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A Engenharia Mecânica e os transportes - Mobilidade através de energia elétrica - Comboios elétricos
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
A Engenharia Mecânica e os transportes - Mobilidade
através de energia elétrica
Comboios elétricos
Projeto FEUP 2016/2017 – Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica:
Equipa 1M5_3
Teresa Duarte
Supervisor: Abílio Jesus Monitor: Mariana Silva
Estudantes & Autores:
Daniel O. Santos - [email protected] Miguel Vázquez da Silva - [email protected]
Pedro A. M. Monforte - [email protected] Rafael J. F. de Sousa - [email protected]
Ricardo F. D. Cardoso - [email protected]
A Engenharia Mecânica e os transportes - Mobilidade através de energia elétrica - Comboios elétricos I
Resumo O relatório aqui elaborado pelo grupo 3 da turma 5, no âmbito da unidade curricular
Projeto FEUP, inserida no curso de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica (MIEM),
tem por objetivo mostrar a contribuição da engenharia mecânica no projeto de comboios,
tendo em conta o tema "A Engenharia Mecânica e os transportes - Mobilidade através de
energia elétrica".
Assim sendo, irá ser feita uma extensa análise do comboio, desde da sua origem,
materiais utilizados, vantagens e desvantagens, e dos seus constituintes chegando até a
comentar sobre o futuro deste meio de transporte.
O início deste tipo de transporte remonta ao século XVI. Com o desenvolvimento do
motor a vapor, foi possível iniciar uma expansão dos principais caminhos de ferro, que foram
um componente muito importante durante a Revolução Industrial.
De um modo geral, podemos afirmar que o transporte ferroviário tem vindo a evoluir,
e com isso, o volume de carga transportado tem vindo a aumentar, ano após ano. Portanto,
este meio de transporte continua a ser ideal para o transporte de mercadorias pesadas em
longas distâncias e de passageiros que necessitam de percorrer curtas e longas distâncias,
confortavelmente.
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
A Engenharia Mecânica e os transportes - Mobilidade através de energia elétrica - Comboios elétricos II
Índice
Lista de Figuras .................................................................................................................... III
Lista de Símbolos ................................................................................................................. IV
1. História dos Comboios ...................................................................................................... 1
2. O comboio ........................................................................................................................ 1
2.1. Origem dos comboios ................................................................................................. 1
2.2. Evolução dos comboios .............................................................................................. 2
2.3. Tipos de locomotivas ................................................................................................. 3
2.3.1. Locomotivas a vapor ............................................................................................ 3
2.3.2. Locomotivas a diesel ........................................................................................... 3
2.4. Desvantagens ............................................................................................................. 4
2.5. Vantagens .................................................................................................................. 4
3. Motor elétrico ................................................................................................................... 5
3.1. Funcionamento .......................................................................................................... 5
4. Aerodinâmica nos comboios .............................................................................................. 8
4.1. Resistência dos comboios ........................................................................................... 8
4.2. “Narizes” do Comboio ................................................................................................ 8
4.3. Estabilidade Lateral ................................................................................................... 9
5. Sistema de Travagem...................................................................................................... 10
6. Comboios do futuro ........................................................................................................ 12
7. Conclusões ...................................................................................................................... 13
Referências Bibliográficas ................................................................................................... 14
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A Engenharia Mecânica e os transportes - Mobilidade através de energia elétrica - Comboios elétricos III
Lista de Figuras
Figura 1. Primeira locomotiva a vapor, construída em 1804 1
Figura 2. Esquema de uma locomotiva a vapor 2
Figura 3. Locomotiva a diesel G12 3
Figura 4. Esquema de uma típica locomotiva diesel-elétrica 4
Figura 5. Esquema de um motor elétrico simples 5
Figura 6. Comboio Shinkansen da série E2 e série 200 na estação de Tóquio 9
Figura 7. Travão de disco 10
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Lista de Símbolos
CD - Coeficiente de resistência aerodinâmica
g - Aceleração gravítica
A - Área de Referência (m2)
V - Velocidade (m/s)
r - Coeficiente de rolamento
𝜌 - Densidade do ar (kg/m3)
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1. História dos Comboios
A energia elétrica é uma das maiores inovações tecnológicas produzidas pelo homem,
e sem ela não seria possível presenciar o enorme desenvolvimento em diversas áreas do
conhecimento humano. A eletricidade pode ser gerada de várias formas, mas é sempre
resultado da transformação de outros tipos de energia.
