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01
julho
2017

TRUQUES FERROVIÁRIOS – PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO – 2

TRUQUES FERROVIÁRIOS – PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO – 2

Como mencionamos em nosso último artigo sobre truques, hoje vamos comentar sobre o controle do efeito dinâmico que permite os trens atuais de alta carga por eixo, circularem com segurança: O amortecimento das vibrações.

O amortecimento das vibrações inerentes ao movimento vertical das suspensões dos truques, é controlado pelas Cunhas de Fricção. As cunhas de fricção são componentes fundidos e que trabalham montadas em bolsas nas extremidades das trevassas centrais dos truques com o objetivo de reduzir o movimento oscilatório por meio do atrito gerado pelo contato desta mesmas cunhas com as colunas, que são superficies existentes nas laterais fundidas dos truques, conforme esquematizado na Figura 1.

                      

Figura 1 – Montagem das cunhas nas travessas

As cunhas de fricção começaram a fazer parte integrante dos truques ferroviários à partir do final dos anos 30. Ali, naquele momento, havia a necessidade prática de aumentar a velocidade operacional ds trens, tanto de passageiros quanto de carga. A crescente concorrência dos aviões e caminhões forçou uma ação mais forte das ferrovias que resolveram trabalhar em conjunto (coisa desconhecida no Brasil) para organizar um plano de testes que pudesse direcionar para sistemas que realmente funcionassem adequadamente, transformando a energia cinética em energia térmica e com isso absorver os movimentos verticais que ameaçavam provocar ressonância entre vagão e via permanente e com isso o descarrilamento.

A ressonância é um efeito danoso e ocorre quando a frequência natural provocada pela via em função de sua manutenção se iguala à frequência da suspensão. Quando tal efeito ocorre, a oscilação fica fora de controle e um dos frisos de roda acaba escalando o boleto do trilho vindo a cair.

No teste americano de 1939, cujo trem teste é mostrado na Figura 2 abaixo, foram montados carros instrumentados com dinamômetros que registravam os efeitos das respostas de via às várias velocidades implemetadas. Foram vários meses de teste e circulação por trechos que representassem os piores efeitos de oscilação, anotando e analisando como cada solução de sistema de amortecimento se comportava.

Figura 2 – Trem Teste entre as cidades de Altoona-PA e Lock Haven-PA

Terminados os levantamentos , todo o material foi trabalhado e analisado para identificar quais sistemas estavam aptos a operar nas velocidades consideradas, tendo sido impresso um relatório com todos os valores coletados. Sob o ponto de vista de Engenharia Ferroviária, este teste foi um marco pois indicou que havia uma necessidade sempre crescente de controlar dinamicamente os trens pois os desafios continuavam.

Foram então escolhidos dois tipos básicos de sistema de amortecimento:

1- Sistema tipo RIDE CONTROL: A força exercida pelas cunhas de fricção contra as colunas das laterais tinham valor constante, ou seja, tinha o mesmo valor estando o vagão vazio ou carregado.

2- Sistema tipo BARBER: A força exercida exercida pelas cunhas era variável com a carga do vagão. Quanto mais carregado ele estivesse, maior força de controle da oscilação era feita.

               

No esquema vemos que no primeiro caso a cunha que faz pressão sobre a cunha de fricção, está inclausurada na extremidade da travessa enquanto que no segundo caso ela esta apoiada no fundo do prato de molas da lateral, tendo uma reação proporcional ao peso que estiver sendo aplicado sobre ela. Sempre que se apresenta esta diferenciação entre os sistemas de absorção de vibrações, é feita a mesma pergunta: Qual o melhor sistema?

Não há uma resposta rápida pois diríamos que não há melhor ou pior mas sim qual o mais adequado à situação que se apresente. O sistema de amortecimento é mais um dos componentes dos truques ferroviários. Tudo faz parte de um grande sistema que precisa ser avaliado para saber qual solução é a mais indicada para cada ferrovia em função do seu perfil longitudinal, tamanho e peso de seus trens, velocidades operacionais em cada trecho e por aí vai…

Hoje, os modernos truques de alta carga por eixo, em função da diferença de peso sobre a suspensão quando os vagões estão vazios ou carregados, tem levado os projetistas a optarem mais pelo sistema de absorção variável associado a projetos de suspensão de duplo estágio para que os veículos tenham a absorção necessária a cada fase de trabalho. Principalmente nos EUA, onde os trens são de cargas mescladas ou quando tivermos trens compostos por vagões vazios e carregado, os modernos sistemas podem dar o equilíbrio necessário para que não ocorram suspresas ou reações não previstas pela area de operação. Eu diria que na moderna condução com sistemas tipo Locotrol, onde existem locomotivas intermediárias e de auxílio de cauda, os truques com sistemas variados permitem um melhor balanceamento no contato veículo x via.

