Trenes Talgo pendulares y de alta o muy alta velocidad

José Luis López Gómez

Exdirector de tecnología de Talgo. Actualmente asesor técnico de la presidencia de Talgo

PATENTES TALGO está desarrollando un tren de muy Alta Velocidad y de gran capacidad. El AVRIL. Basado en los principios tecnológicos de Talgo, que son la RUEDA LIBRE y tren ARTICULADO, que aplicando las tecnologías avanzadas de fabricación se consigue un tren ligero, y de baja altura, condiciones imprescindibles para que el consumo de energía y accesibilidad sean optimas.

PATENTES TALGO se funda en 1942 con el objetivo de construir trenes rápidos, ligeros, seguros y confortables con objeto de aprovechar al máximo la energía disponible para la tracción. Hoy se denominarían trenes ecológicos.

En 1944, se alcanzan 120 km/h con un tren de pruebas cuyo peso por eje era del orden de 2 t., que teniendo en cuenta las condiciones de las vías, era una velocidad inalcanzable para vehículos con rodadura convencional y ese peso por eje. Se necesitaba mayor peso para que los vehículos ferroviarios fueran estables en la vía.

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Foto 1 - Primer tren experimental Talgo I.

En 1950, entraron en servicio los primeros trenes Talgo II con velocidad comercial de 120 Km/h. En pruebas alcanzaron 150 km/h (Foto2)

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Foto 2.- Primer tren Talgo II en servicio.

Posteriormente manteniendo los principios tecnológicos han alcanzado varios records de Velocidad tanto españoles como mundiales.

En los años 60 PATENTES TALGO desarrolla, para sus coches, el cambio automático de ancho de vía, siendo el primer tren del mundo, que circuló con viajeros sin transbordar, y sin cambio de ejes, por vías de distinto ancho.

En los años 70, PATENTES TALGO incorpora la tecnología de la pendulación natural, según la cual, el tren se inclina en las curvas, hacia el interior de la curva, de una manera natural, es decir, sin necesidad de ningún accionamiento que lo provoque y, por tanto, sin consumo de energía, simplemente por la acción de la fuerza centrifuga. De esta manera, se disminuye la aceleración centrifuga que percibe el viajero y se puede aumentar la velocidad en curva manteniendo, o incluso mejorando, el confort (foto 3).

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Foto 3. Talgo Pendular serie Talgo IV y sucesivos.

En los años 90, PATENTES TALGO, con la tecnología acumulada de las series de trenes TII, TIII, TIV, TV, TVI y TVII y la experiencia obtenida con más de mil vehículos en servicio, después de comprobar la calidad de rodadura de la tecnología Talgo en el banco de pruebas de Múnich, donde consiguió el record de velocidad hasta el momento 500 km/h (fotos 4 y 5), desarrolla los trenes Talgo de Alta Velocidad 350, serie 102, que dan servicio dentro del grupo de elite de los trenes AVE.

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Foto 4 - Banco de pruebas de Múnich.
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Foto 5 - Tren Talgo de Alta Velocidad AVE en servicio, serie 102.

A finales de los 90, PATENTES TALGO desarrolla la aplicación del sistema de cambio automático de ancho de vía para vehículos remolcados, que ya estaba en servicio desde 1969, para locomotoras y cabezas motrices con objeto de disponer así de trenes autopropulsados con cambio automático de ancho de vía.

A principios de esta década se construyen los trenes autopropulsados Talgo de Alta Velocidad, con cambio automático de ancho de vía, serie 130, que están circulando tanto por vías del AVE como por vías estándar de Renfe (foto 6).

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Foto 6 - Tren Talgo Alta Velocidad con cambio automático de ancho de vía, serie130, en servicio.

PATENTES TALGO en sus inicios, en 1950, fue el primer operador y mantenedor privado de Trenes, posteriormente la operación de los trenes Talgo la adquirió Renfe pero el mantenimiento de los trenes lo siguió haciendo TALGO. Esto ha generado una capacidad para desarrollo de equipamiento para mantenimiento, como son los tornos de foso y equipos automáticos para el control de parámetros y estado de la banda de rodadura que se exportan a todo el mundo, Francia, Inglaterra, Suiza, Alemania, Argentina, China, Japón (foto 7).

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CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LOS TRENES TALGO

Las características básicas de la tecnología Talgo son los siguientes:

  1. Ruedas independientes y ejes guiados.
  2. Tren articulado.
  3. Tren ligero.
  4. Baja altura.
  5. Gran estabilidad.
  6. Rodadura de ancho fijo o rodadura desplazable (cambio automático de ancho vía).
  7. Suspensión neumática.
  8. Pendulación.

