Acidentes ferroviários motivados por desgaste na ponta de agulha do aparelho de mudança de via

 

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo

EDEGAR MAURICIO KERETCH

ACIDENTES FERROVIÁRIOS MOTIVADOS POR

DESGASTE NA PONTA DE AGULHA DO APARELHO

DE MUDANÇA DE VIA

CAMPINAS

ACIDENTES FERROVIÁRIOS MOTIVADOS POR

DESGASTE NA PONTA DE AGULHA DO APARELHO

DE MUDANÇA DE VIA

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO EDEGAR MAURICIO

KERETCH E ORIENTADA PELO PROF.DR.CASSIO EDUARDO LIMA

DE PAIVA.

ASSINATURA DO ORIENTADOR

___________________________________________

CAMPINAS 2017

Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura

Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129

Keretch, Edegar Mauricio,

K454a KerAcidentes ferroviários motivados por desgaste na ponta de agulha do aparelho de mudança de via / Edegar Mauricio Keretch. – Campinas, SP : [s.n.], 2017.

KerOrientador: Cassio Eduardo Lima de Paiva.

KerDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.

Ker1. Ferrovias - Acidentes. 2. Ferrovias - Trilhos. I. Paiva, Cassio Eduardo Lima de,1953-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Rail accidents Motivated by wear at the point of railroad swith Palavras-chave em inglês:

Railways - Accidents Railways - Tracks

Área de concentração: Transportes Titulação: Mestre em Engenharia Civil Banca examinadora:

Cássio Eduardo Lima de Paiva Orlando Fontes Lima Junior Liedi Legi Bariani Bernucci

Data de defesa: 14-08-2017

Programa de Pós-Graduação: Engenharia Civil

URBANISMO

ACIDENTES FERROVIÁRIOS MOTIVADOS POR

DESGASTE NA PONTA DE AGULHA DO APARELHO

DE MUDANÇA DE VIA

Edegar Mauricio Keretch

Dissertação de Mestrado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:

Prof. Dr. Cássio Eduardo Lima de Paiva

Presidente e Orientador, Universidade Estadual de Campinas

Prof. Dr. Orlando Fontes de Lima Junior

Universidade Estadual de Campinas

Profa. Dra. Liedi Legi Bariani Bernucci

Universidade de São Paulo

A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.

A meus pais, José (in memoriam) e Tereza, pelo amor e por terem me mostrado a vida.

Ao professor Dr. Cássio Eduardo Lima de Paiva pela atenção, paciência e incentivo ao acreditar na finalização desta dissertação quando tudo era muito abstrato.

Aos professores Dr. Orlando Fontes Lima Junior, Dra. Maria Teresa Françoso e Dra. Liedi Legi Barieni Bernucci pela participação e sugestões no exame de qualificação e defesa, com grande contribuição para o encerramento deste trabalho.

Ao professor Dr. Angelo Luiz Cortelazzo pelo incentivo e apoio, mesmo não sendo esta a sua área de conhecimento, mas que muito me ensinou, provocou e desafiou para a conclusão do mestrado e dar continuidade à minha formação acadêmica.

A professora Arisol Yamamoto que me ajudou a desvendar os mistérios do AutoCAD, com apoio e empenho na produção das imagens deste trabalho.

Ao Centro Paula Souza, por permitir que eu me ausentasse para as aulas na UNICAMP.

À Secretaria de Pós-Graduação da FEC pelo auxílio nas dúvidas ao longo do curso e à UNICAMP pela formação recebida.

Aos grandes amigos da Fatec Tatuapé, especialmente a Ivanete, Luciano, Melina, Roberta, Mauricio, Anna e Leonardo que em momentos de desânimo sempre estiveram presentes para animar e motivar a sequência do trabalho.

Aos amigos que conheci nos pós e fizeram com que as dúvidas e angústias no decorrer desta jornada fossem compartilhadas e minimizadas, em especial, Juliana Watanabe, Luiz Fernando e Eduardo de Paiva.

A Família Cortelazzo, em especial a Isolina e Patrícia que acompanharam de perto as dificuldades, sempre com palavras de carinho e incentivo, oferecendo hospedagem em Campinas quando necessário.

Ao Edson e Matheus pela paciência, incentivo e companheirismo ao longo da minha vida e, agora, deste trabalho.

Ao meu Pai José que partiu antes do início deste trabalho, porém sempre me incentivou a estudar, e agora entendo suas palavras! Você faz muita falta!

A minha Mãe Tereza, Irmã Salete e Madrinha Catarina, que me acompanharam na formação acadêmica e não apenas como profissional, mas como ser humano, ensinando o caminho certo com muito amor, dedicação para tornar possível a minha formação, e hoje entendem as escolhas que fiz e, apesar de estarem longe de mim geograficamente, sempre estão em meu coração.

A todos os meus amigos e familiares não citados nominalmente, mas que por diversas vezes compreenderam a minha ausência em decorrência das inúmeras pesquisas e horas de trabalho que tive nos últimos anos.

“A persistência é o menor caminho do êxito. ” Charles Chaplin

As ferrovias brasileiras estão sendo solicitadas cada vez mais para o processo de escoamento da produção agrícola e, por isso, há uma crescente exigência de segurança no transporte de cargas realizado por esse segmento, o que também reflete no transporte de passageiros. Segundo relatórios da Agência Nacional de Transporte Terrestre – ANTT, a Via Permanente foi responsável por 39% dos acidentes e ocorrências no período 2006-2013 e, dentre os elementos da Via Permanente, o que tem maior probabilidade de causar acidentes é o Aparelho de Mudança de Via – AMV, que é o objeto de estudo deste Trabalho. A importância de se realizar este estudo fundamenta-se principalmente na necessidade de conhecer as causas das ocorrências de descarrilamentos em aparelhos de mudança de via, elemento que tem como função fazer a transposição do veículo ferroviário de uma via para a outra, e com isso aumentar a produtividade e eficiência da ferrovia. O objetivo final é simular o desgaste dos itens do Aparelho de Mudança de Via – AMV, principalmente agulha e trilho de encosto, dentro dos valores determinados pelas cotas de salvaguarda considerando os valores de desgastes máximos e mínimos, desgaste do material rodante, e com isso determinar qual o ponto limite de desgastes que assegura que as composições ferroviárias podem circular com segurança se forem respeitadas as cotas de salvaguarda. O trabalho foi realizado por meio de consulta a procedimentos operacionais de empresas de transporte ferroviário, de cargas e passageiros e as normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT. Foram estudados os dois padrões de Aparelhos de Mudança de Via que são regulamentados no Brasil e que foram projetados pelos dois principais órgãos regulamentadores de equipamentos ferroviários do mundo, Union Internationale des Chemins de Fer - UIC responsável pelo projeto do Aparelho de Mudança de Via UIC – AMV/U e American Railway Engineering and Maintenance-of-Way – AREMA responsável pelo projeto do Aparelho de Mudança de Via AREMA – AMV/A.

Palavras-chave: acidente ferroviário, descarrilamento, via permanente, aparelho de mudança

The Brazilian railways are being increasingly used to the bleeding process of agricultural production and, therefore, there is a growing security requirement in the transport of cargo carried by this segment and, consequently, also in passenger transport. According to reports from the Agência Nacional de Transporte Terrestre – ANTT, the Permanent Way was responsible for 39% of accidents and incidents between 2006-2013 and among the elements of the Permanent Way, which is more likely of causing accidents is the Track Switching Apparatus - AMV, which is the aim of this work. The importance of conducting this study is based mainly on the need to know the causes of derailments occurrences in switches and appliances, element whose function is to make the implementation of the rail vehicle from one way to another, and thus increase productivity and efficiency of the railroad. The ultimate goal is to simulate the wear items of the Track Switching Apparatus - AMV, especially the gate and back rail, within the values determined by the safeguard quotas considering the amounts of maximum and minimum wear, rolling stock wear, and thus determine the boundary point wear that ensures that rail cars can circulate safely if the safeguard quotas are respected. This research is being carried out by consulting the operational procedures of railway undertakings, freight and passenger and standards of the Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT (Brazilian Association of Technical Standards – ABNT). Are being studied both patterns of track switching equipment that are regulated in Brazil, which were designed by the two main regulators of railway in the world, Union Internationale des Chemins de Fer-UIC responsible for Track Switching Apparatus UIC – AMV/U project and American Railway coops and Maintenance-of-Way-AREMA responsible for Track Switching Apparatus AREMA – AMV/A project.

