I edició del curs d`especialització en: ENGINYERIA FERROVIÀRIA

II edición del curso de especialización en:
INGENIERÍA FERROVIARIA
 MÓDULO: 2. Infraestructura y material móvil
 TEMA: 4. Material móvil (motor y remolcado)
 FECHA: 11 de Abril de 2014
 PROFESOR: Joaquim Plaja Martí
MATERIAL MÓVIL
Shinkansen, Serie 700. Al fondo, el Monte Fujiyama
2
Material móvil

Generalidades
 Definición de tren
 Clasificación de trenes
 Tipos de vehículos
Locomotora
Tractores
Material remolcado
 Ancho de Vía
 Interfase del tren con la infraestructura
 Ferrocarril Metropolitano
 Otros sistemas de trasporte
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Material móvil



Elementos principales del material ferroviario
 Caja
 Bogie
 Ejes y ruedas
Aparatos de tracción y choque
 Enganches (semipermanentes y automáticos)
Equipos de tracción ferroviaria
 Evolución de la tracción -> Motor eléctrico
 Características de la tracción eléctrica
 Sistemas de tracción de un tren
4
Material móvil

Equipos de freno
 Características del frenado
 Tipos de freno de un vehículo ferroviario
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Material móvil
GENERALIDADES
ICE-350 E, AVE, Serie 103
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Material móvil

1.- Tren
Se denomina material rodante a todo aquel vehículo dotado de ruedas
capaz de circular sobre una vía férrea. Llamamos comúnmente tren a un
conjunto de vehículos (o a veces un único vehículo) destinado al
transporte ferroviario que circulan unidos entre si por una infraestructura
ferroviaria. Un tren puede estar formado por:
Un único vehículo (locomotora o automotor).
Una o varias locomotoras remolcando un conjunto de coches o vagones.
Uno o varios “trenes autopropulsados” unidos entre si.
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Material móvil
 2.- Clasificación de trenes
Según su estructura, los trenes pueden clasificarse en varios grupos:
Trenes convencionales o remolcados (una locomotora o varias
remolcando varios coches o vagones). La composición puede
variarse añadiendo o quitando coches o vagones y locomotoras.
Trenes autopropulsados*. El tren está formado por unos o varios
“trenes autopropulsados”, cada uno de los cuales tiene tracción y
espacio para los pasajeros.
*No conviene llamarlos automotores (es una clase de tren autopropulsado
de un único vehículo)
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Material móvil
Con la aparición de los trenes autopropulsados, la distinción entre
material motor y remolcado queda un poco confusa.
Adicionalmente se puede también distinguir en trenes de Alta Velocidad
y trenes convencionales.
Según la Directiva 96/48/EC, 23 de julio de 1996, los trenes de Alta
Velocidad de tecnología avanzada deberán estar concebidos para
garantizar una circulación continua y segura:
 A velocidades mínimas de 250 km/h en las líneas construidas
especialmente para la circulación a Alta Velocidad, pudiéndose al
mismo tiempo y en las circunstancias adecuadas, alcanzar
velocidades superiores a 300 km/h.
 A velocidades del orden de los 200 km/h en las líneas existentes
acondicionadas especialmente para permitir la circulación de este
tipo de tráfico.
 A la velocidad lo más alta posible en el resto de las líneas.
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Material móvil
Serie S-100 . Alstom
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Material móvil
Serie S-102 Talgo/Bombardier
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Material móvil
Serie S- 103. Siemens
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Material móvil
Los trenes autopropulsados pueden clasificarse en:
Trenes de tracción concentrada: Cuando tienen una o varias
locomotoras (llamadas motrices) acopladas permanentemente al tren. Ej:
Tren AVE (algunas composiciones), Euromed.
Trenes de tracción distribuida. Cuando los motores no van en una
locomotora o motriz, sino en un coche con viajeros llamado coche motor.
Ej: Serie 103, Civia, Alaris, etc.
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Material móvil
Con la aparición y especialmente con la evolución de la Alta Velocidad
surge una nueva tecnología en cuanto a tracción se refiere.
Los trenes pasan de ser una “unión” entre una locomotora, es decir, una
cabeza tractora (tracción concentrada) y un conjunto de unidades
remolcadas, a ser un tren autopropulsado.
La rama autopropulsada puede llevar la tracción en cabeza o a lo largo
del tren. El primer caso es la llamada tracción concentrada y el
segundo, tracción distribuida.
Se ha comprobado que para velocidades mayores de 300 km/h
aparecen sobrecargas dinámicas en trenes de tracción concentrada que
no favorecen al mantenimiento de la calidad geométrica de la vía, muy
cuidada en Alta Velocidad.
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Material móvil

3.- Tipos de vehículos

Vehículos motores
 Locomotoras (también llamadas máquinas y motrices).
Sólo para tracción y mando
 Tractores (Locomotoras de maniobras o para
lanzaderas)
 Vehículos para transporte
 Coches, cuando son para viajeros
 Vagones, cuando son para mercancías
 Furgones, cuando son para paquetería, correo,
equipajes y otros servicios

Vehículos mixtos
 Vehículos de trenes autopropulsados que tienen
tracción y además trasportan viajeros (o mercancías).
Se suelen llamar coche motor.
15
Material móvil

LOCOMOTORAS
Una locomotora es un vehículo motor para el remolque de trenes.

Por el tipo de tracción puede distinguirse entre:
 Eléctricas
 Diesel (diesel eléctricas o diesel hidráulicas)
 También ha habido de vapor y de turbina de gas

Por el rodaje (número y disposición de ejes), las locomotoras
modernas diesel o eléctricas pueden ser:
 BB (tienen una masa normalmente de 80 a 90 t)
 CC (masa de 120 a 140 t)
 BBB (masa de 120 a 140 t).
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Material móvil
La locomotora se asienta sobre un bastidor que soporta la carrocería
y todo el equipamiento (cabina de conducción, generadores
auxiliares, compresor para el sistema de freno, etc).
El bastidor descansa sobre los bogies; estos tienen, por lo general,
respecto del bastidor un movimiento de rotación alrededor de un
punto pivote.

El bogie es un conjunto formado fundamentalmente por una
estructura o bastidor, de acero soldado o fundido, los ejes con
el rodado (pares montados), la suspensión y los motores de
tracción.

Los bogies son de 2, 3 o excepcionalmente de 4 ejes. Cuando
todos los ejes son motores, el bogie se denomina B, C o D
según posea 2, 3 o 4 ejes respectivamente.
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Material móvil
LOCOMOTORAS ELÉCTRICAS
esquemas de rodado
BB
CC
BBB
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Material móvil
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Material móvil
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Material móvil
La potencia de las locomotoras oscila entre los 3.100 kW (máquinas
pequeñas de línea) como la 269, y los 5.600 kW como la 252.
¡Ojo! la potencia es un compromiso entre fuerza y la velocidad,
pero para lograr fuerza de arrastre hace falta, además, adherencia.
Y esa se consigue con más masa.
P (watt) = F (Newton).v (m/s)
En ferrocarriles las unidades prácticas usadas son: la potencia en HP, la fuerza
en kilogramos y la velocidad en km/hora.
1 HP = 750 w
1 Kgr = 9,8 N ~ 10 N
1 Km/h = (1/ 3,6) m/s
750 P (HP) = 10 F (kgr) . v (km/h) / 3,6
P (HP) = F (kgr) . v (km/h) / 270
F = 270 P/V
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Material móvil
Adherencia
r
M
R
TL
FL
mTL
Sentido del
movimiento
TL= Peso de la locomotora (eje tractivo).
M = Momento transmitido por el motor.
R = Resistencia del tren.
FL = Fuerza en la llanta = M / r
m = Coeficiente de adherencia rueda - carril.
0,33: Carril seco.
0,10: Carril húmedo.
Si FL  R y FL  m TL
 Inmovilidad (ni giro ni traslación).
y FL > m TL  Giro con resbalamiento sin traslación.
Si FL > R y FL > m TL  Traslación con resbalamiento.
y FL  m TL  Traslación sin resbalamiento.
m disminuye con la velocidad.
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Material móvil
Fuerza tractiva de la locomotora
Curva de Fuerza Tractiva a
Plena Potencia
mTL
F = 270 P / V
donde:
F = Fuerza en la llanta (kg)
P = Potencia (HP)
V = Velocidad (km / h)
Vc = Velocidad Crítica
V
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Material móvil
Resistencia al avance
La resistencia al avance en línea recta y terreno horizontal está́
modelizada mediante una ecuación cuadrática con la siguiente forma:
R = A + B*V + C*V2 (N/t)
donde:
• A: representa el rozamiento en las cajas de grasa y el que existe
en el contacto rueda-carril.
• B: representa el esfuerzo de rozamiento entre pestaña y carril.
• C: representa la resistencia al aire.
• V: velocidad (km/h)
La resistencia al avance en las curva, será debida fundamentalmente a
dos factores; el primero es el inherente que se produce entre pestaña y
carril y el segundo es debido a los posibles deslizamientos que puedan
ocurrir entre rueda y carril (en rueda calada).
La resistencia al avance en las rampas es problema de plano inclinado.
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Material móvil
Fuerza tractiva de la locomotora
mTL
Fa = F - R
disponible para acelerar
R del tren
R > F  el tren disminuye velocidad
V
Vr = Velocidad de régimen: [máxima
alcanzable para esta condición de R
(resistencia al avance)]
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Material móvil
 TRACTORES
Se llaman tractores a pequeñas máquinas (normalmente de tracción
diesel) que se emplean para maniobras en playas de vías, talleres y
cocheras. La potencia la emplean más para tener una gran fuerza,
pero no velocidad (suelen ser de 90 o 100 km/h como máximo)
Pueden ser con motor Diesel,
Eléctricas o Diesel- eléctricas
Tractores para maniobras en playas
de vías y estacionamientos de
clasificación
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Material móvil
 MATERIAL REMOLCADO
Se denomina “vagones” a los vehículos para transporte de cargas y
“coches” a los vehículos para transporte de personas.
En ambos tipos la caja o carrocería va montada sobre un bastidor
portante, que descansa sobre el tren de rodado constituido por ejes
simples o por bogies, casi siempre de 2 ejes.
Vagones
En el parque tradicional de los ferrocarriles se encontraban muchos
tipos:
 Carga general, cubiertos (todo tipo de carga).
 Cubiertos ventilados para frutas frescas.
 Cubiertos refrigerados (carnes, pescados, frutas frescas).
 Cubiertos ventilados con tanques para leche.
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Material móvil




Abiertos, borde bajo o plataforma: carriles, traviesas,
perfiles de acero, bobinas de acero, etc..
Plataforma portacontendores.
Tolva para minerales.
Etc.
Varios de estos tipos tradicionales cayeron en desuso porque el
ferrocarril dejó de transportar ese tipo de mercancía.
El vagón moderno es de gran capacidad y por consiguiente de 4 ejes,
agrupados en 2 bogies, sobre los que descansa el bastidor. Si el peso
por eje es 20 toneladas, la capacidad de carga neta llega hasta unas 60
toneladas.
El vagón de 2 ejes tenía un largo de unos 10 metros. La longitud de los
vagones actuales de 4 ejes es del orden de los 16 a 18 metros.
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Material móvil
Vagón de dos (2) ejes
Caja
Bastidor
Base Rígida
Vagón de cuatro (4) ejes en dos Bogies.
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Bogie tipo Ride Control A3, con bastidor y traviesa de acero moldeado
(FGC)
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Coches para pasajeros
Se clasifican por el grado de comodidad que ofrecen a los pasajeros.







Primera clase.
Segunda clase o “clase turista”.
Dormitorio.
Coche comedor.
Coche cine.
Furgón de equipajes. Era un vehículo cuyo rodado lo
autorizaba a circular en los trenes de pasajeros, pero
destinaba al transporte de los equipajes de los pasajeros y de
alguna carga de alto valor.
Clase única, para trenes suburbanos.
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Material móvil
Confort de pasajeros (Civia)



Pasajeros:
• aire acondicionado / calefacción
• sistema de información al pasajero
• amplia inter-circulación (1500 mm)
• CCTV (video vigilancia)
• Video-información
• Contador de pasajeros
Confort de Conductor:
• cabina y pupitre ergonómicos
• aire acondicionado independiente
Lavabos
• 1 por tren (sistema de vacío)
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Material móvil
39
Material móvil
Las carrocerías actuales son sin excepción metálicas, usándose el
acero protegido con pintura, el aluminio o el acero inoxidable.
Prácticamente todos los vehículos actuales tienen bogies, casi
siempre de 2 ejes, excepcionalmente de 3 ejes.
Coches de dos niveles
Como una forma de aumentar la capacidad de una línea férrea, se
recurre allí donde el gálibo lo permite, a los coches de dos niveles.

Aumentan en un 50% la capacidad de un coche de 1 nivel.
40
Material móvil

4.- Anchos de vía
Métrico: 1.000 mm
Métrico inglés: 1.016 mm
Europa central, AV en Japón y AV en España: 1435 mm
Finlandia y Rusia: 1.520 mm.
España y Portugal: 1.668 mm
Irlanda: 1.600 mm.
No se debe llamar al de 1.435 mm “ ancho UIC” pues hay muchos
anchos en la UIC. Debe llamarse “ancho internacional”, o mejor “ancho
de vía estándar”
El ancho de 1.668 mm no debe llamarse “ancho Renfe”, pues Renfe ya
no tiene infraestructuras; y cuando la tenía, también tenia otros anchos
de vía.
Debe llamarse “ancho de vía ibérico”
41
Material móvil
42
Material móvil
5.- Interfases de un tren con la infraestructura
Es la interacción compatible de los elementos que componen el tren con
la infraestructura a nivel de:
 Vía (rueda - carril)
 Energía eléctrica (pantógrafo - catenaria)
 Comunicaciones (tren-tierra y radiocomunicaciones)
 Sistemas de seguridad del tren y el ATC (protección y conducción
segura- relación tren-tierra, o tren-radio)

La tendencia actual es que el tren funciona, accionado por varios
motores eléctricos situados en los Bogies y con tensión de alimentación
que se coge de la catenaria (o tercer carril).
Esta tensión es regulada, transformada y controlada a través de los
equipos electrónicos de tracción del tren.
43
Material móvil
6.- Ferrocarril metropolitano (METRO)
El metro o ferrocarril metropolitano tiene características constructivas
similares a las de un tren de cercanías, pero se distinguen por estar
dotados de particularidades que los hacen especialmente apropiados
para el transporte de un elevado número de viajeros en trayectos cortos
o muy cortos, y por túnel urbano, de forma que las estaciones y algunos
talleres de mantenimiento son subterráneos.