1. RUEDAS INDEPENDIENTES Y EJES GUIADOS

Este es el principio básico del sistema Talgo. Las ruedas no están caladas sobre un mismo eje sino que las dos ruedas de un eje son independientes, es decir, giran independiente una de otra. Cada par de ruedas constituyen un rodal (foto 8).

Como es conocido, el carretón de dos o más ejes se le denomina bogi” (foto 9). En el caso del sistema Talgo «los rodales» no están situados debajo de las cajas sino entre ellas (exceptuando los rodales extremos).

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Foto 8 - Rodal Talgo, ruedas independientes.
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Foto 9 - Bogie y eje convencional, ruedas caladas sobre un mismo eje.

Los rodales están guiados por las cajas, de forma que, tanto en recta como en curva, se sitúan siempre las ruedas sobre el carril en posición tangencial (figura 1).

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Figura 1 - Guiado de ejes Talgo.

Como se aprecia en la figura 1, el rodal dispone de un balancín (color rojo) en cada lado del coche unido por unas «barras de guiado» a los extremos de las cajas adyacentes con lo que se consigue, que mecánicamente, sin riesgo ni error, el balancín se mantenga verticalmente en vía recta, (rodal perpendicular a la vía, rueda paralela a la vía) y en curva el balancín interior se cruza al acercarse las esquinas de los testeros de las cajas, y el de fuera se abre al separarse las esquinas de los testeros exteriores de las cajas, como consecuencia el eje del rodal, se sitúa en la bisectriz del ángulo que forman dichos testeros y las ruedas se sitúan paralelas a la zona de contacto de la vía.

Como consecuencia de este principio se tiene una baja agresividad sobre el carril y un bajo desgaste de la rueda, al no producirse el ataque de la pestaña de la rueda contra el carril con ángulo positivo. Como las ruedas no están caladas sobre un mismo eje no hay deslizamiento entre ellas, efectos típicos de los bogies con ejes rígidos. Con ello se evita también el movimiento de lazo, mejorándose la estabilidad.

El sistema de guiado de ejes Talgo, como ya hemos visto, es un sistema pasivo, que actúa sin aportación de energía, simplemente por la peculiar manera de articular la rodadura con las cajas, que hacen que dicha rodadura se situé siempre en la bisectriz del ángulo que forman los testeros de las cajas adyacentes y, por tanto, situaran las ruedas tangenciales a la vía.

En la figura 2 vemos el esquema del comportamiento en vía de un eje convencional con el guiado bicónico y el sistema de guiado Talgo. En el sistema bicónico o convencional guiado por rodadura, aparece el movimiento de lazo, que lleva al eje de un lado a otro de la vía con una frecuencia en función de la velocidad. Este movimiento es necesario reducirlo o eliminarlo con potentes amortiguadores que obligan a deslizar las ruedas produciendo desgastes en la rodadura.

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Figura 2 - Comportamiento en vía del guiado convencional y el Talgo.

En el caso del sistema de guiado Talgo, no hay este movimiento por estar las ruedas guiadas sobre las vía y girar las ruedas independiente una de la otra.

2. TREN ARTICULADO

PATENTES TALGO ha aplicado y mantenido esta técnica desde el principio. Consiste en poner un rodal entre cada caja y estas se apoyan directamente en dichos rodales sobre la suspensión correspondiente, que luego hablaremos de ella.

Las cajas se unen entre sí por la parte inferior con una articulación resistente a tracción 100 t y a compresión 200 t, pero pueden girar con libertad una con relación a la otra y permite movimientos de articulación en los 360º, lógicamente, estos movimientos quedan limitados a los que necesitan las cajas en curvas cerradas o movimientos verticales debidos a la suspensión y cambios de rasante en vía.

Con esta unión se forma un tren compacto que ante un problema grave en una caja queda sujeta por las demás evitando el vuelco, y acaballamiento, tan peligrosos en los accidentes ferroviarios.

3. TREN LIGERO

La construcción de las cajas de los coches Talgo, siempre se han realizado con materiales de aluminio. Con chapa de aluminio remachada al principio y posteriormente con grandes extensiones de aluminio soldadas entre sí. El objeto es conseguir cajas tan resistentes como las construidas en acero, pero con menor peso, esto le da una gran ventaja en cuanto a la energía necesaria para la tracción y su comportamiento en caso de accidente es muy superior, ya que las inercias son más bajas.

