Locomotora de vapor

Locomotora a vapor

Una locomotora de vapor es una locomotora impulsada por la acción del vapor de agua. Las locomotoras de vapor fueron la forma dominante de tracción en los ferrocarriles hasta que a mediados del siglo XX fueron reemplazadas por las locomotoras diesel y eléctricas.

Origen

Locomotora Rocket, preservada en el Museo de Ciencias de Londres.

Los primeros ferrocarriles empleaban caballerías para arrastrar carros sobre rieles. Cuando se desarrollaron las máquinas de vapor, se trató de aplicarlas al ferrocarril. Los primeros intentos tuvieron lugar en Gran Bretaña; así, por ejemplo, Richard Trevithick construyó una locomotora en 1804. Esta maquina tenía un solo cilindro, disponía de un volante de inercia y la transmisión de fuerza a las ruedas se realizaba por engranajes. La no incorporación al ferrocarril de la locomotora de Trevithick fue que los railes de hierro fundido no aguantaron el peso de la maquina. Se realizaron tres viajes de prueba en las minas de hierro de Penydarren al Canal Methry-Cardiff, quedando los railes dañados en estos ensayos. Se continuó utilizando la fuerza animal para el arrastre de los vagones, más adelante se vuelve la mirada otra vez en las locomotoras ya que debido a las guerras Napoleónicas los caballos escasean y su adquisición se encarece. En 1811 John Blenkinsop patenta el sistema de cremallera para locomotora, finalmente en 1812 Matthew Murray diseña y construye la locomotora "The Salamamanca" en los talleres Feton, Murray and Wood, la locomotora dispone por primera vez dos cilindros y monta el sistema de cremallera patentado por John Blenkinsop, solucionando el problema de peso de la maquina, si la locomotora se realizaba con poco peso no tenia suficiente adherencia, sus ruedas motrices patinaban y no conseguía arrastrar la carga, si por el contrario la maquina aumentaba de peso para mejorar la adherencia, dañaba los railes. "the Salamanca" solucionaba estos inconvenientes.

Una confusión habitual es considerar que la Rocket de Stephenson fue la primera locomotora de vapor cuando, en realidad, la primera que rodó sobre rieles había sido construida por Richard Trevithick 25 años antes. En 1826 se inicia la construcción de la primera linea férrea del mundo entre dos ciudades, Liverpool y Manchester. El diseño de la linea es encargado a George Stephenson que tenía experiencia en diseños de ferrocarriles de minas. En 1829 todavía no se había decidido el tipo de tracción de los vagones, las locomotoras empleadas en las minas eran lentas y poco fiables, con frecuentes explosiones, esa fue la razón de que se propusiera el proyecto de disponer de 30 maquinas fijas repartidas a lo largo del recorrido, una por cada kilometro y que por medio de sogas arrastrarían los vagones. El 6 de octubre de 1829 en Rainhill se realiza un concurso para determinar si las locomotoras son adecuadas para la tracción en la nueva linea, el ganador se llevaría 500 libras esterlinas y un lugar en la historia. Muchos proyectos no son admitidos en el concurso como el "Cycloped", un artilugio de tracción animal de Thomas Shan Brandreth o la locomotora "Perseverance" de Timothy Burstall que no alcanzo la velocidad mínima exigida para la prueba. Finalmente compitieron tres locomotoras, La "Rocket" de George Stephenson y su hijo Robert Stepheson, la "Sans Pareil" de Timothy Hackworth y la "Novelty" del sueco John Ericsson y el britanico John Braithwaite. La ganadora fue la "Rocket" porque sus rivales no consiguieron terminar la prueba por avería en las maquinas,como la "Sans Pareil" que tenía un cilindro defectuoso que fue construido en los talleres de Stepheson, a pesar de esta anomalía la "Sans Pareil" fue más rápida que sus competidoras. De esta manera la "Rocket" pasa a la historia no por ser la primera o la mejor, sino por ganar las pruebas de Rainhill. Fue la primera locomotora moderna de vapor que introdujo varias innovaciones que luego fueron empleadas en casi todas las locomotoras construidas desde entonces. Así, empleaba una caldera multitubular, que fue idea de Henry Booth, mucho más eficaz para transferir el calor de los gases de la combustión al agua. Las calderas anteriores consistían en una sola tubería rodeada de agua. También empleaba una tobera de salida del vapor de escape para crear un vacío parcial que tirara del aire que alimentaba el fuego.