44
Material móvil
Se caracterizan principalmente por disponer de tracción eléctrica, la
utilización de estructuras de caja muy ligeras, en aluminio o mixtas acero
aluminio, una distribución interior muy espaciosa y con un mínimo de
asientos para permitir una gran capacidad de transporte con viajeros de
pie.
Actualmente forman las cajas un tren continuo con pasillos de
intercirculación muy diáfanos, y necesariamente unas elevadas
prestaciones en sistemas de ventilación y acondicionamiento del aire
interior.
Otra característica importante para el diseño de la caja es el elevado
número de puertas de acceso necesario para un intercambio rápido
de viajeros que entran y salen en cada estación, así como los sistemas
de iluminación interior y sistemas de información al viajero sobre su
situación en el recorrido.
45
Material móvil
En algunas ciudades el sistema de rodadura y de guiado de los bogies
del metro se realiza mediante ruedas neumáticas, para una mejor
adherencia en fuertes rampas y que le permiten una mayor
aceleración, de un lado, y de otro para transmitir menores vibraciones
a la infraestructura subterránea y por lo tanto a las viviendas de la
zona urbana.
46
Material móvil
 Composición de un tren (Metro Barcelona):



1 Tren = 2 semiunidades + 1 remolque* = 5 Coches
1 semiunidad = 2 Coches Motor
Cada semiunidad funciona de manera autónoma
*En las series 1100, 3000 y 4000 está incluido dentro una semiunidad
(remolque, no lleva motor de tracción y no es autónoma) que componen
el tren
Enganche
Enganche
Enganche
Enganche
Enganche
Enganche
automático
Semipermanente
Semipermanente
automático
Semipermanente
automático
Semiunidad
Semiunidad
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Material móvil
 Composición de los trenes según las series
S-9000
S-6000
S-5000
MA1
MB1
R
MA2
MB2
MA1
R
MB1
MA2
MB2
MA1
MB1
R
MB2
MA2
MA1
MB1
R
MB2
MA2
MA1
MB1
MA2
R
MB2
MA1
MB1
MA2
R
MB2
S-1100
S-2000
S-2100
S-3000
S-4000
MA1
MA2
S-500
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
Equipos que componen un tren:
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Aire acondicionado
Eq. neumático
Batería
Convertidor auxiliar
Bogie
Eq. Tracción ONIXTM
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Material móvil

7.- Otros sistemas: Tranvía (TRAM)
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Material móvil
Las principales características del TRAM son:
•100% piso bajo
•Ruedas elásticas (suspensión primaria)
•Suspensión secundaria con muelles
•Refrigeración hidráulica de motor
•Frenos de disco hidráulicos
•Patines electromagnéticos.
Bogie Tipo ARPEGE
(ALSTOM)
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Otros sistemas: Tranvía sobre ruedas
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Material móvil
Otros sistemas: Cremallera
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Material móvil
Otros sistemas: Cremallera
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Material móvil
Otros sistemas: Cremallera
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Material móvil
Otros sistemas: Cable
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Material móvil
Otros sistemas: Monorraíles
58
Material móvil
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Material móvil
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Material móvil
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Material móvil
Trenes de levitación magnética
 Ya desde 1962 se investigaba en Japón el desarrollo de los trenes de
levitación magnética que utilizan la atracción y la repulsión de
electroimanes de polaridad opuesta para sostenerse en el aire y
producir fuerza motriz.

La ausencia de vías férreas trae aparejada diversas ventajas:
mayor velocidad, reducción de ruidos, vibraciones y
oscilaciones, así como un escaso impacto ambiental (con respecto
a los fuertes campos electromagnéticos que se generan entre el tren
y el rail, estos trenes disponen de una carrocería aislada que protege
a los pasajeros).

El problema residiría en la gran cantidad de energía necesaria para
sostener en el aire, aunque sea a 10 cm del suelo, a un tren de
10.000 kilos (la energía que mueve un tren tradicional del mismo peso
debe multiplicarse por cuarenta para realizar este trabajo).
62
Material móvil

Este problema ha sido resuelto en gran medida por los estudios sobre
los campos magnéticos superconductores; su fundamento es la
superconductividad, mediante la cual se anula la resistencia eléctrica
de las envolturas y toda la energía eléctrica del sistema se reutiliza
sin perdida alguna.
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Material móvil
ELEMENTOS DEL
MATERIAL FERROVIARIO
AVE – Serie 100
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Material móvil
ELEMENTOS PRINCIPALES DEL MATERIAL
FERROVIARIO
Los elementos que componen todo vagón, coche o locomotora son:
Caja: Constituye el esqueleto o soporte en el que están instalados
los equipos (colgados o apoyados) que correspondan en cada caso, y
constituye el lugar donde van los viajeros o mercancías y donde se
encuentra la cabina de conducción. En las locomotoras y material
autopropulsado encontramos, entre otros, los siguientes equipos:
Transformador y/o reactancias, compresor, resistencias de freno,
baterías, ventiladores, patógrafos.
Bogie o carretón: Estructura en que se alojan los ejes y sobre la que
se apoya la caja. La unión entre un eje y el bogie se materializa
mediante la caja de grasa. En el bogie también se encuentran los
motores de tracción, el reductor (elemento que une el motor de
tracción con el eje), los mecanismos de freno y la suspensión.
Ejes y ruedas: Son los elementos que entran en juego directamente
con la vía.
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Material móvil
1.- EJES Y RUEDAS

Eje Montado



Se considera eje montado el conjunto formado por un cuerpo de
eje y sus dos ruedas caladas a presión sobre él.
Las ruedas así como los demás elementos que pueden ir calados
a presión sobre el eje, como, por ejemplo, coronas de transmisión,
discos de freno, etc, están provistos de los correspondientes
orificios de decalaje por presión de aceite.
La resistencia eléctrica de los ejes montados será inferior a 0,01
Ohm, s/ ficha UIC-512.
Cuerpo de eje.
El cuerpo de eje es recto de acero forjado y laminado según
especificaciones RENFE 03.373.001.1ª ó UIC 810-1..

66
Material móvil

Las dimensiones del eje están determinadas de acuerdo con los
esfuerzos que debe soportar, debiéndose supervisar los cálculos
preliminares de resistencia del mismo.

El diseño de los ejes se efectúa de tal manera que permite su
inspección mediante ultrasonidos durante el servicio sin que sea
necesario su desmontaje del bogie.
67
Material móvil

Ruedas
 La rueda, es uno de los componentes estructurales más
importantes de todos los vehículos ferroviarios. Está sujeta a muy
altas tensiones mecánicas y en consecuencia tiene una influencia
considerable tanto sobre el funcionamiento en plena marcha como
en la comodidad de los pasajeros que viajan en los trenes.

El sistema de carril y rueda esta sujeto a una amplia gama de
exigencias y controles para asegurar la fiabilidad operacional
requerida.

El desgaste mecánico de la rueda debido a la fricción con la vía es
un factor de coste a tener en cuenta.

Las ruedas están constituidas por siete (7) partes fundamentales.
68
Material móvil
1.- Pestaña: Aro saliente en el borde de la llanta de
un vehículo ferroviario, destinado a impedir el
descarrilamiento.
2.- Banda de rodadura: Superficie de contacto entre
llanta
y
el
carril.
3.- Llanta: Corona circular metálica que constituye la
superficie de rodadura de la rueda sobre el carril.
4.- Velo: Corona circular metálica que une la llanta al
cubo
de
la
rueda.
5.- Cubo: Elemento mecánico que establece la
unión de la rueda y el eje.
6.- Límite máximo de desgaste: Es el límite hasta
el cual se puede reperfilar una rueda en condiciones
de seguridad.
7.- Alojamiento decalado: dispositivo mediante el
cual se introduce aceite a presión para el calado de
la rueda y el eje.
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Material móvil
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Material móvil

Las ruedas de los vehículos ferroviarios poseen diámetros que
varían de 0,90 m a 1,10 m en Europa. El material unificado
español es de 1,06 m para el diámetro de contacto definido como
el plano medio de la superficie de rodadura de la llanta.

En las ruedas de ferrocarril se distinguen dos zonas principales:
 Centro de la rueda, que puede ser recto u ondulado, siendo
éste último el más empleado pues proporciona mayor
elasticidad.
 Llanta, que se encuentra sometida al desgaste de la rodadura
y choque de la vía.

En función de cómo se une la llanta al velo se pueden encontrar
tres tipos fundamentales de ruedas: monobloque, bibloque y
elásticas.
71
Material móvil
Ruedas Monobloque: La llanta y el velo se unen a través de un radio
de acuerdo, perteneciendo la llanta y el velo a la misma unidad.
72
Material móvil
Ruedas de Centro y Bandaje: La llanta se une al velo a través de un
aro metálico denominado Cincillo, con calado en caliente. En este caso
es posible cambiar la llanta conservando el velo y el cubo.
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Material móvil
Ruedas Elástica: La llanta se une al velo a través de una banda de
goma. En este caso también es posible cambiar la llanta conservando el
velo y el cubo. La banda elástica amortigua ruidos y vibraciones y es
muy usada en las ruedas de los tranvías y metros ligeros.
74
Material móvil

Los parámetros que se deben tener controlados en las ruedas
ferroviarias en cuanto a medidas, ya que si alguno de ellos se saliese
fuera de los límites establecidos, sería motivo de reperfilado o
sustitución son:
 Espesor de pestaña (Sd). El espesor de pestaña, es la distancia
horizontal existente entre la cara interior de la rueda y el punto de
intersección con el contorno de la pestaña, situado a 10 mm por
encima del diámetro de rodadura.
 Altura de pestana (Sh). La altura de pestaña, es la distancia
vertical entre el diámetro de rodadura (D), y una línea tangente al
punto superior de la pestaña.
 Cota “qR”. El termino cota “qR” se emplea para definir la
distancia horizontal existente entre dos puntos que interfieren con
la pestaña; el primer punto es el punto (A), situado a 10 mm por
encima del diámetro de rodadura (D), y el segundo punto (B)
situado a 2 mm por debajo de un línea tangente a la cara superior
de la pestaña.
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Material móvil

Los tres parámetros descritos con anterioridad, espesor, altura de
pestaña y cota qR, se determinan por medio de un calibre universal
que es capaz de medir simultáneamente de los tres parámetros.
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Material móvil

Juego de ruedas.



En cada bogie hay un conjunto de dos pares de ruedas montadas
sobre sendos ejes próximos, paralelos y solidarios entre sí, que se
utilizan en ambos extremos de los coches, destinados a circular
sobre carriles.
La cabina del coche se apoya en cada bogie por medio de la
traviesa bailadora, gracias a lo cual puede describir curvas muy
cerradas (En Alta Velocidad no se emplea).
El juego de ruedas proporciona al tren lo siguiente:
 La distancia necesaria entre el vehículo y la vía.
 El guiado que determina el movimiento dentro del ancho de
vía, incluso en curvas y agujas.
 El medio de transmisión de la tracción y las fuerzas de
frenado a los carriles para acelerar y decelerar el tren.
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Material móvil
El diseño del juego de ruedas depende de:
 El tipo de tren (de tracción o remolcado).
 El tipo de sistema de frenos utilizado (zapata, freno de disco en el
eje, o freno de disco en la rueda).
 La construcción del centro de la rueda y la posición de los
cojinetes en el eje (por dentro o por fuera).
 El interés de limitar las fuerzas de alta frecuencia mediante el uso
de elementos resistentes entre el centro de la rueda y la llanta.
 Los principales tipos de diseño de juegos de ruedas se muestran
seguidamente.
A pesar de la variedad de diseños, todos estos juegos de ruedas tienen
dos características comunes: la conexión rígida entre las ruedas a
través del eje y el perfil transversal de la superficie rodante de la
rueda, llamado perfil de la rueda.
78
Material móvil
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Material móvil
El calado y decalado de ruedas ferroviarias se realiza sobre el eje
dejándolas ajustadas para su montaje en el bogie.
80
Material móvil
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Material móvil
2.- LA CAJA DEL TREN (CONDICIONES GENERALES)
Normalmente el material utilizado en la fabricación de las cajas de los
trenes es el Aluminio (aunque también se emplea el acero al carbono y
el acero inoxidable). Las cajas son totalmente metálicas y están
compuestas de estructuras autoportantes, concebidas para lograr la
resistencia a cargas verticales y horizontales en función del transporte a
realizar.
La caja como carrocería del vehículo estará concebida para responder a
las exigencias técnicas, de estética y de explotación requeridas. Su
frecuencia de resonancia propia debe estar lo suficientemente alejada de
las frecuencias de resonancia de servicio y suspensiones, con objeto de
evitar fenómenos de amplificación entre ellos.
El interiorismo y decoración se diseñan de cara a los usuarios (en el
caso del metro, p.e. usuarios de baja permanencia u ocupación dedicado
a todos los estratos sociales y con un elevado diseño contra actos
vandálicos).
82
Material móvil
El enorme temor de todas las explotacions ferroviarias metropolitanas a
los incendios, sobre todo en túneles, hace que la búsqueda por
materiales cada vez menos propagadores de llama y con baja o nula
emisión de humos, sea constante (UNE 23102).
El auge de sistemas ferrroviarios metropolitanos denominados tranvías y
metros ligeros, con estructuras más sencillas, ha propiciado el diseño de
productos estándares que puedan crecer con la incorporación de nuevos
módulos a las composiciones.
Estas construcciones modulares (también en acero y aluminio) no solo
hacen que los precios comparativamente de estos vehículos sean más
bajos que en los metros pesados, sino que además facilitan su
construción.
83
Material móvil
84
Material móvil
85
Material móvil
86
Material móvil
87
Material móvil
Forma y composición
Con el objetivo de reducir, en cierta medida, los efectos aerodinámicos
del tren en su paso por un túnel, los trenes de Alta Velocidad han sido
diseñados en su inmensa mayoría con formas aerodinámicas. Este
diseño favorece también en cuanto a resistencia al avance y efecto del
viento lateral sobre el tren, aspectos que adquieren mayor importancia al
circular a altas velocidades.
88
Material móvil
Cajas inclinables
Los vehículos de caja inclinables traen consigo diferentes ventajas:



Compensan parcialmente el efecto de la fuerza centrífuga sobre el
viajero (el peralte que introduce la inclinación de la caja compensa
parte del efecto de la aceleración centrífuga)
Permiten incrementar de la velocidad en curva
Según las características de las líneas, sobre todo de la calidad de
la infraestructura, estos vehículos pueden suponer una velocidad de
circulación (15-25%) mayor y, por tanto, un importante ahorro de
tiempo.
Los trenes de caja inclinable son más utilizados en ramas modernizadas
(convencionales adaptadas a velocidades altas) que no en líneas de Alta
Velocidad.
89
Material móvil
Existen dos tipos de trenes de caja inclinable:
 Los trenes pendulares: se comportan como péndulos a su paso
por las curvas, inclinándose hacia el interior de la curva bajo la
acción de la fuerza centrífuga, a partir de un sistema de
suspensión diferente al convencional.
 Los trenes basculantes: están dotados de un dispositivo
electromecánico que se activa en la curva y que por medios
hidráulicos inclina la caja hacia dentro. Este sistema consigue
ángulos de inclinación (respecto a la perpendicular al eje de la vía)
de hasta 7º, mientras que los pendulares consiguen como máximo
unos 4º. Son más caros, y requieren una calidad de vía muy buena
(puede bascular también en caso de detectar irregularidades).
En España, los trenes de caja inclinable son utilizados mayoritariamente
en líneas convencionales. Los sistemas más conocidos son el sistema de
pendulación Talgo y el sistema de basculación SIBI (Sistema Inteligente
de Basculación Integral).
90
Material móvil
Sistema de pendulación Talgo
91
Material móvil
92
Material móvil
93
Material móvil
94
Material móvil
3.- Bogie (componentes de un bogie)
95
Material móvil
96
Material móvil
Características generales de los Bogies
Al conjunto de pares de ruedas montadas sobre ejes paralelos formando
un carretón se llama bogie. Las características de los bogies depende
del modelo que se fabrique en función del tren. En este sentido podemos
decir que hay bogíes para trenes metropolitanos-autonómicos,
cercanías, tranvía, compartidos y alta velocidad….

Los equipos que intervienen en el bogie prácticamente son iguales y
pueden variar en el ángulo de giro de la caja respecto al bogie, a la
potencia de los motores, a la potencia de freno, reductor, diámetro de la
rueda, suspensión primaria, suspensión secundaria, etc.
A continuación vamos a ver las características de estos equipos para un
bogie de un tren metropolitano, ya que se puede trasladar al resto de
bogíes, excepto a los de alta velocidad que tienen características
diferentes al resto.
97
Material móvil
Bogie compartido entre vagones- tren Civia
98
Material móvil
La relación de equipos que seguiremos, será la expuesta en la figura del
bogie anterior.
Reductor.
Este conjunto está dispuesto en la cadena cinemática, entre motor y eje
de ruedas.
El reductor tiene que ser compatible con el montaje de motor previsto
pudiendo ser enteramente suspendido o apoyado en el eje de ruedas.
El reductor será de uno o dos grados de reducción de revoluciones del
motor de tracción.
Los reductores están diseñados a base de engranajes, mecanismos
circulares y dentados con geometrías especiales de acuerdo con su
tamaño y la función en cada motor.
99
Material móvil
Al emplear Reductores o Motorreductores con engranajes, mecanismos
circulares y dentados, se obtiene una serie de beneficios sobre otras
formas de reducción (tornillo sin fin, etc) bastante importantes.
Algunos de estos beneficios son:





Una regularidad perfecta tanto en la velocidad como en la
potencia transmitida
Una mayor eficiencia en la transmisión de la potencia
suministrada por el motor.
Mayor seguridad en la transmisión, reduciendo los costos en el
mantenimiento.
Menor espacio requerido y mayor rigidez en el montaje.
Menor tiempo requerido para su instalación.
100
Material móvil
Los motorreductores se suministran normalmente acoplados a la unidad
reductora de un motor eléctrico normalizado asíncrono tipo jaula de
ardilla, trifásico, totalmente cerrado y refrigerado por ventilación natural
o con ventilación forzada.
En el caso del metro, el motorreductor es una unidad motriz integral que
incorpora un motor eléctrico y un reductor a base de engranajes, de
manera que el armazón de uno, soporte el del otro.
Reductor de ejes paralelos tipo
tándem
101
Material móvil
Reductores con engranaje
102
Material móvil
Para seleccionar adecuadamente una unidad de reducción debe tenerse en
cuenta la siguiente información básica:
 Características de operación
• Potencia (KW tanto de entrada como de salida-rendimiento)
• Velocidad (RPM de entrada como de salida)
• Par Motor máximo a la salida en N/m.
• Relación de reducción.
 Características del trabajo a realizar
• Tipo de máquina motriz (motor eléctrico, a gasolina, etc.).
• Tipo de acople entre máquina motriz y reductor.
• Tipo de carga uniforme, con choque, continua, discontinua etc.
• Duración de servicio horas/día.
• Arranques por hora, inversión de marcha.
 Condiciones ambientales.
• Humedad.
• Temperatura
 Ejecución del equipo
• Ejes a 180º ó 90º.
• Eje de salida horizontal, vertical, etc.
103
Material móvil

Motor de tracción
104
Material móvil
El motor será trifásico asíncrono con rotor en jaula de ardilla y sus
prestaciones serán las adecuadas para conseguir que los trenes circulen
en las condiciones previstas en la explotación de la Administración
Ferroviaria, y de forma que la recuperación de energía en el frenado
eléctrico sea óptima en toda la gama de velocidades hasta la detención
del tren
Los motores asíncronos están situados en el bogie, dos motores por
bogie (uno por eje motor en el caso del metro), así como los reductores,
uno por motor (en Alta Velocidad no suelen disponerse en los bogies
para reducir la masa no suspendida y así reducir los esfuerzos
transversales).
El montaje del motor y del reductor será preferiblemente suspendido del
bogíe, efectuándose la transmisión del esfuerzo tractor-reductor a los
ejes a través de acoplamientos elásticos.
Cada coche motor dispone de un equipo convertidor, compuesto por un
ondulador/inversor que alimenta a los cuatro motores asíncronos de
cada coche motor.
105
Material móvil
Para la selección de los motores de tracción se tendrán en cuenta los
parámetros siguientes:
 Curvas características del motor en las que se indiquen, en función de
la intensidad, la velocidad de giro, potencia y rendimiento, que estén
previstas en régimen continuo, unihorario y potencia equivalente del
cálculo del diagrama de marcha. ·
 Características de marcha y calentamiento para los recorridos que
tenga asumido la Administración Ferroviaria.
 Potencia permanente que puede entregar el motor, reductor e inversor.
 Velocidad nominal y máxima.
 Factor de potencia.
 Rendimiento de los motores, reductor e inversor.
 Tipo y características de los devanados y aislamientos, los cuales
serán clase C 200.
 Peso del motor completo (con reductor y sin reductor).
 Tipo de ventilación (natural y forzada).
106
Material móvil
Bogie de tren Civia para dos coches y para un coche extremo
107
Material móvil
 Suspensión primaria
La suspensión primaria, que une elásticamente las cajas de grasa
situadas en el eje de las ruedas, con el bastidor del bogie, transmite
entre el extremo del eje montado de las ruedas y el resto del bogie las
cargas verticales y los esfuerzos de guiado transversales y de arrastre.
La carga vertical que actúa sobre el bastidor de bogie se transmite a los
ejes montados a través de la suspensión primaria.
Esta suspensión primaria está constituida por resortes de caucho-acero,
o de muelles. Esta suspensión primaria tiene que tener la suficiente
flexibilidad para asegurar un reparto uniforme de cargas entre las
ruedas de un bogie, y en consecuencia un óptimo aprovechamiento de
la adherencia existente.
108
Material móvil
La suspensión primaria tiene la amortiguación necesaria que permite la
circulación hasta la máxima velocidad sin producir oscilaciones
perjudiciales al bogie y como consecuencia al tren.
La vida prevista de los resortes de suspensión primaria son, como
mínimo, del orden de 9 años ó 1.000.000 Km (en caso del Metro)
En el bogíe se dispondrán, asimismo, los elementos necesarios para que,
en caso de descarrilo, pueda levantarse el bogíe, reteniendo el eje en
caso de fallo de los sistemas de guiado.
La suspensión primaria puede ser de resortes de caucho-acero, o de
muelles helicoidales, con amortiguadores para reducir la tendencia natural
del muelle a rebotar arriba y abajo.
109
Material móvil
Figura de un bogie con la disposición de la suspensión primaria y
secundaria
110
Material móvil
 Suspensión secundaria
La suspensión secundaria está compuesta por dos resortes
neumáticos, amortiguadores verticales, transversales y antilazo,
además de barra antitorsión.
La altura de la suspensión secundaria es constante e independiente de
la carga, de modo que la altura del piso del tren se mantenga
constante, para ello dispone de la correspondiente válvula de
corrección, automática de altura.
La suspensión vertical dispone de amortiguación propia de manera que
no sea necesaria la utilización de amortiguadores externos
111
Material móvil
Los resortes neumáticos se llenan con aire comprimido, y su volumen está
controlado por una válvula de nivelación, la cual vigila constantemente la
cantidad de aire en relación con el peso del coche al subir o bajar los
viajeros.
Cuando el peso del coche varía como consecuencia de la subida de
viajeros, la caja del coche empuja más hacia abajo los resortes
neumáticos tendiendo a comprimirlos, o sube cuando el peso del tren
disminuye cuando bajan los viajeros, la caja del coche empuja mas hacia
arriba dejando que se expandan los resortes neumáticos.
Una válvula de nivelación admite o expulsa el aire, a fin de permitir que los
resortes neumáticos vuelvan a su forma original.
Este proceso mantiene la caja del coche a una altura constante sobre
el nivel del carril.
112
Material móvil
Por otro lado, y a fin de permitir el levante del bogie con la caja (por
ejemplo, en caso de descarrilo), se dispone en la suspensión secundaria
neumática de los elementos necesarios para el levante del tren.
Asimismo, el bogie estará provisto de topes en el sentido de elevación
para el caso de hinchamiento de uno de los resortes neumáticos que
forman parte de la suspensión secundaria neumática, por fallo de la
válvula de control de la presión inyectada en el resorte neumático.
La suspensión secundaria neumática dispondrá de topes para limitar los
desplazamientos de la caja a los permitidos por el gálibo, en sentido
transversal.
Las oscilaciones en este sentido deberán ser amortiguadas.
113
Material móvil
 Caja de grasa
La caja de grasa es el dispositivo que permite que el juego de ruedas
pueda girar al proporcionar el alojamiento del cojinete y al mismo
tiempo, los soportes para que la suspensión primaria sujete el juego de
ruedas al chasis del coche.
La caja de grasa transmite las fuerzas longitudinales, laterales y
verticales desde el juego de ruedas a los demás elementos del bogie.
Las cajas de grasa se clasifican de acuerdo con:
 Su posición sobre el eje dependiendo de si los cojinetes están
dentro o fuera.
 El tipo de cojinete utilizado, que puede ser de rodamiento de
rodillos o de fricción.
114
Material móvil
La forma externa de la caja de grasa se determina por el método de
unión entre la caja de grasa y el bastidor del bogie, y su objetivo es
lograr una distribución uniforme de las fuerzas en el cojinete situado en
la caja del eje. La construcción interna de la caja de grasa está
determinada por el cojinete y su método de sellado.
115
Material móvil
 Bastidor del Bogie
El bastidor del bogie tendrá una construcción enteramente soldada. Las
diversas secciones de los elementos que componen el bastidor están
diseñados para que sea ligero y robusto al mismo tiempo. El material del
bastidor está compuesto básicamente de chapa de acero laminada,
siendo el de los soportes o accesorios acero moldeado o forjado.
La geometría del bastidor tiene un diseño para que se produzca un
reparto racional de los esfuerzos tangenciales, longitudinales y verticales,
evitando en general la concentración de los mismos y en particular en los
puntos de unión entre piezas, así como en la unión de largueros con
traviesas intermedias y con cabeceros en su caso.
En el bastidor se incorporarán los soportes de los diferentes elementos
del bogie, tales como motores, guiado de ejes, timonería de freno,
cilindros de freno, etc.
116
Material móvil
117
Material móvil
El bastidor dispondrá en los extremos de los largueros, de elementos de
amarre para realizar el transporte del bogie por los talleres por medio de
tractor o cabestrante.
Sobre uno de los bastidores del bogie se efectuan los ensayos
extensométricos para verificar las tensiones de trabajo correspondientes
a las diferentes hipótesis de carga, así como ensayos a fatiga para
comprobar su idoneidad para los esfuerzos a que va a estar sometido
durante el servicio.
Una vez soldado el bastidor, será sometido a un recocido adecuado, a fin
de eliminar las tensiones residuales producidas en el proceso de
soldadura. El horno deberá tener un sistema de registro de temperatura
para controlar el tratamiento, debiéndose entregar los diagramas tiempotemperatura del mismo. Las principales soldaduras del bastidor han sido
controladas por un procedimiento contrastado.
118
Material móvil
 Traviesa bailadora
La transmisión de los esfuerzos longitudinales y transversales del bogie
se transmiten a la caja a través de la traviesa bailadora. Este enlace está
realizado por un sistema de bielas o pivote elástico de modo que
presente el máximo desacoplamiento mecánico con el fin de evitar la
transmisión de vibraciones u oscilaciones de bogie a la caja del coche.
En la figura del bogie que mostramos a continuación se ve la traviesa
bailadora, y su conexión con la corona y la suspensión secundaria.
De todas maneras ya existen bogies sin esta traviesa bailadora, estando
la caja asentada directamente sobre la suspensión secundaria, y sobre
todo en los bogíes de los trenes de Alta Velocidad.
En estos momentos todavía hay mucho Material Móvil circulando con
traviesa bailadora en el bogie, y que efectúa el enlace entre el bogie y la
caja del coche.
119
Material móvil
Traviesa
bailadora
120
Material móvil
Los bogies en Alta Velocidad
La evolución de los bogies ha sido consecuencia, en la mayoría de los
casos, de la aparición de la Alta Velocidad y el propósito de no aumentar
los esfuerzos verticales y consecuentemente, el deterioro de la vía.
Reduciendo el peso de los bogies se consigue un mejor comportamiento
frente a los esfuerzos transversales.
La disposición de los motores en el bogie no sólo ha evolucionado con la
aparición de la Alta Velocidad. El bogie monomotor ya se ha incorporado
completamente a los nuevos trenes convencionales.
Talgo ha desarrollado una nueva técnica basada en un sistema de
cambio de ancho para los bogies motores que permite a los trenes
cambiar de una línea convencional a una de Alta Velocidad, o viceversa,
sin necesidad de cambiar de locomotora.
121
Material móvil
Diferencias fundamentales entre los bogies de los trenes convencionales y
de Alta Velocidad
122
Material móvil

Bogie tractor con cambio de ancho (Talgo)
123
Material móvil
124
Material móvil
Cambiador Ancho Renfe
125
Material móvil
APARATOS DE TRACCIÓN
Y CHOQUE
126
Material móvil
1.- ENGANCHES
Los enganches o aparatos de tracción y choque son los dispositivos que
realizan el acoplamiento mecánico, neumático y eléctrico entre
diferentes coches que componen un tren o entre trenes, en caso de
remolcarse entre ellos.
Existen dos tipos de enganches:
 Enganches automáticos: acoplan automáticamente trenes y se
encuentran situados en los extremos.
 Enganches semipermanente: enganches que acoplan los vehículos
que forman unidades de tren. Requieren la intervención de un
operario para llevar a cabo el acoplamiento (normalmente en taller).
Enganche
Enganche
Enganche
Enganche
Enganche
Enganche
automático
Semipermanente
Semipermanente
automático
Semipermanente
automático
127
Material móvil

Enganche semipermanente.

