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INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

SEO DE FORTIFICAO E CONSTRUO

CURSO DE ESPECIALIZAO DE TRANSPORTES FERROVIRIO DE CARGA

MRS / VALE

BRUNO HERINGER PEREIRA

AUMENTO DA PRODUTIVIDADE SISTEMA CREMALHEIRA

Rio de Janeiro

2008

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INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

CURSO DE ESPECIALIZAO DE TRANSPORTES FERROVIRIO DE CARGA

MRS / VALE

BRUNO HERINGER PEREIRA

AUMENTO DA PRODUTIVIDADE SISTEMA CREMALHEIRA

Monografia apresentada ao Curso de Especializao

em Transportes Ferrovirio de Carga do Instituto

Militar de Engenharia, como requisito para

diplomao.

Orientador: Prof. Luiz Antonio Silveira Lopes, Dr.

Tutor: Mrio Eiras

Rio de Janeiro

2008

3

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

Praa General Tibrcio, 80 Praia Vermelha

Rio de Janeiro - RJ CEP: 22290-270

Este exemplar de propriedade do Instituto Militar de Engenharia e da MRS

Logstica, que poder inclu-lo em base de dados, armazenar em computador,

microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento.

permitida a meno, reproduo parcial ou integral e a transmisso entre

bibliotecas deste trabalho, sem modificao de seu texto, em qualquer meio que

esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadmica, comentrios e citaes,

desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referncia bibliogrfica

completa.

Os conceitos expressos neste trabalho so de responsabilidade do autor e do

orientador.

4

AGRADECIMENTOS

A Deus o criador de todas as coisas, Rei dos reis, Senhor do senhores e o nico

digno de toda honra e louvor.

Minha famlia pelo amor, carinho, dedicao, por todas as oportunidades que me

deram na vida, por me ensinarem a andar nos caminhos corretos.

A MRS Logstica pela oportunidade mpar de fortalecer cada vez mais meus

estudos e conhecimentos.

Agradecer meu tutor Mrio Eiras e ao orientador Silveira Lopes pela dedicao,

disposio, ateno e ajuda para o desenvolvimento deste trabalho.

5

SUMRIO

1 INTRODUO.....................................................................................................12

1.1 Objetivo.........................................................................................................13

1.2 Delimitao....................................................................................................13

1.3 Importncia do Estudo..............................................................................................14

1.4 Justificativa...............................................................................................................15

1.5 Organizao da Monografia......................................................................................15

2 HISTRICO e DESCRIO DO SISTEMA CREMALHEIRA...............................17

2.1 Eletrificao..............................................................................................................19

2.2 Sinalizao................................................................................................................22

2.3 Caractersticas da Locomotiva Hitachi.....................................................................24

2.3.1 Sistema de Truque.....................................................................................................24

2.3.2 Sistema de Freio........................................................................................................25

2.3.2.1 Freios de Emergncia................................................................................................25 3 OPERAO ATUAL DO SISTEMA CREMALHEIRA E SUAS DEFICINCIAS...26

3.1 Produtividade Atual do Sistema...............................................................................30 4 PROPOSTA PARA UMA NOVA OPERAO.......................................................31

4.1 Condies Gerais.......................................................................................................31

4.1.1 Testes Executados......................................................................................................32

4.1.2 Resultados dos testes..................................................................................................33

4.2 Simulao dos Diversos Cenrios..............................................................................35

4.3 Ganhos de Produo.......................................................................................................38

5 CONCLUSES E RECOMENDAES.......................................................................42 6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS............................................................................43 7 ANEXOS.........................................................................................................................44

6

LISTA DE ILUSTRAES

FIG.1 O Sistema cremalheira.............................................................................17

FIG.2 Esteira dentada........................................................................................18

FIG.3 Circuito de via...........................................................................................20

FIG.4 Circuito de via codificando e enviando sinais...........................................21

FIG.5 Princpio de funcionamento do sinal de cabine.........................................22

FIG.6 Filtros........................................................................................................22

FIG.7 Cabsinal....................................................................................................24

FIG.8 Cenrio sistema cremalheira...................................................................35

FIG.9 Novos cenrios.........................................................................................37

7

LISTA DE TABELAS

Grfico 1 Ciclo do sistema cremalheira...........................................................28

Grfico 2 Produtividade cremalheira................................................................30

Grfico 3 Volume de TU na cremalheira..........................................................30

Tabela 1 Clculo do headway e distncia.........................................................36

Grfico 4 Comparativo de TU entre os headways............................................40

Grfico 5 Aumento de TU entre os headways ( 6 min X 5 min ).......................40

Grfico 6 - Aumento de TU entre os headways ( 6 min X 4 min )........................41

Grfico 7 - Aumento de TU entre os headways ( 6 min X 3 min ).......................41

8

LISTA DE ABREVETURAS E SMBOLOS

9

LISTA DE SIGLAS

IRS Ptio de Raiz da Serra

ICG Ptio de Campo Grande

IPA Ptio de Paranapiacaba

IPG Ptio de Piaaguera

TB Tonelada Bruta.

TU - Tonela til.

CBTC - Communications Based Train Control

M - metro

Km - kilmetro

10

RESUMO

O presente trabalho traz o estudo da simulao do desempenho de composio

ferroviria em trao de cremalheira no trecho da serra de Paranapiacaba da MRS

Logistica S.A. O transporte realizado atravs de dez locomotivas eltricas em linha

singela utilizando o sistema Pinho-Cremalheira (um terceiro trilho que se acopla a

uma engrenagem presente nas mquinas). A operao realizada ciclicamente

24hrs / 360 dias , de modo que pequenas melhorias acarretam volumes

significativos de transporte. A reduo de um minuto em uma das operaes permite

mensalmente o transporte de 60.000 toneladas adicionais.

