Wabtec utiliza la dinámica de fluidos computacional para optimizar el diseño y el rendimiento en una variedad de condiciones.
Sigue siendo electrizante después de todos estos años: una apreciación del pantógrafo
Tras más de 100 años de evolución, el Panto sigue sorprendiendo como un punto clave de innovación
No pruebes esto en casa
Si alguien fuera tan tonto como para sacar el brazo por la ventana de un tren bala que corre por las vías a toda velocidad, es probable que se dé cuenta de las fuerzas que actúan sobre otro tipo de brazo, el que está posado en lo alto del tren. Conozca uno de los componentes más milagrosos y desconocidos del ferrocarril de tránsito: el pantógrafo.
Y la aerodinámica es solo uno de los desafíos a los que se enfrenta este versátil equipo al cumplir su función por excelencia: extraer la carga de un cable catenario (esa larga línea eléctrica que pasa por encima de las vías) y dirigirla adecuadamente para impulsar el tren.
Al combinar la precisión y la agilidad de una bailarina con la fuerza bruta de un rinoceronte a toda velocidad, el panto es una de las piezas más duraderas, dinámicas y esenciales del equipamiento ferroviario moderno. El pantógrafo, disponible en variedades casi ilimitadas, sigue inspirando la imaginación colectiva de los mejores ingenieros de la industria ferroviaria para hacerlo más ligero, fuerte, conductivo e incluso con mayor capacidad de respuesta que nunca.
El siglo del «brazo único»
Si bien la invención del pantógrafo con forma de diamante se remonta a los tiempos de John Q. Smith cuando viajaba en tren suburbano por la bahía de San Francisco en 1903, la perfección del panto se atribuye en gran parte al antepasado wabteco Louis Faiveley. No solo mejoró el panto con forma de diamante con su propio diseño mejorado a principios de la década de 1920, sino que finalmente rompió moldes con la invención del panto de un solo brazo. El diseño radical de Faiveley estableció el récord mundial de velocidad (331 km/h o 206 mph) para un tren de propulsión eléctrica ese mismo año, 1955, y sigue siendo el estándar de la industria hasta el día de hoy.
Y con la constante innovación del panto de un solo brazo, le siguieron unas prestaciones sin precedentes. Los nuevos modelos panto de Wabtec permitieron a los trenes alcanzar velocidades máximas de 515 km/h (320 mph) y 574 km/h (356 mph) en 1990 y 2007, respectivamente. Además de establecer nuevos récords de velocidad, los pantógrafos de Wabtec lograron numerosas innovaciones a lo largo de los siglos XX y XXI, e incluyeron innovaciones en el diseño de los materiales, el tamaño del espacio, la integración en los tejados, el alcance de los brazos y los modos de potencia, lo que contribuyó a una proliferación del panto que supera los 150 tipos y los más de 90 000 instalados en todo el mundo.
La necesidad de velocidad
Pero volvamos a la velocidad. Los pantos con forma de diamante de principios del siglo XX coincidían con la rigidez y los voltajes de los cables aéreos de esa época. Sin embargo, su forma voluminosa no favorecía la alta velocidad ni el aumento de voltaje en los cables de la catenaria. Faiveley aprovechó la oportunidad para desarrollar un tipo de pantógrafo nuevo y mejor: un pantógrafo más ligero, más aerodinámico y conductivo, y que poseía más destreza para mantener la punta en forma constante en contacto con el cable.
Irónicamente, los diseñadores e ingenieros de pantógrafos de Wabtec siguen enfrentándose a estos mismos desafíos en la actualidad para lograr el pantógrafo óptimo.
«El desarrollo de los pantógrafos se reduce principalmente a lograr un rendimiento dinámico estable, garantizar una recolección de corriente de alta calidad y entregarlos en el embalaje o con los manómetros que el cliente necesita», afirma Matt Atkins, director de ingeniería de recolección de energía de Wabtec. «Por rendimiento dinámico, quiero decir que el panto tiene que funcionar en condiciones reales (piense en el clima, el viento, la velocidad, el rebote del tren y el movimiento del cable, para empezar); y para la recopilación actual, considere nuevamente estos mismos factores, además de una larga lista de problemas de capacidad eléctrica e ingeniería mecánica. En última instancia, necesitamos ambas para propulsar un tren de manera eficaz, pero hay una serie de obstáculos que hacen todo lo posible por interponerse en el camino y que es nuestro trabajo flanquear y superar».
Otra forma de entender el desafío que supone el diseño y la ingeniería de los pantógrafos es considerar una breve lista de los pantalones «imprescindibles»:
- Debe ser ligero.
- Debe ser fuerte.
