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El Material Rodante para el Transporte por Ferrocarril de Viajeros y Mercancías
Juan Moreno Lorite
Edición, 2013
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El profesor
Felipe Juan Moreno Lorite ha desarrollado toda su carrera profesional en relación con la explotación del material rodante ferroviario principalmente desde el punto de vista de la tracción.
Participo como Técnico Instructor de Conducción en las pruebas de los nuevos trenes y locomotoras, formación de maquinistas y puesta en servicio de la línea de Alta Velocidad Madrid-Sevilla.
Durante seis años ejerció como Asesor de Explotación en el Gestor de Infraestructuras Ferroviarias (GIF) durante la construcción y puesta en servicio de la línea de Alta Velocidad Madrid-Barcelona.
Actualmente desempeña el cargo de Director de Seguridad en la Circulación y Formación en la empresa ferroviaria Continental Rail.
Documentos de la XXVII Edición del Curso General de Transportes Terrestres
EL MATERIAL RODANTE PARA EL TRANSPORTE POR FERROCARRIL DE VIAJEROS Y MERCANCÍAS
© Juan Moreno Lorite
Este documento es propiedad de su autor.
© De esta edición: Fundación de los Ferrocarriles Españoles. Edición especial para el Curso General de Transportes Terrestres de la Fundación de los Ferrocarriles Españoles
Madrid, junio de 2013
Índice Índice ........................................................................................................................... 3
1. Generalidades, tracción, trenes de mercancías ...................................................... 4
1.1. Generalidades ................................................................................. 4
1.2. TRACCIÓN ...................................................................................... 6
1.3. TRENES DE MERCANCÍAS ................................................................... 10
2. TRENES DE VIAJEROS .................................................................................... 13
2.1. Concepto tren traccionado / tren autopropulsado .................................... 13
2.2. Locomotoras para trenes de viajeros .................................................... 13
2.3. Trenes urbanos, cercanías y regionales.................................................. 14
2.4. Trenes de larga distancia .................................................................. 18
2.5. Trenes de alta velocidad ................................................................... 20
Bibliografía ................................................................................................................. 21
Juan Moreno Lorite
1. Generalidades, tracción, trenes de mercancías
1.1. Generalidades
1.1.1. Concepto de tren
En la sociedad actual el concepto de tren puede no ser lo mismo para un ciudadano estadounidense que para un europeo, y dentro de estas grandes esferas, no puede tener el mismo significado, siempre subjetivo, para un usuario asiduo de un servicio de alta velocidad que para el usuario de una pequeña línea de tranvía suburbana.
En concreto referido a esta exposición, es preciso buscar la definición más general que pueda abarcar la mayor parte de posibilidades que cada uno puede tener sobre el concepto abstracto de tren, ya que en este concepto entraría un tren de mercancías típico de la explotación de Norteamérica con varios kilómetros de longitud, como en el lado opuesto una composición de TREN-TRAN que circula en ya multitud de ciudades, esto sin olvidar los trenes de alta velocidad, o los tranvías.
Por otro lado es conocido que existen en determinadas zonas los denominados trenes de carretera que en principio nada tienen que ver con el tren ferroviario, que se podría definir de la siguiente manera:
Conjunto de varios vehículos guiados mediante el sistema de rueda con pestaña y carril, conectados mecánica y neumáticamente entre sí y normalmente traccionados o empujados por una locomotora
Hay que hacer notar el concepto de vehículo, o conjunto de vehículos guiados mediante el sistema de rueda de acero con pestaña interior rodando sobre carril igualmente de acero, cuyo esquema básico de rodadura se puede apreciar en la figura 1
1.1.2. Características Dinámicas del ferrocarril
Motivado por este sistema de rodadura (acero-acero y guiado), cuya interactuación es el concepto básico del ferrocarril se dan una serie de características dinámicas que condicionan por un lado la explotación ferroviaria y por otro el diseño, fabricación y circulación del material rodante, estas características son:
A. Un solo grado de libertad
Transporte guiado
El material rodante para el transporte por ferrocarril de viajeros y mercancías
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Sistema rueda-carril
B. Muy bajo coeficiente de adherencia entre rueda y carril (aproximadamente 1/3 del correspondiente al neumático sobre asfalto o cemento)
Menor resistencia al avance
Menor consumo de energía
Menor posibilidad de aceleración y deceleración
Mayor distancia de frenado
Imposibilidad de circular a la vista.
