MON003.pdf

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CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM TRANSPORTE FERROVIÁRIO DE CARGAS

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA ACADEMIA MRS

ARMANDO SISDELLI

ESTUDO DE DESGASTES DE RODAS E SUAS CONSEQUÊNCIAS NO MATERIAL RODANTE E NA VIA PERMANENTE

Rio de Janeiro Outubro de 2006

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Monografia apresentada ao Curso de Especialização em Transporte Ferroviário de Carga, como requisito parcial para obtenção de certificado de conclusão de curso.

Autor: Armando Sisdelli

Orientador: Hostilio Xavier Ratton Neto Tutor: Walter Vidon Jr.

Rio de Janeiro 2006

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AGRADECIMENTOS

À MRS e ao IME, que fizeram todo o esforço para que este curso fosse possível. Aos professores, coordenadores, orientadores e tutores, pela paciência e ensinamentos. Aos colegas, por todas estas semanas que passamos juntos.

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 18 1.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS ... 18 1.2 JUSTIFICATIVA ... 20 1.3 OBJETIVO ... ... 21 1.4 ORGANIZAÇÃO ... 21

2 RODA FERROVIÁRIA, APLICAÇÃO E MECANISMOS DE DESGASTE ... 22

2.1 APLICAÇÃO DAS RODAS FERROVIÁRIAS ... 22

2.2 MECANISMOS DE DESGASTE DAS RODAS FERROVIÁRIAS ... 26

3 PERFIS MODIFICADOS DE RODAS ... 29

3.1 CONTATO RODA-TRILHO ... 29

3.2 OS PERFIS NAS FERROVIAS CANADENSES ... 30

3.3 OS PERFIS NAS FERROVIAS DOS ESTADOS UNIDOS ... 34

3.4 OS PERFIS NA MRS ... 37

3.4.1 ESTUDO DA INTERFACE RODA-TRILHO ... 39

3.4.2 NOVO PERFIL DE RODA PARA A MRS ... 41

4 PROCESSOS DE MANUTENÇÃO DE RODAS E TRILHOS NA MRS ... 45

4.1 MANUTENÇÃO DE RODAS ... 45

4.2 MANUTENÇÃO DE TRILHOS ... 49

5 ENSAIOS DE CAMPO ... 51

5.1 PROCEDIMENTO ... 51

5.1.1 DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DA AMOSTRA ... 52

5.1.2 PREPARAÇÃO DAS RODAS ... 54

5.1.3 MONTAGEM DOS RODEIROS E MEDIÇÃO INICIAL ... 55

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5.1.5 ACOMPANHAMENTO DOS TESTES ... 59

5.2 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 60

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 67

6.1 CONCLUSÕES ... 67

6.2 RECOMENDAÇÕES ... 68

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 70

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Truque ferroviário para vagões ... 22

Figura 2 - Rodeiro Ferroviário ... 23

Figura 3 - Seção transversal da roda ferroviária ... 24

Figura 4 - Limites da bitola de eixamento para vagões da MRS ... 25

Figura 5 - Limites de condenação do friso e do aro da roda ... 25

Figura 6 - Comparação entre os perfis QCM-Heumann e AAR1B-NF ... 32

Figura 7 - Comparação entre os perfis NRC-ASW e AAR1B-WF ... 33

Figura 8 - Comparação entre os perfis QCM-Heumann e NRC-ASW ... 33

Figura 9 - Perfil AAR 1:20 Friso Estreito ... 33

Figura 10 - Perfil AAR 1:20 Friso Largo ... 34

Figura 11 - Perfil AAR-1B Friso Estreito ... 36

Figura 12 - Perfil AAR-1B Friso Largo ... 36

Figura 13 - Perfil ISS Friso Estreito ... 38

Figura 14 - Perfil ISS Friso Estreito ... 38

Figura 15 - Gabarito utilizado para o reperfilamento de roda ... 47

Figura 16 - Perfis AAR 1:20, AAR-1B e ISS superpostos – vista geral ... 51

Figura 17 - Perfis AAR 1:20, AAR-1B e ISS superpostos – detalhe da raiz do friso ... 52

Figura 18 - Tela de plotagem do MiniProf ... 55

Figura 19 - Configuração dos vagões em teste ... 58

Figura A.01 - Taxa de desgaste da bandagem Comparação entre os perfis AAR 1:20 e AAR 1B ... 76

Figura A.02 - Taxa de desgaste do friso Comparação entre os perfis AAR 1:20 e AAR 1B ... 76

Figura A.03 - Taxa de desgaste da bandagem Comparação entre os perfis ISS e AAR 1B ... 78

Figura A.04 - Taxa de desgaste do friso Comparação entre os perfis ISS e AAR 1B ... 78

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Figura A.05 - Taxa de desgaste da bandagem

Comparação entre os perfis ISS e AAR 1:20 ... 80 Figura A.06 - Taxa de desgaste do friso

Comparação entre os perfis ISS e AAR 1:20 ... 80 Figura A.07 - Taxa de desgaste da bandagem – Perfil AAR 1:20

Resultados agrupados por posição de cada vagão ... 82 Figura A.08 - Taxa de desgaste da bandagem – Perfil AAR 1B

Resultados agrupados por posição de cada vagão ... 82 Figura A.09 - Taxa de desgaste da bandagem – Perfil ISS

Resultados agrupados por posição de cada vagão ... 82 Figura A.10 - Taxa de desgaste do friso – Perfil AAR 1:20

Resultados agrupados por posição de cada vagão ... 83 Figura A.11 - Taxa de desgaste do friso – Perfil AAR 1B

Resultados agrupados por posição de cada vagão ... 83 Figura A.12 - Taxa de desgaste do friso – Perfil ISS

Resultados agrupados por posição de cada vagão ... 83 Figura A.13 - Taxa de desgaste da bandagem - Comparação entre os

três perfis - Média por posição de todos os vagões ... 84 Figura A.14 - Taxa de desgaste do friso - Comparação entre os

três perfis - Média por posição de todos os vagões ... 84 Figura A.15 - Taxa de desgaste da bandagem – Perfil AAR 1:20

Média por rodeiro de cada vagão ... 84 Figura A.16 - Taxa de desgaste da bandagem – Perfil AAR 1B

Média por rodeiro de cada vagão ... 85 Figura A.17 - Taxa de desgaste da bandagem – Perfil ISS

Média por rodeiro de cada vagão ... 85 Figura A.18 - Taxa de desgaste da bandagem – Perfil AAR 1:20

Média por lado de cada vagão ... 86 Figura A.19 - Taxa de desgaste da bandagem – Perfil AAR 1B

Média por lado de cada vagão ... 86 Figura A.20 - Taxa de desgaste da bandagem – Perfil ISS

Média por lado de cada vagão ... 86 Figura A.21 - Taxa de desgaste da bandagem - Comparação entre

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Figura A.22 - Taxa de desgaste da bandagem - Comparação entre

os três perfis - Média por lado de todos os vagões ... 87 Figura A.23 - Taxa de desgaste do friso – Perfil AAR 1:20

Média por rodeiro de cada vagão ... 88 Figura A.24 - Taxa de desgaste do friso – Perfil AAR 1B

Média por rodeiro de cada vagão ... 88 Figura A.25 - Taxa de desgaste do friso – Perfil ISS

Média por rodeiro de cada vagão ... 88 Figura A.26 - Taxa de desgaste do friso – Perfil AAR 1:20

Média por lado de cada vagão ... 89 Figura A.27 - Taxa de desgaste do friso – Perfil AAR 1B

Média por lado de cada vagão ... 89 Figura A.28 - Taxa de desgaste do friso – Perfil AAR ISS

Média por lado de cada vagão ... 89 Figura A.29 - Taxa de desgaste do friso - Comparação entre

os três perfis - Média por rodeiro de todos os vagões ... 90 Figura A.30 - Taxa de desgaste do friso - Comparação entre

os três perfis - Média por lado de todos os vagões ... 90 Figura A.31 - Taxa de desgaste da bandagem de todas as rodas ... 92 Figura A.32 - Taxa de desgaste da bandagem

Todas as rodas agrupadas por perfil ... 92 Figura A.33 - Taxa de desgaste do friso de todas as rodas ... 93 Figura A.34 - Taxa de desgaste do friso

Todas as rodas agrupadas por perfil ... 93 Figura A.35 - Perfil AAR 1:20 – Comparação entre a referência

(CAD) / medido com perfilômetro ... 104 Figura A.36 - Perfil AAR 1B – Comparação entre a referência

(CAD) / medido com perfilômetro ... 104 Figura A.37 - Perfil ISS – Comparação entre a referência

(CAD) / medido com perfilômetro ... 104 Figura A.38 - Perfis AAR 1:20, AAR 1B e ISS sobrepostos

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Figura A.39 - Medições dos perfis AAR 1:20 e AAR 1B –

