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12
Fevereiro

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.

 

16
Maio

AS TAXAS DE FRENAGEM

TIMONERIA 2Todos aqueles que lidam com material rodante ferroviário sabem da importância do sistema de freios para que um trem possa trafegar e acima de tudo parar com segurança. Desde o início efetivo de seu desenvolvimento feito pelo gênio de George Westinghouse no final do século XIX, o sistema de freios ferroviário trabalha com ar comprimido pressurizado ao longo de encanamentos gerais instalados em cada vagão. Quando um trem está pronto para iniciar sua viagem, o maquinista “enche” os encanamentos e reservatórios dos vagões, conectados entre si por mangueiras, com o ar comprimido produzido pelo compressor das locomotivas. Assim que a pressão atinga o limite estipulado pela ferrovia, normalmente 90 lb/in2, é verificada a perda de pressão na cauda, ou do ultimo vagão, para ver se existe vazamento no sistema e o trem está pronto para seguir viagem. Seguindo esta condição de projeto de Westinghouse, quando os encanamentos e reservatórios estão pressurizados, os cilindros de freio estão vazios. A responsável por esta distribuição é a válvula de freio, a qual comanda toda a movimentação de ar por meio de aumento ou diminuição de pressão de ar realizadas pelo maquinista desde seu posto de comando na locomotiva. Ao invés do que muitos pensam o freio ferroviário é aplicado pela redução de pressão nos encanamentos e não pela injeção de ar. Este é o motivo pelo qual se diz no linguajar ferroviário que o maquinista fez uma redução. Esta concepção na verdade não apenas salvou muitas vidas como também viabilizou a ferrovia como um sistema seguro de transporte, pois no seu início as estradas de ferro tinham muitos opositores (têm até hoje!!) pela quantidade de acidentes que ocorriam. Tais opositores diziam que caso algum engate se quebrasse o trem se separaria em duas partes sem que se pudesse ter condições de deter a parte posterior à quebra. Esta ficaria totalmente solta e à mercê da velocidade, rampas, etc., eliminando vidas e destruindo posses.

Westinghouse com seu gênio inovador pensou que caso o sistema estivesse pressurizado e que para funcionar deveria ter sua pressão reduzida, criou uma forma de que as duas partes separadas do trem, caso um engate se quebrasse, tivessem uma aplicação de freio. Ao se romper um engate, igualmente as mangueiras se romperiam causando uma queda brusca de pressão e consequentemente uma aplicação de freio, fazendo com as duas metades parassem antes de haver o acidente. Tal aplicação foi chamada de aplicação de emergência.

George Westinghouse     George Westinghouse, 1846-1914

Com tempo falaremos mais detalhadamente do sistema de freio ferroviário em seu funcionamento pneumático mas hoje o tema são as taxas de frenagem. Mas o que são as taxas de frenagem?? Lembremos aqui como funciona um trem: a locomotiva traciona os vagões passando com eles por vários setores das linhas onde existem subidas, descidas, curvas acentuadas, etc. Quando existe a necessidade de se aplicar uma redução de velocidade, o maquinista como descrevemos anteriormente, diminui a pressão ao longo dos encanamentos, as válvulas de freio “percebem” esta queda por meio de suas câmaras internas e transferem parte do ar armazenado nos reservatórios para os cilindros de freio que movimentam as timonerias de freio (conjuntos de alavancas e tirantes) até que as sapatas toquem as rodas diminuindo a velocidade ou mesmo parando o trem.

Ocorre que esta parada precisa ser feita de forma equilibrada e sem choques bruscos, os quais podem danificar não só os engates mas também os demais componentes do sistema de choque e tração, além de gerar uma instabilidade do conjunto do trem podendo descarrilha-lo. Mas como equilibrar a aplicação de freio já que existem diferentes tipos, pesos e projetos de vagão, cada um provido de uma timoneria específica ?? A resposta para esta dúvida surgiu com as taxas de frenagem que são porcentagens da força aplicada sobre as oito rodas de cada vagão estando este vazio ou carregado.

                                                                                                              Esquema Instalação de Freio

Observando o esquema das peças da parte mecânica do sistema de freio, vemos que a força que o cilindro faz pela ação do ar comprimido em seu interior, empurra a haste contra as alavancas que vão multiplicando este valor até que as oito sapatas estejam totalmente em contato com a pista de rolamento das rodas, parando o trem por atrito direto.

 Isto também pode ser escrito de outra forma:

Taxa de Frenagem para Vagão Vazio:             Tv = Força de Frenagem sobre as 8 rodas / Tara do vagão

Taxa de Frenagem para Vagão Carregado:    Tc = Força de Frenagem sobre as 8 rodas / (Tara do vagão + sua lotação)

De acordo com a norma AAR (Association of American Railroads), as taxas de frenagem devem estar entre os limites de 11% e 13% do peso total sobre trilhos para o vagão carregado e entre 15% e 32% da tara do vagão vazio.