A metodologia tem como base a reduo dos circuitos de via codificados e a

diminuio do headway de partida o que proporciona um aumento de 7,93% na

produtividade do sistema cremalheira, levando em considerao os limites da curva

de frenagem para uma operao segura.

A aplicao da metodologia dada atravs da simulao da composio no

trecho da Serra de Paranapiacaba em viagem de subida e descida e para tanto, esta

desenvolvido num modelo de simulao utilizando planilha excel.

11

ABSTRACT

The present study refers to the simulation of the performance of a train in rack

rail traction on the Paranapiacada hill property of MRS Logstica. Transportation is

made on 10 electric engines on a single line using the rack and pinion system (a third

rail that couples with a gear located in the engine). The operation is realized in a

round-the-clock basis, 360 days/year, so that little improvements increase

significantly the capacity of transportation. The reduction of one minute in one of the

operations means the transportation of an additional 60.000 tons/month.

The methodology used is based on circuit reduction of codified rails and the

reduction of start headway, which increases productivity of rack rail system by

7.93%, taking into consideration the limits of break turns for a safe operation.

The application of this methodology is given trough the simulation of the train on

the way up and down to the Paranapiacaba hill. The simulation model developed is

referred on an excel spreadsheet.

12

1 INTRODUO

Grande parte do escoamento da produo da MRS feita pelo Sistema

Cremalheira , localizado na Serra do Mar, e pela simples aderncia que liga So

Paulo Baixada Santista. Este sistema apresenta-se numa regio com uma rampa

de inclinao de 10% e formado por uma esteira dentada de aproximadamente 8,5

km de extenso que se encaixa na engrenagem das locomotivas Hitachi puxando-as

para cima e auxiliando-as na descida.

Vrios estudos j foram feitos para otimizar ao mximo o tempo ocioso do

sistema cremalheira, utilizando-se inmeras combinaes de formao entre as

locomotivas Hitachi como duplas, triplas, quadras, etc, tanto para as descidas

quanto para as subidas. As combinaes so espaadas por um intervalo de tempo

- headway - de 6 minutos.

A sinalizao ao longo do sistema, feita por circuitos de via divididos por

blocos de ocupao de 400 metros cada, que ajudam a manter a segurana

operacional. Quando um trem ocupa o circuito de via o bloco fica ocupado no

podendo dois trens ocuparem o mesmo bloco simultaneamente , a no ser em casos

de excees com autorizao do CCO.

Com o crescimento da atividade industrial e o

aumento das exportaes brasileiras pelo porto de

Santos, o fluxo de cargas entre o Planalto Paulistano e a

Baixada Santista vital para nossa economia passou a

apresentar um n logstico e ambiental. urgente desat-

lo.

No transporte de minrio de ferro por exemplo, das

6,5 milhes de toneladas/ano que abastecem a Cosipa,

em Cubato, 5 milhes de toneladas (77%) so escoadas

13

por ferrovia pela MRS e o restante, pela Via Anchieta.

Essas 5 milhes de toneladas de minrio, que hoje

descem por ferrovia, vencem o desnvel da Serra do Mar

por um sistema de cremalheira, onde as locomotivas

engatam uma roda dentada num trilho central, para

garantir uma descida segura.

O minrio ocupa 70% da utilizao da cremalheira,

que morosa e tem capacidade de transporte insuficiente

para atender as demandas de carga destinadas a Baixada

e ao Porto de Santos. Uma limitao que traz reflexos

negativos para as exportaes e para o desenvolvimento

nacional. (...) (Fontana, Jlio. TCLD - 2006).

O sistema cremalheira torna-se ento um limitador para o escoamento das

cargas da MRS Logstica. A busca pelo aumento da produtividade uma constante

e a operao otimizada a chave para se alcanar este objetivo.

1.1 OBJETIVO

Este trabalho possui como objetivo a reduo do Headway de partida

independente da formao do trem (dupla, tripla, quadra, etc) e a diminuio do

tamanho do circuito de via, visando uma operao ferroviria segura, diminuio no

tempo do ciclo e consequentemente um aumento na produtividade do Sistema

Cremalheira.

1.2 DELIMITAO

Este trabalho demonstra testes e medies realizados em campo que foram

utilizados em uma simulao atravs de planilha excel, cujo objetivo aumentar a

produtividade de uma operao de transporte ferrovirio em um trecho de serra.

14

Planeja-se atingir este aumento atravs da diminuio do circuito de via e reduo

no tempo de partida, considerando uma curva de frenagem segura para operao.

1.3 IMPORTNCIA DO ESTUDO

A subida do trecho da Serra do Mar, em So Paulo, constitui uma das operaes

mais complexas do sistema ferrovirio brasileiro. Em uma regio de topografia

acidentada, foi construdo um sistema ferrovirio nico que opera com equipamentos

exclusivos e em linha dedicada. Por esta regio passa toda a carga para exportao

atravs do porto de Santos, um dos maiores do pas, alm da carga de consumo das

indstrias siderrgicas da regio.

Com uma demanda de carga muito superior a sua capacidade, uma operao

contnua, equipamentos com vida til muitas vezes j superada, a operao deste

trecho se torna complexa e as melhorias representariam ganhos financeiros

significativos.

Estes ganhos, podem vir do controle de falhas, atuando nos pontos mais frgeis,

como o controle de perdas de tempo na operao e na melhoria do processo. Para

se ter uma idia da sensibilidade do sistema, a pequenas melhorias, um ganho de

apenas 1 minuto em uma das operaes gera ao fim do dia a possibilidade de

execuo de mais uma viagem, ou seja, 2000 toneladas a mais por dia ou 60.000

toneladas em um ms.

Existe um outro trecho alternativo que permite transportar cargas do planalto

para o litoral, que seria um caminho alternativo para este. No entanto, este no

pertence concesso da MRS Logstica e, portanto sua utilizao dependeria de

acordos e pagamentos de tarifas. Outras maneiras de se transportar a carga j

foram extensivamente estudadas, como esteiras transportadoras, cujo custo de

implantao elevadssimo.

