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2 La Locomotora de Vapor

2.1 Introducción La primera locomotora de vapor, que se desplazó sobre carriles, fue realizada por el inglés Trewithick en 1804, pero debe considerarse que la verdadera antecesora de la locomotora de vapor moderna, fue La Rocket del ingeniero inglés Stephenson en 1829 (Figura 18). La Rocket reunía las dos características esenciales en las que se basaron las locomotoras de vapor modernas: la caldera tubular, inventada por Marc Seguín; y el tiro forzado por inyección de vapor en el escape de la chimenea, ideado por Trewithick y posteriormente mejorado por Hacworth. En 1876, el francés Mallet aportó al motor de la locomotora la doble expansión o compound. Esta tecnología no llegó a España hasta mediados de 1901 con la

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incorporación de locomotoras tipo 2-3-0 que dieron muy buenos resultados como máquinas para trenes rápidos y ligeros, y las locomotoras Montaña del Norte (Figura 7) fabricadas por el constructor inglés Babcock & Wilcox.

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

El alemán Schmidt, en 1888, introdujo el sistema del recalentamiento del vapor, que revolucionó la caldera de vapor saturado. Esta invención se extendió universalmente por las mejoras que aportaba. En España se adoptó hacia el año 1909. Debido al paulatino aumento del peso de los trenes, hubo que aumentar el tamaño de las locomotoras para aumentar su potencia y aumentar el número de ruedas motrices para mejorar la adherencia. En España se crearon en orden cronológico las locomotoras tipo 2-3-1 Pacific, las 2-4-0, las tipo 2-4-1 Montaña, las 1-5-1 Santa Fe y las 2-4-2 Confederación. Las exigencias de los trenes hacían que las locomotoras cada vez fueran más grandes y voluminosas, hasta tal punto que algunas rozaban los pesos máximos autorizados por la vía. Para solucionar este problema, se hicieron innumerables

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investigaciones para intentar dilucidar la pérdida de rendimiento en las locomotoras e implementar mejoras con los resultados obtenidos. Se dieron cuenta que el rendimiento de la locomotora de vapor aumentaba si se mejoraba el mecanismo de escape, el grado de recalentamiento, y si se aumentaban las secciones de paso de los conductos de admisión a los cilindros, para minimizar las pérdidas por fricción. Según se indica en [6], las locomotoras que adoptaron dichas mejoras aumentaron su potencia, en algunos casos, de 1500 CV a 2600 CV con un aumento de peso de sólo 10 toneladas. Dado los excelentes resultados, las posteriores locomotoras se construyeron con las nuevas mejoras. En los apartados siguientes se realiza una exposición de los elementos constituyentes de las locomotoras de vapor, y en particular, de los elementos que compondrían una locomotora tipo 2-4-1 Montaña, de vapor recalentado con dos cilindros de simple expansión; para dar obtener una visión de conjunto de las locomotoras de vapor y entrar en capítulos posteriores, en el modelado de los principales componentes y del mecanismo motor. Se omite, debido a la extensión de los contenidos, todos los sistemas auxiliares de la locomotora. Por ello el lector podrá notar que no se hablará de sistemas de frenos, de seguridad, etc. Para toda la exposición se usara como apoyo gráfico la locomotora recreada en CATIA V5 (Figura 19), que se ha modelado bajo las especificaciones antes descritas y siguiendo en la medida de lo posible, las soluciones constructivas de aquella época en España y en concreto para las locomotoras de La Maquinista.

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

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2.2 Aspectos generales de las locomotoras de vapor Mediante una notación cifrada se podía representar el aspecto exterior de una locomotora de vapor, indicando, además, el tipo de servicio al cual iban destinadas:


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




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

Así, la notación americana, que era la más empleada, indicaba el número de ruedas portantes o libres y el número de las ruedas acopladas. Además, esta notación también indicaba la posición que dichas ruedas ocupan entre sí (Figura 20). La posición de los cilindros, los órganos principales de la máquina, constituía una característica muy importante que también servía de base para la clasificación de las locomotoras de vapor:


Dos cilindros de simple expansión.




Tres cilindros de simple o doble expansión.




Cuatro cilindros de simple o doble expansión.

La posición de los cilindros podía ser interior o exterior a los largueros del bastidor. Para los sistemas con más de dos cilindros, normalmente para los sistemas de doble expansión, los cuerpos de alta se colocaban interiores a los largueros y los de baja al exterior. Aumentar el número de cilindros permitía disminuir el diámetro de los mismos para una potencia dada, y además permitía una mayor expansión del vapor si se incorporaba la doble expansión. Capítulo II.- La Locomotora de Vapor

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

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La potencia de las locomotoras de vapor provenía del calor desprendido por el combustible (carbón y posteriormente fuel). Dicho calor se empleaba para la producción de vapor para su posterior conversión en trabajo a partir del empuje sobre el émbolo en el cilindro. Esta transformación de energía, de calor en trabajo, exigía una serie de elementos que se pueden dividir en tres grupos:


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




el segundo, el motor,




y finalmente el vehículo, que soportaba la caldera y el motor del que recibía el movimiento.

La caldera, órgano potente y pesado, estaba sostenida por el bastidor que debía ser lo más rígido posible. Debido a las dilataciones térmicas que sufría la caldera, ésta se fijaba únicamente por un punto al bastidor; el resto de apoyos se realizaban mediante patines de deslizamiento que permitían las deformaciones provocadas por los cambios de temperatura. El bastidor apoyaba siempre sobre los ejes por medio de resortes, que constituían el conjunto de la suspensión. El bastidor llevaba los cilindros, las guías o paralelas de las crucetas y todas las piezas del mecanismo que no debían forzosamente fijarse a los ejes, como por ejemplo el sector.

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2.3 La caldera Como se ha comentado, la caldera de las locomotoras de vapor era el órgano más voluminoso y pesado de la locomotora, y obligaba el uso de bastidores rígidos y resistentes teniendo en cuenta que se debía reducir el peso al máximo. Debido a las dilataciones provocadas por las cargas térmicas, la caldera se fijaba únicamente a la parte delantera del bastidor, descansando sobre patines de deslizamiento en la parte posterior. La potencia de la locomotora dependía de la potencia de vaporización de la caldera; es decir, de la rapidez con que podía producir una cierta cantidad de vapor y del tiempo que podía mantenerla. Además, la caldera debía caracterizarse por tener una fuerte producción de vapor en un volumen muy reducido. La caldera de la locomotora de vapor era del tipo llamado tubular y de hogar interior. Se componía de tres partes:


El hogar.




El cuerpo cilíndrico.




La caja de humos.