Em outra parte de nosso contato por este site, iremos demonstrar que as cunhas de fricção no projeto dos truques passa a ter um papel tão importante quanto o de absorver as vibrações verticaus e provocar o equilibrio dos trens. Elas hoje auxiliam a reduzir o consumo de rodas, já que compôem novos sistemas usados nos chamados truques radiais. Conhecido o papel básico das cunhas, poderemos agora expandi-lo a uma função complementar e muito mais significativa na sobrevivência das ferrovias: a redução dos custos de manutenção. Até lá !!!!!

 

02
Abril
2017

Válvulas de Segurança para Vagões Tanque

Os vagões tanque por sua característica functional, devem ter todo cuidado por parte de seus projetistas e também por aqueles que os manuseiam para que o nível de segurança seja mantido evitando-se qualquer tipo de acidente.  Esta ocorrência seria certamente de grandes proporções em função dos produtos transportados, todos eles de alta periculosidade.

No Brasil, os vagões tanques acabaram se concentrando no transporte de derivados de petróleo (gasolina, diesel e querosene) além de álcool e mantiveram como padrão o uso de válvulas de segurança instaladas nos domos de expansão. Esta instalação foi feita sempre de forma roscada e na quantidade de duas (2) unidades por domo, como mostrado na Figura 1 abaixo.

                               Figura 1 – Instalação das Válvulas de Segurança

Pela imagem da Figura 1 vemos que se trata de um domo de expansão de seção circular onde as bases eram rebitadas e as válvulas roscadas. Também se pode ver o tampão de carregamento aberto para a introdução do tubo de carga que chegava a ficar com sua extremidade bem próxima do fundo do tanque para que os vagões fossem cheios sem problemas. Mas nem sempre as válvulas de segurança foram montadas sobre a superfície superior dos domos. O que ocorre é que por norma, os domos precisam ter um volume determinado para o gás de expansão dos produtos transportados que corresponda a 2% do volume do corpo cilindrico do tanque. Como os tanques mais antigos tinham volume pequeno em função da capacidade de carga das ferrovias , o diâmetro dos domos era também pequeno. Nas estradas de ferro mais antigas e com gabarito mais apertado, muitos projetistas colocaram as válvulas de segurança em um “cachimbo” metálico para que elas não tocassem no teto dos túneis ou extremidade dos telhados das velhas estações.

Na Figura 2 nós podemos ver uma imagem de um vagão tanque de pequena capacidade e projeto de válvulas de segurança instaladas no “cachimbo” lateral ao domo de expansão. Também, na Figura 3 um tanque de capacidade um pouco maior, onde as válvulas já estavam na superfície superior.

                   

                            Figura 2 – Vagão Tanque com válvula de segurança lateral ao domo de expansão

Os tanques com este tipo de projeto eram muito comuns nas ferrovias de bitola métrica no Brasil. Até a primeira metade do século 20, eles apareciam de forma muito frequente nas linhas da EF Leopoldina, Cia Mogiana, EF Sorocabana, EF Goiás, etc. Com a fabricação de tanques maiores, estes tanques eram deslocados para as ferrovias do Nordeste como a Rede de Viação Cearense, onde a capacidade das linhas se mantinha baixa. Alias, esta prática foi constante também nos tempos de RFFSA, onde as linhas nordestinas recebiam o material mais velho enquanto as linhas do centro-sul recebiam os vagões mais novos.

                   

                              Figura 3 – Vagão Tanque com válvula de segurança na superfície superior do domo de expansão

Com o aumento da capacidade dos tanques e a manutenção da taxa de 2% de capacidade de expansão, quanto maior fosse a capacidade dos cilindros maior seria a seção e altura dos domos. Os amigos podem imaginar como serim os vagões atuais que na bitola métrica já possuem volumes de 84 m3 e na bitola larga com até 118 m3, como os que circulam na EF Carajás. Mantida a tendência, os domos acabariam transformando a forma dos vagões tanque para algo parecido com submarinos. Daí, a tendência de se fabricar domos mais longos e instalados no comprimento dos cilindros.

