Funcionamiento de una locomotora a vapor

Examinaremos los principales elementos de una locomotora a vapor, vemos en los diagramas en donde se muestra una de las potentes locomotoras que fueron el más importante medio de transporte en los albores del siglo XX, se ve que la caldera va asentada sobre una armadura que a su vez es sostenida sobre los ejes de las ruedas por el intermedio de muelles. Una armadura sólida de hierro colado conecta el extremo anterior de la caldera con el bastidor del vehículo y lleva también los cilindros de la máquina. En la figura se ha separado la pared del cilindro, para mostrar el pistón circular que se mueve hacia atrás y hacia adelante en el interior del cilindro. El vapor es admitido en el cuerpo de bomba por una válvula que obedece a la acción del maquinista. Dentro del cuerpo de bomba existe otra válvula, que no se muestra en la figura y que funciona por la acción de uno de los ejes, de modo que cuando el eje giro da entrada al vapor, primero hacia un lado del pistón y después hacia el otro, permitiendo que éste escape cuando ha obligado al pistón a pasar desde un extremo al otro del cilindro. El tallo del pistón se articula con una biela que a su vez actúa sobre un perno de una de las ruedas motrices, de forma que el  movimiento de vaivén del pistón y su tallo pone en movimiento a la biela y el desplazamiento de ésta hace que la rueda gire de la misma manera que el pedal de una máquina de coser y produce el movimiento rotatorio de su rueda motriz. Cuando la máquina lleva más de un juego de ruedas motrices, con objeto de obtener mayor contacto con la vía, todas las ruedas de un lado se hallan acopladas por medio de una barra lateral que las obliga a girar al unísono.

 

A cada lado de la locomotora funciona un cilindro con su pistón correspondiente acoplado al mismo juego de ruedas; pero las bielas de cada lado funcionan con un cuarto de vuelta de diferencia, de modo que las dos máquinas laterales nunca se encuentran al mismo tiempo al extremo de un golpe de pistón, y una de ellas, por consiguiente, está siempre en disposición de actuar sobre la locomotora. El mecanismo para hacer funcionar la válvula de admisión del vapor en el cuerpo de bomba permite el cambio de dirección del surtidor de vapor con objeto de invertir también la dirección del movimiento de la locomotora cuando se quiere que ésta marche hacia atrás.

 

En la figura anterior del diagrama se hallan suprimidas las ruedas, para mostrar cómo se soporta el gran peso de toda la máquina. La caldera, como se ha hecho notar, descansa sobre el bastidor. Este a su vez está suspendido de los muelles por medio de eslabones o anillos de enganche. Los muelles están sostenidos por soportes que, en forma de horquilla, van montados sobre el bastidor, y que descansan sobre los cojinetes del eje. Estos, finalmente, transmiten el peso a las ruedas, que a su vez descansan sobre los carriles. En las locomotoras americanas, en las que hay varios juegos de ruedas motrices, los extremos adjuntos de los muelles están conectados con los extremos opuestos de una palanca común, como se muestra en la figura, lo cual da mayor elasticidad a la conexión entre el bastidor y el eje. Esto permite a las grandes máquinas moverse sobre sitios no bien nivelados en la vía, sin necesidad de obligar al bastidor o a la caldera a sufrir un esfuerzo excesivo.

 

Cuando la locomotora es muy larga como la que se muestra en la figura debe ir provista de juegos de ruedas auxiliares en uno o en los dos extremos, y que se denominan respectivamente juego delantero y juego trasero. Algunas veces las locomotoras se hallan montadas en dos ruedas; otras veces, en cuatro, y el bastidor que lleva los ejes está dispuesta de modo que puede girar alrededor de un perno central, lo que permite a la locomotora salvar las curvas.

En la figura del diagrama se ha suprimido también una parte de la cubierta de la caldera, para mostrar la parrilla del hogar donde se quema el combustible y los tubos que llevan las llamas y los gases calientes desde dicho hogar a la caja de humos, al extremo anterior de la caldera, donde escapan por la chimenea. El agua que rodea los tubos y el hogar se convierte en vapor por la acción de los gases calientes y pasa al cuerpo de bomba; después de haber actuado allí, se le da salida por medio de un tubo que conduce a la chimenea, ocasionando un fuerte tiro a través de los tubos y del hogar, estimulando enormemente la combustión del carbón. Si no fuera por esto, la locomotora a vapor no sería tan potente como lo es, dado su tamaño.