15

O transporte de minrio para alimentao da indstria siderrgica da regio

corresponde a maior parcela da carga do trecho. Uma outra alternativa para esta

indstria seria o transporte por cabotagem, utilizando seu prprio porto particular.

Entretanto, o transporte ferrovirio possui tarifas mais competitivas que

conseguem ser mais atraentes do que qualquer outro modal.

A soluo para o aumento da produo reside apenas na diminuio do circuito

de via e reduo no tempo de partida, visto que no existem alternativas de

expanso, de uso de outra rota ou de outro meio de transporte. Logo todos os

esforos devem se voltar para melhorar a utilizao, a eficincia e a produtividade

do sistema.

1.4 JUSTIFICATIVA

Com o aumento da produo industrial demandando um transporte ferrovirio

cada vez mais rpido e com a entrada do sistema CBTC (Communications Based

Train Control) que prev uma circulao de trens a cada 15 minutos em mdia na

MRS Logstica, espera-se um maior nmero de composies parados no ptio de

Paranapiacaba e um aumento na fila para o escoamento das cargas pelo sistema

cremalheira.

1.5 ORGANIZAO DA MONOGRAFIA

Esta monografia est organizada em 6 (seis) captulos, sendo:

Captulo 2 : Histrico e Descrio do Sistema Cremalheira.

Captulo 3: Operao Atual do Sistema Cremalheira e suas Deficincias.

Captulo 4: Proposta para uma Nova Operao.

16

Captulo 5 : Concluses e Recomendaes;

Captulo 6: Referncias Bibliogrficas

17

2 Histrico e Descrio do Sistema Cremalheira

Figura 1 O Sistema Cremalheira

No final da dcada de 1960 a E.F. Santos a Jundia desenvolveu estudos mais

detalhados sobre a implantao do sistema de trao por cremalheira-aderncia em

seu trecho de transposio da Serra do Mar. O projeto inicial foi desenvolvido em

colaborao com as empresas English Electric e SLM -Schweizerischen Lokomotiv-

und Maschinenfabrik Winterthur, esta ltima fabricante sua de locomotivas de

cremalheira. O projeto inicial previa o uso de duplas de locomotivas eltricas B-B de

86 toneladas para tracionarem trens de 500 toneladas brutas ao longo do trecho de

serra com o auxlio de cremalheira Riggenbach. Neste caso 2/3 do esforo de trao

seriam aplicados sobre a cremalheira, ficando 1/3 para a simples aderncia. O

projeto final contou tambm com a colaborao da Brown-Boveri. A viabilidade

econmica do projeto foi demonstrada em estudos executados em 1969 pela

RFFSA, fazendo com que o Banco Nacional de Desenvolvimento Econmico -

B.N.D.E. concedesse financiamento para as obras, que se iniciaram em 1970.

As mquinas e a linha possuem caractersticas prprias. A linha possui entre os

trilhos uma esteira dentada, que se acopla a uma roda especial presente no centro

18

da locomotiva. Isto o chamado Sistema Cremalheira. este sistema o responsvel

pela capacidade das mquinas de transitarem pelo trecho de alta inclinao de

maneira bastante segura. A aderncia de uma locomotiva o fator que determina

sua capacidade de tracionar carga e determinada por parmetros como peso da

locomotiva, condies climticas e da superfcie de contato entre as rodas e o trilho.

Neste trecho, devido a alta inclinao, a aderncia de mquinas convencionais no

suficiente para transportar em alguns casos nem mesmo o peso da prpria

locomotiva. Outro problema a frenagem nos momentos de descida, que se feita da

forma convencional gera risco de descarrilamento pois as rodas no so capazes de

dissipar todo o calor gerado pela frico das sapatas de freio durante toda a descida.

O sistema cremalheira encontra-se no trecho que liga o Ptio de Paranapiacaba

ao Ptio de Raiz da Serra composta por uma rampa com 8 quilmetros de extenso

e 10% de inclinao mxima, sob velocidades mdias de 28 km/h (subindo) ou 22

km/h (descendo); em trechos planos as locomotivas podem atingir at 40 km/h.

O sistema cremalheira ento usado como soluo para todos estes problemas.

Figura 2 Esteira Dentada

A implantao do Sistema Cremalheira, efetuada ao longo da chamada linha da

Serra Velha, exigiu uma grande interveno local, incluindo a substituio de trilhos,

19

instalao da cremalheira, execuo de obras de arte, via permanente, eletrificao,

sinalizao e locomotivas apropriadas (Hitachi).

2.1 ELETRIFICAO

A eletrificao foi feita ao longo dos doze quilmetros de extenso da Serra

Velha e incluiu os novos ptios implementados com o sistema de cremalheira, tendo

sido usados prticos de ao galvanizado e catenria de cobre eletroltico e

cobrecdmio.

Um detalhe interessante est no fato de que as linhas de contato so duplas, a

fim de se evitar qualquer possibilidade de falha de contato, o que poderia causar um

desastre com a locomotiva tracionando composies sob os fortes gradientes que a

linha tem na regio da Serra do Serra do Mar. A alimentao do sistema feita por

duas subestaes, uma de 9.000 KW em Raiz da Serra e outra de 12.000 KW em

Paranapiacaba, ambas alimentadas pela concessionria pblica de eletricidade - na

poca, a Light Servios de Eletricidade S.A.

2.2 SINALIZAO

O sistema de sinalizao fornece ao centro de controle todas as indicaes de

situao e posio de equipamentos e trens.

Alm de propiciar facilidades operacionais para execuo, controle,

gerenciamento e segurana da circulao de trens, o sistema de sinalizao

proporciona aumento real da capacidade de trfego na ferrovia ao permitir um

aumento da velocidade nominal e comercial dos trens.