Mas fica a pergunta: Como funcionam as válvulas de segurança?

As válvulas de segurança trabalham sempre com uma mola interna que faz pressão de cima para baixo. Esta mola interna tenta de expandir e com isso ela veda uma passagem interna para o tanque. Em condições normais, as válvulas de segurança estão sempre fechadas. Como os produtos transportados, com a movimentação dos vagões formam gás no interior dos domos de expansão, a pressão vai aumentando e fazendo uma contra-força sobre a mola de vedação até que as pressões se equilibram, a passagem se abre e o gás escapa por uma fração de segundo, baixando a pressão interna e o processo recomeça.

A ferrovia, muito por sua origem técnica inglesa e americana, adota estas unidades de medida. Assim, as válvulas de segurança se abrem a uma pressão de 35 libras por polegada quadrada (35 lb/in2) ou 2,46 kgf/cm2 no sistema internacional.

Outra característica importante para a segurança operacional dos vagões tanque é sua pintura externa, a qual também causa muitas dúvidas. Por que alguns deles são pintados de cor clara ou alumínio e outros pintados de preto? Isto se explica pelos produtos transportados: A- No caso de produtos claros de petróleo e álcool que possuem alta capacidade de explosão, os tanques precisam ser pintados de cores claras para refletir o calor; B- No caso de vagões que transportam óleo pesado e de baixo ponto de fluidez, eles são pintados de preto para reterem o calor e facilitar sua descarga. Isto se comprova pela cor das duas figuras anteriores.

Também existe um outro tipo de válvula de segurança usado neste tipo de produto transportado que é a válvula tipo membrana. Esta válvula não abre regularmente para baixar a pressão interna do cilindro, voltando a vedar. O que ocorre neste caso é o rompimento da membrana da válvula quando a pressão atinge um valor previamente definido. Com o uso deste tipo de válvula, é necessário substituir-se a membrana de rompimento para que ela volte às suas condições iniciais de projeto. Veja na Figura 4 o esquema destas válvulas.

                                         

                              Figura 4 – Válvula de Segurança tipo Membrana

Muito recentemente, ouvimos falar em uma ferrovia que pretendia parar de pintar seus vagões tanques novos, somente para economizar no valor da compra. É muito importante deixar a mensagem do que poderia ocorrer caso um trem carregado de gasoline parado sob sol brasileiro, cruzasse com outro vindo em sentido contrário. Aqui no Brasil, a temperatura na superficie dos tanques pode chegar facilmente a 70 graus C. As válvulas de segurança certamente estariam aliviando a pressão interna e uma névoa de gás circundaria os vagões criando um ambiente que facilmente se transformaria em uma enorme explosão, caso alguma locomotiva do trem de cruzamento soltasse uma pequena fagulha por uma das chaminés. Quem seria o responsável pela estratégia? A quem culpar? Isso não importaria muito pois a meta teria sido alcançada na compra e perdida no comprometimento ambiental, vidas inocentes, etc.

Moral desta história: Planilhas de Excel não substituem a Engenharia!!!!! O barato sairia mesmo muito caro!!!!!!

 

12
Fevereiro
2017

TRUQUES FERROVIÁRIOS – PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO – 1

Quando do início da ferrovia, os vagões eram ainda pequenos e dotados na sua grande maioria de apenas dois eixos pois sua capacidade era baixa. Estes pequenos veículos de estrutura inteiramente de madeira foram comuns aqui no Brasil em praticamente todas as ferrovias tanto de bitola métrica quanto de bitola larga, sendo famosos alguns modelos da São Paulo Railway, EF Central do Brasil, Leopoldina Railway e outras, como se pode ver na Figura 1.

                                                                                            Figura 1 – Vagão Fechado de 2 eixos da SPR

O crescimento ferroviário da época que o Brasil reconhecia suas ferrovias como  fator de progresso, foi rápido e com ele a natural necessidade de termos trens mais pesados e longos , tornando os vagões de dois eixos obsoletos e pontos de instabilidade dos então novos trens. Dependendo de sua posição na composição, os vagões de dois eixos poderiam instabilizar todo o comboio já que na equalização das forças longitudinais as reações poderiam jogá-los para fora da via em curvas ou pontos onde havia uma mudança de inclinação.

