como funcionam as locomotivas.pdf

TTF LOCOMOTIVAS IFSUDESTEMG

Prof. Jandir Caetano Ferreira Página 1

DDEESSCCRRIIÇÇÃÃOO Desde que, em 1897, Rudolph Diesel inventou o motor que traz o seu nome, as atenções dos engenheiros ferroviários voltaram-se para a sua aplicação em locomotivas. Somente por volta de 1925 foi produzida a primeira locomotiva diesel-elétrica para manobras em pátios. Quase dez anos depois, eram produzidas as primeiras locomotivas diesel-elétricas de longo percurso. A idéia da locomotiva diesel-elétrica é simples, uma locomotiva elétrica transportando sua própria usina. Isto é: Sobre uma plataforma, “principal componente da Locomotiva”, um motor diesel acionando um gerador, que por sua vez produz a energia elétrica necessária para acionar os motores de tração elétricos, instalados nos eixos da locomotiva.

PPRRIINNCCÍÍPPIIOO DDEE FFUUNNCCIIOONNAAMMEENNTTOO DDAA LLOOCCOOMMOOTTIIVVAA DDIIEESSEELL--EELLÉÉTTRRIICCAA Cada cilindro do motor diesel, em uma determinada seqüência, recebe uma quantidade de ar. No final do ciclo de compressão, uma certa quantidade de combustível é injetada no cilindro, formando uma mistura proporcional a uma boa combustão. Durante o chamado “tempo motor”, isto é, “expansão”, esta mistura está em processo de combustão. Os gases gerados por esta combustão se expandem, impulsionando o pistão para baixo, que, através de sua biela, movimenta o eixo virabrequim. Em outras palavras, a energia química contida no combustível é convertida em energia mecânica. Nas locomotivas diesel-elétricas, a uma das extremidades do motor diesel é acoplado um gerador (gerador principal ou gerador de tração). Este pode ser um gerador de corrente contínua ou de corrente alternada. A maioria das locomotivas diesel-elétricas mais modernas, principalmente aquelas de potência mais elevada, possuem geradores de corrente alternada (também chamados alternadores de tração). O gerador principal tem a função de converter a energia mecânica recebida do motor diesel em energia elétrica necessária à tração da locomotiva. A energia elétrica produzida pelo gerador de tração é transmitida, através do sistema de comando elétrico, aos motores de tração. Nas locomotivas diesel elétricas, estes estarão sempre instalados no truque destas. A extremidade do eixo da armadura do motor de tração possui um pinhão, o qual aciona uma coroa, fixa ao eixo do rodeiro da locomotiva, que provoca a movimentação desta, e conseqüentemente do trem. Em resumo, os motores de tração servem para converter a energia elétrica recebida do gerador, na energia mecânica necessária para a movimentação da locomotiva.

CCOOMMOO FFUUNNCCIIOONNAAMM AASS LLOOCCOOMMOOTTIIVVAASS

DDIIEESSEELL--EELLÉÉTTRRIICCAASS



As locomotivas diesel-elétricas normalmente possuem um dispositivo chamado “governador do motor diesel” que controla a dosagem de combustível injetada em cada cilindro do motor diesel. O governador controla também a excitação do campo do gerador de tração, a fim de que em cada ponto do acelerador (comandado pelo maquinista) seja produzida uma potência constante (para cada rotação) a fim de se obter o melhor rendimento possível do combustível associado a melhor performance do motor diesel. O acelerador da locomotiva (controlador de tração) possui um manípulo dotado de dez pontos: Stop (parar), Idle (neutro ou marcha-lenta), e mais oito pontos de aceleração. A rotação do motor diesel é contínua e uniforme em cada ponto de aceleração. Assim, o maquinista solicita uma potência adequada ao movimento do trem, de acordo com as necessidades do serviço. O governador do motor diesel, por sua vez, comanda a abertura das cremalheiras das bombas injetoras, dosando, de maneira adequada, a quantidade de combustível injetada no cilindro do motor diesel, necessária a potência solicitada. O governador também regula, através de um potenciômetro, a corrente de campo da excitatriz que, por sua vez, controlará a excitação do campo do gerador de tração, regulando assim a carga imposta ao motor diesel. Outros geradores podem fazer parte da lista de equipamentos de uma locomotiva diesel-elétrica, como é o caso da excitatriz, “que é a responsável pela geração de energia para o rotor do Gerador Principal” e do Gerador Auxiliar que é utilizada no recarregamento das baterias e alimentação dos circuitos de baixa tensão, sempre que o motor diesel estiver girando.

