Freno ferroviario

Un freno ferroviario es un tipo de freno utilizado en los vagones de los trenes para permitir la desaceleración, controlar la aceleración (en descenso) o inmovilizarlos cuando están estacionados. Si bien el principio básico es similar al de los vehículos de carretera, su funcionamiento es más complejo debido a la necesidad de controlar varios vagones conectados y de ser efectivo en vehículos sin locomotora . Los frenos de pinza son un tipo de freno utilizado tradicionalmente en los trenes.

En los albores del ferrocarril, la tecnología de frenado era primitiva. Los primeros trenes contaban con frenos en el ténder de la locomotora y en los vagones, donde los mozos de equipaje (o, en Estados Unidos, los frenadores ), que viajaban en dichos vagones, los accionaban. Algunos ferrocarriles instalaban un silbato de freno especial de tono grave en las locomotoras para indicar a los mozos de equipaje la necesidad de frenar. Todos los frenos en esta etapa de desarrollo se accionaban mediante un tornillo y un mecanismo de articulación que conectaba con las zapatas de freno de las ruedas, y podían utilizarse incluso con los vagones estacionados. En los primeros tiempos, los mozos de equipaje viajaban en refugios rudimentarios fuera de los vagones, pero fueron reemplazados por los guardas auxiliares, que viajaban dentro de los vagones de pasajeros y tenían acceso a un volante de freno en sus puestos. La fuerza de frenado era limitada y poco fiable, ya que la aplicación de los frenos por parte de los guardas dependía de su capacidad auditiva y de su rápida respuesta al silbato. ^{[ 1 ]}

Un avance inicial fue la aplicación del freno de vapor a las locomotoras, donde la presión de la caldera se aplicaba a las zapatas de freno de las ruedas. Con el aumento de la velocidad de los trenes, se hizo esencial contar con un sistema de frenado más potente, capaz de ser accionado y liberado instantáneamente por el maquinista. Este sistema se denominó freno continuo , ya que su eficacia se mantenía constante a lo largo de todo el tren.

En el Reino Unido, el accidente ferroviario de Abbots Ripton en enero de 1876 se vio agravado por las largas distancias de frenado de los trenes expresos sin frenos continuos, que —se hizo evidente— en condiciones adversas podían superar considerablemente las supuestas al colocar las señales. ^{[ 2 ]} Esto se había hecho evidente a partir de las pruebas de frenos ferroviarios realizadas en Newark el año anterior, para ayudar a una Comisión Real que entonces estudiaba los accidentes ferroviarios. En palabras de un funcionario ferroviario de la época, estos

demostró que en condiciones normales se requería una distancia de 800 a 1200 yardas para detener un tren que viajaba a 45½ a 48½ mph, lo cual es muy inferior a la velocidad de viaje habitual de los trenes expresos más rápidos. Los funcionarios ferroviarios no estaban preparados para este resultado y se admitió de inmediato la necesidad de mucha más potencia de frenado ^{[ 3 ].}

Las pruebas realizadas después de Abbots Ripton informaron lo siguiente para un tren expreso que coincidía aproximadamente con las condiciones involucradas (como un descenso de 1 en 200, pero sin frenar en condiciones favorables): ^{[ 2 ]}

Sin embargo, no existía una solución técnica clara al problema, debido a la necesidad de lograr una fuerza de frenado razonablemente uniforme en todo el tren y a la necesidad de añadir y quitar vagones del tren con frecuencia durante el trayecto. (En aquella época, los trenes unitarios eran una rareza).

Los principales tipos de solución fueron:

• Sistema de resortes: James Newall, constructor de vagones del ferrocarril de Lancashire y Yorkshire , obtuvo en 1853 una patente para un sistema mediante el cual una varilla giratoria que recorría la longitud del tren se utilizaba para accionar las palancas de freno de cada vagón contra la fuerza de resortes cónicos alojados en cilindros. La varilla, montada en los techos de los vagones sobre cojinetes de goma , estaba equipada con juntas universales y secciones deslizantes cortas para permitir la compresión de los topes . Los frenos se controlaban desde un extremo del tren. Para liberar los frenos, el guarda accionaba la varilla para comprimir los resortes, que luego eran bloqueados por un trinquete bajo su control (aunque en caso de emergencia el conductor podía tirar de una cuerda para liberar el trinquete). Al liberarse el trinquete, los resortes aplicaban los frenos. Si el tren se dividía, los frenos no eran bloqueados por el trinquete en el compartimento del guarda y los resortes de cada vagón aplicaban los frenos a las ruedas. El juego excesivo en los acoplamientos limitaba la eficacia del dispositivo a unos cinco vagones. Se necesitaban guardabarros y compartimentos de freno adicionales si se superaba este número. Este aparato se vendió a algunas compañías y el sistema recibió la recomendación de la Junta de Comercio . La L&Y realizó una prueba simultánea con un sistema similar diseñado por otro empleado, Charles Fay, pero se encontraron pocas diferencias en su eficacia. En la versión de Fay, patentada en 1856, las varillas pasaban por debajo de los vagones y la aplicación directa del resorte a cada freno se realizaba mediante un mecanismo de tornillo sin fin . Se conservó la importante característica "automática" del sistema de Newall, pero el mecanismo de tornillo sin fin aseguraba que los frenos no actuaran con demasiada brusquedad al soltarse. Fue la versión del sistema de Fay la que la compañía presentó a las pruebas de frenos de Newark en junio de 1875, donde se logró un rendimiento moderado, generalmente en la posición intermedia de los ocho sistemas probados. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}
• El freno de cadena, en el que una cadena estaba conectada continuamente a lo largo de la parte inferior del tren. Al tensarse, activaba un embrague de fricción que utilizaba la rotación de las ruedas para apretar un sistema de frenado en ese punto; este sistema tenía serias limitaciones en la longitud del tren que podía manejar (ya que la fuerza de frenado era considerablemente más débil después del tercer vagón) y en lograr un buen ajuste (proporcionar la holgura que requerían los acopladores de pasador , que una cadena de longitud fija no podía cubrir). En los Estados Unidos, el freno de cadena fue desarrollado y patentado independientemente por Lucious Stebbins de Hartford, Connecticut en 1848 y por William Loughridge de Weverton, Maryland en 1855. ^{[ 9 ]} La versión británica se conocía como el freno Clark y Webb, en honor a John Clark, quien lo desarrolló a lo largo de la década de 1840, y a Francis William Webb , quien lo perfeccionó en 1875. ^{[ 10 ]} El freno de cadena se mantuvo en uso hasta la década de 1870 en Estados Unidos ^{[ 9 ]} y hasta la década de 1890 en el Reino Unido. ^{[ 10 ]}
  • El freno Heberlein es una variante notable del freno de cadena popular en Alemania, que utiliza un cable superior en lugar de una cadena escalonada inferior.
• Frenos hidráulicos. La presión de accionamiento para aplicar los frenos se transmitía hidráulicamente (como en los frenos de los automóviles). Estos tuvieron cierta aceptación en el Reino Unido (por ejemplo, en los ferrocarriles Midland y Great Eastern ), pero se utilizaba agua como fluido hidráulico e incluso en el Reino Unido "la posibilidad de congelación desaconsejaba el uso de frenos hidráulicos, aunque el Great Eastern Railway, que los utilizó durante un tiempo, superó este problema mediante el uso de agua salada" ^{[ 11 ].}

• El sencillo sistema de vacío. Un eyector en la locomotora creaba un vacío en una tubería continua a lo largo del tren, permitiendo que la presión de aire externa accionara los cilindros de freno de cada vagón. Este sistema era muy económico y eficaz, pero tenía la gran desventaja de que dejaba de funcionar si el tren se dividía o si la tubería se rompía.
• El freno de vacío automático. Este sistema era similar al sistema de vacío simple, con la diferencia de que la creación de vacío en la tubería del tren vaciaba los depósitos de vacío de cada vagón y liberaba los frenos. Si el conductor aplicaba el freno, su válvula de freno permitía la entrada de aire atmosférico a la tubería, y esta presión atmosférica aplicaba los frenos contra el vacío de los depósitos. Al ser un freno automático, este sistema aplicaba la fuerza de frenado si el tren se dividía o si la tubería se rompía. Su desventaja radicaba en que se requerían grandes depósitos de vacío en cada vagón, y su tamaño y la complejidad de sus mecanismos se consideraban inconvenientes.
• El sistema de freno neumático Westinghouse . En este sistema, cada vehículo cuenta con depósitos de aire. La locomotora carga la tubería del tren con presión positiva, lo que libera los frenos del vehículo y carga los depósitos de aire. Si el conductor aplica los frenos, su válvula de freno libera el aire de la tubería del tren. Unas válvulas triples en cada vehículo detectan la pérdida de presión y permiten la entrada de aire de los depósitos a los cilindros de freno, aplicando así los frenos. El sistema Westinghouse utiliza depósitos de aire y cilindros de freno más pequeños que los equipos de vacío correspondientes, ya que permite el uso de una presión de aire moderadamente alta. Sin embargo, se requiere un compresor de aire para generar el aire comprimido, y en los inicios del ferrocarril, esto requería un gran compresor de vapor alternativo, considerado por muchos ingenieros como altamente indeseable. Otro inconveniente era la necesidad de liberar completamente el freno antes de poder volver a aplicarlo; inicialmente no existía un sistema de liberación gradual, lo que provocó numerosos accidentes mientras la potencia de frenado no estaba disponible temporalmente. ^{[ 13 ]}

Nota: existen diversas variantes y desarrollos de todos estos sistemas.