Exigencia de señalización
Mayor distancia de aceleración
Penalización en el tiempo de recorrido en determinados tipos
de tren
C. Grandes masas en movimiento
Como resumen de todo lo anterior estas características dinámicas en algunas situaciones son favorables para la explotación (menor consumo de energía para conseguir o mantener una determinada velocidad), pero en cambio en otras situaciones esta propiedad se muestra desfavorable a la explotación, precisándose mayores distancias tanto de frenado como de aceleración, además de precisar de mayor peso con el fin de poder transmitir la potencia necesaria y compensar de esta forma el bajo coeficiente de adherencia.
1.1.3. Características Intrínsecas del Material Rodante Ferroviario
Largo periodo de vida activa del material 30-50 años de ciclo de vida
Velocidad de explotación Máxima técnica
Posibilidad de circulación permanente a la velocidad máxima
Velocidades condicionadas técnicamente
Absoluta interacción y dependencia de la Infraestructura
Alto coste de adquisición Elevado coste de desarrollo
Series pequeñas
Tecnología específica
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Necesidad de un riguroso mantenimiento Concepto de Fiabilidad
Concepto de Disponibilidad
Necesidad de adaptación tecnológica durante el ciclo de vida Implantación de nuevos sistemas de señalización
Mejoras en interiorismo, remotorizaciones, cambio en los
sistemas de control, etc.
Grandes costes de adaptación técnica para la circulación internacional Señalización, electrificación, andenes, comunicaciones, etc
Operación casi exclusivamente nacional
Cada administración durante muchas décadas adoptaba
soluciones técnicas distintas y a veces incompatibles con las
de sus vecinos
Distintas disposición de elementos en cabina
1.2. TRACCIÓN
Cuando se habla de tracción en relación con el material rodante ferroviario será referido bien a las locomotoras de los trenes convencionales, bien a los coches motores, o equipos de tracción de los trenes automotores.
1.2.1. Definición de locomotora
Sistema tecnológico complejo destinado a suministrar una fuerza de empuje o de tracción con el fin de imprimir velocidad a un tren.
De la definición anterior se desprenden varias circunstancias:
1. Al igual que en otras actividades industriales o de transporte, las abundantes
implantaciones de tecnología hacen que las locomotoras o los equipos de
tracción sean un sistema tecnológico complejo, circunstancia a tener muy enc
cuenta en cuanto a su utilización y mantenimiento.
2. No siempre la locomotora circulará en cabeza de tren ya que como se verá
más adelante, la posición de las locomotoras en los trenes de viajeros en
multitud de ocasiones circula en cola del mismo en las denominadas
composiciones Push-Pull.
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1.2.2. Esfuerzo de tracción
Para lograr acelerar un tren (imprimir velocidad), es necesario aplicar un esfuerzo de tracción, este esfuerzo esta condicionado principalmente por los siguientes factores:
- Concepto de Masa Adherente
Masa de la locomotora que es soportada por los ejes motores.
- Concepto de Adherencia Ferroviaria
Rozamiento relativo entre el acero de la rueda y el acero del carril, oscila según las condiciones entre 5 y 33%.
- Concepto de Esfuerzo de Tracción
Una locomotora solo puede transmitir (como máximo) un esfuerzo de tracción producto de su masa adherente por el coeficiente de adherencia real (instantáneo) rueda-carril.
1.2.3. Enlaces locomotora tren
Además de la unión mecánica destinada a transmitir los esfuerzos de tracción-empuje, es preciso realizar conexiones neumáticas y en algunos casos eléctricas (trenes de viajeros) como se expone a continuación:
Mecánico
Enganche UIC (Gancho de tracción/Topes)
Enganche automático
Neumático
Tubería de Freno Automático (TFA)
Tubería de Depósitos Principales (TDP)
Eléctrico
Línea de alimentación de Alta Tensión
Línea de freno EP
Línea de tren UIC
1.2.4. Equipos técnicos en una locomotora
Equipos neumáticos
Freno (UIC) para Europa (AAR) para América
El freno ferroviario, denominado genéricamente freno
automático (normativa UIC para Europa, normativa AAR para
América del Norte), debe su definición de automático que es su
principal propiedad, al hecho de realizar el enfrenamiento de
las dos partes del tren en caso de corte del mismo por rotura
de algún enganche, sin mediar acción por parte ni del
maquinista ni de cualquier otro agente.