Forma básica

La locomotora de vapor típica emplea una caldera horizontal cilíndrica con el hogar en la parte posterior, parcialmente dentro de la cabina que protege a los operarios de las inclemencias meteorológicas. El hogar es el lugar donde se quema el combustible. Está formado por cuatro paredes laterales y un techo al que se denomina cielo. En la base se encuentra la parrilla o quemador, sobre el que se deposita el combustible, y bajo la parrilla, una caja para recoger las cenizas o cenicero y la boca por la que entra el aire para la combustión. Los humos del hogar salen por una serie de tubos situados longitudinalmente dentro de la caldera y rodeados de agua, a la que transmiten el calor. El conjunto de tubos se denomina haz tubular, y algunos de mayor diámetro contienen en su interior otros más finos por los que discurre vapor para ser recalentado y aumentar así la potencia de la locomotora. En la parte frontal de la caldera se encuentra la caja de humos, a donde va a parar el humo tras haber pasado por los tubos del haz, antes de salir por la chimenea, que sobresale en la parte superior. El vapor se recoge en la parte más alta de la caldera, bien sea a través de un tubo perforado, situado por encima del nivel del agua, o bien en un domo (cúpula en la parte superior). El vapor sale de la caldera a través de una válvula reguladora, conocida también como "regulador".

Archivo:Walschaerts motion.gif

Accionamiento de la distribución de tipo Walschaerts en una locomotora de vapor. En esta animación, el color rojo representa "vapor vivo", procedente de la caldera, entrando en el cilindro, mientras que el azul representa vapor expandido (gastado) que escapa del cilindro.

Cuando el regulador está abierto, el vapor se dirige por el tubo de admisión al motor. Allí entra en primer lugar en la denominada caja del vapor o capilla de la distribución, donde una pieza móvil, la corredera, al deslizarse alternativamente a uno y otro lado, hace que el vapor se dirija, a su vez, alternativamente a uno y otro lado del pistón dentro del cilindro del vapor, en el que entra a través de las lumbreras de admisión y tras expandirse, la propia corredera lo dirige hacia la lumbrera de escape. Esto ocasiona un movimiento alternativo de vaivén del pistón, a uno y otro lado, que acciona así la rueda motriz principal a través de una barra, también llamada vástago del pistón, que se articula con el pie de biela. Esta biela va conectada en el otro extremo a una clavija excéntrica en la rueda motriz principal, a la que hace girar mediante un movimiento de manivela. La corredera, auténtica válvula de distribución del vapor en el motor, se acciona a través de un conjunto de barras articuladas: el mecanismo de accionamiento de la distribución del vapor, que es ajustable para controlar el sentido de la marcha y el corte de la admisión. El punto de corte de la admisión del vapor determina durante qué proporción del recorrido del pistón se admite vapor dentro del cilindro. Así, por ejemplo, un punto de corte al 50% indica que se admite vapor sólo durante la mitad del recorrido del pistón. Durante el resto del recorrido, el pistón resulta impulsado por la fuerza expansiva del vapor que quedó dentro del cilindro. Un uso inteligente del corte de la admisión ahorra vapor y, por lo tanto, también combustible y agua. El corte de la admisión se controla desde la cabina por medio de la palanca inversora, que también sirve para cambiar el sentido de la marcha y que desempeña, en cierto modo, una función análoga a la palanca de cambios de un automóvil.

El vapor que escapa del cilindro después de haber impulsado el pistón, va a la caja de humos, donde se libera a través de una boquilla o tobera enfocada a la chimenea, por donde sale junto con el humo, creando un vacío al salir, que favorece el tiro del hogar. Las ráfagas sucesivas del vapor de escape son las que producen el característico sonido "chuf, chuf" de las locomotoras de vapor. Una locomotora de vapor posee normalmente dos cilindros, uno a cada lado. Las hay también que disponen de tres y de cuatro. Los cilindros actúan por parejas, existiendo un desfase de 90 grados entre el accionamiento de la rueda motriz de un lado y su homóloga del lado opuesto, proporcionando cuatro golpes de potencia en cada revolución de las ruedas. Las ruedas de la tracción están conectadas en cada lado por barras de conexión o de acoplamiento que transmiten la fuerza desde la rueda motriz principal a las otras ruedas motrices, a las que también se denomina ruedas acopladas. En las de tres cilindros, uno de ellos va en posición central, bajo la caldera, y su biela acciona uno de los ejes motrices, que ha de tener forma de cigüeñal.