Figura 2.1. Seção típica da via permanente. Fonte: Watanabe, 2013. ... 26 Figura 2.2. Perfil Vignole – Seção Transversal. Fonte: Paiva (2016). ... 31 Figura 2.3. Representação esquemática da medida de bitola da via férrea, tomada de 12 a 16 mm abaixo da superfície do boleto. Fonte: Manual Técnico de Via Permanente (VALE, 2009). ... 32 Figura 2.4. A - Aparelho de mudança de via. B - Corte transversal na região da agulha. Fonte: (A) Hevitt Equipamentos, 2017. (B) Adaptado de Steffler, 2013. ... 35 Figura 2.5. Componentes de um Aparelho de Mudança de Via - AMV. Fonte: Paiva (2016). 36 Figura 2.6. Detalhes da agulha. Fonte: Adaptado de Steffler (2013). ... 40 Figura 2.7. Corte transversal mostrando o conjunto trilho-agulha. A – modelo antigo; B – modelo atual. Fonte: Canadian Pacific Railway (2013). ... 41 Figura 2.8. Regiões mostrando o trilho de encosto e agulha. A e B – Conjunto em boas

condições de uso. C e D – Agulhas desgastadas. Fonte: Rail Industry Safety and Standards Board, 2015. ... 42 Figura 2.9. Elementos do jacaré reto do tipo AREMA Fonte: Nabais (2014). ... 43 Figura 2.10. Contratrilho Fonte: Adaptado de Paiva (2016). ... 43 Figura 2.11. Representação esquemática de trilho de encosto. Fonte: Adaptado de Paiva (2016) ... 44 Figura 2.12 Máquinas de Chave. A) Manual, B) Elétrica; C) de Mola e D) Pneumática. Fonte: A e B) Wikipédia, 2017; C) Wu, 2017; D) Maruca Com.Serv.Ltda., 2017. ... 45 Figura 2.13. Trilho de ligação. Fonte: Adaptado de Paiva (2016). ... 46 Figura 2.14. AMV com destaque para o Calço. Fonte: adaptado de Military Library, 2017. .. 47 Figura 3.1. Regiões do Aparelho de Mudança de Via Fonte: Adaptado de Steffler, 2013. ... 53 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. ... 55 Figura 4.2. Cargas L e V atuantes no momento de iminência de descarrilamento. Fonte: Adaptado de Paiva, 2016. ... 56 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. ... 59 Figura 4.4. Esquema do gabarito de desgaste do boleto de trilhos. Fonte: Branco e Ferreira, 2002. ... 61

(T), muito usado, e a agulha (A), pouco usada pelo rodeiro, e seu contato com o mesmo (R).

... 63

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). ... 64

Figura 4.8. Esquema do Rodeiro. Fonte: ABNT, 2009. ... 65

Figura 4.9. Esquema do perfil tipo “parabólico” e tipo “S”. Fonte: Neto, 2006. ... 66

Figura 4.10. Partes da Roda. Fonte: ABNT, 2009. ... 67

Figura 4.11. Contato roda trilho. Fonte: ABNT, 2009. ... 68

Figura 4.12. Tendência de Centralização do Rodeiro. Fonte: Rosa, 2006. ... 68

Figura 4.13. Friso Estreito e Friso Largo. Fonte: ABNT, 2009. ... 69

Figura 4.14. Características de uma roda ferroviária. Fonte: Adaptado de Rosa, 2016. ... 70

Figura 4.15. Parâmetros para a determinação da cota de salvaguarda. Fonte: Castelo Branco, 2002. ... 71

Figura 4.16. Regiões do AMV salientando a região de estudo deste trabalho. Fonte: Adaptado de Steffler, 2013. ... 72

Figura 4.17. Esquema mostrando posicionamento das rodas na passagem pelo AMV e indicação do afastamento mínimo. Fonte: Castello Branco, 2002. ... 73

Figura 4.18. Esquema mostrando o reforço do trilho e o afastamento mínimo na região da agulha. Fonte: adaptado de Castelo Branco, 2002... 73

Figura 4.19. Apoio da agulha no trilho de encosto. ... 74

Figura 5.1. Entrada do Aparelho de Mudança de Via novo. ... 76

Figura 5.2. Corte transversal de esquema para o cálculo da Bitola da Via. ... 77

Figura 5.3. Corte transversal de esquema para o cálculo da Bitola do Eixo. A= rodeiro; B= interação roda-trilho. ... 78

Figura 5.4. Corte transversal de esquema mostrando o contato entre a roda e o trilho em uma curva horizontal. ... 79

Figura 6.1 Padrões de medições do trilho de encosto... 83

Figura 6.2. Esquema geral mostrando rodeiro e conjunto trilho/agulha. O desgaste é mostrado em detalhes na região salientada. ... 88

Figura 6.3. Detalhes mostrando o desgaste dos trilhos e da agulha, mantendo-se as rodas novas. A: Situação inicial da simulação, ainda com trilhos e agulhas novos; B e C: desgastes intermediários; D: Situação final, com desgaste máximo admitido. ... 90

aderência dos trilhos, conforme estabelecido por Hay (1982). ... 91 Figura 6.5. Esquema geral mostrando rodeiro e conjunto trilho/agulha. O desgaste do trilho é mostrado em detalhes na figura 5.6, mantendo agulhas e rodas novas. ... 92 Figura 6.6. Desgastes do trilho, com roda e agulha novos. A: situação inicial, com todos os componentes novos; B e C: simulações mostrando situação intermediária; D: Maior desgaste considerado para o trilho, com manutenção de agulhas e rodeiros novos. ... 94 Figura 6.7.Valores do Critério de Nadal em diferentes situações de desgaste de trilhos de encosto, com composições com rodeiros novos e agulhas do AMV novas e em diferentes condições de aderência dos trilhos, conforme estabelecido por Hay (1982). ... 95 Figura 6.8. Esquema geral mostrando rodeiro e conjunto trilho/agulha. O desgaste é mostrado em detalhes na região salientada ... 96 Figura 6.9. Desgastes da agulha, com trilhos e rodas novos. A: situação inicial, com todos os componentes novos; B e C: simulações mostrando situação intermediária; D: Maior desgaste considerado para a agulha, com manutenção de trilhos e rodeiros novos. ... 98 Figura 6.10.Valores do Critério de Nadal em diferentes situações de desgaste de trilhos de encosto e agulhas, com composições com rodeiros novos e em diferentes condições de

aderência dos trilhos, conforme estabelecido por Hay (1982). ... 99 Figura 6.11. Esquema geral mostrando rodeiro e conjunto trilho/agulha. O desgaste é

mostrado em detalhes na região salientada, apenas para rodas neste conjunto de simulações que apresenta seu estado inicial (A) em destaque na figura. ... 101 Figura 6.12. – B a E: Etapas intermediárias do desgaste das rodas, com manutenção de trilhos e agulhas novos, mostrando medidas e ângulos do friso dos rodeiros. ... 104 Figura 6.13. Esquema geral mostrando rodeiro e conjunto trilho/agulha. O desgaste máximo das rodas é mostrado no detalhe na região salientada (F), quando o valor do friso atinge 29,40 mm e o ângulo β 75º. ... 105 Figura 6.14.Valores do Critério de Nadal em diferentes situações de desgaste dos rodeiros, com trilhos de encosto e agulhas novos e em diferentes condições de aderência dos trilhos, conforme estabelecido por Hay (1982). ... 106 Figura 6.15. Esquema geral mostrando rodeiro e conjunto trilho/agulha. O desgaste é

mostrado em detalhes na região salientada, apenas para rodas, agulha e trilho de encosto novos neste conjunto de simulações que apresenta seu estado inicial (A) em destaque na figura. ... 108

roda e trilhos. ... 111 Figura 6.17. Esquema geral mostrando rodeiro e conjunto trilho/agulha. O desgaste máximo das rodas é mostrado no detalhe na região salientada (F), assim como o desgaste de agulhas e trilhos, que originam uma folga de 30,78 mm quando o valor do friso atinge 29,40 mm e o ângulo β 75º. ... 112 Figura 6.18.Valores do Critério de Nadal em diferentes situações de desgaste de trilhos de encosto, agulhas e rodeiros e em diferentes condições de aderência dos trilhos, conforme estabelecido por Hay (1982). ... 113 Figura 6.19. Traçado das cordas para os índices de Nadal obtidos, para os tratamentos com rodeiros sendo desgastados, mas trilhos e agulhas novos (A) ou com todos esses elementos sofrendo desgastes (B) ... 114 Figura 6.20. Esquema mostrando o encontro do friso da roda com a ponta da agulha em diferentes situações de desgaste da roda e do AMV. a: Largura do friso da roda (mm); b: folga entre roda e trilho (agulha) em mm; c: largura de ½ boleto do trilho; d: distância (mm) percorrida até que o friso da roda externa encoste no trilho externo em uma curva horizontal. ... 116 Figura 6.21.Valores do Critério de Nadal em diferentes situações de interação entre rodas e trilhos, em diferentes condições de aderência dos trilhos, conforme estabelecido por Hay (1982). ... 121