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Pantógrafo
Areneros
Silbatos
Engrase de pestaña
Control y actuación de aparatos
Equipos eléctricos
Motores de tracción
Aparallaje de mando y protección
Batería
Captación de corriente
Generación de electricidad
Motores auxiliares
Equipos mecánicos
Bastidor y caja
Choque y tracción
Ejes y bogies
Sistemas de cambio automático de ancho de vía
Transmisión de potencia
Puertas y armarios
Conductos de ventilación
Dentro de los elementos mecánicos se encuentran los ejes y bogies, y según la disposición y accionamiento de los primeros se obtiene la denominación de rodaje de la locomotora:
- B’o B’o
2 bogies de 2 ejes accionados independientemente cada eje de cada bogie
- B’ B’
2 bogies de 2 ejes accionados conjuntamente ambos ejes de cada bogie (bogie monomotor)
- C’o C’o
2 bogies de 3 ejes accionados independientemente cada eje de cada bogie
- C’ C’
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2 bogies de 3 ejes accionados conjuntamente los tres ejes de cada bogie (bogie monomotor)
Equipos electrónicos
Electrónica de potencia/Control
Sistemas digitales de control
Convertidores auxiliares
Registrador de datos de circulación
ATP, ATC, ATO, ASFA
Radiotelefonía
Antipatinaje/antiembalamiento
Equipos hidráulicos
Refrigeración aceite transformador
Transmisión hidráulica
Circuitos hidrostáticos
Circuitos de engrase
Refrigeración equipos de potencia
Climatización cabinas
1.2.5. Clasificación de los trenes según su tipo de tracción
Tracción vapor
Tracción eléctrica
Tracción diesel
Tracción electro-diesel
Tracción híbrida (diesel-eléctrica/baterías)
1.2.6. Tensiones utilizadas en la alimentación para tracción eléctrica
Alimentación por catenaria CA
25 kV 50 Hz, 15 kV 16 2/3 Hz
Alimentación por catenaria CC
3000 V, 1500 V, 750 V y 600 V
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Alimentación por Tercer Carril
750 V CC y 600 V CC
1.2.7. Tipos de transmisiones utilizadas en tracción diesel
Transmisión Mecánica (uso exclusivo en automotores)
Transmisión Hidráulica
Transmisión Eléctrica
1.2.8. Comparativa tracción diesel vs tracción eléctrica
Tracción diesel Menor potencia específica Necesidad de Unidades Múltiples
Tracción eléctrica Mayor potencia específica Necesidad de infraestructura de alimentación eléctrica
1.2.9. Posición de la tracción en los trenes
Tren convencional
Tren traccionado
Régimen “Push-Pull”
Tren autopropulsado
Tracción distribuida
Tracción concentrada
1.3. TRENES DE MERCANCÍAS
1.3.1. Clasificación según su servicio comercial
Producto único
Multiproducto
Contenedores
Paqueteria
Autopista rodante
Etc
En principio en un tren de mercancías se puede transportar prácticamente todos los productos con la “única” limitación del gálibo (espacio libre para la circulación del tren que esta condicionado por la infraestructura).
Lo anterior incluye desde lanzaderas espaciales (instalaciones en Kazajistan), hasta contenedores en doble piso (USA, Canadá, India).
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1.3.2. Locomotoras eléctricas para trenes de mercancías
La tendencia actual de características de una locomotora eléctrica en la red europea serían:
Locomotora específica
B’o B’o (principalmente)
Velocidad máxima 140 km/h
Altas prestaciones de freno dinámico
Sistema de “potenciación” de la adherencia
Hasta 340 kN de esfuerzo de tracción máximo
Potencia entre 4400 y 6500 Kw.
