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• Sabrina González

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UNSAM Universidad Nacional de San Martín

• Tema: Evolución de los Sistemas de Tracción Ferroviaria.

Significado del termino Tracción A través de los tiempos se ha atribuido a éste concepto el significado de “tirar, arrastrar”; hoy podemos decir que dicha afirmación no era abarcativa de todos los modos de prestación ferroviaria. El significado actual de tracción: “ Medio por el cual un vehículo ferroviario o conjunto de ellos se desplaza, con independencia de las fuerzas de la naturaleza, dentro de una red ferroviaria pre-establecida ejerciendo su grado de libertad”.

Material de tracción: Todo material rodante con capacidad de producir movimiento por si sobre ellos o

Clasificación del material ferroviario

Clasificación del material ferroviario Material Tractivo: Locomotoras- Coche motor Material Remolcado (coches y Vagones) Coches eléctricos

Clasificación del material ferroviario • Material motor o tractivo • Vehículos locomotores • Locomotoras a vapor - Locomotora +Tender - Locomotora tender • Locomotoras Térmicas - Diesel Eléctricas - Diesel Hidráulicas - Diesel Mecánicas - Turbina de Gas

Clasificación del M. Ferroviario Locomotoras Eléctricas:

- Corriente Continua 500 Volts a 3KV

- Corriente alterna: Corriente trifásica 3700 V 16 2/3 Hz - Corriente monofásica: 25 KV 50 Hz - Corriente monofásica: 15 KV 16 Hz - Bifrecuencia 25 Kv 50 Hz y 15 KV 16 Hz

Clasificación del material ferroviario Vehículos automotores • Automotores eléctricos. Corriente Continua Corriente alterna Trifásica Corriente alterna monofásica Bicorriente

Clasificación del material ferroviario • Automotores Diesel Mecánicos Hidráulicos Diesel Eléctricos

Clasificación del material ferroviario Material Remolcado • Material para Trenes de pasajeros Coches Furgones • Material para trenes de carga Vagones Abiertos- Cerrados Cerrados: Frigoríficos -Balasto- Tanque .etc.

• Significado del término “Tracción” A través de los tiempos se ha atribuido a éste concepto el significado de “tirar, arrastrar”; hoy podemos decir que dicha afirmación no era abarcativa de todos los modos de prestación ferroviaria.

El significado actual de tracción: “ Medio por el cual un vehículo ferroviario o conjunto de ellos se desplaza, con independencia de las fuerzas de la naturaleza, dentro de una red ferroviaria pre-establecida ejerciendo su grado de libertad”. Material de tracción: Todo material rodante con capacidad de producir movimiento por si sobre ellos o sobre otros vehículos ferroviarios .

Variables que intervienen en la selección del tipo de tracción • Extensión de la red • Toneladas por Km a transportar

• Pasajeros por Km a transportar • Frecuencia de viajes a realizar • Evaluación de matriz “Costo – Beneficio”

Elección del sistema de tracción Consideraciones: * Análisis de costos de transporte * Análisis de costo de tracción * Topografía del terreno * Medios que se disponen * Tiempo estimado de explotación (> 20 años)

Opciones Baja y media velocidad • • • • •

Tracción a vapor Turbina de gas Diesel – eléctrica Diesel – hidráulica Diesel – mecánica

Baja, media y alta velocidad • Eléctrica

Alta velocidad • Eléctrica – magnética (Monorriel)

Tracción a vapor • Fue el sistema pionero en las explotaciones ferroviarias del mundo. • Su uso se inicia en la tracción sin carriles (carretera) y se remonta al año 1770 con el carretón a vapor de “Cougnot”. • En 1803 nace la primer locomotora para rodar sobre carriles, su inventor: Ricardo Trevethick. De 5 Tn de peso, remolcaba 25 Tn a 6,5 Km./h • Con el transcurso de los años se perfeccionó el sistema, logrando así aumentar la potencia y la velocidad. • La principal desventaja es el bajo porcentaje de aprovechamiento de energía durante las transformaciones.

Funcionamiento básico • La energía química del combustible (leña, carbón de piedra, carbón vegetal y petróleo) se transforma en energía térmica (dentro de la caja de fuego). • El agua contenida dentro de una caldera recibe la energía térmica y responde al aumento de temperatura del agua liberando vapor. • El vapor posee energía potencial y es el encargado de generar trabajo mecánico en el cilindro, que por su capacidad se transforma en potencia mecánica, en una relación de 5 a 1 aproximadamente.