 

Las partes principales de una locomotora son, por consiguiente, la caldera, el bastidor o armadura que la sostiene, las máquinas, o sean los cuerpos de bomba, con sus pistones y válvulas, y las ruedas motrices. Contrastando con algunas otras formas de la máquina de vapor, la locomotora es, comparativamente, sencilla, y a primera vista puede causar extrañeza el que haya tardado tanto en perfeccionarse. Debe recordarse que las condiciones en que trabaja son muy diferentes de aquellas en que operan las máquinas fijas y aun las que se usaron en la navegación. La razón es que las máquinas fijas siempre descansan sobre cimientos muy sólidos, y las marinas tenían también soportes bastante estables; pero la locomotora constituye un mecanismo total de unos 21 metros de longitud y cinco de altura que pesa más de 300 toneladas, con una caldera de cerca de tres metros de diámetro, conteniendo vapor a 200 libras de presión por pulgada cuadrada, montada sobre ruedas, separadas espacios de más de un metro, y marchando sobre un carril de acero , que, comparado con el tamaño de la máquina, aparece como una verdadera cinta, y que no sólo la locomotora descansa sobre la vía, sino que arrastra sobre ésta grandes pesos a mucha velocidad, subiendo y bajando pendientes, con más seguridad ciertamente y menos perturbaciones y cuidados que los que exigen la mayor parte de las máquinas.

1.2.3 TRACCION  DIESEL

La historia de la tracción diesel se remonta a los orígenes del motor de combustión interna, que es su principio fundamental. Fue en 1820 cuando un inglés, W. Cecil, concibe una idea semejante al motor moderno de combustión interna, utilizando como combustible una mezcla de hidrógeno y aire. Más tarde, en 1838, W. Barnett pensó en comprimir la mezcla de combustible antes de inflamarla. Será en 1860 cuando aparece el primer motor de combustión interna con encendido eléctrico.

Es el francés Beau de Rochas el que en 1862 inventa el ciclo de cuatro tiempos con compresión previa, viendo ya la posibilidad de autoencendido de una mezcla gaseosa inflamable. En 1872 el alemán Nicolás Otto hace funcionar por primera vez un motor térmico siguiendo el ciclo de cuatro tiempos de Beau de Rochas.

En 1880 Rudolf Diesel investiga la construcción de una máquina fija capaz de quemar petróleo bruto y que tuviera un sistema de encendido por compresión para la navegación y tráfico de carretera; hasta finales del siglo XIX no se aplicarán todos estos descubrimientos e investigaciones a la tracción ferroviaria, siendo los ingenieros alemanes Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach los que llevarían a cabo tal aplicación. 

En 1891, en Gran Bretaña, se aplica un motor Daimler de gasolina a una pequeña locomotora, pero será el motor inventado por Rudolf Diesel el que dará los más brillantes resultados en su aplicación a la tracción ferroviaria.

Diesel llegó al motor que lleva su nombre tras un largo período de estudio de la máquina de vapor, apreciando que gran parte de su energía no se transformaba en trabajo útil; fue entonces cuando concibió un motor que quemaba el combustible en el interior del cilindro, inflamándolo por medio del calor producido por la compresión del aire. El primer motor construido por Diesel con resultados positivos fue en 1897.

En 1912 se construyó, para los ferrocarriles del estado de Prusia, la primera locomotora diesel del mundo de gran potencia y fue a partir de entonces cuando se inicia el constante desarrollo de la tracción diesel. Hasta entonces el gran problema de la tracción diesel había sido la transmisión, el cual se solucionaría por medio de la aplicación de la transmisión eléctrica al motor diesel, propuesta por el profesor soviético Lomonosoff y que luego optaría él mismo por la transmisión mecánica en una nueva versión de una locomotora diesel en 1927. Por estos años la transmisión hidráulica aún no había salido de los laboratorios.

En Estados Unidos aparece en 1925 la primera locomotora diesel-eléctrica. En 1939 General Motors crea una nueva locomotora diesel capaz de remolcar pesados trenes de mercancías, obteniendo un gran éxito. A partir de entonces es cuando se produce el gran desarrollo de la tracción diesel en este país 
 

En Europa, debido principalmente al elevado coste de los carburantes, se opta por impulsar más la tracción eléctrica aunque será en Alemania donde en 1935 se construye la primera locomotora diesel-hidráulica de gran potencia, convirtiéndose en el punto de partida de las locomotoras diesel-hidráulicas que, en la actualidad, compiten con las diesel-eléctricas.