Corte de una locomotora de vapor mostrando la caldera.

La caldera descansa sobre un armazón denominado bastidor o chasis, en el que se montan también los cilindros y que a su vez descansa sobre los ejes. Los ejes motrices se montan sobre cojinetes que pueden desplazarse arriba y abajo en el bastidor. Están conectados a él por medio de ballestas o, menos frecuentemente, por suspensiones de muelles, que permiten a los ejes cierto grado de movimiento independiente para suavizar el efecto de los altibajos de la vía. Muchas locomotoras tienen carretones de cabeza o de cola denominados bojes, que son unos ensamblados de dos ejes y cuatro ruedas con su propio chasis y suspensión, que soportan el cuerpo principal de un vagón o una locomotora en cada uno de sus extremos, y permiten un cierto grado de rotación en torno a un eje vertical, para facilitar así el tránsito del vagón o locomotora por las curvas.

Cuando el boje está formado por un solo eje, se denomina bisel, porque su invención se atribuye al norteamericano Levi Bissell en 1857. En las locomotoras de talla mediana se utilizó un bisel delantero y en las más grandes un boje de dos ejes. En la parte trasera era más frecuente montar un bisel que un boje porque dejaba más espacio para el cenicero.

La mayoría de las locomotoras van acopladas a un ténder, que transporta el agua y el combustible; pero otras llevan el combustible y el agua directamente en la propia máquina, llamadas locomotoras tanque, por los prominentes tanques para el agua en la parte superior o más comúnmente en los costados de la caldera.esta agua de los tanques es llevada a la caldera mediante un Flujo en tubería que permite recircular el agua del tanque a la caldera .

Desde sus comienzos, el combustible predominante fue el carbón, aunque también se usó la madera en zonas rurales y en empresas madereras. El bagazo que queda después de extraer el jugo de la caña de azúcar se empleó en las empresas dedicadas al cultivo y obtención del azúcar de caña. Cuando el petróleo comenzó a utilizarse de forma habitual, se empleó el fuel oil en las locomotoras de algunas zonas.

Una locomotora de vapor se maneja con un equipo de al menos dos personas. Una, el maquinista, que es responsable de controlar la locomotora y el tren en su conjunto; la otra, el fogonero, responsable del fuego, la presión y el agua.

Dispositivos adicionales

Casi todas las locomotoras van equipadas con una serie de dispositivos. Algunos se necesitan para el funcionamiento de la máquina de vapor, mientras que otros están relacionados con la señalización, el control del tren u otros propósitos. Los más típicos son los siguientes:

Bombas de vapor e inyectores

Inyector.

En las calderas de las máquinas de vapor, el nivel de agua disminuye al ir consumiéndose el vapor para accionar el pistón. Se necesita algún dispositivo para forzar al agua a entrar en la caldera venciendo la presión que reina en su interior. Las primeras locomotoras utilizaron bombas accionadas por los movimientos de los pistones; más adelante se emplearon inyectores de vapor y algunas máquinas usan turbo bombas. Lo más habitual era disponer dos sistemas independientes para suministrar agua a la caldera. Un tubo vertical de vidrio, el indicador de nivel, mostraba el nivel de agua de la caldera.

Recalentador

A partir de 1900 comenzó a utilizarse vapor recalentado en las locomotoras. La forma habitual de conseguirlo era conducir el vapor desde el domo a una cabecera del recalentador, dentro de la caja de humo. El vapor se dirige desde allí por un grupo de tubos delgados, que discurren por el interior de tubos de humo gruesos, dentro de la caldera, para volver luego a una segunda cabecera del recalentador, desde donde se envía a los cilindros. El recalentamiento produjo un aumento enorme de la eficiencia y constituyó la norma en las locomotoras de vapor del siglo XX.

Regulador

El dispositivo con el que el maquinista regula la cantidad de vapor que pasa de la caldera a las válvulas de distribución se denomina regulador. Se clasifican en dos grandes categorías:

1ª Reguladores de corredera

2ª Reguladores de válvula

Cargador automático de carbón (stocker)

Un factor limitante de la potencia era el ritmo al que podía añadirse el combustible al fuego. Las locomotoras de principios del siglo XX eran tan grandes en algunos países que el fogonero no podía palear el carbón con suficiente rapidez. En Estados Unidos se introdujeron varios tipos de cargadores mecánicos accionados por el vapor y se convirtieron en equipamiento estándar al final de la era del vapor.

