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2016
Grupo Renfe
1
Material Móvil Ferroviario
Introducción al Material Móvil Ferroviario
Operador de Ingreso de Fabricación y Mantenimiento
Material Móvil ferroviario
ÍNDICE
ÍNDICE .........................................................................................................................................................2
1.
VEHÍCULOS FERROVIARIOS ...................................................................................................................5
1.1
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................5
1.2
TIPOS DE VEHÍCULOS.........................................................................................................5
1.2.1 . VEHÍCULO REMOLCADO..................................................................................................5
1.2.2 VEHÍCULO MOTOR...............................................................................................................6
1.3
CONFIGURACIONES DE LOS VEHÍCULOS MOTORES ................................................8
1.4
SISTEMAS DE TRACCIÓN...................................................................................................9
1.4.1. TRACCIÓN DIESEL ................................................................................................................9
1.4.2. TRACCIÓN ELÉCTRICA ......................................................................................................10
1.4.1 . ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA AUXILIAR ......................................................................12
1.5
COMPONENTES: ÓRGANOS Y ELEMENTOS...............................................................13
2. TRACCIÓN ELÉCTRICA..............................................................................................................................14
2.1.
LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS.........................................................................................14
2.1.1. ESTRUCTURA DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS ..............................14
2.2.
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA .............................................................................16
2.2.1. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS.....................................................................................17
2.3.
MOTORES DE TRACCIÓN DE CORRIENTE CONTINUA ...........................................19
2.3.1. CONTROL DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA ...............................................20
2.4.
MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA ..........................................................................20
2.5.
MOTOR ASÍNCRONO O DE INDUCCIÓN ......................................................................21
2.5.1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO............................22
2.5.2. ARRANQUE DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS .........................................................24
2.5.3. REGULACIÓN DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS.......................24
2.5.4. MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS DE TRACCIÓN ...........................................24
2.6.
MOTOR SÍNCRONO ...........................................................................................................25
2.7.
MOTOR SÍNCRONO DE IMANES PERMANENTES .....................................................27
2.8.
TRANSFORMADORES.......................................................................................................27
2.9.
CONVERTIDORES ..............................................................................................................28
2.9.1. CONVERTIDORES DE TRACCIÓN..................................................................................28
CONVERTIDORES DE CORRIENTE CONTINUA (CHOPPER) ..............................................29
CONVERTIDORES DE CORRIENTE ALTERNA (ONDULADORES)......................................30
RECTIFICADOR................................................................................................................................30
2.9.2. CONVERTIDORES DE SERVICIOS AUXILIARES ........................................................31
2.10. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES............................................................................31
2.10.1. DIODOS .................................................................................................................................32
2.10.2. TIRISTORES .........................................................................................................................33
2.10.3. TIRISTOR GTO.....................................................................................................................33
2.10.4. IGBT........................................................................................................................................34
2.11. FUNCIONAMIENTO DE UN EQUIPO DE TRACCIÓN ....................................................35
2.11.1. LOCOMOTORA S/251. .......................................................................................................35
2.11.2. LOCOMOTORA S/252.........................................................................................................36
2.11.3. LA REFRIGERACIÓN DE LOS EQUIPOS DE POTENCIA...........................................39
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3.
EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN ................................................................................................................40
3.1.
3.2.
3.2.
3.3.
3.4.
4.
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................40
.EL PANTÓGRAFO..............................................................................................................41
DERIVADORES O PARARRAYOS DE ALTA TENSIÓN ..............................................43
SECCIONADORES Y PUESTA A TIERRA......................................................................44
DISYUNTOR PRINCIPAL ...................................................................................................45
VEHÍCULOS FERROVIARIOS DE TRACCIÓN DIÉSEL ........................................................46
4.1.
SISTEMAS DE TRACCIÓN DIESEL..................................................................................46
4.1.1. LOCOMOTORA DIÉSEL.....................................................................................................46
4.2.
AUTOMOTOR O AUTOPROPULSADO DIÉSEL.............................................................48
4.2.1. ESTRUCTURA Y DISPOSICIÓN DE EQUIPOS.............................................................49
4.2.2. TRANSMISIÓN DEL ESFUERZO A LOS EJES..............................................................51
4.3.
MOTORES DIÉSEL EN VEHÍCULOS FERROVIARIOS .................................................52
4.3.1. COMPONENTES DE UN MOTOR DIESEL .....................................................................53
BLOQUE .............................................................................................................................................53
CULATA..............................................................................................................................................53
CARTER .............................................................................................................................................53
CIGUEÑAL .........................................................................................................................................53
ARBOL DE LEVAS ...........................................................................................................................53
CILINDROS / CAMISAS..................................................................................................................53
PISTONES .........................................................................................................................................54
4.4.
MOTORES DIESEL DE CUATRO TIEMPOS ...................................................................54
4.5.
MOTORES DIESEL DE DOS TIEMPOS EN LOCOMOTORAS .....................................55
4.6.
RESUMEN DE FUNCIONAMIENTO ..................................................................................55
4.6.1. FASES DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ...............................................................56
4.7.
SISTEMAS DEL MOTOR DIÉSEL .....................................................................................56
4.7.1. SISTEMAS DE INYECCIÓN DIÉSEL................................................................................57
4.7.2. COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN EN MOTORES DIÉSEL.......................................57
4.7.3. CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE....................................................58
4.7.4. BOMBAS DE INYECCIÓN ..................................................................................................59
4.7.5. INYECTORES .......................................................................................................................59
4.7.6. TIPOS DE INYECCIÓN .......................................................................................................60
4.8.
TRANSMISIÓN DEL PAR MOTOR EN LOS VEHÍCULOS DIÉSEL FERROVIARIOS61
4.8.1. TRANSMISIÓN DIÉSEL- ELÉCTRICA .............................................................................62
4.8.2. TRANSMISIÓN DIÉSEL-MECÁNICA................................................................................62
4.8.3. TRANSMISIÓN DIÉSEL-HIDAULICA ...............................................................................63
5.
SISTEMAS DE RODADURA (BOGIES)....................................................................................65
5.1.
FUNCIONES PRINCIPALES DEL TREN DE RODADURA Y TERMINOLOGÍA .........65
5.2.
VEHÍCULOS SIN BOGIE.....................................................................................................66
5.3.
VEHÍCULOS CON BOGIE...................................................................................................66
5.4.
COMPONENTES DEL BOGIE............................................................................................67
5.4.1. EJE MONTADO ....................................................................................................................68
5.4.2. CAJAS DE GRASAS............................................................................................................70
5.4.3. RUEDAS ................................................................................................................................73
5.4.4. SUSPENSIÓN.......................................................................................................................74
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5.4.5. AMORTIGUADORES...........................................................................................................74
5.4.6. TOPES DE LOS ELEMENTOS DE RODADURA ...........................................................76
5.4.7. BALLESTAS ..........................................................................................................................76
5.4.8. GUÍAS CILÍNDRICAS ..........................................................................................................77
5.4.9. ACOPLAMIENTOS CON VIGA ..........................................................................................77
5.4.10. RESTRICCIONES USANDO ACOPLAMIENTOS RADIALES......................................78
5.4.11. BARRAS DE TRACCIÓN ....................................................................................................79
5.4.12. . CONEXIÓN DE LA CAJA CON EL BOGIE....................................................................79
5.4.13. PLACA CENTRAL PLANA ..................................................................................................79
5.4.14. BOWL ESFÉRICO CENTRAL ............................................................................................80
5.4.15. PIVOTE CENTRAL...............................................................................................................81
5.4.16. UNIÓN WATTS .....................................................................................................................81
5.4.17. UNIÓN DE PÉNDULO .........................................................................................................82
6.
INTRODUCCIÓN AL FRENO FERROVIARIO ............................................................................................83
6.1.
UNIDAD DE FABRICACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE...............................83
6.1.1. EL COMPRESOR.................................................................................................................84
6.1.2. SECADOR .............................................................................................................................86
6.2.
ACTUADORES Y VÁLVULAS EN CIRCUITOS FRENO ................................................87
6.2.1. VÁLVULA DE FRENO DIRECTO ......................................................................................87
6.2.2. VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA......................................................................................87
6.2.3. VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA CON VÍA DE ESCAPE ............................................87
6.2.4. VÁLVULA DE DOBLE EFECTO ........................................................................................88
6.2.5. LLAVE DE AISLAMIENTO PARA TFA Y T.D.P. .............................................................88
6.2.6. VÁLVULAS DE RETENCIÓN .............................................................................................88
6.2.7. VÁLVULA DE FLUJO...........................................................................................................89
6.2.8. VÁLVULAS REGULADORAS.............................................................................................89
6.2.9. MANÓMETROS....................................................................................................................90
6.2.10. ELECTROVÁLVULA DIRECTA E INVERSA ...................................................................90
6.2.11. ELECTROVÁLVULAS SELECTORAS..............................................................................92
6.2.12. PRESOSTATOS ...................................................................................................................92
6.2.13. TRANSDUCTORES .............................................................................................................93
6.2.14. DISTRIBUIDOR DE FRENO...............................................................................................93
6.3.
DIFERENTES FORMAS DE FRENAR ..............................................................................94
6.3.1. FRENO DIRECTO ................................................................................................................94
6.3.2. FRENO INDIRECTO AUTOMÁTICO ................................................................................95
6.3.3. FRENO ESTACIONAMIENTO. ..........................................................................................98
6.3.4. FRENO AUXILIO ..................................................................................................................99
6.3.5. FRENO URGENCIA.............................................................................................................99
6.4.
ANTIBLOQUEO..................................................................................................................100
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1. VEHÍCULOS FERROVIARIOS
1.1 INTRODUCCIÓN
La evolución del transporte por ferrocarril, desde la época de la tracción a vapor, ha estado
marcada por el desarrollo y perfeccionamiento de los motores de combustión y los motores
eléctricos, lo que ha permitido crear nuevas locomotoras y automotores capaces de desarrollar
mayores potencias y alcanzar velocidades más elevadas. Así como los vehículos remolcados
también se han visto mejorados con el tiempo. Coches, vagones, material rodante auxiliar,
material especial y material histórico han ido adoptando las mejoras tecnológicas para tener
mejor funcionamiento, mayor seguridad y mejor rendimiento de cara a la explotación.
1.2 TIPOS DE VEHÍCULOS
Dentro del sistema ferroviario, se puede establecer una clasificación de vehículos en dos
apartados generales, atendiendo a su finalidad:
•
•
•
Vehículos remolcados.
Vehículos motores.
Material auxiliar y material histórico.
1.2.1 . VEHÍCULO REMOLCADO
Un vehículo remolcado es una unidad inerte, susceptible de ser arrastrada por un vehículo
motor, individualmente o formando parte de una composición de varios vehículos remolcados.
Se pueden diferenciar dos grupos de vehículos remolcados:
•
•
Coches: Son vehículos remolcados destinados al transporte de viajeros.
Vagones Son los destinados al transporte de mercancías.
Fig. 1.1. Vehículo remolcado.
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1.2.2 VEHÍCULO MOTOR
Un vehículo motor es una unidad tractora capaz de circular por la línea férrea, bien sea
independientemente o remolcando una composición, impulsada por el par motor que le
proporciona su propio sistema de tracción.
En este apartado se pueden considerar dos grupos:
• Automotores o autopropulsados.
• Locomotoras.
AUTOMOTOR O AUTOPROPULSADO
Es un vehículo motor propulsado en el que la distribución de su planta motriz permite el
transporte de viajeros en el interior del habitáculo que delimita la caja o carrocería. Tiene
capacidad tractora y puede llevar carga comercial.
Un automotor puede estar formado por diversas combinaciones de vehículos
independientes que constituyen un conjunto indivisible de cara a la explotación. Se
distingue entre coches motores y coches remolques, siendo los primeros los que se
encargan de generar la tracción del conjunto.
Figura 1.2. Automotor diésel S/599.
LOCOMOTORA
Es un vehículo motor, que puede ser propulsado mediante motores eléctricos, diésel o
una combinación de ambos. A diferencia del automotor, este es un vehículo
independiente, que se utiliza para remolcar vagones o coches. Tiene capacidad tractora y
no puede llevar carga comercial.
El conjunto de equipos que compone una locomotora eléctrica se puede desglosar en
cuatro grandes grupos:
•
•
•
•
Caja y bogies.
Equipo mecánico.
Equipo eléctrico.
Equipo neumático.
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Fig.1. 3. Locomotora eléctrica.
1.2.3. MATERIAL AUXILIAR Y MATERIAL HISTÓRICO
Son vehículos, con propósitos o funcionalidades especiales, pero que asimismo requieren de
un mantenimiento periódico.
Por material auxiliar se concibe todo aquel vehículo que sirve tanto para el remolcado de
unidades de tren averiadas como el destinado a realizar labores de mantenimiento en vías.
Fig. 1.4. Material auxiliar.
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1.3 CONFIGURACIONES DE LOS VEHÍCULOS MOTORES
Las locomotoras actuales tienen todos los ejes motores. Sin embargo, en los vehículos
automotores se disponen tanto de ejes motores como de ejes portadores distribuidos según
soluciones técnicas del fabricante.
En tal caso, y a efectos de tracción, podemos diferenciar dos conceptos en función de la
localización de los ejes motores:
•
•
Tracción concentrada. Todos los ejes motores se agrupan en vehículos llamados
motrices. Ejemplo S100, S102, S130...
Tracción distribuida. Son aquellos automotores en los que los ejes motores están
repartidos a lo largo de toda la composición. Ejemplo S104, S465, S490...
La tracción distribuida ofrece ventajas sobre la tracción concentrada, siendo las más
importantes:
•
•
Mayor aprovechamiento del espacio sobre bastidor, incrementando el número de
plazas.
Mejor distribución de masas y aprovechamiento de la tracción.
Y como inconveniente:
•
Construcción y mantenimiento más complejo.
Existen vehículos automotores que comparten bogies o rodales entre dos cajas consecutivas,
son los considerados como articulados. Algunas características de esta disposición podrían ser:
•
•
•
En el caso de producirse descarrilamiento, la composición permanecerá solidaria,
siendo imposible el vuelco individual de una caja.
Al disponer de menos bogies que una composición no articulada, se mejoran los
efectos aerodinámicos y los costes de mantenimiento.
Al tener menor número de ejes, obliga a utilizar materiales más ligeros para no
incrementar el peso por eje.
Figura 1.5. Composición articulada.
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A efectos de composición según el número de unidades acopladas, podemos hablar de:
• Composición sencilla. Formada por un único conjunto motriz (locomotora o
automotor).
• Composición múltiple. Formada por dos o más unidades motrices (locomotoras o
automotores). Hablamos de doble tracción (dos vehículos), triple tracción...
Figura 1.6. Composición múltiple.
En este último caso, podemos diferenciar dos situaciones respecto al control sobre la
composición:
• Mando múltiple: Toda la composición se controla desde una sola cabina de
conducción.
• Tracción múltiple: Cada vehículo de la composición se controla de forma
independiente.
1.4 SISTEMAS DE TRACCIÓN
En la actualidad existen vehículos basados en dos sistemas generales de tracción, como son:
•
•
Tracción diésel.
Tracción eléctrica.
1.4.1. TRACCIÓN DIESEL
Un motor de combustión diésel es el que genera la potencia. Según la forma en el que se
transmita el esfuerzo a los ejes motores, distinguimos tres tipos:
•
•
•
Tracción diésel-mecánica.
Tracción diésel-eléctrica.
Tracción diésel-hidráulica.
TRACCIÓN DIESEL – MECÁNICA
La potencia desarrollada por un motor diésel se transfiere a los ejes de forma mecánica,
es decir, mediante sucesivos acoplamientos de piñones, generalmente ubicados en una
caja de cambios, y árboles de transmisión de giro, unidos por juntas fijas o articuladas,
que enlazan el cigüeñal del motor con la caja de cambios, y de ésta, por medio de la
transmisión, a la reductoras de los ejes motores.
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TRACCIÓN DIESEL – ELÉCTRICA
En la cual la potencia desarrollada por un motor diésel, se aplica a un generador
eléctrico, y la energía eléctrica producida por este es la que, a través de un circuito de
control de potencia, se dirige a los motores eléctricos, los cuales transmiten el
movimiento a los ejes. De este tipo son las locomotoras, Loc. S310; S319, S333 Y S334
con motores de tracción de corriente continua y la Loc. S311, con un sistema de control
de potencia basado en un conjunto rectificador-ondulador y motores de tracción de
corriente alterna trifásica.
TRACCIÓN DIESEL – HIDRÁULICA
La transferencia del par motor a las ruedas se efectúa a través de uno o varios
convertidores de par hidráulicos. Por ejemplo, los automotores de las series S592, S594 y
S596.
1.4.2. TRACCIÓN ELÉCTRICA
En estos vehículos, la energía que alimenta los motores eléctricos de tracción se obtiene de un
sistema de suministro de energía eléctrica fijo a través del hilo de contacto de la catenaria.
Se pueden distinguir varios grupos, atendiendo el modo de controlar la potencia de tracción, y
al tipo de motores eléctricos que lleven incorporados.
Con esta clasificación, básicamente, podemos distinguir cuatro tipos:
•
•
•
•
Alimentación CC – Control reostático – Motores CC.
Alimentación CC – Control Semiconductores Chopper CC – Motores CC.
Alimentación CC – Control Semiconductores – Motores CA Trifásica.
Alimentación CA monofásica – Control Semiconductores – Motores CA Trifásica.
ALIMENTACIÓN CC – CONTROL REOSTÁTICO – MOTORES CC.
Es la que está compuesta por un sistema de control reostático clásico, y motores de
tracción de corriente continua. (UT S440; Loc. S269.4)
ALIMENTACIÓN CC – CONTROL SEMICONDUCTORES CHOPPER – MOTORES CC.
En la que se combina un sistema de control chopper con motores de corriente continua
(UT S446; Loc. S251).
ALIMENTACIÓN CC – CONTROL SEMICONDUCTORES – MOTORES CA TRIFÁSICA.
La tensión Consta de un sistema ondulador y motores trifásicos. (Loc. S252; S253; UT
S447, Civias).
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ALIMENTACIÓN CA MONOFÁSICA – CONTROL SEMICONDUCTORES – MOTORES
CA TRIFÁSICA
Dispone de un transformador reductor para adaptar la tensión alterna monofásica de
catenaria de 25 kV. Consta de un sistema rectificador-ondulador y motores CA trifásicos.
(AVE S100, S102; S103, S104; S120; etc.).
1.4.3. LOCOMOTORAS DE LÍNEA
Son vehículos destinados al remolque de trenes. Las partes más importantes que forman una
locomotora son:
La estructura de caja, donde en sus dos extremos se sitúan las cabinas de conducción, en las
cuales situamos los elementos necesarios para el control del vehículo.
Entre ambas cabinas, se sitúa la sala de máquinas, donde se ubica la planta motriz, constituida
por el motor diésel y el generador que transforma la energía mecánica en eléctrica para su
utilización por los motores de tracción.
Figura 1.7.Locomotora diésel de línea S/333.3.
Bajo chasis se localizan, el depósito de combustible, depósitos de acumulación de aire y los
bogies, estructuras de gran solidez, donde se integran los ejes con sus ruedas y los motores de
tracción.
1.4.4. LOCOMOTORAS DE MANIOBRAS
Las locomotoras de maniobras, también conocidas como tractores de maniobras, suelen tener
una sola cabina con dos pupitres para la conducción, uno para cada sentido. La planta motriz
se sitúa bajo una capota con los otros elementos necesarios para completar la transformación
de la energía. En estos vehículos montan motores de dos tiempos, la S/310 y cuatro tiempos la
S/311.
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Material Móvil ferroviario
Figura 1.8. Tractor de maniobras MABI S/311.
1.4.5. FRENO DINÁMICO
Se entiende por freno dinámico aquel que origina el propio sistema de tracción al generar un
esfuerzo contrario al de arrastre; llegando a ser, en el caso de freno eléctrico, la propia inercia
del movimiento de los ejes motores la que induce la retención al avance.
Diferenciamos según el tipo de tracción:
Tracción Diésel:
ƒ Diésel-mecánica: Freno motor.
ƒ Diésel-eléctrica: Freno eléctrico reostático.
ƒ Diésel-hidráulica: Freno hidrodinámico.
Tracción Eléctrica:
ƒ Freno reostático.