El acoplamiento entre coches se efectuará mediante enganches
semipermanentes los cuales unirán mecánica, neumática y
eléctricamente los coches.
El acoplamiento entre coches se realiza con los coches parados y
admite una diferencia de cotas máximas entre enganches de 60mm.
El acoplamiento eléctrico de baja tensión, se efectúa por medio de
mangueras eléctricas con conectores en ambos lados. En el centro
de la manguera y colgando del enganche semipermanente, existe
una brida para alejar la manguera del suelo.
Los cables de los circuitos de potencia pasan directamente de testero
a testero, quedando sujetos, a través de conectores robustos y de
fácil desmontaje.



128
Material móvil
A su vez, nos encontramos dos sistemas de clasificación que son el
enganche a tornillo con paragolpe y el enganche central a mandíbula.
Enganche a tornillo
El enganche a tornillo consiste en una suerte de cadena cuyo eslabón
externo se sujeta en un gancho del vehículo contiguo. La tarea de
enganche la hace un operario.
 La resistencia del enganche está limitada por el peso de la cadena
que un hombre normal puede levantar.
En la tracción y el frenado se producen esfuerzos longitudinales entre
vehículos, tirones o topetazos. Para limitarlos existe el aparato de
choque, o paragolpes. Cuando un vehículo toca al otro, lo que entra en
contacto son los paragolpes (UIC 526-1, UIC 571-1, UIC 571-2).
129
Material móvil
Enganche a tornillo
•Para que los vagones no
vayan
sueltos,
una
vez
colocado en enganche el
operario gira un tornillo hasta
que el enganche queda tenso y
los paragolpes contiguos se
tocan y quedan ligeramente
apretados. Los tirones durante
la marcha no despegan los
paragolpes. De este modo la
transmisión del esfuerzo a lo
largo del tren es más suave.
•En este sistema el aparato de
tracción está separado del
aparato de choque.
130
Material móvil
131
Material móvil
132
Material móvil
Enganche a mandíbula
Aparte la limitación impuesta por el peso que se puede levantar, el
enganche anterior es peligroso porque obliga al operario a trabajar entre
los vagones.
El enganche a mandíbula resuelve ambos problemas, puesto que reúne
en una sola pieza la función de tracción y choque. Ambos esfuerzos se
transmiten a través de una barra centrada debajo del vagón. La barra
termina en una “mandíbula” con una pieza móvil que el operario abre
cuando quiere enganchar y luego cierra, quedando encerrojada.
Al no estar limitado por la fuerza humana el enganche a mandíbula puede
tener sección suficiente para obtener esfuerzos de tracción muy elevados.
133
Material móvil
134
Material móvil
135
Material móvil
Enganches automáticos o integrales
Existen enganches más avanzados, que reúnen en un aparato único la
función de tracción, absorción de choques, conexión de la cañería del
freno y conexión eléctrica. Se usan sobre todo en los metros.
 Por ejemplo el tipo Scharffenberg

136
Material móvil
Entre los trenes autopropulsados suele emplearse este tipo de
enganche automático Sharffenberg:

El acoplamiento múltiple de dos trenes se efectúa mediante los
enganches del tipo automáticos, y estarán situados en los testeros
de los trenes.

Dos trenes acoplados permitirán el mando múltiple con un solo
agente de conducción, teniendo el control de la tracción y el freno,
así como de la visión de las imágenes de retrovisores y pasaje,
estado de puertas y de todos los parámetros necesarios para una
segura conducción.

Los enganches automáticos permiten el socorro de un tren de
cualquier tren de la red ferroviaria. El enganche dispone de un
sistema de absorción de impactos autorecuperable capaz de
absorber impactos longitudinales entre unidades. Su capacidad
permite el choque entre una unidad parada y otra en marcha
(ambas en carga máx.) a una velocidad superior a la de
acoplamiento ordinario que es de 3 Km/h.
137
Material móvil
Con el aumento de la velocidad en la explotación de los trenes
aparecieron nuevas tecnologías, entre ellas la unión articulada entre
coches.
Los trenes de Alta Velocidad y Larga Distancia disponen de este
dispositivo antivuelco y antiacaballamiento.
Muy unido a ello está el hecho de que los trenes de Alta Velocidad son
composiciones indeformables, es decir, no se pueden separar unos
coches de otros, como ocurre con la mayoría de trenes convencionales.
138
Material móvil
Enganche automático en el testero del tren
139
Material móvil
Enganche automático en el testero del tren
140
Material móvil
EQUIPOS DE TRACCIÓN
IC 225: Electra, clase 91
141
Material móvil
142
Material móvil
LA ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA
Sistema fijo
Fuente (Subestación)
Sistema de captación
(catenaria o tercer carril)
Sistema fijo + sistema móvil
Sistema móvil (tren)
Un frotador colecta
De catenaria
De tercer carril
Circuito de tracción
143
Material móvil
CARÁCTERÍSTICAS DEL CIRCUITO DE TRACCIÓN
es DEFORMABLE
tiene PARÁMETROS VARIABLES
Resistencia o impedancia
PARÁMETROS
VARIABLES
Tensión
Corriente
Función de
Distancia entre
Subestación y tren
y potencia en cada punto
144
Material móvil
EL MOTOR ELÉCTRICO DE TRACCIÓN
En tracción eléctrica en
corriente continua o en
corriente alterna se emplean
básicamente dos tipos de
motores
Para controlar en
la marcha del tren:
- Arranque
- Velocidad
- Frenado
Motores tipo
serie de corriente
continua
Motores
asincrónicos
trifásicos de
corriente alterna
Se actúa
sobre el
motor de
tracción
para regular
la fuerza de
tracción y la
velocidad
145
Material móvil
Para regular en un motor de tracción
La fuerza de
tracción
La velocidad
Se debe actuar sobre
El flujo
magnético
La tensión
aplicada
146
Material móvil
EVOLUCIÓN DEL EMPLEO DEL MOTOR DE TRACCIÓN EN CORRIENTE
CONTINUA
1.- MOTOR SERIE DE CORRIENTE CONTINUA
Regulación de la tensión
aplicada
Regulación del flujo magnético
- Por resistencias
- Por resistencias y cambios de
acoplamientos (serie, paralelo)
- Interruptor periódico (chopper)
- Variación de la corriente del campo
- Variación del número de espiras del
campo
2.- MOTOR ASINCRONICO TRIFÁSICO (MAT)
Equipo inversor CC/CA
- Regulación de la tensión aplicada
- Regulación de la frecuencia aplicada
- Combinación de ambas
147
Material móvil
148
Material móvil

CARACTERÍSTICAS DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA
Existen tres tipos de electrificación dentro de la tracción eléctrica:
 Con corriente continua: Fue la que primero se utilizó; al no saberse
cómo transformar la tensión se tenía la misma tensión de
transporte sobre la línea de contacto que la que hacía funcionar a
los motores: 700-3000 v. Si la tensión es muy baja acarrea dos
consecuencias:

Intensidades de miles de amperios por las líneas de contacto
para conseguir la potencia necesaria.

Catenaria de gran sección y subestaciones muy próximas (del
orden de a 20 Km para una línea de 1500 v) para evitar las
grandes caídas de tensión.
149
Material móvil

Con corriente alterna monofásica: Existen dos tipos según la
frecuencia utilizada:

1- De frecuencia especial: Se suele adoptar una corriente de
frecuencia menor que la frecuencia normal (de 16 2/3 Hz).
Esta clase de tracción eléctrica se utiliza en CentroEuropa
(Suiza, Alemania, Austria), Suecia y Noruega.

2- De frecuencia industrial (a 50 Hz): Surge con el objetivo de
crear instalaciones ligeras e intentar integrar el ferrocarril en
la red industrial.
150
Material móvil


Con corriente alterna trifásica: Al principio se dejó de lado este tipo
de tracción ya que pese a usar motores trifásicos, que son robustos
y baratos, presentaba dos inconvenientes:
 1- Necesidad de instalar doble catenaria, con la vía como
tercera fase.
 2- Dificultad para regular la velocidad, al depender ésta
directamente de la frecuencia (n=60·f/p).
Más adelante, unos setenta años después, fue retomada esta opción
de tracción eléctrica debido al gran desarrollo tecnológico acaecido
durante todos estos años, especialmente en el campo de la electrónica
de potencia y los semiconductores.
Gracias a esta tracción se ha conseguido el récord de velocidad superior
a 570 Km/h.
151
Material móvil
152
Material móvil
SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN
Ejemplo de composición de un tren
Coche motor con cabina: M
Coche motor sin cabina: N
Coche remolque: R
M+M
M+R+M
M+N+R+M
M+N+R+N+M
153
Material móvil
SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ESQUEMA ALTA TÍPICO
154
Material móvil
SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES
PANTOGRAFO
Captación de energía de catenaria
155
Material móvil
 El pantógrafo es el encargado de captar la corriente de la línea de
catenaria mediante contacto directo sobre el hilo de contacto
abasteciendo de energía al tren locomotora. Su localización es el
techo de la locomotora, aislado de ella mediante aisladores de
porcelana.
 El pantógrafo consiste en un sistema articulado que sujeta un patín,
presionándolo contra la catenaria, bajo la que se desliza.
 Se sitúa en el techo de la unidad tractora y es regulable en altura de
forma
automática,
para
poder
alcanzar
la
catenaria
independientemente de la altura a la que se encuentre el hilo de
contacto.
 El diseño del pantógrafo debe adaptarse también a la tensión de la
catenaria en cuanto a su aislamiento eléctrico y materiales,
especialmente en la zona de contacto.
156
Material móvil
 En pantógrafos de alta velocidad deben asimismo tenerse en cuenta
para su diseño factores aerodinámicos, ya que hacen variar la presión
de contacto ejercida por los mecanismos neumáticos. Dichos
pantógrafos tienen en ocasiones alerones o diseños especiales para
controlar las fuerzas aerodinámicas.
 El pantógrafo provoca oscilaciones sobre la catenaria, de forma que
la presión del pantógrafo, se debe ajustar de acuerdo a la velocidad
máxima de los trenes que circularán por dicha vía. Estas oscilaciones
varían según la velocidad y pueden llegar a provocar minicortes en el
suministro eléctrico al tren.
Las partes sustanciales de todo pantógrafo son las siguientes:
 Mesillas
 Resorte
 Bastidor
157
Material móvil
 Mesillas. Es la pieza que recoge la corriente eléctrica, en particular
los frotadores, que está constituidos de pastillas de carbono.
158
Material móvil


Resorte. Mecanismo que hace que las mesillas y los frotadores en
particular estén en contacto permanente con el hilo conductor.
Bastidor. Es lo que sujeta el pantógrafo a la locomotora, tranvía, etc.
Para evitar un desgaste continuo en la parte del pantógrafo que contacta
con la catenaria, esta se despliega en forma de zigzag, de forma que en
el recorrido del pantógrafo sobre la catenaria, el desgaste del carbón
situado sobre las mesillas del pantógrafo se desgaste por igual en toda
su superficie.
159
Material móvil
Pantógrafo AV
160
Material móvil
SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES
PARARRAYOS
Protección ante sobretensiones
provenientes de catenaria o inducidas
por la cadena de tracción
161
Material móvil
SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES
COFRE SECCIONADORES
Maniobra seguridad para
puesta a tierra
de la cadena de tracción
mediante una
secuencia de llaves
162
Material móvil
SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES
DISYUNTOR
Apertura/cierre del circuito de
potencia ante sobrecorrientes
inesperadas o cortocircuitos
163
Material móvil
SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES
FILTRO DE RED
Filtro LC para limitar el vertido armónico
a catenaria y proteger al equipo de
sobretensiones provenientes de
catenaria.
Normalmente se utiliza el condensador
de bus como condensador de filtro
Construcción: Núcleo de Aire o Hierro
Refrigeración: Natural o Forzada
164
Material móvil
SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES
RESISTENCIAS DE FRENO
Funciones:
- Disipar la energía cinética de frenado
- Estabilizar la tensión de bus
Montaje: Bajo bastidor o Techo
Refrigeración:
- Forzada Aire
- Natural
165
Material móvil
SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES
CONVERTIDOR DE TRACCION
Funciones:
- Alimentación de los motores
- Lógica de control
- Protecciones contra
sobretensiones o
sobrecorrientes peligrosas para el
equipo
Montaje:
- Bajo bastidor o Techo
166
Material móvil
 Tecnología convencional
 Los equipos eléctricos de las primeras locomotoras, estaban
basados en un sistema de captación de energía desde la
catenaria, motores de tracción de corriente continua de excitación
serie con el motor, y las resistencias de tracción que intercaladas
en serie con el motor, permitían regular la corriente que los
atravesaba, controlando de ese modo el par y la velocidad.
 El control de estos equipos era electromagnético con lógica
cableada a base de relés.
 Este control generaba las órdenes para que los contactores u
otros dispositivos pudieran ir variando el valor de las resistencias
de tracción en función de los valores necesarios para que los
motores dieran las prestaciones en par y velocidad requeridos.
167
Material móvil
Esquema convertidor convencional
168
Material móvil

El inconveniente de la tecnología convencional eran:
•
Grandes pérdidas de energía en las resistencias dando
unos rendimientos muy bajos.
•
Con este tipo de control es difícil alcanzar las elevadas
prestaciones en aceleración y velocidad que requieren
algunas explotaciones actuales.
•
La imposibilidad de garantizar arranques y frenados suaves
lo que determina un menor control en la corrección de
patinajes y deslizamientos, etc.
•
Los motores que se utilizaban, eran motores de CC
pesados y que era con un elevado mantenimiento por los
desgastes de las escobillas y del colector.
169
Material móvil

Tecnología actual
 El convertidor tiene la función de alimentar a los motores
asíncronos trifásicos, a partir de una catenaria de corriente
continua o alterna.
Esquema convertidor actual
170
Material móvil

El más utilizado es el convertidor denominado de circuito
intermedio. Se compone de dos subconvertidores, uno por el lado
de la red y otro por el lado de la carga, unidos através de un
circuito intermedio. En este se disponen de elementos pasivos
tales como condensadores e inductancias.

