TRANSPORTE SOBRE RIELES

1) INTRODUCCION

En el siglo XVIII, los trabajadores de diversas zonas mineras de Europa descubrieron que las vagonetas cargadas se desplazaban con más facilidad si las ruedas giraban guiadas por un carril hecho con planchas de metal, ya que de esa forma se reducía la fricción. Los carriles para las vagonetas sólo servían para trasladar los productos hasta la vía fluvial más cercana, que por entonces era la principal forma de transporte de grandes volúmenes. El inicio de la Revolución Industrial, en la Europa de principios del siglo XIX, exigía formas más eficaces de llevar las materias primas hasta las nuevas fábricas y trasladar desde éstas los productos terminados. Transcurrieron dos décadas durante las cuales se desarrollaron los rieles de hierro fundido que soportaban el peso de una locomotora de vapor. La potencia necesaria para arrastrar trenes, en lugar de uno o dos vagones, se aseguró colocando una locomotora de vapor sobre dos o más ejes con las ruedas unidas mediante bielas. La primera vía férrea pública del mundo, la línea Stockton-Darlington, en el noreste de Inglaterra, dirigida por George Stephenson, se inauguró en 1825. Durante algunos años esta vía sólo transportó carga; en ocasiones también utilizaba caballos como fuerza motora. La primera vía férrea pública para el transporte de pasajeros y de carga que funcionaba exclusivamente con locomotoras de vapor, fue la de Liverpool-Manchester, inaugurada en 1830. También fue dirigida por George Stephenson, en esta ocasión con ayuda de su hijo Robert Stephenson. La intervención estatal se consideró primordial, a la hora de elegir y unificar el ancho de vía, que es el parámetro que mejor define una vía ferroviaria, la mínima distancia entre las caras interiores de los carriles, ya que limita los tipos de material móvil que lo pueden utilizar y condiciona las conexiones posibles con otros ferrocarriles. Los constructores de Europa y de Norteamérica adoptaron en general el ancho de1,435 mm (56 pulgadas y media) del proyecto de George Stephenson, que se basó en los tendidos de vía para vagonetas de mina su lugar de origen; empíricamente se había demostrado que era la dimensión más adecuada para el arrastre por medios humanos o con caballerías.

2) TRASNPORTE SOBRE RIELES

La aplicación principal del transporte sobre rieles es llevar la mena de los lugares de producción al punto de recolección como echaderos o tolvas de la concentradora, también se utiliza para el movimiento de personal y materiales. Las razones principales por las que se opta por un transporte sobre rieles es su capacidad de mover grandes tonelajes, grades distancias, flexibilidad, seguridad, confiabilidad y bajos costos de operación. Las locomotoras, de acuerdo a la fuente de energía, actualmente son eléctricas y diésel. Las locomotoras eléctricas pueden ser con baterías o una a troley se basa en costos. Las locomotoras diésel evitan los riesgos eléctricos pero contaminan el ambiente con gases de la combustión y crean riesgos de incendios, por lo que es necesario una ventilación y prevención de incendios adecuados.

3) CARROS MINEROSEl diseño de los carros mineros ha evolucionado de simples cajones a carros con sofisticados mecanismos de descarga. En las minas pequeñas, se usan carros de descarga lateral.Figura 2 

3.1 VAGÓN:Los vagones son vehículos destinados a la carga de diversos elementos y materiales. Esos vagones se apoyan a su vez en unos elementos denominados “bogies” que están compuestos por un chasis o armazón que aloja dos ejes.

3.2 LOCOMOTORASe denomina así a cualquier tipo de vehículo auto propulsado utilizado en vías férreas o ferrocarriles para impulsar o arrastrar otros tipos de unidades rodantes. Las locomotoras se diferencian de otros tipos de vehículos de vías férreas autopropulsados en que sólo se utilizan como unidades de arrastre y no están diseñadas para el transporte de pasajeros o de cargas.Pueden ser a vapor Eléctricas o Diésel, sin embargo esta última es la más utilizadas para el traslado de cargas puesto que no están expuestas a la falla del suministro eléctrico y son menos contaminantes que las de vapor. Las locomotoras son utilizadas para el traslado de cargas cuando se tienen áreas para el traslado ya definidas y que además la ruta a cubrir está establecida y está acordado que será la misma durante largo tiempo. Inicialmente constituyen una fuerte inversión.

