Desenvolvimento de um truquecustomizado para o padrão de operação

da ferrovia

As grandes ferrovias de Heavy Haul vêm sofrendo com problemas relacionados àperformance dos truques aplicados em seus vagões. Alto percentual de rodas com RCF(Rolling Contact Fatigue) e desgastes muitas vezes assimétricos de frisos e pista derolamento são os principais sintomas de que os truques (incluindo os rodeiros) não estãobem ajustados à condição de operação a eles imposta. Os trilhos, ativo de grande valorfinanceiro nas ferrovias, também são prejudicados por essa performance inadequada, ecomo sistema estão envolvidos diretamente nessa dinâmica. Essa observação remete a umanova realidade no projeto dos truques atuais: a customização. O período de produtospadronizados para diferentes ferrovias ficou para trás, uma vez que com as atuaisdemandas do transporte, e consequentemente exigência sobre os ativos operados, exige-seperformance cada vez mais superior. Essa performance só pode ser obtida através de umprofundo entendimento da condição operacional aplicada e do desenvolvimento de umasolução altamente preparada para essa aplicação. O resultado esperado é o ganho naperformance operacional, com redução de custos de manutenção e ganho na segurança,uma vez que performando bem os truques tendem a circular com menor relação L/V. Oganho em eficiência energética também é um produto esperado, uma vez que as perdasmecânicas no rolamento pela via são diminuídas. É objetivo desse trabalho apresentar oprojeto de um truque customizado para uma determinada operação ferroviária, partindo-sede fundamentos e conceitos da dinâmica ferroviária, passando pela definição daespecificação do truque e concluindo com os resultados do teste de protótipos.

INTRODUÇÃO E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O primeiro passo para o adequado desenvolvimento de um truque (incluindo seus rodeiros)para uma determinada operação ferroviária é justamente o entendimento da condição deoperação, e a resposta que os atuais truques vem apresentando para essa condição. Estetrabalho irá focar no desenvolvimento de um truque ferroviário para vagão de carga paraser utilizado em uma ferrovia que adota como padrão truques convencionais AAR de trêspeças, de bitola de 1,6m, operados com 30,0t e 32,5t métricas por eixo, em um fluxoHeavy Haul. De forma resumida, é observado nessa ferrovia que:

• Há predominância de curvas se comparado aos trechos de tangente;• A velocidade operacional é menor ou igual à 63km/h, mas em um futuro próximo

estima-se operação em velocidade ligeiramente superior;• Existem trechos com significativa carga térmica nas rodas, oriundas da frenagem;• Há evidências de hunting em alguns trechos de tangente percorridos com o vagão vazio

(mais comum e de maior risco operacional) e carregado;• Há predominância de desgaste de friso (muitas vezes assimétrico), quando comparado

ao desgaste de pista de rolamento de roda;• Há elevado índice de RCF nas pistas de rolamento das rodas. Observa-se o RCF em

rodas de todos os tipos de truques manga T, sendo mais crítico nos que operam com32,5t por eixo (130t brutas). O RFC é o defeito predominante para remoção das rodasde operação;

• Há evidências verificadas na manutenção de truques circulando fora do padrãodimensional. O controle dimensional na manutenção dos truques antigos é um processorecente;

• Há drenos que descarregam água sobre as rodas e trilhos;• Adotou-se em um passado recente um programa de esmerilhamento de trilhos com

perfil não completamente compatibilizado com o perfil médio das rodas;• Experiências passadas com truques de melhor performance em curvas foram bastante

positivas.

Analisando detalhadamente as observações acima, pode-se gerar um diagrama de causa eefeito para o problema de RCF nessa ferrovia, mais critico do ponto de vista deperformance dos truques.

