Introdução

Hoje 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. Do ponto de vista de engenharia, as ferrovias e composições de vagões podem ser objeto de estudos de diversas disciplinas. Uma empresa desejava realizar o estudo de um de seus truques ferroviários e solicitou que a Kot Engenharia fizesse o estudo. 

O modelo de truque em questão é denominado “Três Peças” e é composto de duas laterais e uma travessa central. 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.

Devido aos carregamentos cíclicos na travessa central, é comum o aparecimento de trincas nas nervuras internas e no “centro de pião”. 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 redução do risco de quebra. Leia este artigo e entenda mais sobre o trabalho da empresa!

Desenvolvimento

O início das atividades foi dado pela realização de as-built da travessa. A partir das informações coletadas, foi possível executar o modelamento tridimensional da geometria do objeto. 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 .

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

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.

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. 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.

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. Uma das modificações na geometria do objeto sugeridas pode ser vista na Figura 7.

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

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. Isto representa um avanço em relação aos métodos tradicionais de análise de fadiga, que não consideram os efeitos da presença de trincas no material. Essas análises são complexas e desafiadoras, porém, ao se concluir um estudo, é possível obter resultados satisfatórios que levam a soluções únicas para cada caso de análise.

A Kot conta com colaboradores qualificados para avaliar diversas demandas e buscar junto com o cliente a melhor solução para seu problema. Entre em contato para mais informações!

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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.