Otra ventaja importante es que, por ser la longitud de la caja más corta 13,14 m., para la misma resistencia a compresión puede ser más rígida a flexión, consiguiendo una frecuencia natural más alta, lo que se traduce en mayor confort para el viajero.

4. BAJA ALTURA

Al estar situadas las rodaduras entre los coches y no debajo de ellos, es posible situar el piso la caja en una posición mucha más baja que en el caso de los trenes convencionales, estando incluso el nivel de acceso por debajo del punto superior de la rueda (foto 10). Con esto se consigue un tren de gran facilidad de acceso desde el andén, ya que el nivel de dicho piso, está prácticamente al nivel del andén y además de bajo centro de gravedad, lo que redunda en un aumento de la seguridad.

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Foto 10 - El piso de los trenes Talgo esta a nivel del andén.

5. GRAN ESTABILIDAD

El sistema de articulación de las cajas de los trenes Talgo Pendulares, es igual en cuanto al enganche a las series anteriores, a partir de ésta serie se le añade una ventaja más, cada coche se apoya en tres puntos, consiguiéndose así una estabilidad total, ya que Incluso, en grandes alabeos de la vía o a la entrada o salida de curvas cerradas y peraltadas no se pueden producir descargas de ruedas.

En la (figura 3) se aprecia esquemáticamente como se forman los triángulos de apoyo de la suspensión de los trenes S VII y alta velocidad. El coche del centro del tren es el único que tiene cuatro puntos de suspensión para cerrar los triángulos de apoyo.

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Figura 3 - Esquema de apoyo de las cajas S VII.

6. RODADURA DE ANCHO FIJO O RODADURA DE ANCHO VARIABLE

En 1965, hubo un concurso del organismo UIC (Unión Internacional de Ferrocarriles) de ideas sobre el cambio automático de ancho de vía en ejes montados. Por tratarse de «ejes montados» Talgo se presentó fuera del concurso ya que como hemos dicho La tecnología Talgo se desarrolló con ruedas libres, (giro independiente). PATENTES TALGO recibió una mención especial.

En 1969, entro en servicio, el primer tren del mundo con cambio automático de ancho de vía, entre Barcelona y Ginebra, instalando el cambiador en Port-Bou, circulando el tren entre Barcelona y Port-Bou por vía de ancho normal Renfe y desde Port-Bou a Ginebra por ancho normal europeo, el que hoy en España denominamos vía AVE o Alta Velocidad. Desde entonces, se han instalado más de una decena de cambiadores en toda España, ya que, al ir aumentando las vías de Alta Velocidad ha sido necesaria la unión, sin transbordo de viajeros, de las ciudades con ancho normal Renfe con la red de ancho vía normal europeo.

Hasta el año 2000, los coches Talgo disponían de cambio automático de ancho, pero no las locomotoras, por tanto era necesario el cambio de locomotora en cada lado del cambiador.

Con los desarrollos iniciados en 1996, Talgo consiguió en el 2000 poner en servicio un sistema de cambio para material tractor. En 1998 consiguió el primer bogie del mundo con tracción y cambio automático de ancho, en el 2000 la primera locomotora diésel con cambio automático, en 2003 la primera locomotora eléctrica y en 2005 los primeros trenes autopropulsados los (S-130) (foto 6) que actualmente prestan servicio entre varias ciudades españolas con distintos anchos de vía. Estos trenes circulan a 250 km/h por vías de Alta Velocidad y a 220 km/h por vías de ancho normal Renfe.

7.  SUSPENSIÓN NEUMÁTICA

A los trenes Talgo se les incorpora la suspensión neumática a partir de la serie III con diafragmas de gran sección, lo que se traduce en un aumento de confort para el viajero.

Para los trenes Pendulares, Talgo desarrolla la amortiguación entre cajas (foto 11) consistente en la unión de estas por cuatro amortiguadores longitudinales y uno transversal, esta idea original de Talgo, posteriormente lo incorporaron otros trenes articulados. Estos amortiguadores unidos, longitudinalmente, entre los testeros de las cajas, forman un «todo tubo» por la unión de las cuatro esquinas de las mismas. Esta unión las permite libertad para moverse entre sí, pero lentamente, evitando cualquier movimiento brusco de una caja con relación a la otra, consiguiendo una agradable sensación de sujeción y seguridad en definitiva mejor confort.

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Foto 11 - Talgo Pendular suspensión neumática y posición de amortiguadores longitudinales.

