Introdução

Atualmente, o Brasil possui mais de 30 mil quilômetros de ferrovias em seu território [1]. Essas estradas de ferro são responsáveis pelo transporte de pessoas e materiais ao longo de suas extensões. Nesse sentido, do ponto de vista de engenharia, as ferrovias e composições de vagões podem ser objeto de estudos de diversas disciplinas. Desse modo, uma empresa desejava realizar o estudo de um de seus truques ferroviários e solicitou que a Kot Engenharia fizesse a análise de travessa de um truque ferroviário. 

O modelo de truque em questão é denominado “Três Peças” e é composto de duas laterais e uma travessa central. Entre as principais funções deste truque são a inscrição do veículo em curvas e a distribuição das cargas verticais provenientes da caixa do vagão para as rodas. A Figura 1 é uma fotografia do truque analisado.

 

Figura 1: Fotografia do truque ferroviário. [2]

 

Devido aos carregamentos cíclicos na travessa central, é comum o aparecimento de trincas nas nervuras internas e no “centro de pião”. Nesse contexto, o escopo do serviço realizado pela Kot objetivava  realizar simulações para definir critérios de sucateamento das travessas dos truques, bem como propor alterações estruturais com foco no aumento da vida útil do componente e, consequentemente, na redução do risco de quebra. Leia este artigo e entenda mais sobre o trabalho da empresa!

Desenvolvimento

Primeiramente, o início das atividades foi dado pela realização de as-built da travessa. Posteriormente, a partir das informações coletadas, foi possível executar o modelamento tridimensional da geometria do objeto. Além disso, o modelo 3D foi ajustado para a remoção de detalhes desnecessários para as análises e foi gerada uma malha para análise em elementos finitos, por meio de software específico. A Figura 2 ilustra essa etapa do processo.

Figura 2: Modelo em elementos finitos da travessa. [2]

Anteriormente ao estudo da Kot, a empresa realizou a instrumentação de strain gauges na travessa e na lateral (side frame) do truque do vagão. A aquisição dos dados foi feita ao longo de cinco viagens do trajeto da ferrovia. Assim, a partir dos dados obtidos na extensometria, foi possível obter as deformações com as cargas verticais atuantes no centro pião da travessa.

Um dos profissionais da Kot realizou uma visita à oficina da empresa visando compreender melhor as ocorrências de trincas nas travessas, entender o processo de recuperação delas e registrar falhas em travessas que seriam reparadas ou estavam em descarte.

Conforme as informações levantadas durante a visita, os principais pontos de aparecimento de trincas são as nervuras internas e o centro pião, ilustrado  na Figura 3.

Figura 3: Partes da travessa com maior incidência de trincas. [2]

O plano de simulação computacional adotado na análise de propagação de trincas está apresentado em um fluxograma contendo algumas das etapas seguidas na Figura 4.

Figura 4: Fluxograma do procedimento de análise das travessas. [2]

Uma vez definidas as premissas de análise, tais como condições de carregamento, tipos de trincas e cenários de propagação a serem avaliados e as condições de contorno do modelo computacional, as simulações foram executadas. Em seguida, a Figura 5 representa  um dos resultados obtidos durante a análise estática da travessa. E a Figura 6 ilustra o resultado obtido em alguns dos cenários das simulações de propagação de trinca considerados.

Figura 5: Resultado da análise estática na travessa. [2]

Figura 6: Evolução do comprimento das trincas de alguns dos cenários considerados em função da vida em fadiga. [2]

Por fim, após concluir todas as simulações e analisar os resultados,verificou-se a impossibilidade de modificações geométricas nas travessas atuais, devido à restrição de acesso à parte interna das travessas onde estão localizadas as nervuras internas. Dessa forma, as modificações propostas foram relativas ao projeto de novas travessas a serem adquiridas pela empresa. Além disso, uma das modificações na geometria do objeto sugeridas pode ser vista na Figura 7.