Tabela 3.1 Subclasse de ocorrências ferroviárias para Acidentes e Avarias. ... 50

Tabela 3.2 Subclasse de ocorrências ferroviárias para Irregularidades e Anormalidades... 51

Tabela 4.1 Valores do coeficiente de aderência. ... 57

Tabela 4.2 Máximo desgaste do boleto. ... 60

Tabela 4.3. Limite de desgaste do boleto para trilhos de segunda mão. ... 62

Tabela 4.4.Classes das rodas ferroviárias ... 66

Tabela 6.1: Simulação dos valores das cotas dos trilhos desgastados. ... 84

Tabela 6.2:Simulação dos valores das cotas dos rodeiros desgastados. ... 86

Tabela 6.3 Valores de folga e Coeficiente de Nadal calculados para situação de trilho e agulha desgastados e roda nova. ... 89

Tabela 6.4.Valores de folga e Coeficiente de Nadal calculados para situação de trilho desgastado, agulha e roda novos... 93

Tabela 6.5. Valores de folga e Coeficiente de Nadal calculados para situação de agulha desgastada e trilhos e roda novos ... 97

Tabela 6.6.Valores de folga e Coeficiente de Nadal calculados para situação de trilho e agulha novos e roda desgastada. ... 102

Tabela 6.7.Valores de folga e Coeficiente de Nadal calculados para situação de trilhos, agulhas e rodas desgastados. ... 109

Tabela 6.8.Ângulo de contato e limites de Nadal para diferentes desgastes de rodas, em função do estado dos trilhos. ... 118

Generalidades ... 19 Objetivos ... 24 2. A VIA PERMANENTE ... 25 Sublastro ... 26 Lastro... 27 Trilhos ... 30 Dormentes... 33 Fixações ... 34

Aparelho de Mudança de Via –AMV ... 35

2.6.1. Agulhas... 39 2.6.2. Jacaré ... 42 2.6.3. Contratrilhos ... 43 2.6.4. Trilho de Encosto ... 44 2.6.5. Máquina de Chave ... 45 2.6.6. Trilhos de Ligação ... 46 2.6.7. Calços ... 46 3. ACIDENTES FERROVIÁRIOS ... 48

Classificação das ocorrências ferroviárias ... 49

3.1.1. Classificação quanto à classe ... 49

3.1.2. Classificação quanto à causa ... 51

Acidentes em Aparelhos de Mudança de Via ... 52

4. PRESSUPOSTOS PARA O EMBASAMENTO METODOLÓGICO ... 54

Aderência e atrito ... 54

Critério de Nadal ... 54

Coeficiente de Aderência ... 57

Desgaste dos trilhos ... 58

Desgaste do Trilho de Encosto e Agulha do Aparelho de Mudança de Via – AMV 62 Desgaste dos Rodeiros ... 64

Região da Ponta da Agulha ... 71

5. METODOLOGIA ... 75

Interação Roda-Trilho-Agulha... 76

Simulação dos desgastes ... 79

Tratamento dos dados ... 81

Trilho desgastado, agulhas e rodas novas ... 92

Agulha desgastada, trilhos e rodas novos ... 96

Trilhos e agulhas novos e roda desgastada ... 100

Trilhos, agulhas e rodas desgastados ... 107

Outras considerações sobre os Índices de Nadal obtidos com o desgaste do rodeiro 113 Interação roda-trilho-agulha ao longo do desgaste ... 115

Relação do coeficiente de Nadal e Ângulo de desgaste da roda ... 117

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 125 8. CONCLUSÕES ... 127 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 129 10. ANEXOS ... 136 ANEXO 1 ... 137 ANEXO 2 ... 151

AAR – Associação de Ferrovias Americanas

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas AMV – Aparelho de Mudança de Via

AMV-A – Aparelho de Mudança de Via Padrão AREMA AMV-U – Aparelho de Mudança de Via Padrão UIC ANTT – Agência Nacional de Transporte Terrestre AREA – American Railway Engineering Association

AREMA – American Railway Engineering and Maintenance-of-Way ASTM – American Society for Testing Materials

CABSINAL – Sinal de Cabine de Locomotiva

DNIT – Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte NBR – Normas Técnicas Brasileiras

PAC – Plano de Aceleração do Crescimento TCS – Trilho Curto Soldado

TLS – Trilho Longo Soldado

1. INTRODUÇÃO

Generalidades

As ferrovias brasileiras destinadas ao transporte de cargas são constituídas basicamente por uma via simples, conhecida tecnicamente como “via singela”, com pátios de cruzamento ao longo do percurso. Esta forma de estruturação está presente não apenas nas vias em operação, mas em todos os projetos de expansão e, deste modo, a eficiência operacional das nossas ferrovias é prejudicada drasticamente, além delas serem mais suscetíveis a acidentes, em função dessa estruturação em vias singelas. Com base nessas informações, fica evidente a necessidade de uma reorganização estrutural das ferrovias brasileiras, com o objetivo de melhorar sua operação e diminuir o número de acidentes e o tempo gasto para a sua resolução, incorporando processos de manutenção que, a despeito de poderem diminuir a velocidade das composições num dado local, podem evitar a interrupção do fluxo por grandes intervalos de tempo e, nas nossas ferrovias, nos dois sentidos (CASTELO BRANCO e FERREIRA, 2002).

As ferrovias possuem como principal característica a sua capacidade de transportar grandes volumes com elevada eficiência energética e operacional, além de causar menores impactos ao meio ambiente. Para países com dimensões continentais, como o Brasil, seria o modal de transporte ideal para o escoamento da produção industrial e agrícola. Antes da privatização, até o início dos anos 1990, as condições das ferrovias no Brasil eram péssimas. Após a desestatização a malha ferroviária passou a receber investimentos privados e públicos, também em função do aumento gradativo da produção agrícola, criando a necessidade de melhorar o processo logístico para escoamento dessa produção, qualitativa e quantitativamente, diminuindo um pouco a importância do modal rodoviário nessas operações (ROSA, 2016). O Plano de aceleração de Crescimento – PAC disponibilizou parte de seu orçamento para obras de melhoria e ampliação das ferrovias, porém, investir apenas na ampliação não configura certeza de aumentar a quantidade de mercadorias transportadas.

Todo e qualquer acidente ferroviário indicam prejuízos para a operação e normalmente ocorre em função de falha na manutenção de algum segmento da empresa (STEFFLER, 2013). O crescente investimento neste setor ocorre juntamente com o aumento da

oferta de cursos de formação específica de graduação em tecnologia na área de logística e, recentemente curso de graduação em infraestrutura de transportes, inclusive ferroviários, iniciados a partir de 2010 em São Paulo (KERETCH, 2015).

A malha ferroviária brasileira, grande parte privatizada, opera com baixa produtividade e eficiência, resultado da baixa velocidade decorrente do estado da via permanente. Este fato, somado ao número de acidentes que ocorrem, agravam ainda mais a baixa produtividade e eficiência no transporte de cargas. Os acidentes ferroviários têm diversas origens e as principais causas de descarrilamentos estão ligadas a falhas em equipamentos, más condições da via, excesso no limite de velocidade e operações inseguras nos trens. O descarrilamento pode causar danos na via que vão desde o rompimento da fixação do trilho no dormente, o que pode interromper a via por horas, até a destruição do lastro ferroviário, que pode causar a interrupção do tráfego por semanas. Os prejuízos não são apenas causados na via, mas também nos equipamentos, material rodante, sistemas de sinalização, carga e, em maior gravidade, a vida de pessoas (CASTELO BRANCO e FERREIRA, 2002). O estudo da causa raiz dos acidentes é a maneira principal para a prevenção desses eventos que traz retorno direto para as companhias de transporte ferroviário.