Veículo elétrico é um tipo de veículo que utiliza propulsão através de motores elétricos.
É composto por um sistema primário de energia, constituído por uma ou mais máquinas
elétricas e um sistema de iniciação e controlo de velocidade ou binário.
2. O comboio
2.1. Origem do comboio
O início do transporte ferroviário remonta ao século XVI. Com o desenvolvimento do
motor a vapor, foi possível iniciar uma expansão dos principais caminhos de ferro, que foram
um componente muito importante durante a Revolução Industrial.
Figura 1. Primeira locomotiva a vapor, construída em 1804
A primeira viagem de comboio em Portugal aconteceu cerca de 90 anos depois da
primeira locomotiva a vapor da história (Figura 1), construída em 1804.
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Esta primeira viagem em Portugal acabou por ser um pouco atribulada e
provavelmente não se previa que este novo conceito de viagem perduraria no tempo, ou seja,
previa-se que seria uma apenas mera experiência. No entanto, hoje em dia pode-se refutar
esta ideia, dada a funcionalidade e o sucesso que os comboios de passageiros e de
mercadorias têm no nosso país. [1]
2.2. Evolução do comboio
Um comboio é uma série de carruagens atreladas umas às outras, movidas por
locomotivas ou por uma unidade autoalimentada (automotora). As locomotivas são veículos
ferroviários que fornecem energia necessária para colocar os comboios em movimento e que
não têm capacidade própria de transporte de passageiros.
Figura 2. Esquema de uma locomotiva a vapor
As primeiras locomotivas eram a vapor (Figura 2), usando como combustível lenha e
mais tarde o carvão mineral. Com o final da 2ª Guerra Mundial (1945) surgiram locomotivas
com motor diesel. Estas locomotivas apesar de serem melhores que as de vapor, tinham fraco
poder de tração, e que foram progressivamente substituídas pelo modelo diesel-elétrico. As
locomotivas elétricas foram entrando cada vez mais em circulação, sendo que as diesel foram
abandonadas pouco a pouco, visto que eram bastante dispendiosas. Estas locomotivas são
alimentadas por catenárias (sistema de distribuição e alimentação elétrica aérea) ou por um
terceiro carril como é o caso do metropolitano de Lisboa. Neste sistema a tensão elétrica
injetada nos motores é de milhares de Volts. O comboio foi evoluindo cada vez mais, surgindo
a automotora. Trata-se de uma grande carruagem de passageiros com capacidade de
locomoção própria, a diesel ou a eletricidade.
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2.3. Tipos de locomotivas
Existem vários tipos de locomotivas e estas normalmente encontram-se isoladas do
resto do comboio por diversas razões tais como a maior facilidade de manutenção, o maior
afastamento em relação aos passageiros em casos de perigo, etc.
2.3.1. Locomotivas a vapor
A locomotiva a vapor funciona por meio de um motor a vapor, sendo este composto
por três partes importantes: a caldeira que produz o vapor através da energia que obtém da
queima da lenha e do carvão mineral; a máquina térmica que transforma a energia do vapor
em trabalho mecânico; a carroçaria que transporta a construção. A locomotiva contém ainda
uma carruagem que transporta o combustível e a água necessários para abastecer a
máquina.
2.3.2. Locomotivas a diesel
As locomotivas a diesel, que utilizam motor de combustão interna, diferem entre si na
forma como a energia é transmitida do motor às rodas, existindo locomotivas a diesel-
mecânicas e diesel-elétricas.
