Introdução

Na década de 1950, impulsionado pela necessidade da indústria aeronáutica em utilizar métodos mais eficazes para diagnosticar e analisar causas e defeitos, foi desenvolvido o conceito de Engenharia de Manutenção com o objetivo de controlar e planejar a Manutenção Preventiva.

A partir de 1965 foi implantada a Manutenção voltada para a Confiabilidade (RCM), que, aceitando o insucesso na busca da falha zero, tentava eliminar as consequências da falha. Com isso, começaram a ser utilizados, cada vez mais, instrumentos e técnicas de medição sofisticados e capazes de permitir a detecção de sintomas numa fase muito inicial.

A transição das abordagens reativas para as preventivas, preditivas e atualmente a prescritiva, representa uma mudança fundamental tanto na mentalidade quanto nas práticas de manutenção. As estratégias não se concentram mais exclusivamente na correção de falhas, mas sim na prevenção, antecipação e monitoramento contínuo do desempenho dos equipamentos. Isso resulta em menor tempo não planejado de inatividade, maior produtividade e redução dos custos de manutenção.

Para a aplicação destas técnicas na ferrovia, o monitoramento do material rodante, em conjunto com as cargas nos engates e acelerações da caixa do vagão, é fundamental para determinar as condições da infraestrutura, dinâmica da composição e iteração entre composição e via permanente.

A limitação de velocidade em trechos, falhas em trilhos, descarrilamento e o excesso de carga nos componentes, reduzindo a vida útil, são problemas comuns na operação ferroviária. Estes problemas podem ser identificados e corrigidos através de medições indiretas, posto que o monitoramento da dinâmica do vagão associada com as cargas nos engates fornece elementos importantes para a calibração do modelo computacional e detecção de problemas.

Case de sucesso

Neste estudo de caso será apresentado como foi realizada a instrumentação e tratamento de dados para identificação de defeitos.

Instrumentação

A instrumentação dos componentes foi realizada na oficina da Kot Engenharia, sendo instrumentadas as duas rodas de um rodeiro e um engate.

Para a instrumentação do engate foram instalados 4 extensômetros para obtenção da correlação correta entre deformação e carga axial atuante. Para maior precisão da medição, o engate foi calibrado em uma bancada de ensaios, em que foram aplicados carregamentos de tração e compressão com intensidade similar ao esperado em campo, conforme apresentado na Figura 1.

Na instrumentação do rodeiro, inicialmente foi elaborado um modelo em elementos finitos para determinação das posições de instalação dos extensômetros. Estas posições foram escolhidas para obter as maiores deformações quando aplicadas cargas laterais e verticais geradas pelo contato roda trilho, conforme Figura 2.

A deformação das rodas foi comparada com o modelo computacional após a aplicação de carga lateral e vertical conhecida.

O monitoramento do rodeiro foi composto por um sistema de aquisição embarcado no eixo, conjunto de baterias na caixa do vagão, computador principal instalado no vagão, sistema de transmissão de energia entre caixa e rodeiro, acumuladores de energia, filtros, sistemas de transmissão remoto e GPS.

Parâmetros de aquisição

A avaliação das deformações durante o ciclo foi realizada com taxa de aquisição a 2kHz e posterior filtragem de dados com um lowpass de 25Hz para obtenção das cargas estáticas no engate. Para a obtenção das cargas dinâmicas no engate, foi utilizado um filtro highpass de 4Hz.

A aquisição dos dados do rodeiro foi realizada a 2000Hz e sua análise foi realizada por meio das maiores amplitudes de carga a cada 1 segundo para montagem dos gráficos e análise. Posteriormente foram retirados os dados de deformação cruzada e aplicada a correlação entre deformação e carga.

Ciclo de medição

A fórmula de Nadal é aplicada em projetos ferroviários relacionando a força vertical exercida pelas rodas com a força lateral do flange da roda contra a face do trilho. Esta relação é um parâmetro amplamente utilizado para indicar a possibilidade de descarrilamento. Logo abaixo a Figura 3 ilustra a dinâmica de descarrilamento.

Com o objetivo de facilitar a visualização dos pontos de interesse, os resultados são apresentados em formato de imagem, em que são indicadas as localidades onde foram identificados os alertas. Estes alertas foram configurados em dois níveis: alerta 01 (0.8 < L/V < 1.0 ou perda de carga entre 60% a 85%) e alerta 02 (L/V > 1.0 ou perda de carga acima de 85%).

A seguir, na Figura 4, são apresentados de forma visual os pontos críticos identificados na medição.

Cargas no engate

Durante a movimentação do trem, especialmente em acelerações, desacelerações e curvas, forças dinâmicas são geradas no engate e transferidas para a via permanente. Essas forças podem causar tensões adicionais nos trilhos e nas fixações, afetando a estabilidade e a vida útil dos componentes da via.

Desta forma, a medição conjunta destas variáveis permite uma avaliação detalhada do sistema, aprimorando a estratégia de manutenção e impactando no cronograma de inspeção para os engates. Em casos de medição contínua (vagão instrumentado), a vida útil dos componentes pode ser cada vez mais prolongada.

Além das cargas dinâmicas as quais o vagão está submetido, a posição do vagão na composição tem contribuição significativa no acréscimo da carga do engate para determinados trechos, informação que pode ser utilizada pela Engenharia de Manutenção para auxiliar a otimizar os intervalos de inspeção.

No estudo de caso realizado as cargas medidas no engate foram apresentadas em formato de gráfico, como pode ser visto na Figura 5 a seguir.

Os valores foram tratados estatisticamente para subsidiar o cálculo de fadiga do engate e de componentes que dependem desta iteração. Foi utilizada a metodologia rainflow de contagem de picos e por meio da contagem de danos de Miner-Green foi definida a vida em fadiga do componente.

Conclusão

O monitoramento de parâmetros dinâmicos de vagões permite ao time de engenharia diagnosticar problemas e programar a manutenção de forma mais efetiva. Desta forma, foi possível identificar diversas variáveis de operação, como por exemplo:

• Desbalanceamento de carga no vagão. Foi identificada uma diferença de 20% da carga nominal nas rodas entre o lado esquerdo e direito (possível problema do carregamento);
• Valores do parâmetro L/V elevados. O desbalanceamento de carga altera a dinâmica em curvas, e este parâmetro trabalha em conjunto com a velocidade e geometria da via. Um melhor balanceamento de carga possibilitaria um acréscimo de velocidade em determinados trechos;
• Alertas de carga no engate em trechos de curva;
• Identificação dos carregamentos no engate pela posição na composição;
• Baixo carregamento em trecho com limitação de velocidade (pode ser realizado o acompanhamento para alterar a velocidade no trecho);
• Diferença entre operação pelos maquinistas e operação remota;
• Auxílio na definição da montagem da composição (locotrol ou tricotrol).

A Kot possui um time de profissionais qualificados para a instrumentação e monitoramento de componentes ferroviários, atuando com excelência na seleção e aplicação das metodologias mais adequadas para o seu negócio e seu ativo.
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