Locomotora de 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 diésel y eléctricas

Origen

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, 25 años antes de la máquina de Stephenson. Esta máquina tenía un solo cilindro, disponía de un volante de inercia y la transmisión de fuerza a las ruedas se realizaba por engranajes. La locomotora de Trevithick no fue incorporada al ferrocarril debido a que los railes de hierro fundido no soportaron el peso de la máquina y se dañaron en los tres viajes de prueba realizados entre las minas de hierro de Penydarren y el Canal Methry-Cardiff.

Se continuó utilizando la fuerza animal para el arrastre de los vagones, hasta que la escasez de caballos y sus altos costos debido a las guerras napoleónicas obligan a volver la mirada otra vez hacia las locomotoras. En 1811 John Blenkinsop patenta el sistema de cremallera para locomotora. Finalmente en 1812 Matthew Murray diseña y construye la locomotora "The Salamanca" 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 máquina. Si la locomotora era demasiado ligera no tenía suficiente adherencia, sus ruedas motrices patinaban y no conseguía arrastrar la carga. Por el contrario, si la máquina pesaba demasiado, mejoraba la adherencia pero dañaba los railes. "The Salamanca" solucionaba estos inconvenientes.

En 1826 se inicia la construcción de la primera línea férrea del mundo entre dos ciudades: Liverpool y Manchester. El diseño de la línea 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 máquinas fijas repartidas a lo largo del recorrido, una por cada kilómetro, 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 línea. El ganador se llevaría 500 libras esterlinas y un lugar en la historia. Muchos proyectos como el "Cycloped" no son admitidos en el concurso, un artilugio de tracción animal de Thomas Shan Brandreth o la locomotora "Perseverance" de Timothy Burstall, que no alcanzó la velocidad mínima exigida para la prueba. Finalmente compitieron tres locomotoras, La "Rocket" de George y Robert Stephenson (padre e hijo), la "Sans Pareil" de Timothy Hackworth y la "Novelty" del sueco John Ericsson y el británico John Braithwaite. La ganadora fue la "Rocket" porque sus rivales no consiguieron terminar la prueba por avería en las máquinas, como la "Sans Pareil" que tenía un cilindro defectuoso 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.

Fabricación de locomotoras

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.

Tipos de locomotoras

• Locomotora compound. La del sistema de este nombre en la cual el vapor obra a plena presión en un primer cilindro y se distiende en seguida en un segundo cilindro. Con su empleo no es necesario el acoplamiento de ejes pues cada cilindro puede accionar directamente uno de ellos.
• Locomotora ténder. La que lleva consigo el carbón. Solo se emplea en trechos pequeños o para las maniobras de las estaciones.

• Locomotora de vía estrecha. Se llaman así las máquinas que circulan por este tipo de vías. Se considera vía estrecha a aquélla que tiene menos de 1.435 mm. La mayoría de las vías estrechas existentes tienen 1.067 mm o menos.

• Locomotora de mercancías. La más larga y pesada. Posee varios ejes acoplados con ruedas de alrededor de 1,3 m, y se utiliza para baja velocidad y gran fuerza de tracción.
• Locomotora de viajeros. La caracterizada por el empleo de grandes ruedas de casi dos metros de diámetro con dos ejes acoplados. Un tercer eje libre lleva dos ruedas pequeñas o bien un boje con cuatro ruedas móviles alrededor de un tornillo maestro. Pesa de 30 a 40 toneladas y está provista de freno maestro.
• Locomotora mixta. La destinada a remolcar trenes mixtos. Posee generalmente tres ejes acoplados con ruedas de 1,50 m. Pesa unas 40 toneladas y también lleva freno instantáneo.

Rendimiento de las locomotoras

Se utilizaban generalmente dos tipos de medidas para definir el rendimiento de las locomotoras. Al principio se las clasificaba por su esfuerzo de tracción: la máxima fuerza ejercida por la locomotora para arrastrar el tren. Esto podía calcularse, aproximadamente, multiplicando el área total del pistón por la presión de la caldera y dividiendo por el cociente entre el diámetro de la rueda motriz y el recorrido del pistón. El esfuerzo de tracción es el principal factor para catalogar a una locomotora en términos de cuán pesado es el tren que puede arrastrar por una zona concreta. Al entrar en el siglo XX comenzó a considerarse que el esfuerzo de tracción no era la medida más adecuada del rendimiento porque no tenía en cuenta la velocidad, y las locomotoras empezaron a medirse por la potencia que desarrollaban. Se emplearon varias fórmulas para calcularla pero, en general, las compañías de ferrocarril utilizaron los llamados vagones dinamométricos para medir la potencia real, con la locomotora en marcha.

Dadas unas proporciones adecuadas del resto de la locomotora, la potencia resultante viene determinada por el tamaño del fuego y, por lo tanto, por el área de la parrilla del hogar. La fuerza de tracción, como se ha indicado anteriormente, viene determinada por la presión de la caldera, las proporciones del cilindro y el tamaño de las ruedas motrices. Sin embargo, también está limitada por el peso sobre las ruedas motrices (denominado peso adherente), que ha de ser al menos cuatro veces el esfuerzo de tracción.

