lunes, 31 de marzo de 2014

Conduciendo locomotoras


Cabina de la 141F-2009 en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles.
 
http://comofuncionanlostrenes.blogspot.com.es/2013/01/como-funciona-una-locomotora-de-vapor.html

El otro día, comentaba con un compañero de afición, la gran evolución que ha experimentado el ferrocarril, desde aquellos heroicos tiempos de la tracción de vapor hasta los modernos AVE's y cómo no sólo ha mejorado la rapidez y comodidad de los trenes para los pasajeros, sino que también han mejorado radicalmente las condiciones de comodidad y seguridad del personal ferroviario, y concretamente de los maquinistas.

Cuando en algún museo nos enfrentamos al aspecto de la "cabina" de una locomotora de vapor (los ferroviarios utilizaban la expresión "marquesina") siempre sorprende el aspecto abigarrado del sistema de mandos y lo primitivo de su aspecto. La verdad es que estamos acostumbrados a manejar las máquinas por medio de mandos que actúan a distancia, pero aquí es como si para conducir un coche fuésemos sentados encima del motor, de manera que para acelerar tuviéramos que mover con la mano la leva de la mariposa del carburador, en vez de ir cómodamente sentados y pisar un pedal que actúa a distancia sobre la mariposa.

Por otra parte, las locomotoras de vapor estaban muy alejadas de tener un sistema de mandos estandarizado, de manera que cada una tenía los mandos que el constructor había estimado necesarios, y los encontramos situados en posiciones distintas. Afortunadamente los maquinistas, o mejor dicho las "parejas" (maquinista+fogonero) tenían asignada una determinada locomotora, casi de por vida, de modo que se la conocían al dedillo.

Sin embargo en la gran mayoría de las locomotoras de vapor podemos identificar tres elementos que son los fundamentales para su control. El primero, es el regulador, que normalmente está materializado en una gran palanca situada en el centro de la cabina, inclinada hacia la derecha, que es el lado donde va el maquinista. Esta palanca abre más o menos el paso del vapor hacia los cilindros, de manera que actúa aproximadamente como el acelerador de un automóvil. En algunos casos, como en la imagen de la cabecera, hay dos reguladores porque esta locomotora tiene un regulador para el vapor de la caldera y un segundo regulador para el vapor recalentado.

Situado normalmente a la derecha, tenemos el freno. En las locomotoras de vapor se utilizaban varios sistemas de freno (de vacío, de aire comprimido) de manera que aquí lo que tenemos son válvulas con las palancas correspondientes para enviar la presión o el vacío, hacia la locomotora, hacia el tren etc. Es el conjunto de aparatos de bronce que vemos a la derecha en la imagen de cabecera.

El tercer elemento, que vemos abajo a la derecha, y que algunas veces es una palanca, pero que generalmente es una rueda con forma de volante con manivela, que mueve un husillo, hace un papel parecido al cambio de marchas de un automóvil, aunque aquí no se actúa sobre una caja de engranajes, sino que se varía la geometría de la transmisión (bielas y demás) consiguiendo en primer lugar que la locomotora se mueva hacia delante o hacia atrás, pero también permitiendo ajustar puntos intermedios en los que se varía el punto de apertura y cierre de las válvulas de los cilindros, consiguiendo optimizar el consumo de vapor según las condiciones del terreno, subidas, bajadas, etc. Como se ve el efecto es similar al cambio de un automóvil aunque con un principio distinto, y desde luego con menos campo de variación, ya que las locomotoras no tienen nunca que abordar grandes cuestas. (realmente el sistema es similar al "avance de encendido" de los motores de automóvil, que ahora es siempre automático, pero que en los automóviles primitivos se manejaba manualmente)

El las locomotoras con circulación por la derecha, las señales estaban a la derecha de la vía, y por lo tanto el maquinista se situaba a la derecha y manejaba el regulador con la izquierda y el freno con la derecha. El fogonero se situaba a la izquierda, y aparte de apalear carbón, se ocupaba de mantener la presión y el nivel de agua de la caldera, actuando sobre los inyectores para reponer el agua consumida.



Siempre sorprende la mala visión que tenía tanto maquinista como fogonero de la vía por la que circulaban. La enorme caldera situada delante obstruía completamente su visión frontal de manera que tenían que miran por los ventanucos que se abrían hacia el frente en cada lado de la caldera, o asomarse por las ventanillas laterales. Sorprende que no se hicieran locomotoras con la cabina por delante, "cab forward", y que las pocas que se hicieron tuvieran tan poco éxito, pero parece ser que los primeros que se oponían a viajar en una cabina delantera eran los propios maquinistas que veían un gran peligro en caso de accidente, ya que recibirían de lleno el primer impacto, y si sobrevivían se les vendría encima la caldera llena de agua hirviendo.

Cabina de la E-32 Museo de Nuremberg
No se si este fue el motivo de que cuando surgieron las locomotoras eléctricas, las primeras llevaban siempre elementos situados por delante de las cabinas, como las famosas cocodrilos y muchas otras con esquemas constructivos parecidos. Pero al menos los maquinistas tenían visión frontal, y viajaban en una cabina cerrada protegidos de la intemperie. Sin embargo, inicialmente el maquinista iba de pié todo el trayecto.