No sistema de sinalizao o sinal o equipamento que licencia o maquinista

para conduzir seu trem, atravs da seo de bloqueio frente, at o prximo sinal.

O sinal o interface homem-mquina, entre o maquinista e o sistema de sinalizao

20

e de importncia vital pela informao que transmite. Sua informao deve ser clara,

de fcil visualizao, interpretao e em hiptese nenhuma suscitar qualquer dvida.

A informao para o sinal de cabine, instalado dentro da locomotiva, vem

atravs dos trilhos, utilizando a estrutura dos circuitos de via. A FIG. 3 mostra como

funciona um circuito de via.

Figura 3 Circuito de via

O circuito de via um circuito eltrico que tem os trilhos da ferrovia como

condutores. utilizado para detectar a presena do trem na via, a partir do curto-

circuito provocado pelos rodeiros deste trem nos trilhos. Como os trilhos so os

condutores eltricos entre a transmisso e a recepo do circuito de via, um trilho

quebrado ser imediatamente detectado quando interromper o circuito.

21

Na FIG. 4 vemos um circuito de via operando com a presena do rodeiro de um

trem.

Figura 4 Circuito de via codificando e enviando sinais

O circuito de via do sistema cremalheira opera na freqncia industrial de 60 Hz

e possuem o tamanho de aproximadamente 400 metros. Esses 60 Hz so

codificados em pulsos e aplicados aos trilhos para serem captados, atravs de

induo eletromagntica, por antenas instaladas na locomotiva prximas aos trilhos.

Na FIG. 5 mostramos o cdigo de cabsinal sendo captado nos trilhos e, na FIG. 6 o

sinal de 60 Hz codificado, com seus significados.

22

Figura 5 Princpio de funcionamento do sinal de cabine.

Configurao dos cdigos de 120 e 180 ppm ( pulsos por minuto ), a partir de um

sinal de 60 Hz :

Figura 6 - Filtros

Na realidade, para garantir segurana na informao, o filtro mostrado na Fig. 6

sintonizado nas freqncias de 2 e 3 Hz, provenientes dos 60 Hz pulsados em 120

e 180 pulsos por minuto, respectivamente. Qualquer outro sinal ou ausncia de sinal

23

bloqueado pelo filtro e o equipamento interpretar como sinal restritivo, mostrando

o aspecto vermelho.

Toda a segurana est no ATS (Parada Automtico de Trens) que um

subsistema de um sistema de sinalizao que, montado a bordo das locomotivas,

o responsvel pela apresentao das ordens de licenciamento dos trens ao

Maquinista (na forma de sinais luminosos, chamado de cabsinais ou sinais de

cabina) e tambm pela superviso da velocidade dos trens. Colocar o trem em

movimento, definir as velocidades, frear, etc. so atribuies do Maquinista. O ATS

mostra quais so os limites e assume a frenagem do trem quando estes limites so

ultrapassados.

O ATS concebido usando como base a tecnologia FAIL SAFE ou falha

segura, onde qualquer falha a favor da segurana. E nesta linha um dos elementos

vitais do ATS o sistema de tratamento de cabsinais. Os Cabsinais so recebidos

dos trilhos, enviados pelo sistema de sinalizao centralizado CCO, tratados,

processados e mostrados ao maquinista pelo ATS. Como o sistema usa um nico

meio de transmisso (trilhos) estes cabsinais precisam sem diferenciados por um

processo de codificao de freqncias. E justamente a escolhas dessas

freqncias passa a ser item vital do sistema de ATS. Nelas esto apoiadas todas

as questes fail safe e de segurana do ATS. Jamais o ATS pode confundir uma

freqncia com outra, pois um tratamento errado poderia provocar um acidente de

grande proporo.

24

Figura 7 - Cabsinal

2.3 CARACTERSTICAS DA LOCOMOTIVA HITACHI

2.3.1 SISTEMA DE TRUQUE

O truque formado por ao estampado e soldado. A suspenso entre os

mancais e a estrutura do truque feita por meio de molas helicoidais com

amortecedores hidrulicos. Os eixos de acionamento so de ao equipados com

mancais de rolamento. As rodas de aderncia so de ao fundido com aros de ao.

As caixas de areia localizam-se no par de rodas externas de cada truque e a direo

de sua operao ser comandada automaticamente, de acordo com a direo do

percurso.

O mecanismo de engrenagem retrtil composto dos cilindros de ar e de

mecanismo de travamento, que so levantadas por um sistema pneumtico

mantidas a uma altura mnima de 52 mm acima do nvel dos trilhos. As engrenagens

retrteis so firmemente travadas s duas extremidades opostas (tanto na posio

de levantadas como de descidas) pelo dispositivo de tracionamento composto de

mola e cunha.

Quando em operao so baixadas e ficam ligadas automaticamente ao circuito

de sincronizao dos motores de cremalheira. Se esta srie de movimentos no for

25

completa dentro de determinado perodo de tempo, aps as operaes e movimento

iniciais do maquinista, o freio a ar sobre a superfcie de rolamentos das rodas de

aderncia atua imediatamente e o trem detido automaticamente sem qualquer

interveno por parte do maquinista. No caso do maquinista negligenciar uma das

operaes adequadas, um interruptor detecta o fato e faz com que a locomotiva

aplique freio automaticamente.

2.3.2 SISTEMA DE FREIO

O sistema de freio formado pelo freio reosttico (dinmico) e pelo freio a ar

comprimido.

O sistema de freio a ar aplica fora de frenagem maior do que a normal, quando

o maquinista opera a alavanca do freio para a posio emergncia. O sistema

inclui o dispositivo coordenador com o freio reosttico da locomotiva, a fim de evitar

a coincidncia de atuao dos dois freios. Quando o trem vier a partir-se na parte

central, ou entre as duas locomotivas, a chave de presso prevista na tubulao do

freio detecta o fato e desliga imediatamente os circuitos de freios de fora-dinmica

e, ao mesmo tempo, entra automaticamente em funcionamento o freio de

emergncia a ar comprimido.