1.3.3. Locomotoras diesel para trenes de mercancías
La tendencia actual de características de una locomotora diesel en la red europea serían:
Locomotora específica
C.o C.o (principalmente)
Velocidad máxima 120 km/h
Sistema de “potenciación” de la adherencia
Hasta 400 kN de esfuerzo de tracción máximo
Primera experiencia de transmisión hidráulica gran potencia
Elementos comunes con las “familias” eléctricas
Potencia entre 2000 y 3500 Kw.
1.3.4. Últimas experiencias en locomotoras para trenes de mercancías
Locomotoras controladas por radio intercaladas en el tren
Control electrónico en cada vagón del esfuerzo de frenado
Tren autopropulsado de mercancías
1.3.5. Características generales de los vagones
Como se ha dicho anteriormente por ferrocarril es posible transportar prácticamente cualquier producto, como ejemplo:
Graneles
Vehículos
Contenedores
Productos perecederos
Productos agrícolas
Productos siderúrgicos
Materias peligrosas
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Paquetería
Correo
Transportes especiales
Para este cometido, los vagones presentan las siguientes características:
Transporte de mercancías
Características constructivas comunes normalizadas
Concepto “Heavy duty”
Alta disponibilidad
Bajo mantenimiento
En la actualidad en la red europea el vagón de mercancías cumple con las siguientes características comunes.
Equipos de freno normalizados (UIC)
Bogies normalizados (ORE, Y21, Y25)
Ejes intercambiables
Resistencia estructural normalizada
Choque y tracción normalizados
Procedimientos de mantenimiento normalizados
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2. TRENES DE VIAJEROS
2.1. Concepto tren traccionado / tren autopropulsado
Básicamente existen dos posibilidades en relación a la tracción de un tren de viajeros:
Mediante una locomotora en este caso será un tren traccionado (o empujado como
se verá más adelante), muchas veces denominado también como tren convencional
Mediante la inclusión de los equipos de tracción correspondientes en todos o en
algunos coches de la composición, en este caso estaremos ante un automotor o
autopropulsado
A su vez en ambos casos existen dos posibilidades:
Tren convencional
o Tren traccionado, la locomotora circula siempre en cabeza
o Régimen “Push-Pull”, la locomotora circula bien en cabeza, bien en cola
de tren, en este caso el control se realiza mediante una cabina de
conducción en el coche que circula en primer lugar en el sentido de la
marcha
Tren autopropulsado
o Tracción distribuida, los equipos de tracción están distribuidos a lo largo
del tren, normalmente bajo bastidor en coches que son utilizados por los
viajeros
o Tracción concentrada, existen coches (motrices) dedicados
exclusivamente para los equipos de potencia
2.2. Locomotoras para trenes de viajeros
Como norma general las locomotoras diseñadas para remolcar trenes de viajeros, presentas unas características diferenciadas con respecto a las de los trenes de mercancías, siendo sus principales diferencias las siguientes:
Velocidad máxima más elevada
Menor esfuerzo de tracción
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En el caso de locomotoras eléctricas para trenes de viajeros las características genéricas serían:
Bo Bo
88 t
270 kN/300 kN
6000 kW
220 km/h
Alimentación de Alta Tensión al tren
Para las locomotoras diesel para trenes de viajeros se tendrían las siguientes características:
Transmisión eléctrica o hidráulica
Bo Bo
80-90 t
180-270 kN
2000-3000 kW
220 km/h
Alimentación de Alta Tensión al tren
Se puede observan como existe una limitación real de la potencia embarcada en el caso de las locomotoras diesel para un mismo peso de locomotora.
En los apartados siguientes, se tratará de las especificaciones y características del material rodante dedicado al transporte de viajeros desde trenes puramente urbanos a los trenes de alta velocidad.
