miniaturadeimagen|300px|Contacto con el carril de tres ruedas acopladas de una locomotora de vapor miniaturadeimagen|300px|Vista de detalle de la imagen anterior
La mayoría de las locomotoras de los ferrocarriles convencionales se sirven de la adherencia entre las ruedas tractoras y el carril para mover las cargas transportadas por los trenes que arrastran. La capacidad de tracción disponible está limitada por la fricción entre las ruedas motrices y el riel de acero. El término adherencia rueda-carril solo se aplica al caso de ruedas tractoras sobre raíles lisos; careciendo de sentido cuando los trenes son movidos por otros medios (como por ejemplo, en los funiculares, arrastrados por un motor estacionario que tira de un cable, o en el caso de los ferrocarriles de cremallera).
Este artículo se centra en los detalles técnicos de lo que sucede como resultado de la fricción entre las ruedas y los rieles en lo que se conoce como contacto rueda-carril o parche de contacto. En este sentido, se habla de fuerzas positivas (aquellas que contribuyen al desplazamiento efectivo y estable de las cargas remolcadas, como la fuerza de tracción, las fuerzas de frenado, y las fuerzas de centrado); y las fuerzas negativas (aquellas que aumentan los costos al requerir más consumo de combustible y aumentar el mantenimiento necesario para reparar los daños causados por la fatiga de materiales, el desgaste en las cabezas de los rieles y en las llantas de las ruedas, y el desajuste de la geometría de los carriles debido a las fuerzas de tracción y frenado).
El comportamiento de la superficie de contacto entre la rueda y el carril es un tema especializado, con investigación continua en curso.
Variación del coeficiente de fricción
La tracción efectiva, ligada directamente a la fricción, se reduce cuando la parte superior del carril está mojada, helada o contaminada con grasa, aceite o materia orgánica (como hojas en descomposición, que se acaban compactando y forman un revestimiento de lignina resbaladizo y duro). La contaminación de las hojas puede eliminarse por distintos medios: aplicando Sandite (una mezcla de gel y arena); utilizando trenes de mantenimiento, con sistemas de limpieza mecánica y chorros de agua; y con el control a largo plazo de la vegetación en el entorno de la vía. Las locomotoras y los tranvías utilizan arena para mejorar la tracción cuando las ruedas motrices comienzan a resbalar.
Efecto de los límites de adherencia
La adherencia es causada por la fricción, con una fuerza tangencial máxima producida por una rueda motriz antes de llegar a deslizar, dada por:
Por lo general, la fuerza necesaria para que comience el deslizamiento, es mayor que la necesaria para que la rueda continúe deslizándose. El primer concepto se refiere a la fricción estática o "fricción limitante"; mientras que el segundo concepto hace referencia a la fricción dinámica, también llamada "fricción deslizante".
Para un contacto de acero sobre acero, el coeficiente de fricción puede ser tan alto como 0.78, en condiciones de laboratorio, pero en ferrocarriles son habituales coeficientes comprendidos entre 0.35 y 0.5, mientras que en condiciones extremas puede decaer hasta 0.05. Por lo tanto, una locomotora de 100 toneladas podría tener un esfuerzo de tracción de 350 kilonewtons en condiciones ideales (suponiendo que el motor pueda producir la fuerza necesaria), cayendo a 50 kilonewtons en las peores condiciones.
Las locomotoras a vapor sufrían particularmente problemas de adherencia porque la fuerza de tracción aplicada sobre el carril por cada grupo de ruedas podía fluctuar (especialmente en los motores de 2 cilindros o en la mayoría de los de 4) y, en las locomotoras grandes, no todas las ruedas disponían de tracción. El "factor de adherencia", que es el peso sobre las ruedas motrices dividido por el esfuerzo de tracción inicial teórico, generalmente se consideraba que tenía un valor de 4 o un poco más alto, lo que reflejaba un coeficiente de fricción entre rueda y carril de 0.25. Una locomotora con un factor de adherencia muy inferior a 4 sería muy propensa al deslizamiento de las ruedas, aunque algunas locomotoras de 3 cilindros, como la SR V Schools class, funcionaban con un factor de adherencia inferior a 4, porque la fuerza de tracción en el perímetro de las ruedas no fluctuaba mucho.
