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02
novembro

TRUQUES FERROVIARIOS – PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO – 3

Meus caros amigos,

Ao longo de todos estes anos dedicados ao projeto de material rodante ferroviário, sempre tive a oportunidade de encontrar alguns companheiros de prancheta (hoje computador!!), que me perguntavam sobre as forças de atrito geradas nas cunhas de fricção dos truques, responsáveis pela estabilidade dos vagões quando em movimento. Como eles deveriam considerá-las nos projetos? Como calcular um valor que pudesse ser utilizado para entender o fenômeno?

Não são perguntas assim tão fáceis de serem respondidas porque a quantidade de variáveis é bem grande e principalmente para os truques de pressão variável nas cunhas em função da lotação do vagão, acredito que a melhor forma de entender e sentir o problema seria tentar modelá-lo e montar equações diferenciais já que quanto mais o vagão está carregado mais força as cunhas fazem contra as chapas de desgaste das colunas das laterais dos truques, ao mesmo tempo que perdem altura com o recalque das molas.

Mas, não precisamos ficar preocupados e interromper a leitura destas notas pois não pretendo seguir aqui este caminho academico e mais acertivo. Talvez para os estudantes de engenharia, este seria um bom tema para os trabalhos de conclusão de curso mas aqui iremos “parcializar” o raciocínio para um entendimento mais rápido.

Vamos então procurar entender o que ocorre na região das cunhas de fricção pelos pontos a seguir e recomendando a leitura do nosso estudo postado em julho de 2017, quando conversamos sobre os sistemas de amortecimento que existem nos truques:

1- Como sabemos, existem dois sistemas de amortecimento conhecidos para os truques ferroviários de carga: pressão constante e pressão variável com a lotação do vagão;

2- A moderna Engenharia Ferroviária tem se dedicado a estudar o sistema de pressão variável quando a força exercida pelas cunhas de fricção sobre as colunas das laterais vai aumentando à medida que as molas vão recalcando sob a lotação;

3- Observemos com cuidado a Figura 1, a seguir e veremos este a ação da LOTAÇÃO força o sistema para baixo. As molas ao serem pressionadas reagem com FORÇAS DE REAÇÃO contrárias a este movimento. No caso das cunhas de fricção, suas molas reagem como as demais, gerando uma COMPONENTE DA REAÇÃO, proveniente da decomposição de forças pelo ângulo das cunhas e das rampas da bolsa de montagem nas travessas.

Figura 1 – Esquema de reação das forças nas cunhas de fricção

4- Pela segunda lei do atrito,A força de atrito é proporcional à ação normal que a superfície exerce sobre o corpo que a pressiona. Logo, quando do abaixamento das cunhas e o consequente aumento de pressão das cunhas sobre as chapas da lateral, é criada uma força perpendicular e proporcional a esta, que é a Força de Atrito;

5- A Força de Atrito gerada pela cunha sobre a coluna varia com o coeficiente de atrito das duas superficies, no nosso caso aço x aço. Mudando-se este coeficiente, mudar-se-á o valor da força de atrito gerado;

6- O ângulo das cunhas e das rampas nas travessas igualmente regula o valor da reação criada e que pressiona a coluna da lateral. Assim, se também mudarmos este ângulo, mudaremos a reação sobre a coluna.

O que passaremos a discutir a partir deste ponto é como calcular o valor da Força de Atrito em cada uma das cunhas de fricção, porém como dissemos ao iniciarmos este trabalho, de forma resumida pois precisaríamos de um sistema bem mais complexo para avaliar todas as variáveis. Então, nos concentraremos em encontrar o atrito nas colunas, esquecendo propositalmente os demais atritos de contato entre cunha e superfície das rampas, tolerâncias dimensionais das peças, etc.

Vamos então estudar a Figura 2, onde as cunhas são separadas para nosso entendimento da decomposição das forças de contato na região:

Figura 2 – Esquema de forças para cálculo da Força de Atrito

Observando-se a Figura 2 e fazendo a decomposição das forças desde a Força de Reação (Frm) proveniente das molas da cunha, vemos que pela teoria dos Eixos Paralelos conseguimos calcular a Força C que é a força horizontal decomposta do contato da cunha com a rampa da bolsa na travessa, sobre a chapa da lateral. Tendo-se calculado esta força, vamos então aplicar a 2a Lei do Atrito e chegar a:   Fa = T x C .

O coeficiente de atrito T, como dissemos, varia em função dos materiais e a Força C é calculada pela Figura 2:

C = Frm x (sen 90-Y) x (cos 90-Y), sendo Y o ângulo de projeto da cunha de fricção.

