1- A CORRETA OPERAÇÃO
Todos sabemos que a operação ferroviária deve ser executada com o máximo cuidado e atenção, sempre de acordo com os parâmetros técnicos e físicos para que os trens não venham a sofrer a possibilidade de acidentes. Hoje em dia a principal característica da operação é conduzir trens cada vez mais longos e pesados, com tração distribuída e que acumulam diferentes reações, as quais podem sair de controle com resultados catastróficos. Muitas vezes a condução de um trem é “contaminada” por detalhes que devem a todo custo ser evitados. Vamos tentar ser mais explícitos!
Com os trens longos, a necessidade do engenheiro ferroviário de ser detalhista é muito mais destacada. Ele jamais poderá esquecer ou mesmo não aplicar os conceitos de quantidade de movimento e o que fazer para manter o trem, como um todo, seguro ao longo de todo o trajeto. Isto se mostra muito mais evidente no caso de operações em rampa, quando a ação da gravidade pode acelerar ou frear o trem. Vamos ainda mais fundo, lembrando o que pode ocorrer no contato roda x trilho, já que parte do comboio pode estar em curva, parte em subida ou em descida, etc.
Este trabalho, busca esclarecer e indicar soluções para a operação de um trem caso ele esteja operando especificamente em rampa. Nesta condição, buscaremos verificar um aspecto ligado à transferência dinâmica de carga. Traduzindo, o que poderá ocorrer com os vagões caso alguns recursos técnicos não sejam executados. Na Figura 1, podemos observar parte de um trem descendo uma rampa.
Figura 1 – Trem em descida
Quando em descida, manda a norma que devemos controlar a velocidade do trem para que este não dispare, aumentando muito sua velocidade. Tal controle de velocidade está previsto em todos os manuais de operação de todas as ferrovias e nos diz que para controlar a descida do trem e sua respectiva velocidade, precisamos fazer uma aplicação mínima de freio pneumático, além da utilização do freio dinâmico das locomotivas. Tudo deve ser previamente calculado para que possamos estabelecer os valores de condução que impedirão qualquer problema ou perigo.
Como importante observação, além dos aspectos de controle de velocidade, também podem vir a ser afetadas as mandíbulas dos engates e os aparelhos de choque e tração, os quais podem sofrer quebras e travamentos. Como resultado, teríamos a separação indevida do trem e a geração de danos significativos à estrutura dos vagões.
2- VAMOS VER NA PRÁTICA
Vamos tentar mostrar praticamente o que pode ocorrer em um trem descendo uma rampa sem que os parâmetros de operação sejam plenamente seguidos. Nossa base de trabalho será o que poderá ocorrer no caso de não aplicarmos o freio pneumático em sua plenitude técnica para auxiliar no efeito de aceleração sobre os vagões. Para simplificar nosso estudo, também não iremos verificar os efeitos que tal decisão irá causar sobre os sistemas de choque e tração. Como estamos falando diretamente sobre a transferência dinâmica de carga, vamos acompanhar na Figura 2 as forças envolvidas.
Figura 2 – Trem unitário em rampa
Analisando com cuidado a Figura 2, podemos observar que caso a parcela de freio pneumático não seja aplicada ou aplicada de forma insuficiente para equilibrar a descida do trem, ocorrerão impactos longitudinais indicados pela letra F, os quais irão causar a rotação da caixa + carga do vagão em torno de seu centro de gravidade (CG). Nesta condição indesejada, haverá uma perda de peso sobre o truque traseiro e correspondente aumento de peso sobre o truque dianteiro, causando vários fatores que vão desde quebras nos pacotes de molas da suspensão até o descarrilamento oriundo do desbalanceamento de cargas verticais e laterais sobre as rodas.
Como dissemos anteriormente, os principais envolvidos e sujeitos a grandes danos são os truques, já que as sobrecargas que certamente surgirão sobre fundidos, rolamentos, adaptadores, eixos, rodas, etc., reduzirão o tempo de vida dos componentes e farão com que a ferrovia diminua seu prazo de manutenção e ainda aperte seu controle de inspeção para evitar surpresas que poderão transformar em perda todos os possíveis ganhos advindos desta operação incorreta.
Que tal transformarmos em números toda esta teoria e ver o que ocorre em uma situação hipotética, montada apenas para termos uma noção de grandeza. Neste caso, vamos assumir as seguintes características dos vagões:
A- Peso Bruto Máximo de cada vagão: P = mg = 130.000 kg
B- Força F de impacto longitudinal: 180.000 kgf
C- altura do CG: 1,980m (considerando o CG no limite da altura da parede lateral +10% de coroamento)
D- Distância entre truques do vagão: L = 9,0m
E- Altura dos engates: Hcg = 0,99m (bitola de 1,60m)
F- Rampa descendente: 2% de inclinação (ângulo beta de 1,14 graus)
Reunindo estes dados e montando um esquema de forças mais completo na Figura 3, poderemos calcular o valor da transferência dinâmica de carga do truque traseiro para o truque dianteiro.