ƒ Freno regenerativo.
1.4.1 . ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA AUXILIAR
La alimentación auxiliar es aquella que suministra electricidad a todos los sistemas del vehículo
que necesitan dicha energía. En los vehículos con tracciones eléctricas y diésel-eléctrica,
distinguimos entre alimentaciones de tracción y auxiliar, donde la primera se limita al circuito
eléctrico de potencia o alta tensión.
Como componentes distinguimos:
•
•
•
•
Convertidores auxiliares.
Generadores auxiliares.
Cargadores de batería.
Baterías.
Tipos de alimentación auxiliar:
• Trifásica 400 V / 50 Hz.
• Monofásica 240 V / 50 Hz.
• Continua 24 V, 72 V, 110 V.
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1.5 COMPONENTES: ÓRGANOS Y ELEMENTOS
1.5.1.1
SISTEMAS DIFERENCIADOS EN UN VEHÍCULO FERROVIARIO
Aunque cada uno de los componentes que integran un vehículo ferroviario se puede encuadrar
en un sistema funcional concreto, en ciertas ocasiones, no está tan definida la frontera entre los
diversos sistemas, pues, por ejemplo, un dispositivo del sistema neumático puede interactuar
en el sistema eléctrico o viceversa.
1.5.1.2
VEHÍCULOS MOTORES
El conjunto de equipos que componen un vehículo motor se pueden englobar en los siguientes
grupos:
•
•
•
•
•
•
1.5.1.3
Estructuras de caja y bogies.
Sistemas mecánicos.
Sistemas neumáticos.
Sistemas electrónicos.
Sistemas eléctricos.
Sistemas hidráulicos.
VEHÍCULOS REMOLCADOS
En los remolcados, distinguimos entre los dos subgrupos:
Coches:
•
•
•
•
•
Estructuras de caja y bogies.
Sistemas mecánicos.
Sistemas neumáticos.
Sistemas electrónicos.
Sistemas eléctricos.
Vagones:
•
•
•
•
Estructuras de caja y bogies.
Sistemas mecánicos.
Sistemas neumáticos.
Sistemas eléctricos.
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2. TRACCIÓN ELÉCTRICA
2.1. LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
Entendemos por máquinas eléctricas a los convertidores que transforman, con elevado
rendimiento los siguientes tipos de energía:
• Motores. Energía eléctrica en energía mecánica giratoria.
• Generadores. Energía mecánica giratoria en energía eléctrica.
• Transformadores. Energía eléctrica en energía eléctrica, modificando los niveles de
tensión e intensidad o manteniendo estos niveles pero procurando un aislamiento
galvánico entre su entrada y salida.
Existen otros tipos de máquinas eléctricas, pero estas no son de interés en el campo de la
tracción y por lo tanto no son tratadas en este manual.
Los motores y generadores les denominamos máquinas eléctricas rotativas, mientras que los
transformadores son máquinas estáticas.
Las máquinas eléctricas rotativas tienen la característica de un funcionamiento reversible, es
decir, pueden funcionar como motor o generador.
El funcionamiento de las máquinas eléctricas está basado en los principios básicos de la
electricidad: Ley de Faraday, Ley de Lenz, etc.
Existen traes clases principales de máquinas rotatorias que se utilizan en tracción eléctrica:
máquinas de corriente continua, máquinas asíncronas o de inducción y máquinas síncronas.
Sus características principales son:
•
•
•
Máquinas de corriente continua. Funcionan con corriente continua (o pulsatoria) y
el elemento que las caracteriza es el dispositivo de conmutación mecánica conocido
como colector.
Máquinas asíncronas (de inducción). Es la máquina más comúnmente utilizada
en la industria y desde los últimos años del siglo pasado, la máquina estándar
utilizada en tracción. Se alimenta con corriente alterna y en las versiones más
comunes con corriente alterna trifásica. Es una máquina sencilla, robusta y fiable, lo
que la hace apta para un enorme campo de aplicaciones industriales.
Máquinas síncronas. Es probablemente la máquina de configuración más
diversificada. Su uso tradicional ha sido generalmente como generador. En tracción
eléctrica tiene aplicaciones muy limitadas (por ejemplo AVE S/100)
2.1.1. ESTRUCTURA DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS
Todas las máquinas eléctricas están formadas por dos o más circuitos eléctricos acoplados
magnéticamente. Con objeto de reforzar este acoplamiento magnético, se utilizan como
soporte del flujo magnético, materiales ferromagnéticos que además, proporcionan soporte
estructural a la máquina.
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Las máquinas eléctricas rotativas en general, están formadas por los siguientes elementos
básicos:
•
Estator. Está constituido por chaspas magnéticas aisladas entre sí, alojadas bajo una
carcasa que actúa de protección, proporcionando rigidez y soporte de apoyo. Sobre el
estator se aloja, en ranuras o polos magnéticos devanados eléctricos que, según el tipo
de máquina, hacen la función de excitación (inductores o devanado de campo) o
inducido.
•
Rotor. Constituido igualmente por un paquete de material ferromagnético en forma de
chapas aisladas eléctricamente entre sí, montado sobre el eje de giro. En el rotor se
alojan en ranuras o sobre polos, los devanados eléctricos de inducido o de excitación
(inductores), de acuerdo con el tipo de máquinas eléctricas.
•
El eje del rotor gira sobre rodamientos o cojinetes, que a su vez se montan sobre
bancadas o sobre las propias tapas o carcasas extremas del rotor.
•
Entrehierro. Es el espacio de aire que existe entre estator y rotor. Debe tener la holgura
suficiente para permitir el libre giro del rotor
•
Otros elementos comunes a todas las máquinas son la caja de terminales, placa de
características. Además hay que considerar en cada caso, el sistema de ventilación de
la máquina, en su caso el sistema de conmutación, etc.
Figura 2.1. Estructura de una máquina eléctrica rotativa.
El estudio de las máquinas eléctricas puede realizarse en cualquiera de los muchos textos
generalistas y especializados que existen sobre estos temas, no obstante, a continuación
hacemos un repaso de las principales características de los principales tipos de motores
utilizados en la tracción eléctrica.
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Placa de características
Todas las máquinas eléctricas deben estar dotadas de una placa visible en la que se indiquen
una serie de datos que la caracterizan. En la placa de características se debe incluir
información sobre el fabricante, tipo de máquina, conexiones, valores asignados de potencia,
tensión, intensidad, velocidad, etc.
Figura 2.2. Placa de características.
2.2. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
En nuestro país, salvo puntuales excepciones, los primeros motores utilizados en tracción
eléctrica fueron los motores de corriente continua. Su aplicación se vio favorecida por las
características específicas de este tipo de motores, ventajosa para la tracción, como por
ejemplo elevado par de arranque, su característica par-velocidad semejante a la considerada
como idónea para la tracción. Actualmente todavía se utilizan motores de este tipo, aunque por
lo general restringido a trenes con accionamientos de tecnología convencional (reostática o
chopper) como en las locomotoras eléctricas: S/269, S/251, en locomotoras diesel eléctricas:
S/333, S/334, S/335 y algún material electromotor: S/440, S/470, S /446, etc.
Figura 2.3. Locomotora 269 con motores de corriente continua.
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En este tipo de motores, el circuito magnético del estator tiene como principales elementos los
polos inductores o polos principales, formados de bobinas de cobre alojadas en piezas polares.
Normalmente realizados con chapa magnética apilada.
El circuito magnético del rotor, adopta una forma básicamente cilíndrica, estando el bobinado
de inducido alojado en ranuras uniformemente espaciadas sobre su periferia externa
El elemento específico y característico del motor de corriente continua es el colector, utilizado
para extraer o suministrar corriente eléctrica al rotor. El funcionamiento del sistema colectorescobilla podría asimilarse al de un inversor rotativo, en el cual la tensión continua en las
escobillas se convierte en una f.e.m. alterna que produce la inducción en las bobinas (y
viceversa en el caso de que la máquina actúe como generador).
2.2.1. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS
En las máquinas de corriente continua disponemos de un devanado inducido montado sobre
una estructura magnética cilíndrica y de un devanado de campo (inductor) encargado de
producir el flujo magnético, arrollado sobre unos polos. Generalmente, el devanado de inducido
está alojado en ranuras sobre la periferia de un rotor cilíndrico, mientras que el devanado de
campo se dispone sobre polos magnéticos en el estator de la máquina. El núcleo del rotor y los
núcleos de los polos están construidos de laminaciones de acero.
El colector es una pieza compleja, constituida por una serie de láminas (segmentos) de cobre
duro, denominadas delgas que se mantienen unidas como un conjunto cilíndrico y se
encuentran aisladas entre sí, por sus caras laterales mediante láminas de mica. La unión de
cada bobina del inducido con las delgas del colector se efectúa en la zona denominada talón
de delga.
La superficie externa del colector está en contacto con las escobillas. Se trata de unas piezas
de gratito con ciertos aditivos (escobillas electrometalográficas), encargadas de mantener el
contacto eléctrico entre las bobinas del inducido que se encuentran en movimiento y las
conexiones fijas de la caja de bornes.
Con el fin de dar soporte mecánico y dar un mejor aislamiento eléctrico a los conductores del
inducido, se protegen mediante cuñas aislantes
Figura 2.4. Colector y rotor de un motor de corriente continua.
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Para motores de corriente continua de alta potencia, el flujo magnético tiene que soportar
rápidas variaciones e incluso inversiones de signo, motivo por el cuál se produce lo que se
conoce como reacción del inducido, afectando de tal forma, que las distorsiones del campo
magnético y aumentos de tensión que se producen en el mismo, podrían llegar a destruir el
colector. Para evitar o mitigar este problema, se introducen otros dos tipos de devanados:
Devanado de conmutación. Su función es crear un campo magnético entre dos polos
magnéticos consecutivos opuestos (zona neutra) que contraste el efecto de reacción del
inducido en esa posición. Van montadas sobre los denominados polos de conmutación o polos
auxiliares, situados sobre el estator, pero conectados eléctricamente y en serie con los
devanados del inducido.
Devanado de compensación. Su función es crear un campo magnético igual pero de sentido
contrario al que produce la reacción del inducido. Consiste en un devanado cuyos conductores
se alojan paralelamente al eje de la máquina sobre unas ranuras sobre la periferia de los polos,
de tal forma que la corriente que circula por ellos lo hace en sentido contrario a la de los
conductores del inducido que están debajo.
7
1
6
2
3
1.
2.
3.
4.
5
5.
4
8
6.
7.
8.
Carcasa.
Polo Inductor o Principal.
Bobina inductora.
Polo y Bobina de
conmutación.
Alojamiento de portaescobillas.
Pletina de conexión.
Cable de salida.
Nariz de apoyo.
Figura. 2.5. Conjunto Estator o Inductor.
Las máquinas de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar
corriente de campo que excite los imanes del mismo. El circuito equivalente es el mismo para
generador y para motor, como ya se ha explicado anteriormente en el generador es corriente
saliente mientras que en el motor será entrante.
EXCITACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
Los motores de corriente continua se clasifican según la forma de conexión de las bobinas
inductoras e inducidas entre sí.
•
Máquinas con excitación separada.
o
Excitación independiente.
o
Máquinas de Imanes Permanentes.
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•
Máquinas autoexcitadas
o
Excitación serie.
o
Excitación paralelo (shunt o derivación)
o
Excitación compuesta.
La forma en que se realiza la interconexión de los devanados de inducido y de campo
determinan esencialmente las características de funcionamiento de la máquina.
2.3. MOTORES DE TRACCIÓN DE CORRIENTE CONTINUA
Independientemente de la forma en que se conectan entre sí las bobinas del inducido y del tipo
de devanado, en la práctica de los motores de tracción (y de muchos motores industriales), el
devanado del inducido está alojado en dos capas en las ranuras del núcleo. Las bobinas están
fabricadas con pletinas de forma aproximadamente rectangular, preformadas (las bobinas
están conformadas previamente antes de hacerse el bobinado).
Como en todos los motores utilizados actualmente en tracción eléctrica, el sistema de
aislamiento de las bobinas, entre sí y frente a masa, está formado por materiales aislante de
tecnología moderna y barnices aislantes aplicados mediante técnica VPI, que le confieren
propiedades térmicas de clase F (155ºC), H (180ºC) y 200 (200ºC).
Las máquinas de tracción van conectadas en su funcionamiento como motor con excitación
serie, debido a su elevado par de arranque y, normalmente pasa a conexión con excitación
separada cuando actúan como generadores en su función de freno dinámico.
Figura 2.6. Motor de corriente continua excitación serie.
El motor de tracción de corriente continua está actualmente en desuso debido al exceso de
mantenimiento que requiere respecto a los motores asíncronos, a su elevado peso y volumen
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Figura 2.7.Motor tracción de corriente continua.
2.3.1. CONTROL DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
Al motor no podemos aplicarle directamente la tensión de catenaria, o toda la energía
producida por un generador eléctrico de una locomotora diésel. Si le proporcionamos toda la
tensión, saltaría nuestra protección disyuntor, la subestación, otras protecciones internas, etc.,
debido a que el motor parado supone lo más parecido a un cortocircuito.
Hay que regular la corriente y para ello variaremos la tensión en la medida de lo posible.
Aprovechando que una locomotora o autopropulsado tiene varios motores los conectaremos
en serie al principio y así se reparten la tensión, pero aun así la corriente sería alta, por lo que
usamos resistencias también en serie con el circuito, que tendrán una caída de tensión,
bajando la corriente hasta los valores máximos permitidos por el motor en el arranque.
Figura 2.8.Circuito simplificado tracción serie. S/269.
2.4. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
La evolución de los vehículos modernos hacia el uso de motores de corriente alterna, viene
marcada por la aparición y avance de la electrónica de potencia (particularmente con el
desarrollo de nuevos tipos de semiconductores y la mejora de prestaciones de los mismos) y
de la electrónica de control (uso generalizado de microprocesadores y aplicación de técnicas
dinámicas de control).
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Los motores de corriente alterna utilizados en tracción eléctrica ferroviaria son:
•
•
•
Motores síncronos. Aunque su uso es muy limitado y prácticamente no ha tenido
desarrollo prolongado debido a las buenas características intrínsecas del motor
asíncrono y de los accionamientos utilizados para su alimentación y control.
Motores asíncronos. Actualmente es el motor estándar utilizado en tracción
eléctrica.
Motores síncronos de imanes permanentes. Utilizado en aplicaciones concretas (por
ejemplo en la “automotrice grande vitesse”:AGV).
2.5. MOTOR ASÍNCRONO O DE INDUCCIÓN
Al igual que el resto de máquinas eléctricas rotativas, la máquina de inducción consta de un
estator y de un rotor, el cual está montado sobre rodamientos y separado del estator por un
entrehierro. El estator consta de un núcleo electromagnético, formado por chapas apiladas
ya aisladas entre sí de pequeño espesor (en tracción es típico utilizar chapas de 0, 5 mm).
Interiormente, sobre su periferia circular, se alojan las bobinas del estator distribuidas
uniformemente en ranuras efectuadas al efecto.
Figura 2.9. Detalle estator (motor S/252).
El rotor es cilíndrico y su núcleo está formado también por láminas electromagnéticas
apiladas, frecuentemente del mismo material y espesor que las láminas utilizadas en el
estator (el troquelado de las chapas suele utilizar la misma chapa base para fabricar los
núcleos del estator y rotor)
Existen dos tipos diferenciados de devanados del rotor:
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•
Rotor de jaula de ardilla. El devanado está formado por un conjunto de barras
conductoras conectas entre sí por sus extremos por unos aros del mismo
material, denominados aros de cortocircuito. El material utilizado para la
construcción de estas jaulas puede ser aluminio inyectado o cobre. En los
motores de tracción, especialmente en los motores de media y gran potencia se
utilizan exclusivamente jaulas de cobre. En este tipo de rotores, el devanado no
es accesible físicamente.
Figura 2.10. Rotor de jaula (motor S/253).
•
Rotor bobinado. El devanado polifásico es similar al del estator. Los terminales
del devanado se llevan a unos anillos rozantes para su conexión externa,
mediante escobillas. Este tipo de motores permite modificar el par de arranque y
un cierto control de la velocidad, entre márgenes reducidos, introduciendo
resistencias en serie con el rotor y haciendo variar su valor óhmico. Con el uso
de convertidores electrónicos y las modernas técnicas de control, el motor
asíncrono de rotor bobinado ha dejado prácticamente de utilizarse en
aplicaciones de tracción. Estos motores también se conocen como motores
asíncronos de anillos deslizantes.
2.5.1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO
La máquina asíncrona funciona sobre la base de la interacción entre las corrientes inducidas en
el rotor y los campos del entrehierro. Si se permite que el rotor gire debido al par desarrollado
por la esta interacción, la máquina funciona como motor. De otra manera, el rotor puede ser
impulsado por una fuente externa a una velocidad tal que la máquina comience a desarrollar
potencia eléctrica actuando como generador.
La clave para el funcionamiento del motor de inducción es la creación de un campo magnético
giratorio. Este campo magnético es creado mediante un devanado polifásico espaciado
geométricamente cuando es alimentado por una serie de corrientes desplazadas en el tiempo.
La velocidad de giro del campo es proporcional a la frecuencia de las tensiones de
alimentación del motor (f) e inversamente proporcional al número de pares de polos de la
máquina (p), según la ecuación:
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Obtenemos la velocidad en revoluciones por minuto (rpm), si la frecuencia se especifica en Hz.
Al girar el campo magnético rotatorio en el entrehierro de la máquina, corta a los conductores
del rotor induciendo ellos fuerzas electromotrices que a su vez, originan unas corrientes en el
rotor, las cuales interactúan con el campo magnético en el entrehierro produciendo un par y el
rotor comienza a girar en la dirección del campo giratorio. El rotor alcanzará una velocidad de
régimen permanente n, inferior a la velocidad de giro del campo, denominándose deslizamiento
(s) a la relación:
El deslizamiento es una magnitud adimensional.
De acuerdo con el valor del deslizamiento, tenemos:
•
•
•
nsincronismo > n. funcionamiento como motor
nsincronismo < n: funcionamiento como generador
nsincronismo = n : Al ser iguales las velocidades, el campo magnético no “corta” a
los conductores del rotor y por lo tanto no hay corrientes inducidas y el par se
anula.
La figura siguiente muestra la relación entre el valor del par motor y la velocidad (curva parvelocidad).
Figura 2.11. Curva par-velocidad de un motor asíncrono.
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2.5.2. ARRANQUE DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS
Durante el arranque, la máquina absorbe mayor cantidad de intensidad eléctrica. Estas
corrientes de arranque sobrecargan las líneas de distribución y producen caídas de tensión y
sobrecalentamientos que son perjudiciales para el motor y para la red de distribución. Así pues,
durante el arranque la corriente de alimentación debería estar limitada, pero sólo hasta el punto
en que el motor pueda desarrollar par suficiente para el arranque. Se han desarrollado distintos
métodos para el arranque del motor:
•
•
•
•
•
•
•
Arranque directo.
Arranque por resistencias estatóricas.
Arranque por resistencias rotóricas. Sólo en motores de rotor bobinado.
Arranque estrella-triángulo. En motores de potencia limitada.
Arranque de un motor por transformador.
Arranque por arrancadores suaves.
Arranque mediante convertidores electrónicos.
Los motores de tracción asíncronos utilizan únicamente métodos de arranque complejos
mediante los propios convertidores electrónicos que utilizan para la regulación de su velocidad
y par.
2.5.3. REGULACIÓN DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS
La velocidad de los motores asíncronos responde a la siguiente ecuación:
Si queremos regular la velocidad del motor, podemos hacerlo bien modificando la frecuencia de
alimentación, el deslizamiento o el número de pares de polos.
El número de pares de polos del motor es un parámetro constructivo, por otra parte, la
variación del deslizamiento supone modificar a su vez el rendimiento del motor. Sólo nos queda
como solución técnica y económicamente factible, la regulación de la velocidad por medio de
modificar la frecuencia de alimentación.
Hoy en día existen controladores electrónicos de potencia que ofrecen una gran variedad de
fuentes reguladas que permiten accionamiento de cargas mecánicas a velocidad variable. El
desarrollo de la moderna tracción eléctrica y especialmente de la alta velocidad, ha sido posible
con el desarrollo de accionamientos electrónicos que permiten el control tanto de la velocidad
de giro del motor como del par de carga.