Vagões 728975-8 e 728976-6 – Unid. 1 ... 105 Figura A.40 - Medições dos perfis AAR 1:20 e AAR 1B –

Vagões 728983-9 e 728984-7 – Unid. 2 ... 106 Figura A.41 - Medições dos perfis ISS e AAR 1B –

Vagões 729135-3 e 729136-1 – Unidade 3 ... 107 Figura A.42 - Medições dos perfis ISS e AAR 1:20 –

Vagões 728643-1 e 728644-9 – Unidade 4 ... 108 Figura A.43 - Medições dos perfis ISS e AAR 1:20 –

Vagões 611751-1 e 612227-2 – Unidade 5 ... 109 Figura A.44 - Medições dos perfis ISS e AAR 1B –

Vagões 612813-1 e 613356-8 – Unidade 6 ... 110 Figura A.45 - Medições dos perfis ISS e AAR 1B –

Vagões 729033-1 e 729034-9 – Unidade 7 ... 111 Figura A.46 - Medições dos perfis AAR 1B e AAR 1:20 –

Vagões 027083-1 e 027084-9 – Unid. 8 ... 112 Figura A.47 - Medições dos perfis AAR 1:20 e ISS –

Vagões 728755-1 e 728756-9 – Unidade 9 ... 113

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Tipos de rodas padrão AAR ... 23

Tabela 2 - Referência das combinações ... 41

Tabela 3 - Ranqueamento dos casos de combinação entre perfis de roda e de trilho em curva ... 42

Tabela 4 - Ranqueamento dos casos de combinação entre perfis de roda e de trilho em tangente ... 43

Tabela 5 - Tipos de rodas utilizadas na MRS ... 45

Tabela 6 - Produção de rodeiros para vagões no Horto Florestal em 2005 ... 48

Tabela 7 - Determinação do tamanho da amostra ... 53

Tabela 8 - Média e variação dos valores de tape, espessura de friso e dureza das rodas em teste ... 55

Tabela 9 - Disposição de montagem dos vagões em teste ... 58

Tabela 10 - Resumo das taxas de desgaste das rodas ... 63

Tabela A.01 - Cálculo do intervalo de confiança para as médias das taxas de desgaste ... 74

Tabela A.02 - Teste de hipótese entre os perfis AAR 1:20 e AAR 1B ... 75

Tabela A.03 - Teste de hipótese entre os perfis ISS e AAR 1B ... 76

Tabela A.04 - Teste de hipótese entre os perfis ISS e AAR 1:20 ... 77

Tabela A.05 - Taxas de desgaste da bandagem agrupadas por posição de cada vagão ... 81

Tabela A.06 - Taxas de desgaste do friso agrupadas por posição de cada vagão ... 81

Tabela A.07 - Taxas de desgaste agrupadas por perfil Todos os vagões ... 91

Tabela A.08 - Previsão de quilometragem: vagões 728975-8, 728976-6, 728983-9 e 728984-7 ... 94

Tabela A.09 - Previsão de quilometragem: vagões 729135-3, 729136-1, 728643-1 e 728644-9 ... 95

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Tabela A.10 - Previsão de quilometragem: vagões 611751-1,

612227-2, 612813-1 e 613356-8 ... 96 Tabela A.11 - Previsão de quilometragem: vagões 729033-1,

729034-9, 027083-1 e 027084-9 ... 97 Tabela A.12 - Previsão de quilometragem: vagões 728755-1 e 728756-9 ... 98 Tabela A.13 - Resultados de desgaste por vagão: 728975-8,

728976-6, 728983-9 e 728984-7 ...99 Tabela A.14 - Resultados de desgaste por vagão: 729135-3,

729136-1, 728643-1 e 728644-9 ... 100 Tabela A.15 - Resultados de desgaste por vagão: 611751-1,

612227-2, 612813-1 e 613356-8 ... 101 Tabela A.16 - Resultados de desgaste por vagão: 729033-1,

729034-9, 027083-1 e 027084-9 ... 102 Tabela A.17 - Resultados de desgaste por vagão: 728755-1 e 728756-9 ... 103 Tabela A.18 - Cálculo de desgaste entre as medições 1 e 2 –

Rodas 1 a 56 ... 114 Tabela A.19 - Cálculo de desgaste entre as medições 1 e 2 –

Rodas 57 a 112 ... 115 Tabela A.20 - Cálculo de desgaste entre as medições 1 e 2 –

Rodas 113 a 144 ... 116 Tabela A.21 - Medição 2 – Primeira medição após início de circulação -

Rodas 1 a 36 ... 117 Tabela A.22 - Medição 2 – Primeira medição após início de circulação -

Rodas 37 a 72 ... 118 Tabela A.23 - Medição 2 – Primeira medição após início de circulação –

Rodas 73 a 108 ... 119 Tabela A.24 - Medição 2 – Primeira medição após início de circulação –

Rodas 109 a 144 ... 120 Tabela A.25 - Medição inicial das rodas e montagem dos rodeiros -

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Tabela A.27 - Medição inicial das rodas e montagem dos rodeiros -

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LISTA DE FOTOGRAFIAS

Foto 1 - Prensa de rodeiros do Horto Florestal ... 46

Foto 2 - Torno de rodas do Horto ... 46

Foto 3 - Rodas do teste com detalhe do tape na roda amarela (241) ... 55

Foto 4 - Vista geral da rodas do teste ... 55

Foto 5 - Medição com MiniProf ... 56

Foto 6 - MiniProf e computador ... 56

Foto 7 - Detalhe do MiniProf ... 56

Foto 8 - Detalhe da tela do MiniProf ... 56

Foto 9 - Medição da roda com gabarito ... 57

Foto 10 - Detalhe do gabarito de roda ... 57

Foto 11 - Unidade dual com rodas do teste ... 59

Foto 12 - Detalhe do hodômetro ... 59

Foto A.01 - Perfil AAR 1:20 – 728975-8 – D1 ... 105

Foto A.03 - Perfil AAR 1B – 728976-6 – D2 ... 105

Foto A.05 - Perfil AAR 1:20 – 728983-9 – E2 ... 106

Foto A.09 - Perfil ISS – 729135-3 – D4 ... 106

Foto A.13 - Perfil ISS – 728643-1 – E1 ... 108

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Foto A.27 - Perfil AAR 1B – 729034-9 – E3 ... 111

Foto A.28 - Perfil AAR 1B – 729034-9 – E4 ... 111

Foto A.29 - Perfil AAR 1:20 – 728755-1 – D1... 113

Foto A.30 - Perfil AAR 1:20 – 728755-1 – D1... 113

Foto A.31 - Perfil ISS – 728756-9 – E4... 113

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LISTA DE SIGLAS

AAR……..Association of American Railroads AMV... Aparelho de Mudança de Via ASW... Anti-Shelling Wheel

BHP...Ferrovia autraliana

CNR... Canadian National Railway

CSTT……Centre for Surface Transportation Technology EUA... Estados Unidos da América

GDT... Vagão gôndola para transporte de minério de ferro ISS………Improved Stability and Steering

L/V... Relação entre as forças lateral e vertical no contato MKBF….. Mean Time Between Failure

MW…….. Multiple Wear

MWL... Fabricante de roda no Brasil

NRCC……National Research Council of Canada QCM... Quebec Cartier Mining

RAC... Rail Association of Canada

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LISTA DE SÍMBOLOS

∆r. ...Diferença entre os raios de rolamento das rodas de um rodeiro λ...Conicidade da pista de rolamento

Mpa....Unidade de tensão, Mega Pascal m...Unidade de comprimento, metro mm...Unidade de comprimento, milímetro km...Unidade comprimento, quilômetro kN... Unidade de força, quilo Newton HB...Unidade de dureza, Brinell t...Unidade de massa, tonelada

mm/1000/km ...Unidade de desgaste, milímetro por mil quilômetros gl ...Grau de liberdade

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RESUMO

A proposição desta monografia consiste na discussão sobre o desgaste da roda e sua conseqüência sobre o material rodante e a via permanente, focada principalmente na interface roda-trilho e no desenvolvimento de perfis de roda.

Foi apresentada uma visão geral sobre a roda ferroviária e os mecanismos de desgaste que a afetam. Na seqüência foram abordados alguns estudos sobre perfis modificados desenvolvidos no Canadá e no EUA, além da proposta elaborada por consultores canadenses de um perfil específico para a MRS (ISS). Os processos de manutenção de rodas e trilhos na MRS em vigência na MRS também foram apresentados.

Testes para avaliação dos perfis na MRS estão sendo executados e os procedimentos foram descritos detalhadamente aqui. Os resultados dos testes até a primeira medição após o início de circulação dos vagões foram apresentados. Análises preliminares indicam o perfil AAR 1B como o melhor para a MRS.

Palavras-chave: desgaste, roda ferroviária, trilho, contato roda-trilho, perfil de rolamento.

