A via férrea é o segundo componente mais importante de uma ferrovia. Sem ela os trens e vagões não poderiam transitar entre duas localidades. Entretanto para trafegar com velocidade, conforto e segurança, a via férrea deve ter características muito especiais. Primeiro deve suportar a peso dos veículos que no caso de vagões de carga pode atingir até 130 toneladas por eixo (32,5 ton/eixo). Segundo: deve ter um traçado geométrico de variação suave para evitar acelerações indesejadas que reduz a segurança durante o tráfego. Terceiro: deve ter o menor nível de irregularidades para evitar acelerações de alta frequência que reduz o conforto dos passageiros no percurso. Estas propriedades são quantificadas no processo de inspeção geométrica que é realizado sistematicamente pelas empresas operadores com equipamentos de medição especializados. Existem carros de controle que realizam as medições de forma automatizada. Estes veículos especiais medem o traçado geométrico da via e identificam valores que superam limites normalizados onde a manutenção deve ser realizada. Existem locais cujo traçado geométrico medido da via férrea excede os limites padronizados não causando necessariamente mau desempenho do veículo. Entretanto, existem locais onde o traçado geométrico da via está dentro dos limites normalizados mas promove desempenho dinâmico inseguro do veículo. Para lidar com essa dicotomia, um novo método para inspeção da via férrea foi desenvolvido para complementar os métodos tradicionais. Um sistema de medição inercial instalado no veículo e um método de tratamento de dados especializados é proposto para avaliar de fato a qualidade da via férrea, observada a partir do ponto de vista do desempenho dinâmico do veículo. Dispositivos inerciais podem medir os movimentos dinâmicos do veículo durante o tráfego ao longo de uma via irregular. Os valores medidos são tratados com um algoritmo especializado para identificar a atitude completa do veículo, incluindo movimentações angulares e acelerações. Um sistema de equações que descreve o problema dinâmico inverso é resolvido para estimar diretamente as forças nas rodas que, estão diretamente relacionados com a segurança do veículo. Um índice de qualidade e segurança (Track Quality Safety Index – TQSI) é determinado e utilizado para avaliar a qualidade via. Os valores obtidos são usados para quantificar as locais da via onde as irregularidades são as mais nocivas à segurança do veículo. Estas informações complementam as informações do traçado geométrico medido pelos métodos tradicionais, informando a localização das regiões de maior potencial risco de segurança para fins de otimização da manutenção da via férrea.
Para maiores informações monitoramento inercial entre em contato com Prof. Roberto Spinola Barbosa, coordenador do projeto de pesquisa.
Publicações:
Barbosa, R. S. (2015) New method for railway track quality identification through the safety dynamic performance of instrumented railway vehicle. Journal of Brazilian Society of Mechanical and Science Engeneering. DOI: 10.1007/s40430-015-0471-9.
Barbosa, R. S. (2016) Quantification of Railway Track Safety with an Inertial Vehicle Response Identification. International Journal of Railway Technology, Saxe-Coburg Publication, Volume 5, Issue 2, pp. 47-63. Doi.: 10.4203/ijrt.5.2.3.
Barbosa, R. S. (2016) Evaluation of Railway Track Safety with a New Method for Track Quality Identification. American Society of Civil Engineers. Volume 142, Issue 11, pp. Doi: 10.1061/(ASCE)TE.1943-5436.0000855.
