M. Rodante e Tração - Fundamentos (texto)

MATERIAL RODANTE E DE TRAÇÃO FUNDAMENTOS

ENG. WILSON TADASHI SHIMURA

Curso de Especialização em Transportes Ferroviário deioCargas Curso de Especialização em Transportes Ferroviário Ferroviár de Cargas

DISCIPLINA: DISCIPLINA: FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS DE MATERIAL RODANTE ÍNDICE 1. 1.00 OBJE OBJETI TIVO VOS S DA DIS DISCI CIPL PLIN INA A 2. 2.00 VEÍC VEÍCUL ULOS OS FER FERRO ROVI VIÁR ÁRIO IOS S 2.1 Material Rodante de Tração 2.1.1 2.1.1 Locomo Locomotiv tivas as Diesel Diesel – Elétri Elétricas cas 2.1.2 2.1.2 Loco Locomo moti tiva vas s Elétri Elétrica cas s 2.1.3 2.1.3 Loco Locomo moti tiva va a Vap Vapor or 2.1. 2.1.4 4 Auto Automo motr triz izes es 2.1. 2.1.5 5 Outr Outros os Tipo Tipos s

2.2

Material Rodante Rebocado 2.2.1 Vagões 2.2.2 2.2.2 Carr Carro o de Pass Passag agei eiro ros s 2.2. 2.2.3 3 Outr Outros os Tipo Tipos s

2.3

Trens Unidades

3.0 DINÂMI DINÂMICA CA DO MOVI MOVIMEN MENTO TO DOS DOS VEÍCUL VEÍCULOS OS FERRO FERROVIÁ VIÁRIO RIOS S 3.1 Equação Básica do Movimento 3.2 Esforço de Tração e Frenagem 3.3 Resistências ao Movimento 3.3.1 3.3.1 Resis Resistê tênc ncia ia Norm Normal al 3.3.2 3.3.2 Resis Resistê tênc ncia ias s Acid Aciden enta tais is 3.3. 3.3.2. 2.1 1

Resi Resist stên ênci cia a de de Ram Rampa pa

3.3. 3.3.2. 2.2 2

Resi Resist stên ênci cia a de de Cur Curva va

3.3. 3.3.2. 2.3 3

Ram Rampa Co Compen mpens sada ada

3.3. 3.3.2. 2.4 4

Resi Resist stên ênci cia a de de Inér Inérci cia a

4. 4.00 ADER ADERÊN ÊNCI CIA A RODA RODA-T -TRI RILH LHO O 4.1 Fatores que influe luencia iam m a aderência 4.2 Fórmulas empregadas 4.3 Patinação e Conseqüências 4.4 Formas de Melhorar a Aderência 4. 4.55 Traç Tração ão por por si simp mple les s ader aderên ênci ciaa e Sist Sistem emas as Espe Especi ciai aiss

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5.0 TRABALHO E POTÊNCIA 5.1 Definições 5.2 Potência de Tração 6.0 ESFORÇO TRATOR DE LOCOMOTIVAS 6.1 Curvas Características 6.2 Velocidade Mínima em Regime Contínuo 6.3 Esforço Trator e Aderência 6.4 Tração Múltipla com Locomotivas Iguais e Diferentes 7.0 VELOCIDADE DE EQUILÍBRIO 7.1 Esforço trator e Resistências do Trem 7.2 Dimensionamento de Trens para a Rampa Crítica 8.0 NOÇÕES DE FRENAGEM 8.1 Freio Dinâmico das Locomotivas 8.2 Freio Independente da Locomotiva 8.3 Freio Pneumático dos Vagões 8.4 Freios Manuais 8.5 Utilização dos Freios 9.0 MÉTODOS DE CÁLCULO DE DESEMPENHO DE TRENS 9.1 Cálculos Manuais 9.2 Simulação de Desempenho de Trens

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1.0OBJETIVOS DA DISCIPLINA Esta disciplina tem como objetivo apresentar uma visão panorâmica da questão do movimento dos veículos ferroviários, apresentando os principais elementos que intervém na dinâmica do trem e princípios a serem observados no dimensionamento das composições. 2.0VEÍCULOS FERROVIÁRIOS Os veículos ferroviários, os quais são denominados material rodante, são compostos de algumas unidades que dispõem de motores para a sua movimentação ou para rebocar outros veículos e aqueles que são simplesmente rebocados. 2.1