As locomotivas diesel-mecânicas (Figura 3) foram as primeiras a surgir, contudo
rapidamente foram substituídas por possuírem um fraco poder de tração, pois apresentavam
problemas no momento da troca na caixa de velocidades, que não suportava o elevado atrito
entre os dentes das engrenagens e se partiam ou desgastavam com extrema facilidade. [2]
Figura 3. Locomotiva a diesel G12
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Nas locomotivas diesel-elétricas (Figura 4) o motor principal a diesel aciona o gerador
elétrico que irá transferir a potência para os motores de tração. Estas locomotivas evitam as
dificuldades que surgem como resultado das limitações do motor térmico, assim como o uso
de um sistema complicado de transferência de potência do motor para rodas. [3]
Figura 4. Esquema de uma típica locomotiva diesel-elétrica
2.4. Desvantagens
➔ Elevados investimentos na construção e manutenção das linhas férreas.
➔ As vias férreas têm de ser instaladas totalmente, não podendo ser construídas por
etapas.
➔ São necessários largos investimentos em material circulante e de tração, instalações
fixas, terminais e equipamentos de carga e de descarga.
➔ Fraca flexibilidade limitações da rede e itinerários fixos, implicando o transbordo de
passageiros e mercadorias.
2.5. Vantagens
➔ Grande capacidade de transporte.
➔ Elevada segurança.
➔ Velocidade operacional elevada.
➔ Custo operacional baixo.
➔ Descongestionamento das estradas.
➔ Transporte ecológico. [4]
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3. Motor elétrico
Hoje em dia, os motores elétricos têm um papel extremamente importante no
progresso da humanidade. Devido à extrema versatilidade que possuem, há um grande
aproveitamento deste recurso na área dos comboios, visto que a utilização de motores
elétricos acarreta inúmeras vantagens, como por exemplo: o preço ser reduzido face à
utilização de um outro tipo de motor (a diesel); maior capacidade de aceleração e travagem,
o que o torna ideal para o transporte de passageiros em grandes zonas populacionais, e, por
último, a sua utilização em comboios de alta velocidade, visto que não há necessidade de
transportar a energia que é requerida para a viagem, pois esta é transferida para as
locomotivas através de cabos elétricos (a energia provém de centrais elétricas).
Atualmente, o motor elétrico é um dos meios mais eficientes usados na transformação
de energia elétrica em mecânica. Para que estes possam ser ‘catalogados’ corretamente, é
necessário saber alguns dados acerca dos tipos de motores existentes, princípios de
funcionamento, características construtivas e regras a seguir para a seleção do motor mais
adequado à aplicação pretendida. [5]
3.1. Funcionamento
O motor elétrico simples funciona, basicamente, pela repulsão entre dois ímanes, um
natural e outro não natural (eletroíman). É conveniente o uso de ímanes não naturais num
motor elétrico, pois há a possibilidade de inversão dos pólos magnéticos, por meio da
inversão do sentido da corrente elétrica.
Figura 5. Esquema de um motor elétrico simples
Observando a figura 5 acima, temos um exemplo de motor simples, constituído por
uma base, na qual está apoiada uma pilha (fonte de energia) e, sobre ela, foi fixado um íman
natural. Temos ainda duas hastes de fio condutor (mancal) unidas, cada uma, a uma
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extremidade da pilha (uma no pólo positivo e outra no pólo negativo); e, completando a
máquina, uma espira também constituída de um fio condutor. Observe que essa espira pode
ser substituída por várias espiras (bobinas). Um detalhe extremamente importante é que uma
das extremidades da espira deve ser semi-raspada - e a outra, raspada por completo.
A pilha fornece energia elétrica quando as partes raspadas da espira estão em contato
com a haste (mancal) - temos, assim, um circuito elétrico por onde passa uma corrente que,
ao percorrer a espira, graças ao campo magnético associado a essa corrente, transforma-a
num pequeno íman (íman não natural).