2.3. Trenes urbanos, cercanías y regionales
2.3.1. Trenes Urbanos
Metros
Infraestructura dedicada (normalmente subterránea)
Menor necesidad de equipos embarcados
Trenes automotores de tracción distribuida de alta aceleración y no muy elevada
velocidad máxima
1-1,5 m/s2 de aceleración
80-100 km/h de velocidad máxima
Elevada potencia específica
o Superior a 8kW/t con tren en máxima carga
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Elevada capacidad de deceleración
Superior a 1,2m/s2
Elevada capacidad de transito
o Gran número de puertas
o Adaptación interior a un gran movimiento de viajeros
o Equipos de vigilancia interior
Elevada proporción de ejes motores, mínimo 50%
o Actualmente con motores de tracción trifásicos
Aplicación generalizada de sistemas de control ATP/ATO
o Conducción automática con variación de las prestaciones del tren
Aplicación de soluciones específicas en la rodadura
o Ruedas elásticas
o Bogies que permiten la inscripción en curvas de pequeño radio
o Trenes sobre neumáticos
Redundancia generalizada de elementos vitales
o Distanciando MTBF
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Figura 2 bogie metro sobre neumáticos
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Metros ligeros
Circulación de estos trenes tanto por Infraestructura compartida con otros vehículos (modo tranvía), como dedicada (modo metro)
Especificaciones tranviarias
o Piso normal/piso bajo
o Muy alta aceleración/deceleración
o Circulación por vías sin inclinación de sus carriles
o Misma necesidad de circulación que los tranvías
Especificaciones metro
o Velocidad máxima 80 km/h
o Posibilidad de acople en UM
o Cabina de conducción en ambos extremos
o Sistemas de ATP/ATO
Tranvías
Gran accesibilidad en paradas sin andén
Elevada aceleración/deceleración (paradas próximas)
Interior diseñado para facilitar el movimiento
Aplicación masiva de soluciones técnicas avanzadas
Elementos para compatibilizar su circulación con el resto de vehículos rodados
Tren-Tran
Circulación de estos trenes tanto por Infraestructura compartida con otros vehículos (modo tranvía), como dedicada (modo tren convencional)
Especificaciones tranviarias
o Piso normal/piso bajo
o Muy alta aceleración/deceleración
o Circulación por vías sin inclinación de sus carriles
o Misma necesidad de circulación que los tranvías
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Especificaciones tren convencional
o Velocidad máxima 100 km/h o superior
o Posibilidad de acople en UM
o Cabina de conducción en ambos extremos
o Sistemas de señalización y control en función de la red ferroviaria a
recorrer (PZB, KVB, ASFA, etc)
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Figura 3 tren-tran Kassel en estación red convencional
Figura 3 tren-tran Kassel en circulación tranviaria
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Trenes regionales y de cercanías
Altísima relación viajeros/coche
Gran capacidad de aceleración/deceleración
Necesidad de gran número de puertas
Simplicidad en el equipamiento interior
Aplicación de electrónica de potencia
Redundancia de elementos vitales
2.4. Trenes de larga distancia
2.4.1. Trenes diurnos
Servicios diurnos rápidos. Conceptos generales
Alta proporción viajeros/coche
Altas prestaciones de confort
o Dos o tres ofertas por tren
o Posibilidad de restauración en el tren
o Asientos con posibilidad de reclinación
Elevada velocidad comercial
Elevado número de servicios
o Climatización
o Iluminación
o Puertas automáticas de intercomunicación
o Comunicaciones
o Conexión para ordenadores portátiles
o Entretenimiento a bordo
o WC
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Elevado número de equipos auxiliares
o Convertidores auxiliares (Alta Tensión/380V)
o Línea de UIC de mando y comunicación
o Alimentación por la locomotora/generación propia de aire comprimido
o Equipo de audio/video
o Equipo de información al viajero
Características generales coche convencional
Coche de bogies de 25 m de longitud
45-50t de masa
Velocidad máxima entre 160 y 200 km/h
Puertas interiores y exteriores automáticas
Climatización
Megafonía
Características generales coche articulado
Coche de ejes (rodales) de 14 m de longitud
14-17t de masa
Velocidad máxima entre 160 y 200 km/h
Puertas interiores y exteriores automáticas
Climatización
Megafonía
Aplicación de la Rodadura Desplazable
2.4.2. Trenes nocturnos
Servicios Nocturnos. Conceptos generales
Baja proporción viajeros/coche
Gran complejidad de disposición interior
Elevada proporción de plazas acostadas
Menor velocidad comercial que los servicios diurnos
Necesidad de locomotoras con menores prestaciones
Aplicación de coches convencionales de bogies
Aplicación de trenes articulados
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2.5. Trenes de alta velocidad
Los trenes de alta velocidad se caracterizan por las características siguientes:
Infraestructura EXCLUSIVA (V>220 km/h)
Dinámica de rodaje
Control de la potencia
Captación de corriente
Control de la circulación
Cajas estancas
Aerodinámica del tren
Aplicación de la rodadura desplazable (250 km/h)
De entre estas las tres primeras son las que en realidad marcan la diferencia en cuanto a diseño y especificaciones con respecto al resto de los trenes de larga distancia.