3.2.1 LOCOMOTORAS ELÉCTRICASLas locomotoras eléctricas requieren la instalación de cables eléctricos de alimentación a lo largo de todo el recorrido, que se sitúan a una altura por encima delos trenes a fin de evitar accidentes. Esta instalación se conoce como catenaria, debido a la forma que adopta el cable del que cuelga el cable electrificado, que debe permanecer paralelo a las vías. Las locomotoras toman la electricidad por un trolley, que la mayoría de las veces tiene forma de pantógrafo y como tal se conoce.

3.2.1.1 DISPOSITIVOS ELÉCTRICOS DE UNA LOCOMOTORA

Dos Motores de Corrientes continúa Un Controlador de marcha hacia delante y hacia atrás Un Controlador de marcha hacia delante y hacia atrás Dos Faros y un Interruptor. Una Bocina (Corneta) Un Contacto móvil Una resistencia

3.2.2 LOCOMOTORAS A BATERIAEn las minas, frecuentemente se usan las locomotoras de baterías para una mayor facilidad o en operaciones no permanentes Para calcular la capacidad de las baterías, se requiere conocer las condiciones de trabajo y el perfil de la vía. Una manera de determinar la capacidad de las baterías es convertir eltrabajo pies-libra a Kilowatts/hora de un viaje de ida y vuelta, luego se multiplica por el número de viajes para obtener la capacidad.

 3.2.2.1 SELECCIÓN DE BATERIAEn las minas, comúnmente se usan baterías de plomo-acido, por el menor volumen que ocupan, y el voltaje de las celdas es generalmente 2 volts. Una batería que se usa durante 6 horas requiere un recargado de 8 horas. Los lugares de carguío de baterías deben estar muy ventilados para evitar la acumulación del gas de hidrogeno que es explosivo.

3.2.3 LOCOMOTORAS A TROLLEYLas locomotoras mineras a trolley de la serie "EE", están destinadas para el transporte horizontal sobre rieles, especialmente en minas con medio húmedo y polvoriento sin riesgo de explosión de los polvos de carbón y gases metano. Es capaz de desplazarse por carriles con pendiente superable de hasta 35‰ (2°) y a temperaturas desde - 10 hasta + 35°C.Las locomotora de la serie "EE" están impulsadas por dos motores eléctricos trifásicos asíncronos con enfriamiento autónomo y con variación de revoluciones por convertidor de frecuencias, el cual facilita una marcha constante, así como también un frenado efectivo, garantizado por dos sistemas de frenos independientes para ambos puentes, el freno electrodinámico -con los motores eléctricos y cajas de velocidades, y los frenos mecánicos de dos circuitos -directamente en las ruedas.

4) CARROS SEGÚN EL TIPO DE DESCARGA

4.1 Carros de descarga por el fondo.Para una operación eficiente y rápida se han diseñado estos carros con una capacidad de carga de 15 a 30 toneladas. Este tipo de carros, con una tolva adecuada, permite el vaciado continuo.

 4.2 Carros tipo Granby.Es te tipo de carros es de uso frecuente en minas de niveles múltiples para mover grandes tonelajes. Requiere de instalaciones mecánicas para vaciar los carros.

4.3 Carros de propósitos especiales.Es las minas se trasladan a personas y se mueven materiales tales como: madera, explosivos, maquinarias, repuestos y otros. Para ser eficientes y seguros en el manejo de personas y materiales, se usan carros de diseño especial adecuados a la operación.

4.3 Carros de propósitos especiales.Es las minas se trasladan a personas y se mueven materiales tales como: madera, explosivos, maquinarias, repuestos y otros. Para ser eficientes y seguros en el manejo de personas y materiales, se usan carros de diseño especial adecuados a la operación.