El convertidor del lado de la red tiene la misión de alimentar al
circuito intermedio de corriente continua. Dependiendo del tipo de
alimentación distinguiremos el chopper de entrada para catenaria
de corriente continua y el rectificador de cuatro cuadrantes
para corriente alterna.

Por el lado de la carga el ondulador pulsatorio genera el sistema
trifásico necesario, con frecuencia y tensión regulada a partir de la
tensión constante que proviene del circuito intermedio.
171
Material móvil

Dispositivos electrónicos de potencia
Estos dispositivos se utilizan fundamentalmente como interruptores
electrónicos controlados, entre lo que podemos destacar:
•
•
•

El tiristor
El tiristor controlado por puerta (GTO)
Transistores bipolares con puerta aislada (IGBT)
El tiristor
Las características fundamentales del tiristor que lo hacen apto para
los circuitos de potencia son:
o Interruptor casi ideal
o Soporta tensiones altas
o Control sencillo
o Es capaz de controlar grandes potencias
o Relativa rapidez
172
Material móvil
Es un buen elemento de conmutación en potencia que tiene como
problema, que para extinguir la corriente o invertir la polaridad para
apagarlo, complica los circuitos y precisa de grandes conjuntos de
condensadores para ello.
El
GTO
El G.T.O. (Gate Turn-off – Switch) es un tipo de semiconductor que
además de funcionar, respecto al disparo como los tiristores, tiene la
característica esencial de que cuando se introduce una intensidad
contraria a la de disparo (puerta negativa con respecto a cátodo)
suficientemente grande, el dispositivo pasa a estado de bloqueo.
El
IGB
Las iniciales IGBT significan “insulated gate bipolar transistor” es decir,
transistor bipolar de puerta aislada. El IGBT combina las ventajas del
transistor bipolar y del GTO y es un elemento en el que se incrementa la
conductividad, y por lo tanto permite reducir la caída de tensión en el
estado de conducción.
173
Material móvil
Respecto al tiristor mantiene las ventajas que ya ganábamos con el
GTO, y además el IGBT puede conmutar mucho más rápidamente, lo
que hace que pueda utilizarse en aplicaciones que trabajen a
frecuencias más elevadas que el tiristor.

Ajustador de corriente continua (chopper)
El chopper (1970), es un equipo de regulación de potencia, mediante la
apertura y cierres controlados de los dispositivos electrónicos, que se
encarga de estabilizar la tensión fluctuante de la catenaria, a una tensión
continua constante en el circuito intermedio.
*Esto se realiza porque la tensión de la catenaria puede llegar a variar un 33%
de su tensión nominal.
La regulación de la potencia se obtiene recortando o troceando la
tensión mediante impulsos de una duración variable, con lo que la
tensión puede adquirir valores desde cero hasta una conducción plena.
174
Material móvil
Las ventajas principales de la utilización del chopper respecto al
tradicional son:
• un considerable ahorro de energía al no emplear resistencias en el
arranque, ya que sólo se toma de la catenaria la tensión necesaria,
• ahorro en mantenimiento al eliminar elementos electromecánicos
que son móviles y por tanto susceptibles de gastarse
• confort del pasajero al mejorar la calidad de la marcha por supresión
de escalones de velocidad
• la mejora de la adherencia rueda/carril al propocionar transiciones
más suaves al acelerar frenar.
Ondulador
Su misión consiste en convertir la tensión constante del circuito
intermedio en un sistema trifásico para alimentar a los motores de
tracción, transformando la corriente continua del circuito intermedio en
una corriente alterna trifásica con tensión y frecuencia variables.
Eléctricamente estamos creando 3 señales senoidales desfasadas 120o
en el tiempo y el espacio a partir de una señal de continua.

175
Material móvil
Entenderemos esto mejor si nos fijamos en los siguientes sistemas de
alimentación de los motores de tracción de cualquier composición o
locomotora:
176
Material móvil
En las líneas de nueva construcción (líneas de Alta Velocidad) y
analizando elemento por elemento, vemos que aparece un chopper y un
ondulador cuando cabría la posibilidad de preguntarse de porqué no se
alimentan los motores de tracción directamente desde el secundario del
trafo, y es porque mediante el chopper establecemos un valor de la
tensión constante que será independiente de las posibles oscilaciones
de la tensión de catenaria y que nos permitirá alimentar todos los
sistemas auxiliares de la composición o de la locomotora (por ejemplo: el
compresor de aire comprimido, los ventiladores de los motores, los
ventiladores de las resistencias de frenado (frenado reostático), el equipo
de carga de baterías o el aire acondicionado).
177
Material móvil
Convertidor Siemens con IGBT tren CIVIA
178
Material móvil
Esquema eléctrico de un tren FMB con tres coches motores y un
remolque
179
Material móvil
S/2000, 3000 y 4000 Equipados con un sistema de de tracción de
corriente continua. – Conexión en serie de 4 motores de CC - Control
por Chopper con GTOs.
180
Material móvil
S/2100 equipados con una cadena de tracción trifásica asíncrona ONIX1500, ondulador AC utilizando IGBT’s (Insulated Gate Bipolar
Transistor) pilotada por una electrónica de mando AGATE Control para
Metro de Barcelona.
La composición de cada tren es MA1-MB1-R-MB2-MA2.
181
Material móvil
SISTEMA DE TRACCIÓN DE UN TREN – ELEMENTOS PRINCIPALES
MOTORES
Funciones: proporcionar la propulsión
mecánica al tren.
Tipo de motores:
- Motor Asíncrono (actualmente
utilizado)
- Motor Síncrono PMSM (en estudio)
Tipos de refrigeración.
- Autoventilado Abierto
- Autoventilado Cerrado
- Ventilación Forzada de Aire
- Ventilación Forzada de Agua
182
Material móvil
Motor asíncrono industrial
183
Material móvil
 Símil del funcionamiento de un motor asíncrono
184
Material móvil
 La f.e.m. significa “fuerza electro motriz”, y es la tensión que se
induce al rotor a través del flujo que genera el estator, para conseguir
que circule corriente por el rotor , y este pueda girar.
185
Material móvil
 El motor será trifásico asíncrono con rotor en jaula de ardilla y sus
prestaciones serán las adecuadas para conseguir que los trenes
circulen en las condiciones previstas en la explotación de la
Administración Ferroviaria, y de forma que la recuperación de energía
en el frenado eléctrico sea óptima en toda la gama de velocidades
hasta la detención del tren
 Cada coche motor dispone de un equipo convertidor, compuesto por
un ondulador/inversor que alimenta a los cuatro motores asíncronos
de cada coche motor.
 Para la selección de los motores de tracción se tendrán en cuenta los
parámetros siguientes:
 Curvas características del motor en las que se indiquen, en
función de la intensidad, la velocidad de giro, potencia y
rendimiento, que estén previstas en régimen continuo, unihorario y
potencia equivalente del cálculo del diagrama de marcha. ·
186
Material móvil
 Características de marcha y calentamiento para los recorridos que
tenga asumido la Administración Ferroviaria.

Potencia permanente que puede entregar el motor, reductor e
inversor.

Velocidad nominal y máxima.

Factor de potencia

Rendimiento de los motores, reductor e inversor.

Tipo y características de los devanados y aislamientos, los cuales
serán clase C 200.

Peso del motor completo (con reductor y sin reductor).

Tipo de ventilación (natural y forzada).
187
Material móvil
Estator
Rotor jaula de ardilla
188
Material móvil
 Principio de funcionamiento del motor asíncrono
• Cuando en un sistema trifásico equilibrado en tensiones y de
intensidades simétricas, se hacen circular las mencionadas
intensidades por las fases del estator desfasadas 120º eléctricos
en el espacio, se crea un campo magnético giratorio en el
entrehierro que gira a una velocidad angular, “Ns”, denominada
velocidad de sincronismo, que depende de la frecuencia de
alimentación, “ f,” y del número de pares de polos “ p ”, de la
máquina, mediante la siguiente expresión:
189
Material móvil
 El campo magnético giratorio (flecha roja), genera una velocidad de
sincronismo “Ns”, que a su vez concatena unas tensiones inducidas
en el rotor, las cuales hacen circular unas corrientes por las barras
rotóricas, que están cortocircuitadas, que al interactuar con el campo
magnético giratorio del estator crean un par motor que hace girar el
rotor a una velocidad angular “ N ” (punto verde) menor que la
velocidad de sincronismo.
 A la diferencia entre las velocidades de sincronismo y la velocidad
angular del rotor, se le denomina deslizamiento y se representa por la
letra “s”.
 La velocidad angular del motor “N” viene dada por:
190
Material móvil
La velocidad de un motor asíncrono viene dada por las expresiones:
El termino “Nr” en esta expresión es igual a “N” en la expresión
anterior.
191
Material móvil
 Según las expresiones anteriores la velocidad de un motor asíncrono
viene controlada en función de los parámetros siguientes:

El número de pares de polos.

El deslizamiento.

Tensión estatórica (variación del par).

Variación de las características rotóricas (rotor bobinado).

La frecuencia.
192
Material móvil
 Regulación de la velocidad. Variación del número de par de
polos.
 En los motores de jaula de ardilla el número de polos del rotor se
adapta al número de pares de polos del estator.
 Por lo tanto disponiendo varios devanados en el estator con
distinto numero de polos o uno o varios devanados de polos
conmutables, es posible obtener motores que según el caso giren
a velocidades distintas próximas a las velocidades de sincronismo
correspondientes al número de polos del devanado activo en todo
momento del rotor.
 Regulación de la velocidad. Deslizamiento.
 Variación (disminución) de la tensión estatórica: con este
procedimiento también se reduce el par ya que este varia de
forma cuadrática con la tensión. Una exclusiva de los motores
asíncronos con rotor devanado, consiste en modificar las
características rotóricas, insertando escalones de resistencias en
el rotor.
193
Material móvil
 Variando las características rotóricas.
 Este método es exclusivo de los motores asíncronos con rotor
bobinado. Consiste en modificar las características rotóricas,
insertando escalones de resistencias a través de unos anillos
rozantes, donde están conectados los devanados del rotor.
 Estos devanados están formados generalmente por devanados
trifásicos de corriente alterna, distribuidos en las ranuras de un
núcleo laminado y cuyos extremos se unen por un lado del rotor en
estrella y por el otro lado se conectan a unos anillos aislados.
 En funcionamiento normal estos anillos están cortocircuitados, pero
también permiten insertar resistencias para limitar las intensidades
de arranque, mejorar las características del par y controlar la
velocidad.
194
Material móvil

Regulación de la velocidad. Frecuencia.
 Puede variarse la velocidad a par constante, manteniendo la
relación tensión/frecuencia constante, hasta una frecuencia
determinada que denominaremos frecuencia base 1, para la
cual la tensión alcanza su valor nominal.
 Puede continuarse incrementando la velocidad, disminuyendo
el par, pero manteniendo la potencia y la corriente constantes
durante un relativamente amplio margen de frecuencias
aunque incrementando el deslizamiento, hasta que no es
posible continuar manteniendo la corriente constante,
frecuencia base 2.
 Aún se puede aumentar más la velocidad, aunque con pares
muy reducidos, e intensidades que disminuyen con la
velocidad.
 En la zona de par constante, el flujo que genera el estator y
que concatena con el rotor, se mantiene constante a su
máximo
valor,
consecuencia
del
control
de
la
tensión/frecuencia, pero en la zona de potencia constante y en
la de altas velocidades disminuye, por lo que se habla en esa
zona de debilitamiento del flujo
195
Material móvil
196
Material móvil
 EL MOTOR ASINCRONO COMO GENERADOR.
 Cuando el motor asíncrono funciona como generador se corresponde
con velocidades superiores a la de sincronismo, lo que comporta
deslizamientos negativos. En este caso el par desarrollado por el
motor asíncrono se convierte en par de frenado respecto del rotor.
197
Material móvil
• Se puede disponer de un generador asíncrono trifásico
disponiendo, por ejemplo, acoplado a un motor de explosión. Se
conecta el motor trifásico a una red de distribución trifásica de baja
tensión y se arranca como motor asíncrono, este motor al estar
acoplado al motor de explosión arrastrará al mencionado motor de
explosión.
• El motor asíncrono llegara a una velocidad de régimen próxima a la
de sincronismo. A continuación se arranca el motor de explosión y
una vez que, debido al motor de explosión, el sistema supere la
velocidad de sincronismo, el motor asíncrono se convertirá en
generador, cediendo potencia activa al sistema eléctrico al que esté
conectado.
198
Material móvil
 Este sistema tiene las siguientes particularidades:
•
El generador asíncrono produce más potencia cuanto más
velocidad tenga el rotor.
•
El generador asíncrono no puede producir flujo por si mismo,
necesita una potencia reactiva (Q) para magnetizar el estator y
generar un flujo entre el estator y el rotor.
•
Esta potencia reactiva que necesita la absorbe de la red eléctrica
donde esta conectado.
•
En el caso que no estuviese conectado a una red eléctrica, se
tendría que generar esta potencia reactiva a través de
condensadores conectados con el generador en paralelo con la
salida/entrada.
199
Material móvil
 Una vez que el motor asíncrono hubiese cogido la velocidad de
hipersincronismo a través de otro motor de explosión, eléctrico o con
la inercia de frenado de un tren, se acoplaría a la red eléctrica donde
tiene que entregar la potencia activa que genera.
 En el caso de un tren, seria la de la red que se alimenta el tren en el
caso de corriente alterna. Cuando es corriente continua es igual, ya
que cualquier frecuencia se tendría que rectificar, aunque el sistema
de control de conexión/desconexión de los elementos de potencia se
haría con la misma frecuencia que cuando actúa de motor.
200
Material móvil
 Si la potencia activa que genera el generador asíncrono a través del
frenado del tren (inercia), no se pudiese consumir en la red de tracción
ya que no hubiese ningún tren para consumirla, se descargaría sobre
las resistencias rotóricas, que el tren lleva en el techo del coche motor,
las cuales disiparían esta potencia en calor.
 Esta situación se mantiene hasta que el tren va perdiendo velocidad y
llega un momento que pierde la efectividad este tipo de frenado a
velocidades muy bajas, en ese momento entra el freno neumático para
parar el tren.
201
Material móvil