2.5.4. MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS DE TRACCIÓN
El motor asíncrono trifásico se ha convertido en el motor de tracción por excelencia desde los
años ochenta del siglo pasado en toda la gama de potencias (desde la centena de kW hasta
los 1,6 MW. Su tecnología es común en cuanto a la construcción de los devanados del estator
con pletinas, formando devanados preformados, el uso del rotor de jaula de cobre, clases
térmicas elevadas (actualmente clases H y 200) y difieren en cuanto al sistema de ventilación
que puede ser autoventilado en las unidades de menor potencia y con ventilación forzada en
las máquinas más potentes. Es común en todos los motores de tracción alimentados por
convertidores electrónicos el uso de rodamientos aislados.
El estator son tres bobinados intercalados que cuyos finales conexionados en estrella se
interconectan en aros concéntricos que conforman el cierre.
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El material del núcleo de las cajas que reciben el cobre está hecho de un material que sea
permeable magnéticamente a distintas frecuencias no solo a 50 Hz y así mejorar el rendimiento
en su espectro de frecuencias (aleación magnética compuesta por níquel y acero).
El motor de tracción se diferencia de los motores de alta tensión, en que tiene unos distintos
requerimientos en cuanto a resistencia a los distintos esfuerzos a que se ve sometido, así,
mientras suelen ser menores el estrés eléctrico al que se ve sometido (aunque actualmente su
uso conjunto con convertidores estáticos hace menos evidente esta diferencia), los esfuerzos
térmicos, mecánicos y ambientales que debe soportar son mayores.
Figura 2.12. . Motor de tracción asíncrono (locomotora S/252).
2.6. MOTOR SÍNCRONO
Tradicionalmente el uso de la máquina síncrona ha sido como generadores eléctricos y así, se utiliza en la
denominada tracción diesel-eléctrica.
Figura 2.13. Generador síncrono. Estator.
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Figura 2.14. Generador síncrono. Rotor.
El uso del motor asíncrono como motor de tracción, se limita en el parque de nuestra red a su
uso en los trenes de alta velocidad de la serie S/100 (Madrid-Sevilla) como una evolución del
tren francés TGV Atlántico.
La máquina síncrona, en su forma elemental consta de dos partes básicas, la estructura que
crea el campo magnético está formada por un devanado excitado con corriente continua y el
inducido, normalmente trifásico. El inducido es prácticamente igual al utilizado en los motores
asíncronos, no así el rotor que de acuerdo con la velocidad de giro puede ser bien o rotor liso
(altas velocidades) o de polos salientes (es el caso de los motores y generadores utilizados en
tracción).
El devanado de corriente continua está conectado a una fuente externa a través de anillos
rozantes y escobillas. En algunas aplicaciones, se eliminan las escobillas realizándose la
excitación a través de diodos rotatorios.
Figura 2.15. Motor síncrono. Estator y rotor (AVE S/100).
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2.7. MOTOR SÍNCRONO DE IMANES PERMANENTES
Como una evolución del uso de máquinas síncronas como motores de tracción, se han
empezado a utilizar en tracción eléctrica motores síncronos de imanes permanentes, en donde
el rotor deja de ser bobinado para sustituirse por un rotor con estos elementos (AGV y algunos
metros y tranvías)
2.8. TRANSFORMADORES
Es el elemento de alta tensión, que permite el funcionamiento del vehículo en las líneas
alimentadas tanto a tensión de 25 kV, 50 Hz de corriente alterna monofásica, reduciendo dicha
tensión hasta los valores más adecuados para el funcionamiento del vehículo. Para ello,
dispone de un devanado primario conectado a la toma de línea procedente del pantógrafo, y de
varios devanados secundarios conectados a los distintos convertidores.
Figura 2.16. Transformador de tracción (Locomotora S/253).
Los transformadores de elevada potencia, están dotados de un sistema de refrigeración para
mejorar el rendimiento y evitar problemas en los devanados por exceso de temperatura. Para
ello, el transformador se integra dentro de un esquema hidráulico que se compone
normalmente de los siguientes elementos:
• Cuba: Contiene el aceite sintético donde se sumerge la parte activa del transformador,
devanados de cobre pertenecientes al primario y secundarios arrollados en un núcleo
de material ferromagnético, e inductancias de filtro y auxiliares.
• Sistema de refrigeración: Sirve para evacuar el calor producido en los devanados. Se
compone de bombas que impulsan el aceite sintético por un circuito hidráulico a la
unidad de refrigeración, y un vaso de expansión que permite la dilatación libre del aceite
en el sistema.
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• Controladores: Que permiten vigilar el buen funcionamiento del sistema, formado por
presostatos, válvulas de seguridad, sondas de temperatura, indicadores de nivel en el
vaso de expansión, relé Buchholz, etc., para evitar problemas de cortocircuitos,
derivaciones, sobrepresión y sobretemperatura. La actuación de uno de estos
elementos produce, según los casos, desde la limitación de potencia hasta la apertura
del disyuntor.
• Relé Buchholz: Relé detector de gases procedentes del deterioro de las inductancias del
transformador. Activa una alarma y se produce corte de alimentación.
Cuando el vehículo dispone de dos transformadores, se dispone de un seccionador que
permitiría aislar el transformador averiado trabajando con el otro en condiciones degradadas.
2.9. CONVERTIDORES
Un vehículo ferroviario tiene la capacidad de moverse con un fuerte agarre de arranque,
mantener velocidades fijas, y además conviene que tenga la capacidad de detenerse con los
mismos medios que lo hace para traccionar los motores, que son empleados como frenos.
También precisa de un sistema que transforme la energía de catenaria en tensiones para poder
usarlas en sistemas auxiliares de ventilación, carga baterías, alumbrado interno, cafetería, etc.
Para esas operaciones necesitamos en el ferrocarril moderno el uso de convertidores.
2.9.1. CONVERTIDORES DE TRACCIÓN
Denominamos convertidores de tracción a los equipos electrónicos estáticos de potencia,
caracterizados por el uso de dispositivos semiconductores, cuya función es la de adecuar el
valor de la tensión/corriente y frecuencia (en caso de motores de corriente alterna) aplicada al
motor con objeto de su control, desde velocidades de cero rpm hasta su velocidad máxima
(tracción) o desde su velocidad de giro actual hasta su parada (freno) así como la de su
inversión del sentido de giro.
En tracción eléctrica se utilizan básicamente los siguientes convertidores:
•
•
•
•
Convertidor continua – continua (chopper).
Convertidor alterna – continua (rectificador).
Convertidor alterna – alterna.
Convertidor continua – alterna (ondulador o inversor).
En la figura siguiente se muestran las disposiciones de los circuitos de potencia más comunes
utilizadas en tracción eléctrica.
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Figura 2.17.Disposición de los sistemas de potencia.
CONVERTIDORES DE CORRIENTE CONTINUA (CHOPPER)
Convierten tensión continua comprendida entre 2 a 3,8kV de catenaria en tensión continua
variable de 0 a casi la máxima y limitada en corriente.
Ejemplo: Locomotoras Chopper 440/500, 445 (proyecto CDTI) 269/600 250, 251, 446,
suburbanos, etc.
Figura 2.18. Chopper.
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CONVERTIDORES DE CORRIENTE ALTERNA (ONDULADORES)
Transforman tensión continua en otra tensión alterna variable en amplitud y frecuencia.
Ejemplo: Onduladores trifásicos de tracción locomotora 252, 253 y trenes alta velocidad 100,
102, 103, 104, 130, 120, 112 etc. ancho internacional. Tienen posibilidad de devolver tensión a
catenaria.
Figura 2.19. Convertidor de tracción.
RECTIFICADOR
Convierten tensión alterna en tensión continua. Los rectificadores controlados son capaces
de regular la tensión de salida continua.
Ejemplo: Convertidor 4Qs locomotoras 252, Alares, 490, 449 etc. También dispone de
posibilidad de devolver tensión a catenaria.
Figura 2.20-. Dispositivo control y convertidor.
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2.9.2. CONVERTIDORES DE SERVICIOS AUXILIARES
Son necesarios para la ventilación de los propios motores de tracción resistencias de freno,
carga de batería, aire acondicionado, etc.
Normalmente son alimentados por tensión estabilizada continua y generan 380 0 440V
trifásicos estables, como es el caso del CSA en 252, Auxiliar de 253, HBU de 447, etc.
Estos convertidores suelen tener una salida fija a 50 Hz. También disponen de salida variable
para poder cambiar el número de revoluciones de los ventiladores y satisfacer la demanda de
caudal dependiendo de las temperaturas. Se suele hacer en varios escalones de 23 Hz, 30Hz
40Hz, 50 y 60Hz.
Figura 2.21. Convertidor de servicios auxiliares.
Normalmente existen dos equipos gemelos por locomotora o autopropulsado. Están diseñados
para que en caso de rotura de uno de ellos el otro se haga cargo de los consumidores que
quedaron sin alimentar, equilibrando las cargas mediante contactores y optimizando el
rendimiento del que queda operativo.
2.10. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES
Repasamos brevemente las características de los semiconductores de potencia y su uso en
tracción eléctrica.
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2.10.1.
DIODOS
Conforman la base de la electrónica, desde las primeras válvulas hasta la actualidad.
Figura 2.22. Diodo.
Son dispositivos que se comportan como un conductor cuando la corriente va en un sentido y
como un aislante cuando la corriente va en contra.
La corriente entra por el ánodo y sale por el cátodo.
Como dispositivo semiconductor tiene una caída de tensión que no varía mucho dependiendo
de la corriente pero si de la temperatura, que oscila entre los 0.6/0.7 V en un diodo de silicio,
0.3V en un germanio (ya obsoletos) y en dispositivos ferroviarios de alta corriente entre 0,2 y
0,1V.
Presentan varios tipos de encapsulado dependiendo de la aplicación. El más usado en
potencia en Renfe es el Press-Pack (paquete comprimido) con la toma de ánodo y cátodo en
los extremos, y el cuerpo aislante de porcelana que alberga el dispositivo semiconductor en su
interior. Se montan en estructuras portables para favorecer el intercambio, llamadas módulos,
stacks o gavetas.
Figura 2.23 Distintos tipos de encapsulado de potencia.
Este tipo planos para ser montados en Press-Pack, deben ser probados ligeramente
comprimidos, por ejemplo, en un tornillo de banco, debido a que nos puede falsear la medida
por falso contacto de los discos internos (abierto).
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2.10.2.
TIRISTORES
Son como diodos, pero les distingue en que aun estando polarizado correctamente no conduce
hasta que no apliquemos corriente entre una patilla de mando llamada puerta y cátodo.
Figura 2.24. Símbolo de Tiristor.
Son rápidos en sus transiciones de “conducir” o “no conducir” superando con creces a un
contactor extrarrápido, dejan pasar mucha corriente y su caída de tensión es baja cuando
conduce, pero sufre bastante durante el pequeñísimo tiempo de conmutación (5 a 10
nanosegundos) por lo que tiene que ser auxiliado con bobinas que contengan el incremento de
corriente.
Una vez que conducen, a pesar de interrumpir la corriente de puerta, la corriente principal no
se extingue y solo hay dos maneras de apagarle:
¾ Interrumpiendo la corriente exteriormente mediante un contactor o disyuntor.
¾ Haciendo circular una corriente contraria superior a la circulante entre ánodo y cátodo.
Este último sistema usado en los sistemas de tracción chopper es el llamado circuito de
conmutación (tiristores auxiliares que apagan tiristores principales).
2.10.3.
TIRISTOR GTO
A diferencia del tiristor típico la corriente de puerta comanda no sólo la conexión sino que tiene
la característica de comandar también la desconexión.
Figura 2.25. Tiristor GTO encapsulado Press-pack.
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Para ello invierte la polaridad de la señal y con mínimo 1/3 de la corriente que comanda entre
ánodo y cátodo procederá al corte.
La ventaja es que evitamos el engorroso y delicado “circuito auxiliar de apagado de principales”
que tenían los tiristores.
Las caídas de tensión al ser más modernos han sido también reducidas, por lo que mejoran las
pérdidas por calor en el convertidor.
El inconveniente es que usamos electrónica de potencia para controlar la electrónica de
potencia, ya que si comandamos 900 A, es preciso dar un pulso, pequeño en tiempo, pero de
300 A mínimo para garantizar el apagado y por ello complica y encarece el sistema. Este
mando de puerta complejo constituye la “gate unit” de las locomotoras S/252, ordenado y
vigilado por fibra óptica.
Figura 2.26. Gate Unit. Unidad de disparo tiristores S/252.
Su mando desde el armario de electrónica se hace por medio de transformadores de
aislamiento o fibra óptica.
2.10.4.
IGBT
Es el semiconductor estrella de la actualidad.
Figura 2.27. Esquema IGBT.
Figura 2.28. Transistor Bipolar IGBT. Locomotora
S/253.
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Se considera un transistor porque realmente es un transistor bipolar con la puerta aislada, es
decir, que aquella corriente de base que veíamos en el transistor ahora es una señal de puerta
que presenta elevada resistencia al estar aislada como si fuese un condensador.
El mando se hace internamente en el semiconductor por electrostática.
La principal ventaja es por el mando, ya que es comodísimo trabajar con tensiones de control
inferiores a 12 V .y comandar tensiones próximas a los 4000 V y con un control de pocos
miliamperios controlar corrientes de hasta 1200 A.
Además el mando puede ser muy ágil permite interrupciones periódicas de hasta 400 Hz,
comportándose muy bien ante el crecimiento de la corriente.
La señal de puerta, para evitar problemas de aislamiento se hace por fibra óptica.
El inconveniente superado es la disipación de potencia, que las caídas de 0,2 V en conducción
se han visto incrementadas a 1,2 V, 0,8 V en el mejor de los casos.
2.11. FUNCIONAMIENTO DE UN EQUIPO DE TRACCIÓN
Emplearemos el modelo basado en el convertidor de la locomotora 251 como uno de los más
fiables para motores de corriente continua y el de la locomotora 252 como el más completo
para corriente alterna.
2.11.1.
LOCOMOTORA S/251.
La tensión de catenaria, después de pasar por el disyuntor, alimenta a un filtro de red que está
formado por tres bobinas y varios condensadores en paralelo. Esta configuración sirve de
fuente de energía ante picos de corriente demandados por convertidores y a su vez de filtro
para evitar que los ruidos eléctricos generados por dichos picos afecten a la catenaria y a otras
locomotoras o equipos de vía.
Como el condensador consume muchísima energía cuando esta descargado es preciso dotarle
de un sistema que limite la corriente de carga, llamado circuito de precarga que introduce una
resistencia en serie para evitar que abra el disyuntor o dañe el propio condensador.
De ahí se distribuye a los servicios auxiliares generadores de 380 V y también a los contactores
que le aislarán de la red en caso de fallo.
Todos los convertidores disponen un contactor de entrada en todas las locomotoras para esta
función de corte del sistema o motor de tracción.
La tensión de catenaria pasa por un chopper (dispositivo que procede de la traducción literal
del inglés troceador) que interrumpe la corriente para conseguir, dependiendo del ancho de
pulso, la duración del tiempo expuesto a la tensión de red, poder regular y variar la tensión de
salida.
Se comporta como un interruptor que cortará 300 veces por segundo la tensión, por tanto
también la corriente. Con la ayuda de las bobinas y el diodo de rueda libre conseguiremos una
tensión variable desde 80 V hasta prácticamente la tensión de catenaria.
La tensión de catenaria pasa por un chopper (dispositivo que procede de la traducción literal
del Inglés troceador) que interrumpe la corriente para conseguir, dependiendo del ancho de
pulso, la duración del tiempo expuesto a la tensión de red, poder regular y variar la tensión de
salida.
Se comporta como un interruptor que cortará 300 veces por segundo la tensión, por tanto
también la corriente. Con la ayuda de las bobinas y el diodo de rueda libre conseguiremos una
tensión variable desde 80 V hasta prácticamente la tensión de catenaria.
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Figura 2.29. Esquema Eléctrico Circuito potencia Loc. S/251.
Para repartir la corriente y descargar las bobinas de alisado usamos dos ramas o fases de
chopper que disparan 180º entre si y consiguen aminorar el rizado.
Cuando la tensión se corta en los tiristores lo hará también la corriente y la energía que
quedaba almacenada magnéticamente se recircula a través de las dos ramas de diodos
antiparalelo, estabilizando el esfuerzo en llantas.
El campo queda en serie con el motor y tenemos el circuito establecido hasta negativo carril
para traccionar.
El chopper dispone de transformadores de corriente y tensión que tienen como misión informar
a la electrónica de los valores de corriente y tensión que obtenemos y de los que partimos.
2.11.2.
LOCOMOTORA S/252
Al subir pantógrafo un transformador informa a la electrónica de mando de la tensión de red.
Esta locomotora es bitensión, o sea que puede trabajar en catenarias de 25 kV en corriente
alterna y 3 kV en corriente continua.
En nuestro caso al detectar los 3000 V DC la electrónica configura el aparellaje, contactores,
selector, transformador, etc. como para esa tensión de trabajo, realizando un test que cierra los
contactores (excepto disyuntor) para probar que funcionan correctamente.
Para proteger al convertidor, usa unos equipos denominados de precarga que prueban al
convertidor antes de que vea la tensión de catenaria. En el momento en que se encuentra y las
precargas inyectan 200 V donde entrarían los 3000 V. Unos detectores de tensión valoran,
mediante un programa, la curva de carga y descarga, y si es correcta admite cerrar disyuntor.
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Figura 2.30 Circuito simplificado Convertidor 3 kV loc. S/252.
Una vez una vez que cerramos disyuntor realizamos una carga del condensador de filtro
mediante resistencia, y arrancamos el chopper de entrada, un dispositivo cuya misión es cargar
unos condensadores a una tensión variable dependiendo de la demanda del esfuerzo.
Normalmente arrancan a 2400 V y puede elevarse hasta 2800 V.
Figura 2.31. Chopper bifásico.
Este circuito intermedio es nuestra fuente de energía, donde tenemos que tener tensión
siempre presente y por ello nos proporcionará corriente cuando pulsemos los onduladores que
son los que generan tensión alterna trifásica para motores de tracción y también para los
servicios auxiliares de ventiladores, compresor, cargador de batería, etc.
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En esta locomotora se considera tan importante este circuito intermedio que los diseñadores
descargaron al procesador de su gestión y encargaron su trabajo a un subprocesador de su
tarea.
Cuando frenamos los motores se convierten en generadores y el circuito intermedio que antes
se alimentaba de catenaria ahora es alimentado por la tensión que proporcionan, siendo ahora
el chopper de entrada el encargado de elaborar la tensión hacia catenaria para ser devuelta. El
condensador de circuito intermedio no puede sobrepasar la tensión de 2900 V y si la catenaria
no lo acepta tenemos que disparar el chopper de freno, un tiristor que hace pasar una corriente
regulable a las resistencias de freno y estas lo disiparán en calor.
El resto de locomotoras y vehículos autopropulsados, son parecidos, aunque en casos como la
serie S/253 el circuito intermedio no existe, manejando el concepto DC Link, dejando al
condensador de filtro como reserva de energía debido a la agilidad y características de los
IGBT (6500 V) y su control que suplen rápidamente las demandas de energía adaptándose en
cuestión de nanosegundos.
Figura 2.32. Inversor trifásico.
Para conseguir la corriente alterna disparamos secuencialmente los tiristores GTO, o los IGBT,
depende del vehículo, e iremos abriendo caminos a la corriente desde el positivo de circuito
intermedio hasta las bobinas, y una vez allí cerraremos interruptores para su retorno al negativo
del condensador de circuito intermedio.
Secuencias correctas son, por ejemplo 1+4; 1+4+6: 3+6+2; 3+2…etc. pero nunca los dos
interruptores del mismo módulo, que generarían un cortocircuito franco a la alimentación.
Para cambiar el sentido de giro del motor simplemente cambiamos la secuencia de disparo,
retrasando una fase con respecto a otra.
En freno, para que el motor se comporte como generador, simplemente la electrónica vigilará
que la frecuencia del estator sea inferior a la del rotor, (deslizamiento negativo) y la energía
producida por los motores circulará por los diodos de rueda libre que disponen todos los
semiconductores de potencia en paralelo.
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2.11.3.