A finales del siglo XIX, las locomotoras comenzaron a divergir: en las locomotoras de trenes de mercancías, se consideraba el esfuerzo de tracción, mientras que en las de pasajeros, se valoraba más la velocidad. Las locomotoras de mercancías aumentaron el número de ejes motrices, mantuvieron un boje delantero de un solo eje y, cuando ya en el siglo XX, el gran aumento de tamaño del hogar hizo que éste ya no pudiera acomodarse sobre las ruedas motrices, colocaron un bisel trasero para proporcionar apoyo. Las locomotoras de trenes de pasajeros tenían, generalmente, un boje delantero de dos ejes para mejorar el trazado de las curvas a cierta velocidad, menos ejes que las de mercancías y ruedas motrices muy grandes para que las piezas con movimiento de vaivén no tuvieran que realizarlo a una velocidad excesiva.

En los años 1920, la atención en los Estados Unidos se centró en la potencia. Los trenes de mercancías debían desplazarse a mayor velocidad y los de pasajeros debían arrastrar un mayor peso manteniendo la velocidad. El tamaño de las parrillas y hogares aumentó sin producirse cambios en el resto de la locomotora, forzando al bisel trasero a incorporar un segundo eje, de modo que las de mercancías 2-8-2 (notación White) se convirtieron en 2-8-4 y las 2-10-2 en 2-10-4. De la misma manera, las de pasajeros 4-6-2 se convirtieron en 4-6-4 y se desarrolló una configuración de locomotora de doble propósito, la 4-8-4, que podía utilizarse tanto para el servicio de mercancías como para el de pasajeros.

El final de la era del vapor

La aparición de las locomotoras diésel-eléctricas en la primera parte del siglo XX aceleró el final de las locomotoras de vapor. No obstante, se emplearon en América del Norte y Europa hasta mediados del siglo y continuaron siendo utilizadas en otros países hasta el final del siglo XX. Aunque pueden ser máquinas bastante sencillas y adaptables a una gran variedad de combustibles, son menos eficientes que los motores diésel o eléctricos y requieren un mantenimiento constante que implica un trabajo considerable. Se debe suministrar agua en muchos puntos a lo largo del recorrido, lo que representa un problema en áreas desérticas o donde el agua de la zona no resulta adecuada. El mecanismo de vaivén de la biela hace que los esfuerzos sobre las ruedas motrices se apliquen a tirones y que éstas golpeen los rieles y los desalineen, haciendo necesario más trabajo de mantenimiento de las vías. Las locomotoras de vapor requieren varias horas de calentamiento de la caldera con el fuego encendido antes de que puedan ser operativas, y al final de la jornada seguir un procedimiento para retirar las cenizas y limpiar la escoria adherida a la parrilla. A diferencia de las locomotoras diésel o eléctricas, cuya puesta en funcionamiento y parada al final del trabajo resulta mucho más rápida y sencilla. Por último, el humo que emiten las locomotoras de vapor puede resultar objetable.

Se ha calculado que el coste en mano de obra y carburante de una locomotora de vapor supera en unas dos veces y media al de una diésel y el kilometraje diario es mucho menor. Hacia el final de las décadas de los sesenta o setenta, la mayoría de los países occidentales ya habían reemplazado totalmente a las locomotoras de vapor en el servicio de pasajeros, pero en el de mercancías se tardó algo más. En India se produjo el cambio de trenes de vapor a los impulsados por motores diésel y eléctricos en la década de los ochenta. En algunas regiones montañosas de gran altitud se continúan usando locomotoras de vapor porque se ven menos afectadas por la reducida presión atmosférica que los motores diésel.

En algunos países el vapor continuó siendo ampliamente utilizado y llegó hasta el final del siglo XX. Las locomotoras diésel eran relativamente caras y en algunas zonas los costes de la mano de obra no eran grandes. Por otra parte, la carestía del petróleo otorgó a otros combustibles cierta ventaja. Un embargo petrolífero combinado con la abundancia de carbón local barato indujo a Sudáfrica a continuar usando locomotoras de vapor hasta los años noventa. China siguió construyendo locomotoras de vapor para sus ferrocarriles hasta finales de siglo e incluso fabricando unos pocos ejemplares para actividades turísticas de Estados Unidos. En 2006, DLM AG (Suiza) continúa fabricando lomotoras nuevas de vapor.

Las enormes subidas de precio del combustible diésel motivaron varias iniciativas para hacer resurgir el vapor, ninguna de ellas con éxito. En los comienzos del siglo XXI, la locomotora de vapor solamente reina en algunas regiones aisladas y en actividades turísticas.

Esquema

Elementos de una locomotora de vapor

1. Hogar 2. Cenicero 3. Agua (interior de la caldera) 4. Caja de humos 5. Cabina 6. Ténder 7. Domo del vapor 8. Válvula de seguridad 9. Regulador 10. Cabecera del recalentador en el conducto principal del vapor 11. Pistón 12. Tobera de salida del vapor 13. Mecanismo de accionamiento de la distribución14. Palanca de accionamiento del regulador 15. Bastidor 16. Bisel posterior 17. Bisel anterior 18.Cojinete y eje de rueda motriz 19. Ballesta 20. Zapata de freno 21. Bomba para el freno de aire 22.Enganche 23. Silbato 24. Domo arenero

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