Comprendía, además, como accesorios, los aparatos de alimentación, de seguridad, de inspección, y de limpieza. Se completaba en muchas locomotoras con sistemas para el recalentamiento del vapor. En apartados siguientes veremos con detenimiento estos tres elementos que constituían la caldera de la locomotora. Se omitirá toda aquella explicación referente a accesorios; únicamente se mencionará el sistema de alimentación del agua a la caldera mediante eyectores por su particularidad. La siguiente figura muestra la disposición de estos elementos modelados con CATIA V5 (Figura 21).

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Figura 21.- Sección longitudinal de la locomotora recreada en CATIA V5.

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2.3.1 El hogar El hogar de cualquier caldera, es el lugar geométrico donde se produce la combustión del combustible. En el hogar, el calor transferido es de naturaleza radiante, debido a las altas temperaturas en su interior (superiores a los 1000 ºC). Para mejorar dicho mecanismo de transferencia de calor, y aumentar sensiblemente la temperatura en el hogar, a éste se le incluía una bóveda refractaria. La siguiente figura (Figura 22), se muestra una sección longitudinal de un hogar típico de las locomotoras alemanas.

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

El hogar de las locomotoras de vapor era de gran volumen y de formas muy diversas. Sus partes constituyentes son el cielo, la cara inferior con la parrilla, la placa tubular y la placa posterior donde se ubica la puerta de carga de combustible. Si nos referimos únicamente a las paredes laterales, el hogar se podía presentar de tres formas distintas. En las locomotoras poco potentes, las paredes laterales normalmente eran verticales. En locomotoras más potentes, debido a que el diámetro del Capítulo II.- La Locomotora de Vapor

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

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

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

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

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

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

La envuelta del hogar era de chapa de acero dulce, de unos 30 mm de espesor, mientras que el cielo y las paredes del hogar, se hacían de cobre o de palastros de acero. Tanto en España, como en Norte América, los hogares eran de acero. En el resto de Europa, sobre todo en Bélgica, los primeros hogares eran de cobre, pero a finales de 1946 empezaron a construirse con palastros de acero para reducir el peso de las locomotoras. El empleo del cobre para la construcción del hogar estaba justificado, pues es un material con resistencia a las altas temperaturas alcanzadas en la combustión y es bastante resistente a las acciones químicas. Estos hogares de cobre podían sufrir deformaciones importantes debido a los cambios bruscos de temperatura, lo que los hacía menos sensibles a los enfriamientos bruscos por las entradas de aire a la caldera, el lavado con agua fría, etc.

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Sin embargo, la resistencia a la tracción del cobre disminuye bruscamente con la temperatura, lo que obligaba la construcción de hogares con espesores muy grandes, y por tanto muy pesados. Como se ha comentado, para reducir el peso de las locomotoras, y poder alcanzar altas presiones en la caldera, los constructores comenzaron a fabricar los hogares de acero en vez de cobre. El acero dulce es mucho más resistente que el cobre y además su resistencia a la tracción es menos sensible a la temperatura que la del cobre. Así, por ejemplo, según datos obtenidos de [6], a 200º la resistencia del cobre disminuye de 23 kg/cm2 a 19 kg/cm2. Ahora bien, 200 ºC es la temperatura del vapor a 16 kg/cm2. A 350 °C, si se aplica una carga permanente, el cobre puede romperse con una carga de 7,5 kg/cm2. En cambio la resistencia a la tracción del acero extra dulce es de 34 a 41 kg/cm2 de 200 a 300 ºC. Los hogares de acero, sin embargo, eran más sensibles a las variaciones de temperatura y a los ataques químicos; lo que a la larga se incrementaron sensiblemente las labores de mantenimiento para reparar y revisar los hogares de acero. Las paredes del hogar estaban sometidas a presiones del orden de 18 bar. Bajo semejantes presiones, el cielo y las paredes del hogar se aplastarían sí no se arriostrasen. Por ello, las dos paredes laterales, la pared de atrás y la parte inferior de la placa tubular se arriostraban con la envolvente exterior mediante los virotillos (Figura 22 y Figura 26). Los virotillos eran barras de cobre o de acero, roscadas en toda su longitud o sólo en los extremos, que se introducían en agujeros roscados, practicados en la envolvente y las paredes del bogar. Los virotillos se solían adelgazar en la parte que no iba roscada para mejorar la flexibilidad del conjunto, y evitar las incrustaciones por deposiciones calcáreas.

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

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

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

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2.3.2 El cuerpo cilíndrico y el haz tubular. Las superficies de intercambio de calor en las calderas pirotubulares de las locomotoras de vapor, se componían de dos partes: la superficie de intercambio directa, constituida por las paredes del hogar; y la superficie de intercambio indirecta, constituida por la superficie interior de los tubos de humo que conformaban el haz tubular. Como se ha comentado en el apartado anterior, en el hogar, se transmitía el calor principalmente por radiación, ya que las temperaturas alcanzadas en su interior alcanzaban los 1600º. Este calor radiante, representaba aproximadamente el 40 % del calor total que se aportaba para la vaporización del agua. El resto del calor aportado lo cedían los gases de combustión a través de su paso por los tubos de humo (convección). La temperatura de los gases de entrada solía variar de 1000 a 1300 ºC, y a la salida entre 250 y 400 ºC. Los tubos de fuego de las locomotoras más potentes no superaban los 8 metros de longitud. Esto a priori parece una contradicción si se quiere obtener el máximo calor de los gases de escape. La evolución de la temperatura de salida de los gases de escape, en función de la longitud de los tubos de fuego, sigue la curva que se muestra más abajo (Figura 28). Como se puede apreciar, el gradiente térmico para longitudes superiores a los 8 metros es muy pequeño, por lo que no merecía la pena alagar más allá los tubos de fuego. 700 600

T (ºC)

500 400 300 200 100 0 2

4

6

8

10

12

14

16

L (m)

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

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Tubos más largos implican un aumento de la pérdida de carga, por lo que el tiro debía ser mayor. Además no interesaba bajar la temperatura de los gases de escape por debajo de los 200 ª C, ya que por debajo de esa temperatura comenzaba a condensar el agua procedente de la combustión, formándose ácidos que deterioraban las calderas. Esto se acentuaba si se quemaban carbones de mala calidad con altas concentraciones de azufre.

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


El recalentamiento permitía, en servicio normal de la locomotora, economizar entre un 20 y 30 % de combustible con sólo aumentar la temperatura del vapor 50 grados. Además, como el vapor recalentado ocupa más volumen que el vapor saturado, se conseguía ahorrar agua (3/2 de la cantidad de combustible ahorrado aproximadamente). Efectivamente, el rendimiento teórico de una máquina térmica crece cuando aumenta la diferencia entre las temperaturas del foco frío y del foco caliente. Hay que tener en cuenta que un excesivo recalentamiento del vapor saturado, dificultaba el engrase del cilindro y disminuía la vida útil de los segmentos debido a la baja calidad de los aceites de la época.

