.
Aderência e atrito
Nos veículos terrestres que utilizam rodas, o movimento se dá em função do atrito gerado entre a roda e a superfície na qual acontece o deslocamento e, se esse atrito não existir, o movimento não acontece (SETTI, 2012).
No transporte ferroviário o atrito é muito baixo, em função do tipo de material que são produzidas tanto a roda quanto a pista de rolamento, ambas de aço. É por esse motivo que iniciar o movimento em composições de carga ou passageiro, sempre é o momento em que se tem o maior consumo energético do transporte ferroviário. Do mesmo modo, os momentos de frenagem precisam de um longo percurso para a parada total da composição, considerando que assim como para a aceleração, o atrito também é necessário na frenagem.
A aderência é o elemento do sistema ferroviário que irá limitar quais são as forças de tração e frenagem de uma ferrovia. Atualmente, sistemas informatizados fazem o controle da tração para proteger os sistemas do material rodante, fazendo a compensação do escorregamento com a utilização de materiais que causam maior atrito, como a areia por exemplo. Isso evita que haja um superaquecimento dos motores de tração e, desta forma, também protege os trilhos, pois não permite que sejam gerados defeitos físicos na via.
Por mais que o atrito existente entre a roda e o trilho seja baixo, os elementos da via permanente e as rodas do material rodante sofrem desgastes. Conforme Semprebone (2005), os trilhos desgastados continuam a ser utilizados até que seja atingido sua condição limite de desgaste de 25% da área do boleto quando deveria ser substituído.
Critério de Nadal
considera a razão entre a força horizontal e a força vertical existentes. Estas forças estão presentes devido ao contato que ocorre entre a roda e o trilho, levando em consideração a análise das situações de contato em um ponto, em dois pontos e com conformidade, esquematizado na figura 4.1 (PAIVA, 2016).
Figura 4.1. Contato entre a roda e o trilho: a) contato em um ponto, b) contato em dois pontos e c) contato com conformidade.
Fonte: Paiva, 2016.
Quando o ângulo de ataque é grande, há uma elevada força lateral e, com isso, uma distribuição irregular das massas do truque, que é determinado pelo raio de curvatura, o perfil da roda e a velocidade do veículo. Assim, a definição para que ocorra a sobreposição do flange, baseado no critério de Nadal, é estabelecida através da relação entre a força lateral (L) e a força vertical (V), ou seja, L/V.
A análise combinada das cargas L e V na avaliação do risco de descarrilamento é fundamental, e pode ocorrer se a razão dessas duas grandezas L/V aumentar, seja em função de valores elevados de L, seja em função de valores muito baixos de V, o que ocorre em veículos sem carga, operação em baixa velocidade (PAIVA, 2016).
Na figura 4.2 observa-se a situação em que o descarrilamento pode ocorrer quando existe a subida do friso pela lateral do boleto, considerando que descarrilar é o ato do veículo ferroviário sair fora da via férrea. O descarrilamento pode ser definido, segundo Iwnicky (2006), como o incidente no qual a roda perde a sustentação provida pelo trilho e esse incidente
pode ser classificado como interno (quando a roda se movimenta para dentro da região determinada pelo trilho) ou externo (quando a roda se movimenta para fora da região determinada pelos trilhos).
Figura 4.2. Cargas L e V atuantes no momento de iminência de descarrilamento. Fonte: Adaptado de Paiva, 2016.
Neste critério, o descarrilamento depende do ângulo de contato do flange da roda com o boleto (β) e do coeficiente de atrito entre a roda e o trilho (ϕ), conforme definido pela equação 4.1.
L/V > [(tan β - )/1+.tan β)] (Equação 4.1)
A relação L/V pode ser definida como o resultado das forças laterais e verticais que atuam no contato roda trilho e, portanto, quanto maior for o valor dessa relação, maior a possibilidade do descarrilamento já que haverá preponderância das forças laterais sobre as verticais. Os valores do ângulo (β) são os valores, neste estudo, compreendidos entre 62,5° para uma roda nova e 75° que é uma roda em ponto de descarte e, portanto, o aumento do ângulo β, aumenta o risco de descarrilamento. Finalmente, os valores definidos para o coeficiente de atrito (ϕ), utilizados são os valores determinados por Hay (1982) e, pode-se aferir que quanto maior for o atrito roda trilho, menor será o risco de descarrilamento.
V
Coeficiente de Aderência
Os valores do coeficiente de aderência para composições ferroviárias são determinados conforme a situação da via permanente e devem levar em consideração as regiões onde a via permanente está instalada, incluídas todas as condições climáticas.