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1 INTRODUÇÃO

1.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS

O contato roda-trilho, característica de sistemas ferroviários, vem sofrendo constantes evoluções e aprimoramentos em função das melhores tecnologias dos veículos e da via permanente, das condições operacionais mais exigentes e seguras e da necessidade de redução dos custos de manutenção.

Neste sentido, alguns fatores que devem ser considerados para a obtenção de uma maior eficiência do transporte ferroviário estão diretamente ligados às características do contato roda-trilho: velocidade de operação, carga por eixo, segurança contra o descarrilamento e desgaste.

A velocidade da operação tem correspondência com a estabilidade dinâmica do veículo; a carga por eixo está ligada à área de contato entre roda e trilho; a segurança contra o descarrilamento se relaciona com o ângulo de contato; e o desgaste é normalmente influenciado pelas características metalúrgicas e de dureza dos elementos, pelas cargas térmicas e mecânicas inerentes à operação ferroviária, assim como pelo perfil da roda e do trilho.

Dentre os fatores acima citados, o presente trabalho destacará o desgaste das rodas ferroviárias e suas conseqüências sobre o material rodante e a via permanente da MRS Logística S.A., através da escolha do perfil de roda mais adequado ao perfil de esmerilhamento de trilho adotado atualmente nesta empresa.

O trabalho iniciará com apresentação do problema e a necessidade que as ferrovias têm em procurar resolvê-lo. Em seguida, apresentará os estudos e projetos

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de novos perfis realizados por outras ferrovias no mundo e o perfil proposto para a MRS. Percorrerá a atual situação da MRS quanto aos tipos de rodas e trilhos utilizados, os processos de reperfilamento e esmerilhamento e o consumo destes materiais. Por fim, mostrará o desenvolvimento de ensaios de campo com três tipos de perfis de roda: AAR 1:20, AAR-1B e ISS (sigla para “Improved Stability and Steering”).

O primeiro perfil foi adotado pela AAR (Associação de Ferrovias Americanas) em 1909 (para friso estreito) e 1928 (para friso largo) e permaneceu até o ano de 1990. A MRS continua utilizando até hoje este perfil na compra de rodas novas e na usinagem de rodeiros. O segundo perfil foi desenvolvido e adotado pela AAR como uma evolução do primeiro e é obrigatório na América do Norte desde 1990 (friso largo) e 1991 (friso estreito). O terceiro perfil foi proposto por consultores da CSTT (Centre for Surface Transportation Technology – National Research Council Canada) e é resultado de um estudo que teve como base o perfil de trilho empregado na MRS, originalmente desenvolvido pelos mesmos consultores.

Os testes de campo visam conhecer, num primeiro momento, a taxa de desgaste das rodas comparando os três modelos de perfil. A análise do desempenho ao desgaste, e conseqüentemente da vida útil da roda, mostrará o melhor perfil a ser adotado pela MRS.

Os testes ainda estão em curso e os resultados apresentados mostram uma tendência inicial. Para os perfis de friso largo, as coletas se encerrarão ao final da primeira vida das rodas, ou seja, no instante do primeiro reperfilamento dos rodeiros. Na seqüência serão iniciados os testes de campo com os perfis de friso estreito.

A busca do melhor perfil não se completa com a análise dos resultados de desgaste de rodas. Adicionalmente aos testes de campo, será desenvolvido um estudo comparativo entre os três perfis com a aplicação da técnica de simulação computacional. Para tanto, da mesma forma como nas principais ferrovias e em diversos institutos de pesquisas ferroviárias em todo o mundo, será utilizado o software de análise dinâmica de veículos ferroviários denominado “Vampire”. Com

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este estudo busca-se analisar o comportamento dinâmico dos truques, a estabilidade dos vagões e o impacto sobre o desgaste das rodas e do trilho, comparando os diferentes perfis em alguns trechos das linhas da MRS. Este estudo, entretanto, não será objeto deste trabalho e será apresentado futuramente.

1.2 JUSTIFICATIVA

Atualmente, a frota operacional de material rodante da MRS é composta por 400 locomotivas e 11.500 vagões, totalizando 96.800 rodas em circulação. Dados históricos sobre a manutenção mostram que a vida útil da rodas de 914,4 mm (36”) de diâmetro, a de maior consumo na MRS, é de 719.000 km, ou aproximadamente 5,8 anos. O índice de sucateamento está em torno de 33%, o que significa dizer que a cada três rodeiros enviados para manutenção, um é deseixado e suas duas rodas são substituídas. A MRS vem trabalhando para reduzir este índice para níveis abaixo de 29%.

Os custos de manutenção e de reposição de rodas são extremamente elevados. Em 2006 a MRS está consumindo aproximadamente 1.000 rodas novas todo mês para aplicação em vagões (somadas as rodas de 838,2 mm e 914,4 mm de diâmetro), equivalentes a 12.000 unidades no ano.

Mesmo que não sejam levados em conta os demais custos de manutenção, como os de usinagem das rodas e aqueles relacionados à compra e o esmerilhamento de trilhos, os custos das rodas novas já justificam o presente estudo para redução do desgaste e, conseqüentemente, do consumo deste componente.

Além do fator custo, a utilização do melhor perfil de roda deve, certamente, trazer ganhos adicionais de alta relevância para a fadiga de contato, a estabilidade e a segurança dos veículos, a melhor negociação em curvas e o menor desgaste de trilho, mas que, conforme já comentado anteriormente, não serão tratados neste trabalho.

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1.3 OBJETIVO

Com este estudo procura-se identificar o melhor perfil de roda ferroviária para aplicação na MRS, através da avaliação dos níveis de desgaste dos modelos AAR 1:20, AAR-1B e ISS obtidos em ensaios e levantamentos de campo, mostrando suas conseqüências sobre os desempenhos do material rodante e, futuramente, da via permanente.

1.4 ORGANIZAÇÃO

Esta monografia está organizada em 8 capítulos, sendo:

Primeiro, a introdução com a apresentação do problema; a justificativa e o objetivo do trabalho;

Segundo, a apresentação da roda ferroviária e uma discussão sobre o desgaste das rodas, suas causas e efeitos;

Terceiro, o desenvolvimento de perfis de rodas específicos para cada ferrovia ou associação de ferrovias, incluindo o perfil proposto para a MRS;

Quarto, a situação atual da MRS quanto aos tipos de rodas e trilhos utilizados, os processos de reperfilamento de rodas e esmerilhamento de trilhos e os consumos destes materiais;

Quinto, o desenvolvimento dos ensaios de campo, com apresentação do procedimento utilizado, dos resultados obtidos e da análise dos resultados;

Sexto, considerações finais com as conclusões sobre a interface roda-trilho, o desgaste de rodas e o desenvolvimento de perfis modificados, e as recomendações para seqüência deste trabalho e propostas para o desenvolvimento de novos estudos;

Sétimo, apresentação das referências bibliográficas;

Oitavo, anexação de tabelas, figuras e fotografias com as informações dos ensaios até a segunda medição.

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2 RODA FERROVIÁRIA, APLICAÇÃO E MECANISMOS DE DESGASTE

2.1 APLICAÇÃO DA RODA FERROVIÁRIA

O sistema ferroviário é composto de uma via com trilhos e geometria pré-definida que guia os rodeiros do veículo em movimento ao longo de sua trajetória. Os rodeiros são compostos, geralmente, por rodas cônicas que desenvolvem forças de direcionamento no contato. O sistema de guiagem do veículo produz a propriedade de direcionamento que permite a centralização do rodeiro em retas e a inscrição em curvas [Barbosa, 1999].

Um vagão, em sua estrutura de rodagem, é formado basicamente por uma caixa apoiada sobre dois truques. Cada truque (Figura 1), por sua vez, é formado pelo conjunto da aranha (travessa, laterais e suspensão) e por dois rodeiros. O rodeiro (Figura 2) é o conjunto formado pelo eixo, duas rodas e dois mancais de rolamento, montados rigidamente um ao outro. Os truques são responsáveis pela transferência da carga imposta pelo veículo aos trilhos e, através dos rodeiros, pela movimentação dos vagões ao longo da linha.

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Figura 2 - Rodeiro ferroviário

A roda ferroviária é um componente do rodeiro fabricado em aço fundido ou forjado. As ferrovias de carga no Brasil utilizam os tipos de roda recomendados pela Associação de Ferrovias Americanas (AAR), através das Especificações 107 e M-208, cujos tipos são mostrados na Tabela 1. Esta especificação define 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.

Tabela 1 – Tipos de rodas padrão AAR.

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A Figura 3 mostra uma seção transversal do aro da roda, indicando os principais detalhes e parâmetros que são importantes para os desempenho das rodas em serviço, como friso (a), aro (b), pista de rolamento (c), ponto de bitola, linha de base e linha do diâmetro (linha “tape”). É importante destacar a conicidade da pista através da inclinação 1:20 e do raio de concordância entre friso e pista. O diâmetro da roda é medido na seção da linha tape.