ηMáximo Carnot=


(Tcaliente-Tfrío)/ Tcaliente

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

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Si se evitaban las condensaciones, el rendimiento térmico aumentaba debido a que las pérdidas térmicas eran menores, ya que las superficies secas transmiten menor calor que las húmedas.




Con el recalentamiento se evitaban los golpes de líquido producidos por las posibles condensaciones de vapor en el interior de los cilindros. Además, se disminuían las pérdidas de carga por el laminado del vapor saturado, especialmente en las lumbreras de escape por las que el vapor pasaba a gran velocidad. Existían infinidad de soluciones para obtener el recalentamiento deseado. El

sistema de recalentamiento más extendido fue el introducido por Schmidt en 1888. Este sistema recogía el vapor saturado en un colector y lo repartía a través de elementos recalentadores que discurrían por el interior de los tubos de humo. La siguiente figura muestra una sección longitudinal de la caldera de la locomotora modelada en CATIA V5 (Figura 29).

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

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

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2.3.4 La caja de humos La caja de humos era el volumen cerrado delante de la caldera que sostenía la chimenea. Este volumen cerrado tenía como objeto retener las cenizas y escorias arrastradas por los gases de combustión y crear el tiro forzado, gracias a la creación del vacío a partir del vapor de escape por efecto venturi. El escape de la locomotora era fundamental para su comportamiento. Un buen escape influía muy positivamente en la potencia de vaporización de la caldera y por tanto en el rendimiento del motor, ya que mejoraba notablemente la combustión del combustible alcanzándose altas temperaturas en el interior del hogar. Un buen escape, además, disminuía la contrapresión en los conductos de escape, mejorando el rendimiento del motor. Las siguientes figuras (Figura 31 y Figura 32) representan varias secciones de la parte frontal de la caldera de la locomotora recreada en CATIA V5. Nótese los circuitos de admisión y escape de la locomotora, así como la chimenea, el cono Kylchap y el conducto convergente-divergente para la creación del tiro forzado.

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

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

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

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2.3.5 La alimentación de la caldera Las calderas de las primeras locomotoras de vapor se alimentaban gracias a bombas movidas por las crucetas de los émbolos o por excéntricas. Esta práctica se abandonó porque no permitía la alimentación cuando la máquina estaba parada. Estas bombas se sustituyeron por un sistema, ideado por el ingeniero francés Enric Giffard, que utilizaba directamente el vapor producido en la caldera para aumentar la presión del agua del tender más allá de la presión de la caldera. Este sistema consistía en una serie de inyectores, que hacían que el vapor arrastrara literalmente el agua de alimentación hacia el interior de la caldera con cierto precalentamiento (Figura 34).

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

El agua de alimentación a la caldera debía tratarse en muchos casos para disminuir su dureza y eliminar partículas en suspensión. Muchas de las locomotoras estaban dotadas con sistemas para la depuración de las aguas de alimentación para evitar las deposiciones calcáreas, que disminuían considerablemente el rendimiento de la caldera, al depositarse por el exterior de los tubos de humo. Dicha película de cal en la superficie del tubo hacía de aislante, aumentaba la resistencia al paso del calor, por lo que disminuía el flujo de calor por unidad de tiempo (potencia de vaporización). Las partículas eran también muy perjudiciales pues al ser arrastradas por el vapor, podían entrar en el cilindro y dañar su superficie interior, por lo que la estanqueidad entra las dos caras del émbolo se podría perder en gran medida.

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2.4 El motor A pesar de su aparente sencillez, el motor de las locomotoras de vapor debía satisfacer múltiples exigencias. Por un lado debían dar la potencia necesaria para arrastrar los trenes, pudiendo variar la velocidad cuando fuera necesario manteniendo el rendimiento en la medida de lo posible. Por otro, debían ser seguros y fiables. El rendimiento de las locomotoras de vapor era realmente muy bajo: de 100 unidades de energía aportadas en la combustión del combustible, como máximo y sólo en las locomotoras más modernas, se obtenían 8 unidades de energía mecánica. Este rendimiento tan bajo respecto a las máquinas de vapor estáticas, como las alternativas y las turbinas de vapor (rendimiento del orden del 35%), se debía fundamentalmente a la ausencia del condensador en las locomotoras.

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

Obviamente, con la instalación de un condensador se consigue bajar la temperatura del foco frío y la contrapresión en el escape de la máquina, por ello los rendimientos teórico y real de la máquina térmica aumentan (pág. 37). El problema reside en el propio condensador,

al

ser

un

elemento

muy

voluminoso

y

pesado;

aumentaría

considerablemente el peso total de la locomotora y con ello la potencia específica, por lo que, unido al bajo coste del carbón en la era del vapor, no interesaba su instalación. No

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obstante, existieron prototipos alemanes de locomotoras de vapor, ya fuelizadas, pero no llegaron a prestar servicio regular. El número de cilindros dependía de muchos factores. Por un lado, al aumentar el número de cilindros, el esfuerzo motor era más regular. Por otro, cuando se expandía por etapas el vapor, en cuerpos de alta y baja presión, se obtenía además de un par más regular, mayor energía del vapor. La mayoría de las locomotoras que fueron construidas por La Maquinista, estaban dotadas con motores de dos y tres cilindros de simple expansión, ya que se prefería la sencillez y las garantías de buen funcionamiento con pocos reglajes, que tecnologías más complicadas como la doble expansión. En los apartados siguientes se explicará el motor de dos cilindros de simple expansión de doble efecto, que fue muy empleado en las locomotoras de fabricación española como se acaba de comentar. En dicho motor de vapor, al igual que en el resto, se distinguía entre:


Los órganos motores, compuestos por: las cajas de vapor, los cilindros, los émbolos, las crucetas, las guías, las bielas motrices y las bielas de acoplamiento.




Los órganos distribuidores compuestos por: las capillas de admisión, los distribuidores y los mecanismos de accionamiento.

Figura 36.- Detalle de los órganos de la locomotora, realizado con CATIA V5. Nótese el émbolo y sus vástagos y el distribuidor de correderas cilíndricas.

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2.4.1 Cilindros En los cilindros, el vapor desarrollaba trabajo ejerciendo presión sobre las dos caras del émbolo, de ahí el nombre de doble efecto. Las primeras locomotoras tenían los cilindros verticales o con una fuerte inclinación respecto al plano horizontal de la máquina. Esta disposición hacía a la locomotora bastante inestable cuando adquiría cierta velocidad, ya que debido al movimiento alternativo de los émbolos y al esfuerzo del vapor, la locomotora tendía a cabecear de manera notoria. Por otro lado, tener los cilindros verticales limitaba la carrera de los émbolos y la longitud de las bielas motoras. Las posteriores máquinas llevaban los cilindros horizontales, o con una ligera inclinación.