Material Rodante de Tração 2.1.1 Locomotivas Diesel – Elétricas

As locomotivas diesel-elétricas, as mais comumente empregada em trens de carga no País, são constituídas de unidades providas de motor diesel acoplado a gerador elétrico ou alternador, que alimenta os motores elétricos de tração. Essa combinação permite que as locomotivas diesel-elétricas possam desenvolver toda sua potência em baixas velocidades do trem, independente da rotação do motor de tração, que sendo elétrico tem seu torque máximo em baixas rotações. Nos veículos em que o motor é acoplado à movimentação da roda, através de caixa de transmissão, a potência cresce com a rotação do motor, significando que em baixas rotações não se dispõe de toda potência do m otor. As locomotivas são classificadas pela disposição de seus truques e quantidade de eixos tratores por truque (B para 2 eixos, C para 3 eixos e D para 4 eixos), sendo comuns os seguintes tipos: BB: 2 truques com 2 eixos tratores cada; BBB: 3 truques com 2 eixos tratores cada; CC: 2 truques com 3 eixos tratores cada; DD: 2 truques com 4 eixos tratores cada. O peso por eixo das locomotivas é limitado pelas características mecânicas de projeto e pela limitação imposta pela capacidade da via permanente, sobretudo das obras de arte. Atualmente esse valor está usualmente limitado em 32 t/eixo. 2.1.2 Locomotivas Elétricas

São locomotivas cujos motores elétricos de tração são alimentados por fonte externa, através de pantógrafos em contato com a rede aérea ou de sapatas com 3º trilho energizado.


A alimentação pode ser em corrente continua em voltagens variando de 600 a 3000 V, ou em corrente alternada em 25 kV ou 50 kV, para locomotivas de maior potência e em zonas menos povoadas. No caso de alimentação em corrente alternada, além de haver rebaixamento de tensão são empregados retificadores para transformação em corrente contínua para alimentação dos motores de tração. O controle das locomotivas eram feitos por resistores e atualmente são empregados diodos e tirestores no “chopper control”. 2.1.3 Locomotiva a Vapor

Foram as primeiras locomotivas com rodas acionadas pelos pistões alimentados pelo vapor produzido pela caldeira alimentada por lenha, carvão ou óleo combustível. O vagão “tender” acoplado à locomotiva tem a função de servir de reservatório de água e do combustível da caldeira. No Brasil as locomotivas à vapor continuam em operação em alguns trens turísticos. 2.1.4 Automotrizes

São as unidades dotadas de propulsão própria a exemplo de unidades automotrizes de passageiros e autos de linha 2.1.5 Outros Tipos

Outros tipos de material rodante de tração são representados pelas locomotivas diesel-hidráulicas e a turbina de gás, bem como motor linear e levitação magnética, locotrator, etc..

2.2Material Rodante Rebocado 2.2.1 Vagões

Os vagões de carga, cuja nomenclatura é composta de 3 letras, são classificados nas seguintes categorias (1ª letra - TIPO): •

FECHADO: carga geral embalada ou a granel com descarga de fundo;

•

GONDOLA: granéis sólidos e produtos siderúrgicos;

•

HOPPER: granéis sólidos e nos fechados grãos e cimento a granel;

•

PLATAFORMA: produtos siderúrgicos, contêineres e veículos;

•

T ANQUE: granéis líquidos;

•

ISOTÉRMICO: para cargas frigorificadas,

•

ANIMAIS:vagões gaiola para transporte de animais


A 2ª letra representa o SUB=TIPO do vagão nas características de tipo de descarga, se fechado ou revestido ou utilização, conforme exemplos a seguir: •

vagão Fechado: Revestido, Sem Revestimento, Lateral (descarga), Escotilha para carregamento e Hopper (descarga de fundo com tremonha)

•

vagão Gondola: Dumper (descarga com car-dumper), Portas laterais, Fundo móvel (descarga), Hopper (bordas basculantes ou fundo em lombo de camelo) e Tombantes (bordas tombantes);

•

vagão Hopper: Aberto, Fechado (granéis sólidos), Tanque convencional e E, com proteção anti-corrosiva.

•

vagão Plataforma: Automóveis (com dois pavimentos), Bobina, Contêiner, Dispostivo para fixação de contêiner, E (convencional com piso metálico), G para piggy-back (reboques rodoviários) e Rebaixado para cargas de grandes dimensões.

•

vagão Tanque: Convencional, Gases , Pulvurulento, Serpentina para aquecimento.

•

Vagão Isotérmico: Convencional.

•

vagão de Animais: Convencional, com estrado e estrutura metálica.

vagões do serviço Não remunerado. O peso bruto do vagão, bem como a bitola são representados pela 3ª letra: •

BITOLA 1,00 m

MANGA BITOLA 1,60 m

PESO POR EIXO (t)

PESO BRUTO MÁX. DO VAGÃO (t)

A

-

7,50

30

B

P

11,75

47

C

Q

16,00

64

D

R

20,0

80

E

S

25,00

100

F

T

32,50

130

U

37,50

150

Exemplos de nomenclatura de vagões: •

GDT: gôndola com descarga de fundo com 119 t de peso bruto;

•

FHD: fechado hopper (com tremonhas) com 80 t de peso bruto;

•

PBS: plataforma para bobinas com 100 t de peso bruto. 2.2.2 Carro de Passageiros

São classificados nos seguintes tipos:


•

Poltrona;

•

Dormitório;

•

Restaurante;

•

Correio;

•

Bagageiro 2.2.3 Outros Tipos

Exemplos de material rebocado: •

Guindastes;

•

Equipamentos de manutenção de via

2.3Trens Unidades São composições formadas por carros motores e carros reboque, característicos de : •

Trens de passageiros urbanos e de subúrbios;

•

Metrô.

