Tracción Eléctrica y Tipos de Carriles en Ferrocarriles: Comparativa y Desgaste

Tracción Eléctrica y Alimentación por Tercer Carril

La implementación de la alimentación por tercer carril presenta tanto ventajas como inconvenientes significativos en el ámbito ferroviario:

• Inconvenientes (I): Riesgo de electrocución, estorbo en playas de vías y en las estaciones, problemas en los pasos a nivel, posibilidad de arco eléctrico, y sensibilidad al hielo y a la nieve.
• Ventajas (V):
  • Rigidez: Gracias a la cual no experimenta deformaciones sensibles, ni por su peso, ni por el paso de los elementos de toma de corriente.
  • Economía: El acero tiene una capacidad portante muy superior al cobre en lo referente al paso de electricidad.
  • Gálibo: Es muy inferior al de la catenaria, algo que hay que tener muy en cuenta en el metropolitano.

Comparación de los Diversos Sistemas de Tracción

Previo a realizar un análisis sobre los gastos de tracción eléctrica, es importante destacar que los gastos de las instalaciones fijas de alimentación de energía y de equipamiento de la vía son importantes y son independientes del tráfico. En cambio, los gastos de adquisición de las locomotoras eléctricas son proporcionales al tráfico.

Conociendo estos gastos de establecimiento, podemos decir que las economías de explotación se encuentran en el consumo, en la conducción y en el mantenimiento de las máquinas. Con bastante aproximación podemos admitir que las economías de la tracción eléctrica con respecto a la tracción a vapor son del 60% en el consumo energético, el 50% en los gastos de personal y conducción, y el 80% en el mantenimiento de las locomotoras.

Con respecto a la tracción diésel, las economías se encuentran en la energía y en el mantenimiento, aun a menor escala que con respecto a la tracción a vapor. En el estudio económico de una línea ferroviaria no solo hay que tener en cuenta los gastos de explotación, sino también los gastos de inversión de primera instalación; es en este aspecto donde la tracción eléctrica sale peor parada.

En el caso de la tracción eléctrica, como hemos señalado antes, los gastos de instalaciones y equipamiento de la vía son elevados e independientes del tráfico, siendo solo las locomotoras adquiridas proporcionales al tráfico. Por el contrario, en la tracción diésel o vapor, las inversiones requeridas se limitan a los talleres de mantenimiento del parque motor y a los puntos de suministro de combustible.

En el caso de una línea electrificada, resultará rentable si existe un tráfico que suponga unas economías en la explotación que compensen los gastos de amortización de las instalaciones fijas requeridas.

Umbral de Rentabilidad

Llegamos a la evidencia de que electrificar una línea será rentable si existe un tráfico que suponga una economía en la explotación que compense los gastos de amortización de las instalaciones fijas requeridas. Surge así el concepto de “umbral de rentabilidad”. Mediante una representación simple exponemos gráficamente esta idea.

En la tracción eléctrica, encontraremos una recta inclinada cuya coordenada en el origen es importante: es la parte de las cargas de capital, independientes del tráfico. En la tracción a vapor, se encontrará por el contrario una recta mucho más vertical, señalando costos de explotación mucho más elevados, pero con una ordenada en el origen prácticamente nula.

La abscisa del punto de intersección de la recta “vapor” con la “eléctrica” define el umbral de tráfico a partir del cual los gastos totales anuales son más pequeños en tracción eléctrica que en vapor. Si se buscara la misma representación para la tracción diésel, se encontraría, como para la de vapor, una recta cuya ordenada en el origen es pequeña, pero con una pendiente intermedia entre la de vapor y la eléctrica. El umbral de tráfico aparece más elevado que el precedente, ya a partir del cual la electrificación se convierte en más económica que la diéselización.

Comparación Técnica entre la Tracción Eléctrica y la Diésel

Si ha quedado claro que el volumen del tráfico es un factor decisivo a la hora de decidir el tipo de tracción, existen además una serie de razones que militan a favor de la tracción eléctrica frente a la diésel:

1. Técnicas

La locomotora diésel ofrece potencias específicas todavía sensiblemente inferiores a las de las locomotoras eléctricas. Todavía es necesario añadir que la locomotora eléctrica es capaz de sobrecargas de servicio momentáneas superiores al de su régimen nominal, utilizables en el arranque o para franquear rampas cortas.