2.3.2.1 FREIOS DE EMERGNCIA

Por questo de segurana as locomotivas Hitachi possuem trs tipos de freio de

emergncia:

Freio dinmico de emergncia: o freio dinmico de emergncia que pode ser

utilizado quando faltar energia na rede area de alimentao.

Previso de motor diesel de emergncia para o compressor de ar: em caso de

emergncia, quando falharem os circuitos do freio dinmico, o freio a ar

comprimido ser substitudo, evitando automaticamente excesso de velocidade

do trem. Nesse caso, se o sistema de ar comprimido no pode ser alimentado

26

pelo compressor propulsionado pelo motor eltrico, o motor diesel de emergncia

pra o compressor e entra em funcionamento automaticamente.

Freio mecnico a mola: o freio a mola ser utilizado em caso de emergncia se

houver qualquer movimento de retrocesso na viagem sentido ascendente e,

ainda, em caso de emergncia quando faltar ar comprimido. Funciona em virtude

da presso da mola e solta-se por meio de ar comprimido, ou mediante operao

manual do parafuso, se necessrio. Como o freio a mola pode ser empregado

quando faltar ar comprimido, podero ser usado como freio de estacionamento,

durante longos perodos no aclive mximo.

No caso de vir a ser excedido a velocidade mxima especfica, o freio a ar

comprimido ser aplicado automaticamente e o circuito de freio dinmico ser

cortado imediatamente, e ento o freio a ar comprimido reduzir a velocidade da

locomotiva at a velocidade adequada para a frenagem dinmica, sendo que o seu

circuito ser novamente fechado e o freio a ar comprimido ser tambm automtico

e gradualmente reduzido, de forma a no provocar deslizamento das superfcies de

rolamento. Esta frenagem feita com uma desacelerao mnima de 0,5 metros

sob quaisquer condies.

3 OPERAO ATUAL DO SISTEMA CREMALHEIRA E SUAS DEFICINCIAS.

No ptio de Campo Grande chegam os trens oriundos do ramal de So Paulo. A

composio dividida em blocos contendo 5 vages dando um total de 500

toneladas, onde so levados para o ptio de Paranapiacaba e colocados nas

chamadas linhas de descida. A linha de descida formada por quatro ramais onde

os blocos ficam aguardando a chegada das locomotivas Hitachi, que vem em

duplas. As duplas sempre operam abaixo da composio, empurrando-as na subida

ou suportando seu peso na descida.

Para a descida os mais comuns so vages de minrio, mas h tambm viagens

com contineres e vages de celulose. Dentre estes trs, os de celulose so sempre

27

prioritrios. Outra dificuldade que precisa ser freqentemente contornada so os

intervalos de passagem no trecho da Companhia Paulista de Trens Metropolitanos.

Muitas das viagens provenientes da cremalheira necessitam passar por um trecho

compartilhado pela MRS e pela CPTM dentro de So Paulo. Neste trecho, existem

alm de diversas restries de velocidade e peso, limitaes de horrios nos quais

um trem pode trafegar. Dessa maneira, um trem precisa ter sido completamente

transportado pela serra at o horrio limite de modo que ele chegue a So Paulo

antes que o intervalo permitido pela CPTM expire.

Hoje existem dez mquinas sendo quatro duplas trabalhando na serra e duas

outras que permanecem sempre de prontido para substituir as que se avariem. Nos

momentos em que no h carga para subir, duas duplas podem ser acopladas

formando uma quadra. Nesta formao, apenas uma das duplas responsvel pela

trao e a outra dupla permanece desligada atuando como carga. Alm do benefcio

da economia de energia eltrica, esta formao reduz em alguns minutos o tempo

total de um ciclo.

O trajeto todo sinalizado e caso em algum momento esta distncia de

segurana deixar de ser respeitada o maquinista receberia primeiro sinalizao

amarela, indicando a presena de um obstculo frente e em seguida vermelha que

lhe obrigaria a parar. Uma parada na serra sempre indesejvel, pois exige um

enorme esforo dos equipamentos para retomarem o movimento.

Devido a esta restrio, a operao em quadras se torna vantajosa porque ao

subir, um dos intervalos de espera suprimido, o que demanda menos tempo. Outra

restrio existente na serra so as subestaes eltricas, porque de acordo com o

seu projeto, elas so capazes de fornecer o suficiente para se alimentar apenas trs

duplas simultaneamente na serra.

O consumo eltrico adicional de uma locomotiva na serra causaria uma queda

de tenso que provocaria diversos problemas. Um deles o desligamento das

mquinas por falta de corrente. Como no h energia para todas as mquinas,

28

aquela que estivesse demandando mais energia se desligaria automaticamente

atravs dos seus dispositivos de proteo.

Por tudo isso a subida em quadra (duas duplas acopladas) vantajosa. Como

uma destas duplas estaria desligada, possvel subir todas as viagens sem

necessidade de espera, afinal somente trs duplas estaro tracionando. Uma quadra

com uma das duas duplas desligada e logo em seguida as duas outras duplas.

Grfico 1 Ciclo do Sistema Cremalheira

De acordo com o grfico 1 a primeira dupla sai de Paranapiacaba e aps atingir

trs sees do bloqueio, aproximadamente 1200 metros, iniciada a partida da

segunda dupla. O mesmo acontece para a terceira e quarta dupla. O espaamento

entre os trens chamado de headway (H1) definido por um intervalo de tempo de

seis minutos.

29

Quando a primeira dupla chega ao ptio de Raiz da Serra efetuada a manobra

nas linhas de chegada (H2) deixando o primeiro bloco de vages. Enquanto a

primeira dupla executa a manobra a segunda dupla adentra ao ptio deixando mais

um bloco e assim por diante.