Otros factores que afectan a la probabilidad de deslizamiento de las ruedas incluyen el tamaño de la rueda y la sensibilidad del regulador/habilidad del maquinista.
El Grupo Japan Railways ha establecido un coeficiente de adherencia para calcular el rendimiento de las máquinas eléctricas que emplea, utilizando las siguientes fórmulas, basadas en resultados experimentales.Manual del ferrocarril eléctrico" Comité de edición del Manual del ferrocarril eléctrico, Crown, 2007. pp.389-390, 394; . Aquí, el coeficiente de rozamiento se obtiene a partir de la velocidad , expresada en km/h: +Fórmulas para calcular el coeficiente de adherenciaTipo de vehículoEn marchaFrenadoLocomotora eléctrica CC/CA/CCLocomotora eléctrica CATren de línea convencionalTren Shinkansen
Adherencia en todo tipo de clima El término "adherencia en todo tipo de clima" generalmente se usa en América del Norte, y se refiere a la capacidad de tracción disponible con un 99% de fiabilidad en condiciones climáticas adversas.
Condiciones de vuelco
La velocidad máxima a la que un tren puede circular por una curva está limitada por el radio de giro, la posición del centro de masa de las unidades, el ancho de vía y si la vía está peraltada.
El vuelco se producirá cuando el momento de vuelco debido a la fuerza lateral (aceleración centrífuga) sea suficiente para hacer que la rueda interior comience a levantarse del rail. Esto puede provocar la pérdida de adherencia, lo que hace que el tren disminuya su velocidad y se evite el vuelco. Alternativamente, la inercia puede ser suficiente para hacer que el tren continúe moviéndose a la velocidad que hace que el vehículo vuelque.
Para un ancho de vía de 1,5 m, sin peralte, una altura del centro de gravedad de 3 m y una velocidad de 30 m/s (108 km/h), el radio de giro es de 360 m. Para un tren moderno de alta velocidad a 80 m/s, el límite de vuelco sería de unos 2500 m. En la práctica, el radio de giro mínimo es mucho mayor que este, ya que el contacto entre las pestañas de las ruedas y el raíl a alta velocidad podría causar daños significativos en ambos. Para velocidades muy altas, el límite de adherencia mínimo implica un radio de giro de aproximadamente 13.000 m. En la práctica, las curvas utilizadas para el trazado de líneas de alta velocidad están "peraltadas" o "inclinadas", de modo que el límite de giro está más cerca de 7000 m.
Durante el , se pensaba que el acoplamiento de las ruedas motrices comprometía el rendimiento, por lo que se evitaba en los motores destinados al servicio expreso de pasajeros. Con un solo juego de ruedas motrices, las condiciones de la mecánica de contacto entre la rueda y el carril hacían necesarias las ruedas del mayor diámetro que pudieran acomodarse. El peso de la locomotora estaba restringido por la tensión en el carril y se requerían cajas de arena para mejorar la fricción, incluso bajo condiciones de adhesión razonables.
Estabilidad direccional y movimiento de lazo
Se puede pensar que las ruedas se mantienen en las vías por las pestañas. Sin embargo, un examen minucioso de una rueda de ferrocarril típica revela que la banda de rodadura está bruñida pero la pestaña no lo está: las pestañas rara vez hacen contacto con el carril y, cuando lo hacen, la mayor parte del contacto es deslizante. El roce de una pestaña con un carril disipa grandes cantidades de energía, principalmente en forma de calor, pero también produce ruido y, si la situación se mantiene, generará un desgaste excesivo de la rueda.