GERADOR PRINCIPAL GERADOR AUXILIAR

EXITATRIZ

MOTOR DIESEL



Nas locomotivas diesel-elétricas também está instalado um compressor de ar que fornece aos reservatórios, ar sob pressão que é usado, principalmente, para os freios a ar. Estes, por sua vez, são comandados pelo maquinista por meio de equipamento adequado, localizado na cabine.

DDEETTAALLHHEESS CCOONNSSTTRRUUTTIIVVOOSS DDAA LLOOCCOOMMOOTTIIVVAA DDIIEESSEELL--EELLÉÉTTRRIICCAA PLATAFORMA: A plataforma constitui o principal elemento estrutural de uma locomotiva. Analogamente ao veículo rodoviário, a plataforma é o “chassi” da locomotiva. Sobre a plataforma são montados os principais elementos da locomotiva. Nas suas extremidades ficam os engates com seus respectivos aparelhos de choque e tração. A plataforma constitui-se normalmente de vigas principais, vigas laterais, vigas transversais com os pinos centrais, chapa de fundo, chapa do piso, vigas-agulha e caixas dos engates. São funções da plataforma: suportar os equipamentos da locomotiva e as cabines; transmitir o peso das cabines e dos equipamentos aos truques; receber as forças de tração dos truques e transmiti-las aos vagões; receber os esforços de impactos provenientes dos vagões; servir de duto de ar para os equipamentos que necessitam deste para refrigeração; servir para içamento da locomotiva, através dos ganchos de içamento; proteger o operador através dos postes de colisão nela fixados; etc. TANQUE DE COMBUSTÍVEL: Serve como reservatório do óleo diesel à ser consumido pela locomotiva. Sua construção deve prever impactos longitudinais e laterais. Deve possuir orifícios para drenagem de água e sedimentos. Nele são aplicados tubos de sucção e retorno de combustível, defletores internos (quebra-ondas), visores, respiros e tampas para inspeção. Dependendo do tipo de locomotiva, os bocais de abastecimento devem estar presentes de ambos os lados. CAIXAS DE AREIA: Prestam-se ao armazenamento de areia que é ejetada para melhorar o atrito entre roda-trilho. As caixas devem ser estanques a água e devem, preferencialmente, ter fundo inclinado para permitir um melhor escoamento da areia. TRUQUE Sua função e receber o peso da locomotiva e distribui-lo uniformemente pelos rodeiros. Sua estrutura contém as suspensões, timonerias de freio, rodeiros, motores de tração, etc. São projetados para receberem forças de impacto, esforços laterais e verticais.



Os tipos de truques mais utilizados são os dos tipos B (2 rodeiros) para locomotivas, vagões e carros, e os dos tipos C e D, de 3 rodeiros e 4 rodeiros respectivamente, para locomotivas. Os truques podem ser fabricados segundo dois processos diferentes: de chapas de aço soldadas, ou de aço fundido. Neste segundo caso, pode-se ter duas versões diferentes: Quando o truque inteiro é uma única peça de aço fundido (fundido integral). Quando as duas laterais do truque são fundidas separadamente e unidas por vigas transversais através de processo de soldagem.



BOLSTER (OU TRAVESSA FLUTUANTE) Nas locomotivas de maior porte, a interligação entre o truque propriamente dito e a plataforma da locomotiva é feita através de uma peça intermediária (bolster ou travessa flutuante), que contém o prato do pião. Este recebe, através do pião ou pino central da plataforma, o peso da superestrutura da locomotiva. O bolster apóia-se sobre o truque através de coxins de borracha ou molas de borracha (chamadas de sanduíche por causa de seu tipo de construção - camadas de borracha intercaladas por chapas de aço), ou ainda por meio de sistemas de molas que absorvem grande parte dos impactos do truque para a plataforma. Para evitar que o bolster seja excessivamente solicitado, o movimento relativo truque-bolster é limitado por batentes no sentido transversal e longitudinal. Nestes batentes estão aplicadas chapas de desgaste, que devem ser substituídas sempre que as folgas ultrapassarem os limites especificados.