Funcionamiento como freno de emergencia
 Este régimen de frenado se utiliza cuando se tiene que frenar el
tren lo antes posible. La maniobra se realiza invirtiendo dos fase
de las que alimentan los motores asíncronos, de tal manera que el
campo giratorio generado por el estator invierte su sentido de
marcha girando en sentido contrario del que esta girando el rotor
(frenado a contracorriente). El rotor va gradualmente
disminuyendo su velocidad hasta pararse.
202
Material móvil
 En el momento de pararse o un poco antes el motor se debe
desconectar de la red que lo alimenta, ya que de lo contrario el
rotor llegaría a moverse en sentido contrario que el sentido de la
marcha normal del tren. En este tipo de frenado se pueden producir
intensidades superiores a las del arranque, aunque a través del
inversor se suavizan estas intensidades.
 Normalmente en los trenes este sistema de frenado de emergencia
no se usa, ya que puede provocar averías muy importantes en los
motores de tracción.
 En los trenes se aplica el freno de emergencia a través del sistema
neumático de freno, que es mucho más efectivo, ya que vacía la
tubería principal de freno aplicando las mordazas de freno sobre
las ruedas o los tambores de freno situados sobre los ejes. Esto
evita que se puedan generar, como hemos dicho antes, averías
destructivas en los motores de tracción.
203
Material móvil
TRACCIÓN EN TRENES DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA
Llamamos “levitación magnética” al fenómeno por el cual un
determinado material puede levitar gracias a la repulsión existente entre
los polos iguales de dos imanes o bien debido a lo que se conoce como
“Efecto Meissner”, propiedad inherente a los superconductores.
Los supercondutores son capaces de rechazar un campo magnético que
intente penetrar en su interior, de manera que si acercamos un imán a
un superconductor, se genera una fuerza magnética de repulsión la cual
es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación
del mismo.
Un tren de levitación magnética es un vehículo que utiliza las ondas
magnéticas para suspenderse por encima del carril (algunos de estos
trenes van a 1 cm por encima de la vía y otros pueden levitar hasta 15
cm) e impulsarse a lo largo de un carril-guía.
204
Material móvil
El transporte de levitación magnética, o maglev, es un sistema de
transporte que incluye la suspensión, guía y propulsión de vehículos,
principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la
sustentación y la propulsión a base de la levitación magnética.
Sistema de funcionamiento del tren de levitación magnética de alta
velocidad
El funcionamiento del tren de levitación magnética de alta velocidad se
basa en los siguientes cuatro (4) principios:
•
•
•
•
Principio de levitación magnética
Principio de guía lateral
Principio de propulsión
Mecanismo de frenada
205
Material móvil
Principio de levitación magnética
La levitación en un tren maglev, se consigue mediante la interacción de
campos magnéticos que dan lugar a fuerzas de atracción o
repulsión, dependiendo del diseño del vehículo, es decir, según si el
tren utilice un sistema EMS (electromagnetic suspension o suspensión
electromagnética) o EDS (electrdynamic suspension o suspensión
electrodinámica).
• EMS
(electromagnetic
suspension
o
suspensión
electromagnética). En el caso del EMS, la parte inferior del tren
queda por debajo de una guía de material ferromagnético, que no
posee magnetismo permanente.
• EDS (electrdynamic suspension o suspensión electrodinámica).
Debido al Efecto Meissner la suspensión, por tanto, consiste en
que el superconductor rechazará las líneas de campo magnético
de manera que no pasen por su interior, lo que provocará la
elevación del tren.

206
Material móvil
EMS (suspensión
electromagnética).
EDS (suspensión
electrodinámica)
207
Material móvil
Principio de guia lateral
Los MagLev necesitan, además del sistema de levitación magnética un
sistema de guía lateral que asegure que el vehículo no roce el carril guía
como consecuencia de perturbaciones externas que pueda sufrir.

Principio de guía lateral
208
Material móvil
Principio de propulsión
Un tren MagLev es propulsado mediante un motor lineal. El
funcionamiento de un motor lineal deriva de un motor eléctrico
convencional donde el estator es abierto y “desenrollado” a lo largo del
carril-guía en ambos lados.

Esquema de un motor lineal en un tren Maglev
209
Material móvil
La propulsión, tanto en EDS como en EMS, se logra generalmente
mediante la utilización del LSM, linear synchronous motor o motor
lineal síncrono.
Este sistema de propulsión utiliza como estator un circuito de bobinas
sobre la vía, por el cual circula una corriente alterna trifásica controlada.
El rotor está compuesto por los electroimanes del tren, en el caso de un
EMS, o las bobinas superconductoras en un EDS.
El campo magnético que crea la corriente alterna del estator interactúa
con el rotor (electroimanes o bobinas superconductoras) creando una
sucesión de polos norte y sur que empujarán y tirarán del vehículo hacia
delante, como muestra la figura siguiente.
.
210
Material móvil
Propulsión de un tren Maglev
Este campo magnético (también llamado "onda magnética") viajará junto
al tren a través del carril-guía, permitiéndole a este acelerar.
El rotor viajará a la misma velocidad que el campo magnético. La
regulación de la velocidad del tren se logra bien regulando la
frecuencia de la onda magnética (variando la frecuencia de la corriente
alterna) o bien variando el número de espiras por unidad de longitud
en el estator y el rotor.
211
Material móvil
Una característica importante de este sistema es que la energía que
mueve al tren no la provee el mismo tren, sino que esta es proveída por
las vías. Esto permite evitar un malgasto de energía fraccionando la vía
en secciones, de manera que cada una tenga su alimentación, de esta
manera solamente estarán activos aquellos tramos de la vía por los que
en ese momento esté transitando el tren.
Suministro de energía a la vía
212
Material móvil
Mecanismo Frenado
El frenado del tren maglev se consigue, como la propulsión, gracias al
motor lineal.

Esto se logra invirtiendo la polaridad de la corriente trifásica en la
vía (estator) de manera que se cree una fuerza en sentido contrario al
avance del tren.
Bajo condiciones normales, la desaceleración límite sería la misma que
la aceleración límite: 1,8 m/s2 (este límite de aceleración se escoge de
manera que no sea molesto para los pasajeros).
En condiciones de emergencia, el motor lineal puede desacelerar al tren
a 3,5 m/s2 aproximadamente.
213
Material móvil
En un tren con EMS, en condiciones normales, este deja de levitar
cuando su velocidad se aproxima a los 10 Km/h (esto se hace de
manera voluntaria, ya que con suspensión EMS el tren puede
mantenerse levitando aún estando parado). En ese momento se
desprenden unos patines incorporados al tren, con un coeficiente de
fricción determinado, que hacen que el tren se detenga por completo.
En un tren con EDS, el tren dejará de levitar también aproximadamente a
unos 10 Km/h (aunque no de manera voluntaria), momento en que las
ruedas neumáticas entran en funcionamiento y el tren utiliza entonces
frenos hidráulicos para detenerse.
214
Material móvil
Ventajas
•
•
•
•
•
de un tren Maglev
Única resistencia es el aire.
El motor se encuentra en la vía y no en el tren.
Genera una contaminación acústica mucho menor pues no existe
el roce entre la rueda del tren y el carril.
Consumo de energía es mucho menor que en un tren
convencional.
También al poseer guías laterales el descarrilamiento es muy
poco probable.
Inconvenientes
•
•
•
Alto precio de construcción
No hay compatibilidad con las vías actuales de trenes, por lo que
se requiere construir nuevas vías.
Debido a que el tren debe levitar, es poco recomendado para el
transporte de carga pesada.
215
Material móvil
216
Material móvil
EQUIPOS DE FRENO
SHINKANSEN, Nozomi, Serie 217
500
Material móvil
CARACTERÍSTICAS DEL FRENADO
El frenado consiste en la aplicación de un esfuerzo de tracción negativo
al tren:
 Como una maniobra en marcha para detención o reducción de
velocidad (Servicio).
 Como una parada de emergencia (demandas de seguridad
mayores que para el servicio).
El esfuerzo de frenada se aplica, generalmente, a todas las ruedas del
tren como si todas fueran motrices temporalmente, haciéndo un uso
máximo de la adherencia disponible.
Teoricamente el valor límite de deceleración que se obtiene de este
modo es mg donde “mes el valor límite del coeficiente de rozamiento en
el contacto rueda-carril y “g” es la constante de gravitación.
218
Material móvil
Con esto tendríamos un valor de 2,5 m/s2. No obstante, por motivos de
seguridad del pasaje es preciso llegar a una solución de compromiso
fijándose este en valores en torno a 1,2 m/s2.
VALOR LÍMITE DE DECELARACIÓN
Aplicando la ecuación de la dinámica al sistema del tren completo se
tiene:
Ff = M.ax
por otro lado tenemos:
P = M.g
Siendo M la masa de todo el convoy y P el peso del mismo. Uniéndolas
se tiene que:
ax= g Ff /P (1)
219
Material móvil
Siendo Ff el esfuerzo de frenada que se aplica a un tren, que viene
limitado por la adherencia, siendo su valor máximo posible expresado
por la fórmula:
Ff  mP (2)
Igualando y despejando las ecuaciones (1) y (2) resulta:
ax  mg
Como tenemos valores de m = 0,20 se llega a que la deceleración
máxima que puede alcanzarse es de 2 m/s2.
La velocidad de los trenes se ve limitada prácticamente por las
prescripciones de frenado (p.e. Un tren a 100 km/h tardará del orden de
14 s en detenerse).
220
Material móvil
TIPOS DE FRENO VEHÍCULO FERROVIARIO
 Neumático
 Zapata: De adherencia. Actúa directamente sobre la superficie de
rodadura. Deteriorio de la misma para v>120 km/h
 Disco: De adherencia. Disco colocado en el propio eje (hasta 3
discos en alta velocidad). Aumentan el peso no suspendido. A
más velocidad, más discos. Para v>230 km/h desgaste excesivo.
 De motor
 Reostático: Los motores funcionan como generadores de energía.
Convierten la energía cinética en energía eléctrica y
posteriomente en energía calorífica que hace disminuir la
velocidad del tren. Solo para ejes motores eléctricos donde
aprovechan la energía del motor.
 Recuperación: Transforman la energía cinética del tren en energía
eléctrica reenviándola a la red. Caso de trenes de cercanías y de
fuertes pendientes.
221
Material móvil
• Existen otros tipos de frenos: patín electromagnético de Foucault,
hidráulicos, etc. Es de interés señalar que muchos vehículos están
equipados con más de un tipo de freno.
• En cuanto a la diferencia de tipo de frenos entre vehículos
convencionales y de Alta Velocidad, cabe destacar que en este
aspecto no existen grandes diferencias. Ambos tipos de vehículos
están dotados normalmente de un combinación de estos frenos:
neumático (de zapata para convencionales y de disco para Alta
Velocidad), reostático y de recuperación.
• Sí que se encuentran diferencias en cuanto a la potencia de
dichos frenos. Hay que tener en cuenta que a mayor velocidad de
circulación, mayores distancias de parada, siendo necesaria, por
tanto, una potencia de frenado mayor.
222
Material móvil

FRENO NEUMÁTICO.
Los frenos de un tren sirven para moderar su velocidad, asegurar su
detención y garantizar la inmovilidad del Material Móvil en plena vía o
durante el estacionamiento.
Además, las normas de la UIC establecen que los sistemas de freno
deben satisfacer las siguientes características:
Moderabilidad.- Cualidad del equipo de freno, tal que tanto el apriete
como el afloje se apliquen de forma gradual y escalonada.
Inagotabilidad.- Cualidad del equipo de freno que permite a este frenar
y aflojar repetida y consecutivamente sin que la presión de los cilindros
de freno quede por debajo de su valor máximo prescrito.
Sensibilidad.- Cualidad del equipo de freno que le permite discernir entre
lo que son órdenes de freno y lo que son fugas del circuito neumático,
ante las que no reaccionara frenando.
223
Material móvil
REQUISITOS
DEL FRENO.
Las fuerzas durante el frenado se reparten de la manera siguiente:
224
Material móvil
P = Presión total de las zapatas sobre un eje.
Mk = Adherencia zapatas / rueda.
Q = Carga total del eje.
Ms = Adherencia rueda / carril.
Para que no se bloque el eje => P * Mk  Q * Ms
Condiciones de máximo frenado => P * Mk = Q * Ms
Esta condición es muy difícil de cumplir dado que los coeficientes de
adherencia zapatas/rueda y rueda/carril no se mantienen constantes.
225
Material móvil

