Fuerza de tracción

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Termo mecánico de ingeniería que se refiere a la cantidad de tracción.

Tal como se utiliza en ingeniería mecánica, el término fuerza de tracción puede referirse a la tracción total que ejerce un vehículo sobre una superficie o a la cantidad de tracción total que es paralela a la dirección del movimiento. En ingeniería ferroviaria, el término esfuerzo de tracción se utiliza a menudo como sinónimo de fuerza de tracción para describir la capacidad de tracción o empuje de una locomotora. En ingeniería automotriz, los términos son distintivos: el esfuerzo de tracción es generalmente mayor que la fuerza de tracción por la cantidad de resistencia a la rodadura presente, y ambos términos son mayores que la cantidad de tracción de la barra de tiro por la resistencia total presente (incluida la resistencia del aire y la pendiente). El valor de la fuerza de tracción publicado para cualquier vehículo puede ser teórico (es decir, calculado a partir de propiedades mecánicas conocidas o implícitas) u obtenerse mediante pruebas en condiciones controladas. La discusión aquí cubre el uso del término en aplicaciones mecánicas en las que la etapa final del sistema de transmisión de potencia es una o más ruedas en contacto por fricción con una carretera o vía de ferrocarril.

Definición del esfuerzo de tracción

El término esfuerzo de tracción suele calificarse como esfuerzo de tracción inicial, esfuerzo de tracción continuo y esfuerzo de tracción máximo.. Estos términos se aplican a diferentes condiciones de funcionamiento, pero están relacionados por factores mecánicos comunes: par de entrada a las ruedas motrices, diámetro de la rueda, coeficiente de fricción ( $μ$ ) entre las ruedas motrices y la superficie de apoyo, y el peso aplicado a las ruedas motrices ( $mg$ ). El producto de $μ$ y $mg$ es el factor de adherencia, que determina el par máximo que se puede aplicar antes de que las ruedas patinen o patinen.

Comenzar un esfuerzo tractivo: Comenzar el esfuerzo del tracto es la fuerza del tracto que se puede generar en un standstill. Esta figura es importante en los ferrocarriles porque determina el peso máximo del tren que una locomotora puede poner en movimiento.
Máximo esfuerzo del tracto: El esfuerzo tractivo máximo se define como la fuerza tractiva más alta que se puede generar bajo cualquier condición que no sea perjudicial para el vehículo o la máquina. En la mayoría de los casos, el esfuerzo máximo del tracto se desarrolla a baja velocidad y puede ser el mismo que el esfuerzo inicial del tracto.
Esfuerzo tractivo continuo: El esfuerzo tractivo continuo es la fuerza del tracto que se puede mantener indefinidamente, a diferencia del esfuerzo tractivo más elevado que se puede mantener durante un período limitado de tiempo antes de que el sistema de transmisión de energía se sobrecaliente. Debido a la relación entre el poder ( $P$ ), velocidad ( $v$ ) y fuerza ( $F$ ), descrito como:

{displaystyle P=vF}

{displaystyle {frac {P}{v}}=F.}

El esfuerzo de tracción varía inversamente con la velocidad en cualquier nivel dado de potencia disponible. El esfuerzo de tracción continuo a menudo se muestra en forma de gráfico en un rango de velocidades como parte de una curva de esfuerzo de tracción.

Los vehículos que tienen un acoplamiento hidrodinámico, un multiplicador de par hidrodinámico o un motor eléctrico como parte del sistema de transmisión de potencia también pueden tener una clasificación de esfuerzo de tracción continuo máximo, que es la fuerza de tracción más alta que se puede producir para un corto período de tiempo sin causar daños a los componentes. El período de tiempo durante el cual se puede generar con seguridad el máximo esfuerzo de tracción continuo suele estar limitado por consideraciones térmicas. como el aumento de temperatura en un motor de tracción.

Curvas de esfuerzo de tracción

Las especificaciones de las locomotoras a menudo incluyen curvas de esfuerzo de tracción, que muestran la relación entre el esfuerzo de tracción y la velocidad.

La forma del gráfico se muestra a la derecha. La línea AB muestra el funcionamiento con el esfuerzo de tracción máximo, la línea BC muestra el esfuerzo de tracción continuo que es inversamente proporcional a la velocidad (potencia constante).