Las pruebas de Newark demostraron que el rendimiento de frenado de los frenos de aire de Westinghouse era claramente superior: ^{[ 14 ]} pero por otras razones ^{[ 15 ]} fue el sistema de vacío el que se adoptó generalmente en los ferrocarriles del Reino Unido.

A medida que aumentaban la carga, las pendientes y la velocidad de los trenes, el frenado se convirtió en un problema más importante. A finales del siglo XIX, comenzaron a aparecer frenos continuos significativamente mejores . El primer tipo de freno continuo fue el freno de cadena ^{[ 19 ]} , que utilizaba una cadena que recorría toda la longitud del tren para accionar los frenos de todos los vagones simultáneamente.

El freno de cadena pronto fue reemplazado por frenos neumáticos o de vacío . Estos frenos utilizaban mangueras que conectaban todos los vagones del tren, de modo que el operador podía accionar o soltar los frenos con una sola válvula en la locomotora.

Estos frenos continuos pueden ser simples o automáticos; la diferencia fundamental radica en qué sucede si el tren se parte en dos. Con los frenos simples, se requiere presión para accionarlos, y se pierde toda la potencia de frenado si la manguera continua se rompe por cualquier motivo. Por lo tanto, los frenos simples no automáticos resultan inútiles cuando las cosas se complican, como quedó demostrado en el desastre ferroviario de Armagh .

Por otro lado, los frenos automáticos utilizan la presión del aire o del vacío para mantenerlos desactivados contra un depósito ubicado en cada vagón, que aplica los frenos si se pierde presión o vacío en la tubería del tren . Por lo tanto, los frenos automáticos son en gran medida a prueba de fallos , aunque un cierre defectuoso de las válvulas de las mangueras puede provocar accidentes como el de la estación de Gare de Lyon .

El sistema de freno neumático estándar de Westinghouse incorpora la mejora adicional de una válvula triple y un depósito local en cada vagón, lo que permite aplicar los frenos por completo con solo una ligera reducción de la presión del aire, disminuyendo así el tiempo necesario para liberarlos, ya que no se libera toda la presión a la atmósfera.

Los frenos manuales siguen desempeñando un papel importante en las locomotoras y los primeros vagones, ya que pueden utilizarse para controlar todo el tren sin necesidad de accionar los frenos automáticos.

Esta no es una lista completa de todos los frenos ferroviarios, pero sí incluye la mayoría de los ejemplos más comunes.

frenos de aire y de vacío

A principios del siglo XX, muchos ferrocarriles británicos empleaban frenos de vacío en lugar de los frenos de aire utilizados en gran parte del resto del mundo. La principal ventaja del vacío era que este se podía generar mediante un eyector de vapor sin partes móviles (que podía ser alimentado por el vapor de una locomotora de vapor ), mientras que un sistema de frenos de aire requería un compresor ruidoso y complejo .

Sin embargo, los frenos de aire pueden ser mucho más efectivos que los frenos de vacío para un tamaño dado de cilindro de freno. Un compresor de freno de aire suele ser capaz de generar una presión de 90 psi (620 kPa ; 6,2 bar ) frente a solo 15 psi (100 kPa; 1,0 bar) para el vacío. Con un sistema de vacío, el diferencial de presión máximo es la presión atmosférica ( 14,7 psi o 101 kPa o 1,01 bar a nivel del mar, menor en altitud). Por lo tanto, un sistema de freno de aire puede usar un cilindro de freno mucho más pequeño que un sistema de vacío para generar la misma fuerza de frenado. Esta ventaja de los frenos de aire aumenta en altitudes elevadas, por ejemplo, en Perú y Suiza, donde actualmente se utilizan frenos de vacío en ferrocarriles secundarios. La mayor efectividad de los frenos de aire y la desaparición de la locomotora de vapor han hecho que el freno de aire se vuelva omnipresente; sin embargo, el frenado por vacío todavía se usa en India , Argentina y Sudáfrica , pero esto disminuirá en un futuro próximo. Véase Jane's World Railways .         

Las diferencias visuales entre los dos sistemas se aprecian en los frenos de aire, que funcionan a alta presión, con mangueras de aire de pequeño diámetro en los extremos del material rodante; los frenos de vacío, que funcionan a baja presión, tienen mangueras de mayor diámetro en los extremos del material rodante. Los frenos de aire en los vagones más externos de un tren se desactivan mediante una llave. Los frenos de vacío en los vagones más externos de un tren se sellan mediante tapones fijos ("tapones") sobre los que se coloca el extremo abierto del tubo de vacío. Este se sella contra una arandela de goma mediante el vacío, con un pasador que mantiene el tubo en su lugar cuando el vacío disminuye durante el frenado. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Frenos electroneumáticos