Um vagão de projeto economicamente viável é aquele que possui a menor tara possível para que possa ter a maior lotação possivel lembrando que a capacidade da via permanente não se altera. Assim, buscando sempre a menor tara, facilitada pelos recursos de cálculo estrutural hoje disponíveis, os projetistas ferroviários têm que resolver esta questão de segurança de frenagem nas duas condições de trabalho dos vagões, o que não é fácil. A norma quando indica os limites de taxa, faz referência a uma condição de distância de parada do trem mas ao mesmo tempo fica clara a dificuldade de se obter um sistema de alavancas que venha a atender às duas condições de peso, vazio e carregado, principalmente se considerarmos que as caixas dos vagões podem conter materiais de baixo peso como o alumínio. Além disso, temos o rendimento do sistema que também varia muito em função das articulações ou partes móveis que existem entre tirantes e alavancas, retirando parcela útil de força do sistema.

Vejamos rapidamente um exemplo de um vagão de bitola métrica comum nas ferrovias nacionais:

Série: HFD, com 22.000 kg de tara e 80.000 kg de peso total carregado

Força no cilindro (Fcil): 2.280 kgf  (considerando 64 lb/in2 de equalização em função do diâmetro interno do cilindro)

Multiplicação da timoneria (R): 5,5  (considerando alavancas da caixa e truques)

Rendimento do sistema (n): 0,7 (70% de perdas considerando a quantidade de articulações no sistema)

A força total de frenagem é a amplificação pelas alavancas da timoneria da força gerada no cilindro, ajustando-se o rendimento do sistema:

Força total de frenagem (Ft) = Fcil x R x n

Força total de frenagem (Ft) = 2.280 x 5,5 x 0,7 = 8.778 kgf

Taxa de frenagem em vazio: Tv = Ft / tara = 8.778 / 22.000 = 0,399 = 39,9%

Taxa de frenagem em carregado: Tc = Ft / 80.000 = 8.778 / 80.000 = 0,109 = 10,9%

Como se verifica, temos uma situação que se apresenta complicada. Temos uma taxa de frenagem em carregado praticamente no limite inferior da necessidade de freio para parar o vagão carregado e uma taxa de frenagem em vazio que está além do necessário, ocasionando certamente uma alta carga térmica sobre as rodas e danos a sua condição. Como então resolver o problema?

1- Podemos redesenhar a timoneria para tentar ficar dentro dos dois intervalos, mas já estamos sem margem de intervenção pois subindo uma multiplicação, subiremos as duas taxas e reduzindo a multiplicação, reduziremos a ambas;

2- Podemos aumentar a tara do vagão mas isto irá contra o que as ferrovias / proprietarios buscam. Aumentando a tara teremos que reduzir a lotação para não ultrapassar o peso total limite suportado pela via permanente, pontes, etc;

Para sair deste problema, os projetistas de material de freio ferroviário criaram componentes chamados de Dispositivos Vazio-Carregado. Este dispositivos trabalham em uma região do vagão próxima aos truques e fazem contato com estes à medida que as molas abaixam por efeito da carga, ou seja, com o vagão vazio as molas estão mais altas que quando o vagão está carregado.

Os dispositivos vazio-carregado possuem braços acionadores que tendem a tocar a parte superior dos laterais dos truques sempre que o freio for acionado e o ar comprimido passe por eles. Se o vagão estiver vazio e com molas altas, o braço acionador não fará contato com o lateral, conectando o encanamento de freio a um reservatório chamado de reservatório equilibrante. O volume de tal reservatório  mais a configuração interna do dispositivo podem reduzir a pressão de freio a 40%, 50% ou 60% do valor nominal que chega ao cilindro. Reduzindo-se a pressão, reduz-se a força aplicada ao cilindro e em consequência a força gerada no cilindro.

No caso do vagão estar carregado, o braço acionador tocará o lateral do truque e não dará passage de ar para o reservatório equilibrante, mantendo 100% da força no cilindro de freio. Em resumo o cilindro fará menos força quando o vagão estiver carregado do que quando ele estiver vazio.

Car Set Freio a Ar

Vamos então ver aquele exemplo do HFD, com o uso do vazio-carregado:

Força total de frenagem em carregado (Ftc) = 2.280 x 5,5 x 0,7 = 8.778 kgf

Taxa de frenagem em carregado: Tc = Ftc / 80.000 = 8.778 / 80.000 = 0,109 = 10,9%

Força total de frenagem em vazio (Ftv) = 1.140 x 5,5 x 0,7 = 4.389 kgf

Taxa de frenagem em vazio: Tv = 4.389 / 22.000 = 0,199 = 19,9%

Como se pode observer, a inclusão da válvula vazio-carregado faz com que automaticamente o vagão regule a pressão a ser enviada ao cilindro de freio, em função do recalque das molas da suspensão, aplicando mais ou menos força de frenagem na timoneria e consequentemente sobre as rodas, sem o perigo de travamento, super-aquecimento, etc. Praticamente todos os novos vagões produzidos são equipados com este dispositivo, já que a busca por taras cada vez menores e lotações cada vez maiores vem direcionando a esta condição.