Cómo Funcionan Las Locomotoras Diesel

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Las locomotoras diesel son algunos de los modos de transporte más frescos que existen. Máquinas gigantes como estas están llenas de golosinas tecnológicas. Explore una locomotora híbrida diesel, desde el motor hasta los controles de ingeniería.

Esta combinación de motor diesel y generadores eléctricos y motores convierte al locomotor en un vehículo híbrido. En este artículo, comenzaremos aprendiendo por qué las locomotoras se construyen de esta manera y por qué tienen ruedas de acero. Luego veremos el diseño y los componentes clave.

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¿Por qué Hybrid? ¿Por qué Diesel?

El motor de 3.200 caballos de fuerza que impulsa el generador principal.

El motor de 3.200 caballos de fuerza que impulsa el generador principal.

La razón principal por la que las locomotoras diesel son híbridas es porque esto elimina la necesidad de una transmisión mecánica, como se encuentra en los automóviles. Empecemos por entender por qué los automóviles tienen transmisiones.

Su automóvil necesita una transmisión debido a la física del motor de gasolina. Primero, cualquier motor tiene una línea roja, un valor máximo de rpm (revoluciones por minuto) por encima del cual el motor no puede funcionar sin explotar. En segundo lugar, si ha leído Cómo funcionan los caballos de fuerza, entonces sabe que los motores tienen un rango estrecho de rpm donde los caballos de fuerza y ​​el par son los máximos. Por ejemplo, un motor puede producir su potencia máxima entre 5.200 y 5.500 rpm. La transmisión permite que la relación de transmisión entre el motor y las ruedas motrices cambie a medida que el automóvil acelera y disminuye la velocidad. Cambia de marcha para que el motor pueda permanecer por debajo de la línea roja y cerca de la banda de rpm de su mejor rendimiento (potencia máxima).

La transmisión de cinco o seis velocidades en la mayoría de los autos les permite ir a 110 mph (177 kph) o más rápido con un rango de velocidad del motor de 500 a 6,000 rpm. El motor de nuestra locomotora diesel tiene un rango de velocidad mucho menor. Su velocidad de ralentí es de alrededor de 269 rpm y su velocidad máxima es de solo 904 rpm. Con un rango de velocidad como este, una locomotora necesitaría 20 o 30 engranajes para llegar a 110 mph (177 kph).

Una caja de cambios como esta sería enorme (tendría que manejar 3.200 caballos de fuerza), complicada e ineficiente. También tendría que proporcionar energía a cuatro juegos de ruedas, lo que aumentaría la complejidad.

Yendo con un híbrido Configuración, el motor diesel principal puede funcionar a una velocidad constante, girando un generador eléctrico. El generador envía energía eléctrica a un motor de tracción en cada eje, que acciona las ruedas. Los motores de tracción pueden producir un par de torsión adecuado a cualquier velocidad, desde una parada completa hasta 110 mph (177 kph), sin necesidad de cambiar de marcha.

¿Por qué Diesel?

Los motores diesel son más eficiente que los motores de gasolina. Una enorme locomotora como esta usa un promedio de 1.5 galones de diesel por milla (352 L por 100 km) cuando remolca alrededor de cinco autos de pasajeros. Las locomotoras que remolcan cientos de vagones de carga completamente cargados usan mucho más combustible que esto, por lo que incluso una disminución de la eficiencia del cinco o el 10 por ciento se agregaría rápidamente a un aumento significativo en los costos de combustible.

Ruedas de acero

Cómo funcionan las locomotoras diesel: locomotoras

¿Alguna vez te preguntaste por qué los trenes tienen? ruedas de acero, en lugar de neumáticos como un coche? Es para reducir fricción rodante. Cuando su automóvil está conduciendo en la autopista, se usa algo como el 25 por ciento de la potencia del motor para empujar los neumáticos en el camino. Los neumáticos se doblan y se deforman mucho a medida que ruedan, lo que consume mucha energía.

