Esfuerzo de tracción

En ingeniería ferroviaria, el término esfuerzo de tracción describe la capacidad de tracción o empuje de una locomotora . El valor de fuerza de tracción publicado para cualquier vehículo puede ser teórico (es decir, calculado a partir de propiedades mecánicas conocidas o implícitas) u obtenido mediante pruebas en condiciones controladas. El análisis que se presenta en este documento cubre el uso del término en aplicaciones mecánicas en las que la etapa final del sistema de transmisión de potencia es una o más ruedas en contacto por fricción con una vía férrea .

El término esfuerzo de tracción se suele calificar como esfuerzo de tracción inicial , esfuerzo de tracción continuo y esfuerzo de tracción máximo . Estos términos se aplican a diferentes condiciones de funcionamiento, pero están relacionados por factores mecánicos comunes: el par de entrada a las ruedas motrices, el diámetro de la rueda, el coeficiente de fricción ( μ ) entre las ruedas motrices y la superficie de apoyo, y el peso aplicado a las ruedas motrices ( mg ). El producto de μ y mg es el factor de adherencia , que determina el par máximo que se puede aplicar antes de que las ruedas patinen o patinen .

Iniciar esfuerzo de tracción

El esfuerzo de tracción inicial es la fuerza de tracción que se puede generar en estado de parada. Este valor es importante en los ferrocarriles porque determina el peso máximo del tren que una locomotora puede poner en movimiento.

Esfuerzo de tracción máximo

El esfuerzo de tracción máximo se define como la fuerza de tracción más alta que se puede generar en cualquier condición que no sea perjudicial para el vehículo o la máquina. En la mayoría de los casos, el esfuerzo de tracción máximo se desarrolla a baja velocidad y puede ser el mismo que el esfuerzo de tracción inicial.

Esfuerzo de tracción continuo

El esfuerzo de tracción continuo es la fuerza de tracción que se puede mantener indefinidamente, a diferencia del esfuerzo de tracción mayor que se puede mantener durante un período de tiempo limitado antes de que el sistema de transmisión de potencia se sobrecaliente. Debido a la relación entre potencia ( P ), velocidad ( v ) y fuerza ( F ), se describe como:

${\displaystyle P=vF}$o${\displaystyle {\frac {P}{v}}=F.}$

El esfuerzo de tracción varía inversamente con la velocidad en cualquier nivel dado de potencia disponible. El esfuerzo de tracción continuo se muestra a menudo en forma de gráfico en un rango de velocidades como parte de una curva de esfuerzo de tracción . ^[1]

Los vehículos que tienen un acoplamiento hidrodinámico , un multiplicador de par hidrodinámico o un motor eléctrico como parte del sistema de transmisión de potencia también pueden tener una clasificación de esfuerzo de tracción continuo máximo , que es la fuerza de tracción más alta que se puede producir durante un período corto de tiempo sin causar daño a los componentes. El período de tiempo durante el cual se puede generar de manera segura el esfuerzo de tracción continuo máximo generalmente está limitado por consideraciones térmicas, como el aumento de temperatura en un motor de tracción .

Las especificaciones de las locomotoras a menudo incluyen curvas de esfuerzo de tracción, ^{[2] [3] [4] [5]} que muestran la relación entre el esfuerzo de tracción y la velocidad.

La forma del gráfico se muestra a la derecha. La línea AB muestra el funcionamiento con el máximo esfuerzo de tracción, la línea BC muestra el esfuerzo de tracción continuo que es inversamente proporcional a la velocidad (potencia constante). ^[6]

Las curvas de esfuerzo de tracción a menudo tienen gráficos de resistencia a la rodadura superpuestos sobre ellas: la intersección del gráfico de resistencia a la rodadura ^{[nota 1]} y el gráfico de esfuerzo de tracción proporciona la velocidad máxima en pendiente cero (cuando el esfuerzo de tracción neto es cero).

Para poner en marcha un tren y acelerarlo hasta una velocidad determinada, la(s) locomotora(s) deben desarrollar suficiente fuerza de tracción para superar la resistencia del tren , que es una combinación de la fricción de los cojinetes del eje , la fricción de las ruedas sobre los rieles (que es sustancialmente mayor en vías curvas que en vías tangentes) y la fuerza de la gravedad si se encuentra en una pendiente . Una vez en movimiento, el tren desarrollará una resistencia adicional a medida que acelera debido a las fuerzas aerodinámicas , que aumentan con el cuadrado de la velocidad. La resistencia también puede producirse a alta velocidad debido al movimiento del bogie , que aumentará la fricción de rodadura entre las ruedas y los rieles. Si la aceleración continúa, el tren alcanzará eventualmente una velocidad a la que la fuerza de tracción disponible de la(s) locomotora(s) compensará exactamente la resistencia total, lo que hará que cese la aceleración. Esta velocidad máxima aumentará en una pendiente descendente debido a la gravedad que asiste a la fuerza motriz, y disminuirá en una pendiente ascendente debido a la gravedad que se opone a la fuerza motriz.