Etapas del funcionamiento • • • • • • •

Cadena Energética Combustión Generación de vapor Motor de vapor Transmisión Tracción rueda-riel Rendimiento muy bajo 4 %

Richard Trevithick Desarrolló la primera locomotora de vapor (1802)

Tipos de locomotoras a vapor • Su clasificación es muy amplia, existieron de un par de ruedas motrices y de más de un par, por ejemplo cuatro pares motrices; ello se debía a la necesidad de aumentar la velocidad y disminuir las vibraciones que producían los desbalanceos de las ruedas motrices. • De diámetro de ruedas “Chico” y varios ejes motrices, para trenes de mercancías; y de diámetro de ruedas “Grande” con pocos ejes motrices, para trenes de viajeros. • Vapor de simple acción o vapor recalentado; éste último aumentaba el rendimiento.

Tipos y clasificación

Locomotora a Vapor Zorroza

Tipos y nomenclatura

Para pasajeros:

•Poseen Ruedas motrices de gran diámetro. •Poseen bogie portante con 2 Ejes delanteros: Facilita la inscripción en curva.

•Pueden tener ejes portantes traseros •Para Carga: Poseen ejes motrices de menor diámetro. Un solo eje portante delantero

Locomotora a Vapor Fabricada por Armstrong. 1925

Tipos y nomenclatura

Esfuerzo tractivo El vapor es descargado por medio de válvulas en los cilindros, éstos son de dos etapas; al admitir presión sobre los émbolos, éstos se desplazan (admisión – escape) y transmiten la energía mecánica a la rueda a través de las bielas. En las ruedas hay colocadas unas masas o contrapesos, estos absorben la energía en los períodos productivos para restituirla en los resistentes (esta energía acumulada servia para hacer girar a la rueda cuando la biela quedaba fuera de palanca, pero al aumentar la velocidad, aumenta la vibración), al finalizar la carrera el pistón, realiza escape – admisión, retornando el émbolo a la posición inicial tirando de la biela (que ayudada por el contrapeso) asegura el giro de la rueda y el desplazamiento sobre el riel.

Otros usos del vapor

Fue muy común el uso de tecnología de vapor para el accionamiento de Guinches, los que si bien no se propulsaban solos de su asentamiento a un lugar de trabajo, tenían cierta movilidad (1º de libertad). El pescante era accionado por una cremallera, que a su vez era accionada por un engranaje solidario al pistón de fuerza, movido por vapor. El pescante era capaz de girar 180º para desarrollar sus tareas.

Turbina de Gas • Este tipo de tecnología se utilizó en Europa y en EEUU, su finalidad era sustituir el uso del carbón en las locomotoras de vapor y reemplazarlo por un combustible más liviano, que generara menos pérdidas y en lo posible que mejorara el rendimiento térmico. Por tal motivo muchas locomotoras a vapor fueron reformadas colocándoseles en el hogar una turbina alimentada por combustible, éste se pulverizaba y gasificaba dentro del hogar entrando en combustión; de igual modo no se pudo mejorar el rendimiento térmico, aunque si se tuvieron otros beneficios.

• Los principales beneficios radicaban en aumentar la autonomía de marcha, dado que al ser más liviano y de mejor adaptación al contenedor “Tender” cabía mayor cantidad. • Se utilizó mucho en Europa en coches motores, servicios de mercancías y en minas. En EEUU funcionaron muy bien pero su tiempo de uso se limitó a la aparición de la tracción Diesel – Eléctrica. Las locomotoras de turbina de gas funcionaron entre 1952 y 1961, en EEUU; y en Europa tuvieron uso hasta entrados los años setenta. • En cuanto a la parte destinada a traccionar, no sufrió modificaciones (siempre tratándose de locomotoras a vapor reformadas).

Locomotoras Diesel • Su principal misión era cubrir grandes distancias, con buena autonomía de marcha, generar sobre la misma unidad toda la energía necesaria y poder proporcionar los medios de generación de potencia con total independencia del medio sobre el cuál se trasladaba, es decir la red ferroviaria. • Siendo una usina móvil, realizaban las transformaciones de energía necesarias hasta dar lugar a la energía eléctrica (principal energía de consumo) que alimenta a los motores de tracción tipo “Serie” de cc, los que por su gran cupla de arranque y bajo costo de mantenimiento, eran predilectos.

• También ofrecen la posibilidad de trabajo en múltiple (varias locomotoras acopladas y conducidas desde la titular por un solo personal o equipo) multiplicando la potencia unitaria por el Nº de unidades acopladas o bien la suma de las potencias unitarias (para el caso de locomotoras de diferente potencia).

Locomotoras Diesel •

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• •

Propiedades del Motor Diesel: Requiere un equipo anexo para el arranque El sentido de rotación es único . La inversión de marcha debe ser realizada por la trasmisión. Poco flexible en cuanto a velocidad: La velocidad de ralenti es 1/3 de la máxima. Los motores diesel son sensibles a las variaciones bruscas de régimen.