Traçado Geométrico da Via Férrea
O traçado geométrico da via férrea deve ser projetada para atender aos requisitos da frota de carros ou vagões que a utilizam. Durante sua vida útil, uma via nova desenvolve irregularidades que causam oscilação ao veículo. Num caso extremo, o veículo pode perder sua guiagem. Defeitos e falhas da superestrutura da via e do desempenho dinâmico do veículo podem ser combinados e causar eventos de descarrilamento indesejáveis. Com foco nos defeitos do traçado geométrico da via com grande comprimento de onda, elasticidade estrutural, características da suspensão do veículo e velocidade do trem, todas essas são possíveis causas de contribuição e, portanto, devem ser avaliadas em conjunto para minimizar o risco melhorando o tráfego seguro. Por outro lado, os locais onde o traçado geométrico da via que excedem os limites padronizados geralmente não causam obrigatoriamente desempenho precário do veículo. Pelo contrário, há bons locais de via sob limites geométricos que promovem desempenho dinâmico inseguro do veículo. Além disso, a rigidez da via afeta a dinâmica do veículo que trafegam. Quanto maiores as irregularidades, mais fortes são os efeitos de interação dinâmica. Esse processo é autoalimentado e aumenta os defeitos da via em cada veículo que passa. Além disso, dependendo da velocidade do trem, alguns comprimentos de onda de rugosidade da via em particular excitam a ressonância modal do veículo que amplia substancialmente o efeito dinâmico. A segurança é um fenômeno complexo e depende simultaneamente das características dinâmicas do veículo e da resposta e geometria do sistema de via. Para
otimizar a manutenção da via, seria interessante incluir o desempenho do veículo no método de avaliação da via. Seria interessante também identificar os problemas à medida que surgem, em vez de esperar pela campanha de inspeção programada.
Para lidar com esse assunto, um novo método de inspeção de via é proposto para complementar os tradicionais. Irregularidades da via excitam os principais modos de vibração do veículo e produzem movimentos translacionais e angulares. Forças de contato roda/trilho que suportam a carga vertical do veículo e produzem as forças de orientação de direção lateral causam esses movimentos. As forças de orientação estão diretamente relacionadas às acelerações do veículo. Portanto, os resultados do comportamento dinâmico do veículo podem ser empregados para avaliar a adequação do traçado geométrico da via. Complementarmente aos métodos de medição tradicionais, o desempenho dinâmico do veículo pode ser usado para identificar potenciais locais de baixa segurança no tráfego. A avaliação dos resultados medidos pode ser usada como métrica para priorizar a focalização da manutenção do traçado geométrico da via férrea. Essa metodologia pode otimizar ainda mais a intervenção de manutenção e melhorar a segurança do tráfego de veículos.
A deformação da via também afeta o veículo que passa devido à sua rigidez. A via geralmente tem que ser compartilhada entre passageiros e carga e superelevações compensadas parciais (ou ideais para velocidade) são empregadas. Isso produz uma distribuição de carga de roda assimétrica. O comprimento da curva de transição e o valor de inclinação produzem uma taxa de variação de torção, geralmente limitada devido à sua influência na torção da suspensão do veículo. Finalmente, o raio da curva inibe a velocidade e geralmente é limitado devido às restrições do conjunto de rodas e do truque.
Irregularidades da Via Férrea
As Irregularidades da via férrea são descritas principalmente por seus parâmetros geométricos, como bitola e superelevação. As irregularidades da via são variações em torno do traçado geométrico nominal, com pequeno comprimento de onda e podem ser uma variação aleatória ou periódica. Como pode ser observado na descrição anterior, nenhuma consideração de segurança é percebida em relação às propriedades do traçado geométrico da via ou ao problema de rugosidade. Independentemente do tipo de irregularidade, o fato é que um traçado de via com geometria variável impõe uma variedade de distribuições de carga nas rodas, e sua soma impõe uma variação na cinemática do veículo. Portanto, as forças atuantes da roda produzem a direcionamento do truque e as acelerações do veículo para negociar as curvas. A segurança objetiva do sistema está associada ao descarrilamento do veículo, tradicionalmente quantificada com a relação das forças de contato lateral e vertical de cada roda (L/V), que é bem conhecido e amplamente aceito. Isso significa que o veículo reage de acordo com sua função de transferência à entrada de irregularidades da via. Portanto, o veículo deve ser incluído no processo de avaliação para quantificar objetivamente a qualidade da via do ponto de vista da segurança.
Monitoramento da Qualidade da Via Férrea