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

Los cilindros se fabricaban de fundiciones especiales o de acero moldeado, el cual exigía el uso de camisas en su interior. En teoría, la longitud del cilindro debía ser igual al doble de la longitud de la manivela más el espesor del émbolo, pero debido a las dilataciones y los desgastes de los distintos elementos, era conveniente, al igual que hoy en día para las máquinas alternativas, dejar un espacio muerto para corregir dichos defectos (Figura 37). Como se indica en [6], los cilindros debían estar provistos de elementos de protección y para el drenaje de condensados, muy perjudiciales por la corrosión y los golpes de líquido, usándose las válvulas de seguridad y los purgadores. Además, Capítulo II.- La Locomotora de Vapor

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

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

2.4.2 Émbolos y vástagos El émbolo (Figura 37) era el órgano que recibía la acción del vapor y la transmitía al mecanismo biela-manivela a través del vástago. La construcción del émbolo debía responder a ciertas condiciones:


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




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




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

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La estanqueidad se conseguía mediante una serie de aros, o segmentos, dispuestos en la superficie lateral del émbolo. Para las dos últimas especificaciones, se debía llegar a un compromiso entre la resistencia y el peso del émbolo. Debido a esto último, los émbolos eran fabricados de acero forjado, de gran resistencia y poco peso (en comparación con las aleaciones conocidas en aquella época). El vástago transmitía a la cruceta el esfuerzo que el vapor ejercía sobre el émbolo, por lo que debía ser un elemento robusto. Podía ser solidario al émbolo o desmontable; dependía sobre todo de las preferencias del fabricante. Cuando el diámetro de los cilindros era considerable, el peso de los émbolos hacía que el cilindro se desgastara principalmente por su parte inferior. Para evitar este desgaste, los constructores europeos incluyeron el contra-vástago de forma generalizada (Figura 36). Gracias al contra-vástago, el émbolo descansaba sobre las guarniciones de las tapas de los cilindros, evitando el desgaste desigual de la superficie del cilindro.

2.4.3 Crucetas y guías La cruceta formaba la unión articulada entre el vástago del émbolo y la biela motriz. Además, junto a las paralelas, aseguraba que el movimiento del vástago fuera en línea recta (Figura 39).

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

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2.4.4 Bielas motrices y de acoplamiento La biela motriz transmitía a la manivela el esfuerzo que el vapor había desarrollado en el émbolo, y era la encargada junto con la manivela de transformar el movimiento alternativo en un movimiento circular continuo. La biela motriz se componía de dos articulaciones unidas por el cuerpo o caña de la biela. La articulación con la cruceta se llamaba pie de la biela motriz, mientras que la articulación con la muñequilla de la rueda se le llamaba cabeza de la biela. La biela motriz era bastante esbelta, por lo que tendía a deformarse por flexión debido a las cargas dinámicas y estáticas a las que estaba sometida. Todo ello hacía que se adoptaran secciones en doble t para aumentar el momento de inercia en el plano vertical, dándole una altura decreciente hacia el pie de la biela.

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

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Las dimensiones de la sección transversal de la caña dependían, evidentemente, de los esfuerzos que tenía que soportar la biela. El diseño de las bielas en general debía ser muy fino; se tenía que llegar a soluciones ligeras

para minimizar los efectos

negativos de las masas en movimiento sin detrimento de su resistencia y rigidez. Las bielas de acoplamiento eran necesarias para repartir el esfuerzo entre las ruedas y evitar que se superara, en el contacto llanta carril, la resistencia al deslizamiento en el centro instantáneo de rotación de las ruedas a tracción. El diseño de las bielas de acoplamiento se hacía bajo las mismas reglas de construcción que las motrices. Ambas llevaban cojinetes de bronce y elementos para la corrección al desgaste y ajuste (Figura 40). Cuando se acoplaban más de dos ejes, no podía emplearse una única biela que uniera las manivelas de todas las ruedas, ya que debido a los desplazamientos relativos verticales y laterales, deformarían y partirían la biela. Por ese motivo la biela de acoplamiento se realizaba mediante varios tramos articulados (Figura 41 y Figura 42).

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

Figura 42.- Detalle del acoplamiento entre ruedas. Nótese la articulación y los depósitos del engrase. Realizado en CATIA V5.

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

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

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

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

Generalmente, y sobre todo en los cilindros de alta presión, la admisión se realizaba por el centro de la capilla de distribución y el escape por los laterales; así se evitaba el contacto del vapor vivo con superficies frías, minimizando pérdidas térmicas y evitando posibles condensaciones. Además, gracias a esta inversión de la admisión, las caras del distribuidor del lado de los conductos de escape estaban siempre a baja presión. Esto permitía que el cierre del distribuidor no debiera realizarse tan minuciosamente, por lo que podían reemplazarse los prensaestopas de las guarniciones de las tapas del distribuidor por un simple casquillo de desbaste. En comparación con las correderas planas, las correderas cilíndricas se desgastaban poco, aumentaban considerablemente las secciones de las lumbreras de admisión y de escape mejorando sensiblemente el funcionamiento del motor. Sin embargo, al igual que los cilindros, el montaje debía ser muy preciso para conservar la estanqueidad entre las distintas cámaras, lo que hacía obligado el uso de segmentos. Desarrollos posteriores, con el objeto de aumentar las secciones de paso del vapor sobre todo en los cuerpos de baja presión, se desarrollaron sistemas de distribución mediante válvulas. Las válvulas eran de apertura y cierre rápidos, con grandes secciones de paso que conseguían desligar las fases de la distribución; que a grandes velocidades permitían aumentar la expansión del vapor, avanzando el cierre de la admisión y retrasando la apertura del escape, lo suficiente como para dar tiempo a evacuar el vapor expandido en la carrera de retorno del émbolo.

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2.4.6 Mecanismo de la distribución: distribución Walschaerts La distribución de Stephenson llevaba dos excéntricas por cilindro (segmentos OA y OB de la Figura 45). Esto suponía un alto rozamiento entre superficies que provocaba unas pérdidas considerables de potencia y un excesivo desgaste de las piezas.

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

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

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

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Figura 47.- Mecanismo de la distribución Walschaerts en la posición para la marcha adelante. Realizado en CATIA V5.

Por un lado, el movimiento del distribuidor iba acoplado al del émbolo. Se acoplaban a través una barra horizontal y otra vertical, denominada de avance o péndulo, desde la cruceta hasta el vástago de la corredera (Figura 47) Por otro, la excéntrica, segmento AN, iba montada a 90 grados respecto a la manivela motriz, segmento AM, y accionaba, a través de la biela de la distribución, el sector (Figura 48).

N

A

M

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

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

O i

p

Figura 49.- Mecanismo de la distribución en el punto muerto. Nótese que la colisa esta en el centro de rotación del sector. Realizado en CATIA V5.