Medio propulsor •

En la tracción Diesel el medio propulsor es algo variado: * Motores de tracción eléctricos * Motores hidráulicos * Cajas multiplicadoras

•

De todos los medios enunciados, sin dudas la tracción eléctrica implicaba el mejor y más sencillo beneficio.

Transmisión eléctrica. Motores eléctricos de tracción • La transición eléctrica es el modo mas difundido. • Requiere un generado acoplado al MD. Que transforma la E. Mecánica en E. eléctrica. • Se recurrió a los generadores de CC. Y posteriormente a los Alternadores. • La trasmisión eléctrica debe asegurar arranque y variación de velocidad. • Inversión de Sentido de marcha.

• Motores: Se emplean los de corriente continua y del tipo serie, sus rpm máximas rondan las 3100 a 4500, se emplean en número de dos a cuatro (en locomotoras de maniobras) , de cuatro a seis (en locomotoras para servicios generales), dos por bogue en trenes eléctricos.

Transmisión eléctrica. Ventajas y desventajas. • Permite repartir en todos los ejes la potencia producida por el M.D. • Permite desarrollar esfuerzos de arranque muy elevados. • Los motores eléctricos poseen alta resistencia a la sobrecarga. Permiten generar en rampa esfuerzos muy elevados. • Pueden trabajar a distintos regímenes de marcha y están dotados de sopladores de aire para refrigeración forzada.

• Posee un rendimiento 0,80 a 0,85 similar al de la transmisión hidráulica • A lo largo de los años no han sufrido grandes cambios, siendo por lo general de 4 polos principales y 4 de conmutación con inducido giratorio. • Desventajas: La Transmisión eléctrica es mas pesada que la mecánica. • Posee mayor gasto de mantenimiento.

Locomotora Diesel Eléctrica

Circulación en tándem - Argentina

Motores hidráulicos • Estos transforman la energía hidráulica en energía mecánica, consisten principalmente de una caja o contenedor, dentro del cuál se hace trabajar a una bomba (a través de un medio mecánico), ésta hace circular aceite a presión dentro de conductos orientados a piezas móviles, éstas al recibir la presión del fluido se desplazan, originando un movimiento de rotación, mientras que el fluido realiza un trabajo de circulación en un circuito cerrado que a su vez es compensado por un carter.

• Si bien son bastante simples, no son muy utilizados debido a que no son capaces de desarrollar grandes esfuerzos; por lo tanto se los utiliza para locomotoras de maniobras o trenes Diesel de pasajeros o encomiendas.

Transmisión mecánica Cajas multiplicadoras • Consisten de cajas de engranajes que reciben movimiento por medio de ejes cardánicos, a medida que aumenta la velocidad de giro del eje, la fuerza centrífuga de los componentes de la caja aumenta y por lo tanto resulta un cambio en la relación de hermanamiento de los engranajes de fuerza, logrando que aumente la velocidad del vehículo a expensas de menor torque; al reducirse la velocidad del vehículo, los ejes le transmiten menos velocidad a los componentes de la caja, cae la fuerza centrífuga y por lo tanto cambian las relaciones de engranajes, logrando mayor torque a expensas de menor velocidad. Sólo se adaptaron al servicio de maniobras, dado que para operarlos era necesaria cierta pericia.

Locomotora G - 8

Tracción Eléctrica •

Se encolumna a ser el principal medio de transporte ferroviario, posee muchas virtudes:

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Mínima contaminación ambiental Menor gasto de energía Recuperación de parte de la energía empleada Menor peso por eje Mayor velocidad en menor tiempo (Mejor aceleración) Muy buena desaceleración 0,8 m/seg.2 Mayor rendimiento Costo – Beneficio Permite aumentar la frecuencia de circulación

Principales dificultades: 1. 2. 3. 4. 5.

Depende de una red y de la alimentación eléctrica de la misma Fuera del ámbito de la red, no es posible la operatoria Es necesaria una infraestructura de soporte para la red Necesita personal más capacitado para operarla Debe poseer maniobras especiales de rescate ante fallos

• Tracción eléctrica • Primeras aplicaciones: • Impulso un vehículo por primera vez en 1879 3 CV 150 V • Reemplazó vehículos de vapor en túneles o en ciudades sustituyendo a los tranvías tirados por caballos, primero por tracción a vapor y luego por eléctrica. • Las primeras aplicaciones fueron en C.C.