Figura 3 – Seção transversal da roda ferroviária

O tape é um parâmetro muito utilizado no reperfilamento e na montagem das rodas nos rodeiros e destes nos truques e vagões. É na verdade, um indicador do perímetro da roda, onde cada tape representa 3,175 mm (1/8”). As diferenças máximas exigidas nas montagens dos rodeiros são: um tape entre rodas do mesmo rodeiro (procura-se usar rodas de mesmo tape), dois tapes entre rodeiros do mesmo truque, quatro tapes entre rodeiros do vagão e, no caso de unidades duais, (item 5.1.4) oito tapes entre os rodeiros dos dois vagões.

As rodas são montadas sobre pressão no eixo e para os rodeiros utilizados nos vagões da MRS devem ser garantidos os limites da bitola de eixamento conforme indicado na Figura 4. Este é um parâmetro importante para o correto funcionamento do rodeiro em movimento sobre os trilhos, influindo sobre o direcionamento do truque e o desgaste da roda e do trilho.

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Figura 4 – Limites da bitola de eixamento para vagões da MRS

Figura 5 – Limites de condenação do friso e do aro da roda

As rodas são retiradas de serviço e enviadas para manutenção quando as dimensões do friso e do aro atingem os limites de condenação, após aferição com os gabaritos conforme mostrados na Figura 5 acima. O friso fino, abaixo de 20,6 mm, pode provocar quebra do friso e aumenta o risco de descarrilamento em curvas. O friso alto é uma característica do desgaste excessivo na pista de rolamento e

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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, também provoca danos aos AMVs. A altura do aro está relacionada à segurança da roda quanto às solicitações mecânicas e térmicas.

Cabe ressaltar que a roda de vagão é também responsável pela frenagem do trem. A sapata é aplicada diretamente sobre a roda, que trabalha como se fosse um tambor de freio. Em conseqüência deste processo, a roda pode sofrer diversos danos caso ocorram temperaturas elevadas e deslizamentos por travamento da roda sobre o trilho.

Temperaturas elevadas durante a frenagem podem provocar formações de lascas (spalling) na pista e trincas radiais por fadiga térmica no corpo da roda. As lascas prejudicam o direcionamento do rodeiro e degradam a roda e o trilho, diminuindo a vida útil destes componentes (item 2.2). As trincas radiais normalmente provocam deseixamento da roda em serviço, causando descarrilamento.

O travamento das rodas acontece quando a força de retardamento aplicada pela sapata é superior à força de atrito gerada pelo contato roda-trilho. Nesta situação as rodas deslizam sobre o trilho e ocorre a formação de áreas planas e endurecidas na pista de rolamento. Inicialmente, estas áreas planas causam forças de alto impacto sempre que tocam o trilho, provocando danos ao vagão (rodas, rolamentos, estrutura) e à via permanente (lastro, dormentes, fixação e trilhos). Posteriormente, o material endurecido se descola da pista, aumentados os danos ao vagão e à via e reduzindo a vida útil dos seus componentes (item 2.2)

2.2 MECANISMOS DE DESGASTE DAS RODAS FERROVIÁRIAS

Alves e Sinatora [Alves e Sinatora, 2000] publicaram artigo em 2000 sobre mecanismos de desgaste de rodas ferroviárias, do qual foram extraídas as principais passagens descritas nesta seção.

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A interface roda-trilho se constitui num sistema tribológico de grande interesse para a pesquisa, uma vez que apresenta variados mecanismos de desgaste que muitas vezes estão relacionados a importantes transformações metalúrgicas na roda e no trilho resultado de cargas térmicas e mecânicas aplicadas ao sistema e inerentes à operação da ferrovia.

Estes mecanismos podem levar à formação de defeitos na pista de rolamento da roda que serão posteriormente responsáveis pelo seu sucateamento ou retrabalho através do processo de usinagem refazendo seu perfil original (reperfilamento da roda).

As rodas estão sujeitas a dois tipos de desgaste principais: desgaste abrasivo e desgaste por deslizamento, descritos abaixo.

O desgaste abrasivo tem origem em partículas externas ao sistema roda-trilho-sapata, como fragmentos de minério e areia, entre outros, ou em partículas removidas do sistema oriundas de qualquer de seus membros e encruadas devido ao movimento relativo entre elas.

O desgaste por deslizamento ocorre segundo os mecanismos de deformação plástica, fadiga de contato, fadiga termomecânica, oxidação, micro-escorregamento e macro-escorregamento da roda sobre trilho. Estes mecanismos, em conjunto com a abrasão podem levar a roda e o trilho a uma condição de desgaste normal e homogêneo, com redução das dimensões do friso e do aro da roda e do boleto do trilho ou formar defeitos na pista e friso tais como escoamento, escamação (shelling), calos e lascagens (spalling).

O escoamento deve-se às deformações plásticas macroscópicas. Ele pode ser causado por: carregamento, que muitas vezes ultrapassa o limite de escoamento do material; aquecimento oriundo da operação de frenagem; micro-escorregamentos devido aos arrastes em curvas causados por diferença de velocidade tangencial entre as duas rodas do rodeiro ou devido à rigidez do truque.

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A escamação ou shelling é um defeito que ocorre devido à ação combinada de fadiga de contato e cargas térmicas, sendo, portanto, um processo de fadiga termomecânica. Estes esforços combinados nucleiam trincas que se propagam e levam ao destacamento de material ao longo de toda a pista de rolamento da roda.

A lascagem ou spalling e calos, devem-se aos macro-escorregamentos que ocorrem devido ao travamento da roda durante a frenagem, conforme citado no item anterior.

Os desgastes naturais ou os defeitos citados aqui podem ser minimizados com o gerenciamento da interface roda-trilho, e o desenvolvimento de perfis modificados de rodas e de trilhos, apresentados a seguir, é importante tópico para atingir este objetivo.

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3 PERFIS MODIFICADOS DE RODAS

3.1 CONTATO RODA-TRILHO

Desde o início do século passado, o estudo do contato roda-trilho vem crescendo de importância à medida que a ferrovia busca sempre aumentar a eficiência do transporte de carga e de passageiros. Isto se torna muito claro com os diversos desenvolvimentos que têm levado ao constante aumento da carga por eixo (aumento da capacidade de transporte) e a velocidades de tráfego cada vez mais elevadas (redução do tempo de viagem).

Segundo Barbosa [Barbosa, 1999], estes dois fatores possuem aspectos negativos. O aumento da velocidade induz oscilações laterais instáveis ao veículo e o aumento de carga agrava os danos provocados pelas solicitações de contato entre a roda e o trilho. Portanto, qualquer desenvolvimento que leve ao aumento da velocidade ou da carga deve levar em conta a manutenção das propriedades de conforto e segurança e a redução dos custos de manutenção e do consumo de combustível.

Neste sentido, alguns aspectos relacionados ao desempenho de rodas e trilhos estão sendo abordados pelas ferrovias atualmente, criando novas tecnologias e alterando práticas de manutenção para aumentar a eficiência operacional. Alguns destes aspectos mais importantes são citados abaixo:

Novos materiais para rodas e trilhos;

Truques de inscrição radial e com baixa resistência rotacional; Lubrificação das laterais dos trilhos em curvas;

Esmerilhamento de trilhos; Perfis modificados de rodas.

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A despeito de todos os aspectos serem de grande importância para o estudo do contato roda-trilho, tendo, na maioria das vezes, grande inter-relacionamento, o perfil modificado de rodas ferroviárias será abordado mais detalhadamente neste capítulo. O comportamento das rodas quanto ao perfil não é o mesmo em todas as ferrovias, muitas têm particularidades que exigem o desenvolvimento de um perfil próprio [Minicucci, 2006]. Vários artigos demonstram que estes estudos estão sendo realizados pelas ferrovias de todo o mundo, destacando-se aqui os Estados Unidos [Stone e Leary, 1992; Leary, 1990], Canadá [Caldwell, 2005; Roney e Meyler, 2001], Austrália [Epp et al, 2005; Tew et al, 2001], Reino Unido [Evans e Iwnicki, 2002] e Brasil [Silva et al, 2005; Caldwell e Kalousek, 2002].

Dentre os países citados, serão descritos na seqüência os perfis modificados de rodas desenvolvidos por ferrovias e institutos de pesquisa do Canadá, dos Estados Unidos e do Brasil, sendo neste último apresentado o caso da MRS. Estas escolhas são plenamente justificadas, pois as ferrovias do Canadá e dos EUA são integrantes da AAR e as ferrovias brasileiras de carga aplicam regularmente os padrões e as especificações desta associação americana. Além disso, o programa de esmerilhamento de trilho e a proposta do perfil de roda para a MRS foram desenvolvidos pelos mesmos pesquisadores que participaram dos estudos realizados para as ferrovias canadenses.