FIGURA 1 – Causas mapeadas do RCF

RCF

Creepage(escorregamentos na

região do contato)

Temperaturana roda

Pressãohidrostática

Cargavertical

Tensões oriundas daconformação (ou não)dos perfis de Roda &

Trilho

Efetivamente o RCF irá aparecer quando se ultrapassar o limite do diagrama deShakedown do aço da roda (aparecimento do defeito na roda) ou trilho (no caso do RCF detrilho). A figura 2 ilustra esquematicamente um diagrama de Shakedown.

FIGURA 2 – Esquemático de um diagrama de Shakedown (fonte Amsted Maxion)

Ao se ultrapassar os limites acima, trincas são nucleadas subsuperficialmente e propagamem direção à superfície da roda ou trilho. Quando mais trincas se encontram, partes domaterial são desprendidas gerando as covas por RCF. Essas covas, ou o shelling como étratado pelas ferrovias, geram altos impactos durante a operação dos trens, levando àfraturas de trilhos e danos ao próprio vagão, além de forçarem a sua parada. Outro pontonegativo é a necessidade do torneamento das rodas muitas vezes ainda dentro dos limitesde desgaste de friso e pista. A figura 3 mostra uma evolução clássica do RCF (da esquerdapara a direita).

FIGURA 3 – Evolução do RCF

Trincassubsuperficiaisdetectadas pelo

ensaio dePartículas

Magnéticas

RCF (shelling) emnível severo -

remoção imediata

Atuar no RCF é interessante pois as melhorias impostas para seu combate normalmentegeram redução nos índices de desgaste de rodas, tendo como resultado final uma maiorvida útil desse componente e o mesmo efeito esperado para o trilho.

Analisando o diagrama da figura 1, percebe-se também que há grande espaço para açõesexternas ao truque, como:

• Aplicação de perfis de trilho, através do esmerilhamento preventivo, 100% adequadosaos perfis de roda em circulação, podendo ajudar na performance dos rodeiros econsequentemente dos truques;

• Redução da carga térmica nas rodas através de formações de trens com maiordisponibilidade de frenagem dinâmica;

• Eliminação de drenos que geram gotejamento de água sobre rodas e trilhos;• Controle efetivo do carregamento dos trens evitando sobrecargas nas rodas.

Essas ações porém não serão foco desse trabalho, que irá se ater no desenvolvimento dotruque. De qualquer forma é importante conhecer em detalhe esses pontos poisinfluenciarão sobremaneira a performance do truque desenvolvido.

Como resumo do que foi apresentado, pode-se dizer que essa ferrovia precisa prover ostruques e rodas de melhor capacidade de inscrição em curvas e alinhamento rápido emtangentes, sem se esquecer do controle de hunting. O que é necessário ser feito então? Pararesponder a essa questão, há cinco tópicos importantes que devem ser observados.

Primeiro Tópico – Resistência ao warp, ou distorção do truque

Truque losangulares, ou em warp, são prejudiciais às inscrições em curvas e tangentes poisaumentam o ângulo de ataque da roda em relação ao trilho. São determinantes para ageração de escorregamentos (creepage) na região do contato da roda com o trilho, elevandoas tensões e gerando a ultrapassagem dos limites do diagrama de Shakedown, culminandono aparecimento do RCF. A figura 4 mostra um truque em warp inscrevendo uma curva.

FIGURA 4 – Truque em warp

Para o controle do warp, pode-se lançar mão dos seguintes artifícios:

a) Utilizar um intertravamento das laterais do truque AAR de três peças (cross brace);b) Aumentar o momento resistente à saída de esquadro propiciado pelas cunhas de

fricção;c) Limitar geometricamente a saída de esquadro pela redução das folgas entre laterais e

travessa central;d) Utilização de um truque “H” rígido, como projetos padrão UIC.

O aumento da resistência ao warp traz também como efeito positivo o aumento davelocidade crítica de hunting, tornando os truques mais estáveis.

Segundo Tópico – Liberdade de giro do rodeiro

É interessante buscar no projeto dos truques o conceito de inscrição radial, que é oposicionamento dos rodeiros de forma que as projeções de seus eixos se encontrem nocentro geométrico da curva em inscrição. Dessa forma consegue-se eliminar o ângulo deataque durante a inscrição, reduzindo drasticamente tensões e desgastes nas rodas e trilhos.A figura 5 ilustra o conceito de inscrição radial.