Os três principais tipos de manutenção que são aplicados em sistemas de transporte sobre trilhos são: a) manutenção corretiva; b) manutenção preventiva e c) manutenção preditiva. A manutenção corretiva pode ser considerada o mais primário dos processos, pois não existe uma programação para que ocorra, trata-se da correção de um defeito ou falha ocorrida, entretanto para um sistema de transporte sobre trilhos é muito custoso, devido à necessidade de paralisação da via por algumas horas. O processo de manutenção preventiva é o mais usual e recomendado e, neste caso, o objetivo é substituir os elementos com características de desgaste ou que atingiram a sua vida útil, conforme cálculos anteriores. Esse processo apresenta bons resultados, porém não evita que possíveis elementos apresentem problema, o que obriga a aplicação de manutenção corretiva. Deste modo, o processo de manutenção preditiva pode ser considerado ideal para a manutenção, mas é o mais oneroso pois considera os parâmetros probabilísticos e técnicos para determinar a vida útil dos elementos que, muitas vezes, aparentemente estão em bom estado, mas o processo de manutenção preditiva indica que esses elementos devem ser substituídos.

Esses três processos de manutenção aplicados nas ferrovias são baseados em procedimentos operacionais que foram desenvolvidos pelas empresas responsáveis por sua execução, bem como por órgãos que regulamentam o transporte ferroviário no Brasil. Eles devem ser seguidos pelas equipes de campo, com o objetivo de evitar a fadiga ou o desgaste extremo dos elementos que compõem a via permanente evitando, desta forma, que acidentes venham a ocorrer.

Os procedimentos de manutenção da Via Permanente ferroviária devem passar por todos os elementos da superestrutura ferroviária, que é formada por diversas camadas e, entre elas, estão os trilhos, placas de apoio, aparelhos de mudança de via, talas de junção, lastro, sublastro, plataforma e as fixações, dimensionadas para suportar o tráfego das composições, tendo como função absorver e distribuir os esforços para garantir a geometria da via e a integridade da ferrovia (STEFFLER, 2013).

Os acidentes originados pelo descarrilamento do material rodante, comumente envolvem os elementos da estrada de ferro que formam a superestrutura da via férrea e, desta forma, a análise destes elementos é fundamental para a elucidação do acidente ocorrido. Para a predição de descarrilamentos comumente é utilizado o chamado “critério de Nadal”, que leva em conta as forças que atuam nos trilhos a partir do rodeiro e cujos valores levam também em conta as forças de atrito presentes e o ângulo de contato roda-trilho (BRINA, 1979).

Estudos realizados pela Agência Nacional de Transportes Terrestres – ANTT, no período 2006-2013, revelaram que a via permanente é a maior causadora de acidentes, seguida por interferências de terceiros e material rodante (ANTT, 2014). Ainda segundo o estudo da ANTT a falta de procedimentos de manutenção preventiva e corretiva é o principal motivo das interrupções.

Dentre todos os elementos que compõem a via permanente, merece destaque o Aparelho de Mudança de Via – AMV, que nas ferrovias brasileiras seguem padrões elaborados por dois diferentes órgãos internacionais: Aparelho de Mudança de Via padrão AREMA (AMV-A) produzido de acordo com as normas da American Railway Engineering and

Maintenance-of-Way- AREMA e Aparelho de Mudança de Via padrão UIC - AMV-U

produzido conforme determinam as normas da Union Internationale des Chemins de Fer - UIC, ambas reconhecidas pela Associação de Brasileira de Normas Técnicas – ABNT, que determina

os procedimentos de manutenção através da norma TB 116 (ABNT, 1994), e define “todas as ações necessárias para que cada item seja conservado ou restaurado de modo a poder permanecer de acordo com uma condição especificada”.

O Aparelho de Mudança de Via - AMV tem a função de possibilitar a transposição do material rodante de uma linha para outra, para a utilização das derivações em trechos de linhas singelas. Além disso, também são encontrados em ferrovias com duas ou múltiplas vias, e são utilizados como travessões para transpor as composições de uma via para outra e, desta forma, tornar a operação ferroviária mais ágil e eficiente (PAIVA, 2016).

O desgaste em peças que compõem o Aparelho de Mudança de Via – AMV acontece em função do atrito que ocorre entre os trilhos e agulhas que compõem o equipamento, e com a flange (friso) da roda, que também sofre desgaste e, nesses locais, tem maiores chances de provocar algum acidente, em função de ser este um ponto em que há o desvio de um trajeto retilíneo, com consequente ação de diferentes forças sobre as estruturas da composição do material rodante.

A manutenção e, consequentemente, a segurança operacional dos Aparelho de Mudança de Via - AMV devem ser tratados com procedimentos e normas rígidas, considerando que esses aparelhos são formados por um número grande de peças móveis, o que torna necessário uma grande quantidade de ajustes, e aumenta a possibilidade de ocorrerem falhas de manutenção. Dessa forma, se as equipes de manutenção não estiverem devidamente treinadas e não aplicarem procedimentos ou processos de manutenção adequados, o risco operacional das ferrovias poderá se elevar, promovendo esse local a um maior potencial na ocorrência de acidentes ferroviários.

A despeito dessa importância, não há estudos que analisem, combinadamente, o efeito dos desgastes no AMV e no rodeiro das composições, de modo a melhor predizer se os parâmetros de segurança estabelecidos para o conjunto da ferrovia podem ser aplicados nesses locais, dadas as peculiaridades neles existentes e acima apontadas. Do mesmo modo, só foram encontradas na literatura aplicações do critério de Nadal para vias principais e ramais ferroviários sem, portanto, nenhuma referência à região do AMV com elementos novos ou desgastados.

Pelo exposto, o presente trabalho foi desenvolvido de modo a simular situações de desgaste nos trilhos presentes na entrada dos Aparelhos de Mudança de Via e nos rodeiros das composições, com aplicação do critério de Nadal em todas as análises visando, com isso, contribuir na predição dos parâmetros de segurança nesses locais.

Para o desenvolvimento do estudo realizado, foram inicialmente descritos, no Capítulo 2, os elementos que formam a via permanente em uma ferrovia, dado que a superestrutura férrea é a grande geradora de acidentes, provocando o descarrilamento do material rodante e, a compreensão dessa estrutura é ponto de partida para a elucidação e prevenção dos acidentes que ocorrem nas ferrovias em geral.

Conhecidos os elementos da via férrea e suas especificações, em especial na região do AMV pode-se abordar, no Capítulo 3 deste trabalho, os diferentes tipos de acidentes que ocorrem nas ferrovias. No Brasil, o transporte ferroviário tem um complicador, dado que em sua maior parte, ele é feito a partir do compartilhamento de vias entre os transportes de carga e de passageiros, o que dificulta os processos de manutenção. Além disso, a malha ferroviária é formada por grandes trechos de vias singelas, ou seja, vias que comportam o tráfego nos dois sentidos e, assim, requerem locais duplicados para que haja a passagem da composição em um sentido e à espera da outra, que vem em sentido oposto, com a utilização de Aparelhos de Mudança de Via, que têm sido a causa de grande parte dos acidentes registrados.

Uma vez estabelecidas as características das vias férreas e conhecidas as principais causas de acidentes e processos de manutenção das mesmas, pode-se determinar, no Capítulo 4, a metodologia para análise dos desgastes de trilhos e rodeiros na região de entrada dos Aparelhos de Mudança de Via, região escolhida para a realização do presente estudo. Os desgastes foram simulados com o uso do software AutoCAD®, dada a sua presença e utilização em escolas e empresas, o que também permite a continuidade dos estudos realizados de forma a garantir uma necessária comparabilidade.