3.2 OS PERFIS NAS FERROVIAS CANADENSES

O perfil cônico da roda na forma como existe hoje, foi desenvolvido há quase cem anos. Em 1909, a AAR (Association of American Railroads) implantou seu primeiro perfil com conicidade 1:20 [Car and Locomotive Cyclopedia, 1980]. Desde então vem sofrendo modificações e ajustes para melhor se adequar às condições geométricas e operacionais das ferrovias.

Em 1934, o professor alemão Heumann introduziu seu conceito de “perfil desgastado” na Europa, sugerindo que um perfil que mantém somente um ponto de

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contato com o trilho nas curvas possui melhor desempenho do que os então usuais perfis com contatos em dois pontos [Roney e Mayler, 2001].

Segundo Roney e Mayler [Roney e Mayler, 2001], aproveitando a idéia do Professor Heumann, os engenheiros da ferrovia canadense CNR (Canadian National Railway), desenvolveram o perfil Heumann de friso largo para locomotivas em serviço nas montanhas. Como houve um aumento em dobro na vida da roda com este perfil quando comparada com as rodas cônicas 1:20 convencionais, o “CN Heumann de Friso Largo – Perfil A” foi adotado como padrão por esta ferrovia em 1970.

Nas duas décadas seguintes, a AAR, também utilizando o conceito do perfil desgastado, desenvolveu o perfil AAR-1B, conforme será melhor explicado no item 3.4. A partir deste momento, as ferrovias canadenses adotaram este perfil como padrão.

Segundo Roney e Mayler [Roney e Mayler, 2001], Caldwell [Caldwell, 2005] e Minicucci [Minicucci, 2006], a ferrovia canadense QCM (Quebec Cartier Mining Co. Railway) associou ao perfil AAR-1B uma grande incidência de fadiga de contato que induziam escamações (shelling) no início da vida das rodas. Para eliminar este problema, a QCM contratou um centro de pesquisas em transportes do Canadá, denominado CSTT (Centre for Surface Transportation Technology of Canadá), pertencente a um órgão do governo deste país, denominado NRC (National Research Council of Canada). Deste desenvolvimento surgiu o perfil QCM-Heumann, que foi colocado em teste de campo em 1995, demonstrando uma redução da incidência de escamações em 60%.

Na figura 6 pode ser observado que o perfil QCM-Heumann possui mais metal na raiz do friso, ou seja, na região do raio de concordância entre friso e pista (indicado pela cota 1.35 mm), o que conduz a uma maior diferença entre os raios de rolamento das duas rodas (∆R) para um dado deslocamento lateral do rodeiro. Segundo Caldwell [Caldwell, 2005], isto produz um momento de direcionamento (steering moment) mais intenso sobre o rodeiro líder dos truques. Um momento de

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direcionamento mais intenso pode reduzir o ângulo de ataque no rodeiro líder em curvas de raio médio (mild curves, raio entre 400 e 600 m), o que reduz as forças de arraste (creep forces) agindo sobre a roda e o trilho. Reduzir estas forças de contato é uma forma de reduzir as escamações.

Figura 6 – Comparação entre os perfis QCM-Heumann e AAR1B-NF (Narrow Flange)

[Fonte: Caldwell, 2005].

Como a Figura 6 também indica, o perfil QCM-Heumann possui uma inclinação maior na extremidade da pista próxima à face externa da roda (lado direito da figura, indicado pela cota 1.8 mm). Esta característica atrasa a ocorrência de cavidade (hollowing) na pista e o desenvolvimento de friso falso. Um friso falso pode provocar escamação na pista de rolamento por causa da alta tensão de contato com o trilho interno. O contato com o friso falso também pode reduzir significativamente o ∆R para o rodeiro, resultando em elevada força de arraste agindo sobre as pistas das duas rodas [Caldwell, 2005].

O sucesso deste perfil otimizado na QCM levou a RAC (Railway Association of Canada) em 1996 a estabelecer um projeto que resultou no perfil NRC-ASW (Anti-Shelling Wheel), como uma melhoria do perfil QCM-Heumann original e que depois foi adotado por todas as ferrovias canadenses. Segundo os autores Roney e Meyler [Roney e Mayler, 2001] e Caldwell [Caldwell, 2005], o NRC-ASW é um perfil desgastado projetado para minimizar o arrastamento (creepage) e as tensões de contato que contribuem para a ocorrência de escamações na pista por fadiga de

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contato. Também foi definido pelos mesmos autores como sendo a segunda geração de perfis anti-escamação.

Nas Figuras 7 e 8 pode ser observado o perfil NRC-ASW em comparação com os perfis AAR-1B e QCM-Heumann, respectivamente. Pode-se notar que foi aplicada novamente uma maior quantidade de metal na raiz do friso e uma inclinação maior na extremidade da pista. Para o perfil NRC-ASW, a quantidade de metal na raiz do friso é ainda ligeiramente superior à do perfil QCM-Heumann. Buscou-se com isto, um momento de direcionamento no truque ainda mais forte.

Figura 7 - Comparação entre os perfis NRC-ASW e AAR1B-WF (Wide Flange)

[Fonte: Caldwell, 2005].

Figura 8 - Comparação entre os perfis QCM-Heumann e NRC-ASW [Fonte: Caldwell, 2005].

Uma análise estatística realizada pelas ferrovias canadenses mostrou que a quilometragem média entre falhas (MKBF) das rodas com perfil AAR-1B foi de

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321.400 km (199.700 milhas) quando montadas em truques convencionais e 437.000 km (271.500 milhas) quando montadas em truques flexíveis. A MKBF das rodas com perfil NRC-ASW, quando usadas em ambos os tipos de truques, foi de 519.500 km (322.800 milhas). É um ganho de quase 20% sobre as rodas com perfil AAR-1B montadas em truques flexíveis [Caldwell, 2005}.

3.3 OS PERFIS NAS FERROVIAS DOS ESTADOS UNIDOS

Conforme citado anteriormente, o primeiro perfil cônico adotado pelas ferrovias americanas data de 1909 e era denominado perfil padrão AAR 1:20 de friso estreito (narrow flange). O perfil AAR 1:20 de friso largo (wide flange) foi adotado somente em 1928.

As figuras 9 e 10 mostram, respectivamente, os perfis originais AAR 1:20 de friso estreito e de friso largo [The Car and Locomotive Cyclopedia, 1980].

Figura 9 - Perfil AAR 1:20 Friso Estreito Figura 10 - Perfil AAR 1:20 Friso Largo [Fonte: The Car and Locomotive Cyclopedia, 1984]

Tendo acompanhado de perto o desenvolvimento do perfil Heumann da Canadian National [Roney e Meyler, 2001], em 1984 a AAR decidiu pelo

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desenvolvimento de um perfil “desgastado”, tomando como base o então modelo AAR 1:20, que era o padrão utilizado há seis décadas.

Os pesquisadores da AAR, John Leary e Dan Stone, abordaram este assunto em dois artigos [Stone e Leary, 1992; Leary, 1990], que serão tomados como base para a apresentação do desenvolvimento do novo perfil de roda AAR.

Embora o perfil cônico 1:20 tenha sido um considerável avanço sobre os perfis anteriores, já era reconhecido antes mesmo daquela época como um perfil mau-adaptado ao trilho sobre o qual se apoiava.

Isto era verdade particularmente em curvas, onde o desgaste do friso era agravado, resultando num período de um “amaciamento” (brake-in). Este estágio é caracterizado pelo desgaste acelerado até que a severa condição de contato em dois pontos que existe quando a roda é nova seja substituída, através da perda de metal, por uma condição mais compatível entre a roda e o trilho.

A crescente carga por eixo nas ferrovias americanas tornou esta deficiência do perfil 1:20 mais aparente. Assim, era imperativo que a roda tivesse um perfil que, desde o início, estivesse em melhor harmonia com o trilho.

O período em que a roda e o trilho não estão perfeitamente acomodados, não é caracterizado apenas pelo excessivo desgaste, mas também pelo aumento da resistência ao rolamento. Além disso, um percentual muito grande de descarrilamentos causados pela subida do friso no trilho (flange-climbing) foi, naquela época, atribuído aos veículos equipados com rodas de perfil padrão 1:20.

Assim, como um resultado da necessidade que havia pelo melhoramento do perfil da roda, a AAR procurou o desenvolvimento de uma alternativa entre os seus membros. Como foi reconhecido por Leary [Leary, 1990], em muitos aspectos, o trabalho era similar àqueles executados na Europa, Canadá e Austrália.

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Redução do desgaste da roda e do trilho;

Aumento da segurança contra o descarrilamento em condições operacionais adversas;

Desempenho estável dentro das faixas de velocidade normais; Tensões de contato adequadas.

Duas abordagens foram usadas para construir os perfis candidatos. A primeira era baseada na forma que as rodas tomam quando se desgastam naturalmente em serviço. Assim, uma média foi derivada a partir das medições de centenas de rodas desgastadas. A hipótese básica neste caso considerava que o desgaste que ocorre durante o amaciamento de um perfil novo 1:20 seria fortemente reduzido ou até eliminado.