Segundo Hay (1982), os coeficientes de aderência que devem ser utilizados para cálculo de tração, frenagem e deslocamentos na via permanente são apresentados na tabela 4.1.
Esses valores típicos de aderência são utilizados nas ferrovias ao redor do mundo.
No Brasil, o valor típico utilizado para cálculos, é feito a partir dos valores estabelecidos por Hay (1982) considerando o trilho limpo e seco com o coeficiente de 0,22. Entretanto, em regiões do Aparelho de Mudança de Via, onde a presença de materiais lubrificantes é constante para que haja o retardo no seu desgaste, é estabelecido um coeficiente de atrito de 0,10, pois ocorre maior dificuldade para a operação de frenagem e arranque das composições (SETTI, 2012).
Tabela 4.1 Valores do coeficiente de aderência.
Estado do Trilho Aderência
Totalmente seco e limpo, lavado pela chuva 0,33
Seco e limpo 0,22
Seco 0,20
Molhado pela chuva 0,14
Úmido de orvalho 0,125
Úmido e sujo 0,11
Sujo com óleo 0,10
Desgaste dos trilhos
Se a via permanente for tratada como um produto, o seu insumo mais caro é certamente o trilho e, portanto, deve-se utilizá-lo até o máximo de sua capacidade, com o cuidado de verificarmos se ele ainda está proporcionando uma operação dentro dos limites de segurança.
De acordo com a Association of American Railroads (AAR), para a manutenção e substituição dos trilhos, o custo aproximado da mão de obra é pouco menor ou equivalente ao valor do trilho, ou seja, além de ser um insumo de alto valor, o trilho também gera custos com sua substituição e a paralisação das ferrovias durante longos períodos para que esse trabalho seja executado.
Kristan (2004) levantou que no período de 1999 a 2004, as ferrovias no mundo utilizaram cerca de 500 mil toneladas de trilho por ano, que foram utilizados na substituição de trilhos inservíveis, a um custo estimado de 1,25 bilhão de dólares.
Stopatto (1987), salienta que o trilho pode ser reaproveitado na outra fila, até que seu desgaste total atinja 25% da área útil do boleto. Porém em vias de tráfego muito intenso, muitas vezes não é possível fazer essa troca de fila, pois os desgastes podem ter atingido o limite e bitola, o que inviabilizaria essa prática.
Muitos elementos são adotados para fixar os limites de desgastes dos trilhos e dos elementos do Aparelho de Mudança de Via. Algumas empresas ferroviárias admitem valores de desgaste vertical do boleto em até 12 milímetros para as vias principais, e valores de 15 a 20 milímetros, para vias secundárias. Para os desgastes laterais do boleto, admitem ângulos de 32° a 34° conforme mostrado na figura 4.3 (SEMPREBONE, 2005).
Por sua vez, outros valores além da largura do boleto devem ser considerados para a média de vida útil do trilho. Por exemplo, a sua altura em relação à do desgaste lateral, o que pode retardar a substituição do trilho antes de atingir o limite de desgaste vertical. Para a aferição dos valores dessa relação, deve-se observar que a relação entre a largura do boleto (c1) e a sua altura (e), ou seja, c1/e, deve ter o valor entre 1,6 e 1,8 conforme figura 4.3 e a relação entre a altura do trilho (h) e a largura do patim (l1), ou seja, h/l1, deve estar entre 1 e 1,1
(SEMPREBONE 2005).
Figura 4.3. Corte transversal do trilho, mostrando Desgaste lateral (A) e horizontal (B), onde: h = altura do trilho; e = altura do boleto; c1 = largura do boleto; l1 = largura do trilho.
Fonte: Semprebone, 2005.
Os limites de desgaste verticais e horizontais são apresentados na tabela 4.2, e levam em consideração o boleto do trilho. Esses valores foram calculados a partir de normatização feita pela extinta Rede Ferroviária Federal (RFFSA) e atribuem como desgaste máximo a soma do desgaste vertical com metade do desgaste horizontal (BATIST, 2002). Com essa simples operação, pode-se verificar quando o trilho chegou ao seu desgaste máximo.
Tabela 4.2 Máximo desgaste do boleto. Tipo de trilho Tonelagem bruta anual Desgaste (mm) Desgaste máximo total Desgaste máximo vertical 68 >14 11 - 2 a 14 13 - Até 2 16 14 57 >14 10 10 2 a 14 12 10 Até 2 15 10 45 2 a 14 10 6 Até 2 11 6 37 2 a 14 10 5 Até 2 13 5
Fonte: Branco e Ferreira, 2002.