O íman fixo na pilha (íman natural) tem um de seus pólos voltados para a espira e,
quando ela se torna um íman, passa a existir uma interação entre eles. Quando a espira tiver
o mesmo tipo de pólo ao qual está presa, teremos uma força de repulsão que movimentará a
espira. Esse movimento depende, muitas vezes, de um empurrão inicial.
Um detalhe importante: quando a espira tiver o pólo contrário ao do íman ao qual está
presa, a força que existirá será de atração e o movimento da espira será amortecido,
resultando no fim de seu movimento.
Para resolver esse problema e evitar que o motor pare, usamos uma extremidade da
espira totalmente raspada, por onde a corrente sempre pode passar, e a outra semi-raspada,
de forma que a corrente só passará nessa extremidade quando a parte raspada estiver em
contato com a haste. Dessa maneira, quando as faces de mesmo pólo estiverem voltadas
uma para a outra, a espira se movimentará por causa da força magnética de repulsão entre
os ímanes.
No momento em que as faces de pólos opostos estiverem voltadas uma para a outra,
a corrente deixa de passar, pois a extremidade da espira que não está raspada impede a
passagem da corrente. A espira deixa, assim, de ser um íman natural, mas mantém seu
movimento, devido à inércia. No momento em que a parte raspada da espira entra em contato
com a haste, o processo se reinicia, possibilitando o movimento constante da espira.
Em motores mais sofisticados (como os dos comboios) há comutadores, que têm a
função de inverter o sentido da corrente no momento em que a espira fica com sua face de
pólo oposto voltada para o íman. Lembrando que, ao invertemos o sentido da corrente,
também invertemos os pólos do íman não natural. Dessa maneira, teremos sempre a espira
com a face de mesmo pólo do íman voltada para ele, resultando num movimento ininterrupto.
No nosso exemplo, como não conseguimos inverter o sentido da corrente, utilizamos
as ideias da interrupção da corrente e da continuidade do movimento por inércia. Dessa
forma, temos a corrente produzindo o movimento da espira.
É graças a este movimento giratório da espira que é possível transformar energia
elétrica em energia mecânica. [6]
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4. Aerodinâmica nos comboios
4.1. Resistência dos comboios
Durante a movimentação dos comboios, existem dois tipos de forças que intervém
com a progressão do veículo: as que facilitam o movimento do comboio, a principal é a força
motriz designada por força de tração, e as que dificultam a o movimento do mesmo de entre
as quais se destacam a força de resistência aerodinâmica, a força de inércia correspondente
à aceleração pretendida no caso de haver uma elevação e a resistência de rolamento. Esta
última tem pouca influência no cálculo da resistência total sendo que esta força tem um papel
principal quando ocorre uma distribuição assimétrica nas rodas por causa da deformação
plástica entre as rodas e os carris.
𝐹(𝑡𝑟𝑎çã𝑜) = 𝑅(𝑎𝑒𝑟𝑜𝑑𝑖𝑛â𝑚𝑖𝑐𝑎) + 𝑅(𝑟𝑜𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜) + 𝐹(𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜) (1)
Se considerarmos a resistência do ar desprezável e se o comboio se estiver a mover
a uma velocidade constante de 150 km/h, uma área frontal de 10m2(A), massa do comboio
na ordem das 40 toneladas, um coeficiente de rolamento(r) de 10-4 e um coeficiente(CD) (o
qual quantifica a resistência de um objeto num fluido, isto é, permite quantificar a força de
resistência ao ar numa superfície) igual a 1, tem-se
𝑅(𝑎𝑒𝑟𝑜𝑑𝑖𝑛â𝑚𝑖𝑐𝑎) = 𝐶𝐷×𝜌×𝑉2×0.5×𝐴 = 10383.4 𝑁 (2)
𝑅(𝑟𝑜𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜) = 𝑚×𝑔×𝑟 = 39,2 𝑁 (3)
𝐹(𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜) = 𝑚×𝑎 = 8000𝑁 (4)
𝐹(𝑡𝑟𝑎çã𝑜) = 18422.6 𝑁 (5)
Como se pode reparar a força de resistência aerodinâmica é superior a 50% do total
da força de tração.