O segundo método resultou em perfis baseados sobre expansões da forma do trilho que garantia um único ponto de contato. Medidas de trilhos novos e desgastados foram usadas neste caso.

Figura 11 - Perfil AAR-1B Friso Estreito Figura 12 – Perfil AAR-1B Friso Largo [Fonte: Manual of Standards and Recommended Practices - Section G, 1998]

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Depois de vários testes com os perfis candidatos e alguns refinamentos sobre o melhor deles, chegaram ao modelo AAR-1B, que foi finalmente adotado em 1990 para friso largo e em 1991 para friso estreito. As figuras 11 e 12 acima mostram, respectivamente, os perfis AAR-1B de friso estreito e de friso largo.

Depois que 1.040 rodeiros com o perfil AAR-1B foram colocados em serviço em vagões graneleiros e de transporte intermodal, dados preliminares indicaram uma redução de 30% no desgaste de friso.

3.4 OS PERFIS NA MRS

Os primeiros perfis utilizados no Brasil foram exatamente os de padrão AAR 1:20 largo e estreito, ainda em uso nas ferrovias brasileiras.

No caso específico da MRS, há uma combinação entre os perfis AAR-1:20, tanto de friso largo quanto do estreito, e o perfil AAR-1B de friso largo. Rodas novas com perfil AAR-1B de friso largo são compradas para manutenção; rodas novas com perfil AAR 1:20 de friso largo foram montadas em vagões recentemente adquiridos; e todas as rodas usadas são usinadas com o perfil AAR 1:20 de friso estreito. A esta mescla excessiva de perfis novos se somam os perfis desgastados pelo uso, produzindo um grande número de contatos não harmônicos entre roda e trilho e trazendo toda sorte de danos a estes componentes (desgaste excessivo de friso e boleto, fadiga de contato, escamação, corrugação, etc) e instabilidade aos veículos (elevado ângulo de ataque, L/V e hunting em baixas velocidades).

Tendo como base os conceitos de perfil “desgastado” e de que cada ferrovia possui características específicas que determinam sua escolha, a MRS contratou o CSTT canadense para desenvolver o novo perfil de roda MRS. A larga experiência deste instituto no desenvolvimento de perfis modificados e o fato de terem sido parceiros da MRS na definição da estratégia e do programa de esmerilhamento de trilhos justificam a nova parceria.

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O estudo dos consultores canadenses foi finalizado em 2002 e conclui pela aplicação de dois novos perfis de roda na MRS, um para friso largo e outro para friso estreito. Foram chamados de ISS, iniciais de “Improved Stability and Steering”, que em conjunção com os novos perfis de trilho, deverão prover melhor passeio do truque, menor desgaste e menores danos por fadiga de contato. As figuras 13 e 14 mostram os dois perfis sugeridos pelo estudo canadense.

Figura 13 - Perfil ISS Friso Estreito [Fonte: Caldwell e Kalousek, 2002]

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A seguir será apresentado um resumo dos trabalhos desenvolvidos pelos pesquisadores canadenses Caldwell e Kolusek [Caldwell e Kalousek, 2002 e 2001] do CSTT, até que chegassem aos perfis ISS.

3.4.1 ESTUDO DA INTERFACE RODA-TRILHO

Pouco tempo antes do estudo sobre os perfis de roda, o CSTT havia concluído um estudo sobre a interface roda-trilho para a MRS. Este estudo incluiu a geração de uma família de perfis de trilho, que surgiriam pelo esmerilhamento dos trilhos existentes. A distribuição destes perfis por toda a malha da MRS foi descrita no estudo e uma estratégia de esmerilhamento para ser gradualmente aplicada aos trilhos foi apresentada pelo CSTT [Caldwell e Kalousek, 2001].

Para chegar a este resultado, o CSTT fez um levantamento completo das condições da via permanente, principalmente a respeito dos trilhos, e das rodas dos principais vagões da frota da MRS.

a) Quanto às condições dos trilhos, foram observados os seguintes defeitos: Lascagem (spalling) - causado pela formação de martensita durante o

processo de soldagem;

Corrugação - normalmente do tipo relacionado à fadiga de contato;

Marcas no canto de bitola do boleto - devido ao contato não conforme das rodas nos trilhos externos e ao contato da raiz do friso dos rodeiros reboques no trilho interno;

Boleto plano ou de raio longo - que provocam hunting em veículos com rodas com cavidade na pista;

Escoamento - que provocam a perda do perfil, degradando o direcionamento dos truques;

Excessivo desgaste na face de bitola - característica de falta de lubrificação ou de truques com direcionamento deficiente;

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Queima por patinação das locomotivas - que formam martensita e trincas profundas que resultam em quebra do trilho;

Trincas no canto de bitola do trilho interno - causadas pelo contato não conforme em dois pontos nas pistas das rodas;

Brita esbranquiçada - que aparece devido às vibrações provocadas pela corrugação.

Observa-se nos defeitos descritos acima, que há muitas causas ou conseqüências relacionadas aos problemas existentes nas rodas ferroviárias, vários deles referentes à fadiga de contato, ao comportamento dinâmico do truque e ao desgaste do friso.

b) Quanto à analise estatística das medições nas rodas, podem ser destacados: Altura do friso - Friso alto é uma indicação de desgaste da pista de

rolamento, fato que é pouco relevante para os vagões da MRS e neste caso, o empeno do truque (warpage) não é aspecto preocupante;

Cavidade na pista - Insignificante para a frota da MRS, indicando um bom desempenho médio. Entretanto, 10% de rodas foram encontradas com elevada conicidade, que associadas ao trilho com boleto plano, produz hunting em linhas retas;

Ângulo do friso - A maior parte das rodas apresentaram ângulos entre 71° 74°. O ângulo de friso novo é de 75° para o perfil AAR-1B e de 70° para o perfil AAR 1:20 e normalmente aumentam com o uso da roda (frisos verticais são condenados quando se aproximam de 90°);

Tipos de truques – Não foram encontradas diferenças significativas no desgaste das rodas entre os tipos de truque existentes.

Ao final deste estudo, o CSTT propôs a adoção de uma família de cinco perfis de trilho que foram projetados para melhorar o direcionamento dos veículos e reduzir as tensões de contato na interface roda-trilho. Estes perfis, concluem os autores do relatório, quando distribuídos ao longo da malha da MRS, causarão mais pontos de contato que se estenderão sobre uma larga porção da pista de rolamento da roda,

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permitindo um desgaste mais uniforme da pista durante um maior intervalo de tempo. Assim, isto promoverá uma redução da taxa de deterioração do trilho e dos danos devidos à fadiga de contato, estendendo a vida dos trilhos na MRS.

3.4.2 NOVO PERFIL DE RODA PARA A MRS

Concluído o trabalho que gerou os perfis de trilhos, o CSTT deu início ao desenvolvimento dos perfis de rodas.

Foram realizadas simulações computacionais com oito combinações de perfis de roda e de trilho, tanto para situações em curvas como para situações em tangente. Cada caso foi ranqueado de acordo com as tensões de contato e as diferenças de raio de rolamento (∆R) que produziram nas situações em curva e das tensões de contato e da efetiva conicidade nas situações em tangente.

A tabela 2 traz uma referência das combinações, ou seja, qual perfil de roda está em cada perfil de trilho. Os resultados destas combinações podem ser observados nas Tabelas 3 e 4 (ranque mais baixo indica melhor desempenho).

Perfil de Trilho

Perfil de Roda CSTT / MRS RE136 14"

ISS Friso Largo Caso 1 Caso 5

ISS Friso Estreito Caso 2 Caso 6

AAR 1:20 Friso Largo Caso 3 Caso 7

MRS Desgastado Médio Caso 4 Caso 8

Tabela 2 - Referência das combinações [Fonte: Caldwell e Kalousek, 2002]

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COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO EM CURVA Tensão de Contato (MPa)

Diferença do Raio de Rolamento (mm) Caso Trilho Externo Trilho

Interno Ranque ∆R Ranque

1 1583 1608 2 1,74 6 2 1583 1608 2 2,08 5 3 1987 1370 8 1,70 7 4 1882 1231 5 2,54 4 5 1909 1502 6 2,99 3 6 1909 1551 7 3,21 1 7 1292 1292 1 0,79 8 8 1854 1131 4 3,14 2

Tabela 3 - Ranqueamento dos casos de combinação entre perfis de roda e de trilho em curva.

[Fonte: Caldwell e Kalousek, 2002]

A habilidade de um rodeiro para manter-se bem direcionando através de curvas de raio pequeno conflita com a sua necessidade de produzir baixas tensões de contato e de proteger o canto de bitola do trilho. O objetivo dos projetos de perfis modificados é equilibrar este conflito tanto quanto possível, ou seja, um não deve ser atingido em prejuízo do outro.

Como já é de conhecimento de todos, maiores diferenças entre os raios de rolamento das rodas melhoram o direcionamento dos truques e menores tensões de contato reduzem os danos às rodas e aos trilhos.