Figura 3 – Esquema de forças
Neste conjunto de forças, iremos calcular a transferência de dinâmica de carga lembrando que ela ocorre em relação ao posicionamento do centro de gravidade do vagão. Quando ocorre o impacto longitudinal, aqui representado pela força F, a massa se movimenta para frente, aliviando o truque traseiro e sobrecarregando o truque dianteiro. Consideramos como massa a estrutura da caixa, a carga que está sendo transportada, o sistema de choque e tração e o sistema de freios. Em resumo, tudo que está acima da linha de atuação da força de impacto será considerado nas equações que se seguem.
Primeiramente, lembremos que todo sistema para ser calculado, precisa ser considerado em equilíbrio, ou seja, a equação precisa ser igual a zero. Assim o faremos iniciando pela somatória de momentos em relação ao CG:
∑Mcg = 0
+ (Rd x L/2) – (Rt x L/2) – (F x (Hcg-Heng)) = 0
∑Fz = 0
+Rd + Rt – (mg cos ß) = 0
Vamos agora colocar Rt em evidência nesta última equação e substituir seu valor corresponde na primeira equação:
((mg cos ß) – Rt) x L/2)- (Rt x L/2) – (F x (Hcg – Heng)) = 0
((mg cos ß) x L/2) – Rt x L/2 – Rt x L/2 – (F x (Hcg – Heng)) = 0
-2 Rt x L/2 – ((mg cos ß) x L/2) – (F x (Hcg – Heng)) = 0
-Rt x L + ((mg cos ß) x L/2) – (F x (Hcg – Heng)) = 0
Rt = ((mg cos ß) x L/2) – (F x (Hcg – Heng)) / L
Esta equação nos dará o valor de Rt, ou seja, o valor de carga que será aliviado no truque traseiro quando ocorrer a força de impacto longitudinal que estamos estudando. Consequentemente, este valor será o mesmo que será aumentado no truque dianteiro (Rd) proveniente da transferência dinâmica de carga.
Substituindo os valores pelos dados numéricos que apresentamos acima, teremos:
Rt = ((130.000 x 0,99) x 4,50) – (180.000 x (1,980 – 0,99)) / 9,0
Rt = 579.150 – 178.200 / 9,0
Rt = 44.550 kgf
Tendo este valor calculado em mãos, vamos checar a diferença de carga que existia antes e depois do impacto de 180.000 kgf sobre o par de truques. Para isso, vamos usar a parcela a parcela vertical da carga P:
Carga P = 130.000 kg
Parcela mg cos ß = 130.000 x 0,99 = 128.700 kg
Dividindo pelos 2 truques, teremos 64.350 kg em cada um deles.
Logo, vamos descontar 44.550 kg dos 64.350 kg do truque traseiro para encontrar apenas 19.800 kg. Assim como o truque traseiro “perdeu” carga, o dianteiro “ganhou” a mesma parcela de carga ficando com 108.900 kg. Isto é muito preocupante pois cada roda do truque traseiro ficou com apenas 4.950 kg de carga vertical e cada roda do truque dianteiro com 27.225 kg.
3- CONCLUSÃO
Esta pequena e rápida análise nos traz uma amostra do que pode ocorrer com a relação L/V em cada uma das rodas, inclusive considerando que a distribuição destas cargas incrementadas ou diminuídas pode não ser igual sobre cada roda. Basta lembrar que as imperfeições naturais da via permanente ou mesmo a inscrição em curva pode desbalancear ainda mais esta distribuição de carga vertical, causando acidentes, descarrilamentos, quebras nos fundidos, danos nos rolamentos, eixos, rodas, ocorrências de molas sólidas, etc, além de desgastes localizados e não simétricos em relação ao eixo longitudinal do vagão.
Sabemos que não podemos impedir totalmente a transferência de carga em uma rampa, já que ela pode se manifestar até mesmo com a aplicação de emergência em um trem. O que cabe ao engenheiro ferroviário é entender que em operações de rampa, não se pode operar um trem sem que uma parcela de freio pneumático seja aplicada. Usar somente o freio dinâmico, certamente causará impactos extremos.
Como foi escrito por meu querido amigo e respeitado engenheiro Luiz Hungria em seu livro “SEGURANÇA OPERACIONA DE TRENS DE CARGA”, capítulo 3, página 233 (já recomendado aqui) :
“As regras básicas para reduzir a intensidade de choque internos são:
- Em rampas descendentes manter sempre uma aplicação mínima de freio a ar, mesmo que o trem não necessite.
- Reduzir a lotação do trem.
- Aumentar a intensidade de corrente nos motores de tração quando em freio dinâmico, de forma gradativa.”
Até o próximo!!!