Las curvas de esfuerzo de tracción a menudo tienen gráficos de resistencia a la rodadura superpuestos: la intersección del gráfico de resistencia a la rodadura y el gráfico de esfuerzo de tracción da la velocidad máxima en pendiente cero (cuando el esfuerzo de tracción neto es cero).

Vehículos ferroviarios

Para arrancar un tren y acelerarlo a una velocidad determinada, las locomotoras deben desarrollar suficiente fuerza de tracción para superar la resistencia del tren, que es una combinación de la fricción del cojinete del eje, la fricción del ruedas sobre los rieles (que es sustancialmente mayor en vías curvas que en vías tangentes) y la fuerza de gravedad si está en pendiente. Una vez en movimiento, el tren desarrollará una resistencia adicional a medida que acelera debido a las fuerzas aerodinámicas, que aumentan con el cuadrado de la velocidad. La resistencia también se puede producir a gran velocidad debido a la oscilación del camión (bogie), lo que aumentará la fricción de rodadura entre las ruedas y los rieles. Si la aceleración continúa, el tren eventualmente alcanzará una velocidad a la cual la fuerza de tracción disponible de la(s) locomotora(s) compensará exactamente la resistencia total, provocando que cese la aceleración. Esta velocidad máxima aumentará en una bajada debido a que la gravedad ayuda a la fuerza motriz, y se reducirá en una mejora debido a que la gravedad se opone a la fuerza motriz.

El esfuerzo de tracción se puede calcular teóricamente a partir de las características mecánicas de una locomotora (por ejemplo, presión de vapor, peso, etc.) o mediante pruebas reales con sensores de tensión de la barra de tiro y un vagón dinamómetro. Potencia en ferrocarril es un término ferroviario para referirse a la potencia disponible para tracción, es decir, la potencia disponible para impulsar el tren.

Locomotoras de vapor

Se puede obtener una estimación del esfuerzo de tracción de una locomotora de vapor de un solo cilindro a partir de la presión del cilindro, el diámetro interior del cilindro, la carrera del pistón y el diámetro de la rueda. El par desarrollado por el movimiento lineal del pistón depende del ángulo que forma la varilla motriz con la tangente del radio de la rueda motriz. Para un valor más útil se utiliza un valor promedio sobre la rotación de la rueda. La fuerza motriz es el par dividido por el radio de la rueda.

Como aproximación, se puede utilizar la siguiente fórmula (para una locomotora de dos cilindros):

{displaystyle t={frac {d^{2}sp}{w}}times 0.85,}

dónde

t es un esfuerzo tractivo
d es el diámetro del pistón en pulgadas (bore)
s carrera del pistón en pulgadas
p es la presión de trabajo en libras por pulgada cuadrada
w es el diámetro de las ruedas de conducción en pulgadas

La constante 0,85 era el estándar de la Asociación de Ferrocarriles Americanos (AAR) para tales cálculos, y sobreestimaba la eficiencia de algunas locomotoras y subestimaba la de otras. Probablemente se subestimaron las locomotoras modernas con rodamientos de rodillos.

Los diseñadores europeos utilizaron una constante de 0,6 en lugar de 0,85, por lo que ambas no se pueden comparar sin un factor de conversión. En Gran Bretaña, los ferrocarriles principales generalmente utilizaban una constante de 0,85, pero los constructores de locomotoras industriales solían utilizar una cifra más baja, normalmente 0,75.

La constante c también depende de las dimensiones del cilindro y del tiempo en que las válvulas de entrada de vapor están abiertas; Si las válvulas de entrada de vapor se cierran inmediatamente después de obtener la presión total del cilindro, se puede esperar que la fuerza del pistón haya disminuido a menos de la mitad de la fuerza inicial. dando un valor c bajo. Si las válvulas de los cilindros se dejan abiertas por más tiempo, el valor de c se acercará más a uno.

Tres o cuatro cilindros (simple)

El resultado debe multiplicarse por 1,5 para una locomotora de tres cilindros y por dos para una locomotora de cuatro cilindros.