Calentadores de agua

Introducir agua fría en una caldera reducía la potencia y hacia el final de la era del vapor se emplearon calentadores que extraían calor residual del vapor de escape y aumentaban la temperatura del agua con que se alimentaba a la caldera.

El empleo de inyectores de vapor vivo y de vapor de escape también colaboraba en el precalentamiento del agua y reducía el choque térmico que podía experimentar la caldera si se introdujera directamente el agua fría.

Condensadores

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El método convencional de suministrar agua a una locomotora era rellenando los tanques desde surtidores instalados en las estaciones.

Las locomotoras de vapor consumían enormes cantidades de agua y reponerlas era un problema de logística constante. En algunas áreas desérticas se emplearon máquinas condensadoras. Tenían enormes radiadores en los ténderes a los que se enviaba el vapor de escape. Allí se convertía en agua líquida con la que se rellenaba el ténder. Estas máquinas se emplearon particularmente en el desierto de Karoo. Cuando se usaban condensadores era necesario tener cuidado de que el aceite que lubricaba el cilindro se separara del agua que iba a volver a la caldera, para evitar el fenómeno conocido como "cebado". Se producía éste cuando el agua hirviendo de la caldera se tornaba espumosa a causa del aceite y podía pasar así en forma no gaseosa a los cilindros, dañándolos gravemente a causa de su incompresibilidad.

Las tecnicas para reducir la temperatura mediante el cambio en la humedad ambiental ,es decir la mezcla aire vapor ,fue la base del acondicionado de aire (psicrometria)

Freno

Zapata de freno.

Las locomotoras tenían su propio sistema de frenado, independiente del resto del tren. Utilizaban grandes zapatas que presionaban contra la superficie de las ruedas motrices. Con la aparición del freno de aire, un sistema independiente permitía al maquinista controlar el frenado de todos los coches. Este sistema requería bombas accionadas por el vapor, montadas en un lateral de la cadera o en el frente de la caja de humo.

Una alternativa al freno de aire fue el freno de vacío, donde se empleaba un aspirador-eyector, accionado por el vapor, en lugar de la bomba de aire. Se usaba un segundo eyector para mantener el vacío, con una bomba de menor potencia, accionada por el pie de biela, para ahorrar vapor. El freno de vacío tuvo, en general, menos implantación que el de aire.

Engrase

Los pistones y las válvulas de las primeras locomotoras los engrasaba el maquinista, con la locomotora parada, simplemente vertiendo algo de grasa por la tobera de escape del vapor en la caja de humo. Cuando aumentó la velocidad y las distancias entre paradas, se diseñaron mecanismos para inyectar aceite mineral en la corriente de vapor que se dirigía a los cilindros. El primero fue un engrasador de desplazamiento montado en la cabina, al que llegaba un fino conducto con vapor. El conducto se bifurcaba en forma de T hasta un contenedor hermético con aceite. El vapor que llegaba a ese contenedor se condensaba en agua, más densa que el aceite y que se depositaba en la parte inferior, desplazando al aceite, que penetraba así en el conducto del vapor, mezclándose con él y continuando su viaje hacia la admisión de vapor de los cilindros para lubricarlos. El engrasador disponía, generalmente, de un tubo de vidrio en el conducto para comprobar que salía aceite hacia los cilindros. Más tarde se empleó una bomba mecánica, accionada desde uno de los pies de biela. En ambos casos el flujo de aceite era proporcional a la velocidad de la locomotora.

Otros componentes como los cojinetes de los ejes o los pivotes de los bojes se lubricaban por capilaridad, llegando a ellos el aceite desde depósitos dispuestos al efecto. Para lubricar los cojinetes de la tija de la manivela, pie de biela y barras de acoplamiento, se disponían sobre ellos unos pequeños recipientes con forma de copa que tenían unos conductos por los que llegaba el aceite hasta la superficie de fricción de los cojinetes.

Topes y apartavacas

Las locomotoras cuentan con enganches delante y detrás para acoplar los vagones a remolcar. Generalmente se colocaron topes en los extremos de las locomotoras para absorber los impactos menores y proporcionar un soporte para los esfuerzos de empuje.

