Traçat i infrastructura

La possibilitat de variar les inclinacions entre límits molt amplis dóna als ferrocarrils de gran pendent l'avantatge característic de poder-se adaptar en gran manera a la forma del terreny. Això fa possible situar la major part de la línia sobre el terreny natural, reduint d'una manera important obres tals com el moviment de terres i els túnels. Pel que fa al radi de les corbes, quan es tracta de fer-hi circular cotxes d'ample de via normal (1435 mm), el radi mínim és de 200 a 180 m, tant per als trams d'adherència com per als de cremallera. Quan es tracta de vies més estretes, en canvi, sempre que el material pugui inscriure's en corbes tancades, la cremallera no és mai un obstacle per a utilitzar radis molt petits. Per al pas de corba a recta i viceversa s'han demostrat supèrflues les corbes especials de transició, però en canvi es recomana que entre corbes de sentit contrari hi hagi almenys una longitud de carril recte. Els ferrocarrils solament de cremallera no acostumen a utilitzar cap sobreample, i Silvester Marsh (cremallera del Mount Washington) havia renunciat fins i tot al joc lateral. La raó d'això és ben senzilla: Si hom dóna al carruatge, de nou en nou, un joc de 10 a 12 mm, si a això s'hi afegeix que la via (antigament disposada sobre travesses de fusta) ja d'entrada presenta sobreamples d'uns milímetres que amb el temps augmenten inevitablement, i si a més es considera l'augment de joc lateral produït pel desgast de les plaques d'assentament i de les pestanyes de les rodes, hom veurà aparèixer amb el temps un joc lateral de 20 a 30 mm en total, valor que no es pot tolerar. És per això que les línies del sistema Riggenbach empren una roda dentada de 100 mm de gruix, amb una distància entre els laterals de la cremallera de 126 mm; d'aquesta manera la roda dentada es pot moure 13 mm ençà i enllà sense ocasionar cap perjudici. Quan es tracta de ferrocarrils normals el sobreample és, però, indispensable. Abt ha donat als seus ferrocarrils un sobreample de fins a 21 mm i, pel que demostra la experiència, amb un gran èxit. El sobreample es dóna dela manera següent:

Radi (m)	Sobreample (mm)
Més de 500	0
500 a 350	7
349 a 250	14
Menys de 250	21

D'aquests sobreamples, el primer (7 mm) es dóna solament al carril interior, el segon (14 mm) a ambdós carrils amb 7 mm a cada un, mentre que el sobreample màxim (21 mm) es reparteix donant-ne 14 mm al carril interior i 7 mm al carril exterior, de manera que la cremallera romangui a l'eix de la via. Per altra part, les rodes dentades disposen d'un joc ateral de ±28 mm. També en els primers cremalleres es tingué el peraltat per superflu, però poc a poc es va anar introduint, de forma més limitada en les línies solament de cremallera, però de manera total en les línies mixtes d'adherència i cremallera. Per a via normal i mètrica, i a la velocitat corresponent als trams dotats de cremallera (uns 3 m/s), han donat bon resultat els peraltats següents, que es refereixen a alçades del carril exterior sobre l'interior:

Radi (m)	Peraltat (mm)
	Via normal (1435 mm)	Via mètrica (1000 mm)
150	90	63
200	75	52
300	50	35
400	25	17
500	10	10

Els ferrocarrils de cremallera solament, utilitzen un peraltat de 30 a 40 mm. En alguns dels antics ferrocarrils de cremallera no es van emprar unes corbes d'acord vertical adequades en l'enllaç de les rasants, cosa que ha sigut un inconvenient per a la explotació. Uns canvis d'inclinació massa sobtats fan que al maquinista no li sigui possible mantenir una velocitat regular, motiu que ja és suficient per escollir unes corbes d'acord suaus; però, a més, es produeixen salts dels mecanismes del tren i dels enganxalls que, a vegades, són causa d'elevació de punts del comboi. En el cas de mòbils de tres eixos el perill està en què, degut a l'angle d'atac de la corba d'acord l'eix central resulti totalment alleugerit, perdent així el guiatge de la via, o bé en l'angle de sortida de la corba d'acord, on l'eix central suporta tot el pes del mòbil, de manera que aleshores s'alleugereix l'eix posterior i els topalls fàcilment s'empenyen uns amb altres, remuntant-se si s'escau. Fins i tot en les línies on els trens es componen solament de la màquina i un sol cotxe, es recomana que les corbes d'acord vertical no tinguin un radi inferior als 300 m, o millor 500 m, encara que es permeten radis de 300 m per a les corbes d'acord vertical còncaves. Cal també no limitar exclusivament la cremallera a les fortes rampes, sinó que cal prolongar-la àmpliament vers el tram immediat adjacent, ja que així la locomotora, tant si va al davant com al darrera del tren, passarà l'entrada de cremallera i es trobarà ja sobre aquesta abans que la resistència del tren esdevingui més gran a causa de la variació d'inclinació de la via. De manera semblant, es recomana especialment que la longitud de via plana a les estacions sigui prou llarga, a fi que no es doni el cas que a cada maniobra o canvi de via la locomotora hagi d'ocupar l'entrada de cremallera i el principi de la rampa corresponent.

Suport artificial allotjat en el subsol. Suport artificial allotjat en un bloc de formigó.

Quant a la infrastructura, la d'un ferrocarril de cremallera no difereix, pel que fa als treballs, de la d'un ferrocarril normal ben construït; és però en el cas del ferrocarril de cremallera on cal recomanar més que mai la millor i mésresistent infrastructura. Ha donat un resultat excel·lent la construcció d'una plataforma de la via ben ampla, disposada sobre un llit de balast guarnit a banda i banda amb un mur sec, que també redueix en certa manera el moviment de la superestructura, especialment en trams de traçat sinuós. En les inclinacions elevades i especialment amb infrastructura poc adequada, s'han demostrat imprescindibles els suports artificials, que eviten el corriment de la via en sentit descendent quan el pendent és pronunciat. En la línia del Generoso, Abt va utilitzar el tipus de construcció de les figures adjacents, que va trobar acceptació universal. Segons la naturalesa del terreny i la inclinació del traçat, s'allotjaven en forats en el subsol o bé es fabricaven grans blocs de formigó a cada 50 a 200 metres, i s'hi introduïen trossos de carril d'un metre de llarg de manera que sobressortissin a flor de via pel costat inferior de la travessa, amb la que, si calia, es falcaven amb ajut de tires de planxa o ferros plans. Aquesta disposició té l'avantatge que un aixecament o abaixament de la via, com els que produeixen el ripat o el piconament, no resta efecte al recolzament.

La superestructura amb travesses de ferro presenta menys desllisament que la que empra travesses de fusta. En les línies amb inclinació inferior al 70‰ usualment no és necessari cap recolzament si la infrastructura és de qualitat.

Superestructura

Carrils i travesses

Els primers ferrocarrils de cremallera van escollir uns carrils de molt poca secció. Però solament pels motius referents al lliscament de la superestructura, que fan especialment necessària en els trams més drets una superestructura robusta, resulta recomanable l'ús de carrils més pesants i brides angulars per fixar-los fermament a la travessa. La necessitat d'un assentament acurat de tota la superestructura i del manteniment de l'ample de la via, així com també per causa de les grans sol·licitacions a què aquesta està sotmesa, han fet molt recomanable la utilització de travesses metàl·liques. Les unions entre travessa i carril se solucionen de diverses maneres: en el Harz, per exemple, mitjançant grapes i clavilles, mentre que en un gran nombre de línies s'usen les anomenades fixacions del Rin, amb plaques de pressió i cargols.

Cremalleres

Ja Cathcart, amb bon coneixement del comportament de les rodes dentades, havia donat a la seva cremallera un dentat evolvent. En canvi Silvester Marsh s'havia decidit pel dentat puntual, que li permetia fabricar les dents de la seva cremallera a partir de barres rodones. Encara que aquesta solució també era bona, el dentat evolvent és tan adequat que també Riggenbach el va escollir i totes les cremalleres l'empren fins avui dia sense excepció, ja que presenta l'avantatge de permetre diverses profunditats d'engranament de la roda. Amb la forma d'escala, la cremallera es fabrica en unitats de tres metres de llarg. Cada unitat consta de dos angles o dos perfils en U entre els quals se situen les dents que, com ja s'ha dit, eren originalment ferros rodons els quals més tard cediren el lloc a seccions trapezoidals. Els orificis dels laterals calia fer-los amb punxó, ja que no eren totalment circulars sinó que a dalt i a baix tenien uns plans per impedir que les dents poguessin girar. Però aquest tipus de mecanització va portar tota una colla de problemes, de manera que es va prescindir dels punxons i es va foradar amb broca i reblonar després els caps de les dents, cosa que a més donava una gran solidesa a tota la cremallera. Tot això va portar a la construcció de la cremallera d'escala de Klose i Bissinger. En aquests casos, per poder realitzar fàcilment els forats dels laterals, cal que tant aquests com els extrems de les dents trapezoidals siguin rodons. Però amb això quedava encara per solucionar el gir de la dent sobre el seu eix longitudinal; per aquest motiu a cada lateral s'hi va preveure un ressalt on recolzava la part inferior de la dent. Finalment, per evitar haver de reblonar les dents, aquestes es deixaven sobressortir, s'hi posava una brida plana i el conjunt es fixava amb perns i femelles. La unitat de cremallera així constituïda o bé es posava sobre la travessa i s'hi fixava amb tirafonds o bé, si calia elevar la cremallera, es fixaven aquestes unitats de cremallera a cadiretes de fosa o planxa i aquestes a les travesses. Per a les corbes, si no eren molt tancades, les unitats de cremallera es fabricaven com a trossos de recta; si les corbes eren més tancades, es corbaven convenientment al taller. Però en el cas de corbes molt tancades es foradaven les cares interior i exterior de manera que les dents estiguessin en la posició correcta respecte al punt mitjà del cercle. Les plaques dentades d'Abt estaven construïdes d'acord amb un altre principi: aquestes plaques no arriben a l'obra com un tot acabat, sinó que ho fan en trossos solts que cal unir in situ com es fa amb els carrils. Consisteixen en dues o tres barres paral·leles que a la part superior hi porten el dentat, mentre que la part inferior serveix per fixar-les a les cadiretes, que serveixen d'unió entre les cremalleres i la travessa. Les cadiretes són d'acer laminat o de fosa d'acer especialment escollida per a aquesta aplicació. Mitjançant l'entrellaçat de les dents, que comporta el de les plaques dentades i és característic del sistema Abt, les unions resulten excepcionalment resistents per sí mateixes. En una unió, una placa (si la cremallera és doble) o dues (si a cremallera és triple) passen per la cadireta sense cap discontinuïtat i, per tant, la cadireta juntament amb els gruixos de les cremalleres formen una brida de suport molt robusta: els dos extrems de les plaques que s'uneixen en una cadireta ho fan amb sengles brides planes d'acer a banda i banda. Pel que fa a la cremallera Strub, es fabrica en llargades de 3,5 metres. El dentat corresponent s'obté per perforació i tallat del cap, especialment sòlid, d'un carril de patí. Com que el fons del buidat (espai entre dents) té una certa amplada, se li dóna també un cert pendent lateral a fi de prevenir un eventual embussament pel glaç. La fixació a la travessa es fa amb brides angulars especials ben sòlides.

Dilatació lineal

Les cremalleres amb dentat d'escala es fixen pel seu extrem inferior. Amb les llargades usuals dels trossos de cremallera (de 3 a 3,5 m) i amb les variacions de temperatura dels climes més moderats, la part superior es dilata uns 3 mm. Per tant, cal esperar errors d'aquest ordre en el pas d'una de les unions. Si no s'hi afegeix cap altra alteració no cal témer problemes d'engranament segons ha ensenyat l'experiència. La influència de la temperatura és encara més negligible en el cas de plaques dentades amb dentat entrellaçat. Com ja s'ha dit abans, cada placa va també subjectada pel mig; varien doncs a cada extrem i, per a una llargada de 0,9 m des del punt central, la variació a l'extrem és de ±0,25 mm. La desviació del pas que això produeix a les unions és, per tant, molt petita; però esdevé totalment negligible si a cada costat lateral de la unió hi ha una placa sencera (com és el cas). Més endavant es veurà com aquestes circumstàncies favorables poden aprofitar-se per a la fixació de la cremallera als ponts de ferro llargs.

Material

Les cremalleres més antigues eren d'acer laminat i forjat; més tard van ser d'acer fos i les cadiretes de fosa normal. Les plaques de cremallera Abt es fabriquen amb acer fos tenaç, obtingut pels procediments Martin o Thomas i amb una resistència a la tracció d'almenys 48 kg/mm², un allargament al trencament d'almenys el 20% i un escanyament del punt de trencament de no menys del 38%. El carril dentat (Strub) és d'acer una mica dolç, de 45 kg/mm² de resistència. Totes les peces de fixació i subjecció són de forja. El desgast de la cremallera, sigui de la classe que sigui, és molt petit; però cal no ignorar que un geixatge adequat no solament conserva més les dents de la roda dentada i les cremalleres, sinó que a més redueix també les resistències per fregament.

Entrades de cremallera

Quan es tracta de ferrocarrils de cremallera solament, les rodes dentades romanen sempre engranades amb la cremallera, però en el cas de línies que alternen l'adherència amb la cremallera no és pas així. La primera locomotora mixta de cremallera (la del Madison-Indianapolis) tenia l'eix de la roda dentada elevable. El tren entrava al tros de cremallera amb la força viva acumulada i aleshores lentament es feia baixar la roda dentada i es produïa així l'engranament. Com ja s'ha indicat a un altre lloc, la primera locomotora mixta lliurada a la línia d'Ostermund havia d'anar-se movent endavant i enrera pel principi de la cremallera fins a assolir l'engranament correcte de la roda dentada.

Entrada de cremallera creada per Roman Abt.

Aquestes dificultats van ser superades l'any 1876 per l'entrada de cremallera inventada i realitzada per Roman Abt amb gran perfecció. Aquesta entrada de cremallera consta d'una peça de cremallera d'uns 3 m de llarg que descansa sobre molles i que està unida mitjançant una articulació amb la cremallera fixa normal. Quan la roda dentada de la màquina que s'apropa a aquesta entrada de cremallera i entra en contacte amb aquest mecanisme no cal témer cap dany, ja que la peça articulada cedirà fins al moment en què es produeixi l'engranament. Per a màquines amb acoblament rígid entre rodes adherents i roda dentada no és probable que d'entrada ja les dents coincideixin. Però si la peça del principi de cremallera és d'un pas de dentat més gran o més petit que el de la roda, amb el girar d'aquesta es produeix a cada pas una nova variació de posició relativa entre roda i cremallera, la qual aviat esdevé prou gran perquè la dent de la roda coincideixi amb un buit del dentat de la cremallera. En aquest instant i per efecte de dues molles comprimides sota la peça d'entrada, aquesta torna a la seva posició primitiva i l'engranament està fet. En el cas de locomotores amb accioament separat es pot prescindir d'aquesta variació del pas a la peça d'entrada de cremallera. Com que les rodes adherents i la roda dentada poden girar a velocitats diferents, en el cas que les rodes dentades muntin sobre la peça d'entrada hi rodaran segons el cercle primitiu i, per tant, recorreran un camí més llarg que el corresponent al cercle d'engranament. Aviat, després de passar unes poques dents, es redueix la diferència de posició relativa i es produeix l'engranament.