Os vagões que foram sendo incorporados às ferrovias para dar conta do recado e gerar maiores ganhos de transporte, eram então dotados de conjuntos rodantes que possuiam tres peças básicas, uma travessa central onde a caixa se apoiava e duas laterais que transmitiam os esforços até os trilhos passando pelas suspensões e rodas. Estes componentes ficaram conhecidos com o nome de TRUQUES, que é uma nacionalização do nome ingles Trucks, sendo este ainda hoje a forma como são chamados na nomenclatura ferroviária.

O desenvolvimento dos truques foi diferente na Europa e nas Américas. Enquanto que por aqui a procura constante por aumento da carga por eixo sempre direcionou o projeto, fazendo com as peças fossem aumentando de peso e tamanho para comportar os diâmetros de roda cada vez maiores e suspensões mais vigorosas, na Europa a continua convivência com os trens de passageiros fez com que os trens ficassem curtos, leves e mais rápidos que os americanos. Por isso, ainda hoje se pode ver vagões de dois eixos naquele continente, com caixas de alumínio. Por isso, vamos nos concentrar no que aconteceu no Brasil, que segue plenamente a tecnologia norte-americana.

Quando a necessidade fez os truques surgirem no cenário ferroviário, os modelos eram tão rústicos quanto todo o restante do material rodante: madeira, ferro (ainda não aço), fixações mecânicas (parafusos e rebites a quente), etc, como podemos ver na Figura 2, com a foto de um truque conhecido como Truque de Barras (Arch Bar).

                                                                              Figura 2 – Truque Arch Bar em vagão da Leopoldina Ry

Os truques Arch Bar fizeram muito sucesso no início do século 20 pois com sua introdução nos vagões, estes duplicaram sua capacidade de transporte fazendo com o transporte ficasse ainda mais concentrado nas estradas de ferro. Porém, como mencionado anteriormente, o progresso sempre faz com que os limites sejam ultrapassados e os Arch Bar passaram a ser analisados não só em função de suas qualidades mas também por suas fraquezas. Com o aumento de peso, as barras sofriam com a fadiga do material perdendo sua forma original e os parafusos e porcas precisavam ser frequentemente apertados,trazendo frequentemente os vagões de volta às oficinas de manutenção. Além disso, entravam em cena alguns components antes desconhecidos do projeto dos truques em função da velocidade ainda ser baixa: o Amortecimento das Vibrações e os estabilizadores de marcha, conhecidos como Ampara-Balanços. Ambos em breve serão motivo de estudo específico de nossa parte. Vemos na Figura 2 acima, algumas evidências deste periodo inicial dos truques, ou seja, a pobreza na suspensão de uma ou duas molas em cada extremidade das travessas e o sistema de freio com sapatas de ferro fundido aplicadas pela parte externa e não por dentro do truque como ocorre hoje.

Os Estados Unidos sempre foram um país que preza pela criação de novas tecnologias, o que alias deveríamos também fazer por termos cientistas, engenheiros e técnicos com conhecimento suficiente, mas acabamos deixando para os outros e copiamos e nos adaptamos. Na area ferroviária, não seria diferente e as grandes fundições se instalaram como fonte de emprego e desenvolvimento principalmente na parte norte daquele país sendo usadas como impulsionador das ferrovias. No anos de 1930 e 1940, surgiram então os primeiros exemplares de truques em aço fundidos  que em vez da limitação imposta pelas barras tenha travessas e laterais formadas por peças em seção fechada, muito mais resistentes.

Os truques da Figura 3 foram alguns dos modelos que surgiram como novidade e que alavancaram a carga por eixo dos truques de poucas 7,5 t para 12t e até 16t, gerando uma corrida por novos vagões de então “grande”capacidade, com caixas que ainda tinham a madeira como material básico mas que já começavam a apresentar estrados com partes ou totalmente metálicos.