Os resultados obtidos formam o Capítulo 5, que também discute as razões de sua obtenção com base na literatura existente e no critério de Nadal, bastante utilizado na predição de descarrilamentos em vias principais e seus ramais, mas sem referencial para aparelhos de mudança de via como utilizado no presente estudo.

Finalmente, são apresentadas no Capítulo 6 as conclusões deste trabalho e sugestões para futuras pesquisas.

Objetivos

• Analisar o contato roda-trilho na região da ponta de agulha do Aparelho de Mudança de Via – AMV em diferentes condições de desgaste, aplicando a equação de Nadal em cada situação simulada, a fim de verificar a segurança do sistema.

• Gerar dados para o aumento das informações a respeito da segurança no transporte ferroviário, visando auxiliar em processos de manutenção preventiva, bem como aprofundar a compreensão e influência do critério de Nadal para a garantia da segurança da via permanente.

Para atingir os objetivos propostos, foram utilizadas diferentes simulações gráficas a partir da esquematização dos rodeiros, da agulha e do trilho de encosto, utilizando as ferramentas do AutoCAD®. Com esses desenhos foram feitas reduções respeitando os padrões de desgaste destes elementos e verificando a folga e o ângulo de ataque da roda no boleto do trilho. Foram também calculados os índices de Nadal para cada redução. Essas simulações foram feitas a partir dos elementos considerados como novos, acompanhando o seu desgaste conforme esperado pelo seu uso, até ultrapassagem dos valores de desgastes admitidos pelas normas nacionais que estabelecem medidas mínimas e máximas aceitáveis para esses elementos.

Finalmente, destaque-se que as simulações realizadas poderão servir como base para que novos estudos sejam realizados em situações reais, seja em pátios de manobra das ferrovias, seja em locais em que há derivação de vias singelas, ou transposição de uma para outra via de rolagem.

2. A VIA PERMANENTE

Os elementos da estrada de ferro que formam a superestrutura da via férrea podem ser os grandes geradores de acidentes, provocando o descarrilamento do material rodante se apresentarem significativa degradação. Desta forma, compreender a estrutura e os princípios de funcionamento destes componentes deveria ser ponto de partida para a elucidação e prevenção dos acidentes que ocorrem nas ferrovias em geral e, em particular, nas brasileiras.

Para Brina (1979), a via permanente, suporte do material rodante, é formada por um grupo de elementos, a saber: a) trilhos, b) dormentes e c) fixações, além do lastro, sublastro e plataforma, que são preparados para receber todos os esforços solicitados quando da passagem do veículo ferroviário.

Steffler (2013) sintetizou o conceito de via permanente como a estrutura de suporte e transmissão de cargas ferroviárias, e a subdividiu em duas partes: infraestrutura e superestrutura.

A infraestrutura ferroviária é composta pelas obras de terraplenagem, obras de arte corrente e especiais, situadas, normalmente, abaixo do greide de terraplenagem e que normalmente não diferem das obras de infraestrutura rodoviária; a superestrutura das vias férreas é constituída pela plataforma ferroviária e pela via permanente, sujeitas à ação de intempéries e das rodas dos veículos (DTT-UFPR, 2012).

No presente estudo, foram considerados apenas os aspectos ligados à superestrutura da via férrea. A NBR 7641 (ABNT,1980) define que a superestrutura de uma via férrea, é a responsável por suportar diretamente os esforços dos veículos e transmiti-los à infraestrutura. Essa estrutura deve suportar o tráfego solicitante de forma segura, minimizando as vibrações e ruídos, garantindo a segurança na operação e trazendo, dentro do possível, conforto para seus usuários.

De acordo com Brina (1979), a grade ferroviária, trilhos e dormentes, apoia-se sobre um conjunto de camadas constituídas por plataforma, sublastro e lastro, conforme pode ser observado na figura 2.1 a seguir.

Figura 2.1. Seção típica da via permanente. Fonte: Watanabe, 2013.

Sublastro

O sublastro tem como finalidade aumentar a capacidade da plataforma ferroviária permitindo, assim, uma menor espessura do lastro, sendo importante para impedir a penetração do lastro na plataforma, auxiliando no processo de drenagem e proporcionando relativa elasticidade à estrutura, fazendo com que a via não se torne rígida, pois é constituído, normalmente, por um material de custo inferior ao do lastro (BRINA, 1979).

Além das funções de resistir e absorver os esforços da via, também funciona como camada de filtro. A maior impermeabilidade do sublastro, em relação ao solo, melhora a drenagem, evitando a erosão e a penetração da água no solo.

O sublastro tem também a função de evitar a contaminação por materiais que venham do lastro em direção oposta. Além disso, desempenha função importante quando as condições de tráfego são muito severas ou quando a altura do lastro supera 40 centímetros já que, por razões econômicas, é mais viável utilizar o sublastro do que estender o lastro (PAIVA 2016).

Paiva (2016) observa que a adição da camada de sublastro proporciona um bom desempenho da via com relação a deformação, bem como a proteção contra o fluxo de material da base em direção ao lastro. Tais materiais, denominados de “finos” podem, não apenas contaminar, mas também modificar a estrutura e as propriedades do lastro.

Tayabji e Thompson (1976) propuseram que a inserção de uma camada de sublastro pode provocar uma diminuição na deflexão do trilho e também na máxima deformação vertical da plataforma. Deste modo pode-se concluir que existe uma relação entre o módulo de elasticidade do material granular do sublastro e os valores de deflexão e deformação da plataforma e do trilho, pois tratam-se de grandezas inversamente proporcionais.

Tratando da composição dos sublastro o Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes define: “Os materiais empregados no sublastro poderão ser obtidos “in natura” (lateritas, cascalhos, solos arenosos, etc.), ou obtidos pela mistura de dois ou mais materiais em usina ou na pista” (DNIT, 2015).

Lastro

O lastro pode ser definido como a camada que recebe os esforços provenientes dos dormentes e trilhos e apoia-se diretamente sobre o sublastro, conforme pode ser observado na figura 2.1.

Oliveros Rives et al. (1977) e o U.S. Army Corps of Engineers (2000) destacam como funções do lastro: 1) estabilizar a via vertical, longitudinal e lateralmente; 2) distribuir a carga das rodas dos veículos com pressão reduzida para as camadas subsequentes; 3) proporcionar uma rodagem suave aos veículos e conforto aos usuários e 4) facilitar a drenagem.

Esveld (2001), descreve que o lastro consiste em uma camada de agregado que, com o atrito interno entre os grãos, tem como resultado a absorção de esforços de compressão com valores consideráveis, porém não tem atuação nos esforços de tração. Os tipos de materiais mais adequados para essa camada, segundo Brina (1983), são o cascalho, a pedra britada e a escória de aciaria, que vem sendo amplamente estudada como um material alternativo, pois

reduz a extração de materiais granulares encontrados na natureza, além de ser um resíduo gerado pela indústria siderúrgica que pode ser reaproveitado na ferrovia (FERNANDES, 2010).

Para Lichtberger (2005), as vias lastreadas têm como vantagens o baixo custo, pouca emissão de ruído, rapidez na construção, necessita de menor intervalo de tempo para reparos no caso de danos, pois trata-se de um sistema conhecido por estar em uso a muitas décadas, além da possibilidade de alterar a superelevação e a geometria, quando necessário.

Os materiais para o lastro possuem algumas características que devem ser obedecidas para que possam ser definidos como adequados essa utilização (BRINA, 1979; STOPATTO, 1987):

 Possuir resistência para suportar os esforços gerados pela carga e produzir o mínimo de desgaste entre as partículas visto que o pó gerado por esse processo pode levar a colmatação do material;

 Ter estabilidade, proporcionado nivelamento da superfície da via considerando que a dimensão do material deve permitir um preenchimento adequado ao redor dos dormentes;

 Permitir uma perfeita condição de drenagem;

 Ser um material com elasticidade limitada para atenuar os choques, e de fácil trabalhabilidade na aplicação;

 Estar disponível no local de utilização visando diminuição do custo.

Com relação às características técnicas do material de lastro, a granulometria recomendada pela norma brasileira EB-655 (ABNT, 1991), é apresentada na tabela 2.1.

Tabela 2.1. Granulometria de lastro-padrão. Peneira (mm) Graduação (% em massa acumulada) A B 76,2 - 0 63,5 0 0 - 10 50,8 0 - 10 - 38 30 - 65 40 - 75 25,4 85 - 100 - 19 - 90 - 100 12 95 - 100 95-100

Fonte: Adaptado de EB-65, 1991.

