Introdução

Com mais de 31 mil quilômetros de malha em território nacional, o modal ferroviário conecta os grandes centros de mineração e siderurgia, bem como interliga os polos industriais e agrícolas aos principais portos brasileiros. Em virtude da significativa capacidade de carga transportada das locomotivas, as ferrovias destacam-se no carregamento de grandes volumes de produtos e matérias-primas, o que contribui para a redução de deslocamentos e consequente diminuição de custos às empresas e preços dos bens de consumo.

Tendo isso em vista, o aumento contínuo da utilização das ferrovias gera desgastes aos ativos em função do uso, o que pode comprometer a conservação de suas estruturas e a segurança das operações. Como exemplo, é possível citar a ocorrência de fadiga em trilhos e componentes como consequência do aumento da carga por eixo e/ou de alterações de velocidade das composições de locomotiva e vagões.

Nesse sentido, a adoção de técnicas de instrumentação permite monitorar os efeitos dinâmicos em vagões, locomotivas e vias permanentes. Isso possibilita a aquisição de dados para tomadas de decisões mais assertivas, que asseguram o funcionamento adequado das operações e mitigam os custos com manutenções corretivas – relembre visitando os exemplos apresentados nos artigos Instrumentação Ferroviária e Case de sucesso: Instrumentação de ferrovia.

Sob esse contexto, um de nossos clientes solicitou a análise das condições de um truque ferroviário de um vagão tipo gôndola, frente ao aumento de carga de minério no vagão. Foi requerida uma avaliação dos esforços atuantes no truque por meio de extensometria, assim como o monitoramento do curso das molas de suspensão e da temperatura dos rolamentos.

A título de exemplo, o estudo em questão permitiu estimar a vida útil do truque, frente às condições operacionais do vagão, por meio de análise de fadiga. As informações e conclusões do serviço realizado pela Kot possibilitam ao cliente um estudo comparativo e quantitativo dos custos envolvidos em seu processo logístico, tais como: manutenções preventivas, precificação de frete, entre outros custos operacionais.

Instrumentação em campo

Inicialmente realizou-se a instrumentação do truque ferroviário – composto por duas laterais (Figura 1) e uma travessa (Figura 2) – para aquisição contínua dos dados solicitados, segundo as condições reais de trabalho, durante três ciclos de viagem do vagão. Foram instalados 13 extensômetros, 1 GPS, 2 termopares e 2 células de carga.

Os sensores em questão foram estrategicamente implementados com o intuito de avaliar e monitorar, respectivamente, as tensões atuantes nos componentes, a geolocalização do vagão, a temperatura dos rolamentos e o deslocamento do sistema de suspensão. Todos foram conectados a um sistema de aquisição embarcado, e os dados obtidos em tempo real foram registrados para posterior processamento e correlação com as etapas de carregamento, translado e descarregamento do vagão. Nas figuras 1 e 2 são apresentados os modelos individualizados da lateral e da travessa do truque, respectivamente.

Elaboração e calibração do modelo computacional

Em seguida, elaborou-se um modelo de elementos finitos (MEF) do truque em um software CAE (Computer Aided Engineering), com base em um levantamento dimensional feito em campo (as built), reproduzindo de forma detalhada a geometria do ativo. O modelo computacional gerado pode ser visto na figura 3 a seguir.

Para validação do modelo, os componentes foram analisados separadamente a partir dos esforços coletados pelos extensômetros durante o carregamento do vagão. As figuras 4 e 5 apresentam os resultados de deformação obtidos na calibração.

Com o modelo calibrado, realizou-se uma verificação estrutural para avaliar os esforços atuantes nos pontos de instalação dos sensores em três condições distintas de carregamento. De posse dos resultados, avaliou-se a tensão no apoio do rodeiros e as respectivas tensões equivalentes de Von Mises foram determinadas.

Análise do ciclo operacional do vagão

Em um segundo momento, foi feita uma análise estrutural estática com base nos dados obtidos pelos extensômetros fixados no topo e na face interna do truque, durante o ciclo operacional do vagão. O primeiro sensor foi utilizado para identificação da flexão devido a carga vertical do vagão, e o segundo para flexão devido a carga lateral. As deformações registradas pelos sensores em questão estão apresentadas nos gráficos 1 e 2.