A partir do momento que a quarta dupla desocupa a seo de bloqueio da via

(TTD), a primeira e a segunda dupla sobem com vages vazios respeitando o

headway de 6 minutos. A terceira e quarta dupla sobem sentido Paranapiacaba no

formato de quadra (TTS).

Todo este ciclo se d em aproximadamente 91 minutos, chamado de tempo total

do ciclo .

A programao diria da serra feita pela manh, com base nas informaes de

demanda dos clientes e na previso de chegada dos trens. Alguns trens possuem

prioridade de passagem e assim que chegam, seu transporte logo iniciado. Outros

trens so expressos e possuem hora definida de sada. H tambm os trens que

precisam passar pela CPTM (Companhia Paulista de Trens Metropolitanos), que

possui horrios definidos para se trafegar em seu trecho. Estes trens tambm

possuem restries de horrio para passar pela serra.

Outros ajustes mais finos podem ser necessrios de acordo com a demanda dos

clientes. Isto ocorre com freqncia com os vages de soja. Se um dos clientes

estiver com falta de vages para serem descarregados e outro estiver bem suprido,

ento a prioridade de passagem na serra ser dos vages daquele cliente com

necessidade mais imediata.

30

3.1 PRODUTIVIDADE ATUAL DO SISTEMA

Grfico 2 Produtividade Cremalheira

De acordo com os grficos 2 e 3 a meta de descida e o volume de TU vem

aumentando com o passar dos anos, mas no de uma forma significativa, pois o

sistema fica limitado na formao das duplas (melhor combinao e produtividade

conforme j estudado em outros trabalhos), tamanho do circuito de via e no

headway de partida. A soluo ento partir para a diminuio do circuito de via e

reduo do headway.

Grfico 3 Volume de TU na Cremalheira

Produtividade da Cremalheira

53,055,1

57,2

52,9 51,9

57,654,2

57,560,8

56,359,5

40

45

50

55

60

65

SUBIDA 44,0 43,3 43,2 40,2 39,4 42,0 40,9 43,1 45,1 44,2 42,1

DESC REAL 53,0 55,1 57,2 52,9 51,9 57,6 54,2 57,5 60,8 59,5 56,3

+ FALTA CARGA 57,2 59,8 58,3 55,1 58,5 57,9 61,1 62,0 59,9 59,0

META 53,0 56,6 59,7 56,9 52,1 61,3 60,1 61,2 62,2 60,8 59,2

2005 2006 2007 JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 2008

VOLUME DE TU NA CREMALHEIRA

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

800.000

900.000

2004 626.024 540.855 540.704 625.828 635.614 606.956 578.894 615.447 617.935 653.253 659.850 679.370

2005 631.266 604.898 647.182 653.459 692.191 672.141 592.696 724.954 661.072 693.869 695.453 654.324

2006 674.989 604.208 733.059 711.895 742.345 598.149 685.379 697.552 631.718 716.016 680.677 712.064

2007 682.101 617.062 717.493 762.980 754.412 755.139 736.974 779.915 699.589 692.430 697.774 683.981

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

31

4 PROPOSTA PARA UMA NOVA OPERAO

Como proposta para um aumento da produtividade do sistema cremalheira

atravs da diminuio do circuito de via e a reduo do headway , foram feitos testes

em campo do sistema de freio e a partir dos resultados obtidos definiu-se o novo

headway e o novo tamanha do circuito de via, visando uma curva de frenagem

segura sem afetar a segurana operacional.

4.1 CONDIES GERAIS:

Os testes foram realizados com 500 toneladas brutas tracionados por duas

locomotivas, sendo o comando feito alternadamente com uma e outra locomotiva .

Os testes de trao em cremalheira, foram realizados no trecho em rampa de 10% e

extenso de 8 km situado entre Raiz da Serra e Paranapiacaba.

Para estes testes as locomotivas foram conjugadas na seguinte ordem:

2001 2002

2003 2004

2005 2006

2007 2008

Os trens utilizados nos testes foram sempre formados com os seguintes vages:

32

4.1.1 TESTES EXECUTADOS

a) Testes de trao em aderncia.

b) Teste do freio de ar em aderncia.

c) Entrada e sada da cremalheira.

d) Teste das bobinas de controle de entrada e sada de cremalheira.

e) Operao normal de subida e descida no trecho cremalheira, com trao na

subida e freio dinmico na descida.

f) Teste do freio a ar, em aplicaes normais de servio.

g) Teste de partida do trem da rampa.

h) Teste de freio de mola para estacionamento.

i) Teste de freio de ar com aplicaes de emergncia na composio (locomotivas

mais vages).

j) Teste do freio a ar com aplicaes de emergncia nas locomotivas (vages

isolados).

k) Teste de freio conjuntamente com aplicao de freio de vages.

l) Teste de freio de mola sem a aplicao do freio dos vages (vages isolados).

m) Teste provocando falta de freio dinmico com a aplicao de freio dos vages.

n) Teste provocando falta de freio dinmico sem a aplicao de freio dos vages

(vages isolados).

33

o) Teste do freio de mola, sem a aplicao do freio de ar das locomotivas e dos

vages (vages isolados) com freio dinmico.

p) Teste de freio de mola, sem a aplicao do freio a ar da locomotiva, e dos

vages (vages isolados) e sem atuao do freio dinmico (sobre velocidade).

q) Teste de falta de trao (recuo-alavanca do controle em posio zero).

r) Teste resultante de falta de energia eltrica com o trem em descida.

s) Teste provocando defeito em uma locomotiva, durante a descida.

t) Teste de atuao do vigilante (homem-morto).

