Una locomotora de vapor con engranajes es un tipo de locomotora de vapor que se caracteriza por utilizar un tren motriz con engranajes (generalmente reductores), en contraposición al diseño común de accionamiento directo mediante un mecanismo de biela-manivela.
Este engranaje es parte de la maquinaria dentro de la locomotora y no debe ser confundido con el piñón que impulsa un ferrocarril de cremallera utilizando un riel dentado central (situado entre los carriles de rodadura). Las locomotoras de vapor con engranajes se valían para impulsarse únicamente de la adherencia entre las ruedas y los carriles.
La locomotora de vapor, como se emplea comúnmente, tiene sus pistones directamente unidos a las bielas, que a su vez se conectan con las ruedas motrices; por lo tanto, no hay engranajes de transmisión, y cada vuelta de las ruedas motrices es equivalente a una vuelta de la manivela y, por lo tanto, a dos carreras de expansión (las locomotoras de vapor son universalmente de acción doble, a diferencia del más familiar motor de combustión interna).
La velocidad de rotación máxima queda predeterminada para cada tecnología de motor. Cuando no se dispone de una caja de cambios de relación variable entre un motor de pistón y las ruedas, el diseñador se ve obligado a adoptar una solución de compromiso entre el par motor y la velocidad máxima que se desean obtener. En las máquinas de vapor clásicas, esta relación queda determinada por el radio de las ruedas motrices. El radio de la manivela fijada a la rueda es, por supuesto, menor que el de la rueda; pero su diámetro coincide con la longitud de la carrera del pistón, que no puede ser demasiado larga, ya que la locomotora no podría generar suficiente vapor para alimentar cilindros de gran volumen a altas velocidades. Pero tampoco puede ser demasiado corta, dado que el par de arranque disponible y, por lo tanto, el esfuerzo de tracción, se reducirían hasta el punto de que la locomotora no podría ponerse en marcha arrastrando un tren.
Muchas aplicaciones industriales requieren una locomotora de baja velocidad, pero con una gran capacidad de esfuerzo de tracción de arranque. Estas industrias abarcan desde operaciones mineras y de canteras hasta operaciones forestales y de tala. Las líneas de pendiente pronunciada, especialmente cuando se usan vías temporales de construcción barata y no adecuadas para circular a altas velocidades, también favorecerá el uso de una locomotora con un alto esfuerzo de tracción. Aunque el equilibrio entre velocidad y par se puede ajustar a favor del par y del esfuerzo de tracción al reducir el tamaño de las ruedas motrices, existe un límite práctico por debajo del cual la carrera del pistón es demasiado corta para una locomotora de tracción directa.
La solución es separar la manivela de las ruedas, en primer lugar permitiendo una carrera de pistón y un radio de manivela razonables sin requerir ruedas motrices más grandes de lo deseado, y en segundo lugar, permitiendo la reducción de la velocidad de rotación a través de un engranaje. Tal locomotora es una locomotora con engranajes. La mayoría eran y siguen siendo de una sola velocidad, pero algunos modelos emplearon una caja de cambios de relación variable y relaciones múltiples.
La gran mayoría de las locomotoras con engranajes en el mundo se construyeron con alguno de los tres diseños que se hicieron más comunes, ya fuera bajo licencia, o copias construidas después del vencimiento de las patentes clave. De estos tres tipos, la locomotora Shay fue la más numerosa y mejor conocida. La abrumadora mayoría operaban en América del Norte, pero con numerosas unidades en uso en varias partes de América del Sur y unas pocas máquinas en Australia y Nueva Zelanda, incluidos los tipos desarrollados localmente.
Estas no fueron las primeras locomotoras en utilizar la transmisión por engranajes. La locomotora Coalbookdale de Richard Trevithick utilizaba una gran rueda dentada en lugar de las bielas de acoplamiento laterales para unir el cigüeñal a los ejes motrices, con una relación de engranaje neta de 1:1. Las primeras locomotoras Grasshopper (1832), Crab (1837) y Mud Digger (1842) construidas para el Ferrocarril de Baltimore y Ohio usaban relaciones de transmisión del orden de 2:1, de modo que cada giro del cigüeñal producía aproximadamente dos vueltas de los ejes motrices. Esto permitió el uso de ruedas motrices relativamente pequeñas sin sacrificar la velocidad.
La locomotora Shay presenta una caldera lateral con un motor de múltiples cilindros fijado en el lado opuesto, impulsando un eje longitudinal engranado a los ejes de las ruedas a través de engranajes cónicos (véase también Ephraim Shay).
La locomotora Climax Clase B tiene dos cilindros inclinados que impulsan un cigüeñal transversal, orientado a un eje de transmisión longitudinal colocado centralmente en la locomotora y que impulsa los bogies tractores mediante un engranaje interno.
También hubo un modelo Climax Clase A anterior, con una máquina de vapor de tipo marino montada verticalmente, que utilizaba una línea de transmisión similar, a través de una caja de cambios de dos velocidades.
La locomotora Heisler utiliza una máquina de vapor con "dos cilindros en V" (uno a cada lado de la caldera), fijados a un eje de transmisión longitudinal ubicado en el centro, conectado a las ruedas mediante engranajes.
Además de los tres diseños principales mencionados, hubo otros diseños y copias:
Con la disminución del uso de la tracción a vapor, el uso comercial de locomotoras con engranajes se ha reducido de manera similar.
Algunas locomotoras de vapor con engranajes todavía están funcionando en las plantaciones de azúcar de Indonesia, y sin duda también en otros lugares, pero en la mayoría de los países ya solo se pueden ver en líneas turísticas, instituciones dedicadas a su conservación y museos. La ventaja particular en las plantaciones de caña de azúcar es la posibilidad de usar el residuo sólido seco de prensar la caña (el bagazo) como combustible de bajo costo, siempre que haya mano de obra técnica barata disponible para mantener las locomotoras.
Amplia variedad de tipos aún en uso en ingenios azucareros. La mayoría son locomotoras de larga distancia entre ejes 0-10-0 que utilizan una técnica de articulación que incorpora una transmisión por engranajes a los ejes más externos, siendo el par interno de transmisión directa.
"Te Awamutu", Climax, no. 1317 (bajo restauración estática 2014)
Se han conservado unas 30 Sentinel y algunas Aveling & Porter. A continuación se muestran algunos ejemplos:
La Aveling & Porter 2-2-0WT Blue Circle ha cambiado de propietario muchas veces. Su última ubicación conocida: el Ferrocarril de Rushden, Higham y Wellingborough.
Ninguna locomotora de vapor con engranajes permanece en uso comercial en Estados Unidos. Sin embargo, varias funcionan en líneas turísticas.
El Ferrocarril Forestal de Alishan en Taiwán llegó a operar 22 locomotoras Shay en el pasado. La más antigua data de 1910. Dieciséis de las 22 máquinas originales se han conservado, tres en condiciones operativas y una conservada en el Ferrocarril Puffing Billy.
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