LA REFRIGERACIÓN DE LOS EQUIPOS DE POTENCIA
Todos los convertidores tienen pérdidas, hasta los transformadores que tiene un buen
rendimiento 98% ferroviariamente han de ser refrigerados por sus componentes armónicas.
La energía para refrigeración nace de los convertidores auxiliares.
Los motores de tracción tienen sus pérdidas tanto en el cobre de sus devanados como en el
hierro de sus núcleos, y han de ser refrigerados por aire, ventiladores que introducen aire
filtrado de sala de máquinas y es expulsado por sus rejillas en los bogíes.
Motores de tracción de mediana potencia como los Civias, 440, 444 (unidades
autopropulsadas) son autoventilados con turbinas formadas por álabes caladas en el propio
eje.
Por ejemplo Civia usa el sistema de hermeticidad, en el cual se hace una recirculación interna
de aire siendo un intercambiador el que disipa el calor con el aire externo.
En casos de grupos de tiristores como la S/251 y sus bobinas de filtro, son refrigeradas por
ventiladores que hacen circular aire, (ventiladores de chopper).
Locomotoras como la S/252, los tiristores GTO son refrigerados por freón en una cuba que
contiene este gas licuado, entra en ebullición y se produce una atmosfera intercambiando el
calor hacia la estructura de aluminio que lo soporta, condensando el líquido y precipitándose de
nuevo para evaporarse. Solo precisa energía externa para la ventilación de aire de las cubas y
enfriar el freón.
Figura 2.33. Sistema refrigeración tiristores por ebullición de freón S/252 y S/447.
Los transformadores y bobinas auxiliares son refrigerados por aceite y bombas que se
encargan de mantener un alto flujo usando radiadores ventilados como intercambiadores.
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3.
EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN
3.1. INTRODUCCIÓN
El equipo de alta tensión, tiene como misión tomar la corriente de catenaria y alimentar
mediante los componentes necesarios a los motores de tracción, equipos auxiliares y líneas de
alta tensión del tren. Por tanto, estos equipos intervienen directamente en el desarrollo de la
potencia del vehículo, tanto en tracción como en freno eléctrico.
La configuración del equipo variará en función de la tecnología aplicada. Las características
generales que intervienen en el equipo de alta tensión se pueden observar en los siguientes
esquemas:
Figura 3.1. Circuito tipo de alta tensión para vehículos de corriente continua (c/c 3000 V.)
El circuito de potencia queda establecido cuando el pantógrafo contacta con la catenaria y se
cierra el disyuntor. En este instante, la tensión de catenaria 3.000 voltios de corriente continua,
está presente en el vehículo.
En el apartado de sistemas de electrificación de corriente continua y motores de corriente
alterna, encontramos una gran cantidad de vehículos, debido a la evolución en la electrónica de
potencia aplicada a motores de corriente alterna.
En el caso de vehículos de corriente alterna, la alimentación eléctrica es de 25.000 V, 50 Hz
monofásica.
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Figura 3.2. Circuito tipo de alta tensión para vehículos de corriente alterna (c/a 25000 V).
Los vehículos motores de corriente alterna, disponen de un transformador, que además de sus
devanados para la tracción, pueden llevar los transformadores trifásicos para los servicios
auxiliares y para línea de alimentación del tren, las inductancias y bobinas para filtrado.
Bajo el bastidor, según el tipo de vehículos se pueden encontrar distintos elementos de alta
tensión como pueden ser, los grupos motores alternadores, resistencias, transformadores,
reactancias, convertidores de tracción, convertidores auxiliares entre otros.
3.2. .EL PANTÓGRAFO
El pantógrafo es el componente del equipo de alta tensión destinado a captar la corriente de
catenaria.
Está sujeto al techo del vehículo mediante aisladores. El paso de la corriente al interior del
mismo se realiza a través de pasamuros aislantes.
El conjunto de los elementos que lo componen, deben aportar la suficiente estabilidad y rigidez
para permitir la captación de corriente en cualquier situación aerodinámica y de velocidad para
la que ha sido diseñado.
El bastidor es el armazón que soporta el sistema articulado, el mecanismo de elevación y la
mesilla.
Está formado por largueros metálicos que apoyan sobre aisladores en el techo del vehículo.
Para conseguir la elevación y mantenimiento del pantógrafo, es necesaria la presión suficiente
de aire comprimido, proporcionada por la instalación neumática del vehículo.
Ésta se aplica sobre un accionamiento neumático, que a veces se complementa con resortes.
La pérdida de presión, provocará el descenso del pantógrafo.
Cada pantógrafo tiene una o dos mesillas, situadas en la parte superior del sistema articulado,
disponen de un mecanismo de suspensión que las estabilizan y amortiguan, permaneciendo lo
más paralelas posible respecto al techo del vehículo.
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Figura 3.3. Ejemplo de elementos de Pantógrafo: (S/253).
1. Bastidor de base.
2. Brazo inferior.
3. Cable metálico.
4. Accionamiento de la elevación.
5. Eje de inserción.
6. Pasador de aletas.
7. Manguera de conducción de aire comprimido.
Entre otros elementos que pueden disponer los pantógrafos, se encuentran los siguientes:
Sistemas de amortiguación: Garantizan un buen comportamiento de contacto entre mesilla y
catenaria, corrigiendo las pequeñas variaciones de altura entre ellos. En unos casos tienen
amortiguadores entre el bastidor y el sistema articulado, pudiendo también disponer de
amortiguadores ubicados entre las mesillas y el sistema articulado.
Figura 3.4. Pantógrafo de locomotoras S/253.
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Detectores de desgaste o impacto de frotadores: Son dispositivos automáticos de descenso, de
efecto neumático e inmediato, en los que el pantógrafo baja automáticamente en caso de
daños o desgaste excesivo en frotadores, evitando así, daños mayores en la catenaria y en el
pantógrafo. Consiste en un tubo colocado en la mesilla, que contiene aire comprimido, en caso
de rotura del tubo el aire comprimido se escapa y el accionamiento neumático del pantógrafo
desciende por la pérdida de aire.
Válvula de doble etapa: Se utilizan para conseguir la elevación o el descenso del pantógrafo
en dos impulsos, uno inicial de elevada presión; y el segundo, más moderado, que facilita un
contacto suave sobre el hilo de contacto o sobre su propio bastidor. Permiten la elevación y
descenso de pantógrafo con independencia de la velocidad del vehículo.
Limitadores de altura: Acota la altura de trabajo del pantógrafo a un valor regulable en el
mecanismo de elevación, evitando la posible inutilización del pantógrafo por falta de contacto
con la línea.
Debido a que las características mecánicas y geométricas de la catenaria, son distintas para
los sistemas de electrificación de corriente continua y corriente alterna, es necesario que el
pantógrafo se adapte a dichas diferencias, sobre todo en función de su geometría de mesilla y
sus propiedades eléctricas (intensidad de trabajo, tensión, etc.). Existiendo pantógrafos para
corriente continua y para corriente alterna.
3.2. DERIVADORES O PARARRAYOS DE ALTA TENSIÓN
El pararrayos o derivador de alta tensión, es un elemento de protección específico diseñado
para vehículos eléctricos, montados generalmente en el techo, próximos a los disyuntores o
seccionadores de línea de techo, protegen de descargas atmosféricas, y de sobretensiones
transitorias que puedan presentarse, tanto en la catenaria, como por la apertura del disyuntor
principal o seccionadores.
Figura 3.5. Pararrayos de c.a. Derivador de AT (S/130).
Existen variantes para su funcionamiento, tanto en corriente continua como en corriente
alterna. Debido a que están sometidos a condiciones climáticas extremas y vibraciones, deben
cumplir exigentes requisitos en cuanto a la estabilidad térmica, mecánica y eléctrica. Además,
en caso de actuar, debe ser resistente a la rotura, para garantizar la seguridad de las personas
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3.3. SECCIONADORES Y PUESTA A TIERRA
Los seccionadores son los elementos encargados de interrumpir la tensión en un circuito. El
seccionador puede actuarse de forma manual o automáticamente mediante actuadores
neumáticos o eléctricos. Esta exclusión puede deberse a una posible avería o inutilización en
algún componente del vehículo, siendo necesario excluirlo para poder seguir prestando servicio
en condiciones degradadas. Por ejemplo, seccionador de pantógrafo, seccionadores de puesta
a tierra en disyuntores principales, seccionador de línea de techo, seccionador de motores de
tracción, entre otros.
En vehículos aptos para circular por los dos tipos de sistemas de corriente, c.c. y c.a., estos
elementos, permiten aislar la parte del circuito de alta tensión que no permanezca operativa,
impidiendo la alimentación eléctrica de los circuitos excluidos.
Figura 3.6. Seccionadores de pantógrafo.
También se utilizan en determinadas operaciones para garantizar la seguridad de las personas,
particularmente, en los vehículos eléctricos se utilizan para la puesta a tierra.
Para proporcionar seguridad y evitar cualquier riesgo de electrocución, las cámaras de alta
tensión, los armarios o cofres de alta y media tensión, suelen estar cerrados mediante llaves.
Para poder acceder a su interior, se proporciona en los vehículos eléctricos un proceso
conocido como puesta a tierra. Consiste en obtener dichas llaves de una forma secuencial,
mediante una serie de pasos que garanticen la falta de tensión en los emplazamientos
correspondientes en el momento de abrirlos. Del mismo modo se evita una manipulación
indebida, impidiendo la actuación de determinados elementos, como por ejemplo, el bloqueo
neumático al sistema de elevación de pantógrafos.
Con las diferentes llaves, se puede tener acceso a armarios de convertidores y cámara de alta
para seccionamiento de pantógrafos y todas las operaciones de reparación y mantenimiento
necesarias.
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3.4. DISYUNTOR PRINCIPAL
Es un interruptor, destinado a establecer y proteger el circuito de alta tensión en los vehículos
eléctricos. Reacciona de forma muy rápida, interrumpiendo la conexión entre catenaria y
vehículo, evitando posibles daños. Se conoce también como disyuntor extrarrápido.
Figura 3.7. Regleta o Caja de llaves.
De forma directa, la tensión captada de catenaria por medio del pantógrafo, se transmite al
circuito principal de corriente del disyuntor principal. Esto se consigue mediante cables
llamados pasamuros, que pasan al interior del vehículo por unos aislantes integrados en el
techo de la caja.
Generalmente, los disyuntores principales están compuestos de los siguientes elementos:
•
•
•
•
•
•
Bastidor aislante. Estructura que soporta los distintos componentes del disyuntor.
Circuito principal de corriente. Consta de dos contactos, uno fijo y otro móvil
llamados labio móvil y labio fijo.
Sistema de aproximación. Mediante accionamientos de tipo neumático, eléctrico,
electromagnético, etc.
Sistema de mantenimiento. Proporciona la fijación de los contactos fijo y móvil.
Dispositivo de disparo. Mediante resortes antagonistas, electromagnéticos...
Dispositivo de soplado. La apertura con carga eléctrica en sus contactos, produce
arco eléctrico que debe extinguirse, generalmente mediante soplado magnético y
antenas de dispersión.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Disyuntor principal 2, tipo UR26
Fusible de desconexión del pantógrafo 1
Fusible de desconexión del pantógrafo 2
Fusible de desconexión de puesta a
tierra
Caja de llaves
Fusible de desconexión neumática de
los pantógrafos
Conexiones neumáticas
Conectores externos BT y HT
Disyuntor principal 1, tipo UR26
Figura 3.8. Disyuntor (Tren Civia).
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4.
VEHÍCULOS FERROVIARIOS DE TRACCIÓN DIÉSEL
4.1. SISTEMAS DE TRACCIÓN DIESEL.
•
•
•
En la actualidad existen vehículos basados en distintos sistemas de tracción, como
son Vehículos de Tracción eléctrica y vehículos de tracción diesel o bien una
combinación de ambas.
Una gran ventaja de los vehículos diesel es que pueden circular por líneas sin
electrificar
En cuanto a los vehículos motores con tracción diesel, tendremos:
Tracción diésel – eléctrica: en la cual la potencia desarrollada por un motor diésel, se aplica a
un generador eléctrico, y la energía eléctrica producida por este es la que, a través de un
circuito de control de potencia, se dirige a los motores eléctricos, los cuales transmiten el
movimiento a los ejes. De este tipo son las locomotoras, Loc. S/310; S/319, con motores de
tracción de corriente continua y la Loc. S/311, con un sistema de control de potencia
rectificador-ondulador y motores de tracción trifásicos. Otras locomotoras diésel más modernas
serían las S/334, S/335.
Tracción diésel - hidráulica: en la que un motor de combustión es el que transmite el esfuerzo
a los ejes motores, ya sea a través de cajas de cambios o transmisiones hidrodinámicas. De
este tipo son los autopropulsados S/592; S/594; S/596; S/598 y S/599
Veremos a continuación a grandes rasgos las características principales de los vehículos
motores que utilizan Sistemas Diesel para su tracción: Las Locomotoras de Tracción diesel y
los Autopropulsados de Tracción Diesel.
4.1.1. LOCOMOTORA DIÉSEL
Es un vehículo motor destinado al remolque de trenes, cuya planta motriz está constituida por
un motor diesel. También podemos encontrar locomotoras con dos motores Diesel.
Figura. 4.1. Locomotora diésel S / 334.
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Actualmente la configuración más habitual en las Locomotoras utiliza motores de tracción
eléctricos alimentados por el generador que transforma la energía mecánica del motor Diesel
en energía eléctrica.
En cuanto al funcionamiento, de las locomotoras diésel-eléctricas, podría resumirse como una
máquina transformadora de energía. El motor diésel transforma la energía química del
combustible en energía calorífica, esta a su vez se transforma en energía mecánica para mover
el generador y obtener energía eléctrica, la cual alimenta los motores de tracción para que
estos la conviertan nuevamente en energía mecánica encargada de dar movimiento al
vehículo.
Figura. 4.2. Generador principal.
La transmisión eléctrica proporciona el máximo aprovechamiento de la potencia del motor
diésel.
La locomotora aloja en su caja todos los elementos necesarios para la tracción propia del
vehículo, para su propio movimiento y el arrastre de los vehículos remolcados que se puedan
asociar a ella.
•
•
•
•
•
Motor diésel
Generador o Generadores eléctricos.
Resistencias y ventilador del freno dinámico.
Ventiladores de los motores de tracción y de los generadores.
Equipo de suministro de Calefacción eléctrica. Etc.
La planta motriz, diferente para cada tipo de vehículo, comprende siempre al motor diésel que,
en caso de ser sobrealimentado, se complementa con un sistema auxiliar formado por un
turbocompresor, un postenfriador y filtros de aire cuya misión es aumentar la potencia del motor
diésel enriqueciendo la mezcla aire combustible y proporcionando la presión adecuada para
que la combustión sea completa. Algunas locomotoras disponen de dos motores diésel en su
planta motriz.
El aparellaje eléctrico de mando y control queda ubicado en armarios o cofres
convenientemente acondicionados para que los paneles de aparatos de protección y mando de
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los circuitos de baja (fusibles, interruptores, etc.,), y los equipos para el control eléctrico del
vehículo en alta y baja tensión no sufran alteraciones en su funcionamiento.
En los bogies de la locomotora se situaran los motores eléctricos de tracción, ya sean de
corriente continua o de corriente alterna que reciben la corriente eléctrica desde el generador o
transformador asociado al Motor Diesel de la locomotora, desarrollando el esfuerzo motor sobre
los ejes y ruedas del vehículo.
Como novedad, indicar que con el desarrollo de la Alta Velocidad ha aparecido también otro
tipo de vehículos que aportan una nueva configuración de Tracción con la transformación de
los Vehículos de Tracción Eléctrica AVE S/130 en Vehículos Híbridos de tracción eléctrica y
diésel de la Serie 730.
La Modificación se concreta en la incorporación a cada composición de tren de dos módulos
extremos CET que albergan los componentes diésel, entre otros el Motor Diesel, Alternador
Principal y el Depósito de combustible.
´
Figura 4.3. AVE Serie 730 CET. Coche Extremo Técnico.
4.2. AUTOMOTOR o AUTOPROPULSADO DIÉSEL.
Es un vehículo autopropulsado por motores diésel (normalmente entre uno y cuatro motores),
cuyo interior se destina al transporte de viajeros.
Consta generalmente de una unidad motriz y una o más unidades remolcados acopladas entre
sí.
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Figura.4.4. Autopropulsado diésel S/599.
Dado el servicio que debe cumplir un automotor, es necesario el máximo aprovechamiento del
interior del vehículo para su utilización por el viajero. Debido a ello, el espacio limitado por la
carrocería de un automotor suele dividirse en tres compartimientos comunicados entre sí
mediante puertas de insonorización.
Los compartimientos extremos constituyen las cabinas de conducción cuya finalidad es permitir
la conducción de la composición (uno o más semitrenes) desde la cabeza de la misma.
Bajo la carrocería del vehículo, y sujetos al bastidor del mismo, se encuentran situados la
planta motriz y equipos auxiliares. Debido a las limitaciones de espacio que condicionan el
automotor, la planta motriz suele ubicarse horizontalmente.
Figura. 4.5. Automotores. Ubicación del sistema de Tracción.
En los automotores diésel la transmisión del par motor no suele ser diésel-eléctrica, como
hemos visto anteriormente en las locomotoras, sino que el esfuerzo de tracción suele ser
hidráulica o hidrodinámica por ejemplo los autopropulsados de las Series diésel S/592, S/594,
S / 598 o S/599, que transmiten la potencia del motor diésel a la turbotransmisión voith y de
aquí al reductor y por él a las ruedas.
4.2.1. ESTRUCTURA Y DISPOSICIÓN DE EQUIPOS
La caja de los vehículos ferroviarios modernos suele ser del tipo autoportante, este tipo de
cajas se construyen para la mayoría del material ferroviario, tanto motor como remolcado y en
todas sus variantes, constituyendo esta estructura autoportante, el conjunto resistente de la
carrocería, sobre el que se fijan todos los equipos del vehículo, tanto de tracción como de
sistemas auxiliares, confort, etc. la caja incluye el bastidor o chasis , que es la estructura de
acero que soporta todos los elementos del vehículo.
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Figura. 4.6. Conjunto de Motor diésel y Transmisión hidráulica.
Dependiendo del tipo de vehículo, los distintos componentes técnicos, se instalarán en la
caja o bajo bastidor, cuando se trata de locomotoras y disponer de espacio suficiente, muchos
de ellos se montan en la caja y en el caso de los automotores pasan a montarse principalmente
bajo bastidor.
En los automotores, el interior de la caja se dedica a la instalación de los elementos de confort
necesarios para el tipo de servicio al que se va a dedicar, coches salón, restaurantes,
departamentos, furgones, etc. Montándose en armarios situados en las salas de viajeros o bajo
el bastidor los elementos de control, los componentes neumáticos, componentes eléctricos de
alta tensión (convertidores, transformadores...)
La cabina es el lugar desde donde se realiza la conducción de los trenes, encontraremos
vehículos con una o dos cabinas, situadas en uno o ambos extremos, en los vehículos en los
que solo se dispone de una cabina esta se pueden encontrar más o menos centradas sobre el
bastidor o en un extremo, como ocurre en algunas locomotoras de Maniobras.
Figura. 4.7. Locomotora para maniobras S/ 311.
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4.2.2. TRANSMISIÓN DEL ESFUERZO A LOS EJES
Para transmitir la potencia del motor a las ruedas, necesitamos un elemento intermediario de
Transmisión. Por tanto atendiendo a la forma en que es transmitida la potencia suministrada
por el motor diésel hasta los ejes y las ruedas de los vehículos ubicados en los bogies, se
pueden distinguir tres tipos de vehículos motor:
• De transmisión mecánica (vehículo diésel-mecánico o diésel).
• De transmisión eléctrica (vehículo diésel-eléctrico).
• De transmisión hidráulica (vehículo diésel-hidráulico).
En el primer caso se encuentran comprendidos aquellos vehículos en los que el par motor
proporcionado por el diésel se transfiere a los ejes motores de forma mecánica, es decir
mediante sucesivos acoplamientos de piñones, generalmente ubicados en una caja de
cambios, y ejes rígidos o elásticos de transmisión de giro unidos por juntas fijas o articuladas
que solidarizan el cigüeñal del motor, la caja de cambios y los elementos terminales de la
transmisión.
