ecuación del movimiento Fuerzas Fuerzas retardadoras Depende de Fórmula aceleradoras Resistencia al avance en Masa, velocidad, forma recta y horizontal y tipo de tren. Acción gravitatoria en rampa Masa del tren. Acción Masa del tren, gravitatoria en inclinación de la pendiente pendiente. Masa del tren, radio de Resistencia de la curva la curva. Esfuerzo de Potencia, velocidad, tracción adherencia. Potencia frenado, masa, Esfuerzo de frenado adherencia En recta y horizontal, En curva y horizontal, El esfuerzo de tracción (Et) es incompatible con el esfuerzo del freno (Ef). Ferrocarriles 3.5. GRÁFICO DE FUERZAS Esta curva determina la resistencia que hay que vencer para remolcar un tren a la velocidad elegida. El esfuerzo tractor es el responsable de vencerla proporcionando un esfuerzo igual al resistente para remolcar el tren a esa velocidad. Ferrocarriles 3.5. GRÁFICO DE FUERZAS ˗ R Resistencia del tren a remolcar ˗ C Punto de intersección que corresponde a la velocidad VC en el cual hay equilibrio entre el esfuerzo de tracción desarrollado y la resistencia total a vencer. ˗ VC Velocidad uniforme (régimen) que el tren puede realizar indefinidamente en ese perfil dado Curva característica de un motor o locomotora. Curva ABCD, BCD semejanza con hipérbola equilátera y AB correspondiente a la adherencia. Después de una primera fase de arranque (tras unas vueltas de ruedas) existirá un esfuerzo acelerador que disminuye a medida que la velocidad aumenta y nos acercamos al punto C, que se anula. Por esto, un incremento de velocidad en las velocidades cercanas al régimen VC es más difícil de obtener, tardaremos más tiempo, que un incremento de la misma velocidad cuando el tren rueda a una velocidad más baja. El esfuerzo acelerador en este segundo caso es mayor. Ferrocarriles 3.5. GRÁFICO DE FUERZAS Ferrocarriles 3.5. GRÁFICO DE FUERZAS Ferrocarriles 3.5. GRÁFICO DE FUERZAS Relación entre Fmax por adherencia y velocidad. Relación entre Fuerzas de rozamiento y velocidad. Relación entre Fuerza de tracción y velocidad. Se puede determinar por diferencia entre la fuerza motriz (FM) y la fuerza de rozamiento (FR), la capacidad de aceleración a cada velocidad. Ferrocarriles 3.6. CARGA MÁXIMA DE UN TREN Es necesario en muchos casos conocer cuál es la masa máxima de un tren para que pueda arrancar y circular correctamente. Entre los criterios que limitan la masa máxima de un tren para una determinada tracción dada, están: - El tren debe poder arrancar en el caso de que quede detenido en un punto cualquiera de la línea, y debe poder acelerar para alcanzar la velocidad adecuada de una forma razonable. - El tren debe poder mantener una velocidad compatible con la normal explotación de la línea en todas las rampas y pendientes. Para ello, ha de ser capaz de realizar una fuerza tractora superior a las resistencias que se oponen al movimiento. Esta fuerza tractora puede estar limitada por la potencia disponible o por la adherencia, ya que, como hemos expuesto, el coeficiente de adherencia se reduce con la velocidad. - No deben superarse los esfuerzos admisibles en los ganchos que unen entre sí los distintos vehículos del tren, aunque este límite no sólo es función de la carga total del tren, sino de en qué parte del tren están dispuestas las locomotoras. - El tren debe poder mantener sus prestaciones de frenado (posibilidad de frenar en la distancia requerida en función del tipo de señalización). Ferrocarriles