Recentemente, a Kot realizou um trabalho de instrumentação dos trilhos de uma ferrovia que conecta dois estados brasileiros. Neste artigo você poderá entender mais sobre esse Case de Sucesso desenvolvido pela equipe da empresa!
Introdução
Primeiramente, descarrilamentos em vias férreas são ocorrências graves que devem ser prevenidas, pois, além de causar perdas materiais e interrupções das vias, podem ocasionar acidentes fatais. Nesse sentido, os principais pontos a serem observados são o aumento de carga no flange da roda, a diminuição da carga vertical e o aumento do ângulo de ataque das rodas. [1]
Além disso, um dos métodos para avaliar descarrilamentos foi proposto por Nadal, que correlaciona os valores de carga lateral e vertical (L/V). Quando esse coeficiente supera o limite de Nadal, ocorre um deslocamento de baixo para cima do flange da roda sobre o trilho, ocasionando o descarrilamento. [2]
A Figura 1 apresenta o mecanismo de descarrilamento em que é aplicável a condição de Nadal.
Figura 1: Mecanismo de descarrilamento. [1]
Modelo computacional
Anteriormente, em um trabalho também desenvolvido pela Kot, foi modelado computacionalmente o conjunto trilho, dormente e lastro, conforme Figuras 2 e 3.
Figura 2: Modelo tridimensional do conjunto. [3]
Figura 3: Vista geral do modelo tridimensional do conjunto. [3]
Posteriormente, cargas verticais foram aplicadas no modelo em três pontos de contato diferentes sobre o dormente e em três pontos de contato na região entre dormentes, assumindo-se a excentricidade da carga vertical em relação a linha central do trilho.
Além disso, a extensometria, método aplicado neste estudo, é empregada para a avaliação das deformações superficiais de materiais. Caso queira se aprofundar, para entender mais sobre a aplicação dos extensômetros, confira os artigos do blog da Kot:
Instrumentação proposta pela Kot
Em seguida, a metodologia proposta pela Kot para a realização dos testes de campo está descrita abaixo:
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- Primeiramente, para a avaliação da carga vertical, foram instalados extensômetros em ambas faces da alma do trilho, intervalados e alinhados aos dormentes imediatamente abaixo. Dessa forma, foi possível coletar as cargas laterais e verticais. A calibração das cargas laterais foi realizada com o auxílio de um cilindro hidráulico. Em seguida foi realizada a avaliação da influência da carga vertical sobre a região de carga lateral, conforme mostrado na Figura 4.
Figura 4: Avaliação da influência da carga vertical sobre a região de carga lateral. [3]
Posteriormente, foram instrumentadas regiões estratégicas da via, a partir do histórico de falhas anteriores. As medições foram feitas com extensômetros, para coleta de deformações e também com LVDT (transdutor de deslocamento variável linear) para medição do deslocamento vertical do dormente para posterior avaliação da rigidez do lastro. Algumas imagens do trabalho de campo podem ser vistas nas Figuras 5, 6 e 7.
Figura 5: Extensômetros fixados na alma do trilho. [3]
Figura 6: Extensômetros fixados na alma do trilho. [3]
Figura 7: Calibração da carga lateral na via. [3]
Resultados
Após a realização dos ensaios, os resultados numéricos obtidos foram comparados com os gerados pelo método de Chevron, por meio da simulação computacional. Como resultado, essas análises numéricas permitiram a avaliação dos efeitos dos parâmetros de excentricidade de carga vertical e valores de carga lateral. Entretanto, ambos os métodos apresentaram uma necessidade de calibração para avaliação correta das deformações.
Por outro lado, as vantagens do método proposto pela Kot consistem em possibilitar a obtenção dos dados desejados em casos de vandalismo, rompimento de cabos, entre outros erros. Além disso, a metodologia apresenta um menor tempo de instrumentação, uma vez que utiliza menos sensores que o previsto por Chevron.