8.  PENDULACIÓN NATURAL

Como diferencia sustancial de las anteriores generaciones de los trenes Talgo, los trenes Talgo Pendular presentan la característica de la pendulación natural.
Esto se consigue porque la rodadura, como ya se ha dicho, está situada entre los coches, y se elevan los muelles de suspensión (foto 11), hasta una altura situada muy por encima del centro de gravedad de la caja. Así, al circular por curva con insuficiencia de peralte, la propia fuerza centrifuga hace que la caja se incline hacia el interior de la curva, como si de un péndulo se tratase (de ahí la denominación de Talgo PENDULAR (figura 4).

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Figura 4 - El Talgo Pendular al entrar en curva se comporta como un péndulo.

La inclinación de la caja se obtiene de una manera natural y pasiva, o sea, sin consumo de energía, por peralte adicional para el pasajero, disminuyendo de ésta manera la aceleración centrifuga que éste percibe. De esta forma se consigue poder circular más rápido por curvas para el mismo confort sobre el viajero.

La posición de la caja para una aceleración centrifuga no compensada en el plano de la vía, viene dada por el equilibrio de los momentos de todas las fuerzas que intervienen. El momento que provoca el giro de la caja depende de la fuerza centrifuga y de la posición del centro de gravedad respecto a los muelles de suspensión (foto 11), y el momento que se opone al giro de la caja, viene determinado por el peso, por la posición del centro de gravedad respecto a los muelles de suspensión y por el par resistente al giro que ofrecen los muelles de suspensión que depende de la característica de estos muelles y de su separación

Conjugando todos estos parámetros se puede obtener el ángulo óptimo de inclinación de la caja en función de la aceleración no compensada en el plano de la vía.

Actualmente, la combinación de estos factores da un valor de ángulo de giro de la caja de 3,5º para una aceleración centrifuga no compensada en el plano de la vía de 1,6 m/s2.

Este valor se ha estimado suficiente, dado que las fuerzas por la aceleración no compensada las soportan los carriles, y circulando con mucha frecuencia terminan dañando la vía. Por tanto, necesitaría un mantenimiento especial. De hecho en España, se limita la velocidad de las circulaciones de los trenes basculantes y pendulares, para que en curva, se tenga una centrifuga máxima no compensada de 1,2 m/s2.

Hay que tener en cuenta que los trenes convencionales limitan estos valores a 0,8 m/s2 y los trenes de Alta Velocidad a 0,4 – 0,6 m/s2.

Vamos a comparar el comportamiento de un tren Talgo Pendular con un tren convencional: la velocidad que se limita a alcanzar un vehículo ferroviario en curva, en función de la aceleración centrifuga sobre el viajero, viene dada por la fórmula.

AEC Trenes Talgo pendulares y de alta o muy alta velocidad formula 01

Siendo

V = velocidad en Km/h
U = peralte en mm
UGST = peralte por inclinación de la caja en mm
UR = insuficiencia de peralte sobre el viajero en mm
R = radio de la curva en m.

Si tomamos los siguientes valores admitidos:

UR = 153 mm. (Es el valor de una aceleración sobre el viajero de 1m/s.)
U = 150 mm (peralte máximo en vías)

Tendríamos:

AEC Trenes Talgo pendulares y de alta o muy alta velocidad formula 02

Esta fórmula es válida para cualquier tipo de tren sea convencional, pendular o basculante.

Si consideramos un tren convencional con un coeficiente de souplesse de +0,2 que es un valor razonable para los trenes modernos, tendríamos (figura 5):

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Figura 5 - Diagrama de fuerzas en curva de un tren convencional y del Talgo Pendular.
AEC Trenes Talgo pendulares y de alta o muy alta velocidad formula 03

Nota:  El coeficiente de souplesse, define el aumento de inclinación lateral debido a la suspensión y a otros elementos elásticos, de un vehículo en un plano inclinado lateralmente.

Para un tren convencional la velocidad límite es:

AEC Trenes Talgo pendulares y de alta o muy alta velocidad formula 04

Si aplicamos esta fórmula para el tren Talgo Pendular obtendremos:

  • El Talgo Pendular como ya hemos dicho admite una inclinación de 3,5º
  • El valor de es 1505 seno 3,5º = 92 mm
  • El valor del límite de velocidad para Talgo Pendular
AEC Trenes Talgo pendulares y de alta o muy alta velocidad formula 05

Por tanto, la ganancia de velocidad del tren Talgo Pendular, con relación a un tren convencional es del 20% prácticamente, para la misma aceleración sobre el viajero.

