Tracción ferroviaria Resistencias al movimiento de los trenes

Transcripción

1 UCA. Facultad de Ciencias Fisicomatemáticas e Ingeniería. INGENIERIA DEL TRANSPORTE I Transporte Ferroviario Unidad 5 Resistencias al movimiento ferroviario Juan Pablo Martínez Roberto Agosta Tracción ferroviaria Resistencias al movimiento de los trenes Dinamómetro Elemento tractor: Animal de tiro Locomotora Tractor sobre gomas F Vagón (peso T) Movimiento La fuerza a aplicar para mantener el movimiento debe ser igual a la resistencia total al avance. 2 1

2 Tracción ferroviaria Resistencias al movimiento de los trenes Resistencia ordinaria, en vía horizontal y recta, y a velocidad constante. Se presenta siempre, por el frotamiento con los rieles, con el aire y los frotamientos internos en cojinetes. Resistencias adicionales: aparecen según sea el trazado y el movimiento del tren: En las rampas y pendientes: para vencer la fuerza de la gravedad. En las curvas horizontales: para vencer las resistencias adicionales al frotamiento con los rieles. 3 Al querer acelerar el tren. Tracción ferroviaria Resistencias al movimiento de los trenes R = Ro + Rp + Rc + Ri con R en kgr (kilogramos fuerza) 1 Kgr = 9,8 Newton Ro Resistencia ordinaria. Rp Resistencia de la rampa o pendiente. Rc Resistencia de la curva. Ri Resistencia de inercia. Se introducen los coeficientes de resistencia unitaria, por unidad de peso. Siendo T el peso del vehículo (en toneladas): R = ro T + rp T + rc T + ri T = (ro + rp + rc + ri) T con R en kilogramos, T en toneladas y ro, rp, rc y ri en kilogramos por tonelada (kgr/ton). 4 2

3 Resistencia ordinaria (i) Resistencia ordinaria, en el movimiento horizontal, rectilíneo e uniforme: Ro Rozamiento en la superficie rueda-riel: el perfil cónico implica que sólo un radio rueda sin resbalar. Los radios menores deslizan hacia delante, las mayores hacia atrás. Rozamiento ocasional de las pestañas contra la cara interna del riel. Frotamiento en los cojinetes. Movimientos anormales: las sacudidas y oscilaciones de la carga se transmiten a la suspensión y a los acoplamientos, disipándose la energía como calor. Resistencia aerodinámica. Fricción con el aire. 5 Resistencia ordinaria (ii) r o es muy baja. Unos pocos kilogramos-fuerza (2 ó 3) consiguen sostener el movimiento de una tonelada. Se expresa por unidad de peso del tren: r o (kgr/ton) = R o (kgr) / T (ton) 1 ton = kilogramos fuerza. En el tiempo r o ha disminuido por varios motivos: Introducción de los cojinetes a rodillos, en lugar de los de fricción. Carenado de locomotoras y vehículos, reduciendo embolsamiento de aire. Aerodinámica de los trenes muy veloces. 6 3

4 Resistencia ordinaria (iii) Fórmulas de Davis tradicionales (ensayos de hace medio siglo): Locomotoras diesel r ol = 0, ,15 / w L Vagones (1 vehículo) r ov = 0, ,15 / w v + 0,00932 V + 0, A L V 2 / P L + 0,01398 V + 0, A V V 2 / n w v donde: r ol,,, r ov P L w L w V rodadura cojinetes aerodinámica = Resistencia al movimiento uniforme en kg/ton = Peso de la locomotora (toneladas) = Peso promedio por eje locomotora (ton) = Peso promedio por eje vagón (ton) n = cantidad de ejes vagón A L, A V = superficie frontal locomotora o vagón (m 2 ) V = Velocidad en km/h 7 Resistencia de las rampas (i) Sentido del movimiento Fuerza que se opone al movimiento R p α Resistencia de la rampa: α P Rp = P sen α ~ P tg α r p = Rp / P ~ tg α = valor de la pendiente Si i = 4 %o tg a = 0,004 y r p = 0,004 r p = 0,004 Kgr / Kgr = 4 Kgr / Kgr = 4 Kgr / tonelada La fórmula práctica es: Rp (Kgr) = P (ton) x i (%o ) Esta resistencia puede ser positiva (rampas) o negativa (en las pendientes, siendo en tal caso una fuerza motriz). 8 4