El centrado se logra realmente mediante la conformación de la rueda. La banda de rodadura de la rueda es ligeramente cónica. Cuando el tren está en el centro de la vía, la región de las ruedas en contacto con el riel traza un círculo que tiene el mismo diámetro para ambas ruedas. Las velocidades de las dos ruedas son iguales, por lo que el tren se mueve en línea recta.
Sin embargo, si el juego de ruedas se desplaza hacia un lado, los diámetros de las regiones de contacto y, por lo tanto, las velocidades tangenciales de las ruedas en las superficies de rodadura son diferentes y el juego de ruedas tiende a dirigirse hacia el centro. Además, cuando el tren encuentra una curva peraltada, el juego de ruedas se desplaza lateralmente ligeramente, de modo que la banda de rodadura de la rueda exterior se acelera linealmente y la banda de rodadura de la rueda interior se ralentiza, haciendo que el tren gire. Algunos sistemas ferroviarios emplean una rueda plana y un perfil de vía, confiando exclusivamente en el peralte para reducir o eliminar el contacto de las pestañas con el carril.
Al comprender cómo se mantiene el tren en la vía, se hace evidente por qué los ingenieros de locomotoras de la época victoriana eran reacios al acoplamiento de grupos de ruedas. Esta simple acción de equilibrado propiciada por el perfil cónico de las ruedas solo es posible cuando cada eje puede disponer de algo de movimiento libre respecto a su eje vertical. Si los grupos de ruedas están acoplados rígidamente entre sí, este movimiento queda restringido, introduciendo una componente de deslizamiento, lo que se traduce en un aumento de las pérdidas por rodadura. Este problema se solucionó en gran medida asegurando que el diámetro de todas las ruedas acopladas coincidiera muy aproximadamente.
Incluso en el supuesto de un contacto de rodadura perfecto entre la rueda y el raíl, el efecto de la conicidad de las ruedas se manifiesta como un balanceo del tren de lado a lado. En la práctica, el balanceo queda amortiguado por debajo de una velocidad crítica, pero se amplifica cuando el tren se desplaza por encima de esta velocidad. El balanceo lateral generado por este motivo se conoce como movimiento de lazo, y ya era conocido a finales del , aunque las causas no se comprendieron completamente hasta la década de 1920 y las medidas necesarias para eliminarlo no se tomaron hasta fines de la década de 1960. La inestabilidad del movimiento se convirtió en el factor limitante de la velocidad máxima de los trenes, cuando la potencia disponible en las máquinas por entonces hubiera permitido velocidades mucho más altas.
La descripción cinemática del movimiento de las huellas cónicas sobre los dos raíles es insuficiente para describir el movimiento de lazo lo suficientemente bien como para predecir la velocidad crítica. Es necesario analizar las fuerzas involucradas. Hay dos fenómenos que deben tenerse en cuenta: el primero es la inercia de los juegos de ruedas y de las carrocerías del material móvil, lo que da lugar a fuerzas proporcionales a la aceleración; el segundo es la deformación de la rueda y del carril en el punto de contacto, dando lugar a fuerzas elásticas. La aproximación cinemática corresponde al caso que está dominado por las fuerzas de contacto.
Un análisis de la cinemática de la acción del cono produce una estimación de la longitud de onda de la oscilación lateral:
donde d es el calibre de la rueda, r es el radio nominal de la rueda y k es la conicidad de las ruedas. Para una velocidad dada, cuanto más larga sea la longitud de onda, más bajas serán las fuerzas de inercia, por lo que es más probable que la oscilación se amortigüe. Dado que la longitud de onda aumenta con la reducción de la conicidad, el aumento de la velocidad crítica requiere que se reduzca la conicidad, lo que a su vez implica radios de giro en planta mínimos más grandes.
Un análisis más completo, teniendo en cuenta las fuerzas reales que actúan, arroja el siguiente resultado para la velocidad crítica de una pareja de ruedas ligadas rígidamente a un mismo eje: