Como funciona a locomotiva a vapor

Este artigo foi publicado inicialmente na revista Esporte Modelismo, em 1985, e revisado pelo autor, em 1993, para o Centro-Oeste — que, infelizmente, parou antes de publicá-lo.

Agradeço aos engenheiros Lockmann e Camolez — que em 1986, quando escrevi este artigo, ainda estavam ativos e eram ferroviários da época do vapor (EF Noroeste do Brasil, Bauru) — a valiosa colaboração recebida para sua redação.

Muitos ferreomodelistas e outros admiradores de motivos ferroviários possuem modelos ou pelo menos já viram "in natura" uma locomotiva a vapor, funcionando ou estática, fria, como monumento a uma épica e gloriosa época que já se foi há muitas décadas. Porém certamente a grande maioria desses admiradores já fez a inevitável pergunta: — Como é que ela funcionava? Como pode o vapor mover todas essas rodas? — Pois bem, aqui estão, suscintamente, algumas das respostas.

Suponha uma locomotiva a vapor do tipo Pacific (rodagem 4-6-2) de fabricação da Baldwin Locomotive Works dos Estados Unidos.

Embora haja exceções (loco-tanque, p.ex.), locomotivas a vapor são geralmente máquinas de duas partes: — A unidade frontal, ou seja, amáquina a vapor, que consiste em uma Caldeira para gerar energia (vapor) e o mecanismo que usa esta energia para transformá-la em movimento mecânico; — E a unidade posterior, o tênder, rigidamente acoplado à máquina frontal. É um veículo para armazenar combustível e água, elementos necessários para gerar e transferir energia.

A Locomotiva

Combustível e água do tênder são transferidos para a Fornalha e aCaldeira, respectivamente. O combustível é queimado na Fornalha, sendo os gases quentes arrastados através dos tubos da Caldeira para dentro daCaixa de Fumaça, de onde serão finalmente expelidos para cima, através da chaminé. Ao passar pelos tubos, o calor dos gases é transferido para a água dentro da Caldeira, convertendo uma parte desta em vapor que, sendo acumulado no Domo de Vapor, gera pressão e é transferido, quando solicitado — através de uma válvula controladora (ou Regulador de Pressão) e de um tubo — para as válvulas direcionais, e daí para os cilindros.

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Horst Wolff — Agosto-1993

A locomotiva é, efetivamente, formada por 2 máquinas separadas, uma em cada lateral, e cada uma com uma haste de conexão e mecanismo de válvulas, unidas aos eixos das rodas motrizes, operando sincronamente.

Cada válvula distribui o vapor para o respectivo cilindro. Câmaras nos corpos da válvula, juntamente com uma válvula direcional, mandam o vapor para o lado apropriado do pistão, ao mesmo tempo provendo uma abertura de exaustão para o vapor usado. A ação das válvulas é controlada por um mecanismo próprio.

Existem diversos tipos de mecanismos de válvulas, porém todos seguem mais ou menos o mesmo princípio. A haste da válvula é conectada à cabeça da cruzeta e a um eixo excêntrico por uma série de alavancas. A combinação dos movimentos da cruzada, do eixo excêntrico e a posição da barra radial no quadrante de reversão controla o volume de vapor admitido para o cilindro e a seqüência pela qual ele entra na câmara do cilindro durante cada volta da roda motriz.

Quando as barras radiais estiverem na horizontal e alinhadas com o pivô do quadrante de reversão, nenhum movimento pode ser transferido para a válvula e nenhum vapor pode ser admitido para os cilindros. Isto seria semelhante a colocar ao ponto neutro ("banguela") da alavanca de câmbio de um automóvel.

Através de uma série de hastes, um braço da barra de marcha, e às vezes por um pequeno cilindro pneumático chamado Reversor de Força, o maquinista pode levantar ou abaixar as barras radiais nos oblongos dos quadrantes para mudar a posição das hastes relativas aos pivôs dos quadrantes. Isto faz os quadrantes atuarem como alavancas para puxar e empurrar as hastes.

Levantando-se as barras radiais, proporciona-se movimento de marcha à ré, e abaixando-os movimenta-se para a frente. Com o "câmbio" colocado colocado em posição reversiva (barra radial levantada), a válvula manda vapor para a traseira do pistão ao mesmo tempo que faz uma abertura para saída do vapor que está na frente do cilindro. O vapor passa pela traseira da válvula e para cima, entra na Caixa de Fumaça e sai pela chaminé.

Para o movimento para a frente, a barra radial é abaixada, mudando-se as posições relativas aos pontos de pivotamento, invertendo assim a distribuição do vapor para os cilindros.

Quanto mais a barra radial é levantada ou abaixada, tanto mais o volume de vapor admitido é controlado (mantido) por um tempo maior, conforme pode-se verificar pelo movimento rítmico do pistão. Quando se dá a partida, ou em velocidades baixas, a barra radial é posicionada na distância máxima do pivô do mancal do quadrante (chamado também de "corte total do vapor). Isto permite que o vapor passe ao cilindro enquanto durar o curso (movimento) do mesmo pistão. Isto seria a mesma coisa que a primeira marcha do câmbio de um automóvel. A exaustão do vapor, nesta posição, é longa e alta. Compreender o som da exaustão é de grande importância para o ferreomodelista, pois só assim ele encontrará o sistema correto de som para sua maquete.