El esfuerzo de tracción se puede calcular teóricamente a partir de las características mecánicas de una locomotora (por ejemplo, presión de vapor, peso, etc.) o mediante pruebas reales con sensores de tensión en la barra de tiro y un vagón dinamométrico . La potencia en el riel es un término ferroviario que se refiere a la potencia disponible para la tracción, es decir, la potencia disponible para impulsar el tren.

Se puede obtener una estimación del esfuerzo de tracción de una locomotora de vapor de un solo cilindro a partir de la presión del cilindro, el diámetro interior del cilindro, la carrera del pistón ^{[nota 2]} y el diámetro de la rueda. El par desarrollado por el movimiento lineal del pistón depende del ángulo que forma la biela con la tangente del radio de la rueda motriz. ^{[nota 3]} Para obtener un valor más útil, se utiliza un valor promedio a lo largo de la rotación de la rueda. La fuerza motriz es el par dividido por el radio de la rueda.

Como aproximación, se puede utilizar la siguiente fórmula (para una locomotora de dos cilindros): ^{[nota 4]}

${\displaystyle \{t\}_{\mathrm {lbf} }={\frac {\{d\}_{\mathrm {pulg} }^{2}\{s\}_{\mathrm {pulg} }\{p\}_{\mathrm {psi} }}{\{w\}_{\mathrm {pulg} }}}\times 0,85,}$ ^[7]

dónde

• t es el esfuerzo de tracción en libras-fuerza
• d es el diámetro del pistón en pulgadas ( diámetro interior )
• s es la carrera del pistón en pulgadas
• p es la presión de trabajo en libras por pulgada cuadrada
• w es el diámetro de las ruedas motrices en pulgadas

La constante 0,85 era la norma de la Asociación de Ferrocarriles Estadounidenses (AAR) para dichos cálculos, y sobreestimó la eficiencia de algunas locomotoras y subestimó la de otras. Probablemente, las locomotoras modernas con cojinetes de rodillos fueron subestimadas.

Los diseñadores europeos utilizaron una constante de 0,6 en lugar de 0,85, por lo que no se pueden comparar sin un factor de conversión. En Gran Bretaña, los ferrocarriles de línea principal generalmente utilizaban una constante de 0,85, pero los fabricantes de locomotoras industriales solían utilizar una cifra inferior, normalmente 0,75.

La constante c también depende de las dimensiones del cilindro y del tiempo en que las válvulas de entrada de vapor están abiertas; si las válvulas de entrada de vapor se cierran inmediatamente después de obtener la presión total del cilindro, se puede esperar que la fuerza del pistón haya disminuido a menos de la mitad de la fuerza inicial. ^{[nota 5]} dando un valor c bajo . Si las válvulas del cilindro se dejan abiertas durante más tiempo, el valor de c aumentará hasta acercarse a uno.

Tres o cuatro cilindros (simple)

El resultado debe multiplicarse por 1,5 para una locomotora de tres cilindros y por dos para una locomotora de cuatro cilindros. ^[8]

Alternativamente, el esfuerzo de tracción de todas las locomotoras "simples" (es decir, no compuestas) se puede calcular de la siguiente manera:

${\displaystyle \{t\}_{\mathrm {lbf} }={\frac {0,85\{d\}_{\mathrm {in} }^{2}n\{s\}_{\mathrm { en} }\{p\}_{\mathrm {psi} }}{2\{w\}_{\mathrm {in} }}},}$ ^[9]

dónde

• t es el esfuerzo de tracción en libras-fuerza
• n es el número de cilindros
• d es el diámetro del pistón en pulgadas
• s es la carrera del pistón en pulgadas
• p es la presión nominal máxima de la caldera en psi
• w es el diámetro de las ruedas motrices en pulgadas

Cilindros múltiples (compuestos)