Es de destacar que este incremento de velocidad en curva representa un importante ahorro energético, ya que en las vías, hay zonas rectas y curvas, y la velocidad de un tren queda limitada en la curva a valores muy inferiores a los que pueden circular por recta, esto significa que al salir el tren de la curva debe acelerar y frenar al llegar a la siguiente. Aunque los trenes modernos como los trenes Talgo de Alta Velocidad, Talgo 380 y Talgo 250, disponen de equipos para devolver la energía de frenada a la catenaria, siempre hay perdidas por los rendimientos de los equipos, por tanto, el mejor ahorro es no consumirla.

Como se puede comprobar, los trenes Talgo Pendulares ofrecen unas ventajas importantes para los trenes que circulan por vías sinuosas, como es el caso de los trazados antiguos de vías de ancho normal Renfe.

Para las vías de Alta Velocidad, tienen la ventaja de la confortabilidad, aunque esta se podría conseguir por otros medios, pero dado que, la diferencia del costo de mantenimiento y la fabricación de trenes Talgo con o sin pendulación es prácticamente nula, a partir de 1978 todos los coches fabricados por Talgo son pendulares incluidos los de Alta Velocidad.

Actualmente la gama de productos más importantes que Talgo ofrece al mercado es el siguiente:

Composición remolcada sin tracción con las siguientes características básicas:

  • Tren pendular
  •  Cajas herméticas
  •  Velocidad máxima 220 Km/h
  •  Rodadura de ancho fijo o rodadura de cambio automático de ancho tanto N. Renfe/N. Europeo como N. Ruso/N. Europeo
  •  Suministro de energía para aire acondicionado, iluminación y servicios por convertidores estáticos o grupos electrógenos diesel
  •  Trenes de día con butacas o de noche camas estándar o tren Hotel
  •  Capacidad de circulación en segregable de dos o más composiciones acopladas

Tren Talgo con cabeza motriz en un extremo y cabeza con cabina de conducción en el otro, con las siguientes características básicas:

  •  Tren pendular
  •  Cajas herméticas
  •  Velocidad máxima 220 km/h.
  •  Rodadura fija o variable con cambio automático de ancho de vía tanto N. Renfe/N. Europeo como N. Ruso/N. Europeo
  •  Suministro de energía para aire acondicionado, iluminación y servicios por convertidores estáticos o grupos electrógenos diesel.
  •  Trenes de día con butacas o de noche camas estándar o tren Hotel.
  •  Capacidad de circulación en dos o más trenes acoplables.

Tren Talgo de Alta Velocidad con las siguientes características básicas: (foto 6)

  • Tren Talgo Pendular con caja hermética
  •  Dos cabezas motrices una en cada extremo
  •  Velocidad máxima 250 km/h en vías de AVE y por infraestructura en ancho normal Renfe 220 km/h.
  •  Rodadura fija o variable con cambio automático de ancho de vía tanto N. Renfe/N. Europeo como N. Ruso/N. Europeo.
  •  Suministro de energía para aire acondicionado, iluminación y servicios por convertidores estáticos.

Tren Talgo de Alta Velocidad con las siguientes características (foto 5):

  • Tren Pendular
  •  Dos cabezas motrices integradas una en cabeza y otra en cola
  •  Velocidad máxima 350 km/h.
  •  Rodadura fija en ancho Normal Europeo, Normal Ruso o Normal Renfe
  •  Suministro de energía para aire acondicionado, iluminación y servicios, por convertidores estáticos.

En desarrollo el tren AVRIL será un tren Talgo de muy Alta Velocidad y gran capacidad:

  •  Velocidad máxima 380 km/h.
  •  Cajas herméticas y anchas
  •  Gran eficiencia energética
  •  Ancho vía Normal Renfe, Normal Europeo y Normal Ruso. En versiones con ancho fijo y con cambio automático de ancho.
  •  Tracción con las 4 tensiones estándares Europeas
  • Piso bajo a la altura de andén interoperable

Con este nuevo desarrollo, PATENTES TALGO estará a los niveles más altos de la tecnología ferroviaria en el mundo. Una de las líneas de mayor esfuerzo de investigación es la eficiencia energética, en la actualidad los trenes Talgo de Alta Velocidad son de los de menor consumo, plaza/Km. y en este campo se prevé dar un gran impulso reduciendo el consumo por plaza/km. del orden de un 20%.



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