Segundo a NBR-7914 (ABNT, 1990), a altura do lastro, que é a distância medida a partir da face inferior do dormente até o encontro com o sublastro, deve ser calculada em função da capacidade de suporte da plataforma, da bitola, espaçamento entre os dormentes, e do tipo de trem. As recomendações de altura foram feitas em função da classificação existente nos Estados Unidos para as vias, a partir de sua receita operacional anual, que de certa forma, salientam o movimento de trens pelas mesmas. Assim, é recomendada a altura mínima de 40 cm para as Vias de Classe I (receita operacional anual superior a 346,8 milhões de dólares em carga), de 30 cm para Vias de Classe II (receita anual entre 27,8 milhões e 346,7 milhões de dólares) e altura mínima de 25 cm para Vias de Classe III (receitas anuais inferiores a 27,8 milhões de dólares).

É importante destacar que a pressão exercida no lastro pode ser admitida como uniformemente distribuída na camada subsequente com um ângulo de espraiamento na faixa de 45° a 60° com a horizontal.

Trilhos

Na região mais elevada da via férrea estão os trilhos. Esveld (2001) e Hay (1982), afirmam que o trilho pode ser considerado um dos mais importantes elementos da via férrea, tendo como principal função a acomodação das cargas de roda e sua distribuição sobre os dormentes e lastro, servindo como guia para a roda durante a movimentação, fornecendo uma superfície suave para o rolamento e fazendo a distribuição das forças de aceleração e frenagem.

Oliveros Rives et al (1977) descrevem que a rigidez desse elemento é de extrema importância para segurança da via e que os materiais utilizados em sua produção devem ser capazes de absorver a energia em forma de deformação elástica, evitando rupturas e garantindo uma estrada de ferro de boa qualidade. Dentre muitas utilidades do trilho no sistema ferroviário, merece destaque a sua utilização como elemento condutor para a transmissão de sinais, tanto para os circuitos de via em sistemas sinalizados, quanto para a transmissão de códigos de frequência para sistemas que utilizam sinais de cabine “CABSINAL”.

De acordo com o US Army Corps of Engineers (2000), essa estrutura de rolamento é composta por perfis metálicos, podendo ser encontrada em diferentes dimensões e formas. A escolha do tipo mais adequado é feita após uma análise estrutural do perfil. Os projetistas determinam os critérios estruturais, bem como os custos e a disponibilidade do trilho antes da definição da seção final, isto é, o tipo de trilho a ser utilizado.

O trilho, ao longo dos anos, sofre modificações quanto ao seu formato e peso devido ao tráfego (BRINA, 1979). O perfil do trilho utilizado atualmente foi criado por Vignole, que idealizou um trilho que permite tanto a fixação adequada como resistência aos esforços, ficando denominado como perfil Vignole, composto por três partes apresentadas conforme ilustrado na figura 2.2, a saber:

a) Boleto - a parte do trilho que recebe a carga das rodas e deve ter uma área de contato adequada para reduzir a pressão e permitir o desgaste.

b) Alma - ligação entre o boleto e o patim, é a parte mais estreita e vertical do trilho e sua altura determina a inércia e, consequentemente, grande parte da resistência do perfil à carga máxima por eixo.

c) Patim - é a base do trilho que tem a função de apoio; é a parte mais larga onde normalmente são utilizados os acessórios de fixação ao dormente.

Os trilhos têm dois padrões mundiais sendo um deles determinado pela AREA (American Railway Engineering Association) e, o outro, pela UIC (Union Internationale des

Chemins de Fer).

Figura 2.2. Perfil Vignole – Seção Transversal. Fonte: Paiva (2016).

Em se tratando de manutenção, implantação e inspeção de trilho nas ferrovias brasileiras, Paiva (2016) esclarece que nem todas as normas brasileiras estão adaptadas para os padrões internacionais de inspeção de trilhos. No que se refere à qualidade dos trilhos, a NBR 7590 (ABNT,2012) segue as normas da American Society for Testing Materials – ASTM.

Os trilhos utilizados no Brasil são classificados pelo peso por metro linear e pela seção transversal. Com o padrão americano utiliza-se 5 diferentes tipos de trilho que variam de 37 a 68 Kg/m com perfis de tamanho crescente (de 12 a 19 cm de altura). Também há diferenças nas espessuras no boleto, alma e patim dos diferentes tipos de trilho padronizados. No padrão europeu da UIC predominantemente emprega-se o perfil com cerca 60 kg/m e altura do perfil de 17,2 cm (PAIVA, 2016).

No Brasil as especificações dos elementos das vias ferroviárias são regulamentadas por diversos órgãos, dentre os quais destacamos:

- UIC: Union Internationale des Chemins de Fer;

- ASTM: American Society for Testing and Materials;

- AREA: American Railway Engineering Association;

- ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas.

De acordo com Schramm (1977), a bitola é a distância entre as faces internas dos boletos dos dois trilhos, tomada a linha normal a essas faces medidos entre 12 e 16 mm abaixo da superfície de rolamento do boleto (figura 2.3). Tais bitolas variam conforme o país e, no Brasil, são adotadas as seguintes medidas: 1000 mm; 1435 mm; 1600 mm e bitolas mistas.

Figura 2.3. Representação esquemática da medida de bitola da via férrea, tomada de 12 a 16 mm abaixo da superfície do boleto.

Fonte: Manual Técnico de Via Permanente (VALE, 2009).

O limite de desgaste no uso dos trilhos é algo que preocupa as empresas que administram e exploram o transporte ferroviário, pois não é conhecido qual é o ponto limite de desgaste para utilização desse elemento, sem afetar a segurança da operação, considerando que os custos para substituição são muito elevados (SEMPREBONE, 2005).

No Brasil algumas ferrovias admitem o limite de 12 mm de desgaste vertical do boleto, para vias principais de circulação, e de 15 a 20 mm para as linhas secundárias, pátios de manobras e linhas de manutenção. Quando avaliada a perda de massa do trilho o valor admitido é de até 10% para trilhos até perfil 45 kg/m e de 15 a 20% para trilhos mais pesados. Mas a normatização determinada pela AREMA estabelece valores de até 25% da área transversal do boleto, o que pode levar a combinações diferentes entre os desgastes horizontais e verticais (SEMPREBONE, 2005).

Dormentes

Os dormentes são os elementos da superestrutura ferroviária que têm, como principal característica, proporcionar suporte e fixação aos trilhos. Sua função é receber e transmitir ao lastro os esforços produzidos pelas cargas dos veículos, manter a bitola invariável, bem como a inclinação da via de acordo com o projeto geométrico (ESVELD, 2001).

De acordo com o Glossário de Termos Ferroviários do DNIT (2011), o dormente pode ser uma peça de madeira, concreto, concreto protendido ou aço. Atualmente utiliza-se materiais como plástico reciclável, que tem apresentado resultados bastante satisfatórios (VIDON JR. e RODRIGUES, 2011).

Segundo a NBR-7511 (ABNT, 2013), as dimensões dos dormentes variam conforme a bitola e devem atender o comprimento, altura e largura em função desta. Assim, para a bitola de 1 m, o comprimento dos dormentes deve variar entre 1,9 m e 2 m. Para a bitola de 1,43 m esses valores são de 2,55 a 2,65 m e, para a bitola de 1,6 m os dormentes podem ter entre 2,65 m e 2,8 m de comprimento.

Fixações

As fixações são componentes da estrutura ferroviária que garantem a fixação do trilho ao dormente, assegurando o dimensionamento de projeto da bitola, e podem ser classificados como rígidos ou elásticos (STEFFLER, 2013).

Tayabji e Thompson (1976) observaram que a proposta dos sistemas de fixação é servir de limitador de movimentos verticais, longitudinais, laterais e rotacionais, para os trilhos fixados aos dormentes. Estes movimentos são ocasionados pelas cargas das rodas, transmitidas aos trilhos durante a passagem do trem, e pelo efeito da dilatação dos trilhos, devido a variações de temperatura. Observaram também que as placas de apoio exercem função fundamental na transferência dos esforços de maneira mais adequada para os dormentes de madeira, proporcionando uma pressão de contato admissível na madeira e protegendo-a do desgaste mecânico.