La cantidad de energía utilizada por los neumáticos es proporcional al peso que tienen. Dado que un automóvil es relativamente liviano, esta cantidad de energía es aceptable (puede comprar llantas de baja resistencia a la rodadura para su automóvil si desea ahorrar un poco de gasolina).

Dado que un tren pesa miles de veces más que un automóvil, la resistencia a la rodadura es un factor muy importante para determinar cuánta fuerza se necesita para tirar del tren. Las ruedas de acero en el tren viajan en un pequeño parche de contacto: el área de contacto entre cada rueda y la vía es aproximadamente del tamaño de una moneda de diez centavos.

Al utilizar ruedas de acero en una pista de acero, se minimiza la cantidad de deformación, lo que reduce la resistencia a la rodadura. De hecho, un tren es la forma más eficiente de mover mercancías pesadas.

La desventaja de usar ruedas de acero es que no tienen mucho tracción. En la siguiente sección, discutiremos la solución interesante a este problema.

Tracción

Cómo funcionan las locomotoras diesel: cómo

La tracción cuando se da la vuelta no es un problema porque las ruedas del tren tienen bridas que las mantienen en la pista. Pero la tracción al frenar y acelerar es un problema.

Esta locomotora puede generar 64,000 libras de empuje. Pero para que pueda usar este empuje de manera efectiva, las ocho ruedas de la locomotora tienen que poder aplicar este empuje a la pista sin deslizarse. La locomotora utiliza un buen truco para aumentar la tracción.

En frente de cada rueda hay una boquilla que usa aire comprimido para rociar arena, que se almacena en dos tanques de la locomotora. La arena aumenta dramáticamente la tracción de las ruedas motrices. El tren tiene un sistema electrónico de control de tracción que arranca automáticamente los pulverizadores de arena cuando las ruedas se deslizan o cuando el ingeniero hace una parada de emergencia. El sistema también puede reducir la potencia de cualquier motor de tracción cuyas ruedas se estén deslizando.

Ahora vamos a ver el diseño de la locomotora.

El diseño: motor principal y generador

Casi cada pulgada de la locomotora de 54 pies (16.2 m) está repleta de equipo.

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Motor principal y generador

El generador gigante V-12 turbocargado de dos tiempos y eléctrico proporcionan la enorme cantidad de energía necesaria para tirar de cargas pesadas a altas velocidades. El motor solo pesa más de 30,000 libras (13,608 kg) y el generador pesa 17,700 libras (8,029 kg). Hablaremos más sobre el motor y el generador más adelante.

El diseño: cabina y camiones

La vista desde la cabina de la locomotora.

La vista desde la cabina de la locomotora.

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Taxi

La cabina de la locomotora se monta en su propio sistema de suspensión, lo que ayuda a aislar al ingeniero de los golpes. Los asientos también tienen un sistema de suspensión.

Dentro de la cabina hay dos asientos: uno para el ingeniero y otro para el bombero. El ingeniero tiene fácil acceso a todos los controles de la locomotora; El bombero tiene solo una radio y un control de frenos. También dentro del automóvil, justo en la nariz de la locomotora, hay un inodoro.

Camiones

Los camiones son el conjunto completo de dos ejes con ruedas, motores de tracción, engranajes, suspensión y frenos. Discutiremos estos componentes más adelante.

El diseño: potencia, combustible y baterías

Cómo funcionan las locomotoras diesel: cómo

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Unidad de potencia de cabecera

los unidad de potencia de cabecera consiste en otro gran motor diesel, esta vez un Caterpillar V-12 de cuatro tiempos y doble turbo. El motor en sí es más potente que el motor en casi cualquier semi-camión. Acciona un generador que proporciona una alimentación de CA trifásica de 480 voltios para el resto del tren. Este motor y generador proporcionan más de 560 kW de potencia eléctrica al resto del tren, para ser utilizados por los acondicionadores de aire eléctricos, luces e instalaciones de cocina. Al utilizar un motor y un generador completamente separados para estos sistemas, el tren puede mantener a los pasajeros cómodos incluso si falla el motor principal. También disminuye la carga en el motor principal.