COMPRESOR.
Para aumentar la presión del aire atmosférico se debe producir una
compresión mediante una máquina denominada Compresor.
El accionamiento del compresor, es decir, el trabajo de compresión,
necesita la ayuda de una maquina motriz eléctrica (motor asíncrono).
Toda instalación que haga uso del aire comprimido, estará compuesta
de los elementos básicos siguientes:
• Grupo de comprensión (motor, compresor, regulador, válvula de
seguridad, etc.)
• Refrigerador posterior (de agua o de aire/aire).
• Filtro separador (de agua, aceite y partículas)
• Secador (frigorífico, de absorción o adsorción)
• Deposito principal.
• Tuberías.
226
Material móvil
En toda instalación de aire comprimido se trata siempre de obtener un aire
lo más exento posible de contaminantes: agua, aceite, polvo, etc.
En los vehículos ferroviarios, el aire comprimido se utiliza para el frenado,
y para diversos accionamientos: elevación de pantógrafos, cierre de
contactores, accionamientos de servomotores, etc.
Instalación
característica de
producción de
aire comprimido
en un vehículo
ferroviario
227
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 Tipos de Compresores.
El equipo principal de una instalación de aire comprimido es el compresor;
existen una gran variedad de modelos y formas. Su misión es transformar
la energía mecánica procedente, generalmente, de un motor eléctrico o de
combustión interna, en energía neumática.
Esta transformación se consigue disminuyendo el volumen específico de
un gas (compresión).
Podemos distinguir dos grupos de compresores:
o Alternativos (de pistón).
o Rotativos
En nuestro caso explicaremos el compresor que normalmente están
instalados en los trenes, que es el compresor alternativo de pistón.
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o Compresores alternativos de pistón.
La compresión se obtiene por admisión de aire en un recipiente hermético,
donde se le reduce el volumen desplazando el embolo, pistón, a lo largo
de un cilindro.
Los compresores de pistón se pueden clasificar en sencillos o de doble
etapa.
Compresores sencillos.
Los compresores sencillos poseen una sola fase de compresión. En los
giros del cigüeñal se producen carreras de admisión y compresión,
controlados por la apertura y cierre de las válvulas correspondientes,
admisión o compresión.
En los compresores sencillos, la temperatura de salida del aire comprimido
alcanza los 180º
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El ciclo de admisión será: apertura de la válvula de admisión – carrera
descendente del pistón – llenado del cilindro con aire aspirado a presión
atmosférica (figura de la izquierda).
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El ciclo de compresión será; cierre de la válvula de admisión – apertura de
la válvula de compresión - carrera ascendente del pistón reduciendo el
volumen e inyectando el aire en la tubería de aire comprimido (figura de la
derecha).
Compresores de doble etapa.
En los compresores de doble etapa, el aire se comprime en dos etapas; en
la primera etapa el aire se comprime a 2 o 3 bar (baja presión) y, en la
segunda etapa, se comprime a 8 o 10 bar (alta presión).
En estos compresores existe un enfriador entre ambas etapas y la
temperatura de salida del aire comprimido se sitúa alrededor de 130º.
Este tipo de compresor de dos cilindros de compresión, hay uno para
comprimir a baja presión, siempre de mayor volumen, y otro para comprimir
a alta presión.
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Instalación característica de producción de aire comprimido en un
vehículo ferroviario
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**A continuación explicaremos la simbología del esquema anterior
para poder entenderlo.
Hemos explicado el compresor y continuamos hacia la derecha del
esquema.
Refrigerador posterior.
En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor
entra a presión, temperatura y grado de humedad ambiente. Al ser
comprimido se calienta transformándose esa humedad relativa en vapor de
agua. Por tanto, el aire comprimido que descarga el compresor lleva vapor
de agua que, al irse enfriando, se condensa en gotas.
Refrigerador posterior
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La temperatura característica de salida de un compresor de doble etapa, se
sitúa en torno a los 130ºC, la misión del “refrigerador posterior” es rebajar
la temperatura hasta unos 25 30ºC lo cual permite reducir en un 70 80%
el agua y aceite contenidos en la mezcla. El enfriamiento se consigue
utilizando como refrigerante una corriente de aire o agua.
Filtro de aire comprimido.
El aire comprimido refrigerado al entrar en
el filtro a través de una placa deflectora
entra en rotación. Las partículas de agua,
aceite o impurezas sólidas son lanzadas
contra la pared interior del depósito por el
efecto centrífugo.
235
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Estas impurezas caen en un depósito colector. El aire descargado de
humedad, aceite y partículas gruesas, por centrifugación, sale atravesando
un filtro que es capaz de retener partículas pequeñas. Es habitual el uso de
cartuchos filtrantes de 5 micrones, capaces de retener todas las partículas
mayores de 0,005 mm de diámetro.
Válvula de seguridad
La producción de aire comprimido se regulará de algunas de las maneras
que se explicarán a continuación; en previsión de posibles fallos de la
regulación se instala siempre una válvula de seguridad próxima a la salida
de alta presión del compresor.
Su funcionamiento es muy simple: el cierre permanece fuertemente
presionado sobre su asiento mediante un resorte cuya fuerza se regula por
medio de un tornillo, figura de la izquierda, y el aire atraviesa la válvula sin
que su presión sea capaz de actuar el cierre.
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Cuando la presión del aire sobrepasa el valor regulado de la válvula (10 a
11 bar en vehículos ferroviarios), la presión sobre la tapa vence la fuerza
del muelle, disminuyendo la presión a través de los orificios de escape,
figura de la derecha.
Al tratarse de un dispositivo de seguridad, deberá ser ajustado en el
servicio de neumática, situado en el taller de mantenimiento que le
corresponda a la unidad de tren, a un valor adecuado según normas del
fabricante de la válvula.
No se debe actuar sobre el dispositivo de regulación por personal no
autorizado, ya que el más leve giro del husillo puede variar grandemente la
fuerza ejercida por el resorte, impidiendo su normal funcionamiento,
poniendo en peligro la instalación y aún a las personas que trabajan en su
proximidad.
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 Secador
El aire comprimido, una vez refrigerado y filtrado aún contiene humedad;
la circulación de aire húmedo por las tuberías ocasiona daños en los
elementos neumáticos. En los vehículos ferroviarios parte de esos
elementos intervienen en el frenado del tren lo que obliga a extremar las
precauciones.
Como se vio anteriormente, la aspiración y compresión del aire
atmosférico produce agua en la instalación de aire comprimido. La
cantidad de agua depende de la humedad relativa del aire, dependiendo
ésta de la temperatura y presión del mismo.
Cuando se sobrepasa la humedad relativa del aire, aparece agua en
forma de gotas; una parte importante de esa agua se elimina con el
enfriado previo y el filtro separador.
No obstante, aire a 40-50oC puede contener hasta un máximo de 50-79
gr de agua por m3.
239
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A partir de esa cantidad se iría desprendiendo en forma de gotas. Para
eliminar esa humedad se utilizan los siguientes procedimientos:
• Secado por absorción, se trata de un procedimiento puramente
químico. Absorber: Atraer un cuerpo y retener en su seno las
moléculas de un liquido o gas con el que se encuentra en contacto.
• Secado por adsorción, se trata de un procedimiento físico. Adsorber:
Atraer un cuerpo y retener en su superficie moléculas o iones de otro
cuerpo en estado liquido o gaseoso.
Secadores de absorción
Consisten en un recipiente que contiene una masa de secado a través de
la que se hace circular el aire comprimido, la masa de secado se va
mezclando con el agua y precipita en un depósito inferior. El producto
absorbente se consume y debe ser repuesto periódicamente.
240
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Secadores de adsorción
El material de secado es un producto granuloso, la superficie porosa de
los granos se llena de agua al pasar el aire comprimido.
Se suele emplear dióxido de silicio.
No requiere reposición periódica, pero se debe cambiar cada dos o tres
años de uso en condiciones normales.
El caudal principal de aire se hace circular a través del material
adsorbente de una u otra torre de forma alternativa, mientras que por la
otra, se hace pasar una pequeña corriente de aire seco en sentido
inverso para su regeneración.
Normalmente, las electroválvulas conmutan la circulación por las torres a
cada ciclo de trabajo del compresor.
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 Depósito Principal.
El aire filtrado y secado se almacena en un depósito cuya finalidad es:
 La estabilización del aire comprimido.
 Compensar las caídas de presión en la red durante el consumo.
 Contribuir al enfriamiento del aire almacenado.
 Separar en su fondo el agua condensada tras el enfriamiento.
Dado que el depósito acumula agua en su parte inferior, siempre se le
dota de un sistema de purga.
 Filtro de salida del depósito principal
Con el fin de mejorar la calidad del aire, se suele instalar otro filtro a la
salida del depósito, garantizando y complementado, el tratamiento de las
torres de secado y filtro centrífugo.
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 Regulador del compresor
Un interruptor accionado por presión, conmuta sus contactos al alcanzar
el aire comprimido almacenado en el depósito un determinado valor,
ocasionando el cese de la producción del compresor y lo conecta,
nuevamente, al descender de otro valor prefijado (son valores usuales de
desconexión: 9 a 10 bar; y de conexión: 8 a 9 bar).
El cese de la producción se obtiene por:
 Parada del motor de accionamiento, con motores eléctricos de
corriente continua o asíncronos de alterna trifásica.
 Puesta en escape del compresor a la atmósfera, mediante una
válvula de descarga, en compresores accionados por motores
térmicos o eléctricos síncronos.
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Llave de cierre del depósito principal
A la salida del depósito, y nunca antes del circuito de regulación, se instala
una llave de cierre que permite conservar el aire almacenado en el
depósito durante las paradas del vehículo.
Alimentación de aire comprimido para la puesta en marcha del tren.
En los vehículos eléctricos existen ciertos elementos accionados mediante
aire comprimido, cuyo funcionamiento durante el arranque resulta esencial
(pistones de elevación de pantógrafos, servomotores de accionamiento de
cuchillas, disyuntores de cierre electro neumático, etc).
Depósito de reserva
Es un depósito de volumen suficiente para alimentar los circuitos básicos
de arranque cuando se encuentran vacíos los depósitos principales,
siempre que antes de parar el vehículo se haya tenido la precaución de
llenarlo a presión máxima, 9 a 10 bar; y después cerrar su llave.
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Instalación de aire comprimido en un tren
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 Compresor auxiliar
Se trata de un pequeño compresor cuyo motor funciona alimentado con
corriente de batería; se instala en previsión de la falta de aire comprimido
en los depósitos principales durante la puesta en marcha del tren.
Una segunda válvula de retención intercalada entre el depósito de reserva
y el compresor auxiliar, impide que el aire producido por el compresor
auxiliar trate de llenar el depósito de reserva. De esta forma, toda la
producción del compresor auxiliar se emplea para el arranque, evitando un
consumo innecesario de batería y un calentamiento excesivo del
compresor.
El circuito del compresor auxiliar dispone de su propia válvula de
seguridad (generalmente graduada a 6 o 7 bar), y de su propio equipo de
regulación: interruptor de presión y llave de cierre con escape.
La válvula de retención instalada a la salida impide que el aire de alta
presión acceda al compresor auxiliar.
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 Manómetros
En el circuito se ha representado un manómetro para control visual de la
presión de reserva.
 Válvula reguladora de presión
Los elementos básicos de arranque requieren aire comprimido a presión
limitada entre 3,5 y 5bar; en el circuito de la figura se representa una
válvula reguladora de presión a la salida de la tubería de alimentación
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APLICACIONES DEL AIRE COMPRIMIDO EN VEHÍCULOS
FERROVIARIOS
Hasta ahora hemos visto los elementos básicos que conforman una
instalación de producción de aire comprimido en un vehículo ferroviario y
se han apuntado algunos de sus usos.
No es posible realizar una enumeración genérica y universalmente válida
de estos, no obstante trataremos de hacer una aproximación indicando el
tipo de vehículos que pueden contar con un determinado dispositivo
neumático.
Los actuadores neumáticos desarrollan su trabajo por medio de pistones,
servomotores, motores rotativos, etc.; en los vehículos ferroviarios
podemos encontrarlos, de una u otra forma, en:
• Elevación de pantógrafos: locomotoras y automotores eléctricos.
• Selección de red: locomotoras y automotores eléctricos.
• Cierre de disyuntores: locomotoras y automotores eléctricos.
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• Servomotores de accionamiento de inversores de transmisión
mecánica: locomotoras y automotores diesel.
• Pistones de mando de embrague: automotores diesel.
• Pistones de mando de cajas de cambio de velocidades: automotores
diesel, algunas locomotoras eléctricas.
• Pistones de desenganche automático: automotores de todo tipo.
• Servomotores para limpiaparabrisas: toda clase de vehículos.
• Bocinas.
• Maniobra y soplado de extinción de contactores: locomotoras y
automotores eléctricos.
• Servomotores de accionamiento de contactos eléctricos: locomotoras
y automotores.
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• Servomotores de accionamiento de puertas automáticas:
automotores y coches de viajeros.
• Suspensión neumática: automotores y composiciones indeformables
de viajeros.
• Engrasadores de pestañas: vehículos motores en general.
• Descarga de WC: automotores y coches de viajeros.
• Eyectores de arena: vehículos motores en general.
• Freno: toda clase de vehículos motores o remolcados.
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Esquema sinóptico de la instalación neumática de una locomotora
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Vemos que la producción de aire comprimido se almacena en el
depósito principal y se distribuye a lo largo del vehículo a través de la
tubería de los depósitos principales (TDP), a partir de ésta, mediante
diversas tomas se hace llegar el aire a los diversos consumidores, de
los que destacamos el panel de mando del freno automático y el de
freno directo.
Cada uno de los diversos consumidores conectados a la TDP disponen
de una válvula de cierre que permite aislarlos de la tubería general en
caso de avería, generalmente serán llaves dotadas de vía de escape a
la atmósfera, orientada hacia el lado del consumo.
El panel de mando del freno automático gobernará la tubería de freno
automático (TFA), de la que se alimentan los distribuidores de freno. El
depósito auxiliar de freno se alimenta directamente de la TDP en los
vehículos motores, si bien puede ser alimentado desde la TFA, como
sucede en coches y vagones.
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 TUBERIA DE FRENO AUTOMÁTICO (TFA)
Es una conducción que garantiza la continuidad del freno neumático del
tren; a través de ella se envía aire comprimido a lo largo de toda la
composición, que se acumula en unos depósitos y aporta la energía
necesaria para el frenado.
La Tubería de Freno Automático (TFA) se debe gobernar siempre desde
