O monitoramento de componentes ferroviários utiliza sensores embarcados em rodeiros e engates para medir a interação roda-trilho e os esforços dinâmicos em tempo real. Apoiada na Fórmula de Nadal (L/V) e no método de contagem de dano por fadiga (Rainflow), a tecnologia identifica riscos de descarrilamento, desbalanceamentos de carga e desgaste prematuro, permitindo transicionar da manutenção preditiva para a prescritiva. 
Veja como aplicar o monitoramento dinâmico no material rodante.

Introdução

Inicialmente, 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.

Posteriormente, a partir de 1965 foi implantada a Manutenção voltada para a Confiabilidade (RCM), que, embora aceitasse 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. Como resultado, 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. Por essa razão, 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

Em seguida, 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.

Além disso, para a instrumentação do engate foram instalados 4 extensômetros com a finalidade de obter a 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.

 

Figura 1: Extensômetros e calibração do engate – FONTE: Acervo Kot.

 

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.

Figura 2: Rodeiro instrumentado – FONTE: Acervo Kot.

Posteriormente, 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.

Em seguida, 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. Por conseguinte, esta relação é um parâmetro amplamente utilizado para indicar a possibilidade de descarrilamento. Logo abaixo a Figura 3 ilustra a dinâmica de descarrilamento.

Figura 3: Dinâmica de descarrilamento – FONTE: MAHARAJPUR, Gwalior.

Nesse sentido, 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.

Figura 4: Exemplo de mapa de resultados – FONTE: Acervo Kot.

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. De fato, essas forças podem causar tensões adicionais nos trilhos e nas fixações, afetando a estabilidade e a vida útil dos componentes da via.

Desse modo, 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.

Figura 5: Cargas atuantes no engate durante ciclo vazio – FONTE: Acervo Kot.

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

Em 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. Consulte nossa equipe para mais informações!

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FAQ

1. Como a Fórmula de Nadal é utilizada para prever e evitar o risco de descarrilamento de vagões?

A Fórmula de Nadal é um parâmetro fundamental da engenharia ferroviária que estabelece o limite de segurança para o escalamento do flange da roda sobre o trilho. Ela relaciona a força lateral (L), que empurra a roda para fora do trilho, com a força vertical (V), que mantém a composição no chão:

No monitoramento embarcado, os dados de deformação são processados em tempo real para gerar alertas preventivos em dois níveis:

• Alerta 01 (0.8 < L/V < 1.0 ou perda de carga vertical de 60% a 85%): Sinaliza uma instabilidade dinâmica moderada, geralmente provocada por desalinhamento geométrico da via ou desbalanceamento de carga.

• Alerta 02 (L/V > 1.0 ou perda de carga vertical acima de 85%): Indica alto risco iminente de o flange da roda subir o boleto do trilho e causar o descarrilamento.

 

2. Qual é a importância da modelagem por Elementos Finitos (MEF) antes da instalação dos extensômetros no rodeiro?

Instalar sensores de deformação (strain gauges) em um componente giratório e sujeito a solicitações complexas como o rodeiro exige precisão milimétrica. Antes de colar qualquer sensor em campo, a Kot constrói um modelo 3D em Elementos Finitos da roda para simular onde ocorrem as maiores deformações específicas sob cargas verticais e laterais. Essa simulação prévia garante que os extensômetros sejam colados exatamente nos pontos de maior sensibilidade mecânica, isolando o efeito da deformação cruzada e garantindo que as medições traduzam com precisão as forças reais entre a roda e o trilho.

 

3. Como os algoritmos de contagem Rainflow e Miner-Green calculam a vida útil em fadiga dos engates?

Durante a viagem, os engates sofrem variações aleatórias e contínuas de tração e compressão (esforços dinâmicos). Para transformar esse sinal caótico em estimativa de vida útil:

1. Filtro e Aquisição: O sinal coletado a 2 kHz é filtrado (highpass de 4 Hz) para isolar os picos de carga dinâmica.

2. Algoritmo Rainflow: Organiza a história temporal de carregamentos e agrupa os picos de tensão aleatórios em “ciclos de alternância de carga” discretos.

3. Regra de Dano Linear de Miner-Green: Soma o dano acumulado por cada ciclo em relação à curva S-N do material do engate. O resultado matemático indica com exatidão quantos ciclos ou viagens o componente ainda suporta antes do aparecimento de trincas por fadiga.

 

4. Como a detecção de um desbalanceamento de carga de 20% altera a velocidade permitida nas vias?

Se um vagão é carregado com mais peso de um lado do que do outro (desbalanceamento transversal), a força vertical (V) no lado mais leve reduz drasticamente. Ao entrar em uma curva, a força centrífuga gera uma força lateral (L) contínua. Como o divisor V diminuiu na roda mais leve, a razão L/V dispara, forçando a operação a aplicar restrições severas de velocidade naquele trecho para evitar o descarrilamento. Ao identificar esse desbalanceamento de 20% via instrumentação do rodeiro, a engenharia pode corrigir o processo de carregamento na tulha/silo, restaurando o equilíbrio de forças e permitindo um acréscimo seguro na velocidade operacional da composição.

 

5. De que forma o monitoramento dos engates auxilia na definição da distribuição das locomotivas (Locotrol vs. Tricotrol)?

A posição do vagão ao longo do trem afeta diretamente os esforços de tração e compressão (forças intra-composição) nos engates, especialmente em trechos com aclives, declives e curvas acentuadas. O monitoramento contínuo das cargas nos engates permite quantificar esses picos de tensão em diferentes pontos do trem. Com esses dados em mãos, a Engenharia de Operações consegue definir cientificamente a melhor estratégia de tração distribuída, como o Locotrol (locomotivas na frente e no meio) ou Tricotrol (locomotivas na frente, meio e cauda), reduzindo drasticamente os choques mecânicos e evitando o rompimento de engates.