Figura 7: Modificações geométricas propostas para novas travessas. [2]

As simulações foram refeitas considerando os pontos de alteração propostos e um dos resultados está ilustrado na Figura 8.

Figura 8: Resultado da análise estática na travessa modificada. [2]

Conclusão

A Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE) é uma metodologia de avaliação de vida em fadiga que parte do princípio de que todo componente possui inevitavelmente imperfeições e defeitos, seja devido ao processo de fabricação ou em função da condição de serviço empregada. Assim, isto representa um avanço em relação aos métodos tradicionais de análise de fadiga, que não consideram os efeitos da presença de trincas no material. De fato, essas análises são complexas e desafiadoras, porém, ao se concluir um estudo, é possível obter resultados satisfatórios e, consequentemente, soluções únicas para cada caso de análise.

Por fim, a Kot conta com colaboradores qualificados para avaliar diversas demandas e buscar junto com o cliente a melhor solução para seu problema. Consulte nossa equipe para mais informações!

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FAQ

1. Qual é a função da travessa central em um truque ferroviário do tipo “Três Peças”?

O truque do tipo “Três Peças” é composto por duas estruturas集 laterais e uma travessa central. As principais funções da travessa são permitir a correta inscrição do veículo em curvas e realizar a distribuição das cargas verticais provenientes da caixa do vagão para os eixos e rodas.

2. Quais eram os problemas enfrentados nas travessas e qual o objetivo do estudo?

Devido aos carregamentos cíclicos da operação ferroviária, era comum o aparecimento de trincas nas nervuras internas e no “centro de pião” da travessa. O objetivo do estudo foi realizar simulações computacionais para estabelecer critérios claros de sucateamento das peças em uso e propor alterações geométricas visando aumentar a vida útil e reduzir o risco de fratura do componente.

3. Como foram obtidos os dados de carregamento para calibrar as simulações?

A calibração do modelo computacional utilizou dados de extensometria (com strain gauges) instalados na travessa e na lateral (side frame) do truque. A aquisição de dados ocorreu ao longo de cinco viagens no trajeto da ferrovia, mapeando as deformações e determinando as cargas verticais reais atuantes no centro de pião.

4. De que forma a inspeção na oficina contribuiu para o projeto?

A visita técnica à oficina permitiu analisar o histórico de falhas, acompanhar o processo de recuperação das peças e registrar o estado das travessas descartadas ou prontas para reparo. Isso confirmou visualmente que os pontos mais críticos de concentração de trincas eram, de fato, as nervuras internas e a região do centro de pião.

5. O que é a Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE) e por que ela foi utilizada?

A MFLE é uma metodologia avançada de avaliação de vida em fadiga que assume que todo componente industrial possui imperfeições ou trincas iniciais (seja pelo processo de fabricação ou pelo uso continuado). Diferente dos métodos tradicionais de fadiga, a MFLE permite simular a velocidade de propagação dessas trincas sob carregamento, determinando o tempo restante de vida útil até que ocorra uma falha crítica.

6. Por que não foi possível modificar a geometria das travessas que já estavam em operação?

As análises constataram a inviabilidade de alterar a geometria das travessas existentes devido à limitação física de acesso ao seu interior, onde ficam localizadas as nervuras internas afetadas pelas trincas.

7. Quais foram os resultados e soluções propostas pela Kot Engenharia?

Como o retrabalho nas peças antigas era inviável, as otimizações geométricas foram direcionadas para o projeto de novas travessas a serem adquiridas pelo cliente. As novas simulações em elementos finitos confirmaram que o redesenho proposto reduziu significativamente os níveis de tensão nas regiões críticas, garantindo maior durabilidade e integridade estrutural ao truque ferroviário.

 

Referências:

[1] Transporte Ferroviário no Brasil, Percília Eliane, [S.]. Disponpivel em: https://brasilescola.uol.com.br/brasil/transporte-ferroviario-brasileiro.htm

[2] Acervo Kot Engenharia.