5) COMPONESTES DE UNA VIA FERROVIARIA5.1 TROCHALa trocha varía de acuerdo a la mina y las condiciones de la misma. En las minas metálicas, las locomotoras son menos anchas y más altas que en las carboníferas. En general, en las minas metálicas las trochas varían de 18 a 36pulgadas. Otros factores que determinan las trochas son la capacidad y peso de las locomotoras. 

5.2 DIÁMETRO DE LAS RUEDAS DE LA LOCOMOTORALas dimensiones de las ruedas varían de acuerdo al peso de la locomotora, luz del piso a la locomotora y velocidad de la misma. Ver la tabla 4.1

Tabla 4.1; Relación de diámetro de las ruedas al peso de la locomotora

Peso de la locomotora toneladas cortas Diámetro de ruedas (pulgadas)½ - 2 142 - 4 16 - 21

4 - 10 24 - 2611 - 15 30 - 3315 - 20 35 - 36

5.3 RIELESEn la generalidad, se considera de 10 libras de peso por yarda de riel, como mínimo, por tonelada corta de peso por cada rueda de la locomotora. Ver la

Tabla 4.2; Peso de rieles para locomotoras (libras por yarda).

Peso locomotoras toneladas cortas

Mínimo recomendado locomotora 4 ruedas

Mínimo recomendado Locomotora 6 ruedas

2 12 -164 16 - 255 16 - 256 20 - 308 25 - 3010 30 - 40 20 - 3013 30 - 50 25 - 4015 40 - 50 30 - 4020 50 - 60 40 - 5025 60 -70 50 - 6030 75 - 85 60 - 7035 80 - 85 70 -80

40 85 - 90 75 - 8550 90 - 100 85 - 95

5.4 DURMIENTESLos durmientes de 4 X 6 pulgadas de sección pueden ser forzados colocando durmientes de acero entre durmientes de madera. Los durmientes de 5 X 7 pulgadas presentan un buen servicio sin necesidad de refuerzos en casi todas las condiciones. Se recomiendan los durmientes de 6 X 8para rieles pesados, gradiente alta, curvas cerradas, locomotoras pesadas y alto tráfico. La longitud de los durmientes, preferentemente, debe ser el doble de la trocha o al menos la trocha más de 24 pulgadas. La altura de la sección del durmiente será. Por lo menos, ¼ de pulgada más larga que la longitud del clavo y el ancho del durmiente debe ser no menos de 1 3/8 pulgadas más largo que la longitud del clavo. El espaciamiento de centro de los durmientes, generalmente, es de 24 pulgadas y en las partes de alto tráfico, 16 pulgadas. 

Tabla 4.3; Dimensiones de los durmientes en la línea principal

Sección Peso riel Clavo Espaciamiento

Durmientes

Pulgadas Libras/yarda

Pulgada intermedios empalme

4 x 6 60 - 75 3 ½ x 1/2 21 ½ 165 x 7 60 - 80 4 ½ x ½ 22 ½ 22 ½6 x 8 85 - 100 5 ½ x

9/1624 24

Para rieles de 30 pies, espaciamiento en pulgadas

5.5 BALASTOConstituye la base de las vías férreas y están compuestos por agregados gruesos (grava) los cuales le dan una buena estabilidad al suelo.

5.6 CLAVOSLos clavos se miden debajo de la cabeza al extremo o punta, es decir, solamente el pin, y la sección es cuadradaFigura 18 Tabla 4.4 clavos de riel Dimensiones pulgadas Cantidad de clavos en 200 lb Peso recomendado de riele libras/ yarda

Pernos rieleros

 

6) CURVASLas curvas en la minas, son cortas y se miden en radios. Los trenes ruedan más suavemente en rieles con radios de curvatura mayor que en aquellos de radios menores. Las curvas más frecuentes en las minas tienes 40, 50 o 60 pies de radio. La experiencia aconseja que la trocha debe ser incrementada 1/16 pulgadas por cada 2 ½ grados de curvatura.

