Case de Sucesso: Análise de Conjunto de Tração Ferroviário

Tempo de leitura: 4 minutos

Introdução

A Indústria 4.0 traz continuamente inúmeras inovações para o contexto fabril. Essas novidades englobam todas as áreas da engenharia e possuem diversas ramificações de estudos e possibilidades de aplicação. Uma das novidades são as simulações digitais e, conforme o SENAI, o termo simulação digital 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]. 

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. Logo, é possível concluir que as análises desses conjuntos são muito proveitosas e podem trazer resultados valiosos. 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

A instrumentação foi realizada no vagão, contemplando extensômetros, acelerômetro e transdutores de pressão. 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.

Análise de Conjunto de Tração Ferroviário Diagrama de Instrumentação
Figura 1: Diagrama de Instrumentação. [2]

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, como pode ser visto na Figura 2. A Figura 3 mostra alguns dos pontos de instalação dos extensômetros na face lateral da haste.

Análise de Conjunto de Tração Ferroviário Calibração da haste
Figura 2: Calibração da haste. [2]
Análise de Conjunto de Tração Ferroviário Pontos de instalação dos extensômetros na lateral da haste
Figura 3: Pontos de instalação dos extensômetros na lateral da haste. [2]

Avaliação do ciclo operacional

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. Usado  para a contagem dos picos de carga atuante para avaliação dos impactos entre vagões. As Figuras 4, 5 e 6 apresentam alguns desses resultados obtidos, respectivamente.

Análise de Conjunto de Tração Ferroviário Dispersão de cargas atuantes
Figura 4: Dispersão de cargas atuantes. [2]
Análise de Conjunto de Tração Ferroviário Exemplo de amplitude de picos na coleta de dados
Figura 5: Exemplo de amplitude de picos na coleta de dados.
Análise de Conjunto de Tração Ferroviário Exemplo de picos e atenuação.
Figura 6: Exemplo de picos e atenuação. [2]

Análise de Fadiga

A 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. 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, isto é, 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. Os resultados da avaliação estão apresentados na Figura 7.

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

Simulação Digital

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.

Análise de Conjunto de Tração Ferroviário
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

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

Alinhados aos pilares e fundamentos da Indústria 4.0, as simulações digitais são análises essenciais para compressão de efeitos não visíveis à olho nu. Com elas 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. Entre em contato com a equipe para maiores informações.

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Equipe KOT Engenharia

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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.

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