Como pode ser visto Tabela 3, não há um compromisso direto entre as tensões de contato e as diferenças de raio de rolamento na maioria dos casos analisados. Um bom desempenho em relação à tensão de contato não significa necessariamente o mesmo para o ∆R. Como exemplos de desempenhos bastante distintos, podem ser citados os casos 6 e 7.

Os casos 5, 6 e 8 oferecem um alto valor de ∆R. Entretanto, em cada um dos três casos, o ponto de contato no trilho está muito perto do canto de bitola,

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aumentando o risco de colapso. Os casos 3 e 4 apresentaram os piores resultados conjuntos.

Os casos 1 e 2 oferecem um bom compromisso entre o melhor direcionamento (quando comparados ao caso 7), proteção ao canto de bitola do trilho (quando comparados aos casos 5, 6 e 8) e redução das tensões de contato (quando comparados aos casos 3, 4, 5, 6 e 7).

b) Comparação dos desempenhos em tangentes

A tensão de contato não é um aspecto muito relevante em tangente. O caso 8 tem um nível muito baixo porque a roda tem um raio côncavo no ponto de contato.

COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO EM TANGENTE Tensão de Contato (MPa) _ConicidadeEfetiva Caso

Tangente Ranque λ Ranque

1 1492 7 0,034 3 2 1572 8 0,039 4 3 1370 5 0,050 5 4 1356 4 0,112 7 5 1292 2 0,033 1 6 1435 6 0,033 1 7 1292 2 0,050 5 8 980 1 0,156 8

Tabela 4 - Ranqueamento dos casos de combinação entre perfis de roda e de trilho em tangente.

[Fonte: Caldwell e Kalousek, 2002]

O parâmetro mais importante para o contato roda-trilho em tangente é a efetiva conicidade da pista de rolamento (λ), que tem uma grande influência sobre a estabilidade do rodeiro. Uma pequena conicidade é importante para vagões vazios em altas velocidades e age para que a condição estável seja retomada após a

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passagem em pequenas irregularidades geométricas da via. A efetiva conicidade geralmente cresce com o desgaste da roda. Se ela cresce muito, os vagões vazios tornam-se instáveis em tangente e serão mais sensíveis ao aparecimento de hunting em baixas velocidades.

O perfil ISS possui uma inclinação de 1:30, que produz as menores conicidades efetivas (casos 5, 6, 1 e 2) de todos os casos analisados. Perfis de roda que iniciam com uma baixa conicidade efetiva e têm uma forma que se desgasta mais lentamente, manterão a conicidade em níveis mais baixos do que as outras rodas por um período de tempo mais longo. Esta é a situação dos casos 1, 2 , 5 e 6. Como visto anteriormente, os casos 5 e 6 não são adequados do ponto de vista do desempenho em curva. Isto deixa os casos 1 e 2 como as melhores opções.

Conforme concluíram os autores do relatório [Caldwell e Kalousek, 2002], os perfis ISS de frisos largo e estreito provêem boa capacidade de direcionamento, baixas tensões de contato em trilhos externos e internos, e uma estabilidade em tangente aperfeiçoada.

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4 PROCESSOS DE MANUTENÇÃO DE RODAS E TRILHOS NA MRS

Outra importante etapa diz respeito à análise dos processos atualmente empregados na MRS para a manutenção de rodas e da via permanente, assim como dos registros relativos a alguns de seus indicadores de desempenho, visando a comparação com os resultados dos ensaios de campo.

4.1 MANUTENÇÃO DE RODAS

As rodas utilizadas na frota de vagões e locomotivas da MRS seguem as especificações M-107 e M-108 da AAR. Todos os tipos são de múltipla vida e de classe C. A Tabela 5 mostra os tipos de rodas utilizadas pela MRS.

As rodas de múltipla vida (multiple Wear ou MW) permitem vários reperfilamentos. Na MRS são realizados normalmente dois reperfilamentos, o que garante três vidas às rodas. As rodas de Classe C são adequadas aos serviços de frenagem leve e altas cargas por eixo.

Diâmetro Capacidade _Máxima Faixa de _Dureza (m) (kN) (HB)

Aplicação Quantidade _{de Veículos} 838,2 (36") 162 321 a 363 Vagão 6.000 914,4 (33") 123 321 a 363 Vagão 5.500 1016,0 (40") 162 321 a 363 Locomotiva 400 Tabela 5 – Tipos de rodas utilizadas na MRS

A manutenção é realizada na Casa de Rodas da Oficina do Horto Florestal em Belo Horizonte (MG) para rodeiros de vagões e locomotivas, e na Unidade de

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Fresamento de Santos Dumont (MG), para rodeiros de locomotivas. No Horto Florestal são executados, entre outros, os serviços de montagem de rodas novas em rodeiros para vagões e locomotivas e o reperfilamento de rodas usadas em rodeiros para vagões. Em Santos Dumont são executados os serviços de fresamento de rodas de locomotivas. No Horto Florestal a manutenção é realizada em rodeiros retirados dos veículos, através do rodízio de unidades sobressalentes, chamados internamente de “pulmão”. Já na unidade de Santos Dumont, o reperfilamento se dá com os rodeiros montados sob a locomotiva.

As Fotos 1 e 2 ilustram, respectivamente, os equipamentos da Casa de Rodas do Horto Florestal para montagem de rodas novas (prensa de rodeiros) e para reperfilamento de rodas usadas (torno de rodas).

Foto 1 – Prensa de Rodeiros do Horto Foto 2 – Torno de Rodas do Horto

As rodas quando novas possuem frisos largos de 34,9 mm (1 3/8”) e são reperfiladas com friso estreito, de 29,4 mm (1 5/32“), para limitar a quantidade de metal que é removido do aro no sentido de restaurar o contorno do friso. As rodas são condenadas quando o friso atinge 24 mm (limite econômico) durante a primeira e a segunda vida, e 21 mm (limite de segurança) na última vida.

A figura 15 mostra o gabarito utilizado para definir a quantidade de metal a ser retirado no reperfilamento e os perfis da roda antes (linha cheia) e depois (linha tracejada) do reperfilamento.

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Figura 15 - Gabarito utilizado para o reperfilamento

de roda.

[Fonte: Manual of Standards and

Recommended Practices –

Section G, 1997]

A MRS possui 1.674 km de ferrovias e seu traçado é composto por uma grande extensão em curvas de raio médio ou pequeno. A Linha do Centro, por exemplo, possui 58% da sua extensão formada por curvas de até 300 m de raio e o trecho Saudade-Guaíba apresenta diversas seções com raios de 170 m [Silva et al, 2005]. Isto faz com que as rodas em uso na MRS sejam retiradas de serviço, invariavelmente, por causa de friso fino. Praticamente não são encontradas rodas com friso alto, característica própria do desgaste da pista de rolamento.

Tem sido observado nas medições realizadas na Casa de Roda que os frisos mais finos provocam a retirada de uma quantidade maior de metal na recomposição do perfil, o que parece óbvio, por isso são aplicados os limites econômicos na condenação e o friso estreito nos reperfilamentos. Frisos muito finos podem até eliminar uma das vidas, reduzindo a vida útil total da roda.

Estudos realizados pela empresa Talgo nos Estados Unidos em carros de passageiros [Pascual e Marcos, 2004] e pela BHP Iron Ore na Austrália em vagões de carga [Lynch et al, 2001] mostraram que o reperfilamento mais freqüente reduz

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os efeitos da degradação da roda e aumentam sua vida útil. Estes fatos mostram que o intervalo de reperfilamento e a espessura do friso são importantes casos para análise na MRS, e por isso estão sendo tratados atualmente em outro estudo dentro do processo de gerenciamento da interface roda-trilho.

A Tabela 6 mostra a produção da Casa de Rodas do Horto Florestal, projetando as quantidades de reperfilamentos e de montagens de rodas novas para vagões em 2005.

PRODUÇÃO DE RODEIROS DE VAGÕES EM 2005

Estimativa para o ano de 2005, com base na média de janeiro a junho de 2005

Rodeiro Roda Reperfilamento Montagem Índice de Sucateamento

5 1_/ 2" x 10" 33" 200 300 60% 6" x 11" 33" 3.950 1.440 27% 6 1_/ 2" x 12" 36" 5.440 2.912 35% Total de Rodeiros 9.590 4.652 Total de Rodas 19.180 9.304 33%

Tabela 6 – Produção de rodeiros para vagões no Horto Florestal em 2005

Em 2005 foram necessárias praticamente 9.300 rodas novas para rodeiros de vagões, ou 775 unidades por mês. Em 2006, está prevista a compra de 1.000 rodas por mês, reflexo do aumento de sua frota nos últimos anos.

O índice de sucateamento médio das rodas de vagões em 2005 estava na casa de 33%, ou seja, para cada 100 rodeiros enviados para manutenção no HF, 33 teriam suas rodas deseixadas e sucateadas e 67 seriam reperfilados. A meta a ser buscada pela MRS nos próximos anos é de 29%.

