Freno de vía

Un freno magnético de vía (freno Mg) es un sistema de frenado para vehículos ferroviarios . Consta de imanes de freno, zapatas polares , una suspensión, una transmisión de potencia y, en el caso de ferrocarriles de línea principal , una barra de vía. Cuando la corriente fluye a través de la bobina magnética, el imán es atraído por el riel, lo que presiona las zapatas polares contra este, desacelerando así el vehículo. ^{[ 1 ]}

Mientras que los frenos como los de disco o los de zapata dependen de la fricción entre la rueda y el riel , el freno magnético de vía actúa directamente sobre el riel. Por lo tanto, su efecto de frenado no está limitado por el contacto rueda-riel. Así, factores ambientales como la humedad o la contaminación del riel tienen menor influencia en la fuerza de frenado. ^{[ 2 ]}

Los frenos magnéticos de vía se utilizan en los vehículos ferroviarios como complemento de los sistemas de frenado primarios que actúan sobre las ruedas. Como sistema de frenado adicional, contribuyen a garantizar que se cumplan las distancias de frenado prescritas para los vehículos ferroviarios.

Dado que los frenos magnéticos de vía siempre actúan sin regulación y a su máxima fuerza de frenado, solo se utilizan como frenos de seguridad y de emergencia. Pueden utilizarse a velocidades de hasta 280 km/h (170 mph) . Con el uso de materiales de fricción especiales, pueden utilizarse a velocidades de hasta 350 km/h (220 mph) .    

Debido a su efecto de limpieza de la vía, los frenos magnéticos de vía aumentan el coeficiente de adherencia entre las ruedas siguientes y el riel durante el proceso de frenado. Esto conlleva, además, una mejora de los sistemas de frenado efectivos de las ruedas. ^{[ 3 ]}

Los frenos magnéticos de vía se distinguen entre imanes rígidos y articulados. ^{[ 4 ]}

El 5 de abril de 1900, la empresa Westinghouse Air Brake Company de Londres registró la patente (AT11554) del primer freno electromagnético para vehículos ferroviarios . Tres años después, la misma empresa introdujo en Alemania el freno electromagnético de vía.

El freno de magnesio se caracterizaba por tener electroimanes magnetizados en distintos grados mediante bobinas de excitación, lo que hacía que la fuerza de frenado dependiera de la intensidad de la corriente de frenado. Incluso el número de espiras de las bobinas de excitación variaba para poder regular la fuerza de frenado. Por lo tanto, el freno de vía también estaba equipado con varias zapatas para adaptarse a posibles irregularidades en los raíles.

En 1905, la compañía ferroviaria Rhine Railway Company realizó las primeras pruebas . Se trataba de imanes de vía con una fuerza de atracción de aproximadamente 4 kN , que descendían automáticamente sobre los raíles al conectar la corriente, ejerciendo presión sobre las zapatas de freno y las ruedas de los vagones mediante un mecanismo de palanca. En aquel entonces, aún no se comprendía que los frenos de vía debían funcionar independientemente de la fricción entre el raíl y la rueda.

En 1908, el Sr. Jores asumió la representación de Westinghouse para los frenos de vía en Alemania y desempeñó un papel fundamental en su continuidad. Tras la Primera Guerra Mundial, Jores dirigió la producción de sus propios frenos de vía una vez expirados los derechos de patente. Estos frenos se basaban en planos de Westinghouse y se fabricaron hasta 1929 sin grandes modificaciones. La característica principal de los frenos de vía en aquella época eran las zapatas, fabricadas con un perfil laminado especial.

En 1920, la Magnetic Brake Company, dirigida por el Sr. M. Müller, lanzó al mercado frenos de vía. Müller intentó mejorar el freno de vía con nuevos diseños. Por ejemplo, sustituyó la zapata perfilada por una zapata polar fabricada con hierro plano disponible comercialmente. Hasta entonces, los frenos de vía solo se habían utilizado en tranvías y, por lo tanto, para velocidades de hasta 40 km/h (25 mph) .  

A principios de 1930, los Ferrocarriles Imperiales Alemanes pusieron en marcha un proyecto ferroviario de alta velocidad que preveía velocidades de hasta 160 km/h (99 mph) y que iba a ser de gran importancia para el frenado de vía.  

En 1931, la empresa de Jores fue adquirida por Knorr-Bremse AG, y el director técnico Müller, de la Magnetic Brake Company, se unió a la compañía. Por primera vez, el freno de vía para vehículos de alta velocidad se desarrolló dentro de Knorr-Bremse. En colaboración con los Ferrocarriles Imperiales Alemanes, se realizaron las primeras pruebas con el tren "Flying Hamburgian" . Para el frenado, se utilizaron pastillas especiales con revestimientos de materiales de fricción sintéticos, que actuaban sobre tambores de freno y estaban fijadas a los soportes de las ruedas. También se disponía de un freno de vía electromagnético, que, sin embargo, solo debía utilizarse como freno de emergencia adicional.