Agulles i plataformes giratòries

En les línies mixtes de cremallera poden fer-se tota classe de canvis d'agulles i creuaments en el tros d'adherència, de manera que no s'hagi de pensar en dispositius especials per a les cremalleres. Les coses són diferents en el cas de línies de cremallera exclusivament. Les antigues construccions i també la línia del Pilatus utilitzen grans plataformes giratòries sobre les quals se situa tot el tren amb màquina inclosa i, mitjançant els dispositius adequats, es fa girar la dita plataforma i, amb ella, tot el tren. És inqüestionable que així es realitza el canvi de sentit del tren amb el mínim espai possible, si no fos que la instal·lació d'aquestes plataformes és molt costosa, la manipulació és lenta i, si no es va amb molt de compte, no resulta totalment fiable.

Agulla de cremallera sistema Abt.

Des de feia temps que es cercava per a la superestructura de cremallera una agulla adequada i similar a les usuals. Amb el temps es va perfeccionar i presenta la disposició que mostra la figura. Aquesta agulla s'utilitzà per primera vegada en les línies del sistema Abt i després s'adaptà als altres sistemes, de manera que cada vegada més va anar substituint tota una colla de transbordadors als cremalleres d'escala.

Fixació de la cremallera als ponts de ferro

Dificultats similars a les que es presenten degut a la variació de longitud dels carrils en els ponts llargs, les trobem també en el cas de les cremalleres. Aquí, però, la solució adoptada ha de ser més precisa ja que les variacions que permet el pas del dentat solament poden oscil·lar entre límits molt petits. Per això tots els ferrocarrils van fer l'esforç d'eliminar els ponts de ferro llargs i substituir-los per ponts de pedra o de fàbrica. Fins al pont de ferro la cremallera conserva la seva posició fixa i invariable i a l'extrem d'avall del pont la cremallera pot considerar-se fixa en aquest. Però a la part d'amunt del pont hi apareixerà tota la dilatació, d'acord amb la seva llargada. El coeficient de dilatació és de 1/850 per a una diferència de temperatura de 100 °C i, atès que per al nostre clima (es refereix a Suïssa) cal comptar uns marges de temperatura de 65 a 70°C, hi correspon una dilatació del 0,08%. És a dir, per a una llum del pont de 30 m, això ja suposa un desplaçament total a la part d'amunt de 24 mm. Una variació del pas d'aquesta magnitud no pot tolerar-se en la cremallera de cap sistema sense perill per a l'engranament.

Fixació de la cremallera d'escala en un pont de ferro. Fixació de la cremallera Abt en un pont de ferro.

Una solució senzilla, emprada sovint amb èxit en el cas de cremalleres d'escala, consisteix en fixar la cremallera no pas directament a l'estructura de ferro, sinó sobre un sòcol de fusta. La fixació de la cremallera al sòcol es fa de la manera usual, però aquest es fixa de forma lateral a l'estructura de ferro, a fi de permetre joc longitiudinal. En altres línies, en canvi, es manté el principi en què es basen les cremalleres Abt, que es fixen directament a l'estructura del pont ja que es poden permetre desigualtats de fins a 2 mm sense cap perill en el funcionament. Si es manté un joc longitudinal de 2 mm en els forats de fixació dels extrems de les plaques de cremallera i si les femelles no han sigut ben apretades hi ha la possibilitat que les plaques dentades es desplacin precisament aquesta mateixa distància o bé que una estiri l'altra. Per altra part, aquests 2 mm són la dilatació màxima que correspon a la longitud d'una placa dentada. La variació de longitud d'un pont, encara que sigui d'uns centímetres, amb una instal·lació adecuada de cremalleres Abt es reparteix proporcionalment entre les unions de les plaques dentades, de manera que les variacions de pas del dentat no són superiors a 1 mm.

Cadireta amb trau colís.

Les cadiretes de la cremallera acusaran en la part d'amunt del pont l'acumulació d'aquestes variacions; per això cal ajustar-les per a un múltiple d'aquestes variacions de longitud, és a dir, a la base hi calen traus colissos. En el cas de ponts molt llargs el desplaçament és tan important que es recomana utilitzar cadiretes suficients disposades sobre dues travesses, disposició que també es recomana per als extrems de qualsevol pont, a fi de tenir una completa independència respecte al pont si cal moure la superestructura.

© Eugeni Pont, 1998