FIGURA 5 – Conceito de inscrição radial

Para se obter a inscrição radial, é importante:

a) Garantir uma folga suficiente entre os adaptadores e os pedestais (Fp na figura 5);b) A movimentação dos adaptadores nos pedestais nas entradas de curva, e seu retorno à

posição central nas tangentes deve ser facilitada. Normalmente utiliza-se um elementointermediário elástico na ligação entre os adaptadores e os pedestais: o PAD.

Folgas elevadas de pedestal e/ou PAD macios podem reduzir a velocidade crítica dehunting, instabilizando os truques em velocidades mais altas.

r

oBR+FpBR-Fp

r

o

Ambos os rodeirosapontando para o

centro geométrico doraio de curva e

laterais e travessaortogonais

Terceiro Tópico – A inscrição do rodeiro por rolamento puro

Nesse terceiro tópico o rodeiro, através da sua conicidade de roda, deve produzir umadiferença de raio efetivo de rolamento (conhecido como delta r) suficiente para a inscriçãoda curva em questão por rolamento puro, ou seja, sem arraste. Assim garante-se baixastensões e desgaste na inscrição. A figura 6 ilustra o conceito.

FIGURA 6 – Formação do delta r no rodeiro

Nota-se pela figura 6 que a formação do delta r necessário para a inscrição em curva é umafunção direta da conicidade efetiva das rodas, do jogo lateral entre o rodeiro e a via e doponto de contato entre roda e trilho. Esses parâmetros podem ser trabalhados através daalteração dos perfis de roda e trilho, além da bitola de eixamento dos rodeiros e bitola davia. A interação desses parâmetros deve propiciar a busca pelo delta r suficiente, o que vaigarantir uma inscrição suave e adequada do rodeiro. Uma importante observação é que ouso de rodas de alta conicidade efetiva pode reduzir a velocidade crítica de hunting.

Quarto Tópico – A adequação do ampara balanço

Os ampara balanços exercem grande influência na dinâmica dos vagões, em especial nocontrole de instabilidades dinâmicas como hunting e rock and roll. Com relação àsinscrições em curvas, pré-cargas excessivas combinadas com altos coeficientes de atritoentre o ampara balanço da caixa e o do truque aumentam o momento resistente de giro dotruque sobre a caixa, prejudicando o posicionamento correto dos truque durante ainscrição. A escolha de um ampara balanço adequado é fundamental para a performance dotruque. De forma resumida, truques e rodeiros mais instáveis ao hunting e vagões maisinstáveis a balanços de rock and roll demandam ampara balanços de contato constante.Truques mais estáveis ao hunting montados em vagões de baixa incidência de problemasde rock and roll que circulam por vias sinuosas podem utilizar ampara balanços de baixaresistência ao giro do truque, como os de rolete. A figura 7 ilustra a posição dos truques emrelação à caixa durante a inscrição em curvas, e alguns dos tipos de ampara balançosutilizados nos vagões de carga.

FIGURA 7 – O ampara balanço

Quinto Tópico – O momento de giro do truque no prato de pião

Como dito anteriormente, nas curvas os truques devem girar sob a caixa do vagão. Para segarantir o giro e o posicionamento adequado pode-se reduzir o momento resistente de girodo truque no prato de pião. Isso pode ser obtido através da aplicação de lubrificantes,normalmente sólidos, ou utilização de materiais especiais nas chapas de desgaste do pratode pião da travessa do truque. O momento resistente de giro no prato de pião éespecialmente relevante quando se opera o vagão carregado, chegando a superar nessacondição o momento resistente imposto por um ampara balanço de contato constante. Afigura 8 ilustra a aplicação de uma lubrificação sólida a base de grafite no prato de piãoinferior.