Alternativamente, el esfuerzo de tracción de todos los tipos 'simples' (es decir, no compuestas) las locomotoras se pueden calcular así:

${displaystyle t={frac {0.85d^{2}nsp}{2w}},}$

dónde

t es un esfuerzo tractivo
n es el número de cilindros
d es el diámetro del pistón en pulgadas
s carrera del pistón en pulgadas
p es la presión máxima de caldera en psi
w es el diámetro de las ruedas de conducción en pulgadas

Cilindros múltiples (completo)

Para otros números y combinaciones de cilindros, incluidos motores de doble y triple expansión, el esfuerzo de tracción se puede estimar sumando los esfuerzos de tracción debidos a los cilindros individuales a sus respectivas presiones y carreras de cilindros.

Valores y comparaciones de locomotoras de vapor

El esfuerzo de tracción es la cifra que a menudo se cita al comparar las potencias de las locomotoras de vapor, pero es engañosa porque el esfuerzo de tracción muestra la capacidad de arrancar un tren, no la capacidad de remolcarlo. Posiblemente el mayor esfuerzo de tracción jamás reclamado fue el de la locomotora Triplex 2-8-8-8-4 del Virginian Railway, que en modo de expansión simple tenía un T.E. inicial calculado. de 199.560 lbf (887,7 kN), pero la caldera no podía producir suficiente vapor para transportar a velocidades superiores a 5 mph (8 km/h).

De las locomotoras de vapor más exitosas, aquellas con el esfuerzo de tracción inicial más alto fueron las 2-10-10-2 de la clase AE de Virginian Railway, con 176 000 lbf (783 kN) en modo de expansión simple (o 162 200 lb si se calcula por la fórmula habitual). Los Union Pacific Big Boys tuvieron un T.E. de 135,375 lbf (602 kN); el Norfolk & Las clases 2-8-8-2 de Western Y5, Y6, Y6a y Y6b tuvieron un T.E. de 152.206 lbf (677 kN) en modo de expansión simple (posteriormente modificado a 170.000 lbf (756 kN), afirman algunos entusiastas); y el Duplex Q2 de carga del Ferrocarril de Pensilvania alcanzó 114.860 lbf (510,9 kN, incluido el propulsor), el más alto para una locomotora de estructura rígida. Las locomotoras de pasajeros de dos cilindros posteriores tenían generalmente entre 40.000 y 80.000 lbf (170 a 350 kN) de T.E.

Locomotoras diésel y eléctricas

Para una locomotora eléctrica o una locomotora diésel-eléctrica, el esfuerzo de tracción inicial se puede calcular a partir de la cantidad de peso sobre las ruedas motrices (que puede ser menor que el peso total de la locomotora en algunos casos), el par de pérdida combinado de la tracción motores, la relación de transmisión entre los motores de tracción y los ejes, y el diámetro de las ruedas motrices. Para una locomotora diésel-hidráulica, el esfuerzo de tracción inicial se ve afectado por el par de pérdida del convertidor de par, así como por el engranaje, el diámetro de las ruedas y el peso de la locomotora.

Hay (1978) expresó la relación entre potencia y esfuerzo de tracción como

{displaystyle t={frac {PE}{v}},}

dónde

t es un esfuerzo de alcance, en newtons (N)
P es el poder en watts (W)
E es la eficiencia, con un valor sugerido de 0,82 para contabilizar las pérdidas entre el motor y el ferrocarril, así como la energía desviada a sistemas auxiliares como la iluminación
v es la velocidad en metros por segundo (m/s)

Las locomotoras de mercancías están diseñadas para producir un esfuerzo de tracción máximo mayor que las unidades de pasajeros de potencia equivalente, lo que es necesario debido al peso mucho mayor típico de un tren de mercancías. En las locomotoras modernas, el engranaje entre los motores de tracción y los ejes se selecciona para adaptarse al tipo de servicio en el que se operará la unidad. Como los motores de tracción tienen una velocidad máxima a la que pueden girar sin sufrir daños, el engranaje para un mayor esfuerzo de tracción se realiza a expensas de la velocidad máxima. Por el contrario, el engranaje utilizado en las locomotoras de pasajeros favorece la velocidad sobre el esfuerzo de tracción máximo.

Las locomotoras eléctricas con bogies monomotores a veces están equipadas con engranajes de dos velocidades. Esto permite un mayor esfuerzo de tracción para transportar trenes de mercancías pero a velocidad reducida. Los ejemplos incluyen las clases SNCF BB 8500 y BB 25500.

Referencias y notas

Notas

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