Da mesma forma, Santos (2011) também define que os acessórios de fixação são elementos necessários para manter o trilho na posição determinada pelo projeto do traçado da ferrovia, mantendo a bitola definida no projeto. Resistência aos deslocamentos longitudinal e transversal do trilho são as principais funções que as fixações devem exercer, e desta forma, evitam que ocorra a abertura de bitola, abertura em talas de junção, e evitam que a via flambe em dias de temperaturas elevadas.

Santos (2011), faz observações sobre as cargas horizontais e verticais, esclarecendo que essas cargas não podem prejudicar o sistema de fixação, no momento que transmitem os esforços para os demais elementos, trilhos e dormentes. Os elementos do conjunto de fixação, placas de apoio, “tirefonds” e grampos, devem ainda garantir que quando for necessário substituir os trilhos, eles garantam a integridade dos dormentes, evitando a substituição prematura destes.

Aparelho de Mudança de Via –AMV

Para Santos (2011), o AMV é um dispositivo que permite o trem transpor de uma via à outra. É composto por duas lâminas móveis e agulhas ou chaves, as quais podem se deslocar entre os dois trilhos da via. Quando as rodas da composição ferroviária entram no aparelho de mudança de via, elas são orientadas a seguir no sentido definido pela posição das lâminas. Como as agulhas do AMV são as únicas peças móveis da linha ferroviária, sofrem grandes esforços e, por isso, são construídas com aço resistente (figura 2.4).

Figura 2.4. A - Aparelho de mudança de via. B - Corte transversal na região da agulha. Fonte: (A) Hevitt Equipamentos, 2017. (B) Adaptado de Steffler, 2013.

Os aparelhos de mudança de via representam uma área crítica e mais frágil que o restante da via e, consequentemente, serão necessárias intervenções constantes para a sua manutenção e lubrificação.

Steffler (2013) cita que os aparelhos de mudança de via são um universo dentro dos estudos das ferrovias, pois a grande quantidade de componentes que o formam ocasiona elevada demanda de manutenção e de pessoal qualificado para a execução desses procedimentos.

A função principal do aparelho de mudança de via é executar a retirada de uma composição ferroviária de uma via e encaminhar para outra, tornando a operação ferroviária eficiente. Na figura 2.5, são apresentados os diversos elementos que o constituem, motivo pelo qual é um aparelho que exigem uma atenção maior das equipes de manutenção.

Figura 2.5. Componentes de um Aparelho de Mudança de Via - AMV. Fonte: Paiva (2016).

Segundo Steffler (2013), os Aparelhos de Mudança de Via que mais apresentam indicativos de acidentes dentro das ferrovias são os que compõem as estradas de ferro com bitola mista, (aquelas que possuem duas bitolas em uma única via), nesse tipo de AMV não se trabalha apenas com duas agulhas e sim com três, e os ajustes feitos pelas equipes de manutenção são mais complexos e exigem atenção constante, considerando que nessas ferrovias a indicação de chave boa para circulação é quando a sinalização indica falha com uma abertura de 2 mm.

Os Aparelhos de Mudança de Via são classificados em AMV-A produzido de acordo com as normas da American Railway Engineering and Maintenance-of-Way - AREMA e AMV-U produzido conforme determinam as normas da Union Internationale des Chemins de

Fer - UIC, ambas reconhecidas pela Associação de Brasileira de Normas Técnicas - ABNT

(NBR-5558 - 1992).

A principal diferença entre o AMV-A e o AMV-U encontra-se no projeto geométrico de transição das linhas. No aparelho de mudança de via projetado pela AREMA, o

material rodante sofre mudança na direção em dois locais que sempre estão secantes à direção inicial, ou seja, na agulha da chave e na curva de ligação da região intermediária. No projeto da UIC a direção sofre uma única mudança, e esta é tangente à direção do início, e mantêm o mesmo raio do começo da inscrição da ponta de agulha até o final do Aparelho de Mudança de Via - AMV (CASTELLO BRANCO, 2002).

O AMV-A é um elemento que pode ter a sua produção em série, pois os seus grupos de subsistemas são predefinidos, como agulhas, jacarés, contratrilhos etc., e que podem ser utilizados independente da bitola da via permanente, e ser alocados nas mais diversas combinações. Outra característica do AMV-A é a possibilidade de utilizar contratrilhos e agulhas de qualquer comprimento, sem oferecer riscos à segurança durante circulação.

O AMV-U tem uma configuração diferente com relação a inscrição de sua trajetória e seu projeto objetiva suavizar ao máximo a interferência da inscrição na composição ao longo do aparelho. Por esse motivo, esse tipo de AMV mantém o mesmo raio de início ao final e, desta forma, é possível transpassar o AMV em velocidades mais altas, com maior conforto, menores solicitações da via e do material rodante. Outra vantagem do AMV-U está na possibilidade de instalação ser executada em condições adversas da via, como curvas, em pontos com maior superelevação e em curvas de transição (CASTELLO BRANCO, 2002).

Os Aparelho de Mudança de Via AREMA e UIC, são divididos em três regiões básicas:

a) Chave, onde estão localizados os trilhos que fazem a transição das rodas da via principal para a via secundária ou vice-versa. São constituídos de vários componentes que são os primeiros a efetuar a mudança de trajetória das rodas do trilho principal;

b) Região intermediária, a mais simples do conjunto é composta apenas por trilhos e fixações;

c) Região do cruzamento, onde está localizado o elemento responsável pela finalização da transposição do material rodante (jacaré), o qual garante que a composição foi efetivamente enviada para a linha de destino.

Destaque-se que o fato de que a região intermediária embora ser a mais simples, não significa que não necessite de atenção constante, dado que essa é a parte do AMV que irá garantir que a transposição do material rodante seja feita com precisão e segurança.

Segundo Maltez (2002), “No Brasil, a concepção AREMA é usada predominantemente em transporte de cargas e passageiros (subúrbios) e a concepção UIC empregada com sucesso no transporte metropolitano (Metrôs) ”.

De acordo com Santos (2011), os Aparelhos de Mudança de Via podem ser caracterizados quanto à geometria, em função de suas derivações que podem ser:

a) lateral - onde apenas uma via é desviada e a outra continua o seu trajeto inicial. Essa é a geometria mais usada pela facilidade de implantação;

b) simétrica - onde as duas vias são desviadas com o mesmo ângulo, vantajosos em casos onde não há uma ascendência marcante de uma via sobre a outra e nem uma equivalência entre ambas, podendo ser côncava ou convexa. Esse traçado deve ser almejado, pois proporciona um menor desgaste aos elementos no Aparelho de Mudança de Via;

c) assimétrica - onde as duas vias são desviadas com ângulos diferentes, situação usada em casos onde há limitação de espaço ou imposição do traçado.

Conforme for a derivação, a via permanente pode determinar, em função do peso do trem, qual é a velocidade de operação de cada um dos tipos de AMV.

Steffler (2013), descreve de forma detalhada a composição de um Aparelho de Mudança de Via:

a) Chave ou Agulhas: composta por agulha, trilho de encosto de agulha, escoras laterais, placas de apoio de deslizamento, barra de conjugação, aparelho de manobra/máquina de chave, tirantes de ligação, barras de conjugação, calços e parafusos.

b) Parte intermediária ou de ligação: conjunto formado pelos trilhos intermediários apoiados em placas de apoio, compostas pelos trilhos de ligação entre o final da agulha, o jacaré e os trilhos externos;

c) Cruzamento: constituído pelo jacaré, contratrilhos, seus respectivos trilhos de encosto e placas de apoio, especiais para cruzamento.

Essencialmente, a passagem de veículo pela região do desvio do Aparelho de Mudança de Via impõe uma mudança súbita de trajetória, a qual produz esforços de resistência de magnitude considerável. Por isso, este equipamento constitui o trecho mais crítico de uma via permanente, ficando assim, mais propenso a falhas de seus componentes.

Outro fator a ser considerado é a existência dos trilhos móveis (agulhas) e da máquina de chave que aciona a movimentação do AMV, tendo este uma alta taxa de utilização, de acordo com as necessidades operacionais, o que aumenta o desgaste do equipamento e, consequentemente, eleva a necessidade de manutenção.