MOLAS Como foi visto anteriormente, o peso da maior parte da locomotiva é transferido para os truques através das molas. A transferência de peso do truque para as rodas também é feita através de molas. Na maior parte das locomotivas de grande porte, todo o peso praticamente destas, é transferido do truque para os eixos dos rodeiros através de molas que se apóiam diretamente sobre as caixas de rolamento das mangas destes eixos. Arranjos diferenciados e vários tipos de molas podem ser utilizadas nos truques pelos fabricantes. Nos truques também podem estar instalados amortecedores verticais e horizontais, cuja função é absorver choques e vibrações, em sua maioria provenientes do contato roda-trilho. Há ainda que se considerar os “movimentos parasitas” que surgem do período próprio de oscilação de cada parte do veículo. É assim, necessário que todos estes movimentos sejam absorvidos para que se evite danos aos motores de tração, mancais, rolamentos, engates e danos à via permanente; e numa situação mais extrema até mesmo acidentes com o veículo.

RODEIROS Por rodeiros, em veículos ferroviários, entende-se o conjunto formado pelo eixo, as rodas, os mancais e, nos veículos motorizados, a engrenagem. O número de rodeiros em uma locomotiva indica a sua classificação. Exemplo:

B + B Locomotiva de dois truques interligados. Ambos com dois eixos

motorizados.

B - B Locomotiva de dois truques independentes. Ambos com dois eixos

motorizados.

C +C Locomotiva de dois truques interligados. Ambos com três eixos

motorizados.

C - C Locomotiva de dois truques independentes. Ambos com três eixos

motorizados.



EIXOS Os eixos usados em veículos ferroviários no Brasil seguem as normas da AAR (Association of American Railroad – Associação das Ferrovias Americanas). Os eixos são de médio teor de carbono, forjados, temperados e duplamente normalizados para eliminar as tensões provocadas pelo forjamento. A usinagem é feita por torneamento seguido de retífica fina em toda a sua extensão. Normalmente os eixos das locomotivas têm dois pontos (onde se apóiam os mancais de suspensão dos motores de tração) cujas superfícies são “roleteadas” para garantir uma superfície dura e lisa. RODAS A exemplo dos eixos, as rodas também seguem normas da AAR. São fabricadas pelo processo de forjamento ou fundição. São várias as finalidades das rodas dos veículos ferroviários: Fazer com o veículo se desloque rolando ao invés de ser arrastado. Guiar o veículo ao longo da via férrea. Distribuir o peso do veículo sobre os trilhos. Permitir a frenagem do veículo, não somente através do atrito das sapatas de freio, mas também, principalmente, pelo contato roda-trilho. Em eixos motorizados é através da roda que se obtém a força de tração.

CABINES As cabines das locomotivas modernas são leves e com função apenas de proteção. São feitas em “módulos” de modo a facilitar a construção e manutenção. São geralmente fabricadas de chapas de aço de baixo teor de carbono. Podem ser várias as cabines de uma locomotiva: - Cabine Principal (ou cabine do maquinista); - Cabine do motor diesel ou capota longa, abriga o motor diesel em seu interior. Também chamada de compartimento do motor diesel; - Cabine do radiador, normalmente abriga os radiadores e ventilador(es); - Cabine curta ou capota curta, na frente da locomotiva.



A cabine principal deve ser sempre ampla e soldada à plataforma, de tal forma que, tudo que há dentro dela possa ser retirado através das portas ou janelas para trabalhos de manutenção. As partes sujeitas a desgastes ou danos devem ser facilmente removidas, e todas as partes que requerem manutenção devem ter fácil acesso. Naturalmente, devem ser projetadas para receber impactos longitudinais, laterais e forças do vento. Devem ter boa vedação à entrada de água, poeira, fuligem, ventos, etc. Além disso, devem ser isoladas acusticamente e termicamente. Suas janelas devem ser do tipo fixo e deslizante, as quais devem estar aplicados vidros laminados e temperados de segurança. A vida útil da parte estrutural da cabine deve ser igual a da locomotiva, com exceção para piso, juntas e vedações, janelas e portas.

Quanto à construção, podem ser de dois tipos: - Manobra ou Cabine “Hood” – tem largura suficiente para alojar o equipamento e permitem uma passagem externa para acesso ao equipamento. - Cabine tipo “caixa” que são largas e têm passadiços internamente. A cabine de operação mais confortável - ‘Wide Cab” - foi desenvolvida para concentrar a maioria dos controles acessíveis ao operador e ajudante. Este tipo de cabine é significativamente mais ampla que as cabines convencionais, incluindo um painel de controle frontal e com melhor índice de vedação acústica.

As cabines, do motor diesel e radiador, podem ser destacadas da plataforma, para facilitar o acesso aos equipamentos nelas contidos.