En el segundo caso quedan incluidos los vehículos en los que el par motor está transmitido a
los ejes por medio de motores eléctricos de tracción. Aquí el motor diésel constituye sólo una
central térmica para producción de electricidad.
Al tercer apartado pertenecen los vehículos motores en los que la transferencia del par motor a
las ruedas se efectúa a través de uno o varios convertidores de par hidráulicos.
El grupo receptor de movimiento en una locomotora es una corona dentada protegida por un
cárter que contiene lubricantes para suavizar su acoplamiento con la transmisión. En
automotores este grupo, formado por dos coronas locas susceptibles de fijar al eje mediante un
casquillo móvil estriado, constituye asimismo el inversor de la marcha.
Todos los ejes de las locomotoras diésel son motrices, pues, aun en el caso de no poseer un
agente directo de transmisión del movimiento obteniendo en la planta motriz, sus ruedas se
pueden acoplan mediante bielas exteriores y muñones a las motrices, por lo que todos los ejes
adquieren forzosamente la misma velocidad de giro.
En locomotoras de línea (mayores potencia y velocidad), cada eje es asistido por un motor de
tracción eléctrico o bien por los terminales de transmisión de una caja de cambios mecánica o
hidráulica.
En automotores no es preciso que todos los ejes sean motrices.
Eje portante
Eje motor
Figura. 4.8. Croquis Automotor S / 598.
Normalmente uno de los coches intermedios del vehículo del automotor dispone un motor
diésel acoplado a un grupo generador para suministrar la corriente eléctrica necesaria para los
equipos auxiliares del tren, por lo que los bogies que sustentan este coche intermedio no son
motrices.
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4.3. MOTORES DIÉSEL EN VEHÍCULOS FERROVIARIOS
Un gran número de vehículos ferroviarios están dotados de motores diésel de dos o cuatro
tiempos que pueden ser objeto de la siguiente característica general:
• Un motor diésel es un generador de energía termomecánica que permite la
independencia del vehículo motor respecto a las instalaciones energéticas fijas en la
línea.
En el Motor de ciclo diésel:
• La admisión únicamente contiene aire.
• El aire se comprime y al final de la compresión se inyecta el combustible (Gasóleo),
autoinflamándose e iniciándose la combustión, por lo que a estos motores se les
denomina motores de encendido por compresión (MEC).
• La regulación de la Carga es cualitativa, es decir, la proporción de combustible y aire
varía dependiendo de la demanda de potencia del motor. El Motor admite la mayor
cantidad de aire posible y a mayor demanda de potencia mayor cantidad de combustible
inyectado.
Cada émbolo de trabajo o pistón del motor diésel comprime aire dentro de un cilindro, de forma
que la temperatura resultante de la compresión es muy superior al punto de inflamación del
combustible empleado. La introducción gradual de éste después de la compresión tiene como
consecuencia presión elevadísima, que tiende a expandirse dentro del cilindro haciendo
retrocedes al pistón la combustión espontánea del mismo, obteniéndose un volumen de gases
resultantes, a una
• La carrera motriz o impulso que adquiere el pistón dentro del cilindro se obtiene de la
expansión de los gases producidos en la combustión espontánea del combustible.
• Para conseguir una carrera motriz (fase de combustión) en un motor diésel se precisan
tres fases preparatorias: escape, admisión y compresión.
Debido a las condiciones de trabajo de un motor diésel, las piezas que lo componen son de
una gran robustez.
El ciclo diésel por tanto se verifica en un motor térmico de combustión interna, basado en el
ciclo de Otto. En el diésel la inflamación se logra inyectando combustible atomizado y a gran
presión en el aire calentado por la compresión en el interior del cilindro.
El diésel es el motor térmico utilizado mayoritariamente en el ferrocarril, pudiendo ser de dos
tiempos o de cuatro tiempos, dependiendo de si el ciclo completo se verifica en una o dos
rotaciones completas del cigüeñal.
Figura. 4.9 Locomotora diésel. Sala de Maquinas
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4.3.1. COMPONENTES DE UN MOTOR DIESEL
BLOQUE
Es la estructura básica del motor, en el mismo van alojados los cilindros, cigüeñal, árbol de
levas, etc. Todas las demás partes del motor se montan en él. Generalmente son de fundición
de hierro.
Pueden llevar los cilindros en línea o en forma de V. Lleva una serie de aberturas o
alojamientos donde se insertan los cilindros, varillas de empuje del mecanismo de válvulas,
conductos del refrigerante, los ejes de levas, apoyos de los cojinetes de bancada y en la parte
superior lleva unos taladros donde se sujeta el conjunto de culata.
CULATA
Es el elemento del motor que cierra los cilindros por la parte superior. Pueden ser de fundición
de hierro o aluminio. Sirve de soporte para otros elementos del motor como son: Válvulas,
balancines, inyectores, etc. Lleva los orificios de los tornillos de apriete entre la culata y el
bloque, además de los de entrada de aire por las válvulas de admisión, salida de gases por las
válvulas de escape, entrada de combustible por los inyectores, paso de varillas de
empujadores del árbol de balancines, pasos de agua entre el bloque y la culata para refrigerar,
etc.
CARTER
Es la tapa inferior del bloque motor encargada de recoger y almacenar el aceite lubricante del
motor.
CIGUEÑAL
Es el componente mecánico que cambia el movimiento alternativo del pistón en movimiento
rotativo. Esta montado en el bloque en los cojinetes principales los cuales están lubricados.
ARBOL DE LEVAS
Es el mecanismo formado por un eje en el que se colocan distintas levas, que pueden tener
distintas formas y tamaños, y están orientadas de diferente manera para activar las diferentes
válvulas del motor.
CILINDROS / CAMISAS
Son los cilindros por cuyo interior circulan los pistones. Suelen ser de hierro fundido y tienen la
superficie interior endurecida por inducción y pulida.
Normalmente suelen ser intercambiables para poder reconstruir el motor colocando unas
nuevas, aunque en algunos casos pueden venir mecanizadas directamente en el bloque.
Las bielas son las que conectan el pistón y el cigüeñal, transmitiendo la fuerza de uno al otro.
Tienen dos casquillos para poder girar libremente alrededor del cigüeñal y del bulón que las
conecta al pistón.
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PISTONES
Es un embolo cilíndrico que sube y baja deslizándose por el interior de cada cilindro del motor.
Disponen de Segmentos, Aros metálicos elásticos que impiden la fuga de gases hacia el cárter
Figura. 4.10. Pistón. Locomotora S/311
4.4. MOTORES DIESEL DE CUATRO TIEMPOS
En el actual parque de vehículos ferroviarios, algunas locomotoras y sobre todo en los
automotores diésel, las motorizaciones son del tipo ciclo diésel de cuatro tiempos.
Este tipo de motor de combustión interna alternativo, necesita dos vueltas de cigüeñal, o lo que
es lo mismo, cuatro carreras del émbolo, para completar el ciclo de trabajo. Cuando arranca un
motor de estas características, debemos comprender la forma en que se produce la primera
combustión. El pistón que se encuentre en la fase de compresión, elevará la temperatura del
aire atrapado en la cámara de combustión donde llegará, el combustible finamente pulverizado
comenzando arder. La consiguiente expansión de los gases hará el resto.
El pistón que primero bajó en admisión, sube en compresión, y antes de llegar al p.m.s. es
inyectado el combustible. Comienza la combustión y la expansión de los gases, es cuando el
pistón empujado violentamente, cumple con la fase de trabajo. La siguiente media vuelta
expulsará los gases. De esta forma seria un ciclo teórico en un motor de cuatro tiempos
Figura. 4.11. Motor Diesel de 4 tiempos. Autopropulsado S/596
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4.5. MOTORES DIESEL DE DOS TIEMPOS EN LOCOMOTORAS
La utilización de motores diésel de dos tiempos para tracción ferroviaria tiene su comienzo con
el desarrollo de la sobrealimentación, gracias a la cual el rendimiento de estos motores es
equiparable, o superior incluso, al de un motor diésel de cuatro tiempos.
La constitución de un motor de dos tiempos tiene las siguientes características:
El Bloque de Cilindros dispone de alojamientos para el sistema de Sobrealimentación.
Las camisas tienen mecanizadas un determinado número de lumbreras para la admisión del
aire. Cada pistón descubre o cierra en sus carreras descendentes o ascendentes.
El aire a presión pasa al interior del cilindro a través de estas lumbreras que gracias a su
orientación provocan una gran turbulencia en la cámara de combustión, favoreciendo así la
mezcla aire-combustible.
Figura 4.12. Ciclos teóricos de funcionamiento de un motor diésel.
La culata dispone de dos o cuatro válvulas de escape que facilitan la evacuación de los gases
residuales y mejoran el barrido de la cámara de combustión, aumentando así el rendimiento del
siguiente ciclo de trabajo. Dicho ciclo se realiza en dos carreras de pistón; por ello será
necesaria una sola vuelta del cigüeñal para completarlo.
4.6. RESUMEN DE FUNCIONAMIENTO
En los motores de dos tiempos GM, la admisión y el escape, se solapan durante las carreras de
compresión y potencia. Por medio de un soplador o un turbo-compresor se hace entrar el aire
dentro de las cámaras de barrido, generando la suficiente presión, para que en el momento que
se descubren las lumbreras de admisión, el aire fresco penetre en el cilindro, empujando hacia
el escape los gases producidos en la combustión. Lógicamente las válvulas de escape ya están
abiertas y la presión en el interior del cilindro es menor que en la cámara de barrido.
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4.6.1. FASES DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR
Las cuatro fases del ciclo se cumplen de la siguiente manera, requiriendo una sola vuelta del
cigüeñal:
• Escape: al descender el pistón en la parte final de la carrera de expansión (potencia) se
abre la válvula de escape permitiendo la salida de los gases quemados.
• Admisión: una vez abierta la válvula de escape, el pistón en su movimiento descendente
descubre las lumbreras de admisión posibilitando el ingreso de aire limpio forzado por
un soplador o turbocompresor, que a su vez expulsa los gases quemados remanentes
en el cilindro.
• Compresión: al ascender, el pistón tapa las lumbreras de admisión a la vez que se
cierra la válvula de escape produciendo la compresión del aire que ingresó al cilindro.
• Expansión: cuando el pistón está próximo a llegar al PMS comienza la inyección de
combustible, inflamándose. Combustión y consiguiente expansión (carrera de
potencia).
Figura. 4.13. Fases de funcionamiento del MD GM dos tiempos.
4.7. SISTEMAS DEL MOTOR DIÉSEL
De igual manera que en cualquier configuración Diesel los motores diesel Ferroviarios
disponen de distintos sistemas para su funcionamiento. Los más importantes serán:
Sistemas de Inyección
Los motores de combustión interna diésel, necesitan de este combustible para su
funcionamiento. Ha de ser llevado a la cámara de combustión en las condiciones idóneas para
que la dicha combustión se produzca de la forma más óptima.
Sistema de Lubricación
La función del sistema de lubricación es evitar el desgaste de las piezas del motor, sometidas a
constante fricción, creando una capa de lubricante entre las piezas.
En el engrase por presión total, el aceite lubricante se canaliza en circulación forzada a todos
los elementos del motor a través de conductos mecanizado en el interior de las piezas
constituyentes del mismo.
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El lubricante y su viscosidad pueden influir mucho en el rendimiento de un motor.
Sistema de Refrigeración
La combustión del gas-oíl en el interior de los cilindros de un motor desarrolla temperaturas
próximas a los 1800ºC, mientras que la culata y los cilindros deben trabajar a temperaturas
inferiores en todo momento a los 200ºC. Para que esta temperatura de trabajo sea posible es
necesario refrigerar estos elementos utilizando líquidos refrigerantes que circulan por
canalizaciones prácticas al efecto en el motor.
Otros sistemas auxiliares de los Motores Diesel en Locomotoras y Automotores ferroviarios
son:
•
•
•
•
Sistemas de Regulación del diesel
Sistemas de Sobrealimentación del aire de Carga
Sistemas de Arranque en Frío
Sistemas Anticontaminación.
Vamos a tratar a continuación los aspectos fundamentales de los sistemas de Inyección, al
constituir por sí mismos una de las claves diferenciadoras en la evolución tecnológica que han
determinado la evolución de los motores diesel.
4.7.1. SISTEMAS DE INYECCIÓN DIÉSEL
En los motores diésel la energía se obtiene por la combustión del gasóleo al introducirlo en el
cilindro finamente pulverizado directamente en la cámara de combustión, en el momento en
que se encuentra repleta de aire fuertemente comprimido y caliente.
Figura. 4.14. Depósito de Gasoil en una Locomotora.
4.7.2. COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN EN MOTORES DIÉSEL
El combustible principal de los motores diésel del material ferroviario es el gasóleo; este se
obtiene de la destilación fraccionada del petróleo. Normalmente en estos tipos de vehículos no
se utiliza el Biodiesel.
El Gasóleo debe tener una elevada tendencia a la autoinflamación, que se mide por el índice
de cetano (NC). Este índice indica cuanto se puede comprimir el gasóleo antes de inflamarse.
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Para que el motor funcione de forma suave, es necesario producir una inflamación rápida y
completa del gasóleo inyectado, según va entrando en contacto con el aire a alta presión y
temperatura dentro de la cámara de combustión.
Inyección.- Se denomina así al sistema que introduce el combustible dentro de la cámara de
combustión en el instante preciso del funcionamiento del motor, es decir, finalizada la carrera
de compresión. En la inyección intervienen los siguientes elementos:
• Circuito de alimentación del combustible.
• Bomba de inyección.
• Inyectores.
4.7.3. CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE
El circuito de alimentación de combustible comienza en el tanque o depósito de combustible
(en el caso de una locomotora puede contener hasta 7000 litros de gasóleo) desde donde una
vez filtrado, es aspirado el gas-oil mediante una bomba de trasiego impulsándolo a los filtros;
desde aquí se canaliza a la o las bombas de inyección directa, y desde ésta en alta presión a
través de los tubos de inyección, a los inyectores ubicados en las culatas.
Figura. 4.15. Circuito de Combustible S/333-3
El gas-oil sobrante no utilizado en la inyección retorna al depósito o a la tubería de aspiración
de la bomba de trasiego después de lubricar y refrigerar las piezas de los mecanismos de
inyección.
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4.7.4. BOMBAS DE INYECCIÓN
La pulverización del combustible en el momento preciso de la inyección en la cámara de
combustión, es de gran importancia para conseguir una buena combustión. Para obtener esta
pulverización son necesarias grandes presiones que sólo pueden lograrse mediante la bomba
de inyección o con modernos sistemas gestionados por microelectrónica.
La bomba de inyección suministra y dosifica el combustible al cilindro, variando el caudal según
convenga a las revoluciones o carga del motor. Funciona tan sólo unos instantes en cada
ciclo, y en este pequeñísimo espacio de tiempo ha de elevar a varios centenares de atmósferas
la presión del combustible inyectándolo y volviendo a su estado inicial para repetir de nuevo
este ciclo mientras dure el funcionamiento del motor.
La cantidad de combustible que dosificadamente se inyecta en la cámara de combustión es
muy pequeña; por ello, tanto el ajuste como el funcionamiento de la bomba de inyección han de
ser muy precisos, puesto que el más ligero defecto es causa de grandes inconvenientes en la
marcha del motor.
Atendiendo a la forma en que esté asistido el inyector, las bombas se clasifican en:
• Inyector-bomba: cada inyector está asistido por una bomba independiente. Se utiliza
en motores de alta potencia.
• Bomba múltiple: todos los inyectores están asistidos por una sola bomba de
inyección, y pueden ser lineales o rotativas.
4.7.5. INYECTORES
Son los elementos del motor diésel que proporcionan al cilindro el combustible presurizado y
pulverizado para que se mezcle con el aire en la cámara de combustión.
En los motores con bombas de inyección múltiples los inyectores van montados sobre porta
inyectores. En los motores con inyectores bomba, los inyectores se integran en un conjunto;
constan de los siguientes elementos:
•
•
•
•
Un cuerpo cilíndrico hueco.
Una aguja o pistón.
Resorte de recuperación o cierre.
Una cabeza atomizadora, o tobera.
El cuerpo cilíndrico es de acero y canaliza el combustible hacia las toberas de pulverización. En
su interior existe un asiento cónico o esférico para el extremo inferior de la aguja.
La aguja se desliza muy ajustada en el cilindro, impidiendo el retroceso del combustible, que
llega desde la bomba de inyección por una acanaladura lateral del portainyector o del inyector
bomba. Cuando el combustible alcanza el 65 por 100 de la presión máxima de trabajo de la
bomba de inyección, vence la fuerza antagonista del resorte superior, elevando la aguja que
deja al descubierto el asiento inferior, con lo que el combustible penetra en la cámara de
combustión a través de los orificios de la tobera.
El mecanismo de cierre actúa cuando la presión del combustible sobre la aguja, es inferior a la
fuerza recuperadora del resorte, que al distenderse presiona la aguja sobre su asiento,
cerrando las toberas de pulverización del combustible.
Según la forma y disposición de los orificios pulverizadores del combustible, los inyectores
pueden clasificarse en: inyectores de tobera abierta e inyectores de tobera cerrada.
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Figura 4.16. Inyectores MAN D2866Lue 601.
4.7.6. TIPOS DE INYECCIÓN
Según sea el montaje de los inyectores en el motor diésel, la inyección puede ser:
• Directa.
• Indirecta
En la inyección directa el combustible se introduce directamente en la cámara de combustión
formada por la culata y la cabeza del pistón, incidiendo sobre la cabeza del pistón, siempre
más caliente que las paredes del cilindro, la forma de la cabeza del pistón crea una turbulencia
que acelera y mejora la combustión, necesita relaciones de compresión superiores a 15 a 1 y
buenos inyectores de tobera cerrada.
El inyector se orienta hacia el foco de calor que se crea al final de la compresión en la cámara
de combustión. La situación e intensidad de dicho foco depende de la forma de la culata o de la
cabeza térmica del pistón.
El principal inconveniente, era su alta sonoridad al ralentí y a bajo régimen, en la actualidad los
progresos realizados en insonorización y encapsulamiento del motor han reducido este
problema de rumorosidad.
La inyección indirecta, puede realizarse en cámara de combustión separada, en antecámara
o en cámara acumuladora
Los sistemas de inyección indirecta en los motores diésel, están en desuso, resultando
insuficientes para las necesidades y prestaciones de los motores modernos. Estos sistemas
están superados actualmente debido a las ventajas que presentan los sistemas de inyección
directa, mecánica o electrónica.
Los sistemas de Gestión electrónica de la Inyección se basan en el perfeccionamiento de la
inyección directa mediante la gestión de un sistema computerizado, procesa diferentes
parámetros como presiones, temperaturas, demanda de potencia etc. interviniendo en el
tiempo, la cantidad y el momento de inyección de combustible mediante unos inyectores
controlados eléctricamente. Las principales ventajas de los sistemas de inyección electrónica
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son: reducción de gases contaminantes, más potencia con un menor consumo y un
mejoramiento de la marcha del motor en cualquier régimen de éste.
Sistema Common Rail. Se trata de un sistema de inyección directa multipunto para motores
diésel con gestión informática, en él se realizan por separado la generación de presión, de la
inyección. La presión de inyección se genera independientemente del régimen del motor y del
caudal de inyección, estando a disposición en el "Rail".
El momento y la cantidad de combustible a inyectar, se calculan en la unidad central de mando,
realizándose en el inyector de cada cilindro del motor, mediante el control de una electroválvula
o “electroinyector”.
La bomba de alta presión proporciona combustible a los inyectores a una presión aproximada
de 1600 atmósferas mediante una bomba mecánica por medio un conducto denominado
"Common Rail", que da nombre al sistema. La unidad central de mando controla además otras
funciones de la inyección como el orden de inyección y volumen de combustible a través de la
corriente enviada a cada inyector, basándose para su decisión en la información recibida de
diferentes sensores.
Figura 4.17. Bomba de alta presión MAN D2876 LUE 623.
4.8. TRANSMISIÓN DEL
FERROVIARIOS
PAR
MOTOR
EN
LOS
VEHÍCULOS
DIÉSEL
Como hemos comentado anteriormente dada la especificidad de la tracción diésel ferroviaria es
diversa en cuanto a motorizaciones, tipos de vehículos y formas de transmisión del par motor a
los ejes de los vehículos. Vamos a desarrollar ahora brevemente cuales son las características
principales de los diferentes tipos de Transmisión en los vehículos de Tracción diésel, ya que
los sistemas del Motor diésel y la Transmisión interactúan entre sí formando un todo único,
unificándose por la lógica del control de la tracción del vehículo.