Para o cálculo da Força de Atrito em cada uma das cunhas de fricção, vamos multiplicar o valor encontrado pelo coeficiente de atrito entre as duas superficies:

Fa = T x (Frm x (sen 90-Y) x (cos 90-Y))

Esta é a Força de Atrito calculada a partir apenas das variáveis criadas pelas molas das cunhas, pelo ângulo das cunhas e pelo coeficiente de atrito dos materiais usados no projeto.

Como exemplo prático, em um moderno truque ferroviário usado em vagões hopper graneleiros de 150 m3 de capacidade com tara de 29.000 kgf, a força de atrito calculada em cada uma das cunhas de fricção e contrária ao movimento do abaixamento, pode chegar a 428 kgf somente pela ação de instalarmos a caixa estrutural vazia sobre os truques, ou seja, é a força gerada pela reação de recalque das molas da cunha desde a condição de altura livre até a posição de vagão vazio e pronto para inicio do trabalho.

Esta força será significativamente aumentada quando o vagão for carregado com a lotação para a qual foi calculado, além de proporcionar a estabilidade dinâmica necessária à operação ferroviária quando o vagão estiver nos trens regulares. Como cada vagão tem 8 cunhas de fricção, estas peças juntas, equilibrarão e amortecerão as vibrações que tentem a instabilizar o veículo.

Os projetistas ferroviários de truques, vêm estudando continuamente materiais, geometrias e montagens para controlar cada vez mais os aspectos dinâmicos dos vagões, já que as velocidades operacionais têm aumentado bem como a lotação dos trens. Estudar a Ferrovia é ainda um desafio para os Engenheiros Brasileiros que saem das escolas sem experiência neste campo tão importante.

Abraço Fraterno!!

 

 

 

09
julho

A RODA FERROVIÁRIA – 2

Para continuar com nossa conversa sobre as rodas ferroviárias, vimos que elas são presas a eixos formando o rodeiro. As rodas também proporcionam estabilidade ao sistema pois quando em circulação a incinação de suas pistas permite que o veículo sempre retorne à sua posição centralizada em relação à via. Vamos então entender melhor a definição do chamado PERFIL DE ROLAMENTO  das rodas. A forma com as rodas circulam sobre os trilhos e a mencionada inclinação de suas pistas podem ser alteradas e/ou ajustadas em função das características da ferrovia na qual ela trabalhe.

A moderna Engenharia Ferroviária permite através de levantamentos de campo, conhecer as tendências de movimento dos vagões conforme o perfil da via na qual o trem está. Assim, pode ser possivel ter vias com trechos de grande inclinação (próxima do limite de 3%) como ocorre com a MRS e outras com pouca inclinação (entre 0,5 e 1%) como na EF Carajás. Além disso, o índice de curvas horizontais podem também direcionar ao estudo de perfis de rolamento específicos.

Na figura abaixo vemos um esquema de perfil de rolamento muito usado no Brasil e nos EUA, conhecido como perfil AAR 1:20. Este perfil é aplicado de forma geral como uma referência que as ferrovias podem aplicar. A partir deste perfil e após estudar as particularidades dos trechos, cada ferrovia pode modificá-lo inclinando mais ou menos a pista e mudando a geometria do friso, principalmente na região em que este toca o boleto dos trilhos.

frisoFriso AAR                                                                                               Detalhe do perfil com inclinação 1 : 20

Vejam que o dimensional do perfil está em polegadas, já que ele foi definido como padrão pelas ferrovias norte-americanas para seus veículos, até que o computador acelerou as pesquisas e pode reduzir o tempo de cálculo das equações matriciais que regem o contato dinâmico roda x trilho. Vemos que neste perfil o friso das rodas tem cerca de 35mm de largura por 25mm de altura. É o chamado FRISO LARGO, definido a partir de uma linha de referência vertical. Esta linha vertical indica o chamado PONTO DE BITOLA  (gaging point) da roda, sendo a partir dele a concordância de contato coma pista.

Nas oficinas de manutenção de rodeiro quando há a necessidade de tornear as rodas para recompor seu friso, estas dimensões devem obrigatoriamente ser observadas, sob pena de ser criar uma variável que fará com que o passeio lateral do rodeiro aumente. Tal passeio aumentado somado com o natural desgaste em serviço pode causar choques nas entradas dos jacarés nos aparelhos de mudança de via ou mesmo permitir que as rodas entrem na condição de entrar por trás das agulhas causando descarrilamentos. Além disso, mudanças inadequadas do perfil de rolamento podem gerar defeitos de contato que aumentam o desgaste, reduzindo o tempo de circulação e fazendo com que o vagão seja direcionado para a oficina.

Os perfis das rodas são o coração da dinâmica ferroviária e sua mudança deve envolver todo um programa interno de estudo e análise nas várias áreas de trabalho (mecânica, via permanente, planejamento, etc), visando sobre tudo o aumento da vida útil das rodas e trilhos, itens de grande custo nas ferrovias.