Tendo isso em vista, os valores de pico foram utilizados para quantificar os esforços solicitantes e, consequentemente, para determinar as tensões nas regiões de concentração. A figura 6 ilustra o resultado desta análise, com destaque para os apoios dos rodeiros no modelo computacional.

Concluiu-se que as variações da carga lateral no truque (gráfico 2) possuem maior amplitude que as da carga vertical (gráfico 1), o que aumenta a tensão nas regiões solicitadas e diminui a vida útil do componente devido à fadiga.

Análise das temperaturas dos rolamentos

O sistema embarcado registrou apenas as variações da temperatura ambiente ao longo dos três ciclos de viagem. Quanto às temperaturas dos rolamentos monitoradas pelos termopares, não foram detectadas variações significativas, que se mantiveram dentro da faixa de temperatura de trabalho dos rolamentos.

Análise do curso das molas de suspensão

Com relação à avaliação do deslocamento dinâmico, foram monitorados pelas células de carga os dados quanto ao curso das molas de suspensão. Alguns valores registrados durante a viagem com o vagão carregado de minério podem ser visualizados no gráfico 3 a seguir.

Na análise dinâmica, verificou-se que o carregamento em questão resulta em um deslocamento da massa suspensa. No geral, foram observadas compressões da mola nos trechos em que o vagão estava carregado e não foram identificadas distensões nos trechos descarregados, devido ao alívio de cargas. A frequência das oscilações da suspensão está ilustrada no gráfico 4, sendo 2 Hz a frequência principal durante os três ciclos monitorados.

Análise de fadiga

Quanto à análise de fadiga do truque, estimou-se uma vida útil de 61 anos em relação a um carregamento de 132.9 toneladas de minério. Para carregamentos de 133.7 e 134.9 toneladas, foram observadas, respectivamente, reduções de 28% e 44% na vida útil do componente quando comparado aos 61 anos. Os picos de maior influência na vida útil do truque estão destacados no gráfico 5.

Ao excluir os picos críticos da análise, recalculou-se o tempo de vida útil como 69, 55 e 42 anos para os carregamentos de 132.9, 133.7 e 134.9 toneladas de minério, respectivamente.

Conclusão

Sabe-se que o desgaste dos componentes e das estruturas dos vagões são inerentes às operações do transporte ferroviário, modalidade que cresce cada vez mais no cenário nacional. Segundo a ANTF (Associação Nacional dos Transportadores Ferroviários), em 2021, o setor ferroviário de carga apresentou uma evolução de 506,8 milhões de toneladas úteis (TU), 3,6% em comparação a 2020.

Tendo isso em vista, a instrumentação tem como objetivo monitorar e detectar as regiões da ferrovia em que ocorrem os maiores danos às composições, os quais comprometem a segurança e a logística do transporte de carga.

Nesse sentido, destaca-se o serviço realizado pela Kot, em que o monitoramento e a avaliação dos efeitos dinâmicos sobre componentes do vagão foram realizados, a partir do qual foi possível oferecer uma maior confiabilidade quanto à tomada de decisões, baseadas em dados, pelo cliente, visando uma redução dos custos futuros.

Diante do exposto, as variações excessivas de compressão e alívio de carga do curso da suspensão e a influência do carregamento de minério na vida útil do truque foram os pontos de destaque deste estudo. Em relação às variações registradas em diversos trechos da ferrovia, as mais acentuadas ocorreram em curvas e nas regiões dos antigos pátios da via permanente.

Além disso, as principais causas para a redução do tempo de vida útil do componente são as cargas laterais impostas ao truque durante as viagens. Após identificados, as causas principais e os dados coletados nos trechos tornam-se insumos fundamentais ao cliente para elaboração de estudos de cargas e velocidades ideais para transporte, que serão adotados para mitigar desgastes prematuros e riscos de descarrilamento mediante intervenções estratégicas e pontuais.

Dentre outros ganhos, o estudo da vida útil dos componentes dos vagões, bem como da via permanente, permitiram ao cliente prever gastos com substituições e intervenções, resultando em uma previsão mais assertiva dos custos logísticos.

Percebe-se, portanto, que as técnicas de instrumentação são extremamente relevantes para a gestão e manutenção de integridade dos ativos ferroviários. Nesse sentido, a Kot conta com um time de profissionais qualificados para desenvolver as melhores soluções de engenharia para os desafios intrínsecos ao dia a dia do modal ferroviário. Consulte nossa equipe para maiores informações!

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