Además para que estos trenes puedan desarrollar sus prestaciones de velocidad, es condición indispensable que la infraestructura (trazado, vía, catenaria, señalización, etc) cumpla con los requisitos necesarios para su circulación.
Al igual que en los trenes de largo recorrido, se pueden encontrar trenes de alta velocidad en configuración de tren articulado (Alstom y Talgo), así como con coches de bogies.
Prácticamente la totalidad de los trenes de alta velocidad son trenes autopropulsados, bien con tracción distribuida (ICE 3, AGV), como con tracción concentrada (familia TGV de Alstom, Talgo-Bombardier, ICE 1 y 2).
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Bibliografía
BIBLIOGRAFIA MATERIAL RODANTE
Además de la ingente cantidad de documentación sobre material rodante, que cada administración ferroviaria genera para la formación de sus empleados a todos los niveles, se pueden encontrar diversas obras y artículos acerca de este tema.
Otro punto de información lo representan las diversas paginas Web de los fabricantes de material en el que se pueden encontrar informaciones de diversos aspectos técnicos, normalmente en este caso suele ser necesario el tener un conocimiento de ingles.
Por otro lado existen multitud de páginas Web de información y tecnología ferroviarios en los que se pueden encontrar temas de material rodante.
A continuación se enumeran tanto bibliografía papel como informática donde ampliar información relativa al material rodante ferroviario.
LIBROS
LA LOCOMOTORA. Autores U. Lamalle y F. Legein. Editorial Gustavo Gili Barcelona, 1928 1955 (español).
THE RED DEVIL and other tales from the age of steam. Autor D Wardale Inverness, 1998 (ingles).
LA TRACCIÓN DIESEL ELÉCTRICA. Autor David Grinstein. Editorial Alsina, Buenos Aires, 1960 (español).
TRACTION ELECTRIQUE. La Vie du Rail. Paris (frances).
ENCYCLOPEDIE DES CHEMINS DE FER. Autores Francois Get y Dominique Lajeunesse. Editions de la Courtille. 1980 (francés).
EL FERROBUS. El Shienenbus Uerdingen en España. Autores Lluís Prieto i Tur y Joan Acón i Pastor. Monografías del ferrocarril/2. 1995 (español).
PARQUE TRACCIÓN DE LOS FERROCARRILES DE ESPAÑA 1994. Parque pasajeros y vía estrecha. Autor Eugenio Cardona. 1994 (español).
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AUTOMOTORES ESPAÑOLES (1906 1991)1992 Javier Aranguren, extenso trabajo de recopilación de los automotores con tracción térmica y eléctrica que circularon por las vías españolas entre 1906 y 1991 (español).
LOS TRAM-TREN DE EUROPA. LA NUEVA MOVILIDAD REGIONAL EUROPEA. Editorial Términus 2012. Carlos Salmerón i Bosch.
TRANSPORTE FERROVIARIO DE MERCANCÍAS. Varios autores 2013. Marge Books (español)
PÁGINAS Web
http://www.gmemd.com/en/home/. Página de General Motors, información sobre locomotoras diesel principalmente.
http://www.zf.com/defaultz.asp?lang=1. Página de ZF empresa alemana dedicada a cajas de cambio y transmisiones tanto de automoción como ferroviarias.
http://www.unife.org/. Página de la Unión de fabricantes ferroviarios de Europa, agrupa a las grandes empresas de material ferroviario.
http://www.ffe.es/. Página de la Fundación de los Ferrocarriles Españoles. Interesante por los enlaces tanto a empresas explotadoras como a fabricantes de material y equipos.
http://www.trainweb.org/railwaytechnical/index.html. Página dedicada a la tecnología ferroviaria, se pueden encontrar desde temas de señalización a información básica de organización de un taller de mantenimiento de material rodante.
http://www.geocities.com/tranviasdecordoba/links.htm. Página dedicada principalmente a enlaces relativos a los tranvías.