2.6.1. Agulhas

São dois elementos verticais que se movem de forma paralela e simultaneamente, ligadas por barras de conjugação e que determinam o desvio ou não das composições. São acionadas por máquinas de chave ou aparelho de manobra manual que operam em duas posições, permitindo que a composição siga seu trajeto na via principal, ou direcionando a composição para a entrada ou saída de outra via. As agulhas são produzidas com o mesmo material utilizado nos trilhos, mas por ter sua ponta afilada, recebe um reforço na alma do perfil, justamente para compensar as perfurações para a fixação da barra de ligação.

De acordo com Maltez (2002), “As agulhas, são duas por Aparelho de Mudança de Via em bitola simples, ou três em bitola mista, marcam o início do desvio, e determinam se a composição será ou não redirecionada”.

Para Steffler (2013), as agulhas são as responsáveis por deslocar os eixos da composição e encaminhar o veículo a nova via. As agulhas recebem essa denominação em

função de suas características físicas, pois apresenta uma ponta fina e seu formato vai alargando até chegar ao final da agulha que tem o formato do perfil do trilho.

As agulhas são classificadas de acordo com as suas características físicas, posicionamento, projeto geométrico do AMV, conforme ilustrado na figura 2.6.

Figura 2.6. Detalhes da agulha. Fonte: Adaptado de Steffler (2013).

As agulhas são classificadas em retas e curvas. As retas, apesar de terem o seu comprimento menor, permitem maior velocidade da composição se comparada às agulhas curvas. Atualmente, ferrovias com sistemas que usam tecnologias de ponta, empregam mais agulhas retas, para a circulação de trens com maior velocidade (STEFFLER, 2013).

Comprimento da agulha é a medida entre a ponta da agulha até a extremidade final (couce), que é o ponto onde a agulha é ligada ao trilho intermediário, também conhecido como trilho de ligação, conforme pode ser observado na figura 2.6.

O ponto de interseção nos trilhos, entre o ponto de bitola da agulha e o trilho de encosto da mesma agulha forma um ângulo, denominado, ângulo da agulha, conforme pode ser observado na figura 2.6. Esse ângulo pode ser calculado utilizando a equação 2.1, a seguir.

sen (S)

comprimento da agulha

Atualmente, as agulhas utilizadas nas ferrovias, possuem uma região de proteção conhecida como graduação. Essa região tem a função de não permitir que a banda de rolamento

da roda tenha contato com a agulha na fase de transição do trilho de encosto para a ponta de agulha e, portanto, trata-se basicamente de um rebaixo no trilho de encosto, onde a agulha fica acondicionada de forma não aparente, contrariamente ao modelo antigo, que deixava a ponta da agulha aparente (figura 2.7).

Figura 2.7. Corte transversal mostrando o conjunto trilho-agulha. A – modelo antigo; B – modelo atual.

Fonte: Canadian Pacific Railway (2013).

A despeito dessa proteção do trilho para a agulha, com o uso intensivo da região, ocorre um desgaste das mesmas em relação ao trilho de encosto que pode diminuir a eficiência no fechamento da agulha e, com isso, diminuição da segurança operacional (figura 2.8).

Figura 2.8. Regiões mostrando o trilho de encosto e agulha. A e B – Conjunto em boas condições de uso. C e D – Agulhas desgastadas.

Fonte: Rail Industry Safety and Standards Board, 2015.

2.6.2. Jacaré

É um elemento do Aparelho de Mudança de Via de grande importância na via permanente sendo também conhecido como “coração do desvio”. Tem como principal função receber as rodas que foram redirecionadas pelas agulhas e, desta forma, permitir que a composição possa transpor de uma via principal para o desvio programado, bem como na situação inversa, saindo de uma via secundária em sentido ao da via principal, conforme pode ser observado na figura 2.9.

Segundo Maltez (2002), “Esse elemento, chamado também de coração do desvio, direciona o rodeiro aparado pelo contratrilho, de modo a permitir que a composição cruze o trilho da via principal alcançando o desvio”.

A

B

D

Figura 2.9. Elementos do jacaré reto do tipo AREMA Fonte: Nabais (2014).

2.6.3. Contratrilhos

São elementos fundamentais que têm a função de garantir, de forma confinada, que as rodas da composição não percam a bitola no momento de transição de vias, principalmente quando estiverem passando pelo elemento que forma o jacaré no Aparelho de Mudança de Via. Este, por sua vez, é um pedaço de trilho curvo em suas extremidades colocado paralelamente ao trilho da via, a fim de impedir que a roda descarrile ou, ainda, evitar que o friso da roda se choque com a ponta do jacaré ou da agulha, na região das chaves, conforme figura 2.10 (NABAIS, 2014).

Figura 2.10. Contratrilho Fonte: Adaptado de Paiva (2016).

Os contratrilhos podem ser do tipo fixo ou ajustável:

 Contratrilhos fixos: são produzidos com suas extremidades usinadas de forma a evitar choques frontais, e possuem calços distanciadores do trilho de encosto, onde são fixados para impedir o movimento.

 Contratrilhos ajustáveis: podem ser posicionados com certa elevação em relação ao trilho, aumentando a segurança durante a passagem. Através da utilização de calços reguladores, o que permite o ajuste fino do canal entre o trilho e o contratrilho. Como os contratrilhos não são fixados diretamente no trilho, evita-se a furação do mesmo, o que permite que o perfil especial seja substituído sem que haja a necessidade de movimentação do trilho e das placas de apoio.

2.6.4. Trilho de Encosto

Podem ser produzidos com essa função específica ou serem produzidos a partir da usinagem de trilhos comuns, e desta forma passa a ser adaptado à função de proteção da agulha no AMV.

Na figura 2.11 observa-se o posicionamento dos trilhos de encosto.

Figura 2.11. Representação esquemática de trilho de encosto. Fonte: Adaptado de Paiva (2016)

2.6.5. Máquina de Chave

É o equipamento que permite movimentação das agulhas por acionamento manual, elétrico ou pneumático (figura 2.12 A), que pode ser acionado localmente ou através de comandos enviados pelo centro de controle de operações – CCO possibilitando, dessa forma, a passagem da composição de uma via para outra.

Kayano (2015) salienta que a máquina de chave atua de acordo com o comando recebido, travando mecanicamente as agulhas após posicioná-las. Este travamento permanecerá até que um novo comando seja dado. A movimentação da máquina de chave elétrica, ou pneumática ocorre a partir do sinal enviando do CCO (figura 2.12 B e C). No caso de máquinas de chave manuais, a posição das agulhas é sinalizada por meio de bandeirolas ligadas ao seu mecanismo, e por um sinal existente no posto de movimento do operador, através de um sinal elétrico (figura 2.12 A).

Figura 2.12 Máquinas de Chave. A) Manual, B) Elétrica; C) de Mola e D) Pneumática. Fonte: A e B) Wikipédia, 2017; C) Wu, 2017; D) Maruca Com.Serv.Ltda., 2017.

A

B

2.6.6. Trilhos de Ligação

A parte intermediária ou de ligação, em um Aparelho de Mudança de Via, é formada pelo conjunto de trilhos intermediários, posicionados sobre as placas de apoio, sendo algumas delas especiais (chamadas placas gêmeas por atuarem em dupla e de maneira conjugada). São os trilhos que conduzem as rodas do final da agulha até o jacaré, e têm por função fazer a ligação entre a chave e o cruzamento, conforme pode ser observado na figura 2.13 (PAIVA, 2016).

Figura 2.13. Trilho de ligação. Fonte: Adaptado de Paiva (2016).

2.6.7. Calços

São peças de ferro fundido, fixadas entre os trilhos e os contratrilhos, e têm como finalidade manter constante a distância entre eles, permitindo a passagem do friso da roda. Por ser uma região que recebe grande esforço solicitante, o conjunto formado por contratrilho, trilho e calços, devem suportar esta condição o que irá garantir a segurança nessa região. Sendo assim, os calços mantêm a distância necessária entre o trilho e o contratrilho para a passagem do friso da roda de maneira confinada e segura, conforme figura 2.14, durante a passagem da composição pelo Aparelho de Mudança de Via – AMV.

Figura 2.14. AMV com destaque para o Calço. Fonte: adaptado de Military Library, 2017.