•

VLT’s (Veículos Leves sobre Trilhos)

3.0DINÂMICA DO MOVIMENTO DOS VEÍCULOS FERROVIÁRIOS 3.1Equação Básica do Movimento O movimento de uma composição ferroviária é determinado pela resultante das forças que atuam no trem sejam a favor do movimento e as resistentes que se contrapõe ao movimento. A força resultante R determina a variação do movimento. Se R>0 a composição acelera. Se R=0 o trem mantém a velocidade constante e se R<0 a composição desacelera, reduzindo sua velocidade.


F

O

R

Ç

A

S

Q

U

E

A

v E T

R N

i

R A

( %

)

R A = R R + R C

No exemplo da figura, a força a favor do movimento é o esforço trator e as forças contrárias são representadas pela resistências normal, inerente ao movimento do veículo, e as acidentais que são as devidas à geometria da via (rampa e curva). R = E T – R A - R N

onde R = Resultante das forças E T = Esforço Trator R A = Resistência Acidental (Resistência de Rampa + Resistência de

Curva) R N = Resistência Normal Salienta-se que no caso de descidas a resistência de rampa é a favor do movimento. No caso de frenagem de trens surgem a forças frenantes na locomotiva e nos vagões . A aceleração resultante é obtida da seguinte forma: R=ma

e

a=

R m

sendo: m = massa do trem a = aceleração resultante

3.2Esforço de Tração e Frenagem As locomotivas é que fornecem o esforço de tração para movimentar a composição. O esforço trator depende da potência da locomotiva, do ponto de aceleração empregado, da velocidade do trem e da aderência roda-trilho.


Para controle de velocidade em descidas ou nas reduções de velocidade o trem utiliza os seguintes os freios, que geram forças contrárias ao movimento, com utilização de: •

Freio dinâmico das locomotivas (motor funcionando como gerador)’

•

Freio pneumático dos vagões

3.3Resistências ao Movimento 3.3.1 Resistência Normal

São as forças contrárias ao movimento que surgem nos vagões e locomotivas devido aos atritos (resistência de flange e dos rolamentos), energia gasta em movimentos parasitas (histerese) e atrito com o ar.

As diversas fórmulas de cálculo da resistência normal são empíricas e determinadas experimentalmente e em geral são expressas em resistência normal unitária (ou específica), isto é, por tonelada de peso do veículo. A fórmula de W. J. Davis é a expressão correntemente aplicada para a determinação da resistência normal:

r

n

Onde:

r n =

=

0,65 +

13,2

p

e

2

+

k

1

⋅

V +

A⋅V k p n 2

⋅

e

⋅

e

resistência normal unitária do veículo ferroviário (em kgf/t)

pe =

peso por eixo do veículo ferroviário (em tf)

ne =

número de eixos do veículo ferroviário

V =

velocidade do veículo ferroviário (em km/h)

k 1 e k 2 = coeficientes específicos do veículo ferroviário: A =

área frontal do veículo ferroviário (em m2):


Valores de k1 e k2 VEÍCULO

K 1

K 2

CARRO

0,0093

0,00064

VAGÃO

0,0140

0,00094

AERODINÂMICA

0,0093

0,00320

CONVENCIONAL

0,0093

0,00450

SIMPLES

0,0280

0,00450

ACOPLADA

0,0140

0,0450

LOCOMOTIVA AUTOMOTRIZ

Área Frontal dos Veículos Ferroviários ÁREA FRONTAL (m2)

VEICULO

Bitola 1,00 m

Bitola 1,435 m

Bitola 1,60 m

CARRO

8

11

11

VAGÃO

6a8

7a9

7A9

6 a 10

10 a 11

10 a 12

LOCOMOTIVA

a)

No processo de revisão da fórmula de Davis, devido a utilização corrente de rolamentos ao invés de mancal de fricção, a AREMA adotou a fórmula desenvolvida pela ferrovia Canadian National, que apenas ajusta os coeficientes da fórmula de Davis. As ferrovias suíças (CFF) utilizam as seguintes fórmulas: Para trens de passageiros:

R =  3,5α + 1,5β ) + (0,006α + 0,003β ) ⋅V + (0,00059α + 0,00023 β ) ⋅V

2

n

b)



Para trens de carga:

R =  3,5α + 1,5β ) + (0,006α + 0,003β ) ⋅V + (0,00059α + 0,00054 β ) ⋅V

2

n

onde:



P P

α =

l t

β= 1 - α

P l = peso da locomotiva P t = peso do trem


3.3.2 Resistências Acidentais

São as resistências que atuam sobre o trem devido à geometria da via, em função das rampas e das curvas. A Resistência Acidental é a soma das Resistência de Rampa e da Resistência de Curva. R A = R r + R c 3.3.2.1

Resistência de Rampa

É o efeito do peso do veículo ao se posicionar numa rampa i (%) , conforme a figura a seguir. A força devido a rampa empurra o veículo para baixo, sendo portanto contra o movimento nas subidas e a favor do movimento nas descidas.