Conclusão
Em suma, o método sugerido pela equipe da Kot apresenta vantagens quando comparado com a metodologia convencional, pois favorece o desenvolvimento do estudo de forma mais confiável em função da análise e comparação dos dados dos testes experimentais e o modelo teórico computacional. Além disso, a instrumentação é realizada com um período menor de tempo, tornando o estudo ainda mais vantajoso para as empresas.
Por fim, ressalta-se que a Kot possui um grande know-how na área, tendo instrumentado centenas de ativos, podendo avaliar diferentes contextos de operação e contribuir com os resultados dos seus clientes. Consulte nossa equipe para mais informações!
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FAQ
1. Quais são os principais fatores mecânicos que levam ao descarrilamento de composições ferroviárias?
Os acidentes por descarrilamento ocorrem principalmente devido ao aumento de carga no flange da roda, à diminuição da carga vertical aplicada ao trilho e ao aumento do ângulo de ataque das rodas em relação ao boleto do trilho durante a passagem do trem.
2. O que é o Critério de Nadal e como a razão $L/V$ define a estabilidade da roda?
O Critério de Nadal é a formulação teórica que correlaciona a força lateral ($L$) e a força vertical ($V$) no ponto de contato entre a roda e o trilho através do coeficiente $L/V$. Quando essa razão excede o limite estabelecido por Nadal, a força lateral supera a retenção vertical, fazendo com que o flange da roda suba pelo boleto do trilho (wheel climb) e provoque o descarrilamento.
3. Como foi estruturada a modelagem computacional do sistema ferroviário?
A equipe modelou tridimensionalmente o conjunto integrado formado por trilho, dormente e lastro. As simulações consideraram a aplicação de cargas verticais em três pontos de contato sobre o dormente e em três pontos no vão entre dormentes, avaliando explicitamente a excentricidade da carga vertical em relação à linha central do trilho.
4. Como foram instalados e calibrados os extensômetros durante os testes de campo?
Os extensômetros foram fixados em ambas as faces da alma do trilho, alinhados e intervalados exatamente na direção dos dormentes posicionados abaixo. Para calibrar a medição das forças laterais diretamente na via, a equipe utilizou um cilindro hidráulico, permitindo mensurar também a influência da carga vertical sobre a região de esforço lateral.
5. Qual a função do sensor LVDT na medição de campo?
O LVDT (Linear Variable Differential Transformer ou Transdutor de Deslocamento Variável Linear) foi instalado para medir o deslocamento vertical (recalque) dos dormentes sob a passagem das cargas. Essa medição é fundamental para calcular a rigidez do lastro de brita e identificar trechos com perda de sustentação da via.
6. Quais são as vantagens da metodologia desenvolvida em relação ao método convencional de Chevron?
O método proposto apresentou três grandes vantagens práticas:
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Menor tempo de execução: Requer menos sensores que o método de Chevron, reduzindo a necessidade de interdição da via;
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Confiabilidade de dados: A disposição dos sensores permite manter a coleta de informações cruciais mesmo em ocorrências de vandalismo ou rompimento de cabos;
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Otimização de custos: A redução da quantidade de instrumentos diminui o custo global do teste experimental.
7. De que forma a combinação entre simulação computacional e testes de campo aumenta a segurança da via?
A comparação dos dados coletados em campo com os resultados do modelo numérico permite calibrar as premissas teóricas de excentricidade de carga e rigidez da via. Isso possibilita identificar com exatidão a degradação estrutural em trechos com histórico de falhas e intervir de forma preventiva antes que os limites de segurança de Nadal sejam atingidos.
Referências
[1] GWALIOR, MAHARAJPUR, A Technical Guide on Derailments, CAMTECH/M/3, Abril 1998
[2] B. MARQUIS & R. GREIF, “Application of Nadal Limit in The Prediction Of Wheel Climb Derailment”, in Joint Rail Conference, [S.I], 2011.
[3] Arquivo Kot Engenharia.