APARELHO DE CHOQUE E TRAÇÃO O conjunto do “aparelho de choque e tração” é constituído pelo engate, abraçadeira e aparelho de choque e tração. O engate normalmente utilizado nas locomotivas de maior porte é o do tipo “F” da AAR, provido de alavancas para desacoplamento manual. A abraçadeira é uma peça fundida que embolsa completamente o aparelho de choque e tração (peça de borracha e aço – sanduíche – que trabalha tanto quando a locomotiva traciona o trem, como quando o engate sofre impacto de fora para dentro, ao acoplar um vagão, por exemplo).

Tanto o engate como a abraçadeira tem movimentos relativos à estrutura da plataforma. Por isso, todas as superfícies de apoio entre tais peças são dotadas de placas de desgaste substituíveis.

MOTOR DIESEL

É a fonte primária de energia da locomotiva. Pela sua complexidade é abordado separadamente. São utilizados, nas locomotivas de maior porte, na configuração “V”, e podem ser do tipo “2 tempos” ou “4 tempos”.



EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS São abordados detalhadamente no módulo de “Eletricidade de Locomotivas”. Fazem parte da lista destes equipamentos: - Gerador de Tração ou Alternador de Tração - Gerador Auxiliar ou Alternador Auxiliar - Excitatriz - Motores de Tração - Controlador Mestre (chave combinadora de circuitos, controlada manualmente pelo operador, controla a potência da locomotiva em tração e frenagem dinâmica e o sentido da marcha) - Equipamentos de Controle - Baterias

EQUIPAMENTOS AUXILIARES COMPRESSOR DE AR É normalmente utilizado um compressor de ar com três cilindros, refrigerado à água ou a ar. Seu acionamento é feito mecanicamente através de eixo ligado ao motor diesel, porém, em locomotivas mais modernas, seu acionamento é efetuado através de motor elétrico. Sua função é captar ar atmosférico em grande quantidade e comprimi-lo para utilização em vários equipamentos da locomotiva, caso por exemplo, dos freios da locomotiva e vagões. Um sistema de controle eletro-pneumático controlará a pressão existente nos reservatórios principais de ar, colocando o compressor em “trabalho” ou “alívio” sempre que necessário. Nas locomotivas de projeto recente, dotadas de microprocessador, o controle do compressor é feito por este. O compressor somente estará em funcionamento para carregamento dos reservatórios principais quando solicitado para manter a pressão dos mesmos, fora do que se manterá desligado. Tanto a rotação do motor de acionamento do compressor, como o regime de carga são controlados pelo microprocessador.

VENTILADOR DO RADIADOR Podem ser utilizados um ou mais ventiladores de radiador, com acionamento mecânico ou elétrico. Está instalado na cabine do radiador. Quando há interface elétrica com o ventilador, normalmente seu acionamento, quando necessário, é controlado por chaves termoelétricas. Em locomotivas microprocessadas, que usam ventilador elétrico ou de acionamento mecânico (com embreagem eletromagnética), seu controle de atuação é feito por sensor de temperatura e pelo microprocessador.



SOPRADOR DOS MOTORES DE TRAÇÃO Um sistema de ventilação forçado é normalmente utilizado nas locomotivas para prover ar de refrigeração aos motores de tração. A capacidade de tração da locomotiva está diretamente ligada a este importante equipamento. Também, comumente utiliza-se parte deste ar soprado para refrigeração de outros rotativos elétricos e painéis de controle, onde também pode estar fazendo a pressurização deste. Normalmente o soprador é acionado mecanicamente pelo motor diesel, através de eixos e acoplamentos. As locomotivas GE´s DASH-8 e DASH-9 são dotadas de três sopradores, todos acionados eletricamente por motores elétricos AC trifásicos, alimentados por um dos campos do alternador auxiliar. Um dos sopradores destina-se ao arrefecimento do Alternador Principal, Retificadores e equipamentos da cabine auxiliar. Sua rotação é proporcional a velocidade do motor diesel. Os outros dois sopradores destinam-se ao arrefecimento dos motores de tração dos truques dianteiro e traseiro, respectivamente. A rotação destes sopradores é controlada eletronicamente por painel regulador que irá colocar o(s) equipamento(s) a ½ velocidade ou velocidade total de acordo com a necessidade de arrefecimentos dos motores. RADIADOR Os radiadores de refrigeração da água do motor diesel estão localizados em compartimento apropriado e são resfriados pelo(s) ventilador(es) do(s) radiador(es). Existem dois sistemas que podem equipar as locomotivas: do tipo seco ou do tipo úmido, ambos pressurizados.