Pela norma elaborada pela RFFSA tanto para o aparelho de mudança de via quanto para a linha corrida, a bitola máxima admitida para as bitolas larga e estreita são respectivamente de 1,620 m e 1,020 m, e que o desgaste máximo admitido do trilho é de 25% da área do boleto. Deste modo, os valores mostrados na tabela 4.2 mostram as possibilidades do reemprego dos trilhos nas vias secundárias.
Para a aferição dos desgastes dos trilhos a RFFSA desenvolveu um gabarito composto por três “faces”, que servia para verificação do desgaste horizontal do boleto, (figura 4.4), de tal maneira que:
- Se a Face A tocar no boleto tem-se um desgaste de 12%,
- Quando a Face B se ajustar ao boleto, teremos um desgaste de 17% o que significa que o trilho já passou da metade de sua vida útil, segundo as normas da RFFSA.
vida útil, sendo necessária à sua substituição.
Os valores de L1 e L2 que constam da figura 4.4 e que são necessários à confecção dos gabaritos, também são estabelecidos por norma, em função do tipo de trilho.
Figura 4.4. Esquema do gabarito de desgaste do boleto de trilhos. Fonte: Branco e Ferreira, 2002.
Para mensurar e facilitar os critérios para a substituição de trilhos a American
Railway Engineering and Maintenance-of-way Association (AREMA) elaborou uma tabela que
determina os limites de desgaste para os trilhos de segunda mão e que são utilizados em vias secundárias (tabela 4.3).
Tabela 4.3. Limite de desgaste do boleto para trilhos de segunda mão. Vias de utilização Perfil de trilho Máximo desgaste vertical (mm) Máximo desgaste horizontal (mm) Observações 1. Vias principais TR - 68 5,6 12,7
Admitidas mínimas queimas por patinação e corrugações. TR - 57 3,2 7,9 TR - 45 3,2 3,2 2. Ramais principais TR - 68 10,3 19,1
Admitidas pequenas queimas por patinação e corrugações. TR - 57 7,9 19,1 TR - 45 6,4 4,8 3. Ramais secundários TR - 68 15,1 22,2
Admitidas queimas por patinação e corrugações médias e oxidadas.
TR - 57 9,5 19,1
TR - 45 7,9 7,9
4. Pátios
TR - 68 16,7 25,4 Admitidas queimas por patinação e corrugações quaisquer, contanto que não tenham fraturado o trilho.
TR - 57 12,7 22,2
TR - 45 9,5 9,5
Fonte: Branco e Ferreira, 2002.
Desgaste do Trilho de Encosto e Agulha do Aparelho de
Mudança de Via – AMV
A medição do desgaste no trilho de encosto na região do Aparelho de Mudança de Via é feita utilizado um equipamento conhecido por Miniprof, que é posicionado a 200 mm antes e da ponta de agulha e a 200 mm depois da ponta da agulha. Os valores admitidos de desgaste para esse elemento são apresentados na figura 4.5. Se os valores aferidos com o
Miniprof forem superiores aos máximos tolerados o conjunto agulha trilho de encosto devem
Figura 4.5. Valores de desgaste máximo no trilho de encosto.
Em algumas ferrovias os Aparelhos de Mudança de Via podem ser utilizados em operações de mudança de rotas e entroncamentos ferroviários, mas predominantemente o AMV fica posicionado num sentido apenas, pode ocorrer desgaste desproporcional no conjunto trilho de encosto e agulha, conforme apresentado na figura 4.6. Esse desgaste desproporcional pode ser o motivo inicial de uma ocorrência ferroviária, considerando que a agulha fica saliente e passa a apresentar um obstáculo para o rodeiro.
Figura 4.6. Corte transversal do esquema mostrando o desgaste irregular do trilho de encosto (T), muito usado, e a agulha (A), pouco usada pelo rodeiro, e seu contato com o mesmo (R).
Outro procedimento importante refere-se às aferições que devem ser realizadas constantemente, partindo da ponta de agulha até dois metros no sentido de entrada do Aparelho de Mudança de Via. Essa aferição deve ser executada tanto na agulha quanto no trilho de encosto para ser eficiente. Na figura 4.7 é possível verificar a forma que a roda da composição
deve tocar essa região, onde todos os elementos estão correspondendo às solicitações do material rodante.
Figura 4.7.Corte transversal do esquema mostrando o desgaste ideal do conjunto trilho de encosto (T) e agulha (A) e seu contato com a roda (R).
