Introdução

Atualmente, a Indústria 4.0 traz continuamente inúmeras inovações para o contexto fabril. Além disso, essas novidades englobam todas as áreas da engenharia e possuem diversas ramificações de estudos e possibilidades de aplicação. Nesse sentido, uma das novidades são as simulações digitais e, conforme o SENAI, o termo pode ser definido como “De modo claro e direto, ela pode ser descrita como a reprodução virtual de processos e ambientes de desenvolvimento e manufatura fabril.” [1]. 

Ademais, ativos ferroviários estão submetidos a muitos esforços, sejam eles provenientes das altas cargas transportadas, altas taxas de vibração existentes nesses sistemas, grandes distâncias percorridas pelas composições ou pelo somatório desses fatores. Por essa razão, é possível concluir que as análises desses conjuntos são muito proveitosas e podem trazer resultados valiosos. Assim, confira neste texto, um trabalho de instrumentação, coleta e análise de dados e simulação digital em um conjunto aparelho de choque e tração ferroviário, realizado pela equipe da Kot Engenharia!

Uma empresa, com o intuito de avaliar e estudar as condições estruturais do engate em diferentes posições do vagão na composição e diferentes configurações de tapes, solicitou à Kot a análise das tensões atuantes nos componentes, acelerações atuantes no vagão, posição do vagão no ciclo de viagem a partir de suas coordenadas geográficas e as velocidades do vagão ao longo do trajeto.

Instrumentação

Primeiramente, a instrumentação foi realizada no vagão, contemplando extensômetros, acelerômetro e transdutores de pressão. Além disso, a aquisição dos dados foi realizada continuamente, durante os ciclos de viagem. O projeto englobou alguns engates, hastes rígidas e vigas centrais de um vagão. A Figura 1 ilustra o diagrama de instrumentação proposto.

Figura 1: Diagrama de instrumentação. [2]

Posteriormente, a calibração da haste foi realizada em laboratório com o intuito de obter a relação da carga aplicada com as deformações obtidas nos extensômetros instalados na haste. Para executar  o ensaio, foi construída uma estrutura para fixação da haste e macacos hidráulicos, estes responsáveis pela aplicação de uma carga conhecida, conforme pode ser visto na Figura 2. A Figura 3 mostra alguns dos pontos de instalação dos extensômetros na face lateral da haste.

Figura 2: Calibração da haste. [2]

Figura 3: Pontos de instalação dos extensômetros na lateral da haste. [2]

Avaliação do ciclo operacional

Em seguida, a avaliação do ciclo operacional foi realizada por meio dos valores absolutos das cargas atuantes, o valor das acelerações em que ocorreram as maiores amplitudes de carga e utilização do método rainflow. Isto é, o método foi usado para a contagem dos picos de carga atuante para avaliação dos impactos entre vagões. Por exemplo as Figuras 4, 5 e 6 apresentam alguns desses resultados obtidos, respectivamente.

Figura 4: Dispersão de cargas atuantes. [2]

Figura 5: Exemplo de amplitude de picos na coleta de dados.

Figura 6: Exemplo de picos e atenuação. [2]

Análise de fadiga

Além disso, s análise de fadiga foi feita por meio da regra de acúmulo de danos com contagem de picos pela metodologia rainflow. Cada pico de tensão causa um dano específico por meio da curva de fadiga do material e quando o somatório deste dano é igual a 1, ocorre a falha do componente. Posteriormente, os ciclos de viagem foram avaliados de forma individual e a conversão da vida útil para anos foi realizada.

Avaliação da influência do tape

Em suma, as diferentes configurações de tape estão relacionadas aos diferentes tamanhos das rodas dos vagões, ou seja, o vagão estudado pode possuir um tamanho de roda superior ou inferior ao vagão o qual ele está conectado e isto provocará uma inclinação no conjunto do engate. Essas diferenças de tape podem influenciar na distribuição dos carregamentos em função da inclinação. Por conseguinte, os resultados da avaliação estão apresentados na Figura 7.

Figura 7: Vida em fadiga de acordo com o tape do vagão. [2]

Simulação Digital

Ademais, a simulação digital do conjunto de tração também foi executada. Os componentes foram analisados separadamente, validados e calibrados conforme os dados obtidos em campo. A Figura 8 apresenta os resultados de deformação no modelo do engate.