FIGURA 8 – Lubrificação sólida aplicada no prato de pião inferior

Rolos com folga

Castanha com folga Contato Constantecom molas internas

Contato Constante comelastômeros

Nota-se em alguns tópicos abordados que a ação para melhoria da capacidade de inscriçãoem curva dos truques (propriedade conhecida como curving) implica em redução davelocidade crítica de hunting, ou seja, deve-se “dosar” a ação sob pena de gerar um truquede grande capacidade de inscrição porém instável em velocidades mais altas. O paradoxodo curving versus o hunting é bem ilustrado por Joe Kalousek no ábaco da figura 9. O eixovertical do gráfico é a rigidez do truque à saída de esquadro (rigidez ao warp), e o eixohorizontal, a rigidez do truque em permitir o posicionamento radial dos rodeiros, conformeabordado no segundo tópico. As linhas cheias coloridas representam as velocidades críticasde hunting, e as pontilhadas coloridas o índice de desgaste de rodas. Percebe-se claramenteque quanto maior a rigidez ao warp e ao posicionamento radial do rodeiro (essa últimaprejudicial ao curving), mais estável ao hunting o truque se torna, porém o índice dedesgaste de roda pelo prejuízo ao curving se eleva. Em resumo, pode-se dizer que trata-sede um problema de solução de compromisso, como acontece em vários outros casosenvolvendo dinâmica.

FIGURA 9 – Curving versus hunting

A ESPECIFICAÇÃO PROPOSTA PARA O TRUQUE

Com base em toda a informação levantada e sabendo da necessidade de se obter umasolução de compromisso, além de não se esquecer dos fatores externos ao truque que

influenciam diretamente a sua performance, definiu-se a seguinte especificação de truquepara a ferrovia em questão utilizando como matriz um truque Ride Control original.

Configuração Básica (truque standard):

• Truque padrão AAR de 3 peças, de bitola de 1,60m, com pedestal estreito 6.1/2”x12”,com adaptadores estreitos para rolamento 6.1/2”x9”, apto a 32,5t brutas por eixo,fabricado em aço AAR M-201 grau B, com sistema de amortecimento por pressãoconstante (Ride Control).

• Dimensões Básicas:• Base rígida: 70” (1.778mm);• Centro a centro das mangas de eixo: 2.197mm;• Centro a centro dos ampara balanços: 1.397mm;• Prato de pião: diâmetro de 15”;• Altura do prato de pião ao nível do boleto do trilho: 704,8mm sob o vagão vazio;• Roda: diâmetro nominal de 36”.

• Suspensão:• Suspensão de duplo estágio com pacote padrão (2 por truque): 8 molas D3 externas,

3 molas D3 internas e 3 molas internas especiais (mais altas).

• Timoneria de freio:• Tipo inclinada (48º), com alavancas de 195mmx390mm e 140mmx280mm, e

graduação nominal de 547,5mm.

Melhorias para a operação na ferrovia em questão (truque customizado):

Para o truque customizado, foram adotadas as seguintes premissas de projeto:

a) redução do bending stiffness (rigidez ao posicionamento radial dos rodeiros);b) aumento do ângulo máximo de steering (giro para posicionamento radial) dos rodeiros;c) aumento do steering moment (momento de giro do rodeiro para posição radial) eproteção da roda;d) redução do momento resistente de giro do truque sob o vagão;e) aumento do shear stiffness (rigidez à saída de esquadro);f) redução dos desvios dimensionais (para garantia dos efeitos acima).