4.2. “Narizes” do Comboio
Numa tentativa de diminuir a força de resistência aerodinâmica, os “narizes” dos
comboios que foram desenhados para atingir velocidades acima de 300 km/h são longos e
pontiagudos (Figura 6) assemelhando-se a um avião supersónico. Se o nariz do comboio for
mais pequeno a velocidade do ar varia em módulo e direção ao longo da espessura
provocando vórtices longitudinais por efeitos de gradiente de pressão transversais. Estes
vórtices é que são os responsáveis pela diferença de pressão em ambas faces laterais do
comboio, desnivelando-o.
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Figura 6. Comboio Shinkansen da série E2 e série 200 na estação de Tóquio
4.3. Estabilidade Lateral
A força aerodinâmica é a principal responsável pelo descarrilamento de comboios,
sobretudo quando estes circulam a elevadas velocidades, visto que, como a força
aerodinâmica cresce com o quadrado da velocidade, quanto maior a velocidade maior a força
de resistência aerodinâmica. Como já foi mencionado anteriormente, os vórtices longitudinais
desempenham um papel fulcral na estabilidade lateral do comboio.
No entanto, a situação ainda piora se o comboio estiver a circular num túnel ou numa
ponte. No primeiro, existem assimetrias de pressão e no segundo existem ventos laterais
fortes, e qualquer um destes provoca o desequilíbrio do comboio. Uma possível solução para
este efeito é a utilização de barreiras laterais que impedem os ventos laterais geradores de
assimetrias de pressão mencionadas anteriormente. [7]
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5. Sistema de Travagem
O travão (Figura 7) é um tipo de mecanismo que permite controlar o movimento de
aceleração de um veículo ou de uma máquina, de modo a retardar ou parar o seu movimento
ou impedir que o movimento seja reiniciado.
A energia cinética aumenta com o quadrado da velocidade. Isto significa que se a
velocidade de um veículo dobrar, ele tem quatro vezes mais energia. Os travões devem,
consequentemente, dissipar quatro vezes mais energia para parar o veículo e
consequentemente a distância de travagem é quatro vezes maior. Existem travões para a
maioria dos veículos sobre rodas, desde automóveis de todos os tipos, a camiões, aviões,
comboios, motocicletas e bicicletas.
Os sistemas de travões de disco funcionam da seguinte forma: o disco de travão roda
em conjunto com a roda e a pinça de travão, onde estão as pastilhas de travão, é fixa na
suspensão e não gira. Ao aplicar pressão no pedal de travão, o líquido de travões circula nas
tubagens, atuando nas bombas e consequentemente as pastilhas de travão são empurradas
contra o disco, obrigando-o a perder velocidade por fricção. Os comboios mais recentes
possuem todos este mesmo sistema de travagem. [8]
Figura 7. Travão de disco
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A energia cinética inerente ao movimento é transformada em calor por fricção.
Alternativamente, na travagem regenerativa, muita da energia é recuperada e armazenada
num condensador ou transformada em corrente por um alternador, sendo então armazenada
numa bateria para uso posterior.
Nos travões de disco, as superfícies de fricção são expostas aos elementos externos, tais
como água, poeira e outros. Esta exposição tem a vantagem de arrefecer rapidamente o
sistema pelo ar que circula em redor do disco. A superfície de travagem deverá ser regular
de forma a assegurar uma travagem eficaz. [9]
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6. Comboio do futuro
Mais de cem anos depois do aparecimento do primeiro comboio, há comboios de
modelos irreverentes, sistemas e aplicações sofisticados e designs aerodinâmicos. Mas para
onde caminham os comboios de hoje? Foi-se em busca do plano mais futurista que pode
chegar à nossa sociedade.