El sector iba ligado al distribuidor mediante una barra denominada colisa. La colisa, en el lado del sector, llevaba una incorporada una resbaladera para poder variar la marcha, al modificar su posición respecto el sector; en el otro extremo, se ligaba al vástago del distribuidor o corredera. Para poder fijar y modificar la posición relativa de la colisa con el sector, la colisa iba ligada al árbol de cambio de marcha. El punto fijo del sector daba lugar a que, por la rotación de la excéntrica, el extremo inferior del sector se desplazara en un sentido, y el punto superior en sentido contrario. Para invertir el sentido de la marcha bastaba con colocar la colisa por encima o por debajo de dicho punto de rotación del sector (Figura 50 y Figura 51).

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Figura 50.-Regulación de la marcha adelante. Nótese las distintas posiciones de la colisa. En el arranque se trabajaba a plena presión, prácticamente sin expansión alguna. En marcha regular se podían ajustar los grados de expansión. Realizado en CATIA V5.

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Figura 51.-Regulación de la marcha atrás. Realizado en CATIA V5.

Debido a esta forma de realizar el cambio de marcha y la regulación, la excéntrica debía montarse siempre a 90 grados respecto a la manivela motriz. En caso contrario, si se diera un avance a la apertura de la admisión en un sentido de la marcha, en el sentido

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contrario de marcha se le daría un retraso; se mejoraría un sentido de la marcha en detrimento del otro. Al variar la posición de la colisa, además, se variaba el grado de expansión del vapor vivo. A marchas rápidas, se usaban grandes grados de expansión, colocándose la resbaladera de la colisa cerca del centro de rotación del sector. Para los arranques y puntas de esfuerzo de tracción, debía trabajarse casi a plena presión; para ello se debía levantar la colisa hasta la altura deseada. Cuando la colisa estaba en punto muerto, el punto O podía considerarse un punto fijo. Entonces, la carrera del distribuidor se limitaba al movimiento que le transmitía el péndulo. Dicha carrera, para garantizar el funcionamiento correcto de la distribución, no debía sobrepasar los 69 mm.

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

Las dimensiones y posición del distribuidor debían ser tal, que estando la manivela motriz a 90 º respecto al plano horizontal, y la marcha en el punto muerto, dejara los recubrimientos a la admisión y los descubrimientos al escape necesarios, y conseguir los avances perseguidos para las aperturas de las lumbreras de admisión y escape (Figura 53 y Figura 54). Capítulo II.- La Locomotora de Vapor

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Figura 53-Detalle de los recubrimientos y decubrimientos. Como norma básica de diseño los decubimientos no debían superar los 3 mm, los recubrimientos podían variar de 24 a 30 mm. Realizado en CATIA V5.

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

En distribución Walschaerts no se podían hacer grandes modificaciones en sus elementos principales. Si el diseño se salía de ciertos rangos, el funcionamiento de la

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distribución no estaba asegurado. La carrera de la excéntrica, la amplitud de oscilación del sector, la relación entre los segmentos IO/OP (Figura 49), los recubrimientos y decubrimientos (Figura 53), y los avances lineales a la admisión y al escape no tenían un amplio margen de modificación. Sin embargo, la distribución Walschaerts era tan robusta, de funcionamiento seguro y de fácil reglaje, que la llevó a ser la distribución por excelencia de las locomotoras de vapor. En sus orígenes tuvo sus detractores por tener las fases ligadas y no poder ajustar, con grados pequeños de admisión, los supuestos valores óptimos de la distribución. Desarrollos posteriores, con las fases independientes, no aportaron mejoras sustanciales, si no todo lo contrario, por lo que pensaron que a lo mejor esa ligazón de las fases era el motivo del buen funcionamiento de la distribución Walschaerts.

2.4.7 Fases de la distribución Walschaerts Como se ha comentado anteriormente, gracias a la variación de la posición relativa de la colisa respecto el punto fijo del sector se conseguía regular y cambiar tanto la marcha como su sentido. Las figuras siguientes (Figura 55 y Figura 56) muestran las fases de la distribución Walschaerts para dos grados de admisión distintos. Veremos como en cada caso se obtienen distintos grados de admisión, y por tanto distintos grados de expansión, dando lugar, a la regulación de la marcha de la locomotora. Hay que recordar que la mayoría de las locomotoras de vapor eran de doble efecto, o que es lo mismo, el vapor ejercía presión sobre las dos caras del émbolo, a diferencia de los motores de combustión interna alternativos, de simple efecto, ya que los gases de escape se expanden únicamente por una cara del pistón. Para mayor simplicidad en la explicación se limita el análisis para la cara derecha del émbolo:

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1. Estando el émbolo en el punto muerto superior, se presenta el avance lineal a la apertura de la admisión en la lumbrera situada a la derecha del pistón. En este punto se producen pérdidas por laminado debido a la estrecha sección de paso (Figura 55 a.1 y Figura 56 a.1). 2. Mientras el émbolo se aleja del punto muerto superior, la corredera de la distribución abre la lumbrera de admisión hasta la apertura máxima del grado de admisión establecido. Si se comparan las aperturas de la lumbrera de admisión para distintas posiciones de la colisa, se puede observar que a mayor levantamiento de la colisa, mayor apertura de la admisión (Figura 55 a.2 y Figura 56 a.2). 3. Alcanzado el punto de máxima apertura de la lumbrera de admisión, ésta comienza a cerrarse hasta pasado un cuarto de vuelta de la manivela motriz (Figura 55 a.3 y Figura 56 a.3). 4. En este punto comienza la expansión del vapor vivo. El vapor se expande hasta que se abre la lumbrera derecha, esta vez de escape (Figura 55 b.4 y Figura 56 b.4). Como se puede comprobar, el grado de expansión del vapor es inverso al grado de admisión. A mayor grado de admisión, menor grado de expansión. En efecto, si comparamos el ángulo girado por la manivela motriz desde el punto 3 al punto 4 para los dos grados de admisión, en el primer caso, el grado de expansión es mayor que para el segundo.

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5. Una vez abierta la lumbrera de escape de la cara derecha del émbolo, comienza la fase del escape. La presión no cae bruscamente, si no que se expande. A mayor grado de admisión esta expansión del vapor de escape es mayor ya que el grado de expansión es menor y por tanto el vapor tiene mayor presión. 6. Alcanzado el punto muerto inferior se abre la lumbrera de admisión para la cara izquierda del émbolo (Figura 55 b.5 y Figura 56 b.5). La apertura máxima de la lumbrera de escape se produce pasado el punto muerto inferior (Figura 55 b.6 y Figura 56 b.6). 7. Antes de alcanzarse el punto muerto superior se cierra la lumbrera de escape de la cara derecha del émbolo (Figura 55 c.7 y Figura 56 c.7). En este instante comienza la etapa de compresión del vapor que permanece en el cilindro. Dicha etapa de compresión era necesaria, y además beneficiosa. El vapor al comprimirse actuaba a modo de colchón, amortiguando la inercia que llevaba el émbolo. 8. La compresión termina cuando se abre la lumbrera de admisión justo antes de llegar al punto muerto superior (Figura 55 c.8 y Figura 56 c.8). A la velocidad de giro del motor de las locomotoras, superiores a las 400 r.p.m., el avance a la apertura de la admisión y el escape eran fundamentales para contrarrestar los efectos inerciales. 9. Émbolo en punto muerto superior.