En América se dispuso en el extremo frontal una estructura metálica inclinada, destinada a desviar los posibles obstáculos que pudieran encontrarse delante del tren. Originalmente fue bastante grande y tenía el propósito de arrojar fuera de la vía a cualquier res de ganado, por lo que fue apodada "apartavacas".

Luz frontal

Cuando las locomotoras comenzaron a operar de noche, las compañías de ferrocarril equiparon a las locomotoras con luces para que el maquinista pudiera ver lo que hubiera delante del tren o para que la locomotora fuera vista. Originalmente las luces frontales fueron candiles de aceite o lámparas de acetileno, pero cuando se pudo disponer de iluminación eléctrica, ésta desplazó a los antiguos candiles, disponiéndose pequeños generadores eléctricos accionados por el vapor.

Areneros

En algunas ocasiones era necesario mejorar la adherencia de las ruedas motrices y evitar que patinaran sobre los carriles, como por ejemplo cuando existía hielo sobre ellos o al iniciar la locomotora su marcha. Para ello se recurría a verter arena sobre el carril. La arena era conducida desde un depósito por medio de un conducto que la depositaba justo delante de la rueda en el sentido de la marcha. Se emplearon varios sistemas para accionar el vertido de la arena; el más sencillo, una válvula situada bajo el depósito arenero que se accionaba desde la cabina. Pero como la válvula podía atascarse con facilidad, se recurrió también a eyectores de aire comprimido procedente de la bomba del freno o a eyectores de vapor, que succionaban la arena hacia el conducto de vertido. Como era conveniente que la arena se encontrara seca para evitar atascos, en muchas locomotoras se dispuso el depósito arenero sobre la caldera, en los llamados domos areneros, para que el calor la conservara seca, al mismo tiempo que se mantenía alejada de la maquinaria.

Campanas y silbatos

Desde sus primeros tiempos se equipó a las locomotoras con campanas y silbatos. Las campanas fueron más propias de Estados Unidos y Canadá, para advertir del movimiento del tren. Los silbatos se utilizaban para dar señales a los empleados y advertir del peligro a las personas cercanas a la vía.

Fabricación de locomotoras

Una locomotora 2-3-0 en la estación Bristol Temple Meads, en Inglaterra.

Generalmente los ferrocarriles encargaban locomotoras, adaptadas a sus necesidades, a empresas especializadas. Pero los ferrocarriles también tenían talleres propios, capaces de acometer reparaciones de gran envergadura, y algunos fabricaron en ellos sus propias locomotoras. Asimismo era corriente que un ferrocarril vendiera a otro un grupo de locomotoras.

Las locomotoras requerían tareas de mantenimiento e inspección periódicas, a veces a intervalos regulares establecidos por la administración estatal. Durante el mantenimiento no era raro que la locomotora resultara modificada, añadiéndole nuevos dispositivos o eliminando otros que no eran satisfactorios. Se sustituían incluso calderas, cilindros y, en definitiva, casi cualquier parte de la locomotora.

Categorización de las locomotoras de vapor

Las locomotoras a vapor se categorizan por la disposición de sus ejes. Para ello se representa a cada grupo de ejes con un número. Se tiene en cuenta (por este orden) el número de ejes delanteros o conductores, el de ejes motrices y el de ejes traseros o de arrastre.

Así, por ejemplo, una locomotora con dos ejes delanteros, tres ejes para ruedas motrices y un eje posterior, es una locomotora 2-3-1. Diferentes disposiciones recibían nombres que generalmente reflejaban el primer uso que se había dado a esa disposición. Así, por ejemplo, una locomotora tipo "Santa Fe" era una locomotora 1-5-1 porque la primera que se construyó con esa disposición de ejes, lo fue para el ferrocarril "Atchison, Topeka y Santa Fe", a menudo abreviado como "Santa Fe" y que fue uno de los más largos de Estados Unidos.

En la mayoría de los países angloparlantes y de la Commonwealth se utilizó de forma preponderante la notación White para categorizar las locomotoras de vapor, en la que se tiene en cuenta el número de ruedas en lugar del número de ejes. Así, por ejemplo, una locomotora 2-10-2 en la notación White, es una locomotora 1-5-1 si se la clasifica según el número de ejes.

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Enlaces externos

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