Depósito de combustible

Este enorme tanque en la parte inferior de la locomotora tiene 2,200 galones (8.328 l) de combustible diesel. El tanque de combustible está compartimentado, por lo que si algún compartimiento se daña o comienza a gotear, las bombas pueden extraer el combustible de ese compartimiento.

Baterias

La locomotora opera en un sistema eléctrico nominal de 64 voltios. La locomotora tiene ocho baterías de 8 voltios, cada una con un peso de más de 300 kg (300 libras). Estas baterías proporcionan la potencia necesaria para arrancar el motor (tiene un motor de arranque enorme), así como para hacer funcionar la electrónica en la locomotora. Una vez que el motor principal está en funcionamiento, un alternador suministra energía a los componentes electrónicos y las baterías.

Echemos un vistazo más detallado a algunos de los principales sistemas de la locomotora.

El motor y el generador

Cómo funcionan las locomotoras diesel: diesel

El motor principal de esta locomotora es un motor de la serie EMD 710 de General Motors. El "710" significa que cada cilindro en este diesel V-12 turboalimentado de dos tiempos tiene un desplazamiento de 710 pulgadas cúbicas (11.6 L). Eso es más del doble del tamaño de la mayoría de los motores de automóviles V8 de gasolina más grandes, y solo estamos hablando de uno de los 12 cilindros de este motor de 3,200 hp.

Entonces por qué de dos tiempos? Aunque este motor es enorme, si funcionara en el ciclo diésel de cuatro tiempos, como hacen los motores diésel más pequeños, solo alcanzaría la mitad de la potencia. Esto se debe a que con el ciclo de dos tiempos, hay el doble de eventos de combustión (que producen la potencia) por revolución. Resulta que el motor diesel de dos tiempos es mucho más elegante y eficiente que el motor de gasolina de dos tiempos. Vea cómo funcionan los motores diesel de dos tiempos para obtener más detalles.

Cómo funcionan las locomotoras diesel: funcionan

Podría estar pensando, si este motor es aproximadamente 24 veces el tamaño de un gran motor V-8 y usa un ciclo de dos tiempos en lugar de un ciclo de cuatro tiempos, ¿por qué solo genera aproximadamente 10 veces la potencia? La razón es que este motor está diseñado para producir 3.200 CV de forma continua, y dura décadas. Si continuamente manejas el motor en tu auto a plena potencia, tendrías suerte si durara una semana.

Estas son algunas de las especificaciones de este motor:

  • Número de cilindros: 12
  • Índice de compresión: 16:1
  • Desplazamiento por cilindro: 11.6 L (710 in3)
  • Diámetro interior del cilindro: 230 mm (9.2 pulgadas)
  • Carrera del cilindro: 279 mm (11.1 pulgadas)
  • A toda velocidad: 904 rpm
  • Velocidad normal de ralentí: 269 rpm

Este motor gigante está conectado a una igualmente impresionante generador. Tiene aproximadamente 6 pies (1,8 m) de diámetro y pesa aproximadamente 17,700 libras (8,029 kg). ¡En la potencia máxima, este generador produce suficiente electricidad para alimentar un vecindario de aproximadamente 1,000 casas!

Entonces, ¿a dónde va todo este poder? Entra en cuatro, enormes motores eléctricos ubicados en los camiones.

Los Camiones: Propulsión y Suspensión

Cómo funcionan las locomotoras diesel: funcionan

Los camiones son las cosas más pesadas en el tren - cada uno pesa 37,000 libras (16,783 kg). Los camiones hacen varios trabajos. Soportan el peso de la locomotora. Proporcionan la propulsión, las suspensiones y los frenos. Como puedes imaginar, son estructuras tremendas.

Propulsión

los motores de tracción Proporcionar potencia de propulsión a las ruedas. Hay uno en cada eje. Cada motor impulsa un engranaje pequeño, que engrana con un engranaje más grande en el eje del eje. Esto proporciona la reducción de engranajes que permite que el motor conduzca el tren a velocidades de hasta 110 mph.