- Debe ser aerodinámico.
- Debe funcionar en dos direcciones (hacia adelante y hacia atrás, ¡a diferencia de un avión!)
- Debe conducir la electricidad.
- Debe gestionar la fricción.
- Debe funcionar en un entorno dinámico y en constante cambio.
- Además, debe poder configurarse para adaptarse a un mundo de voltajes, alturas de cables aéreos y tipos de trenes variables, así como para lo que venga después (consulte a continuación).
Esta lista, por supuesto, nunca termina. Y nadie lo sabe mejor que el equipo de panto de Wabtec, ni está más dedicado a perfeccionar y mejorar la cartera de pantógrafos de la empresa para hacer frente a estas exigencias, a menudo contrapuestas.
El sueño del pantógrafo perfecto
Los ingenieros de pantógrafos de Wabtec de todo el mundo comparten una obsesión: desarrollar el pantógrafo perfecto. Entonces, ¿qué aspecto tendría? De nuevo, Matt Atkins tiene algunas ideas.
«Creo que todos estamos de acuerdo en que el panto perfecto debe ser superligero, y eso va a requerir una innovación en el cabezal, que es carbono metalizado por naturaleza. Hoy en día, cuanto más denso es el material del cabezal, mayor es la capacidad actual que puede soportar. Pero eso añade peso, que es el enemigo de la velocidad. Por lo tanto, el santo grial sería un pantógrafo muy ligero y con una capacidad de corriente muy alta», dijo Atkins.
«Y eso es solo la mitad de la historia. Ni siquiera hemos mencionado la longitud que literalmente deben recorrer los pantógrafos para satisfacer las necesidades de nuestros clientes. Nuestros clientes siempre insisten en que los pantos tengan un alcance físico muy amplio (es decir, la capacidad del brazo panto de recorrer distancias variables con destreza) para poder utilizar sus trenes en diferentes vías con diferentes alturas de cable de catenaria. Un buen ejemplo de ello es la India, donde Wabtec es líder del mercado de pantalones de gran alcance».
Panto del futuro
Además de abordar los desafíos físicos, materiales y eléctricos y mecánicos que conlleva la innovación pantográfica, Wabtec también debe hacer frente a una variable más humana: la regulación gubernamental.
En la actualidad, una de las conversaciones más importantes en el mundo de los pantógrafos es cuál es la mejor manera de cumplir con el mandato de la ERJU de crear trenes «sin aire». Sobre el papel, la perspectiva de los trenes sin aire es fantástica. Al eliminar los grandes compresores de aire y las tuberías de las locomotoras y los vagones de transporte público, los trenes serán más livianos y eficientes.
Sin embargo, este cambio representa un gran desafío para los pantógrafos, porque muchos de ellos requieren aire para funcionar. Todo ese movimiento dinámico y en tiempo real que mantiene la cabeza del panto pegada a la catenaria suele ser posible gracias a los cilindros o fuelles presurizados con aire del panto.
En última instancia, la respuesta podría estar en un pantógrafo totalmente eléctrico, también conocido como el «ePanto», que Wabtec ha diseñado y actualmente está creando prototipos y preparando para su próxima validación. Los desafíos son muchos, como la introducción de 1) un actuador eléctrico que pueda mover el brazo del panto con la misma capacidad de respuesta que los sistemas impulsados por aire, y 2) un sistema eléctrico de caída automática que pueda apagar un panto con las mismas tasas de respuesta de menos de un segundo que los sistemas actuales que mejoran la seguridad de los trenes. Además, hay problemas de aislamiento eléctrico que resolver entre los voltajes operativos a nivel de los componentes del pantógrafo y los voltajes acumulados en la línea aérea.
«Los ePantos pueden cambiar las reglas del juego para Wabtec y para la industria en general, ya que eliminan la necesidad de una gran cantidad de equipos que los fabricantes de automóviles deben fabricar y mantener para los clientes», afirma Philippe Geoffroy, líder del área de desarrollo de productos Power Collection Pantograph de Wabtec. «Pero van a necesitar una innovación importante, un desafío que Wabtec nunca ha rehuido.
«Al evaluar las fronteras actuales de la innovación en pantógrafos, no puedo evitar recordar lo que Faiveley logró y el exitoso rumbo que estableció para esta empresa. Me sorprende que, más de 100 años después de su primera gran innovación en el diseño de pantógrafos, sigamos enfrentándonos a las mismas fuerzas físicas y realidades electromecánicas que él enfrentó y que, al igual que él, nuestra diligencia y creatividad estén dando sus frutos con avances tangibles para nuestros clientes, nuestra empresa y la industria».