Fuerza tractiva v/s Caballos de fuerza

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Un mph es algo lento, nos tomaría 24horas subir el cerro Parkman. Queremos subir a 15 mph aproximadamente, un valor razonable para que no nos tardemos toda la vida y que los costos por energía no sean tan altos. Para subir el cerro a 15 mph (22 ft por seg.) requiere:

(300.000 lbs) x (22 ft por seg.) / (550 lb-ft por seg.) = 12.000 HP

Giiii… Ese sonido les es familiar o no. Eso es exactamente los 3.000 Hp de 4 unidades! Entonces podemos usar 4 GP40 de 3.000 hp. Las SD70MAC tienen 6 ejes y pesan 420.000 lbs, una vez más 70.000 lbs por eje. Entonces, 3 de estas hacen un total de 18 y 1.26 millones de libras sobre las ruedas. Más que suficiente para producir nuestras 300.000 lbs de tracción requeridas. Las SD70MAC tienen una potencia de 4.000 Hp, por lo tanto 3 de ellas nos dan 12.000 Hp. Cuatro GP40 o tres SD70, cualquiera que le satisfaga más, alcanza la adherencia y Hp requeridos.

Solo caballos de fuerza.

¿Funcionarían dos unidades de 6.000 Hp? No. Porque aunque se tiene los12.000 hp requeridos, el peso por eje es de solo 70.000 lbs, lo que multiplicado por los 12 ejes da apenas un total de 840.000 lbs. Con 30% de adherencia y solo 840.000 lbs de peso las dos unidades de 6.000 Hp entregan una adherencia de 252.000 lbs, insuficientes para mover o sujetar el tren carbonero. El peso del tren en la pendiente deslizará las dos locomotoras cerro abajo. Recuerden que necesitan por lo menos 300.000 lbs de adherencia (tracción).

Locomotoras de alta potencia (Hp) de 6 ejes crean otros problemas además del calentamiento de los motores de tracción (MT). ¿Se puede alimentar 1.000 Hp a cada MT de forma continua a 10-15 mph sin freírlos? Ir a bajas revoluciones ayuda, pero esto disminuye la velocidad máxima, ya que los motores de tracción volarán a altas rpm. Aquí es donde las locomotoras con motores de tracción de corriente alterna (CA) tienen una ventaja por sobre sus contrapartes de corriente continua (CC). Los rotores de los motores de tracción CA son más sólidos que las armaduras de los CC, de manera que pueden ir a menor velocidad y aún así tener un límite superior alto.

Variando la adherencia

Todas las cifras mencionadas arriba se basan en un factor de adherencia del 30%, vale decir, las ruedas agarran el riel con una fuerza equivalente al 30% del peso de la locomotora. Por lo general, se considera que las locomotoras de la época de las GP40/SD40 y su Dash 2 poseen un factor de adherencia de 25% y no de 30%. La arena aumenta dicho factor cerca del 30%, aunque para alcanzar el porcentaje requerido para los ejemplos usados hasta ahora en este ensayo, las locomotoras tendrían que estar sobre rieles arenados.

Locomotoras modernas como las SD70MAC y C44 afirman tener un factor de adherencia de 36 a 43%! Esto es posible gracias a sofisticados circuitos anti-patinaje de rueda. Dichos circuitos permiten que las ruedas giren levemente mas rápido que la velocidad garantizada del riel, a esto se le llama Deslizamiento. Extraño, pero una rueda con deslizamiento tiene un factor de adherencia mayor que una rueda estacionaria o en movimiento. Por lo que en teoría dos SD90 de 6.000 Hp que pesen 420.000 lbs cada una y alcancen un factor de 36% generan una Fuerza tractiva de 302.400 lbs y deberían arrastrar el tren cerro arriba a 15 mph.

Sin embargo, según mi experiencia no se puede contar con ese factor de 36% en todos los tipos de climas y condiciones de las vías. En rieles mojados o congelados dichas unidades patinan y el tren se detiene, cuando esto pasa es mejor que accione rápidamente los frenos de aire de lo contrario el tren deslizará las unidades cuesta abajo. Por otra parte, he tenido C44, SD90 y SD70MAC que me han dejado absolutamente sorprendido con su capacidad de tracción. En ocasiones pueden alcanzar porcentajes de adherencia mayores a 40% en rieles secos y arenados. Lo que me preocupa es “en ocasiones”, ya que no se puede contar con esa certeza solo de vez en cuando.

Una experiencia real con locos de alto HP y adherencia.

Una noche llevaba una carga cerro arriba a 7 mph con una Dash 9-44CW en la punta. Previamente había calculado que debíamos subir el cerro a 11 mph, entonces porqué íbamos solo a 7 mph. El riel estaba levemente congelado. Le di un vistazo a la pantalla del computador de la locomotora y mostraba que esta unidad de supuestamente 4.400 Hp estaba dando solo 2.930!!! Disminuí la potencia para evitar el patinaje en vez de activar los arenadores. Entonces, el factor de adherencia de esta loco en ese momento no era de 36-43% sino solo de 22%. La empresa ferroviaria había pagado por una locomotora de 4.400 Hp con un factor de 36%, pero solo consiguieron una de 2.930 Hp con una adherencia de 22%. La típica SD40-2 lo habría hecho igual de bien o mejor en esta situación comparada con la maravilla de alta tecnología. Esto no fue un hecho que ocurriera una sola vez, he visto comportamientos similares en muchas ocasiones.

Caballos de fuerza es velocidad

Hasta ahora hemos asumido que una locomotora tiene potencia suficiente para deslizar sus ruedas. Esto es así solo a bajas velocidades. Notar que Hp es Fuerza tractiva (FT) por velocidad. Si la velocidad permanece igual y la Fuerza tractiva (o arrastre) aumenta entonces también lo hace el requerimiento de HP. Si la FT se mantiene y aumenta la velocidad, entonces el requerimiento de HP aumenta igual. Si posee un HP máximo fijo, como el que tiene una loco, entonces a medida que la velocidad aumenta debe bajar la Fuerza tractiva. El producto de los dos debe mantener una constante que está directamente relacionada al rango de Hp de la locomotora. Porqué en el tren carbonero de 12.000 Hp mencionado arriba no podemos ir a más de 15 mph en una pendiente de 1%. Porque 15 mph por las 300.000 lbs de tracción requeridas en el enganche dividido por 550 lb-ft por segundo (la definición de un Hp) es igual al Hp total de la locomotora. Si el tren fuera más rápido el resultado de la velocidad por la tracción sería mayor y se requeriría de más Hp; sin embargo en este tren estamos limitados a 12.000 Hp y se mueve con dificultad a 15 mph. De la misma forma, si reducimos uno o dos puntos, bajando los Hp, entonces la velocidad va a bajar porque ahora hay menos de 12.00 Hp disponibles. La tracción del enganche generada por la pendiente permanece igual a 300.000 lbs y una menor potencia significa menor tracción por el valor de velocidad, de manera que la velocidad debe bajar hasta que el producto sea proporcional al nuevo límite inferior de potencia (Hp). Por esto me gusta decir que Hp es velocidad.

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