Cómo funcionan las locomotoras diesel: cómo

Dos de los motores de tracción retirados de un camión.

Cada motor pesa 6,000 libras (2,722 kg) y puede consumir hasta 1,170 amperios de corriente eléctrica.

Suspensión

Los camiones también proporcionan la suspensión para la locomotora. El peso de la locomotora descansa sobre una gran y redonda. cojinete, que permite que los camiones giren para que el tren pueda girar. Debajo del pivote hay un enorme resorte de hojas que descansa sobre una plataforma.La plataforma está suspendida por cuatro, metal gigante. campo de golf, que se conectan al conjunto del camión. Estos enlaces permiten que la locomotora oscile de lado a lado.

Cómo funcionan las locomotoras diesel: motor

El peso de la locomotora descansa sobre el hojas primaverales, que se comprimen cuando pasa por encima de un bache. Esto aísla el cuerpo de la locomotora de la protuberancia. Los enlaces permiten que los camiones se muevan de lado a lado con las fluctuaciones en la pista. La pista no es perfectamente recta, y a altas velocidades, las pequeñas variaciones en la pista harían un viaje difícil si los camiones no pudieran girar lateralmente. El sistema también mantiene la cantidad de peso en cada riel relativamente igual, lo que reduce el desgaste en las vías y las ruedas.

Los camiones: Frenado

Los frenos son similares a los frenos de tambor en un automóvil.

Los frenos son similares a frenos de tambor en un carro

El frenado es proporcionado por un mecanismo que es similar a un freno de tambor de automóvil. Un pistón de aire comprimido empuja una almohadilla contra la superficie exterior de la rueda del tren.

Conjuntamente con los frenos mecánicos, la locomotora tiene frenado dinámico. En este modo, cada uno de los cuatro motores de tracción actúa como un generador, utilizando las ruedas del tren para aplicar el par a los motores y generar corriente eléctrica. El par de torsión que aplican las ruedas para girar los motores disminuye la velocidad del tren (en lugar de que los motores giren las ruedas, las ruedas hacen girar los motores). La corriente generada (hasta 760 amperios) se enruta en una malla resistiva gigante que convierte esa corriente en calor. Un ventilador de enfriamiento aspira aire a través de la malla y lo expulsa por la parte superior de la locomotora, efectivamente el secador de cabello más poderoso del mundo.

En el camión trasero también hay un freno de mano - Sí, incluso los trenes necesitan frenos de mano. Dado que los frenos funcionan con aire, solo pueden funcionar mientras el compresor está funcionando. Si el tren se ha detenido por un tiempo, no habrá presión de aire para mantener los frenos enganchados. Sin un freno de mano y la protección contra fallas de un depósito de presión de aire, incluso una ligera pendiente sería suficiente para hacer rodar el tren debido a su inmenso peso y la muy baja fricción entre las ruedas y la pista.

El freno de mano es una manivela que tira de una cadena. Se necesitan muchas vueltas de la manivela para apretar la cadena. La cadena saca el pistón para aplicar los frenos.

Conducir una locomotora

Cómo funcionan las locomotoras diesel: cómo

No te limites a subir a la cabina, girar la llave y conducir en una locomotora diésel. Arrancar un tren es un poco más complicado que arrancar tu auto.

El ingeniero sube una escalera de 8 pies (2,4 m) y entra en un pasillo detrás de la cabina. Él o ella se compromete a cambio de cuchillo (como las de las películas antiguas de Frankenstein) que conecta las baterías al circuito de arranque. Luego, el ingeniero voltea alrededor de cien interruptores en un panel de interruptores, proporcionando energía a todo, desde las luces hasta la bomba de combustible.

Cómo funcionan las locomotoras diesel: funcionan

A continuación, el ingeniero camina por un pasillo hacia la sala de máquinas. Gira y sostiene un interruptor allí, que prepara el sistema de combustible, asegurándose de que todo el aire esté fuera del sistema. Luego gira el interruptor hacia el otro lado y el motor de arranque se activa. El motor gira y comienza a funcionar.