Como hemos visto, Cuando hablamos de transmisión, hacemos referencia a todos aquellos
elementos que intervienen en la transformación de la energía mecánica del motor diésel en el
movimiento de los ejes motores. En función de cómo se realice, distinguimos los siguientes
tipos:
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• Transmisión diésel – eléctrica.
• Transmisión diésel – mecánica.
• Transmisión diésel – hidráulica.
En algunos manuales ferroviarios podemos encontrar las transmisiones mecánica e hidráulica
descritas conjuntamente por razones didácticas, denominándose transmisión hidromecánica.
4.8.1. TRANSMISIÓN DIÉSEL- ELÉCTRICA
El vehículo equipado con transmisión eléctrica se comporta como una central generadora de
energía eléctrica. Para conseguirlo, el motor diésel hace girar el rotor del grupo generador,
transformando la energía mecánica en energía eléctrica.
La energía eléctrica producida por el generador se utiliza para accionar los motores eléctricos
de tracción, que impulsan a los ejes motrices. De esta forma el par motor del diésel se
transmite a las ruedas.
La energía producida por los motores térmicos la transforma un generador en energía eléctrica.
El aparellaje eléctrico gestiona esa energía eléctrica y la envía a los motores de tracción.
Los bogies contienen el conjunto de ejes y ruedas del vehículo. Es en los ejes donde van
acoplados los motores de tracción. Mediante un piñón engranado a una corona trasmiten el
movimiento.
Figura 4.18. Generador principal AR 10.
Figura 4.19. Motores de tracción en bogie.
4.8.2. TRANSMISIÓN DIÉSEL-MECÁNICA
En la transmisión mecánica, el par motor obtenido de la planta motriz se regulariza en el
volante de compensación a la salida de fuerza del cigüeñal y, posteriormente, se transmite a
los ejes motores a través de los siguientes elementos.
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•
•
•
Embrague.
Caja de cambios.
Inversor.
EMBRAGUE DE
DISCO
CAJA DE CAMBIOS
EMBRAGUE HIDRAULICO
Figura. 4.20. Embrague de Disco.
El embrague típico de la transmisión mecánica es el de discos. Se trata de una unión por
fricción, brusca e inmediata, que hace imposible su utilización en las arrancadas con grandes
cargas de arrastre. Por ello en uso ferroviario, lo podemos encontrar junto a otro embrague
hidráulico (con aceite permanente) cuando la caja de cambios utilizada requiere
desplazamiento de engranajes.
El cigüeñal del motor diésel hace girar constantemente a la turbina que impulsa aceite
mediante sus álabes hacia los de la turbina receptora, la cual a su vez acopla la caja de
cambios del cigüeñal, directamente o a través de una unión articulada y telescópica tipo
“Cardan”.
El embrague hidráulico carece de palanca de accionamiento, y el embrague se verifica al
reducir las revoluciones de la turbina motriz mediante desaceleración del diésel.
4.8.3. TRANSMISIÓN DIÉSEL-HIDAULICA
El principal inconveniente que presenta la transmisión mecánica anteriormente descrita, surge
en el momento de conectar y desconectar el giro del motor diésel con el de la caja de cambios,
(embrague).
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Figura. 4.21. Turbotransmisión
El fundamento de esta transmisión hidráulica o hidrodinámica es el movimiento que una
corriente de fluido comunica a un rotor (turbina), sobre el que hace impacto a través de unos
álabes.
• La transmisión del par motor es elástica y se realiza de forma continua.
• No existen rozamiento que deterioren sus distintos componentes, ya que no se produce
contacto físico entre ellos, lo cual es causa asimismo de la inexistencia de vibraciones.
• La reducción de la velocidad de entrada a la de salida no es constante como ocurre
cuando la transmisión se efectúa por piñones, sino que, por el contrario, se ajusta
automáticamente y de forma continuamente variable a la carga acoplada a la salida de
fuerza de la transmisión.
• Independiza al motor diésel de las posibles reacciones del material, si bien
voluntariamente puede hacerse repercutir la carga acoplada a la salida de la
transmisión sobre el primario de la misma con objeto de efectuar el frenado
hidrodinámico.
• La potencia adsorbida por la transmisión varía conforme sean las características del
convertidor de par, siendo este factor de absorción el principal punto de definición del
mismo y cuya cuantificación viene expresada por el coeficiente de proporcionalidad
entre la velocidad de salida y la de entrada.
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5.
SISTEMAS DE RODADURA (BOGIES)
5.1. FUNCIONES PRINCIPALES DEL TREN DE RODADURA Y TERMINOLOGÍA
La diferencia principal entre un vehículo ferroviario y otros tipos de transporte rodado es que la
dirección es proporcionada por la vía. La superficie de los raíles no sólo soporta las ruedas,
sino que también las guía en la dirección lateral. Los raíles y las agujas cambian la dirección de
rodadura de las ruedas y determinan así la dirección de desplazamiento del vehículo
ferroviario.
El tren de rodadura es el sistema que proporciona el movimiento seguro del vehículo a lo largo
de la vía. El tren de rodadura incluye componentes tales como el eje montado con la caja de
grasa, la suspensión elástica, los frenos, la unidad de tracción, y el dispositivo para transmitir la
tracción y fuerzas de frenado al coche.
Sus funciones principales son:
• Transmisión y equiparación de la carga vertical de las ruedas del vehículo a los raíles.
• Guiar al vehículo a lo largo de la vía.
• Control de las fuerzas dinámicas debido a las irregularidades del movimiento sobre la vía,
en curvas, agujas, y después de los impactos entre coches.
• Amortiguado eficiente frente a oscilaciones.
• Aplicación de las fuerzas de tracción y frenada.
Dependiendo del tren de rodadura, los vehículos se pueden clasificar como “con bogie” o “sinbogie”. En vehículos sin bogie la suspensión, los frenos, y el equipo de tracción se montan en
la estructura del coche. La tracción y las fuerzas de frenado se transmiten a través de las
barras de la tracción o de las guías de la caja de grasa. Los vehículos convencionales de dos
ejes generarán unas fuerzas mayores en curvas cerradas que el vehículo equivalente con
bogie; por lo tanto su longitud está limitada.
El tren de rodadura montado en un bastidor separado que puede girar respecto al chasis se
conoce como bogie (o carro). El número de ejes montados que estos poseen, clasifica los
bogies. El tipo más común es el bogie de dos ejes, pero los bogies de tres y cuatro ejes
también se encuentran, a menudo en las locomotoras.
Anteriormente, los bogies simplemente permitían que el tren de rodadura girara en un plano
horizontal relativo al cuerpo del coche permitiendo así que el eje montado tuviese ángulos de
ataque más pequeños en curvas. En los bogies modernos, el bastidor del bogie transmite todas
las fuerzas longitudinales, laterales, y verticales entre la caja y el eje montado. El bastidor
también lleva el sistema de frenado, unidad de tracción, suspensión, y amortiguadores. Puede
también contener dispositivos basculantes, de lubricación para el contacto rueda-rail y
mecanismos para proporcionar la colocación radial del eje montado en curvas. Los vehículos
con bogie son normalmente más pesados que los vehículos de dos ejes. Sin embargo, el
diseño de vehículos ferroviarios con bogies es a menudo más simple que el de vehículos de
dos ejes y esto puede proporcionar ventajas en la fiabilidad y en el mantenimiento.
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5.2. VEHÍCULOS SIN BOGIE
El conjunto de rodaje está constituido por el eje montado y las cajas de grasa.
El eje montado está formado por:
•
•
Un cuerpo de eje de acero al carbono templado y revenido, diseñado con zonas para
el calado de las ruedas y para el calado de los rodamientos de las cajas de grasa.
Un par de ruedas enterizas con velo de sección ondulada. El diámetro nominal de
rueda nueva generalmente es de 1000 mm.
La caja de grasa está equipada con rodamientos de rodillos, y tienen la función de soportar los
elementos de la suspensión
Figura 5.1. Vehículo sin bogie. Vagón Plataforma de dos ejes.
Figura 5.2. Rodadura de vehículo remolcado sin bogie.
5.3. VEHÍCULOS CON BOGIE
Los vehículos que se utilizan en la tracción ferroviaria, ya sean locomotoras, autopropulsados,
vehículos de alta velocidad y todos aquellos que necesitan autonomía de tracción, es decir que
no son remolcados por otro vehículo, están diseñados para una rodadura formada por bogies
que como ya se ha descrito antes, variará en el número de ejes por bogie, según las
características del vehículo y el fabricante.
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5.4. COMPONENTES DEL BOGIE
Un bogie se compone generalmente de dos ejes montados sobre un bastidor, que incorpora
una suspensión propia llamada suspensión primaria. También existe una suspensión colocada
entre él y el bastidor del vehículo que se llama suspensión secundaria. La caja del vehículo
queda unida al bastidor mediante el pivote
1 - EJE MONTADO COMPLETO.
2 y 3 - CAJA-GRASA.
4 y 5 - ESTRIBO CAJA-GRASA.
6 - SUSPENSIÓN SIN VÁLVULAS.
7 - ARMADURA DE BASTIDOR.
8 - SOPORTE TIMONERÍA.
9 - TIMONERÍA DE FRENO.
10 - PLACAS CONSTRUCTOR Y NUMERACIÓN.
Figura 5.3.Componentes del Bogie del tipo Y21.
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Figura 5.4. Bogie de vehículo autopropulsado de Alta Velocidad. Coche motor de la Serie 103.
5.4.1. EJE MONTADO
Este consiste en dos ruedas unidas fijamente por un eje común, lo que implica que ambas
ruedas tengan la misma velocidad angular y mantengan una distancia constante entre ellas.
Las ruedas del eje montado comienzan su vida con unas bandas de rodadura puramente
cónicas, típicamente 1/20 ó 1/40. Estas bandas de rodadura se desgastan rápidamente en
servicio, de forma que pasan a tener una curvatura en dirección transversal.
Figura 5.5.- Componentes principales del eje montado.
El eje montado proporciona:
• La distancia necesaria entre el vehículo y la vía.
• El movimiento de lazo que determina el movimiento dentro de la vía, incluyendo las
curvas y agujas.
• Los medios de transmisión de las fuerzas de tracción y de frenado a los raíles para
acelerar y decelerar el vehículo.
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El diseño del eje montado depende de:
• El tipo del vehículo (si ejerce tracción o arrastre).
• El tipo de sistema de frenado utilizado (freno del zapata, disco del freno en el eje, o
disco del freno en rueda).
• La construcción del centro de la rueda y la posición de cojinetes respecto al eje
(interior o exterior).
• El deseo de limitar fuerzas de una frecuencia más alta usando elementos elásticos
entre el centro de la rueda y la llanta.
En curvas, el rail exterior tendrá un radio más grande que el rail interior. Esto significa que una
rueda cilíndrica tiene que recorrer más distancia en el rail exterior que en el rail interior. Como
las ruedas que se mueven en los raíles interiores y exteriores deben tener el mismo número de
revoluciones por unidad de tiempo, esto no puede producirse por rodamiento puro. Para que
las distancias recorridas por las dos ruedas sean iguales, una o las dos “deslizarán”
aumentando así la resistencia a rodadura, y causando desgaste entre rueda y rail. La solución
es fabricar la superficie de rodadura de las ruedas con un perfil cónico cuyo ángulo γ de
inclinación sea variable con respecto al eje montado.
Figura 5.6.Elementos principales de un perfil de la rueda.
La posición del punto de contacto cuando el eje montado está en una posición central respecto
a los raíles determina la llamada “cinta circular”, donde se mide el diámetro de la rueda. En el
lado interno de la rueda, el perfil cónico tiene una pestaña que impide el descarrilamiento y
guía al vehículo una vez que las fuerzas de fluencia disponibles se han agotado.
Un eje montado libre con perfiles cónicos se moverá lateralmente en una curva de tal forma
que la rueda externa esté rodando en un radio más grande (debido al ángulo del cono) que el
interno. Puede verse que para cada radio de la curva solamente existe un valor de la conicidad
que elimina el deslizamiento. Como diferentes vías ferroviarias tienen diferentes poblaciones de
radios de curvatura, la forma del perfil de rueda que provee el deslizamiento mínimo depende
de las características de la vía. Las administraciones ferroviarias especifican normalmente los
perfiles permisibles de la rueda para su infraestructura y el grado de desgaste permitido antes
de que sea requerido un reperfilado.
Mientras que la rueda se desgasta, la forma del perfil se puede alterar perceptiblemente
dependiendo de un gran número de factores. Éstos pueden incluir el perfil de curvatura de la
ruta, el diseño de la suspensión, el grado de las fuerzas de tracción y frenado aplicadas, la
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forma del perfil medio del rail encontrada y el régimen de lubricación. El desgaste de la banda
de rodadura incrementará la altura del reborde, y eventualmente ocasionará que golpee las
bridas de la vía. Si el desgaste de zona de contacto hace que el perfil llegue a ser
excesivamente cóncavo tensiones dañinas pueden surgir en el lado externo de la rueda y el
rail, y es conocido como falso daño de reborde. El desgaste del reborde puede conducir al
aumento del ángulo del reborde y a la reducción de su grosor.
Figura 5.7. Situaciones posibles de contacto entre la rueda y el rail: (a) contacto en un punto; (b) contacto
en dos puntos; (c) contacto conforme.
En condiciones extremas, esto podría aumentar el riesgo de descarrilamientos por separación
de aguja. Los perfiles de la rueda son restaurados generalmente a su forma de diseño
mediante torneados periódicos. Esto se puede realizar normalmente sin la necesidad de quitar
el eje montado del vehículo.
Está claro que las condiciones del contacto variarán considerablemente en función de la forma
de la rueda y del perfil de la vía. Estas pueden ser de contacto en un punto, en dos puntos, o
de contacto conforme según las indicaciones de la figura 5.7, el contacto en un punto (a) se
produce entre los perfiles cónicos o de banda de rodadura de la rueda y el perfil redondeado
del raíl. Las ruedas se desgastan rápidamente a la forma local del rail. Con el contacto en dos
puntos (b) la rueda toca además el rail con su reborde. En este caso, el contacto de rodadura
tiene dos diferentes radios que producen deslizamiento intensivo y desgaste rápido del
reborde. El contacto conforme (c) aparece cuando el perfil de la rueda y el lado del ancho de
vía de la cabeza del rail se desgastan hasta el punto de que sus radios en los alrededores de la
zona de contacto se vuelven muy similares.
Figura 5.8. Mediciones del estado de los perfiles de rueda con calibres de precisión.
5.4.2. CAJAS DE GRASAS
Para asegurar la unión entre los ejes y el bogie, y facilitar la rodadura de los ejes se dispone de
un elemento llamado caja de grasas colocado entre el eje de las ruedas y el bastidor. La caja
de grasa permite transmitir los esfuerzos de frenado desde los ejes a la masa del vehículo y
lubricar las partes metálicas disminuyendo el rozamiento y el calentamiento del eje. Sobre ella
se fijan los resortes o ballestas que soportan el bastidor del vehículo, transmitiendo la carga a
la parte final del eje de la rueda, (mangueta).
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La caja de grasas es el dispositivo que permite que el eje montado rote proporcionando el
alojamiento del cojinete y también los montajes para que la suspensión primaria una el eje
montado al bogie o al bastidor del vehículo. La caja de grasas transmite fuerzas longitudinales,
laterales, y verticales del eje montado sobre los otros elementos del bogie. Las cajas de grasas
se clasifican según:
•
•
Su posición respecto al árbol dependiendo de si los cojinetes están en el exterior o
interior.
El tipo del cojinete usado, ya sean de rodillos o lisos.
Los de rodillos producen una reducción de caldeos, del coeficiente de rozamiento y de los
costes de conservación y reparación necesarios.
RODAMIENTO
DE RODILLO
A RÓTULA
ALOJAMIENTO
SUPERIOR
TETÓN MUELLE
TAPÓN
CAJA GRASA
TAPA
POSTERIOR
DISPOSITIVO
DE
BLOQUEO
ANILLO DISTANCIADOR
ANILLO OBTURADOR
Figura 5.9.Componentes de una caja de grasa tipo
La forma externa de la caja de grasa se determina por el método de conexión entre la caja de
grasas y el armazón del bogie y pretende alcanzar una distribución uniforme de fuerzas en el
cojinete. La construcción interna de la caja de grasa está determinada por el cojinete y su
método de sellado. Las cajas de grasas con cojinetes lisos (figura 5.10 a), consisten en una
carcasa (1), el propio rodamiento (2) que generalmente se hace de una aleación con bajo
coeficiente de fricción (p. ej., bronce o metal blanco), la placa del cojinete (3) que transmite las
fuerzas desde la carcasa de la caja de grasas al cojinete, y un dispositivo de lubricación (4) que
lubrica el cojinete del árbol. Los sellados delanteros y traseros (5 y 6) protegen la caja de
grasas de la suciedad y de cuerpos extraños, mientras que el sellado delantero (6) se puede
quitar para supervisar el estado del cojinete y para agregar el lubricante.
(b)
(a)
Figura 5.10. Despiece caja de grasa con cojinetes lisos (a) y de rodillos (b).
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Las fuerzas verticales y longitudinales son transmitidas a través de la superficie interna del
cojinete y de las fuerzas laterales por sus caras.
Las cajas de grasas con cojinetes lisos están en gran parte obsoletas pues tienen serias y
numerosas desventajas:
• Alto coeficiente de fricción al comenzar desde reposo
• Baja fiabilidad
• Mantenimiento laborioso
• Contaminación ambiental
Sin embargo, desde un punto de vista dinámico del comportamiento del vehículo, las cajas de
grasas con cojinetes lisos tenían ciertas características positivas. Estos últimos años, las cajas
de grasa con cojinetes lisos que no requieren lubricación se han reintroducido en ciertos tipos
de material rodante aunque su uso sigue siendo raro.
Las cajas de grasas con cojinetes tipo rodillo se clasifican según:
•
•
El tipo del cojinete (cilíndrico, cónico, esférico)
El método de fijación (por presión, por encogimiento, por casquillos)
El factor principal que determina la construcción de la caja de grasa es la manera en que
experimenta las fuerzas axiales y su distribución de la carga entre los rodillos.
Los cojinetes de rodillos cilíndricos tienen alta capacidad dinámica en la dirección radial, pero
no transmiten fuerzas axiales. La experiencia sobre el funcionamiento de material rodante en
ferrocarriles mostró que las caras de rodillos pueden resistir fuerzas laterales. Sin embargo,
para conseguir esto exitosamente, es necesario regular no sólo el diámetro, sino también la
longitud de los rodillos, la separación radial, y las separaciones axiales.
Los cojinetes cónicos transmiten fuerzas axiales a través de la superficie cilíndrica debido a su
inclinación sobre el eje de rotación. Es necesario por tanto mantener las tolerancias en
diámetros y separaciones del rodillo casi un orden de magnitud más ajustada que las de los
cojinetes cilíndricos. Además, los cojinetes cónicos tienen coeficientes de fricción más altos
comparados con los cojinetes de rodillo radiales y por lo tanto generan más calor. Esto no sólo
aumenta el consumo en tracción, sino que también crea dificultades en el diagnóstico de las
unidades de caja de grasas durante el movimiento.
Recientemente, los cojinetes de tipo cartucho han sido ampliamente utilizados. Su
característica especial es que no es necesario desmontar el rodamiento para su fijación, sino
que se instala de una sola pieza.
Los cojinetes esféricos no se han empleado demasiado debido a su alto coste y a su baja
capacidad de soportar peso, aunque tienen una ventaja significativa al proporcionar una mejor
distribución de carga entre las filas delanteras y las traseras en caso de flexión del eje.
Figura 5.11. Construcciones de cojinetes de rodillo: (a) cilíndrico de doble fila; (b) autoalineable de una
fila; (c) cónico de dos filas.
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Los rodamientos de bolas, sin embargo, son combinados a menudo con cojinetes cilíndricos en
aplicaciones ferroviarias para transmitir fuerzas axiales. El material rodante de los trenes de
alta velocidad tiene a menudo tres cojinetes en la caja de grasas: dos transmitiendo fuerzas
radiales y uno (a menudo un rodamiento de bolas) que trabaja axialmente.