Dentre as ações que estão sendo tomadas para que a MRS possa atingir esta meta, encontra-se o desenvolvimento dos perfis otimizados de rodas e trilhos.

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4.2 MANUTENÇÃO DE TRILHOS

A malha da MRS, como já foi informado, é composta por 1.674 km de ferrovias e suas principais cargas são transportadas através de trens unitários para minério de ferro, bauxita e carvão, ou trens de carga geral para produtos siderúrgicos, grãos, contêineres e cimento, entre outros produtos, interligando os três estados mais importantes do Brasil. A sua produção vem aumentando consideravelmente desde o início de sua operação em 1996, passando de 42 milhões de toneladas úteis naquele ano para 108 milhões de toneladas úteis em 2005 (aumento de 157% em 10 anos) e os planos futuros prevêem atingir 179 milhões em 2009 (mais 66% em de quatro anos, com base em 2005) [Silva et al, 2005].

Tendo em vista este aumento da tonelada útil e, conseqüentemente, da tonelada bruta que circula sobre sua via permanente, além do rápido crescimento do peso por eixo dos vagões, a MRS decidiu investir pesadamente no aumento da capacidade da via (duplicando linhas e aumentando a quantidade e a extensão de pátios), na manutenção (recuperando trechos degradados, estabelecendo intervenções programadas), em novos materiais (trilhos, dormentes, lastro e componentes) e em tecnologia (diagnosticando a via através do veículo de avaliação da via - Track Star, inspeção ultra-sônica em trilhos, esmerilhamento de trilhos e desguarnecedora de lastro).

O mais importante componente dentro da infra-estrutura é o trilho, representando o maior custo de manutenção da via permanente. Visto que não se pode eliminar o desgaste e a fadiga do trilho, diversos desenvolvimentos em métodos e procedimentos para controlar e minimizar suas conseqüências estão sendo realizados.

Em primeiro lugar, destaca-se o programa de esmerilhamento de trilho visando reduzir a incidência de quebra de trilhos, aumentar a sua vida útil e melhorar a eficiência da interação veículo-via. A estratégia e o programa de esmerilhamento foram desenvolvidos numa parceria entre a MRS, o NRC/CSTT (consultoria canadense) e a Loram (fabricante do equipamento). As atividades de

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esmerilhamento tiveram início em 2002 e em 2004 já eram visíveis os progressos relativos ao desempenho do trilho, como a redução das fraturas (376 em 2001 para 196 em 2004) e o aumento da expectativa de vida (750 milhões de toneladas brutas em 2002 para 1.500 milhões em 2005). A economia com a compra de trilhos neste período soma 30.000 t, o equivalente a US$ 25 milhões [Silva et al, 2005].

Em segundo lugar, podem ser ressaltados os estudos realizados pelo NRC/CSTT para o desenvolvimento dos perfis de roda e de trilho, já descritos neste trabalho. A implantação do perfil desgastado na MRS vem contribuir com a melhora da eficiência da interação veículo-via, complementando os estudos abordados pela equipe da via permanente.

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5 ENSAIOS DE CAMPO NA MRS

5.1 PROCEDIMENTO

Para a identificação do melhor perfil de roda para a MRS, uma pesquisa de campo está sendo realizada com as rodas em operação normal no fluxo de minério de ferro exportação. Para efeito de comparação foram escolhidos os perfis AAR 1:20, AAR-1B e ISS. Conforme foi visto anteriormente, o primeiro e o segundo perfis já são utilizados nas rodas da MRS, mas o desempenho de cada um individualmente não é conhecido. O terceiro segundo perfil foi considerado visando a confirmação das melhorias sugeridas pelos consultores canadenses.

As Figuras 16 e 17 mostram os três perfis superpostos. Podem ser observadas as diferenças entre eles na região da raiz do friso e da pista próxima à face externa do aro.

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Figura 17 – Perfis AAR 1:20, AAR-1B e ISS superpostos – detalhe da raiz do friso.

5.1.1 DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DA AMOSTRA

Os vagões de minério da série GDT foram escolhidos para este levantamento devido principalmente a quatro fatores: constituem a maior frota de vagões da MRS (5.200 vagões, quase 50% de toda a frota), são os vagões com a maior taxa de quilometragem (14.400 km em média por mês ou 172.800 km por ano), são os vagões de maior peso por eixo (máximo de 32,5t), e circulam pelos trechos da ferrovia com maior intensidade de curvas (Linha do Centro e trecho Saudade-Guaíba). Em outras palavras, as rodas dos vagões GDT, de diâmetro 914,4 mm (36”), representam o maior custo de manutenção da MRS, conforme foi informado no item 4.1.

A população de rodas instaladas nos vagões GDT é de aproximadamente 41.600 unidades (oito rodas para cada um dos 5.200 vagões). Se fosse considerada a Tabela 7, retirada de Arkin & Colton [Arkin & Colton, 1963], para determinação de tamanhos de amostras com desvio padrão desconhecido, nível de confiança de

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95%, e admitindo uma margem de erro de ±10%, ainda seriam necessárias pelo menos 100 rodas para ensaiar cada perfil.

Amplitude da amostra para níveis de confiança igual a 95% Margens de Erro Amplitude da População ± 1% ± 2% ± 3% ± 4% ± 5% ± 10% 1000 - - - 385 286 91 1500 - - 638 441 316 94 2000 - - 714 476 333 95 2500 - 1250 769 500 345 96 3000 - 1364 811 517 353 97 3500 - 1458 843 530 359 97 4000 - 1538 870 541 364 98 4500 - 1607 891 549 367 98 5000 - 1667 909 556 370 98 6000 - 1765 938 566 375 98 7000 - 1842 949 574 378 99 8000 - 1905 976 580 381 99 9000 - 1957 989 584 383 99 10000 5000 2000 1000 588 383 99 15000 6000 2143 1034 600 390 99 20000 6667 2222 1053 606 392 100 25000 7143 2273 1064 610 394 100 50000 8333 2381 1087 617 397 100 100000 9091 2439 1099 621 398 100 infinito 10000 2500 1111 625 400 100

Tabela 7 - Determinação do tamanho da amostra [Fonte: Arkin & Colton, 1963]

Entretanto, o tamanho da amostra escolhido foi de 48 rodas para cada um dos perfis analisados. A amostragem é pequena em razão da dificuldade em se acompanhar um grande número de rodas com medições regulares e pelo alto custo da operação. Para reduzir as incertezas, as análises estatísticas de desgaste serão feitas através da distribuição t de “Student”, que é a mais adequada para descrever o comportamento das médias de amostras pequenas. Além disso, o teste t é, de longe, o teste mais usado para comparação de médias [Vieira, 1999].

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5.1.2 PREPARAÇÃO DAS RODAS

Foram selecionadas 144 rodas novas, do tipo K36 de friso largo, dentro do lote fabricado pela MWL Brasil e fornecido à MRS entre os meses de fevereiro e março de 2006. As amostras foram posteriormente divididas em três lotes de 48 unidades, de tal forma a estreitar a faixa do tape, a espessura do friso e a dureza entre elas, diminuindo a variabilidade destes três parâmetros. Cada um destes lotes menores foi usinado pela MWL com um dos perfis, conforme os desenhos das Figuras 10, 12 e 14.

Encontram-se em anexo as Tabelas A.1 a A.4, com os dados de tape, espessura de friso e de dureza das rodas em teste, retirados dos relatórios de embarque emitidos pela MWL. A Tabela 8 mostra um resumo destes valores.

Tape Espessura de Friso _(mm) Dureza (HB) Perfil

Média Variação Média Variação Média Variação

AAR 1:20 239 3,3% 33,6 4,5% 338 8,9%

AAR-1B 239 1,7% 35,0 2,9% 337 8,9%

ISS 239 2,5% 34,7 2,9% 340 6,5% Total 239 3,3% 34,4 5,8% 338 8,9% Tabela 8 - Média e variação dos valores de tape, espessura de friso e dureza

das rodas em teste

Para facilitar a identificação das rodas, os lotes foram pintados, seguindo os seguintes critérios de cor e marcação (Fotos 3 e 4):

amarela para o perfil AAR 1:20; vermelha para o perfil AAR-1B; verde para o perfil ISS;

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Foto 3 – Rodas do teste com detalhe do tape Foto 4 – Vista geral das rodas do teste na roda amarela (241)

5.1.3 MONTAGEM DOS RODEIROS E MEDIÇÃO INICIAL

As rodas foram montadas em rodeiros 6.1/2” x 9”, próprios para vagões GDT, e foi observada a condição de mesmo tape para as duas rodas do rodeiro. Os serviços foram realizados na Casa de Rodas do Horto Florestal nos meses de março e abril de 2006. Após o eixamento das rodas, foram realizados os levantamentos dos perfis e as medições de friso.