Para otros números y combinaciones de cilindros, incluidos los motores de doble y triple expansión, el esfuerzo de tracción se puede estimar sumando los esfuerzos de tracción debidos a los cilindros individuales a sus respectivas presiones y carreras de cilindro. ^{[nota 6]}

El esfuerzo de tracción es la cifra que se suele citar al comparar las potencias de las locomotoras de vapor, pero es engañosa porque el esfuerzo de tracción muestra la capacidad de poner en marcha un tren, no la capacidad de arrastrarlo. Posiblemente, el mayor esfuerzo de tracción jamás declarado fue el de la locomotora triplex 2-8-8-8-4 de Virginian Railway , que en modo de expansión simple tenía una TE de arranque calculada de 199.560 lbf (887,7 kN), pero la caldera no podía producir suficiente vapor para arrastrar a velocidades superiores a 5 mph (8 km/h).

De las locomotoras de vapor de mayor éxito, las que tenían el esfuerzo de tracción inicial más alto fueron las 2-10-10-2 de la clase AE de Virginian Railway , con 176 000 lbf (783 kN) en modo de expansión simple (o 162 200 lb si se calcula con la fórmula habitual). Las Union Pacific Big Boys tenían un esfuerzo de tracción inicial de 135 375 lbf (602 kN); las 2-8-8-2 de la clase Y5, Y6, Y6a e Y6b de Norfolk & Western tenían un esfuerzo de tracción inicial de 152 206 lbf (677 kN) en modo de expansión simple (posteriormente modificado a 170 000 lbf (756 kN), afirman algunos entusiastas); y la locomotora de carga dúplex Q2 de Pennsylvania Railroad alcanzó 114.860 lbf (510,9 kN, incluido el refuerzo), la más alta para una locomotora de bastidor rígido. Las locomotoras de pasajeros de dos cilindros posteriores tenían generalmente entre 40.000 y 80.000 lbf (170 a 350 kN) de TE.

En el caso de una locomotora eléctrica o diésel-eléctrica , el esfuerzo de tracción inicial se puede calcular a partir de la cantidad de peso en las ruedas motrices (que puede ser menor que el peso total de la locomotora en algunos casos), el par de calado combinado de los motores de tracción , la relación de transmisión entre los motores de tracción y los ejes, y el diámetro de las ruedas motrices . En el caso de una locomotora diésel-hidráulica , el esfuerzo de tracción inicial se ve afectado por el par de calado del convertidor de par , así como por el engranaje, el diámetro de las ruedas y el peso de la locomotora.

La relación entre potencia y esfuerzo de tracción fue expresada por Hay (1978) como

${\displaystyle t={\frac {PE}{v}},}$ ^[10]

dónde

• t es el esfuerzo de tracción, en newtons (N)
• P es la potencia en vatios (W)
• E es la eficiencia, con un valor sugerido de 0,82 para tener en cuenta las pérdidas entre el motor y el riel, así como la energía desviada a sistemas auxiliares como la iluminación.
• v es la velocidad en metros por segundo (m/s)

Las locomotoras de carga están diseñadas para producir un esfuerzo de tracción máximo mayor que las unidades de pasajeros de potencia equivalente, lo que se debe al peso mucho mayor que es típico de un tren de carga. En las locomotoras modernas, el engranaje entre los motores de tracción y los ejes se selecciona para adaptarse al tipo de servicio en el que se operará la unidad. Como los motores de tracción tienen una velocidad máxima a la que pueden girar sin sufrir daños, el engranaje para un mayor esfuerzo de tracción se realiza a expensas de la velocidad máxima. Por el contrario, el engranaje utilizado en las locomotoras de pasajeros favorece la velocidad sobre el esfuerzo de tracción máximo.

Las locomotoras eléctricas con bogies monomotores suelen estar equipadas con transmisión de dos velocidades. Esto permite un mayor esfuerzo de tracción para el transporte de trenes de mercancías, pero a una velocidad reducida. Algunos ejemplos son las series BB 8500 y BB 25500 de la SNCF .

• Frenado
• Ecuación de arrastre
• Factor de adherencia , que es simplemente el peso sobre las ruedas motrices de la locomotora dividido por el esfuerzo de tracción inicial.
• Clasificación de potencia : sistema de clasificación de ferrocarriles de Londres, Midland y Escocia y de los ferrocarriles británicos
• Adherencia ferroviaria
• Tracción con tractor , tracción con bolardo : artículos relacionados con el esfuerzo de tracción para otros tipos de vehículos

• Una guía sencilla para entrenar la física
• Esfuerzo de tracción, aceleración y frenado.