                                                           Figura 3 – Truques Fundidos tipo SELF ALIGNING em vagão da EF Central do Brasil

Os truques desta figura embora de boa capacidade ainda eram inertes ao problema das vibrações geradas pelo aumento da velocidade, como dissemos. O nome Self Aligning tem por tradução básica o termo truque auto-alinhante, já que a extremidade das travessas centrais montadas nas laterais tinha uma forma convexa enquanto que a lateral na região era côncava e estas duas superficies nas saídas das curvas traziam o truque de volta à sua posição inicial de alinhamento. Vemos um melhor estudo de projeto nestes truques com esta necessária visão de ajuste de forma nas saídas das curvas, o que hoje é fundamental nas mais modernas tecnologias de contato roda x trilho. Foi um projeto visionário também em termos de suspensão com a introdução dos pacotes de molas helicoidais que controlavam a estabilidade geral do vagão nos trens. Entretanto, haviam muitos pontos a serem melhorados já que no iníco dos anos 1950 os cargueiros americanos puxados por grandes locomotivas a vapor ou pelas iniciantes diesel elétricas, já estavam circulando e torno das 35 milhas/hora, aproximadamente 60 km/h nas linhas tronco e como as ferrovias por lá foram direcionadas para integrar o pais e não apenas para exportação, como ocorreu por aqui, a solicitação por material mais “engenheirado” conatinuava em alta.

Usei o termo “engenheirado” pois nesta etapa das ferrovias, os engenheiros verificaram que não poderiam seguir adiante sem parar e pensar no futuro. Era preciso pensar em como os vagões se moviam e como seus movimentos precisariam ser enfrentados. Como aumentar sistematicamente a carga por eixo e a velocidade sem diretamente aumentar os acidentes e interrupções de tráfego? Não havia como fugir do controle das vibrações e todos os projetistas e fabricantes se reuniram apresentando 6 projetos que seriam testados ao longo das principais linhas com vagões teste onde os diferentes truques seriam montados e seus movimentos analisados através de dinamômetros com números ajustados às suas características de contato e à força de fricção entre travessas e laterais gerada por um novo component do mundo ferroviário: a Cunha de Fricção.

As cunhas de fricção amorteciam as vibrações verticias oriundas do movimento oscilatóro das suspensões para que estas não entrassem em ressonância com a frequência natural causada por imperfeições da via permanente, o que causaria um descarrilamento pois o vagão balançaria de forma descontrolada. As cunhas de fricção trouxeram muito progresso e com este uma nova familia de truques amortecidos dinamicamente. A Figura 4 mostra um truque com amortecimento de vibrações ainda muito comum nas principais ferrovias do mundo.

                                                                              Figura 4 – Truque Fundido RIDE CONTROL com amortecimento

Os truques amortecidos, usados até hoje, foram separados em duas famílias principais, uma formada por truques onde o amortecimento das vibrações eram constantes independendo se o vagão estivesse vazio ou carregado, conhecida como a familia dos truques tipo RIDE CONTROL. A outra família foi formada pelos truques onde a força de amortecimento variava com a carga do vagão, ou seja, quanto mais o vagões estivesse carregado mais força era exercida pelas cunhas para estabilizar a marcha dos vagões, conhecida como família BARBER. Modernamente estes nomes comerciais não são os únicos detentores destas tecnologia, já existindo soluções de amortecimento constante e variável de outras denominações mas que seguem a mesma linha.

Na Figura 4 vemos muito nitidamente a estrutura fundida muito mais forte que aquela presente nos Self Aligning, bem como as cunhas de fricção montadas nas trevessas logo acima da suspensão, o que nos permite hoje circular em trens acima de 100 km/h nos trens de containers empilhados (double-stack), que já foram citados em nosso site.

Em complementação ao descrito, veja no esquema da Figura 5 abaixo, visualmente a diferença de funcionamento das cunhas de fricção de cada família citada para auxiliar no entendimento de como o amortecimento das vibrações é executado. O primeiro esquema mostra o sistema constante (RIDE CONTROL) e o segundo do sistema variável (BARBER).

                                                                    Figura 5 – Sistema de Cunhas de Fricção constante e variável, respectivamente

Na continuidade deste tema sobre truques, iremos estudar a modernização deste sistema de amortecimento a seco (Coulomb) usado nas ferrovias e que também já é usado para controlar outro importante movimento dos truques e que serviu para o desenvolvimento da teoria dos Truques Radiais, que são aqueles onde os rodeiros se ajustam ao raio das curvas, reduzindo o consume de combustível e rodas, dois grandes vilões  de custo das ferrovias.