4.1.2 RESULTADO DOS TESTES

a) Foi considerada a eficincia da trao no trecho Paranapiacaba-Campo Grande

e vice-versa, sempre com carga de 500 toneladas.

b) Confirmada tambm a eficincia da frenagem nos moldes do item a.

c) Os testes foram normais nas entradas e sadas da cremalheira com carga de

500 toneladas.

d) Na entrada e sada da cremalheira, tanto na Raiz da Serra como em

Paranapiacaba, foram colocados nas linhas, em pontos previamente estudados,

diversas bobinas de ressonncia calibradas para frequncias diferentes que

controlam as operaes executadas pelo maquinista, antes de entrar no trecho

em rampa. Na hiptese de qualquer uma dessas operaes no ter sido

devidamente executada, os freios de emergncia entram em ao parando o

trem. Foram testadas todas as locomotivas na travessia dessas bobinas

provocando propositalmente falhas de operao, constatando a eficincia do

34

sistema que provocou sempre a parada do trem, por aplicaes de emergncia,

quando da existncia de falhas de operao.

e) Foi satisfatoriamente comprovada a realizao das viagens de subida e descida

entre Raiz e Paranapiacaba com trens de 500 toneladas brutas. Na subida, a

voltagem mnima foi de 2 800 volts, a corrente mxima de 400 mperes e a

velocidade de 25 km/h. O tempo do percurso foi de 23 minutos. Na descida, a

velocidade mxima dos motores foi de 2 100 volts, a corrente gerada foi de 300

mperes e velocidade de 22 km/h e o tempo do percurso de 27 minutos.

f) Foram efetuadas diversas paradas do trem, tanto na subida como na descida,

com aplicaes parciais do freio a ar (aplicaes de servio), sendo os

resultados perfeitamente satisfatrios.

g) Em subida foram efetuadas diversas paradas e partidas do trem confirmando a

plena capacidade das locomotivas em reiniciar a marcha do trem, aps parada

em rampa.

h) Confirmada a eficincia do freio do estacionamento, para os fins a que se

destina apenas com freio de mola.

i) Os resultados em anexos, consignam os resultados obtidos para cada um dos

itens, sendo todos considerados satisfatrios. (ver ANEXO 1 12)

j) Em subida, por defeito da locomotiva ou falha de fora na rede area, faltando

trao, o trem tende a recuar. Nessa hiptese, o freio aplica incontinente

emergncia. Resultados considerados satisfatrios. (ver ANEXO 7).

k) Por falta de fora na rede area, por perodo prolongado, o trem pode retornar a

Raiz da Serra por seus prprios recursos, descendo em frenagem dinmica a 11

km/h e com o compressor diesel mantendo a presso a ar na locomotiva para

fins de frenagem, se necessrio. Os resultados obtidos nessas experincias

foram considerados satisfatrios. (ver ANEXO 9).

35

l) Qualquer defeito que venha a ocorrer nas locomotivas, quando em viagem de

subida ou descida, resulta na imediata aplicao dos freios de emergncia.

Foram provocados artificialmente o aparecimento de diversos defeitos,

especialmente pelo desligamento de ventiladores, compressores e outros

equipamentos auxiliares e mesmo falha de freio dinmico, resultando sempre na

imediata parada do trem pela aplicao dos freios de ar. (ver ANEXO 9).

m) As locomotivas esto equipadas com dispositivo que controla a permanente

ateno do maquinista (homem-morto), mediante pedal, que exige um

acionamento em intervalos regulares, sob pena de aplicao dos freios de

emergncia. Esse equipamento foi testado em todas as locomotivas e os

resultados foram considerados satisfatrios. (ver ANEXO 10).

n) Foi constatado nos testes de frenagem por aplicao de emergncia pelo freio

automtico que a composio no excedeu uma distncia de 54 metros at a parada

total do trem(ver ANEXO 12).

4.2 SIMULAO DO NOVO CENRIO

Com os testes de frenagem realizados em campo, observou-se que no pior

caso, uma composio de 500 toneladas h uma velocidade de 22 Km/h demora 9

segundos para sua parada total que corresponde a 54 metros. A maior composio

que desce a cremalheira possui 5 vages de 25 metros e duas locomotivas de 15

metros totalizando um trem de 155 metros de comprimento.

Atualmente a distncia entre as composies de 1600 metros (quatro circuitos

de via) por um intervalo de 6 minutos que garante uma margem de segurana de

1546 metros em relao ao trem da frente, caso ocorra alguma eventualidade

requerendo a parada total da composio, conforme FIG.8 abaixo:

36

Figura 8 - Cenrio Sistema Cremalheira

Como em 1600 metros tem-se um headway de 6 minutos e o movimento

retilneo uniforme, fazendo uma regra de trs simples calcula-se os seguintes

headways:

Tabela 1 Clculo do headway e distncia

37

A operao na cremalheira exige no mnimo 4 circuitos de via entre um trem e

outro o que garante a restrio de velocidade ao longo da via (Vma, Vr e Vl) sem

reduzir a velocidade de descida de 22 Km/h. Como o tamanho do trem de 155

m o headway utilizado tem que ser maior ou igual a :

Tamanho do circuito de via = 155 * 4 = 620 metros.

Portanto os headways de 3, 4, 5 e 6 minutos atendem as exigncias de

segurana e operacionais da cremalheira conforme FIG 9.

Figura 9 - Novos Cenrios

38

4.3 GANHOS DE PRODUO

Tomando como base os estudos mencionados no tpico acima tem-se os

seguintes ganhos de produo:

Headway de 6 minutos (atual):

Headway de 5 minutos:

39

Headway de 4 minutos:

Headway de 3 minutos:

* No ptio de Paranapiacaba a manobra passa pela linha de chegada da serra onde o tempo

mnimo para se manobrar de uma linha para a outra de 4 minutos, o que inviabiliza um

headway de 3 minutos.