7) PERALTEDebido a la fuerza centrífuga, los trenes tienden a descarrilarse en las curvas. Elevando el riel exterior de la curva, se contrapesa esta tendencia. En el Perú la velocidad máxima es de 10 km/ hora (9.113pies /segundo), aunque en las vías de extracción principales se permiten velocidades mayores. El peralte se halla aplicando la siguiente formula:

G * V2E = ----------- 32.2 R

Dónde:E = peralte, pulgadasG = trocha, pulgadasV = velocidad, pies/segundoR = radio de curva, pies

8) RESISTENCIA AL RODAMIENTO DE LOS TRENESLas resistencias que se generan en los trenes sobre los rieles, pueden ser consideradas de las siguientes fuentes 1. Resistencia a la carga rodante2. Resistencia al movimiento de la locomotora3. Resistencia a las curvas.4. Resistencia a la gradiente5. Resistencia de la adherencia de las ruedas a la línea riel6. Resistencia a la aceleración y desaceleración.

8.1 RESISTENCIA A LA CARGA RODANTE:Esta resistencia depende de los cojinetes de los carros, condición de los rieles y en las minas varía del 1 a 2% de la carga bruta. En los cojinetes de rodamiento se considera de 20 libras por tonelada y en las bocinas de 30 libras por tonelada.

8.2 RESISTENCIA AL MOVIMIENTO DE LA LOCOMOTORA:Se considera 20 libras por tonelada de la locomotora.

8.3 RESISTENCIA A LAS CURVAS:Esta resistencia depende de la magnitud de la trocha en las curvas, ancho y diámetro de las ruedas, velocidad, radio de curvatura, número de carros en las curvas, etc. Se considera 0.5 a1 libra por tonelada por grado de curva de la parte del tren contenida en la curva.

8.4 RESISTENCIA A LA GRADIENTE:Para calcular la gradiente, se expresa en porcentaje en lugar de grados. Se considera 20 libras por cada ciento de gradiente. En la resistencia a la gradiente se debe considerar el peso total de los carros cargados y la locomotora. La legislación peruana permite un máximo de gradiente de 6 x 1000 (0.6%).

8.5 RESISTENCIA A LA ADHERENCIA DE LAS RUEDAS A LAS LÍNEAS DEL RIEL:Esta adherencia depende del material de la rueda y la condición de la línea riel. Por ejemplo, la adherencia será menor si la línea estás mojada. Se estima en 20% para las de fierro fundido y 25% para las de acero, del peso de la locomotora.

8.6 RESISTENCIA A LA ACELERACIÓN Y DESACELERACIÓN:Generalmente, esta resistencia es despreciada. Para propósitos mineros, es suficiente considerar una aceleración de 0.146 a 0.292 pies/segundo^2 igual a 0.1 a0.2 millas por hora por segundo, que equivale de 10 a 20 libras por tonelada de peso de la locomotora más los carros cargados. En las minas

subterráneas, es suficiente considerar una desaceleración de 0.146 pies/segundo^2. Un tren que viaja a la velocidad de 9,113 pies/segundo (10 km/hora).

9) FUERZA DE TRACCIÓN DE LA LOCOMOTORALa fuerza de tracción teórica de una locomotora con ruedas de fierro fundido es de 20% y de acero 25% de su peso. Cuando se usa arena, estas fuerzas aumentan a 25 y30% respectivamente. Esta fuerza debe ser por lo menos 15% mayor a la resistencia del tren. La fuerza de tracción se calcula con la siguiente formula.  F = L x Rt + W x RtDónde: Rt= Rr + 20x G hacia arriba.Rt= Rr + 20x (-G) hacia abajo.

10) FUERZA DE FRENADO DE LA LOCOMOTORAEsta fuerza se asume de 80 a 85% de la fuerza de tracción. Cuando se frena o para la locomotora, la gravedad ayuda con 20 libras por tonelada corta por cada por ciento de gradiente hacia abajo. También se puede calcular con las siguientes formulas:

Fuerza de frenado hacia abajo:F = 2 000 AL + W ( Rt – 20G ) - L (20G)

Fuerza de frenado hacia arriba:F = 2 000 AL + W (Rr  – 20G) + L (20G)

Dónde:A = adherencia a nivel, expresado en decimales ruedas de fierro fundido =

0.20, ruedas de acero = 0.25L = peso de la locomotora, toneladas cortasW = peso de la carga rodante (peso de carga + peso carros), toneladas cortasRt = resistencia de los cojines de los carros, libras por tonelada cortaRr = resistencia de los cojines de a locomotora, libras por tonelada cortaG = gradiente, por ciento.