5.4.3. RUEDAS
Las ruedas y los ejes de transmisión son las partes más críticas del material rodante ferroviario.
Un fallo mecánico o un exceso en las dimensiones del diseño pueden causar el
descarrilamiento.
1.
2.
3.
4.
5.
Rueda maciza.
Rueda de radios.
Llanta.
Pestaña.
Mangueta.
Figura 5.12.Ruedas ferroviarias.
Las ruedas macizas, tienen tres elementos importantes: la llanta, el disco, y el cubo, y se
diferencian principalmente en la forma del disco.
Las ruedas con llanta tienen puesta una llanta unida al disco de rueda que puede ser quitada y
sustituida cuando alcanza su límite de torneado.
La mejora de la fiabilidad de los rodamientos despertó el interés en las ruedas que rotaban
independientemente, que proporcionan reducciones significativas en la masa no suspendida
debido a la eliminación del eje. Por desacoplamiento de las ruedas, el eje montado que rota
independientemente elimina la mayoría de las fuerzas de guiado en el eje. Tales ejes han
encontrado aplicaciones, ya sea en material rodante de ancho de vía variable que permite una
transición rápida de un ancho de vía a otro, o en transporte urbano sobre raíles donde un bajo
nivel de suelo es necesario.
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Figura 5.13. Ruedas de rodadura independiente de trenes TALGO.
5.4.4. SUSPENSIÓN
La suspensión es el conjunto de los elementos elásticos, los amortiguadores y los
componentes asociados que conectan los ejes montados con la carrocería del coche.
Si el bogie tiene un bastidor rígido, la suspensión consiste generalmente en dos etapas:
suspensión primaria conectando los ejes montados con el bastidor del bogie, y la suspensión
secundaria entre el bastidor del bogie y el cabezal o la carrocería. Tales bogies se llaman
doblemente suspendidos. A veces, típicamente en bogues de carga se utiliza solamente una
suspensión de una etapa. Donde ésta ocupa la posición primaria de la suspensión a menudo
se llama “suspensión de la caja de grasas.” En la posición secundaria de la suspensión, puede
ser llamada “suspensión central”.
Figura 5.14. Suspensión con muelles y amortiguadores.
5.4.5. AMORTIGUADORES
La amortiguación es proporcionada generalmente en suspensiones de vehículos ferroviarios
por dispositivos de amortiguación viscosa o de fricción.
La fricción seca resulta del deslizamiento relativo entre dos cuerpos rígidos en contacto. La
fuerza de fricción puede ser constante o dependiente de la masa de la carrocería del vehículo,
pero actúa siempre resistente al movimiento relativo.
La amortiguación de vibraciones se puede obtener también por otros medios tales como la
introducción de amortiguadores activos controlados proporcionalmente a la velocidad.
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Un amortiguador es el dispositivo que controla oscilaciones en la suspensión primaria o
secundaria del vehículo mediante disipación de la energía.
Los amortiguadores de fricción son los dispositivos que transforman la energía de oscilaciones
en la energía térmica por la fricción seca. Los amortiguadores de fricción se utilizan
principalmente en las suspensiones de vehículos de carga debido a su bajo costo y simplicidad.
Dependiendo de su construcción los amortiguadores de fricción se pueden clasificar en cuatro
tipos: integrados en el elemento elástico, integrados en la suspensión del resorte, telescópicos,
y de palanca.
En el caso de los bogies con un bastidor sólido, los amortiguadores de fricción en la
suspensión primaria deben resistir desplazamientos del eje montado. Es deseable que en
suspensiones primarias el amortiguador tenga una característica asimétrica proporcionando
menor amortiguamiento de fuerzas en compresión que en extensión. Los amortiguadores
hidráulicos son superiores en este aspecto.
La ventaja principal de los amortiguadores de fricción planos y espaciales es su capacidad de
amortiguar vibraciones en varias direcciones y en ciertos casos proporcionar conexiones
elásticas a la fricción entre las diferentes partes de bastidores del bogie. Tales propiedades
permiten la simplificación significativa de los bogies mientras que conservan un
amortiguamiento razonable de vibraciones complejas. Son, por lo tanto, ampliamente utilizadas
en bogies de carga a pesar de desventajas como la generación de fuerzas de fricción
imprevisibles y el hecho de que la reparación y el ajuste de las fuerzas de fricción pueden
requerir la elevación de la carrocería del coche y obligar a desmontar el sistema de resorte.
Figura 5.15. Amortiguadores en bogie de Locomotora (S/333.3).
Los amortiguadores hidráulicos se utilizan casi universalmente en bogies de viajeros y a veces
también se utilizan en bogies modernos de carga.
La energía disipada en un amortiguador hidráulico es proporcional a la velocidad, y por lo tanto
a la amplitud y a la frecuencia de vibración. Así, el amortiguador hidráulico se autoajusta a las
excitaciones dinámicas y proporciona una amortiguación fiable de las oscilaciones del vehículo.
La característica del amortiguador puede ser o bien simétrica, cuando las fuerzas de resistencia
son iguales para tracción y compresión, o asimétrica. Los amortiguadores con relaciones
simétricas son utilizados típicamente en suspensiones secundarias. Los asimétricos se utilizan
con frecuencia en suspensiones primarias por causar, en el movimiento de la rueda sobre una
irregularidad convexa, fuerzas más grandes que al negociar una cóncava. Como resultado, los
amortiguadores pueden ser diseñados con una característica asimétrica que proporciona una
fuerza más pequeña en la compresión que en la tracción. Sin embargo, grandes fuerzas de
amortiguación en extensión pueden disminuir perceptiblemente la carga vertical de la rueda,
aumentando así el riesgo de descarrilamiento. Por lo tanto los amortiguadores ferroviarios son
menos asimétricos que los del automóvil.
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Figura 5.16. Amortiguadores hidráulicos.
La fijación de los amortiguadores hidráulicos al vehículo se realiza generalmente por medio de
monturas elásticas o casquillos, para prevenir la transmisión de vibraciones de alta frecuencia.
La presión interna en el amortiguador a menudo le confiere características elásticas. Por lo
tanto, los amortiguadores hidráulicos se modelan a menudo como un resorte y amortiguador
viscoso en serie.
5.4.6. TOPES DE LOS ELEMENTOS DE RODADURA
Los topes son los dispositivos que limitan los desplazamientos relativos de los elementos del
bogie en dirección longitudinal y lateral.
5.4.7. BALLESTAS
Un diseño primario simple de la suspensión utiliza ballestas (figura 8-30), para limitar el
movimiento de la caja de grasa.
Este diseño tiene varias desventajas, incluyendo el desgaste rápido de las superficies de
fricción que conlleva aumentos en separaciones, carencia de características elásticas
longitudinales y laterales, y una fuerza creciente de fricción en dirección vertical durante la
tracción y el frenado, cuando la caja de grasas oprime los encajes. El diseño se podría mejorar
usando materiales antifricción que no requieran lubricación y tengan alta resistencia al
desgaste.
Figura 5.17. Caja de grasas situada por ballestas.
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5.4.8. GUÍAS CILÍNDRICAS
Estas constan de dos guías verticales y dos tubos que deslizan a lo largo de ellos. Típicamente
las guías verticales se unen al bastidor del bogie y los tubos a la caja de grasas según las
indicaciones de la figura 5.18. Los barriles se unen a la caja de grasas a través de casquillos
coaxiales de goma y por lo tanto proporcionan una cierta flexibilidad entre el eje montado y el
bastidor del bogie en las direcciones longitudinal y lateral. Debido a la simetría axial de los
árboles de goma, la rigidez en las direcciones longitudinal y lateral es la misma, lo que puede
limitar la obtención de características óptimas para la suspensión.
Figura 5.18. Conexión entre la caja de grasas y el bastidor
del bogie usando guías cilíndricas.
La limitación del desplazamiento de la caja de grasas con las guías cilíndricas, donde el
desplazamiento de la caja de grasas a lo largo de las guías se produce por deformación a
cortadura del bloque multi-laminar de caucho-metal, está exenta de las desventaja de la
construcción clásica. Tales diseños de la caja de grasa se utilizan en los bogies del TGV Y2-30
francés. Para obtener la relación óptima de la rigidez horizontal y vertical este bloque consiste
en dos secciones longitudinalmente orientadas.
5.4.9. ACOPLAMIENTOS CON VIGA
El deseo de evitar el desgaste condujo al desarrollo de acoplamientos bajo la forma de vigas
elásticas finas que soportaban el eje montado en la dirección longitudinal.
Cuando los resortes de suspensión primarios se deforman, los acoplamientos de viga se
doblan, mientras que para tracción y frenado experimentan tensión o compresión. Para
proporcionar flexibilidad vertical en semejante construcción es necesario que al menos uno de
los enlaces tenga flexibilidad longitudinal. Esto se alcanza uniendo la viga a un soporte de
resorte longitudinalmente flexible (el acoplamiento de Minden Deutz) o uniendo los enlaces al
bastidor a través de juntas radialmente elásticas (suspensión primaria IS de trenes japoneses).
La desventaja principal de tales diseños es la alta tensión que se produce alrededor de los
empalmes en cualquier extremo de la viga.
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Figura 519. Conexión entre la caja de grasas y el bastidor del bogie
usando acoplamientos con viga.
5.4.10.
RESTRICCIONES USANDO ACOPLAMIENTOS RADIALES
El uso de casquillos de caucho-metal evita la fricción superficial y el desgaste correspondiente.
El problema principal con un acoplamiento radial es obtener movimiento lineal de las cajas de
grasa cuando los acoplamientos rotan. Alstom diseñó tal arreglo donde los acoplamientos se
colocan en diversos niveles en configuración anti-paralelogramo y esto ha encontrado un uso
amplio. Los acoplamientos que conectan la caja de grasas al bastidor proporcionan el
desplazamiento lineal de su centro. Una cuidadosa elección del tamaño y el material de los
elementos de goma nos puede permitir obtener los valores deseados de rigidez en diversas
direcciones. Debido a la posición de los enlaces, los desplazamientos laterales no causan el
desalineado de la caja de grasas y por lo tanto proporcionan unas condiciones óptimas para los
cojinetes.
Una de las desventajas del diseño del enlace de radio es la rigidez vertical significativa de la
conexión debido a la rigidez de torsión de los casquillos. El aumento de la longitud de las
palancas disminuiría la rigidez vertical, pero está limitado por el espacio disponible en el
bastidor del bogie.
Figura 5.20. Acoplamientos radiales colocados a diversas alturas en una configuración en antiparalelogramo (en el diagrama), y detalle de la suspensión de un tren de Alta Velocidad S/100 de Alstom.
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5.4.11.
BARRAS DE TRACCIÓN
Éstas se utilizan normalmente para transmitir las fuerzas longitudinales (tracción y frenado) en
la suspensión primaria o secundaria. Están formadas típicamente por una barra con un
“rosquilla de goma” o casquillos en cada extremo. Pueden ser de longitud ajustable, para
mantener las dimensiones lineales necesarias por el desgaste de las ruedas y componentes de
la suspensión.
Figura 5.21. Barra de tracción.
5.4.12.
Figura 5.22. Barras de tracción y frenado de un coche
de viajeros.
. CONEXIÓN DE LA CAJA CON EL BOGIE
La conexión entre la caja y el bogie debe:
• Permitir que el bogie rote respecto a la carrocería del coche en curvas.
• Transmitir las fuerzas verticales, de tracción y de frenado.
• Proporcionar control adicional de las acciones laterales en la suspensión.
• Ayudar a mantener la estabilidad del bogie.
• Proporcionar la estabilidad longitudinal de los bastidores del bogie y la misma
distribución de la carga sobre los ejes montados (para material rodante de tracción).
Estos problemas se solucionan de diferente manera dependiendo del tipo de material rodantetracción o arrastre, de viajeros o carga, de alta velocidad o normal.
Si el vehículo es estable hasta la velocidad de diseño, entonces la introducción de resistencia
adicional a guiñada no es necesaria. Si la deformación estática de la suspensión es suficiente,
entonces la flexibilidad vertical en la unión del cuerpo del coche al bogie puede no ser
necesaria.
Los diseños apuntan generalmente a realizar la conexión del cuerpo del coche al bogie tan
simple como sea posible usando una pequeña cantidad de elementos y reduciendo el número
de elementos con superficies de fricción.
5.4.13.
PLACA CENTRAL PLANA
En bogies de carga de tres partes la conexión más común es la placa circular central plana,
fijada por el perno pivote en su centro (figura 5.23).
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La placa transmite la mayoría del peso de la carrocería y las fuerzas de interacción
longitudinales y laterales. El perno pivote tiene grandes holguras en el plano de la caja y solo
proporciona restricción de desplazamiento en caso de emergencia. Cuando la carrocería oscila
en la placa central plana, se produce un par de resistencia gravitacional de característica
suave. La placa central permite que el bogie rote en curvas y crea un par de fricción que resiste
a la rotación del bogie. Por lo tanto la placa circular del centro proporciona una conexión entre
el bogie y la caja en todas las direcciones.
Un elemento así es de simple construcción, pero tiene varias desventajas. En primer lugar,
existen separaciones en las direcciones laterales y longitudinales. En segundo lugar, el
movimiento relativo ocurre bajo alta presión de contacto y por lo tanto las superficies sufren un
desgaste significativo. En curvas, la carrocería se inclina del lado de soporte, creando un par
de fricción adicional que resiste la rotación del bogie y aumenta las fuerzas rueda-carril.
Cuando el cuerpo del coche balancea en vía recta, la superficie de contacto llega a ser muy
pequeña y las altas presiones del contacto pueden conducir a grietas en la placa central. Para
combatir estos problemas, los diseños modernos utilizan una placa plana central combinada
con soportes laterales elásticos que resisten el balanceo del cuerpo del coche y reducen la
carga en el soporte central.
Figura 5.23. Placa plana del centro.
5.4.14.
BOWL ESFÉRICO CENTRAL
En este caso, la caja se apoya sobre el bowl esférico y los portadores laterales elásticos. La
ventaja de este diseño es la carencia de separación en el plano horizontal y ningún contacto
del borde durante el balanceo del vehículo. Esto da lugar a niveles reducidos de tensión de
contacto y aumenta la vida de servicio del bowl esférico central.
Son ampliamente utilizados en los bogies de carga de UIC, trenes eléctricos, y coches
subterráneos en Rusia.
Figura 5.24. Bowl esférico central.
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Figura 5.25. La caja se apoya sobre el bowl esférico y los portadores laterales elásticos.
5.4.15.
PIVOTE CENTRAL
El deseo de excluir el contacto de borde y de aumentar el par de fricción para resistir la guiñada
del bogie condujo al desarrollo de los bogies con pivotes centrales. La mayoría de la masa del
chasis es transmitida en este caso a los soportes laterales y el cuerpo del coche puede girar
respecto al travesaño únicamente en relación con el cabezal sobre el eje vertical.
Este diseño es ampliamente utilizado en coches de viajeros de la antigua URSS. Las
desventajas incluyen los huecos en las direcciones longitudinal y lateral. El diseño sólo
proporciona suficiente calidad de rodadura para los bogies que tienen baja rigidez lateral de
suspensión secundaria.
Figura 5.26. Pivote central.
5.4.16.
UNIÓN WATTS
Esta disposición permite que el bogie pivote se mueva lateralmente mientras que restringe el
movimiento longitudinal. Por lo tanto proporciona medios de transmitir fuerzas de tracción y de
frenado. Los pivotes de la unión están equipados con casquillos de goma para prevenir la
transmisión de vibraciones de alta frecuencia a través del mecanismo.
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Figura 5.27. Unión Watts.
5.4.17.
UNIÓN DE PÉNDULO
La unión de péndulo consiste en una barra vertical conectada en sus extremos al bastidor del
bogie y a la caja por medio de casquillos de goma cónicos. El mecanismo se mantiene en una
posición central por la acción de dos resortes precomprimidos. Los soportes elásticos laterales
proporcionan estabilidad lateral al cuerpo del coche. Para los pequeños desplazamientos,
típicos del penduleo del bogie en vía recta, el soporte de péndulo proporciona rigidez casi
infinita, determinada por la compresión inicial de resortes. Cuando se producen grandes
desplazamientos en las curvas, el soporte proporciona una rigidez baja. Así, la ayuda del
péndulo tiene una característica suave no lineal.
La desventaja de tal disposición es la conexión rígida con una holgura en la dirección
longitudinal, los complejos requisitos de ajuste los resortes precomprimidos, y las fuerzas de
fricción en los soportes adicionales de deslizamiento.
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Figura 5 .28.Unión de péndulo.
6.
INTRODUCCIÓN AL FRENO FERROVIARIO
6.1. UNIDAD DE FABRICACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
La unidad de fabricación y acondicionamiento del aire consta de las siguientes partes:
• Grupo de compresión (filtro de aspiración, motor, compresor, regulador de presión,
etc.)
• Refrigerador (agua/aire o aire /aire).
• Desengrasador o separador de agua-aceite.
• Depósito Principal.
• Válvula de seguridad.
• Secador.
V. Seguridad
Figura 6-1. Unidad de Fabricación y acondicionamiento.
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6.1.1. EL COMPRESOR
El aire atmosférico lo encontramos envolviendo la tierra, sin embargo para aumentar su presión
tendremos que producir una compresión a través de una maquina denominada compresor. El
accionamiento del compresor es efectuado por motores eléctricos o de combustión.
El elemento central en una instalación es el compresor y atendiendo a sus características
podemos dividirlos en dos grupos:
De Pistón.
Una etapa o monofásicos.
Dos etapas o bifásicos.
Rotativos.
De Paletas.
De Roots.
De tornillo.
COMPRESORES DE PISTÓN
Los compresores de pistón de una sola etapa o monofásicos poseen una sola fase de
compresión, en la que el aire se comprime de 2 a 3 bar, lo que llamamos baja presión. En estos
compresores la temperatura de salida del aire comprimido es de 180ºC.
Figura 6-2. Pistón de una sola etapa o monofásico.
En los giros del cigüeñal se producen carreras de admisión y compresión, controladas por la
apertura y el cierre de las válvulas correspondientes, admisión y escape.
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COMPRESORES ROTATIVOS
Los compresores rotativos de paletas, (figura 6-3) están constituidos por un rotor monobloc,
que gira alrededor de un eje excéntrico. En este tipo de compresores la temperatura de salida
del aire es de 60ºC aproximadamente cuando la temperatura ambiente está en torno a los
20ºC.
Figura 6.3. Compresor rotativo de
paletas.
Figura 6.4. Compresor de
tornillo.
Figura 6.5. Compresor
de roots.
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6.1.2. SECADOR
En la aspiración y compresión del aire atmosférico aparece el agua por condensación, en forma
de gotas, en la red de aire comprimido.
La cantidad de agua se forma en función de la humedad relativa del aire, dependiendo esta, de
la temperatura del aire y de la presión.
Humedad relativa, es la cantidad de agua que un m3 de aire puede admitir a una determinada
presión y temperatura.
Humedad absoluta, es la cantidad de humedad que contiene un m3 de aire.
Figura 6.6. Secador.
En caso de sobrepasar la humedad relativa del aire, aparece el agua en forma de gotas, estas
gotas pueden ocasionar daños en las válvulas y no permitir el funcionamiento óptimo y
prolongado en el tiempo de las mismas.
El objetivo del secador con sus sacos de alúmina (óxido de aluminio) es eliminar la humedad
suficiente para bajar el punto de rocío por debajo de la temperatura ambiente más baja
prevista, evitando la precipitación del agua en los componentes.
Para su funcionamiento dispone de la unidad temporizadora que se encarga de excitar las
electroválvulas de forma alternativa, en periodos de dos minutos, con diez segundos de
estabilización.
El aire pasa de forma alternativa gracias a la temporización de las electroválvulas, por las torres
que contienen la alúmina y cuando una torre está en fase de sacado la otra torre está en fase
de regeneración al circular una pequeña cantidad de aire ya regenerado por medio de una
tobera.
En los periodos de no compresión el secador detiene su proceso al no existir caudal de aire
que tratar.
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6.2. ACTUADORES Y VÁLVULAS EN CIRCUITOS FRENO
6.2.1. VÁLVULA DE FRENO DIRECTO
Válvula de Freno directo, utilizada para la activación del freno independiente de la
locomotora, es utilizada por el maquinista durante las maniobras en locomotora aislada y puede
trabajar sobre la presión de Equilibrio o Control del freno en situaciones de auxilio.