PPOOTTÊÊNNCCIIAA Os tipos de potência variam de acordo com o ciclo de produção de energia. Assim, numa locomotiva diesel-elétrica, tem-se: • Potência indicada ou bruta – é a potência no motor diesel da locomotiva. • Potência entregue ao Gerador de Tração, ou nominal – é a potência bruta subtraída da necessária ao funcionamento dos equipamentos auxiliares (ex: geradores auxiliares, soprador dos equipamentos, compressor de ar, ventilador(es) do radiador, etc.). OBS: Se estes forem acionados diretamente pelo Motor Diesel Nas locomotivas mais modernas todos os equipamentos auxiliares são acionados através de motores elétricos. O sistema microprocessado da locomotiva só deixa que eles operem na medida em que sejam solicitados pelas temperaturas e pressões. Assim, nessas locomotivas o consumo dos equipamentos auxiliares é somente algo na faixa de 3%, o que acaba acarretando em maior potência disponível para tração. • Potência efetiva ou nos trilhos – é a potência nas rodas da locomotiva; isto é, a potência entregue ao gerador multiplicada pelo coeficiente de rendimento da transferência de potência até as rodas.



O gerador de tração converte a energia mecânica recebida do motor diesel em energia elétrica. Toda conversão de um tipo de energia em outro sofre perdas: 1- O gerador é uma máquina de grande eficiência, cujas perdas situam-se na faixa de 3 a 6%. 2- O painel retificador também causa alguma perda. Assim, a potência elétrica que chega aos motores de tração é de cerca de 94% da recebida pelo gerador. 3- Dessa forma, numa locomotiva cujo motor diesel entrega 3.000 hp´s ao gerador de tração, 2.820 hp´s chegarão aos seus motores de tração, considerada uma perda de 6%. 4- Por sua vez, os motores de tração vão converter novamente esta energia elétrica em energia mecânica – e transmiti-la aos trilhos através do par pinhão/coroa. 5- Normalmente, pode-se considerar a eficiência do sistema do motor de tração como sendo de 90% (embora este fator sofra variações, principalmente com a velocidade). Logo, para esta locomotiva, os trilhos vão receber aproximadamente 2.540 hp´s. 6- Portanto a eficiência global, ou o rendimento total desta transmissão é de 85%. A título de curiosidade observamos que:

É de somente 50% o rendimento total de uma transmissão mecânica com sistema de embreagem;

É de somente 60% o rendimento total um sistema de transmissão hidráulico. • Potência útil – é a potência efetiva (nas rodas) menos a potência consumida para tracionar a própria locomotiva devido a seu peso; • Ou seja, a potência útil é a potência líquida, no engate da locomotiva, disponível para rebocar os vagões.

FFOORRÇÇAA DDEE TTRRAAÇÇÃÃOO Esta força é a capacidade de tração do veículo motriz. Ela é o resultado da energia mecânica aplicada às rodas motrizes dos veículos. Um termo correlato é a força no engate, ou seja, a força de tração final do veículo, depois de deduzida a parcela de força necessária para movimentar o próprio veículo motriz. Convém lembrar que a força de tração máxima de uma locomotiva ou carro motor só é atingido no ponto em que as rodas tendem a patinar, isto é, no ponto mais alto da faixa da curva de micro-escorregamento. Uma locomotiva de grande potência pode ter um torque bastante elevado e, por conseqüência, uma grande força de tração. Mas, nem sempre é possível a utilização total da força de tração calculada, pois as rodas motrizes têm uma grande tendência a patinar por não terem suficiente aderência.

FFOORRÇÇAA DDEE TTRRAAÇÇÃÃOO NNAA PPAARRTTIIDDAA Um veículo motriz precisa de peso aderente para rebocar outros veículos, utilizando para tanto a sua força de tração, que como visto anteriormente, é na realidade o seu peso



multiplicado pelo nível de aderência disponível. A potência serve somente para imprimir velocidade ao veículo. A força de tração na partida é determinada a partir do peso aderente (Pa) do veículo. Normalmente considera-se um nível de aderência confiável de cerca de 30%. Em determinados casos este nível pode atingir a 36%. Isto significa multiplicar o pesa desta máquina por 0,3 a 0,36. FREIOS As Locomotivas acomodam também todo sistema de freio para si mesma, bem como o conjunto de válvulas do manípulo destinado á aplicação de freio nos vagões. É apropriado lembrar que os freios são do ponto de vista de segurança mais importantes que a capacidade de aceleração. Conjugar freio e aceleração no trecho é primordial para que o maquinista desempenhe bem seu papel.

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