Desgaste dos Rodeiros
A roda é um componente do rodeiro fabricado em aço fundido ou forjado. Para Sisdelli (2006), as ferrovias de carga no Brasil utilizam os tipos de roda recomendados pela Associação de Ferrovias Americanas (AAR). Estas especificações definem as classes de aplicação, materiais e composição química, tratamentos térmicos, níveis de dureza, marcação, processos de homologação e de inspeção, certificação do fornecedor e critérios de recebimento.
O rodeiro ferroviário é o conjunto de duas rodas acopladas a um eixo, conforme a figura 4.8. A função do rodeiro é de suportar as cargas verticais, ou seja, o peso do veículo e de sua carga. Outra atribuição que os rodeiros possuem é de direcionar os veículos na via permanente. Tal direcionamento é obtido pela variação do raio de rolamento das rodas, que possui um perfil transversal de rolamento cônico.
Figura 4.8. Esquema do Rodeiro. Fonte: ABNT, 2009.
A roda é considerada por muitos autores como sendo o elemento do material rodante mais importante que é utilizado na ferrovia pois o seu bom estado garante uma maior segurança, maior vida útil de todos os demais elementos, o que diminui o custo por quilômetro rodado e proporciona aumento da velocidade. Porém, nenhum desses indicadores se sobrepõe à importância de sua manutenção para garantir que não ocorram acidentes em função de seu desgaste. A segurança de todos os veículos que utilizam os trilhos depende da integridade de cada roda da composição. Rodas com defeitos ou com desgaste acima do limite, estão sujeitas a causar incidentes ou acidentes ferroviários, o que causa interrupções na via e, em consequência, perdas materiais e financeiras.
Segundo Sisdelli (2006) a vida útil das rodas está ligada diretamente à espessura do friso que, ao atingir o valor de 20,6 mm, pode quebrar e aumentar o risco de descarrilamento em curvas. O friso alto é uma característica do desgaste excessivo na pista de rolamento e causa danos aos Aparelhos de Mudança de Via - AMV. O friso vertical é especialmente danoso ao direcionamento do rodeiro em razão da perda de conicidade da pista e do raio de concordância na raiz do friso, o que também provoca danos aos Aparelhos de Mudança de Via.
Segundo Rosa (2006) as rodas ferroviárias são classificadas em classes de acordo com o tipo de serviço que a composição irá prestar e a velocidade que irá circular (tabela 4.4).
Tabela 4.4.Classes das rodas ferroviárias
Classe Serviço Carga
L
Serviços de alta velocidade com condições de frenagem mais severas
que as outras classes.
Leve
A Serviços de alta velocidade com
condições de frenagem severas. Moderadas B Serviços de alta velocidade com
condições de frenagem severas. Elevadas C (1) Serviços com condições de frenagem
leves. Elevadas
C (2)
Serviços com condições de frenagem severas atuando fora da superfície do
rolamento (disco de freio).
Elevadas Fonte: Rosa, 2006.
Atualmente as ferrovias utilizam basicamente dois tipos de rodas, uma com o tipo de disco chamado de parabólico e outro chamado de disco S, apresentados, com seus elementos, na figura 4.9.
Figura 4.9. Esquema do perfil tipo “parabólico” e tipo “S”. Fonte: Neto, 2006.
Onde: A = altura do friso; B = Espessura do friso; C = Raio de curva da base do friso; D = Diâmetro da roda; G = Espessura do aro (vida); L = Largura do aro; N1 = Espessura do disco, junto ao aro; N2 = Espessura do disco, junto ao cubo; O1 = Diâmetro do Cubo, na faixa interna; O2 = Diâmetro do Cubo, na faixa externa; P = Comprimento do Cubo;
A configuração do perfil da roda/trilho para o direcionamento do rodeiro, devido ao formato da roda que é tronco cônico, faz com que ela sempre gire no mesmo ponto e na mesma inscrição do trilho. Isso propicia o auto direcionamento do veículo ferroviário. A roda, além de sua condição construtiva no formato tronco cônico, tem um friso que limita os movimentos laterais do veículo ferroviário e evita que ele saia do trilho em curvas (figura 4.10).
Figura 4.10. Partes da Roda. Fonte: ABNT, 2009.
O boleto do trilho possui na sua parte superior uma área arredondada, o que garante o contato de rolamento entre ele e a roda e, desse modo, a área de contato. O par de rolamento (roda/trilho) desgasta-se mutuamente devido a sua utilização (figura 4.11).
Figura 4.11. Contato roda trilho. Fonte: ABNT, 2009.