• Sistemas de tracción eléctrica

• Sistemas de tracción eléctrica en el mundo

• Sistemas de tracción eléctrica en Argentina En nuestro país: FF.CC D.F.Sarmiento: 800 VCC -Motores Trac. CC FF.CC Bme. Mitre: 800 VCC- Motores CC FF.CC ROCA: 25 Kvolts C.Alterna 50 Hz Motores C.C FF.CC Urquiza: 800 VCC _ Motores CC Tren de la Costa: 3 KV CC (con motores de C.A e inversores de frecuencia

• Sistemas de tracción eléctrica FFCC Bme. Mitre • Captación por tercer riel

• Sistemas de tracción eléctrica FFCC Bme. Mitre • Captación por tercer riel El tercer riel se encuentran instalado paralelo a la vía y del lado contrario respecto a las plataformas o andenes

Se alimenta por tramos desde subestaciones transformadorasrectificadoras El circuito eléctrico es: Corriente sale de subestación-circula por 3er riel-atraviesa el material rodante y retorna a la subestación a través de uno de los rieles Los tramos de 3er riel se unen mediante soldadura o juntas. Para asegurar la continuidad eléctrica en las uniones se instalan ligas de obre soldadas. El tercer riel esta constituido por acero con el agregado de elementos para mejorar la conductividad. 0,02 % C y 0,004 % de fósforo

• Sistemas de tracción eléctrica FFCC Gral. Roca • Catenaria

Red ferroviaria del FFCC Roca Catenaria •

La catenaria es una línea suspendida que transporta la energía eléctrica para el material rodante.

•

La corriente circula desde la subestación de alimentación a través de un conductor de cobre duro instalado en forma aérea.

•

La altura de la línea de contacto con respecto a riel se encuentra estandarizada.

• •

En el caso del FFCC roca transporta Alta Tensión en C.A 25 KV. Existen 3 tipos de líneas catenaria de secciones normalizadas: 85 107 y 170 mm2. En el Caso del FFCC Roca posee 170 mm2 y transporta una corriente de aproximadamente 650 Amper.

Red ferroviaria del FFCC Roca •

Los vehículos aceleran a 0,8m/seg.2 y desaceleran en la misma proporción, siempre con freno de servicio, y de 1 m/seg.2 con freno de emergencia.

•

Velocidad máxima 105 a 120 Km/h

•

Los vehículos trabajan con 25 Kv que toman de la red catenaria.

•

La red por la que circulan estos vehículos posee un dispositivo de seguridad llamado ATS que responde ante situaciones peligrosas de la marcha del tren, a saber: * Trasponer señal a doble precaución < 80 Km/h * Trasponer señal a precaución < 40 Km/h * Trasponer señal a peligro = Aplicación aut. de freno

Características de las instalaciones •

Sub estación de alimentación Temperley 132 Kv Recepciona la energía eléctrica proveniente de

EDESUR.

•

Puestos de mantenimiento y seccionamiento de la red en Remedios de Escalada y en Lavallol.

• •

Control central de energía eléctrica en Constitución. Tramos electrificados: Plaza Constitución – Temperley Temperley – Glew Temperley – Ezeiza

•

Tensión en la catenaria es de 25 Kv 50 Hz

Circuitos internos • Se instalaron líneas de distribución monofásica y trifásica para suministrar energía a las estaciones y edificios, como así también al señalamiento automático.

• La señalización es con semáforos de 4 aspectos con circuito de vía tipo divisor de frecuencia de 25 Hz y divisor y multiplicador de frecuencia del tipo bi-riel.

Gráfico descriptivo EDE sur 132Kv

Planta receptora Re envía 132 Kv

Sub- estación Reduce 132 Kv a 25 * 2 Kv

Línea de distribución 13,2 Kv Trif / Mon

Iluminación

380 / 220 V

Tensión para Edificios - Talleres

Señalamiento

Catenarias 25 Kv para tracción

Sub-estaciones •

• •

•

•

La sub estación se dedica a reducir la tensión de 132 Kv (que se recibe de la estación generadora a través de la planta receptora) a 25 Kv para las catenarias. Los valores de Tensión son variados para abastecer los requerimientos, por medio de transformadores. Para transportar la energía, se eleva la Tensión y se disminuye la Intensidad de corriente, lo que a su ves posibilita una sección de conductor más fina, disminuyendo los gastos de instalación. La corriente alterna es tomada por los vehículos de la catenaria a través del pantógrafo, la corriente es conducida al tablero eléctrico donde a través de diodos de silicio es transformada a contínua, apta para los motores de tracción. Recibe 132 Kv, reduce a 50 Kv para la línea de alimentación y 13,2 Kv para la línea de distribución

Tracción eléctrica por catenaria

Tranvía Argentino - Alstom

Trenes de alta velocidad • En el mundo existen varios sistemas motrices para altas velocidades:

Sistemas bi-riel con motores eléctricos de tracción de alta frecuencia, desde 160 hasta 350 Km/h de servicio.

Sistema mono-riel con tracción por repulsión electromagnética con colchón de aire, alrededor de 370 Km/h.

Fin