Se hizo evidente que la zapata polar utilizada hasta entonces ya no podía soportar las exigencias de la alta velocidad y el consiguiente aumento de temperatura. Por lo tanto, las zapatas polares se cortaron, se dividieron y se fabricaron a partir de segmentos individuales. Esto aumentó el rendimiento del freno en un 20 %. La bobina se fijó al núcleo y luego se insertó en la caja desde el extremo junto con el núcleo. La caja de la bobina se atornilló firmemente entre el núcleo y las nervaduras de la bobina magnética, lo que imposibilitó su aflojamiento. El desarrollo del freno de vía parecía haber concluido por el momento.

El coeficiente de fricción entre la zapata y el riel depende de la velocidad; es decir, a mayor velocidad, menor coeficiente de fricción. Cuando el proyecto "velocidad de hasta 350 km/h" se hizo oficial, parecía que el freno de vía ya no sería útil para este propósito.

No fue hasta que la velocidad de los trenes de pasajeros superó los 140 km/h (87 mph) y se hizo necesario un sistema de frenado independiente de la fricción que se retomaron los planes para el freno de vía y se mejoró el diseño. Para mejorar las superficies de contacto con el riel, se desarrollaron y patentaron imanes articulados. ^{[ 5 ]} Los frenos magnéticos solo se activan por encima de los 50 km/h para el frenado de emergencia, y permanecen adheridos al riel incluso después de que se haya superado esa velocidad mínima, de modo que permanecen parcialmente activos hasta poco antes de la parada completa, momento en el que se levantan automáticamente. ^{[ 6 ] [ 7 ]}  

El componente principal del freno magnético de vía es el imán de freno. Siguiendo el principio de un electroimán , consta de una bobina enrollada alrededor de un núcleo de hierro, que está rodeado por imanes en forma de herradura.

Se hace pasar corriente continua a través de esta bobina magnética, generando un campo magnético . Esto provoca una fuerza de atracción entre el imán del freno, con las zapatas polares adheridas, y el riel. Las zapatas polares se presionan contra el riel, y la fricción resultante convierte la energía cinética del movimiento en calor ( disipación ) hasta que se consume la energía cinética o se desactiva el freno. ^{[ 8 ]}

Los frenos magnéticos de vía también deben funcionar de forma segura en caso de fallo de la línea de contacto. Por lo tanto, el sistema de frenado debe diseñarse de manera que, en caso de fallo eléctrico, se garantice en todo momento el suministro de energía procedente de las baterías del vehículo .

Los imanes rígidos contienen un único núcleo de acero que recorre toda la longitud del cuerpo del imán, con zapatas polares ubicadas en la parte inferior como piezas de desgaste. ^{[ 9 ]}

Los imanes rígidos se utilizan normalmente en los tranvías, donde suelen estar suspendidos en una posición baja.

Los imanes articulados tienen núcleos magnéticos divididos en dos piezas terminales y varios eslabones intermedios separados por tabiques. Mientras que las piezas terminales están firmemente atornilladas al cuerpo de la bobina, los elementos intermedios pueden moverse libremente en las aberturas de la carcasa de la bobina. De esta manera, pueden adaptarse mejor a las irregularidades de los rieles durante el proceso de frenado. ^{[ 14 ]}

Las zapatas polares en los frenos magnéticos de vía pueden estar hechas de diferentes materiales. Estos difieren principalmente en sus propiedades magnéticas, coeficiente de fuerza de frenado y desgaste . ^{[ 21 ]}

Muchos vehículos ferroviarios cuentan con frenos magnéticos de vía. Por razones técnicas, solo los trenes de alta velocidad utilizan frenos de corrientes de Foucault en lugar de frenos magnéticos de vía. En el Reino Unido, los vehículos ferroviarios pesados ​​no suelen utilizar frenos magnéticos de vía, ya que pueden interferir con los sistemas de señalización.

Los imanes rígidos suelen estar suspendidos en la parte baja del vehículo y se utilizan en tranvías. En casos especiales, es posible el uso de barras de acoplamiento.

Los imanes articulados suelen estar suspendidos a gran altura y se utilizan en las principales líneas ferroviarias. Sin embargo, también pueden utilizarse a baja altura, por ejemplo, en el metro .

• freno de corrientes parásitas
• Prueba de frenado para obtener información sobre frenos de deslizamiento y frenos magnéticos .