Luego, sube a la cabina para monitorear los indicadores y ajustar los frenos una vez que el compresor ha presurizado el sistema de frenos. Luego puede dirigirse a la parte trasera del tren para liberar el freno de mano.

Finalmente, puede regresar a la cabina y tomar el control desde allí. Una vez que tiene permiso del conductor del tren para moverse, se compromete con el campana, que suena continuamente, y suena el cuernos de aire dos veces (indicando movimiento hacia adelante).

Cómo funcionan las locomotoras diesel: funcionan

El control del acelerador tiene ocho posiciones, más una posición inactiva. Cada una de las posiciones del acelerador se llama "muesca"La muesca 1 es la velocidad más lenta, y la muesca 8 es la velocidad más alta. Para hacer que el tren se mueva, el ingeniero suelta los frenos y pone el acelerador en la muesca 1.

En este motor de la serie EMD 710 de General Motors, poner el acelerador en la muesca 1 activa un conjunto de contactores (relés eléctricos gigantes). Estos contactores conectan el generador principal a los motores de tracción. Cada muesca activa una combinación diferente de contactores, produciendo un voltaje diferente. Algunas combinaciones de contactores colocan ciertas partes del devanado del generador en una configuración en serie que resulta en un voltaje más alto. Otros ponen ciertas partes en paralelo, lo que resulta en un voltaje más bajo. Los motores de tracción producen más potencia a voltajes más altos.

A medida que los contactores se activan, los controles computarizados del motor ajustan el inyectores de combustible para empezar a producir más potencia del motor.

los control de frenos varía la presión de aire en los cilindros de freno para aplicar presión a las zapatas de freno. Al mismo tiempo, se mezcla con el frenado dinámico, utilizando los motores para reducir la velocidad del tren también.

Cómo funcionan las locomotoras diesel: cómo

Los controles de freno y acelerador.

El ingeniero también tiene una serie de otros controles y luces indicadoras.

Cómo funcionan las locomotoras diesel: locomotoras

Controles, indicadores y la radio.

Una lectura computarizada muestra datos de sensores en toda la locomotora. Puede proporcionar al ingeniero o al mecánico información que puede ayudar a diagnosticar problemas. Por ejemplo, si la presión en las líneas de combustible es demasiado alta, esto puede significar que el filtro de combustible está obstruido.

Cómo funcionan las locomotoras diesel: funcionan

Esta pantalla computarizada puede mostrar el estado de los sistemas en toda la locomotora.

Ahora echemos un vistazo dentro del tren.

Montando el tren

Dentro de un coche de pasajeros

Dentro de un coche de pasajeros

Los alojamientos dentro de un tren de pasajeros son bastante lujosos. Este tren es el Piamonte, que se ejecuta diariamente desde Raleigh a Charlotte, Carolina del Norte. Los asientos en este tren reclinan más que los asientos de la aerolínea y tienen más espacio para las piernas. También tienen reposapiés.

Cómo funcionan las locomotoras diesel: diesel

Los asientos de este automóvil pueden girarse para que estén uno frente al otro para que cuatro personas puedan sentarse juntas.

Cómo funcionan las locomotoras diesel: motor

El tren también tiene una cocina que sirve principalmente bocadillos y aperitivos.

Cómo funcionan las locomotoras diesel: locomotoras

Para los pasajeros de primera clase en este tren, hay un vagón de observación que tiene un solárium en el piso de arriba y un bar.

Aunque tomar el tren puede ser más lento que volar, definitivamente es mucho más cómodo. Hay mucho espacio para caminar, y puedes comer en un vagón comedor o contemplar la vista desde la parte superior del vagón lounge. Algunos trenes incluso tienen habitaciones privadas para pasajeros de primera clase, lo que no es una mala manera de llegar de aquí para allá.

Para obtener más información sobre las locomotoras diésel y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.


Suplemento De Vídeo: Así funciona una locomotora a diésel. Andy..




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