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E

A

1.- Émbolo en el punto muerto superior. La apertura de la lumbrera de admisión representa el avance lineal a la admisión. Aparecen pérdidas por el laminado del vapor en la lumbrera.

E

A

2.- Apertura máxima de la lumbrera de admisión para el grado de admisión establecido. El grado de admisión se define como la distancia recorrida por la corredera en la fase de admisión Nótese que la lumbrera está cubierta parcialmente por el distribuidor A partir de este punto comienza a cerrarse la lumbrera de admisión. Aumentan las pérdidas por el laminado del vapor.

E

3.- Fin de la admisión y comienzo de la expansión del vapor vivo. Nótese que no existe admisión ni escape en el distribuidor derecho.

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

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E

E

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

A

E

5.- Punto muerto inferior. Avance lineal de la admisión por la otra cara del émbolo

A

E

6.- Apertura máxima de la lumbrera de escape. Nótese que la apertura máxima del escape es mayor que la de admisión. De ahí el decubrimiento.

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

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E

E

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

E

E

A

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

E A

9.- Émbolo en punto muerto superior.

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

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E

A

1.- Émbolo en punto muerto superior. La apertura de la lumbrera de admisión representa el avance lineal a la admisión. Aparecen pérdidas por el laminado del vapor en la lumbrera.

E

A

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

E

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

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

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E

E

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

A

E

5.- Punto muerto inferior. Avance lineal de la admisión por la otra cara del émbolo

A

E

6.- Apertura máxima de la lumbrera de escape.

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

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E

E

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

E

E

A

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

E

A

9.-Émbolo en punto muerto superior.

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

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2.5 El vehículo La caldera y el motor de la locomotora iban montados sobre un vehículo compuesto de tres órganos:


El bastidor,




La suspensión,




Las ruedas, los ejes y las cajas de engrase.

El vehículo de las locomotoras evolucionó lentamente en Europa. Durante mucho tiempo, los ejes estaban invariablemente ligados al bastidor en sentido lateral. Por el contrario, en América, el uso de biseles y bogies fueron utilizados desde los orígenes del ferrocarril.

2.5.1 El bastidor El bastidor debía ser lo más resistente, rígido y ligero posible. El bastidor estaba sometido a infinidad de esfuerzos: los esfuerzos provenientes del motor por la acción del vapor, inercias de las masas desequilibradas en rotación y en movimiento, las cargas transmitidas a los ejes y las reacciones de la vía sobre la máquina. Los bastidores, no sólo debían resistir sin romperse, si no que no debían deformarse elásticamente de forma exagerada. Por el contrario, bastidores demasiado rígidos dificultaban la inscripción en las curvas de la locomotora, por lo que había que llegar a un compromiso razonable. En Europa, las locomotoras descansaban sobre dos largueros de chapa arriostradas, mediante roblones, para asegurar la rigidez y resistencia anteriormente comentada. En América se tendía fabricar los bastidores de un solo bloque, de mayor rigidez y resistencia, pero de mayor peso. El bastidor moderno de las locomotoras de vapor, conservaba los dos largueros de chapa, pero se arriostraban siguiendo el patrón del bastidor monobloque americano. Se aumentaba considerablemente la rigidez del conjunto. Se soldaban barras de acero moldeado, de gran ligereza y resistencia, y se usaban chapas de acero para tal fin. Capítulo II.- La Locomotora de Vapor

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El bastidor moderno intentaba unir la rigidez y la ligereza exigida por la vía. Se construían a gran escala utilizando los métodos de construcción más avanzados de la época. Se usaba acero moldeado o soldado, reduciendo al mínimo el empleo de tornillos y roblones. Las siguientes imágenes muestran el bastidor clásico de la locomotora diseñada en CATIA V5.

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

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

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

En la siguiente tabla se resumen el peso típico para las distintas tipologías de bastidores. Elemento del Bastidor

Bastidor Clásico

Bastidor Monobloque

Bastidor Moderno

5T

7T

6T

Riostras

1.5 T

-

2.5 T

Traviesas

2.5 T

3T

3.5 T

Cilindros

3T

6T

3T

12 T

20 T

15 T

Largueros

Total Bastidor

Tabla 1.- Peso típico de las distintas tipologías de bastidor. Obtenido de [4].

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2.5.2 Suspensión Para la suspensión de las locomotoras se usaban habitualmente dos tipos de suspensión: la suspensión con amortiguadores independientes y la suspensión con balancines compensadores. Con la suspensión en n puntos, de amortiguadores independientes, se conseguía mediante el reglaje, que cada eje soportara la carga que se deseara. Este reparto de carga variaba debido a las irregularidades de la vía. Como solución a este problema se podían usar resortes con menor rigidez, pero peligraba la estabilidad de la locomotora a grandes velocidades. Con la suspensión mediante balancines compensadores, se conseguía que el reparto de cargas sobre los ejes fuera invariante. Cuando un eje se levantaba, su amortiguador se comprimía; al estar éste ligado a los resortes de los demás ejes mediante balancines, la carga en el resorte debido a la flecha, se repartía también entre los ejes adyacentes. Realmente la carga variaba entre los ejes debido a las holguras y rozamientos entre los elementos, pero era insignificante respecto al caso anterior.

Figura 60.- Sección transversal del bastidor. Nótese los balancines compensatorios de la suspensión en 4 puntos. Realizado en CATIA V5.

En las figuras siguientes se muestran los distintos elementos que se han modelado en CATIA V5 para la suspensión de la locomotora. Representa una suspensión en cuatro puntos. El reglaje de este tipo de suspensión combina las ventajas de la suspensión con amortiguadores independientes y la suspensión mediante balancines compensadores. Permitía variar las cargas sobre el bogie y sobre el bisel asegurando un reparto de cargas invariante sobre las ruedas acopladas.

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Figura 61.- Detalle de la suspensión con balancines compensadores. Realizado en CATIA V5.

Las ballestas o suspensión de hojas eran los elementos que usaban la inmensa mayoría de las locomotoras de vapor que se construyeron. La ballesta, debido al rozamiento entre sus hojas, amortigua las oscilaciones rápidamente. Sin embargo, el muelle helicoidal por sí mismo no disipa tanta energía, haciéndose necesario el uso de amortiguadores para evitar oscilaciones excesivas.