1.2.3.1 Evolución de la tracción diesel en España

Alrededor de los años treinta, debido a la crisis ferroviaria que sufren las compañías y a la competencia del transporte por carretera en España, se buscó minimizar los gastos de la explotación, sobre todo en líneas secundarias; una solución fue sustituir los antieconómicos trenes de vapor por otros de tracción diesel.

Los primeros intentos de introducir la tracción diesel en vía estrecha en España datan de 1908, mientras que para la vía ancha el motor de explosión se aplicó por primera vez en 1921.

La Guerra Civil pospuso el desarrollo de la tracción diesel en España hasta la década de los cincuenta. De esta manera, es a partir de los años sesenta, a través del Plan de Modernización de RENFE cuando se sustituirán progresivamente las locomotoras de vapor por las locomotoras diesel. La dieselización se va a producir en España a través de tres tipos de trenes: los tractores de maniobras, las locomotoras de línea y los trenes diesel de viajeros para servicios diurnos.

1.2.4 Ferrocarriles de océano a océano en los albores del Siglo XX. Las locomotoras eléctricas

Las locomotoras eléctricas existen desde finales del siglo XIX, pero el alto coste de la instalación y la juventud de la tecnología las relegaron a usos concretos como, por ejemplo, los grandes puertos de montaña de Suiza donde, aun a pesar del sobrecoste, daban mejores resultados que las locomotoras de vapor.

Las locomotoras eléctricas son aquellas que utilizan como fuente de energía la energía eléctrica proveniente de una fuente externa, para aplicarla directamente a motores de tracción eléctricos.

Las locomotoras eléctricas requieren la instalación de cables eléctricos de alimentación a lo largo de todo el recorrido, que se sitúan a una altura por encima de los trenes a fin de evitar accidentes. Esta instalación se conoce como catenaria, debido a la forma que adopta el cable del que cuelga el cable electrificado, que debe permanecer paralelo a las vías. Las locomotoras toman la electricidad por un trole, que la mayoría de las veces tiene forma de pantógrafo y como tal se conoce.

El coste de la instalación de alimentación hace que la tracción eléctrica solamente sea rentable en líneas de mucho tráfico, o bien en vías con gran parte del recorrido en túnel bajo montañas o por debajo del mar, con dificultades para la toma de aire para la combustión de los otros tipos de motor.

Una vez desarrollada una línea ferroviaria para la circulación de vehículos eléctricos, hace que la elección de este tipo de tracción sea el más económico, el menos contaminante y el más rápido. En los años 1980 se integraron como propulsores de vehículos eléctricos ferroviarios los motores asíncronos, y aparecieron los sistemas electrónicos de regulación de potencia que dieron el espaldarazo definitivo a la elección de este tipo de tracción por las compañías ferroviarias.

Las dificultades de aplicar la tracción eléctrica en zonas con climatología extrema hace que las compañías y gobiernos se inclinen por la tracción diésel. La nieve intensa y su filtración por ventiladores a las cámaras de alta tensión originan derivaciones de circuitos eléctricos que desaparecen al secarse adecuadamente el circuito, pero que dejan inservibles estas locomotoras mientras dure el temporal. Las bajas temperaturas hacen que el hilo de contacto de la catenaria quede inservible durante minutos o meses, ya que este tipo de locomotoras requiere actualmente una conexión constante sin pérdidas de tensión. 

1.2.5 Los ferrocarriles en la comunicación entre el Océano Atlántico y el Océano Pacífico

La primera vía férrea que unió el Atlántico y el Pacífico fue el ferrocarril de Panamá que se terminó en 1855. Verdaderamente dicha vía transporta al viajero desde un gran océano a otro, y acaso le da a aquél algo de la emocionante impresión experimentada por Balboa cuando él, primer hombre blanco que lo vio, contempló desde la cresta de una montaña las azules aguas del Océano Pacífico. Pero, comparada con los demás ferrocarriles, esta vía férrea fue una construcción en miniatura, pues sólo tenía 76 kilómetros de longitud. Parece extraño, sin embargo, recordar que hasta que tal vía fue construida, las gentes tenían que ir desde los Estados orientales de la Confederación norteamericana a California siguiendo la ruta del Cabo de Hornos, y en muchos casos en buques de vela. Es igualmente difícil darse cuenta de que durante catorce años después de la apertura del ferrocarril del Panamá, las gentes siguieran cruzando el continente en carros (goletas de pradera) tirados por caballos o por lentísimos bueyes. Se dice que la vía ha costado una vida por cada durmiente de vía tendido. Había entonces solo una clase, y el precio era 25 dólares oro por los 76 kilómetros.