11) PESO DE LOS CARROS VACÍOSEstos varían de 46 a 63% del peso neto de la carga.

12) CICLOS DE TRANSPORTE Estimar el tiempo de ciclo es difícil. Para hacer el ciclo más rápido se dispone de instalaciones y dispositivos tales como parrillas, martillos neumáticos o hidráulicos para romper las rocas mayores a la luz de las parillas, compuertas accionadas por pistones, tolvas, carros con tolvas traslapadas, mecanismos para vaciar, carros, locomotoras en tándem equipadas con controladores magnéticos o neumáticos para duplicar la fuerza de tracción y otros.

13. DETERMINACIÓN DEL PESO LA LOCOMOTORA

1. Cuando se considera la aceleración: Una de las fórmulas de amplio uso para su determinación es la siguiente:

W ( F + 20G + 100 a ) L = ------------------------------

480 – 20G – 100 a

2. Sin considerar la aceleración: Una de las fórmulas de mayor uso para gradientes a nivel o hacia arriba es la siguiente:

W ( F + 20 ) L = ------------------------------

2000 A – 20 - 20G

 Dónde:L = peso de la locomotora, toneladas cortas.

0.1 a 0.2 mphps (millas x hora x segundo) = 0.146 a 0.292pies/segundo2W = peso de la carga rodante, toneladas cortasG = gradiente, por cientoF = resistencia a la carga rodante en función de W, libras por tonelada corta.A = adherencia a nivel, expresado en decimales ruedas de fierro fundido =0.20,

ruedas de acero = 0.25Cuando se utiliza ruedas de acero en una locomotora a troley, la adherencia A es igual a 0.25 entonces se tiene

  W ( F + 20 )

L = ------------------------------ 480 - 20G

  EJEMPLO 1:Dadas las siguientes condiciones, seleccionar la locomotora a troley y carros para el transporte de mena de la mina a la concentradora:

1. La concentradora trata 2000 toneladas cortas/ día, 7 dias a la semana.

2. Gradiente 6/1000 en descenso con carga = 0.6%

3. Distancia de la tolva de concentradora: 5000 pies

4. Turnos de trabajo de la locomotora: 2 de 8 horas cada uno, 6 días a las emana

5. Carros provistos de rodamientos.

6. Las ruedas de la locomotora son de acero

7. La aceleración es de 0.1 mphps.

Solución:

1. Tonelaje por turno de la locomotora:7 dias x 2000 ton/dia ---------------------------- = 1166.6666 se redondea a 1180 toneladas6 dias x 2 turno / dia

2. Estimación del tiempo de ciclo de viaje:Llenado de un carro 1minVaciado de un carro 1minVelocidad del convoy 32 808 pies por hora (10km/hora)Tiempo de viaje ida y vuelta:

60 min. x 2 x 5000 pies ---------------------------- = 18.288 min.32806 pies / hora

Tiempo de ciclo considerando 10 carros:2 * 10 + 18.288 = 38.3 casi 40 min

3. Tiempo neto de trabajo por turno:7 horas * 50 min/hora de trabajo =350 minutos

4. Numero de ciclos por turno: 350/40 =8.75 casi 9 ciclos

5. Tonelaje por carro por viaje: 1180 Ton. ---------------------------- = 13.111 Ton9 Viajes * 10 Carros

6. Peso de la carga rodante considerando peso de carro vacio igual a 70%de la carga:10 carros * 13.1 ton/carro *1.7 = 222.7 casi 223 toneladas cortas

7. Peso de la locomotora considerando que las ruedas son de acero: Aplicando:

W ( F + 20G + 100 a ) L = ------------------------------

480 – 20G – 100 a

tiene:

223 ( 20 + 20 ( -0.6)+ 100 ( 0.1) ) L = -------------------------------------------

480 – 20 (-0.6) – 100 (0.1)

 =8.33 casi 9 tonelada