Conforme a locomotiva ganha velocidade, a barra radial é trazida para mais perto do pivô do mancal do quadrante, por um mecanismo próprio. Isto encurta o período de tempo no qual se permite que o vapor passe para os cilindros e o curso do pistão é completado pela expansão do vapor. Isto seria como a quarta marcha do câmbio de um carro. O som da exaustão do vapor se torna progressivamente mais curto e agudo.

O pistão é conectado à cruzeta, a cruzeta ao puxavante, o puxavante ao pino da manivela, e o

pino da manivela à roda principal de propulsão. O movimento do pistão para frente e para trás é alterado para movimento rotativo e as rodas de propulsão giram.

Todas as rodas propulsoras de cada lado são unidas por braçagem lateral. As rodas do lado esquerdo têm as manivelas colocadas a 90 graus das manivelas do lado direito (chamados "quartos"). Isso feito, pelo menos um cilindro vai estar sempre puxando ou empurrando o puxavante.

Assessórios da Caldeira

Injetores (um de cada lado da caldeira) misturam vapor com água e forçam-no para dentro da caldeira, através de tubos de distribuição. Injetores do tipo não-elevador são localizados por baixo da cabine. Os do tipo elevador são montados na cabine ou quase adiante dela, cerca da mesma altura que a válvula de controle da Caldeira. A válvula retentora previne para que a água não volte da caldeira.

As locomotivas têm pelo menos 2 domos — um menor (o Domo de Vapor) no qual o vapor é coletado — e um maior, para a areia usada para proporcionar melhor tração sobre os trilhos quando molhados ou em subidas.

A torre pequena localizada no topo traseiro da Caldeira é a conexão e centro de controle para todos os dispositivos de vapor, como a bomba de ar e o gerador.

As válvulas de segurança estão localizadas tanto no topo traseiro da Caldeira como no Domo de Vapor. Esses dispositivos cilíndricos são válvulas que contêm molas calibradas para liberar a pressão do vapor quando exceder o limite máximo permissível.

Sistema de ar

Diversos dispositivos são operados por ar. Ele é elevado até uma alta pressão por um compressor (operado a vapor) e armazenado em um ou mais tanques, ou reservatórios.

Válvulas na cabine controlam a pressão do ar para o cilindro de freio da locomotiva e para a tubulação da linha de freio da composição.

O tênder

O tênder é uma carcaça metálica, rebitada ou soldada, montada sobre um quadro. Está dividida em 2 compartimentos, um para água e outro para combustível. A capacidade cúbica de água é mais ou menos o dobro da capacidade de combustível.

Locomotivas que queimam lenha ou carvão são alimentadas manualmente. Uma chapa inclinada no fundo do depósito de carvão do tênder, dobrada em ângulo na direção do fundo da parte frontal, deixa o carvão sempre ao alcance do foguista.

Por volta de 1910 foi inventado um alimentador mecânico para a Fornalha. Um longo tubo entre o depósito de carvão do tênder e a Fornalha da locomotiva contém um parafuso de alimentação do tipo sem-fim, para transferir o carvão. O alimentador mecânico é operado por um pequeno motor a vapor, de 2 cilindros, localizado abaixo da cabine da locomotiva ou na parte frontal mais alta do tanque do tênder.

Óleo combustível pesado também era usado, sendo necessário aquecê-lo por meio de serpentinas de vapor da máquina a fim de mantê-lo suficientemente fluido para que haja vazão para o queimador. O depósito de óleo (tanque retangular) ocupa no tênder o mesmo espaço que seria do depósito de carvão.

O tanque de água tem uma tampa de acesso e enchimento, no topo traseiro da cobertura do tênder.

O tênder é permanentemente conectado à locomotiva por uma pesada barra metálica (ou duas). Tubos pesados e flexíveis (ou mesmo rígidos) são usados para transferir água para a Caldeira (e óleo combustível para a Fornalha).

Mangueiras flexíveis e tubos com conexões entre a locomotiva e o tênder transportam o ar comprimido para os freios, o vapor para os instrumentos e a água para a Caldeira.

Para informações mais detalhadas sobre o funcionamento de locomotivas a vapor, e mais detalhes sobre as peças, vide o livro Model Railroader Cyclopaedia, vol. I — Steam Locomotives (da Kalmbach), que tem desenhos em escala de 127 locomotivas, abrangendo desde a pequena American 4-4-0 de 1873 até a enorme Big Boy, articulada, 4-8-8-4, da Union Pacific, passando pela poderosa Y6b da Norfolk & Western e outras locos fora-de-série. Este livro, em inglês, dá uma excelente noção dos componentes de uma locomotiva a vapor.

Uma sugestão

Aqueles que tiverem interesse em ver uma legítima ferrovia funcionando quase que totalmente a vapor, com locomotivas Texas, Mikado e Santa Fé arrastando vagões de minério carbonífero, devem tentar uma visita à EF Donna Thereza Christina, cujas oficinas e centro administrativo estão em Tubarão, SC. Vale a pena a visita. A ABPF de vez em quando promovia excursões até lá.