40

Conforme as tabelas acima observa-se que com a diminuio dos headways

ocorre um aumento nas quantidades de descidas, diminuio no tempo do ciclo e

principalmente aumento na produtividade do sistema cremalheira.

Fazendo uma anlise grfica tem-se os seguintes ganhos de TU:

Grfico 4 Comparativo de TU entre os Headways

Grfico 5 Aumento de TU entre os headways ( 6 min X 5 min )

1 1 .718 .000

12 .090 .0 00

12 .64 8 .000

13 .020 .0 00

6 min 5 min 4 min 3 min

1 1 .7 1 8 .0 0 0

1 2 .0 9 0 .0 0 0

6 min 5 min

3,17 %

41

Grfico 6 - Aumento de TU entre os headways ( 6 min X 4 min )

Grfico 7 - Aumento de TU entre os headways ( 6 min X 3 min )

Reparem que para um headway de 5 , 4 e 3minutos tem-se um ganho de 3,17%,

7,93% e 11,11% respectivamente.

1 1 .7 1 8 .0 0 0

1 2 .6 4 8 .0 0 0

6 m in 4 m in

7,93 %

1 1 . 7 1 8 . 0 0 0

1 3 . 0 2 0 . 0 0 0

6 m i n 3 m in

11,11 %

42

5 CONCLUSO e RECOMENDAES

Em todas as experincias realizadas, quer em trao ou frenagem, resultantes

de paradas por aplicaes de servio por emergncia ou alta emergncia, em

nenhum caso foi observado qualquer remonte dos dentes das rodas dentadas das

locomotivas sobre cremalheira, ficando ao contrrio todas elas sempre perfeitamente

engrenadas, permitindo, sem maiores dificuldades, a continuao das viagens, quer

em sentido ascendente ou descendente. A distncia mxima percorrida para a

parada total da composio no foi em nenhum momento superior a 54 metros. A

prpria cremalheira fixada ao longo da linha, tambm no demonstrou nenhuma

anormalidade, aps numerosas aplicaes de emergncias realizadas no mesmo

local.

Para o circuito de via foi feito um clculo terico que permite a diminuio do

bloco de 400 metros para 267 metros com um headway de 4 minutos, garantindo a

segurana operacional do sistema. Este passaria de 22 para 33 circuitos de via

permitindo um aumento anual de 7,93% de produtividade. Lembrando que os

estudos de viabilidade econmica referente as modificaes na infra-estrutura da via

no foram levados em considerao neste trabalho.

Como ltima considerao deste trabalho deve-se ressaltar a necessidade de

sua continuidade. Um estudo mais aprofundado sobre o tempo e modos de

manobras no ptio de Paranapiacaba deve ser realizado, pois limita o sistema para

um headway menor que 4 minutos.

Espera-se que aps este passo, vrios outros sejam tomados para levar todo o

sistema cremalheira ao seu mximo de produtividade. Isso trar crescimento no s

para a empresa, mas tambm para o pas.

43

6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

HAY, William M. et al. Railroad Engineering. 2. ed. New York:

John Wiley and Sons, 1982. 784 p. il. ISBN 0471364002.

Cremalheira [online]. 2006. Disponvel:http://pt.wikipedia.org/wiki/Cremalheira

Allen Morrisson [online]. 2006. Disponvel:http://www.tramz.com/index.html

Transportadora de Correia de Longa Distancia TCLD [online] MRS 2006.

Disponvel: http://www.mrs.com.br/tecnologia/correia.pdf

Circuito de Via [online] Revista Ferroviria

Disponvel:http://www.revistaferroviaria.com/maxion2005/trabalhos/Mencao_

MarcosBozi.html

Federal S.A, Rede Ferroviria - Manual de Operao do Sistema Cremalheira

Aderncia

44

7 Anexos

7.1 ANEXO 1 - TESTE DE FREIO A AR COM APLICAO DE EMERGNCIA NA COMPOSIO (LOCOMOTIVAS MAIS VAGES).

45

7.2 ANEXO 2 - TESTE DE FREIO A AR COM APLICAO DE EMERGNCIA NAS LOCOMOTIVAS (VAGES ISOLADOS)

46

7.3 ANEXO 3 - TESTE DO FREIO DE MOLA, SEM APLICAO DOFREIO DOS

VAGES (VAGES ISOLADOS)

47

7.4 ANEXO 4 - TESTE PROVOCANDO FALTA DE FREIO DINMICO COM A

APLICAO DE FREIO DOS VAGES

48

7.5 ANEXO 5 - TESTE PROVOCANDO FALTA DE FREIO DINMICO SEM A

APLICAO DE FREIO DOS VAGES (VAGES ISOLADOS)

49

7.6 ANEXO 6 - TESTE DE FREIO DE MOLA, SEM A APLICAO DO FREIO DE

AR DAS LOCOMOTIVAS E DOS VAGES (VAGES ISOLADOS) COM FREIO

DINMICO

50

7.7 ANEXO 7 - TESTE DE FREIO DE MOLA, SEM A APLICAO DO FREIO A

AR DA LOCOMOTIVA, E DOS VAGES (VAGES ISOLADOS) E SEM

ATUAO DO FREIO DINMICO (SOBRE VELOCIDADE)

51

7.8 ANEXO 8 - TESTE DE FALTA DE TRAO (RECUO, ALAVANCA DO

CONTROLE EM POSIO ZERO)

52

7.9 ANEXO 9 - TESTE RELUTANTE DE FALTA DE ENERGIA COM O TREM EM

DESCIDA

53

7.10 ANEXO 10 - TESTE PROVOCANDO DEFEITO EM UMA LOCOMOTIVA

DURANTE A DESCIDA

54

7.11 ANEXO 11 - TESTE DA ATUAO DO VIGILANTE (HOMEM-MORTO)

55

7.12 ANEXO 12 - RESULTADOS OBTIDOS NAS FRENAGENS

56