El motor diésel, al contrario, debe ser manejado ateniéndose a una tasa de utilización moderada de su potencia nominal. En las líneas que discurren por zonas de cota elevada sobre el nivel del mar y a pesar de la sobrealimentación, la locomotora diésel acusa pérdidas de potencia.

En los casos de calefacción de trenes de viajeros y si los coches no poseen un medio de calefacción autónomo, es necesario, en tracción diésel, proveer o bien de un calderón a bordo de la locomotora, o bien de un furgón calderón, o asegurar una calefacción alimentada por un grupo electrógeno (solución última que se generaliza actualmente).

Para el servicio de líneas de cercanías de las grandes ciudades, la tracción eléctrica constituye la solución más general adoptada, en razón de la flexibilidad de explotación.

2. De Explotación

La ventaja de la tracción eléctrica frente a la de vapor o a la diésel en cuanto al mantenimiento de las locomotoras es notable: el número de kilómetros que una máquina eléctrica puede recorrer sin tener necesidad de revisión de mantenimiento es superior a las diésel, y muy superior a las de vapor. Por otro lado, la duración del motor eléctrico también es superior a la de otros sistemas de tracción.

En cuanto a la conducción, los gastos de la tracción eléctrica y la diésel son parejos en la actualidad, pero el futuro de la conducción automática de trenes da ventaja a la eléctrica, que es mucho más adaptable a estos sistemas.

Por otro lado, las locomotoras de carbón se veían obligadas a transportar y usar el combustible, necesitando además transportar el agua, lo que restaba eficacia tractora.

3. Sociales y Energéticas

Desde el momento en que un sistema técnico permite el aprovechamiento de los recursos del país, estamos obteniendo con él un beneficio que, al ser disfrutado por la comunidad entera, puede ser catalogado como social. Por otra parte, las ventajas en cuanto a la polución, tanto atmosférica como sonora, tienen un indudable carácter social, aunque todavía no se valoren adecuadamente.

4. Inconvenientes

Se deduce que el mayor inconveniente de la tracción eléctrica es la gran inversión inicial a la que obliga, lo cual hace que no se alcance el umbral de la rentabilidad anteriormente citado.

Sección Transversal de Carriles: V e I, Desgaste

Sección Transversal

• Variable: En el comienzo del uso de locomotoras, el carril, para adaptarse a esfuerzos, presentaba una sección variable, por lo que se le denominó carril con vientre de pez. Sus extremos se colocaban sobre piedras; luego se cambió pasando a apoyarse sobre elementos metálicos y, finalmente, sobre traviesas. Las dificultades de fabricación eliminaban su pretendida economía y desapareció su uso.
• Constante: Su sección responde a sus funciones, que son:
  1. La de viga: ha de soportar las cargas verticales y transversales, por lo que convendría un doble “T”.
  2. La de guía de las ruedas: habrá de disponer de una cabeza de forma conveniente.

Los dos tipos de carril que han permanecido son el carril bull-head y el carril vignole.

Carril Bull-Head

En el carril bull-head la fijación se realiza por medio de unos cojinetes de fundición dentro de los cuales se mantiene el carril mediante una cuña de madera o metálica. Los ha habido simétricos y disimétricos. El primero tuvo su justificación en la creencia de que los carriles, una vez desgastados, su cabeza podría invertirse. No se pudo hacer, ya que sobre la cabeza inferior aparecían huellas o entalladuras. El segundo sí se empleó: era económico, ya que no hacía falta en la cabeza inferior material para el desgaste.