Quando há deslocamento lateral do rodeiro em relação à via, o ponto de contato da roda se altera, gerando raios de rolamento diferentes para cada roda. Como o rodeiro possui velocidade angular de rotação idêntica para as duas rodas (rodeiro considerado torcionalmente rígido), as velocidades tangenciais em cada ponto de contato são diferentes. Isto produz diferentes velocidades relativas entre a roda e a via. Como as forças tangenciais de contato entre os dois corpos são proporcionais às velocidades relativas, são produzidos torques de alinhamento, que garantem a recentralização do rodeiro. Este fenômeno, representado na figura 4.12, permite que o rodeiro tenha o auto direcionamento e, com isso, garante o acompanhamento das irregularidades da via férrea.
Figura 4.12. Tendência de Centralização do Rodeiro. Fonte: Rosa, 2006.
O friso da roda é o elemento que garante o confinamento do eixo ferroviário na via permanente. O friso é um dos itens que mais necessitam de atenção no momento da manutenção de locomotivas, vagões e carros de passageiros. Segundo a norma 5565 da ABNT os rodeiros novos trabalham com o friso inicial de 34,9 ± 0,8 mm (34,1 a 35,7 mm) medido no ponto de bitola a partir da face interna da roda, quando ele é considerado “friso largo”. O friso para ser encaminhado para a manutenção, medido a partir da face interna da roda, tem 29,4 mm, e é chamado “friso estreito” (figura 4.13).
Figura 4.13. Friso Estreito e Friso Largo. Fonte: ABNT, 2009.
Na figura 4.14, são apresentadas as principais características da roda ferroviária, indicando as principais cotas de segurança para uma roda nova. É importante destacar a conicidade da pista através da inclinação 1:20 e do raio de concordância entre friso e pista.
Figura 4.14. Características de uma roda ferroviária. Fonte: Adaptado de Rosa, 2016.
Onde: Rd: diâmetro da roda de 840 mm a 965 mm; Re: espessura da roda 140 mm; Fh: altura do friso 25,4 mm; Fe: largura do friso 29,3 mm e B: folga entre friso e boleto de 10 mm a 20 mm.
Na figura 4.15 são apresentadas as cotas de salvaguarda definidas em projetos das ferrovias para garantir a livre passagem do material rodante.
Figura 4.15. Parâmetros para a determinação da cota de salvaguarda. Fonte: Castelo Branco, 2002.
Onde: LR: largura da roda, medida 50mm acima da superfície de rolamento; LUR: largura útil da roda, medida da face interna até a extremidade da superfície de rolamento; EF: espessura do friso; AF: altura do friso; BIR: bitola interna do rodeiro, medida entre a face interna das rodas, na altura da cota de 70mm; BER: bitola externa do rodeiro; BIF: bitola interna do rodeiro, incluída a espessura de um friso; b: bitola da via, medida 16mm abaixo do topo do boleto dos trilhos; LTB: desgaste vertical máximo do trilho;
J: folga.
Finalmente, quando ocorre o desgaste dos rodeiros, o ângulo de contato da roda utilizado para cálculo do critério de Nadal sofre alterações e são aceitos valores que compreendem a faixa entre 62,5º e 75º. Entretanto, o padrão construtivo utilizado em ensaios adota os seguintes valores para esses ângulos (SANTOS, 2008): Rodas novas (1:20) = 68º, rodas usadas = 73º e roda de friso fino = 75º.
Região da Ponta da Agulha
A ponta da agulha é a região vital na transição da composição ferroviária de uma via para outra, uma vez que é nesse ponto que todos os esforços solicitantes do material rodante se concentram em uma única região para que haja mudança de via. Desse modo, sempre existe o contato entre o friso da roda e a agulha, por sempre haver o deslocamento do rodeiro em uma direção, o que gera o desgaste dos elementos da via permanente, dos quais fazem parte as
agulhas, os trilhos e os contratrilhos.
Para Steffler (2013), a entrada do conjunto do AMV, conhecida como “região da chave”, é uma área de extrema importância na transição da composição ferroviária de uma via para outra. A outra região do AMV é conhecida como “região do cruzamento”. As duas regiões são mostradas na figura 4.16.
Dada a importância da região da chave, as medições do presente estudo serão realizadas na mesma, conforme também está salientado na figura 4.16.
Figura 4.16. Regiões do AMV salientando a região de estudo deste trabalho. Fonte: Adaptado de Steffler, 2013.
Segundo Castello Branco (2002), é na região da chave que acontece o primeiro ponto de ataque do friso da roda, quando ele encontra o Aparelho de Mudança de Via, no sentido de entrada da composição no pátio e, em função desse ataque do friso da roda nos elementos