Para as premissas adotadas, as soluções técnicas foram:

a) Redução do bending stiffness:• Utilização de PAD (com 28mm de espessura) nos pedestais.

b) Aumento do ângulo máximo de steering dos rodeiros:• Aumento da folga nominal dos pedestais e redução de sua faixa de tolerância (nova

folga especificada: mín. 9,0mm e máx. 10,0mm).

c) Aumento do steering moment e proteção da roda:

• Uso de um novo perfil de roda de alta conicidade efetiva e menor tensão de contatoquando conjugado com os novos perfis de trilho aplicados na ferrovia, e de rodas emaço microligado (dureza de 380 à 415 BHN), mais resistentes às cargas térmicas.

d) Redução do momento resistente de giro do truque sob o vagão:• Utilização de lubrificação sólida no prato de pião;• Utilização de ampara balanço de rolete (com folga).

e) Aumento do shear stiffness:• Utilização de cunhas mais largas (desenho do Super Service Ride Control);• Redução do warp máximo da aranha através da redução das folgas dos gibs da travessa

(com usinagem dos gibs - internos e externos - e das colunas de fricção – na sualargura);

• Utilização de cross brace em 50% dos protótipos (para avaliação).

f) Redução dos desvios dimensionais:• Usinagem da base rígida (referenciada pelas colunas de fricção também usinadas) para

tolerância de +/-0,5mm (eliminação dos botões da lateral);• Usinagem das rampas do alojamento da cunha de fricção na travessa;• Usinagem das cunhas de fricção: no contato com a travessa e no contato com a coluna

de fricção da lateral;• Usinagem das orelhas de fixação dos adaptadores no PAD.

A figura 10 abaixo ilustra um dos protótipos do truque (sem o cross brace) no desembarquepara aplicação em teste.

FIGURA 10 – O primeiro protótipo

OS RESULTADOS ATÉ O MOMENTO, CONCLUSÃO E RECOMENDAÇ ÃO

Após um ano e sete meses de operação foi realizada uma análise detalhada de dois vagõescom os novos truques propostos. Observou-se nessa análise:

a) Ausência total de RCF nas dezesseis rodas analisadas;

FIGURA 11 – Exemplo do estado das rodas

b) Predominância de desgaste de pista de rolamento em relação ao desgaste de friso. Esseefeito era esperado uma vez que truques de boa performance em curva tendem aagredir menos os frisos. A média de desgaste de pista (hollow) foi de apenas 2,1mm, oque projeta a vida entre reperfilamento por hollow para mais de 3 anos. Dado que aremoção de material no torneamento devido ao hollow é muito inferior ao torneamentopara recomposição do friso, estima-se que possa ser realizado mais de 7 passes deusinagem nessa condição, gerando uma vida total de roda acima de 2,7 milhões de km,mais do dobro da vida atual, que é em torno de 1,1 milhões de km.

c) Baixo desgaste do sistema de amortecimento, provavelmente ajudado pelo bom ajustedimensional e chapas de desgaste adequadas. A vida estimada do sistema foi superior a5 anos na condição de operação atual, adequado ao plano de manutenção preventivo detruques da ferrovia, que possui ciclo de 4 anos. A verificação foi feita pela altura dacunha de fricção em relação à extremidade da travessa central.

d) Apesar do apertado ajuste dos gibs para redução do warp máximo do truque, o desgastetotal combinado (interno mais externo) foi inferior a 3,0mm nesse período, indicandoque a maior capacidade de manutenção do esquadro do sistema de amortecimento maisos cuidados dimensionais tomados ajudaram a reduzir as cargas sobre os gibs, mesmoapertados.

Como conclusão desse trabalho, pode-se dizer que a performance demonstrada pelosprotótipos ratifica os conceitos teóricos demonstrados, e de fato produziu ganhossubstanciais para a operação e manutenção (do material rodante e da via permanente), alémda redução de custos. Pode-se inferir também que o baixo desgaste principalmente dosfrisos de roda evidenciam baixa relação L/V atuante, o que reflete em maior segurançaoperacional. Desgastes baixos em rodas e trilhos representam menor energia dissipada paramovimento do trem, ratificando o ganho em eficiência energética da ferrovia. Arecomendação é a manutenção do teste pelo período de quatro anos, que equivale ao ciclode manutenção do truque na ferrovia em questão, podendo-se então apurar os ganhosfinais.