Figura 8: Resultados obtidos no modelo do engate. [2]

Observa-se que a cabeça do engate, próximo a região do pino é uma região suscetível à nucleação e propagação de trincas, esta conclusão obtida por meio da simulação e verificações realizadas pelo modelo de elementos finitos.

Recomendações

Por fim, com a conclusão das análises, a Kot recomendou a realização de reforço e troca de material do engate utilizado. O novo material apresenta melhores características para a vida em fadiga, tendo um aumento mínimo maior que 200% quando comparado ao anterior. 

Conclusão

Assim, alinhados aos pilares e fundamentos da Indústria 4.0, as simulações digitais são análises essenciais para compressão de efeitos não visíveis a olho nu. Com isso, é possível estudar comportamentos, avaliar pontos de melhoria e indicar alterações para otimizações. Além disso, as análises teórica-experimentais possibilitam o embasamento das simulações digitais, aumentando ainda mais a assertividade dos trabalhos.

A Kot pode ser sua parceira em assuntos relacionados à Indústria 4.0, o auxiliando no entendimento de possibilidades e contextos reais e complexos de engenharia. Consulte nossa equipe para mais informações!

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FAQ

1. Qual foi o objetivo principal do estudo realizado no conjunto de tração do vagão?

O objetivo foi avaliar e analisar as condições estruturais do engate ferroviário considerando diferentes posições do vagão na composição e distintas configurações de tapes. O estudo mensurou as tensões nos componentes, as acelerações no vagão, as posições geográficas do trajeto (via GPS) e as velocidades ao longo do ciclo de viagem.

2. Como foram realizadas a instrumentação de campo e a calibração dos sensores?

A instrumentação englobou engates, hastes rígidas e vigas centrais de um vagão, utilizando:

• Extensômetros para medição de deformações;

• Acelerômetros para avaliação das vibrações e acelerações;

• Transdutores de pressão e sistema de aquisição contínua de dados.

Antes dos testes em rota, a haste rígida foi calibrada em laboratório por meio de uma estrutura com macacos hidráulicos para correlacionar com precisão as cargas aplicadas com as deformações lidas pelos extensômetros.

3. O que é a metodologia Rainflow e como ela foi aplicada na análise de fadiga?

O método Rainflow é uma técnica de contagem de picos de carga utilizada para avaliar a amplitude dos impactos entre vagões durante a operação. Na análise de fadiga, ele foi combinado com a regra de acúmulo de danos (Palmgren-Miner) e com as curvas de fadiga do material. Cada pico de tensão gera um dano percentual e, quando o somatório atinge 1, ocorre a falha estrutural. Isso permitiu converter o desgaste dos ciclos operacionais em estimativa de vida útil em anos.

4. O que é a variação de “tape” nos vagões e como ela afeta o engate ferroviário?

A variação de tape refere-se à diferença no diâmetro entre as rodas do vagão analisado e as do vagão adjacente ao qual ele está engatado. Essa diferença gera uma inclinação no conjunto de tração, alterando a distribuição dos carregamentos atuantes e influenciando diretamente a vida em fadiga do engate.

5. O que a simulação digital (FEA) revelou sobre o comportamento estrutural do engate?

A simulação computacional, validada e calibrada com os dados coletados em campo, permitiu analisar a distribuição de deformações no modelo do engate. O estudo identificou que a região da cabeça do engate, próxima ao pino, é a área mais crítica e suscetível à nucleação e propagação de trincas.

6. Quais foram as recomendações da Kot Engenharia e os ganhos obtidos com o estudo?

A Kot recomendou a aplicação de reforço estrutural e a substituição do material do engate por uma liga com melhores propriedades mecânicas contra a fadiga. A mudança proporcionou um aumento mínimo de mais de 200% na vida em fadiga do componente em relação ao material original.

7. Qual a vantagem de combinar testes teóricos e experimentais com simulação digital na Indústria 4.0?

A integração entre dados experimentais (coletados em campo) e simulações virtuais eleva a assertividade dos diagnósticos. Os dados de campo calibram o modelo computacional, permitindo enxergar comportamentos e tensões não visíveis a olho nu, além de testar otimizações e alterações de projeto de forma ágil e segura.

Referências:

[1] Tudo sobre simulação digital, um dos principais pilares da indústria 4.0, SENAI [S.I]. Disponível em: https://www.senairs.org.br/industria-inteligente/tudo-sobre-simulacao-digital-um-dos-principais-pilares-da-industria-40

[2] Acervo Kot Engenharia.