Ce 6/3 "Cocodrilo" de la SBB
Parece ser que se pensaba que yendo de pié no había peligro de que se quedase dormido, así que durante una época el maquinista manejaba una rueda vertical, que le daba el aspecto del piloto de un barco ante la rueda del timón. Esta rueda manejaba por supuesto el regulador que aumentaba o disminuía la velocidad regulando la corriente que se enviaba a los motores. Se mantenían sistemas de freno de aire y eléctrico (con resistencias todavía) y cuyos mandos seguían situándose a la derecha,

Progresivamente la rueda se hizo más pequeña y se situó horizontal. lo que le daba un aspecto de volante de automóvil que a muchos no iniciados les lleva a confusión. Por supuesto, este volante lo que hace es regular la velocidad, tanto en estas locomotoras eléctricas, como en las diesel, que aparecieron después y adoptaron también esta misma disposición.

Y, no tardando mucho, se llegó a la solución lógica, de permitir que el maquinista fuera sentado en un confortable sillón, aunque desde luego se añadió el famoso "pedal de hombre muerto" que detiene el tren si el maquinista deja de ejercer presión sobre el mismo.


Obsérvese como a pesar de la evolución tecnológica siguen siendo reconocibles el mando del regulador, ya con forma clara de volante, y el mando del freno a la derecha. Y también tenemos arriba a la izquierda la palanca para pasar de marcha a delante a marcha atrás.

Este esquema de mando, a base del regulador en forma de volante se ha mantenido bastantes años. Incluso los primeros AVE's que vinieron a España , los S100 de Alston, tenían ese mando de regulador de velocidad en forma de volante, eso si, algo más estilizado, como vemos en la fotografía siguiente:

Cabina del Alstom S100
Pero la tendencia ha cambiado en los últimos años. Lo que ahora se lleva es un Joystick, como si llevar un tren fuese un videojuego. Bueno la verdad es que la cabina de un AVE S103, con todos los controles a base de pantallas de visualización, parece una escena de un videojuego futurista:

Cabina del Siemens S103
Efectivamente, como vemos los mandos son como Joisticks. pero..... el de la derecha sigue siendo el freno, y el de la izquierda el regulador! Herencia de la época del vapor.

En la imagen se ve que hay un tercer joystick más a la izquierda. Esto es para establecer una velocidad programada, similar a lo que sería un control de crucero en un automóvil.

Una cuestión interesante. El joistick de la izquierda, el del regulador, que vemos en posición vertical, está en posición neutra, es decir, el tren seguiría avanzando a la misma velocidad con el mando en esa posición. Si lo movemos hacia delante, el tren acelera, y si lo movemos hacia atrás entra el freno eléctrico, con lo que el tren frena suavemente.

El mando de la derecha entonces, es el freno de aire: tirando hacia atrás hacemos actuar progresivamente este freno de manera que en la posición que se ve en la imagen el tren está completamente frenado.

Y..... Todo esto ¿a qué viene? pues resulta que como decía en el artículo anterior, he diseñado unos circuitos que son controladores PWM con detector de consumo incluídos, que tienen la característica de ser completamente electónicos (ya no hay conmutador) y por otro lado los pulsos de PWM pueden alternarse en dos señales distintas, una comandada por el mando del controlador, y otra fija que produce una señal mínima para detener las locomotoras sin que dejen de ser detectables.

Esto me ha dado una idea: En alguna ocasión me han preguntado si no sería posible hacer controladores PWM como los que he diseñado anteriormente, pero que incorporasen simulación de inercia, lo que se traduciría en arrancadas y frenadas suaves y progresivas. Mi respuesta siempre había sido en el sentido de que eso requeriría un microcontrolador, pero precisamente como consecuencia del controlador con detectores me he dado cuenta de que hay una forma sencilla de conseguir simular la inercia del tren, incluso con valores distintos para aceleración y frenado. Se basa precisamente en el mismo principio, es decir conmutar el control entre dos señales, una de las cuales aumente progesivamente la velocidad y otro la disminuya.

De momento no hay más que un estudio teórico del tema, aunque muy prometedor, pero me surgía la duda de qué sistema de accionamiento podría usar. Ya no vale un potenciómetro, porque realmente lo que controla la velocidad del tren es un potenciómetro digital (véase "Tormenta de ideas"), asi que necesitaba también algún tipo de mando que fuera capaz de producir señales digitales. Pensé en un encoder que ya he usado en el "Mousecab" para controlar manualmente los trenes en mi maqueta, pero estos chismes no me han caido nunca demasiado bién por lo complicado que resulta interpretar las señales que producen. tal como dejaba escrito e el artículo referido, donde al final resolví el tema por software gracias a que ese sistema era para mi control por ordenador.

Y entonces, recordando mi visita a la cabina del AVE que evoca la anterior fotografía, me di cuenta de que la mejor forma para controlar el sistema que estaba diseñando era precisamente un joystick, y que funcionaría exactamente de la misma forma: es decir con el mando en posición neutra, el tren mantendrá indefinidamente su velocidad. Si lo movemos hacia delante el tren acelera de acuerdo con la rampa de aceleración programada. Si lo movemos hacia atrás, el tren disminuye su velocidad de acuerdo con la rampa de frenado, y puede llegar a pararse. Se podría incluso llegar a poner un segundo joystick con una rampa de frenado más fuerte, que emulase el freno de aire, pero no creo que lo haga.

El problema es que no es fácil encontrar un joystick, ya que no es un elemento habitual en tiendas de electrónica, sino más bien se considera un elemento de tipo industrial, utilizado por ejemplo para manejar grúas y otros tipos de maquinaria, y por lo tanto son elementos caros. Al final he podido localizar uno con un precio dentro de un orden, y lo he pedido. Ya contaré el resultado del experimento.


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