El primer gran esfuerzo para la construcción de un ferrocarril transcontinental en los Estados Unidos fue el de los Caminos de Hierro de la "Union Pacific" y del "Central Pacific", proyectado uno desde Omaha hacia el oeste y el otro desde San Francisco hacia el este. Teniendo en consideración todas las circunstancias, no se había presentado jamás hasta esa época ningún proyecto ferroviario tan atrevido.

Recordando la escasa población y la pobreza del país en aquellos tiempos , el poco desarrollo en que se hallaba la práctica de construir y explotar ferrocarriles y de las mil otras ciencias de que esta construcción depende, la inmensidad de las comarcas selváticas que había de cruzar, la distancia de la base de aprovisionamientos, lo rudo de los medios de transporte, el número y la implacable ferocidad de los enemigos salvajes que habían de encontrarse, hay que convenir en que la construcción del "Union Pacific" y del "Central Pacific" ha de quedar para siempre sin rival en los anales del ferrocarril. Está fuera de los límites de esta página hacer una descripción, aunque sea muy breve, de la concepción y realización de este proyecto, de los hombres que, a modo de profetas, predicaron a oídos sordos la necesidad y la posibilidad de tal vía, y de las fatigas y tribulaciones por que pasaron los que llegaron a construirla. Pero, finalmente, todas las dificultades fueron vencidas, y el 9 de mayo de 1869 la locomotora, llevando a Leland Stanford y a otros funcionarios del "Central Pacific", y marchando hacia Oriente, encontró en Promontory (Utah) la locomotora que llevaba los funcionarios del "Union Pacific" caminando hacia el oeste, y los últimos clavos (uno de oro, de plata y de hierro, de Arizona; otro de plata, de Nevada, y otro de oro, de California) aseguraron el carril que unió ambas líneas. Considerado desde el punto de vista de las ideas actuales, puede muy bien juzgarse que el método de llevar a cabo, financieramente, aquella empresa monumental no fue el debido, teniendo en cuenta los intereses del Gobierno nacional. Se dio efectivamente a aquellos ferrocarriles un dominio sobre extensas áreas de terreno de propiedad de los Estados Unidos, que debían haberse conservado libres para los colonos que allí se establecieran, y permitió a dichos ferrocarriles dominar el desarrollo de las nuevas comarcas por donde cruzaban en un grado y extensión no razonables. Esto fue mucha verdad, por lo que se refiere especialmente al "Central Pacific" y a su sucesor el "Southern Pacific" en relación con California. Y aunque, sin duda alguna, estas vías férreas contribuyeron enormemente al desarrollo de la comarca, es evidente ahora que los mismos resultados podían haberse obtenido sin depositar poder tan grande en manos de intereses particulares.

Pero aun siendo cierto todo esto, no debe aminorar la gloria de los hombres que tuvieron la visión y el valor para organizar y llevar a cabo la primera de estas grandes empresas, y los nombres de Leland Stanford, Collis P. Huntington y Grenville M. Dodge ocuparán siempre un alto puesto en la larga lista de los fundadores del imperio norteamericano. Lo mismo que Colón, que mostró el primero cómo un huevo puede mantenerse derecho sobre uno de sus extremos, estos hombres mostraron cómo los peligros y las dificultades de un país selvático y casi inexplorado podían dominarse y conseguir que el transporte del Atlántico al Pacífico fuese seguro y rápido. Es verdad también que los ferrocarriles "Unión" y "Central Pacific" formaron solamente el último eslabón de una cadena de vías, y ellos mismos no iban de océano a océano; pero mediante ellos la cadena quedó completa, y la nueva vía abrió la comunicación del gran oeste y lo unió al este con verdaderos lazos de hierro