El sistema de frenos EP, de mayor rendimiento, utiliza un conducto principal que suministra aire a todos los depósitos de freno del tren, con válvulas de freno controladas eléctricamente mediante un circuito de control de tres hilos. Si se desconecta el hilo, los frenos se aplican automáticamente, manteniendo así la seguridad de otros sistemas de frenado. Esto proporciona entre cuatro y siete niveles de frenado, según la clase de tren. Además, permite una aplicación más rápida de los frenos, ya que la señal de control eléctrico se propaga prácticamente al instante a todos los vagones del tren, mientras que el cambio de presión de aire que activa los frenos en un sistema convencional puede tardar varios segundos o decenas de segundos en propagarse completamente hasta la parte trasera del tren. Sin embargo, este sistema no se utiliza en trenes de mercancías debido a su coste.

Las conexiones de frenado entre vagones se pueden simplificar si los vagones siempre apuntan en la misma dirección. Se haría una excepción con las locomotoras, que a menudo giran sobre plataformas giratorias o triángulos .

En la línea ferroviaria de Fortescue , inaugurada en 2008, los vagones circulan en trenes, aunque su dirección cambia en el bucle del puerto. Las conexiones ECP se encuentran en un solo lado y son unidireccionales.

Unos frenos defectuosos o mal aplicados pueden provocar que un tren se descontrole ; en algunos casos, esto ha causado accidentes ferroviarios .

• Descarrilamiento de Lac-Mégantic , Quebec (2013): los frenos de mano no estaban correctamente ajustados ^{[ 22 ]} en un tren de petróleo crudo estacionado sin vigilancia; los vagones cisterna descontrolados rodaron por una pendiente y descarrilaron debido a la velocidad excesiva en una curva en el centro de la ciudad, derramando cinco millones de litros (1.100.000 galones imperiales ; 1.300.000 galones estadounidenses ) de petróleo y provocando incendios que mataron a 47 personas.    
• República Democrática del Congo al oeste de Kananga (2007) – 100 muertos. ^{[ 23 ]}
• Desastre ferroviario de Igandu , Tanzania (2002): el tren retrocedió sin control; 281 muertos.
• Desastre ferroviario de Tenga , Mozambique (2002): descarrilamiento hacia atrás: 192 muertos.
• Desastre ferroviario de San Bernardino , California (1989): fallaron los frenos de un tren de carga que se estrelló contra casas.
• Accidente ferroviario en la estación Gare de Lyon , Francia (1988): una válvula se cerró por error, lo que provocó el descarrilamiento del tren.
• Desastre del tren nº 183 , Vietnam (1982): un sabotaje en los frenos provocó que el tren volcara cerca de la estación de Bàu Cá; más de 200 personas murieron.
• Accidente ferroviario en Chester General , Reino Unido (1972): fallaron los frenos de un tren de combustible que chocó contra una unidad diésel múltiple estacionada.
• Chapel-en-le-Frith , Gran Bretaña (1957) – Una tubería de vapor rota imposibilitó que la tripulación pudiera aplicar los frenos.
• Accidente de tren de Federal Express , estación Union, Washington, DC, (1953) – válvula bloqueada por una placa amortiguadora mal diseñada.
• Desastre ferroviario de Torre del Bierzo , España (1944): fallaron los frenos de un tren de pasajeros sobrecargado que colisionó con otro en un túnel; un tercer tren, sin percatarse de ello, también chocó contra él.
• Descarrilamiento de Saint-Michel-de-Maurienne , Francia, 1917: tren desbocado en una pendiente del 3,3 por ciento, con frenos de aire en solo 3 de los 19 vagones y con una locomotora incapaz de mantener el tren por debajo de la velocidad autorizada; 700 muertos.
• El desastre ferroviario de Armagh , Irlanda del Norte (1889), en el que un tren que retrocedió sin control, provocó un cambio en la ley.
• Accidente ferroviario de Shipton-on-Cherwell , Oxford (1874): causado por la fractura de una rueda de un vagón.

• 
  Locomotora de Uganda con una pequeña manguera de freno de aire sobre el acoplamiento y grifo.
• 
  Grecia NG freno de aire, manguera delgada arriba y grifo

• Comisión Británica de Transportes , Londres (1957:142). Manual para maquinistas de locomotoras de vapor.

• Marsh, GH y Sharpe, AC El desarrollo de los frenos ferroviarios. Parte 1 1730-1880 Revista de ingeniería ferroviaria 2(1) 1973, 46–53; Parte 2 1880-1940 Revista de ingeniería ferroviaria 2(2) 1973, 32-42
• Winship, IR La aceptación de los frenos continuos en los ferrocarriles de Gran Bretaña Historia de la tecnología 11 1986, 209–248. Cubre los desarrollos desde aproximadamente 1850 hasta 1900.

• Tecnología ferroviaria
• Reparación de frenos Waka