un único panel de mando, mediante el cual se introduce el aire
comprimido.
La evacuación del aire comprimido a la atmósfera, ocasiona la aplicación
de freno en todos los coches o vagones del tren.
Las órdenes de freno se dan desde el panel de mando, o cabeza de freno,
desde válvulas de emergencia o por simple rotura de la tubería.
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 Distribuidor de freno
El elemento básico del freno neumático por tubería UIC es el
distribuidor de freno; a través de él se almacena aire comprimido en un
depósito auxiliar de freno, convirtiendo las variaciones de presión en la
TFA en esfuerzos proporcionales de freno. Los distribuidores de freno
garantizan que el freno automático sea moderable en el apriete y el afloje
e inagotable.
 Timonería de freno.
El desplazamiento del pistón del cilindro de freno se hace llegar a la
zapatas o guarniciones, que finalmente entrarán en contacto con las
llantas de la ruedas o con los discos provocando un rozamiento que
transformara la energía cinética y potencial del tren en energía calorífica.
Eso se hace mediante conjuntos de palancas y tirantes que transmiten la
energía del pistón a las zapatas denominados timonería de freno. En los
bloques de freno todos los elementos son internos.
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 Mando de freno
Para gobernar el freno automático mediante TFA se precisa un
dispositivo capaz de introducir aire comprimido a presión de 5 bar y
evacuarlo a la atmósfera de forma controlada.
Existen diversos procedimientos, a saber:
 Cabezas de freno, de naturaleza mecánico-neumática, apenas
utilizadas en la actualidad salvo en cabinas auxiliares y líneas de
segundo freno.
 Paneles de control electroneumático, gobernados mediante
electroválvulas.
Ambos sistemas permiten ser manejados por mandos de posición o
tiempo. Existen otros sistemas de control del freno neumático que no
están basados en el uso de la TFA.
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En la actualidad, en España se exige que todos los trenes vayan
equipados con TFA, aunque sea como segunda línea de freno;
ciertamente eso facilita su remolque en caso de avería.
Mando de freno electroneumático U.I.C.
Uno de los problemas más importantes que tiene el distribuidor de freno
son los de sincronización que estos presentan en trenes de gran longitud.
Por ese motivo, se ha desarrollado un sistema de accionamiento rápido
que solventa este problema. El sistema adoptado es muy simple, consiste
en dos electroválvulas de mando directo situadas en cada uno de los
coches o vagones.
El gobierno de estas electroválvulas se realiza mediante una línea de
mando compuesta por cuatro hilos eléctricos que recorre toda la
composición.
262
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Los hilos de mando son: positivo de freno, positivo de afloje, retorno y
negativo.
Cuando la orden es de aflojar, se alimenta con positivo el hilo
correspondiente. Todas las electroválvulas de afloje reciben
alimentación y el llenado de la TFA se producirá a través del panel de
mando de freno y de todas las electroválvulas de afloje. Se obtiene
así un llenado más rápido y uniforme, la anterior figura del panel de
mando iniciando la frenada muestra esa situación. Análogamente,
cuando la orden es de frenar, se alimenta con positivo el hilo
correspondiente. Todas las electroválvulas de freno reciben
alimentación y aceleran el vaciado de la TFA conectándola a la
atmósfera.
Una interrupción en la línea de mando ocasionará una pérdida de
retorno que será interpretada como avería y advertida al maquinista
de alguna manera, ver figura en posición de frenar.
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 Equipo de antideslizamiento
Como ya se dijo al principio, la máxima eficacia del freno sólo puede ser
obtenida cuando el tren posee un dispositivo que permite controlar la
presión de las zapatas ajustándola al estado de adherencia.
La siguiente figura muestra uno de estos equipos.
Cada eje dispone de un tacogenerador compuesto por una rueda fónica y
un sensor magnético de modo que una unidad electrónica de
antideslizamiento recibe información del giro de cada eje.
Dicha unidad gobierna unas electroválvulas de actuación rápida, capaces
de bloquear la alimentación de aire comprimido a cada cilindro de freno y
de evacuar de la presión.
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Durante el frenado, la unidad de antideslizamiento compara las lecturas
de todos los ejes y las contrasta con unas pautas de deceleración
predefinidas.
Si alguno de ellos retrasa su giro, interrumpe la alimentación de aire
comprimido al cilindro de freno correspondiente y, en el instante
siguiente, si persiste el bloqueo, purga parcialmente el cilindro.
Una vez normalizada la situación permite nuevamente el paso de aire a
presión máxima.
Las modernas unidades electrónicas basadas en microprocesadores, son
capaces de detectar el bloqueo simultáneo de todos los ejes y de
corregirlo liberando completamente uno de ellos.
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 FRENOS COMPLEMENTARIOS
Los frenos complementarios se usan para reforzar, o sustituir parcialmente,
el frenado automático y regular la velocidad en perfiles descendentes. Se
puede establecer una clasificación de los mismos en:
 Moderables:
- Eléctricos.
- Hidráulicos.
- Magnéticos de corrientes de Foucault.
 No moderables:
- Magnéticos
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Frenos eléctricos
Pertenecen a este grupo aquellos que utilizan los motores de tracción,
como generadores de corriente continua o como alternadores, cuando
ejecutan la frenada del tren, y son utilizados en vehículos eléctricos o
diesel/eléctricos.
Cuando el vehículo motor o el tren circulan por efecto de la inercia, se
desarrolla una potencia mecánica y las ruedas motrices transmiten un
movimiento de giro a los inducidos de los motores (motores de corriente
continua) o los rotores (motores de corriente alterna).
Si en ese momento se alimentan los devanados inductores de los
motores de tracción, estos trabajarán como dinamos en el caso de los
motores de corriente continua, o como alternadores en el caso de los
motores asíncronos de corriente alterna.
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Para que los motores asíncronos puedan trabajar como alternadores, es
preciso crear una corriente alterna de frecuencia variable e inferior a la de
sincronismo, mediante onduladores o inversores de potencia.
La energía eléctrica producida se opone al movimiento de giro de los ejes
del tren, ejerciendo así un esfuerzo de frenado.
Se denomina freno eléctrico a aquel que utilizando los motores de
tracción como generadores o alternadores, convierte la energía cinética o
potencial, o ambas simultáneamente, en energía eléctrica.
La oposición al movimiento de giro es tanto mayor cuanto más elevada
sea la producción de corriente eléctrica, graduando esta producción se
obtiene un freno moderable y progresivo que resulta útil en una amplia
gama de velocidades, evitando desgastes innecesarios de las zapatas y
el calentamiento de las llantas.
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Frenos hidráulicos
Los frenos hidráulicos (hidrodinámicos) son propios de vehículos diesel
con transmisión hidráulica, y también mecánica en los que una carcasa de
freno contiene una turbina conectada a la transmisión que gira enfrentada
a otra fija.
De forma esquemática el principio de funcionamiento de los frenos
hidrodinámicos se basa en que mediante una bomba se mantiene un flujo
constante de aceite entre ésta y la válvula reguladora.
La introducción de una cierta cantidad de aceite en la carcasa de freno de
la transmisión hidráulica generará una fuerza de frenado proporcional a la
cantidad de aceite.
270
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Consideraciones comunes a los frenos eléctricos e hidrodinámicos
Los frenos dinámicos, basan su eficacia en la adherencia rueda/carril de
los ejes motrices, resultando, por tanto, en algunos casos incompatibles
con el uso del freno neumático sobre los mismos ejes.
Los vehículos actuales incorporan dispositivos adicionales que
constituyen unidades electrónicas de control de freno y
antideslizamiento, como por ejemplo centrales informáticas de control de
freno, blending, etc. que permiten, mediante la lectura continua del
estado de giro del eje con tacogeneradores, aplicar de forma mixta freno
eléctrico y neumático, obteniendo así una máxima eficacia sin llegar a
bloquear el eje.
Su accionamiento depende de cada vehículo, siendo habitual disponer
de un mando, generalmente el mismo regulador tracción/freno,
denominado freno de servicio, para su uso manual.
271
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También se suele producir de forma automática en respuesta a cualquier
demanda de freno neumático del tren, denominándose freno conjugado.
En algunos vehículos, tanto su uso manual como automático inhibe el
freno neumático sobre los ejes afectados.
En otros vehículos, el freno dinámico se complementa de forma
automática con freno neumático cuando decrece la eficacia del primero.
Y como se ha comentado al principio, en otros vehículos la gestión del
freno depende del esfuerzo de consigna requerido, fijando el freno
dinámico como preferente y complementándolo con el neumático cuando
así se requiera.
272
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Freno magnético por corrientes de Foucault
Se trata de una versión ferroviaria de los retardadores eléctricos
empleados en vehículos pesados de carretera, que se han ensayado en
diversos países: Japón, Alemania, Francia, etc., pero nunca en España.
Consisten en un estator formado por electroimanes y un rotor de metal
permeable al electromagnetismo que gira próximo pero sin contacto con
el estator. El rotor gira accionado por el movimiento del vehículo a través
de la transmisión.
Los electroimanes del estator se energizan de forma gradual atendiendo
a la demanda del conductor, se obtiene así una potente fuerza de
frenado sin rozamiento ni desgaste utilizando el principio de frenado por
corrientes de Foucault.
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INDUCTOR
INDUCIDO
274
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En su uso ferroviario se han utilizado dos versiones:
• una rotativa que emplea las ruedas del tren como disco rotor
sometiéndolas a la acción de unos potentes electroimanes;
• otra lineal que utiliza los carriles como cierre del circuito
magnético de unos electroimanes instalados sobre largueros
paralelos y próximos al carril, en que los electroimanes se
montan alternando sus polaridades.
Ambos sistemas proporcionan un freno moderable, si bien con
comportamiento distinto en función de la velocidad y comparten el
inconveniente de introducir una apreciable masa no suspendida en el
bogie.
El sistema lineal, además, eleva de forma apreciable la temperatura de los
carriles y puede ser causa de interferencias en algunos sistemas de
señalización.
275
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 FRENOS DE ESTACIONAMIENTO.
Los frenos de estacionamiento se usan para mantener detenido el tren
una vez que el freno automático pierde su eficacia; eso se puede
conseguir de diversas maneras, distinguiremos dos formas básicas:
 Frenos de mano.
 Frenos de resorte acumulador.
Ambos procedimientos actúan sobre las timonerías de freno de forma
manual o automática.
Frenos de mano
Habitualmente consisten en un husillo o en un cabrestante que, mediante
un enlace rígido o flexible (cadena, cable de acero, etc), tensa la
timonería de freno por actuación manual sobre un volante, manivela, o
palanca.
276
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Accionando la manivela se hace girar un husillo ocasionando el
desplazamiento longitudinal de un casquillo roscado al que unas guías
impiden rotar. Mediante el giro a derechas el desplazamiento de dicho
casquillo tensa la timonería (ver la figura).
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Para acceder a las timonerías instaladas en vehículos dotados de freno de
discos, se hace preciso acceder de forma elástica a un dispositivo de
tensado instalado en el bogie, recurriendo en ocasiones a sistemas
hidráulicos como el representado en las figuras siguientes.
279
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Encontramos en el interior del tren: un depósito de aceite, una válvula de
distribución, una bomba de aceite de accionamiento manual y un
manómetro para comprobación; y en el bogie un motor hidráulico con un
mecanismo de husillo.
El sentido de accionamiento de la bomba de aceite es único y se obtiene
mediante el giro a derechas de una manivela; el motor, sin embargo, es
reversible y girará hacia un lado u otro en función de la posición
seleccionada en la válvula distribuidora, el giro transmitido por el motor al
husillo apretará o aflojará las mordazas del freno.
Mediante el manómetro se puede observar la eficacia del bombeo.
Normalmente el equipo se complementa con unos contactos eléctricos de
final de carrera del husillo, que permiten determinar, mediante el
encendido de unas lamparitas, el estado de apriete o afloje del freno.
280
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Freno de estacionamiento hidráulico AFLOJANDO
281
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 BLOQUES DE FRENO
Cada vez son más comunes los bloques de freno en ejes motrices de
vehículos motores; estos equipos agrupan en una unidad compacta para
fijar en el bogie: el cilindro de freno, la palanca multiplicadora, el regulador
de desgaste y el portazapatas.
Bloques de freno con muelle acumulador
Algunos modelos de bloque de freno disponen de una cámara adicional
dotada de un muelle acumulador que mantiene apretado, de forma
mecánica, el freno en ausencia de presión de aire comprimido.
Otros poseen una palanca que permite el tensado de la timonería
mediante un cable de acero, de forma similar a la vista anteriormente.
Se ha dejado su estudio para este momento dado que las unidades
dotadas de muelle acumulador para freno de estacionamiento presentan
ciertas particularidades que conviene conocer.
282
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Su funcionamiento normal resulta muy sencillo y presentan la ventaja de
aplicarse de forma automática en ausencia de presión de aire comprimido
en el vehículo.
Las figuras siguientes dan una idea aproximada del funcionamiento de uno
de esos bloques, aunque se ha simplificado el mecanismo de enlace entre
el freno neumático y el mecánico para facilitar su comprensión.
Bloque de freno
con resorte
acumulador en
posición de
AFLOJE total
283
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En la figura anterior no existe presión en el cilindro de freno, freno
neumático aflojado y sí en la cámara del resorte acumulador (representado
en color naranja), el muelle está comprimido y, por tanto, no existe freno
mecánico. Los frenos de estacionamiento de muelle acumulador se aflojan
inyectando aire comprimido en el cilindro correspondiente.
Bloque de freno con
resorte acumulador en
posición de freno
neumático APRETADO
284
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La figura anterior muestra la situación de freno neumático apretado (el
aire en el cilindro de freno se ha representado en color azul) y el resorte
se encuentra comprimido. El mecanismo de empuje del cilindro de freno
es concéntrico al mecanismo de tracción del muelle. El cilindro de freno
dispone de un muelle de recuperación.
Al desaparecer la presión de aire en ambas cámaras, la del cilindro de
freno y la del muelle acumulador, la distensión del muelle acumulador
arrastra el mecanismo de aplicación del cilindro de freno y mantiene
apretado el freno mediante la energía acumulada en el resorte.
Ver figura siguiente.
285
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Bloque de freno con resorte acumulador en posición de freno mecánico apretado
286
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Muchas Gracias
[email protected]
287
Ahora Sí – Muchas Gracias
[email protected]
288
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BIBLIOGRAFIA
BIBLIOGRAFIA
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