Na continuação falaremos mais das diferenças de fabricação que existem e a natureza da geometria das rodas ferroviárias.

22
Maio

A RODA FERROVIÁRIA – 1

A roda desde os primórdios da humanidade mudou completamente a maneira pela a qual o ser humano se relacionou com seu trabalho. Ela passou a ser usada como uma forma rápida e eficiente de movimentar-se e movimentar cargas.

Na área ferroviária não podia ser diferente!! A roda ferroviária inicialmente foi usada nas minas de carvão da Inglaterra quando o transporte por trilhos nascia. Era início dos anos 1800 e a então presente Revolução Industrial fazia com que o rústico veículo ferroviário tracionado por cavalos sobre trilhos, necessitasse ser incrementado. Crescia o fenômeno da Máquina a Vapor e com ela a força suficiente para justificar que os veículos abandonassem a tração animal e fossem engatados uns aos outros. Enorme e bendito progresso trazido pela Ferrovia !!

Muito bem, concluído este aspecto histórico sempre importante para o entendimento do tema, passemos então a estudar como foi concebida e vem sendo usada a Roda Ferroviária. Estaremos apresentando o tema em etapas sendo esta a primeira delas (Roda Ferroviária-1).

Vamos refletir um pouco !!! Para que os veículos pudessem ser engatados entre si e tracionados sobre trilhos, havia que se resolver a forma como estes permaneceriam sobre a via e se inscreveriam principalmente nas curvas horizontais. No início, as rodas eram de perfil cilíndrico com flanges introduzidas como um guia de direção. Mas a “estonteante” velocidade de cerca de 15 km/h começou a mostrar que o projeto das rodas deveria ser estudado para que não ocorressem descarrilamentos e também para reduzir o nível muito alto de desgaste nas pistas e flanges.

Rodas Antigas

                                                                              Rodas Ferroviárias de Aro Montado

Olhando estas imagens vemos exemplos de rodas ferroviárias antigas. Tais rodas tinham projeto tipo Aro Montado, o que significa que se podia substituir os aros externos e manter os centros sempre presos aos eixos. Esta fixações eram de vários tipos diferentes, sendo montadas por aquecimento quando se fazia o aro dilatar com a aplicação de chama direta, montado-se então a peça aquecida no centro permanente da roda e esta ao esfriar travava por pressão. Os aros também podiam ser presos por componentes mecânicos como pinos, chavetas, etc. A solução de aros montados por pressão era também usado nas rodas das locomotivas a vapor em função destas possuirem diâmetros maiores e variáveis com o tipo de service que elas prestavam. Rodas para locomotivas de trens de passageiros possuiam grande diâmetro para gerarem velocidade enquanto que as rodas das locomotivas cargueiras eram menores para gerarem força.

Mesmo usando o aro preso a um centro permanente, restava a questão de como manter os veículos engatados em estabilidade suficiente para uma segura inscrição. Surgiu então a brilhante ideia da inclinação das pistas de rolamento. Vejam que ideia realmente fantástica esta de se inclinar as pistas das rodas. Para facilitar o entendimento e o motive desta iniciativa, busquemos analisar a figura logo abaixo:

 

Di cone ferroviario

Figura geométrica que motivou a inclinação das pistas das rodas ferroviárias

É fácil observar que esta figura geométrica que nos lembra dois cones presos por suas bases, quando posta a circular sobre dois trilhos quaisquer, sempre irá buscar sua centralização pois seu grande peso ou centro de gravidade estará no seu centro geométrico. Mesmo que a figura oscile para a direita ou esquerda, ela voltará sempre para o centro, equlibrando suas forças em relação ao centro da via onde circule.

Esta foi a ideia básica da inclinação, ou seja, estando as pistas das rodas inclinadas em determnada proporção, quando os veículos ferroviários estiverem engatados eles buscarão sempre o centro da linha o que os tornará muito estáveis e em condições de se inscreverem com segurança nas curvas.

Vamos então olhar esta figura geométrica com olhos ferroviários e visualizar os rodeiros (par de rodas montadas em um eixo) para ver que o princípio se aplica plenamente. Cada veículo, seja locomotiva, vagão ou carro terá a mesma tendência de equilíbrio, o qual somente começará a ser reduzido com o desgaste das pistas das rodas pelo contato constante com os trilhos. Neste desgaste, com a perda de inclinação, os veículos reduzirão sua capacidade de inscrição, fazendo com as flanges das rodas ataquem mais os trilhos, criando um círculo vicioso extremamente prejudicial. As ferrovias possuem planos de manutenção que identificam e separam os rodeiros com desgastes nas rodas para que tenham as rodas usinadas para que estas recuperem seu perfil de rolamento.

 

Rodeiro A

Figura do rodeiro ferroviário