Las Ventajas (V) de este carril sobre el “vignole” son:

1. Mejor repartición de la materia entre las dos cabezas y el alma, por lo que la laminación, enfriamiento y enderezamiento del carril se hace en condiciones más favorables.
2. Menor tendencia al arrancamiento de los tirafondos, ya que el esfuerzo de levantamiento de las traviesas al paso de las cargas se hace sentir con menor intensidad, porque el carril se sujeta por una cuña que presenta siempre cierta elasticidad e impide que se aflojen los tirafondos.
3. Mayor facilidad de renovación de la vía o sustitución de los carriles, puesto que las traviesas vienen ya con los cojinetes sujetos y solo queda por hacer la colocación del carril y su sujeción por medio de la cuña, con menores gastos de conservación de este tipo de unión.
4. Mayor estabilidad bajo los esfuerzos transversales.
5. Posibilidad, gracias al cojinte —cuya superficie de apoyo puede llegar a 680 cm²—, de utilización de traviesas de madera blanda, lo que no es posible con el “vignole” si reposa directamente el patín sobre la traviesa.

Los Inconvenientes (I) de este carril sobre el “vignole” son:

1. El coste del cojinete.
2. La dificultad de conservar la alineación de la vía.

Por esto, el más usado es el carril “vignole”.

Tipos de Carril

• Carril “Vignole”: Cabeza, alma, pie o patin.
• Carril de garganta o estuario: No supone obstáculo a la rodadura del vehículo de carretera al disponerse según la figura, y cuyo empleo es más económico que la solución de emplear contracarriles.
• Carril larguero Haarmann: Por su altura permite establecer cómodamente el adoquinado; está prácticamente en desuso.
• Carril Brunel: Es de reducida altura, un vignole al que se le suprime el alma, y se emplea en aparatos y accesorios de vía como placas y puentes giratorios (están desapaeciendo por ocupar mucho espacio; los hay para zonas de maniobra y también en triángulos de giro).

Desgaste de los Carriles

Se define como el cambio de dimensionamiento que sufre el carril, eliminándose material del perfil de la cabeza del carril por la acción de las ruedas de los vehículos. La rueda en la rodadura solicita al carril con compresiones, tracciones, flexiones, torsiones y choques repetidos. Mayor importancia tienen las solicitaciones laterales ejercidas sobre el carril por las pestañas.

Todos estos esfuerzos producen la erosión de la superficie de rodadura de los carriles, así como de su cara interna, dando lugar a un desgaste más o rápido según las siguientes características en las que se desarrolle el servicio ferroviario, es decir:

• El trazado de la vía.
• La estructura de la vía y su estado de conservación.
• El peso y la velocidad de los trenes.
• Las presiones en el sentido vertical y horizontal de la rueda sobre el carril.
• La composición química y características físicas de los materiales constitutivos de rueda y carril.

Desgaste Vertical

Es la pérdida de la cabeza del carril; lo produce la abrasión causada por las ruedas y, principal y especialmente, la corrosión, pues el efecto primero elimina la protección que el propio óxido daría al resto del carril si no se eliminara al paso de las circulaciones. Se mide por la expresión de Dearden, que relaciona los milímetros de desgaste producidos por el paso de un millón de ejes en función de la densidad de tráfico medida en el número de millones de ejes que pasan por el lugar de estudio al año.

Desgaste Lateral

Tiene lugar en la cara interna de los carriles en aquellos puntos en que es frecuente el contacto entre la pestaña y el carril, es decir, en las curvas y alineaciones rectas debido a irregularidades producidas por una mala conservación de la vía. Este desgaste es especialmente peligroso.

Desgaste Plástico

Es consecuencia de la deformación plástica de la superficie de rodadura del carril, que comienza por la formación de una ranura en el lado interior de la cabeza del carril debajo de la zona cubierta por la pestaña. A continuación, se forma un reborde de 5 mm de grosor que sobresale por la parte exterior de la cabeza del carril.

En algunas ocasiones, esta deformación dará lugar a la formación de finas láminas de acero que se desprenden de la superficie de rodadura, formando lajas que sobresalen del borde interior de la cabeza del carril.

Duración de los Carriles

En general, los carriles se retiran de la vía cuando alcanzan un desgaste prefijado según el tipo de carril y el servicio de la línea. El desgaste de los carriles se mide por plantillas o por calibre (trokitromógrafo).