Figura 62.- Vista y detalle de una ballesta. Realizado en CATIA V5.

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2.5.3 Ejes, ruedas y llantas Los ejes de la locomotora se presentaban de diversas formas. Dependiendo de la tipología del motor nos encontrábamos con: ejes rectos (Figura 63), cuando la locomotora era de cilindros exteriores; y ejes acodados, cuando existía algún cilindro interior, como por ejemplo, los cilindros interiores de muchas locomotoras.

Figura 63.-Eje recto de una rueda motriz de cilindros exteriores a los largueros del bastidor. Realizado en CATIA V5.

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Los ejes acodados podían ser de una pieza o compuestos por varias. Cuando el eje de una pieza, que se elaboraba de acero forjado, era para dos cilindros interiores (Figura 64), el eje acodado no se comportaba bien ante la fatiga provocada por los continuos ciclos de carga a los que estaba sometido. Con el eje compuesto se resolvía en parte el problema y además se podía reparar, no como en el caso anterior, que era imprescindible la sustitución.

Figura 64.-Eje acodado compuesto de varias piezas para dos cilindros interiores auto-equilibrados. Modelado en Solid Edge.

Las ruedas iban montadas con un decalaje de 90 grados por un triple motivo: evitar que los puntos muertos coincidieran, intentar compensar las fuerzas de inercia provocadas por el empuje del vapor, y por último, conseguir un par motor algo más regular. El calado y montaje de la ruedas sobre los ejes se hacía en frío mediante prensa hidráulica. Las ruedas a su vez, se fabricaban en dos partes: el cuerpo y la llanta. El cuerpo de la rueda, de acero moldeado de 48 kg/mm2, lo constituía: el cubo, los radios y la corona. La superficie de la corona se mecanizaba para un ajuste perfecto con

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la llanta. Los radios eran generalmente de sección elíptica o rectangular trapezoidal. En las locomotoras de cilindros exteriores, el plano exterior del cubo sobresalía del plano de la llanta. Esta se daba para dar mayor espacio a las cajas de grasa. La llanta era la pieza a sufrir el desgaste debido a la rodadura y el frenado. Este elemento era reemplazable sin poner en peligro el cuerpo de la rueda. El aro además, reforzaba el conjunto, aumentando considerablemente la resistencia. Las llantas se fabricaban a partir de una corona de acero, la cual se laminaba en trenes especiales, que le daban su forma final. Debido al proceso de fabricación, deformación en frío, los aros o llantas eran muy resistentes. La sección de la llanta debía cumplir ciertos requisitos para adaptarse al carril y no provocar el descarrilamiento de la locomotora. Se tomó, como norma general y gracias a la experiencia adquirida, que el ángulo de la pestaña respecto al plano de rodadura del carril fuera de 60º (Figura 65.- e). Una inclinación superior daría cierta seguridad contra el descarrilamiento, pero dificultaría las transiciones debidas a irregularidades del carril. Para la fijación del cuerpo y la llanta, no había un único sistema. El más extendido por su sencillez fue la fijación Verein, que utilizaba un aro en forma de V (Figura 65.- e)

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a

b

c

e

d

Figura 65.- Distintas vistas de la rueda motriz. Realizado en CATIA V5.

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2.5.4 Cajas de engrase En las locomotoras de vapor, las ruedas iban fijas sobre los ejes. Los ejes se montaban en unos aparatos llamados cajas de grasa o engrase (Figura 66).

Figura 66.- Vistas del conjunto ballesta-estribo-caja. Realizado en CATIA V5.

Las cajas de grasa formaban parte del mecanismo de la suspensión, ya que era el elemento que intermediaba entre la masa suspendida y los ejes. Además alojaba en su interior el cojinete, de bronce poroso, y el sistema para el engrase del mismo. Como se puede observar en las ilustraciones (Figura 67 y Figura 68), la caja de grasa iba montada en el bastidor mediante unas guías a modo de correderas, que dejaban libre su desplazamiento vertical. Estas guías, además, permitían el ajuste y alineamiento de los ejes; de vital importancia para el correcto funcionamiento de la locomotora. Las cajas de grasa debían tener ciertos desahogos y juegos necesarios para facilitar la entrada en las curvas, y asegurar que el eje apoyaba completamente sobre la superficie interior del cojinete. El engrase del cojinete era esencial para minimizar las pérdidas de potencia por el rozamiento. Por ello la cara interna del cojinete estaba

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estudiada para que se formara una lámina de lubricante entre el propio cojinete y la muñequilla del eje. En los últimos modelos de locomotoras de vapor se sustituyeron las cajas de grasa por las cajas de rodillos. Las cajas de rodillos llevaban dos rodamientos troncocónicos enfrentados para asegurar el apoyo perfecto del eje.

Figura 67.-Vista interior de la caja de grasa. Realizado en CATIA V5.

Figura 68.-Vista explosionada. Nótese las guías directoras de la caja de grasa, el refuerzo del bastidor y los remaches o roblones. Diseñado en CATIA V5.

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El motivo de la sustitución no era realmente por el menor rozamiento del rodamiento frente al cojinete, ya que con el engrase adecuado, comentado anteriormente, no existía una diferencia sensible en las fuerzas de rozamiento. Los motivos reales eran que la caja de rodillos era más duradera y desgastaba menos las muñequillas que su antecesora, la caja de grasa con cojinete de bronce, por lo que se minimizaban los costes de mantenimiento

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2.5.5 Inscripción de la locomotora en las curvas Como hemos visto, la posición de los ejes en la locomotora se conseguía gracias a las cajas de grasa. El ajuste de las cajas de grasa debía mantener los ejes lo más paralelos posible para garantizar la estabilidad de la locomotora. Debido a esta solución, el paso de la locomotora por las curvas era una situación delicada. Base Rígida

Figura 69.-Base rígida. Realizado en CATIA V5.

El comportamiento de la locomotora en las curvas, dependía fundamentalmente de la distancia entre los ejes acoplados extremos, denominada como base rígida (Figura 69). Para el paso por una curva dada, el esfuerzo a la circulación por la misma se debía a:


La rigidez del bastidor que mantenía los ejes paralelos entre sí.




La longitud de la base rígida. Cuanto mayor sea, mayor es el radio mínimo de curvatura que puede inscribir la locomotora




El calado invariable entre las ruedas, que provocaba el deslizamiento de la rueda del carril exterior a la curva.