5 Resistencia de las rampas (ii) Es esencial al ferrocarril la baja resistencia al movimiento. La fórmula de Davis calcula la resistencia ordinaria ro en el orden de 2 a 4 kgr/ton. Una rampa de tan sólo el 4%o crea una resistencia adicional de 4 kgr/ton. Es como si el tren hubiera duplicado su peso, o más. Las pendientes ferroviarias deben ser muy bajas, idealmente unas pocas unidades de por mil. De lo contrario, la ventaja esencial del ferrocarril se pierde. Posibilidades de los ferrocarriles transandinos? 9 Resistencia en curvas horizontales (i) Se debe al mayor rozamiento de las ruedas sobre los rieles al acomodarse el rodado a la curvatura de los rieles: La pestaña de la rueda anterior-externa de la base rígida frota contra la cara interna del riel externo. La base rígida gira y las ruedas frotan sobre las caras de los rieles sobre los cuales apoyan. El bicono se desplaza hacia el riel externo. La rueda externa rueda sobre un radio mayor que la interna. Si una de las ruedas no resbala, la otra lo hace. Fórmula empírica de Desdouit: r c = 500 t / R, siendo r c = Resistencia a la curvatura horizontal en kgr/ton t = Trocha (m) R = Radio de la curva (m) 10 5

6 Resistencia en curvas horizontales (ii) Ejemplo Trocha ancha - 1,676 m; Radio de la curva: 400 m; Resistencia: rc = 500 x 1,676 / 400 = 2,095Kgr / ton O sea, esa curva equivale a una rampa del 2 %o Rampa compensada: un trazado en recta se diseña con una pendiente determinante del 6 %o. Con esta pendiente constante un tren de cierto peso puede circular manteniendo cierta velocidad. En la curva de 400 m de radio la resistencia aumentaría a: 6%o + 2 %o = 8 %o. El tren en cuestión no podría pasar manteniendo su velocidad. En la zona de la curva se disminuye la pendiente para que la resistencia total se mantenga constante. 11 Resistencia de inercia (i) Ley de Newton: la fuerza tractiva F aplicada al vehículo produciría una aceleración: F = m.a (Newton, kg, m/s 2 ) Pero hay resistencias al movimiento (ordinaria, pendientes, curvas); siendo la resistencia total R = Ro + Rp + Rc; la fuerza aceleradora será menor: F R = m.a O sea: F = R + m a = Ro + Rp + Rc + m.a El término m.a actúa en la fórmula como si se tratara de una fuerza de resistencia, la llamada resistencia de inercia, R i. R i = m.a = ( P / g ).a g es la aceleración de la gravedad (9,8 m/ s 2 ). a Se define también la resistencia de inercia unitaria: r i = R i / P = a / g 12 6

7 Resistencia de inercia (ii) r i = a / g Si a y g se miden, ambos, en m/ s 2 entonces r i es la resistencia de inercia expresada en kilos por kilo. r i (Kgr / Kgr) = a (m/s 2 ) / 9,8 (m/s 2 ) ~ a (m/s 2 ) / 10 Si deseamos expresar esta resistencia igual que las restantes, en kilos por tonelada, se multiplica la expresión anterior por r i (Kgr / ton) = 1000 x a (m/s 2 ) / 9,8 (m/s 2 ) ~ 100 x a (m/s 2 ) Ejemplo: un tren suburbano con locomotora diesel acelera con a = 0,3 m /s 2 : r i (Kgr / ton) = 100 x 0,3 = 30 kgr/ton. Para la locomotora, proveer esa aceleración es equivalente a enfrentar una rampa de montaña, del 30 %o. 13 Resistencia de inercia: masas rotantes (i) El esfuerzo para vencer la inercia implica, también, vencer la inercia de rotación, o sea poner en rotación los ejes, ruedas y demás masas rotantes. En la aceleración el trabajo de la fuerza de tracción se transforma en energía cinética. m F. d = 0,5. m. v 2 F d La fuerza tractiva recorre una distancia d, efectuando un trabajo F.d y la masa m adquiere una velocidad v. Pero el movimiento longitudinal del vehículo implica el movimiento rotatorio de ruedas y ejes. Para alcanzar igual velocidad v habrá que realizar mayor trabajo. 14 7

8 Resistencia de inercia: masas rotantes (ii) El trabajo de la fuerza de tracción se transforma en energía cinética de translación y de rotación. Las ruedas y ejes tienen un momento de inercia total J kg m 2 y giran con velocidad angular ω (1/s) ω v F m R En cada momento v = ω.r R R F. d = 0,5. m. v 2 + 0,5. J. ω 2 F. d = 0,5. m. v 2 + 0,5. J x v 2 / R 2 Conservación de la energía = 0,5. m. v 2 ( 1 + J / m R 2 ) = = 0,5. m. β. v 2 = 0,5. m. v 2 El vehículo se comporta como teniendo una masa ficticia m > m, incrementada por el factor de masas rotantes β = 1 + J / m R 2 15 Resistencia de inercia: masas rotantes (iii) La fuerza adicional, o sea la resistencia de inercia, será: Ri = m. a = m. β. a = (P/g). β. a Pero la resistencia de inercia se expresa con relación al peso, o sea: r i = R i / P = m. β. a / P = β. a / g Finalmente, expresando r i en kilogramos por tonelada: Siendo: r i = 100. β. a β = 1 + J / m. R 2 coeficiente de inercia de masas rotantes (1,04 a 1,08) J = suma de momentos de inercia de masas rotantes R = radio de las ruedas. 16 8