Um comboio de levitação magnética ou Maglev (em inglês: Magnetic levitation
transport) é um veículo semelhante a um comboio que transita numa linha elevada sobre o
chão e é propulsionado pelas forças atrativas e repulsivas do magnetismo através do uso de
supercondutores. Devido à falta de contato entre o veículo e a linha, a única fricção que existe,
é entre o aparelho e o ar. Por consequência, os comboios de levitação magnética conseguem
atingir velocidades enormes, com relativo baixo consumo de energia e pouco ruído (existem
projetos para linhas de maglev que chegariam aos 650 km/h e também projetos como o
Maglev 2000 que, utilizando túneis despressurizados em toda a extensão dos trilhos,
chegariam à marca de 3200 km/h).
Embora a sua enorme velocidade os torne potenciais competidores das linhas aéreas,
o seu elevado custo de produção limitou-o, até agora, à existência de uma única linha
comercial, o transrapid de Xangai. Essa linha faz o percurso de 30km até ao Aeroporto
Internacional de Pudong em apenas 8 minutos. [10]
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7. Conclusões
O trabalho teve como principal objetivo definir qual a importância do engenheiro mecânico no
fabrico do comboio e dos seus componentes. Além disso, procurou-se abordar o
funcionamento do comboio bem como as vantagens/desvantagens do mesmo.
Pelos temas abordados no trabalho, percebe-se que o engenheiro mecânico desempenha
um papel fulcral na conceção do comboio desde ao seu desenho até à sua construção, sendo
que assume grande parte do trabalho relacionado com cálculos de forças aerodinâmicas e
associada à elaboração do sistema de travagem.
Por fim, é possível também relacionar esta temática de trabalho com as energias renováveis
e preocupação ecológica, acompanhando a evolução através de uma sequência cronológica,
que se inicia no comboio a vapor, no qual eram lançados para a atmosfera grandes
quantidades de CO2, provenientes da queima de toneladas de carvão, passando pelo elétrico
em que a fonte de energia é a eletricidade, maioritariamente gerada a partir de fontes não
poluentes, até, finalmente, ao comboio de levitação magnética que é visto como tecnologia
de ponta, tanto em termos ambientais como em velocidade e sofisticação.
Assim, conclui-se que o comboio foi uma inovação muito importante e bastante suportada
pela engenharia mecânica, ao tentar encontrar novas forma para melhorar este meio de
transporte.
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Referências Bibliográficas
1. URL: http://paginas.fe.up.pt/~projfeup/cd_2010_11/files/CIV214_relatorio.pdf –
Acedido a 10 de outubro de 2016
2. Retirada de https://pt.wikipedia.org/wiki/Trem a 10 de outubro de 2016
3. URL: http://paginas.fe.up.pt/~projfeup/cd_2010_11/files/CIV216_relatorio.pdf -
Acedido a 13 de outubro de 2016
4. Retirada de https://pt.wikipedia.org/wiki/Transporte_ferrovi%C3%A1rio a 14 de
outubro de 2016
5. URL: http://paginas.fe.up.pt/~projfeup/submit_14_15/uploads/relat_1M06_4.pdf –
Acedido a 15 de outubro de 2016
6. URL: http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/eletromagnetismo-4-oersted-
faraday-e-o-motor-eletrico---3.htm – Acedido a 15 de outubro de 2016
7. URL:https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/395142128132/Disserta%C3%A7%
C3%A3o.pdf – Acedido a 10 de outubro de 2016
8. Retirada de https://pt.wikipedia.org/wiki/Trav%C3%A3o a 11 de outubro de 2016
9. Retirada de https://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Seebeck#Utiliza.C3.A7.C3.A3o a 13
de outubro de 2016
10. Retirada de https://pt.wikipedia.org/wiki/Maglev a 16 de outubro de 2016