Para minimizar dichos esfuerzos, y seguir manteniendo la mayor rigidez posible del bastidor, se idearon varias soluciones como: dar cierto sobre ancho de vía en las curvas para tener la holgura suficiente que permita el desplazamiento transversal de los ejes; adelgazar e incluso suprimir las pestañas de las ruedas intermedias; reducción de la base rígida como en las locomotoras modernas que van montadas sobre bogies motorizados; y por último el uso de vehículos directores (bisel y bogie)

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Figura 70.- Vista lateral del bisel trasero con suspensión independiente. Realizado en CATIA V5.

Figura 71.-Vista de detalle suspensión bisel. Realizado en CATIA V5.

El bogie delantero (Figura 74), era un pequeño vehículo autónomo de suspensión independiente, que aseguraba el desplazamiento lateral de los ejes extremos cuando la locomotora acometía una curva.

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El bisel trasero (Figura 70) se utilizaba para mejorar la inscripción en las curvas, y para disminuir la carga total sobre los ejes de la locomotora. Estos dispositivos debían cumplir los siguientes requerimientos:


Permitir que la locomotora pudiera tomar curvas de pequeño radio; del orden de los 700 m de radio.




Guiar a la locomotora. El bogie y el bisel tenían unos mecanismos de llamada,

que

los

llevaban

a

su

posición

original

cuando

sufrían

desplazamientos laterales (Figura 72), logrando un mejor reparto sobre los ejes, de las fuertes reacciones entre la pestaña y el carril. El problema de la inscripción en curva, era realmente un sencillo problema geométrico. La dificultad residía en como guiar a la locomotora de una forma segura. La estabilidad de la locomotora se lograba adoptando los dispositivos de llamada, anteriormente mencionados, que conseguían repartir los esfuerzos laterales pestañacarril. Las locomotoras de vapor rápidas llevaban siempre un bogie delantero, ya que el bogie era y es, el vehículo director por excelencia. El mecanismo de llamada del bogie se realizaba generalmente a partir de resortes o por gravedad. Al sufrir un desplazamiento lateral, el bogie tendía a levantarse en contra de su propio peso que actuaba a modo de resorte. La llamada gracias al propio peso se conocía como rappel por el levantamiento que sufría el bogie.

Figura 72.- Sección por el plano medio del bogie. Detalle de las bielas del mecanismo de llamada rappel. Realizado en CATIA V5.

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Figura 73.- Vistas en planta del bastidor del bogie. Realizado en CATIA V5.

A continuación se presentan dos vistas en perspectiva del bogie, con y sin ejes. Como se puede apreciar, el bogie tiene la suspensión independiente de la suspensión del vehículo. Iba montado, por lo general, justo debajo de los cilindros para aumentar el peso y con ello acentuar el efecto de llamada a su posición original

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Figura 74.- Vistas en perspectiva del bogie delantero. Realizado en CATIA V5.

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2.6 Revisión y comentarios La potencia de las locomotoras dependía de la cantidad y la calidad de vapor que eran capaces de suministrar por unidad de tiempo, es decir, de la potencia de la caldera. Como se ha visto se utilizaban calderas pirotubulares con recalentadores de vapor que aseguraban un vapor seco sin condensaciones. Para transformar la energía térmica del vapor en energía mecánica en el eje, se hacía uso del aparato motor, de dos cilindros de simple expansión en este caso. El rendimiento de la locomotora dependía en gran medida de cómo estuviera diseñado el motor, pero sobre todo de la contrapresión en el escape del cilindro. Los mecanismos del aparato motor eran mecanismos de barras que transformaban el movimiento rectilíneo del émbolo en un giro continuo en los ejes. Para ello era necesario del uso de dos mecanismos acoplados: el de la transmisión y el de la distribución. Había varias soluciones para el mecanismo de la distribución. La más extendida fue la distribución Walschaerts, que a diferencia de la de Stephenson, utilizaba una única excéntrica minimizando las pérdidas por rozamiento. Las fases de la distribución Walschaerts estaban ligadas entre sí, por lo que para todos los grados de admisión, los avances a la admisión y el escape eran los mismos. Estudios posteriores para conseguir las fases independientes no dieron unos resultados notables por lo que se llegó a pensar si la ligazón de las fases era más una ventaja que un inconveniente. El conjunto se montaba sobre el vehículo de la locomotora, que lo formaban el bastidor, la suspensión, los ejes acoplados, el bisel y el bogie. El bastidor moderno conseguía unir las características de los bastidores clásicos, de largueros arriostrados, y los bastidores monobloque. El bastidor debía ser muy rígido con el mínimo peso posible. La suspensión con balancines compensatorios permitía mantener invariable el reparto de carga sobre los ejes de la locomotora. La suspensión debía absorber

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rápidamente las oscilaciones para garantizar la estabilidad de la locomotora, por ello se empleaban ballestas como elementos elásticos en vez de resortes helicoidales. Las ruedas de las locomotoras estaban compuestas de tres elementos: el cuerpo, la llanta, y el elemento de fijación o cintillo. El cuerpo se realizaba de acero moldeado, mientras que la llanta se hacía a partir de acero laminado. La llanta, a parte de ser el elemento de contacto con el carril, le daba resistencia al conjunto de la rueda. Los ejes acoplados llevaban caladas las ruedas 90 º, en frío mediante prensa hidráulica, para evitar los puntos muertos del mecanismo de la transmisión y para obtener un par motor lo más regular y equilibrado posible. La inscripción de la locomotora de vapor en las curvas dependía de la longitud máxima entre dos ejes acoplados denominada como base rígida. A mayor base rígida mayor radio de curvatura. Para garantizar la estabilidad cuando una locomotora inscribía una curva, se empleaban vehículos directores como el bogie y el bisel que iban provistos de sistemas de llamada a su posición original. Aunque no se haya mencionado, las locomotoras iban provistas de sistemas auxiliares para la seguridad, la maniobrabilidad y la operación. Entre estos sistemas, estaba el sistema de frenado. El sistema más extendido, por su sencillez, fue el freno mediante el vacío. El vacío era muy fácil provocarlo mediante el paso del vapor por eyectores. Al producirse el vacío en los conductos de los frenos, la zapata rozaba contra el aro de la rueda. Además, las locomotoras estaban también provistas de infinidad de accesorios como los areneros para aumentar la adherencia de las ruedas acopladas, los elementos de seguridad de la caldera, cargadores de combustible, maquinas de vapor independientes para la producción de energía eléctrica, sistemas de engrase automático, etc, etc. Pero se salen del alcance del proyecto, ya no por complejidad, que puede ser bastante, si no por la extensión de los contenidos. En los capítulos siguientes se presentará el modelo recreado en CATIA V5 y objeto principal de este proyecto fin de carrera. Para ello, primero se presentará la herramienta

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de CAD empleada para su realización, CATIA V5. En segundo lugar se mostrará el diseño de las piezas más singulares que constituyen la locomotora, con sus secuencias de operaciones en CATIA V5. Par finalizar se aborda el modelado de la cinemática del mecanismo motor.

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