Dispone de tres posiciones: Frenar- Estabilizar-Aflojar.
Figura 6.7. Válvula de freno directo.
6.2.2. VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA
Son las clásicas llaves de aislamiento, utilizadas para cerrar o abrir un circuito neumático, bien
sea necesario por labores de mantenimiento o condiciones durante la explotación que así lo
determinen.
Figura 6.8. Válvula de cierre de bola.
6.2.3. VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA CON VÍA DE ESCAPE
Figura 6.9.Válvula de cierre de bola con vía de escape.
Son las clásicas llaves de aislamiento, utilizadas para cerrar o abrir un circuito neumático bien
sea necesario por labores de mantenimiento o condiciones durante la explotación que así lo
determinen y que destruyen el aire de la tubería que cierran por las necesidades intrínsecas del
circuito neumático donde trabajan.
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Figura 6 10
6.2.4. VÁLVULA DE DOBLE EFECTO
Es una válvula que puede discriminar entre dos caminos posibles de conducción del aire. Se
utiliza por ejemplo para discriminar la actuación del freno directo del freno automático o en la
fijación sobre manómetros de la presión del F. Directo y F. Automático. La presión de salida
será la que corresponda a la de mayor valor entre las dos posibles.
6.2.5. LLAVE DE AISLAMIENTO PARA TFA Y T.D.P.
Son las clásicas llaves que se encuentran en los testeros de los vehículos ferroviarios y que se
utilizan para interconectar la tubería de TFA (pintada de azul) y en caso necesario la tubería de
TDP (pintada de rojo) para poder remolcar vagones o coches dependiendo de las necesidades.
Es de destacar que en la posición de cerrado, tienen la propiedad de destruir el aire del lado
manga de acoplamiento.
Figura 6.11. Llave de aislamiento.
6.2.6. VÁLVULAS DE RETENCIÓN
Son válvulas que solo conducen en una sola dirección, por lo que también son conocidas con
el nombre de “válvulas unidireccionales”. Son utilizadas, en circuitos donde es necesario e
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imprescindible mantener una presión aun habiéndose desencadenado una anomalía. Un
ejemplo de vital importancia es cuando mantienen la presión en los depósitos auxiliares de
freno, cuando por avería se destruye la presión de los Depósitos Principales, garantizando la
presión necesaria para frenar.
Figura 6.12. Válvulas de retención.
6.2.7. VÁLVULA DE FLUJO
También es conocida por los nombres de paso calibrado o tobera, tiene varias aplicaciones en
los circuitos neumáticos, puede ser utilizada para ralentizar una acción o reacción del aire
dentro de una válvula, consiguiendo el trabajo de las mismas de forma confortable, ayudando a
la estabilización de fuerzas entre diafragmas y evitando los golpes de ariete internos, la
estabilización de fuerzas entre diafragmas y evitando los golpes de ariete internos.
Figura 6.13. Válvula de flujo.
6.2.8. VÁLVULAS REGULADORAS
Son válvulas también conocidas por el nombre de manorreductoras, se utilizan para ajustar la
presión en un determinado circuito neumático. La presión de D.P. en los vehículos ferroviarios
suele estar entre 8 y 9 bar, dado que hay circuitos auxiliares, como es el caso del Freno de
Estacionamiento que trabaja entorno a los 6 bar o como es el caso de los mandos de Freno
Directo que se alimentan de 5 bar, necesitan de la aplicación de estas válvulas. Por otro lado
indicar que también es capaz de mantener una presión fija a la salida independientemente de
las fluctuaciones a la entrada.
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Figura 6.14.Válvulas reguladoras.
6.2.9. MANÓMETROS
Son aparatos de medida de la presión de los diferentes circuitos neumáticos que trabajan
dentro del vehículo. Actualmente su unidad de mediad es el bar, pero todavía no es extraño
encontrar vehículos con manómetros en Kg/cm. Están basados en la deformación de una
cámara tubular conocida vulgarmente por el nombre de pulmón, que arrastra en su
deformación una timonería que hace deslizar una aguja sobre su eje. En los vehículos se
pueden encontrar de diferentes precisiones siendo la más común, mostrando divisiones de
100 mb y 200 mb.
Figura 6.15.Manómetros.
En los pupitres de conducción es común encontrar los manómetros de D. Principales, Tubería
de Freno automático, Depósito de Equilibrio y C. Freno.
6.2.10. ELECTROVÁLVULA DIRECTA E INVERSA
Las electroválvulas son elementos de mando neumáticos, que responden a órdenes eléctricas.
Consisten en un cuerpo formado por varias cámaras unidas entre sí, que pueden ser
comunicadas o no mediante unos asientos de válvula solidarios a un vástago, que responde a
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una posición dependiendo de la energización o no de un electroimán. Gracias a ellas podemos
gobernar circuitos neumáticos a distancia, con rapidez y precisión.
ELECTROVÁLVULA DIRECTA
Esta electroválvula se suele utilizar en circuitos neumáticos que responden a órdenes
voluntarias como por ejemplo activar unos areneros o un silbato. Como se puede observar en
la figura de la derecha, cuando se energiza su electroimán, arrastra una timonería que abre un
asiento de válvula y deja paso de aire.
Figura 6.16. EV directa energizada.
Figura 6.17. EV directa desenergizada.
ELECTROVÁLVULA INVERSA
La E.V. Inversa en determinados circuitos neumáticos, por su lógica de funcionamiento, se
utilizan en circuitos de actuación del freno, provocando la actuación del mismo cuando falta la
energía o alimentación eléctrica por algo fortuito que responde a un fallo o avería. Como se
puede ver en la figura de la derecha, cuando se energiza corta el paso de aire.
Figura 6.18. EV inversa energizada.
Figura 6.19 EV inversa desenergizada
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6.2.11. ELECTROVÁLVULAS SELECTORAS
Son electroválvulas que permiten activar o seleccionar un circuito u otro en función de si están
energizadas o no. Su construcción es muy similar a las electroválvulas convencionales.
Figura 6.20. Electroválvula selectora.
6.2.12. PRESOSTATOS
Son elementos que transfieren órdenes eléctricas en función de la presión de los circuitos
neumáticos donde están intercalados con unos determinados rangos de ajuste. En el ajuste se
debe tener en cuenta la histéresis (diferentes presiones de conmutación entre la alta y la baja)
del propio presostato en algunos casos ajustable dentro de unos límites.
Figura 6.21. Presostatos.
Tienen múltiples aplicaciones dentro de los circuitos neumáticos, como ejemplo el “gobernol”
del compresor principal que al llegar a la presión máxima de D. Principales ordena la parada
del compresor principal.
En la figura 6.21 se puede apreciar la diferente posición del contacto eléctrico en función de la
presión que existe en la cámara.
Cuando estos elementos trabajan con dos presiones (una de referencia o de control y otra
variable o de actuación, hablamos de manocontactos o presostatos diferenciales.
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6.2.13. TRANSDUCTORES
En la actualidad los sistemas de freno están controlados por procesador, donde el control y
vigilancia de las diferentes presiones se hace de forma continua motivo por el cual estos
dispositivos juegan un papel muy importante.
Figura 6.22. Transductores.
Son dispositivos que dan información continua de una presión variable y disponen de una
resistencia variable en función de la presión. Estos dispositivos pueden trabajar por tensión o
por corriente, dependiendo de la electrónica que procesa el valor resultante de la presión
variable que controlan.
6.2.14. DISTRIBUIDOR DE FRENO
Es el dispositivo donde se determinan los tiempos de freno y afloje según la normativa UIC, así
como en algunos casos, las presiones definitivas de freno, siendo la máxima de 3,8 bar.
Algunos de ellos ofrecen las posibilidades de fijar dos gamas de tiempos, una para trenes de
viajeros y otra para trenes de mercancías, posiciones que se fijan con una palanca selectora
(V/M o P/G).
Presentan la posibilidad de ser aislados de la TFA, gracias a la llave de aislamiento del
distribuidor, por lo que dejan de ser efectivos y todos disponen de la válvula de vaciado o
destrucción del depósito de control y por tanto destrucción de cualquier presión en cilindros
freno.
En la figura 6.23 se puede observar en color azul, las cámaras que se cargan de aire
procedente de la TFA. En este proceso se carga por medio de la válvula de corte, el depósito
de control, que permanecerá inalterable durante los procesos de destrucción de TFA, así como
la cámara inferior del dispositivo principal.
La cámara intermedia del dispositivo principal es también cargada al mismo tiempo, así como el
depósito auxiliar y la cámara superior del dispositivo principal a través de la válvula de
retención, que evitara la perdida de presión del depósito auxiliar de freno cuando la TFA sea
destruida por cualquier demanda de freno. Este proceso dura tres minutos, tiempo de rigor para
la carga del dispositivo.
En la figura 6.24 podemos observar como con el descenso de TFA producimos el desequilibrio
de presiones en el diafragma del dispositivo principal y el vástago solidario al diafragma sube
hacia arriba abriendo el asiento de la válvula superior e introduciendo aire en la salida a CF.
Al mismo tiempo y por paso calibrado, se llena la cámara de recubrimiento obteniendo la fuerza
de estabilización a la TFA destruida para frenar, alcanzando la estabilidad.
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Figura 6.23 Distribuidor. Carga del sistema.
Figura 6.24. Distribuidor. Freno.
Cada proceso de descenso de TFA, desde 5 bar hasta 3,5 bar, tendrá una respuesta como la
descrita ofreciendo una gama de presiones estabilizadas diferentes entre 0 bar y 3,8 bar de
presión máxima, de esto la definición de freno fácilmente moderable.
En los procesos de afloje es decir cuando la TFA sube, el diafragma central del dispositivo
principal baja arrastrando el vástago hueco y despegando el asiento de válvula superior del
dispositivo principal. El aire de CF escapa a la atmósfera por el vástago hueco del dispositivo
principal como se puede apreciar en la figura 6.25.
Figura 6.25. Distribuidor. Afloje.
6.3. DIFERENTES FORMAS DE FRENAR
6.3.1. FRENO DIRECTO
El Freno Directo es utilizado eminentemente durante las maniobras, se activa manipulando el
mando de freno directo también conocido por el nombre de Pilotari. Dispone de tres posiciones
Freno- Estabilización- Afloje.
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Figura 6.26. Plano de aplicación del freno directo.
En la imagen observamos que el mando de freno directo, recibe alimentación de D. Principales
por medio de una válvula reguladora de presión, adaptando los 8 o 9 bar de D.P (depende de
los vehículos) a 5 bar de presión de trabajo para el freno directo.
Cuando activamos el mando de freno directo hacia frenar, tomamos aire a 5 bar y pilotamos la
relé de freno (amplificadora de volumen) en este caso desmultiplicadora de presión, la cual
tomará aire de los D.P y mandará la señal de freno a cilindros de freno, a una presión que
oscila entre 3 y 3,8 bar, dependiendo de los vehículos.
La válvula de doble efecto o selectora discrimina la orden de freno solicitada al cilindro,
pudiendo ser por freno directo o por freno indirecto, también conocido por los nombres de
freno automático o de servicio.
Si activamos el mando de freno directo hacia la posición intermedia, lo que haremos es
estabilizar lo que anteriormente hayamos solicitado, consiguiendo diferentes escalones de
freno, tanto en freno como en afloje.
Si seleccionamos afloje lo que haremos es destruir por una tobera o paso calibrado (válvula de
flujo) instalada en el mando de freno directo, el aire que pilota la relé de freno destruyendo por
vástago hueco de la relé de freno el aire que llega al cilindro de freno y por tanto aflojando el
freno.
6.3.2. FRENO INDIRECTO AUTOMÁTICO
Este freno puede ser utilizado para adaptar velocidades durante la conducción, pero es
utilizado eminentemente para llegar a la parada total de la composición.
Todo el proceso comienza con el control de la presión de un depósito fácilmente manejable por
su poco volumen, llamado Depósito de Equilibrio. Para ello tomamos presión de D. Principales
y la adaptamos con una reguladora a 5 bar, esta presión utilizada por dos electroválvulas (E.V.
Freno y E.V. Afloje), vaciará o llenará el D. Equilibrio, durante las actuaciones de afloje o
freno respectivamente.
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La presión del Depósito de Equilibrio, será reproducida fielmente en la Tubería de Freno
Automático o T.F.A. gracias a la Relé Principal o Relé de Mando, ya que este amplificador de
volumen es de relación 1:1.
Figura 6.27. Plano de aplicación del freno indirecto.
Durante el proceso de carga del equipo, una vez que el maquinista toma los mandos del
vehículo, se dan una serie de automatismos, como es la carga automática de la T.F.A. hasta
3,2 bar, gracias a la actuación del presostato “H” tarado a esta medida, que mantendrá
automáticamente energizada la E.V. de Afloje para subir la presión en el Depósito de Equilibrio
y por tanto en la T.F.A. gracias a la Relé Principal o Relé de Mando.
La E.V. de Freno permanecerá energizada durante este proceso evitando que la presión del D.
Equilibrio se destruya a la atmósfera.
En esta situación de rearme automático controlado hasta 3,2 bar el vehículo permanece
frenado y dependerá de la voluntad del maquinista o del operario de mantenimiento para
comenzar el proceso de afloje voluntario de los frenos, para ello con el manipulador de freno
automático se podrán dar órdenes eléctricas a la E.V. de Freno y a la de Afloje.
Cuando aflojamos mediante el manipulador, energizamos la E.V. de Afloje y llenamos el D.
Equilibrio y por tanto llenamos la T.F.A. de forma fácilmente moderable hasta 4,85 bar,
momento en el que se activa otro automatismo controlado por el manocontacto “G” ausente en
la figura 1-39, subiendo de forma automática de 4,85 bar hasta 5 bar.
Durante la carga de TFA de un tren, la actuación del diferencial PM entre Equilibrio y TFA, se
puentea con temporizados electrónicos evitando la destrucción de TFA, aun separándose más
de 0,4 bar del D. de Equilibrio.
En esta posición y gracias a la Válvula de Realimentación de la figura, mantenemos recubierto
el D. Equilibrio compensando posibles fugas en caso necesario, siempre que el mismo se
encuentre por encima de 4,85 bar. Al mantener recubierto el D. Equilibrio, la Relé Principal
recubrirá de igual forma las posibles pérdidas de la TFA a lo largo de una composición, hasta
un límite.
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El sistema dispone de la E.V. de Neutro que es energizada cuando se utiliza la locomotora
como conducida en mando múltiple o calzada de forma manual cuando queremos remolcar una
locomotora sin batería. Esta electroválvula en cualquiera de los casos pilota la Válvula de
Corte, la cual en estas condiciones, aísla de TFA el panel de freno impidiendo recibir y
construir TFA como medida de seguridad.
Todos los vehículos ferroviarios disponen de un circuito eléctrico conocido con el nombre de
circuito lazo, donde están intercaladas todas las vigilancias que tienen que ver con el
funcionamiento seguro de dicho vehículo.
Estas vigilancias que pueden ser Hombre Muerto, ASFA u otros bloqueos LZB o ETCS, corte
de tren detectado por diferencial PM, F. de Emergencia por mando de tracción, F. de Urgencia,
etc. cuando se desencadenan, producen la rápida destrucción de la TFA gracias a la actuación
de las válvulas de Emergencia pilotadas por electroválvulas de vigilancia que se desenergizan
cuando se abren estos circuitos lazo.
Figura 6.28. Distribución de los circuitos de freno en un coche.
Durante todo el proceso descrito nos hemos ocupado de la manipulación de la TFA y de sus
automatismos, resumiendo de alguna forma: el maquinista sube o baja la TFA en función de si
quiere aflojar o apretar el freno de la locomotora y del tren en el caso de estar acoplado al
mismo.
Figura 6.29. Distribución de los circuitos de freno en un vagón.
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En la imagen superior aparece el distribuidor ya explicado anteriormente y el cilindro de freno
donde podemos comprender la influencia de la TFA en cualquier proceso de frenado y afloje de
una composición.
Conviene distinguir entre coches alimentados de D. Principales y TFA y vagones alimentados
solo de TFA, como muestra esta figura.
La diferencia radica en que los vagones sin alimentación de D. Principales, la carga del
depósito auxiliar de freno se toma de TFA, al no disponer de tubería de D. Principales.
6.3.3. FRENO ESTACIONAMIENTO.
En el freno de estacionamiento con bloques de freno, el frenado de estacionamiento es
producto de la fuerza ejercida por un muelle.
Estos bloques de freno que combinan las posibilidades de freno por F. Directo, freno por F.
Indirecto o automático y freno por freno de estacionamiento, necesitan para esta tercera
posibilidad de un aparellaje o dispositivos de mando.
Figura 6.30 Plano de aplicación y afloje del freno de estacionamiento.
Para el funcionamiento del bloque de freno que contempla la posibilidad de freno de
estacionamiento por muelle acumulador, necesitamos una reguladora que ajusta la presión de
D. Principales a 6 bar aproximadamente (dependiendo de los vehículos) que alimentara una
electroválvula directa y que cuando se energice eléctricamente o se calce manualmente,
meterá aire en la cámara rindiendo el muelle acumulador y aflojando el Freno de
Estacionamiento.
Es por esto fácilmente deducible que en la medida que el vehículo se queda sin aire el freno de
estacionamiento se aplica, al distenderse el muelle acumulador.
En la figura 6.30 se puede observar una válvula de doble efecto también conocida por el
nombre de válvula anti-suma o anticompound que evita la suma de esfuerzos de freno
resultantes del freno neumático y el del muelle acumulador, aplicando la fuerza del muelle
acumulador en la medida que desaparece el freno neumático.
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Dispone también de unos presostatos de vigilancia que informan de la aplicación o no del freno
estacionamiento a la electrónica de control, pudiendo desencadenar frenados de emergencia
ante situaciones de aplicación indebida del F. de Estacionamiento o simplemente no permitir la
tracción si el F. de Estacionamiento está aplicado.
6.3.4. FRENO AUXILIO
Cuando las ordenes eléctricas que manejan las electroválvulas de afloje, freno y otros
componentes de control del freno, no son posibles por avería, es necesario recurrir al freno de
auxilio. Este freno de auxilio, gracias a las llaves de cuatro vías o conmutadores neumáticos en
locomotoras más actuales, permite el manejo de la presión del D. Equilibrio con la válvula del F.
Directo.
Figura 6.31. Plano de aplicación y afloje del freno de auxilio.
Esta representación se acerca a la que funciona en locomotoras S/252, con el conmutador
posicionado en auxilio podemos manejar la presión del D. Equilibrio de forma manual con un
elemento puramente neumático como es el mando para F. Directo.
6.3.5. FRENO URGENCIA
En la figura 6.32, podemos ver la representación de una válvula para el F. de Urgencia.
Estas válvulas cuando son accionadas a voluntad por el maquinista, destruyen de forma rápida
la TFA ordenado freno máximo.
Disponen de enclavamientos eléctricos que entre otras funcionalidades pueden abrir el circuito
lazo, desenergizar electroválvulas de vigilancia que desencadenan la apertura de la TFA a la
atmósfera por válvulas de emergencia, informar a los procesadores de control del vehículo de
su actuación, etc.
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Figura 6.32. Válvula de urgencia.
6.4. ANTIBLOQUEO
Durante los procesos de frenado es muy importante controlar la adherencia rueda carril,
evitando deslizamientos que pueden dañar las ruedas de forma considerable, al mismo tiempo
que se optimizan las distancias de frenado.
Básicamente el equipo consta de una electrónica de control, donde se procesan las señales de
velocidad recibidas de los sensores (ópticos o inductivos) calados en las cajas de grasa sobre
ruedas fónicas, repartidos en los diferentes ejes y de unas electroválvulas controladas por la
electrónica de control, capaces de controlar el llenado y vaciado de los cilindros de freno.
La electrónica compara cada una de las lecturas de los ejes y si alguna se desfasa sobre el
resto, controla las electroválvulas de ese eje que se retrasa cortándole la alimentación de freno,
incluso destruyendo parte de la presión recibida, siendo restablecida a valores normales,
cuando cesa la diferencia de velocidad de ese eje con el resto.
Figura 6.33 Plano funcional genérico del equipo antibloqueo.
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