I (%)

F = P . sen α sen α ≅ tg α ≅ α i tg α = 100

r r =

F P

resistência de rampa unitária em

kgf t

transformando o peso P em toneladas, r r =

1000 F .

P

=

r r = 10.i (%)

e

α 1000 P . sen . P

em

= 1000.tg α =

1000 .i 100

= 10 i

kgf t

R r = P t . r r onde

R r = resistência total de rampa (em kgf), P t = peso total do trem (em t)

Por exemplo, numa rampa de 1,0 % a resistência de rampa unitária (ou específica) é de 10 kgf/t, significando que um vagão de 100 t teria atuando sobre ele uma força de 100 t.10 kgf/t= 1000 kgf ou 1 tf.


3.3.2.2

Resistência de Curva

A resistência de curva é devido ao atrito das rodas que mantém solidárias no truque ferroviário com os trilhos e a força centrípeta que o contato gera para manter o veículo na curva. Evidentemente a resistência é maior quanto menor for o raio da curva. Existem várias fórmulas que buscam determinar a resistência de curva, determinadas experimentalmente, das quais podem ser citadas: r c

=

500 f 

R

2 2 b + b +r 

onde r c = resistência de curva (em kgf/t) f = coeficiente de atrito entre a roda e o trilho R = raio da curva (em m) b = bitola da via (em m)

l r = base rígida do truque (distância entre os eixos)

Fórmulas européias (UIC):

r c

=

500 b

(Comission des Courbes à Petits Rayons)

R

Fórmulas americanas:

r c = 0,6 .G

(bitola 1,60 m) e

r c = 0,54 G

(bitola 1,00 m)

onde G = grau de curva (1.146/R) Outras fórmulas:

K r = R − K 1

(Fórmula de Van Röckl)

c

2

onde K1 e K2 = parâmetros que dependem de R e b: Valores de K1 e K2

Raio da Curva

Bitola (m)

K1

K2

>300 m

1,60

650

55

<300 m

1,60

500

30

1,00

475

20


3.3.2.3

Rampa Compensada

Rampa compensada é a rampa imaginária em tangente, cuja resistência corresponde à soma das resistências de rampa e de curva de um determinado trecho. Simplificadamente a rampa compensada ( r cp) seria: r cp = r r + r c

Na prática o trem geralmente tem partes dele em rampas e curvas diferentes, de forma que o efeito das resistências acidentais é o valor ponderado. 3.3.2.4

Resistência de Partida

Quando o veículo ferroviário permanece algum tempo parado o filme de lubrificação existente entre o eixo e o mancal, no caso de mancal de fricção, ou entre as esferas e a superfície interna do rolamento, fica reduzido, produzindo uma resistência adicional para o início do movimento, denominado resistência de partida. Esta resistência cai com a velocidade e é atuante até cerca de 3 km/h, valendo a partir daí a resistência normal. O valor da resistência de partida é maior para o mancal de fricção em relação ao rolamento e também em baixas temperaturas, conforme pode ser visto no quadro a seguir:

RESISTÊNCIA DE PARTIDA (kgf/t) TIPO CONDIÇÕESNORMAIS ABAIXO DE0° C MANCAL DE FRICÇÃO 12,5 17,5 ROLAMENTO 2,5 7,5 3.3.2.5

Resistência de Inércia

Existe a inércia das partes girantes do trem (rodas) que representam acréscimo virtual de até cerca de 3% do peso do trem quando se tenta acelerar ou retardar a composição. Nos cálculos pode-se considerar essa massa adicional para calcular a força necessária para alterar a velocidade do trem. Por outro lado existe o conceito denominado Resistência de Inércia que na realidade representa a força necessária, em kgf/t para alterar a velocidade do trem, admitindo-se aceleração uniforme, numa determinada distância. 2

r

i

V =4

2

−

2

V

1

∆S

Onde: r i = “resistência de inércia”

(kgf/t)

V 2 = velocidade final

(km/h)


V 1 = velocidade inicial

ΔS = espaço percorrido

(km/h) (m)

4.0ADERÊNCIA RODA-TRILHO Um dos fatores limitadores da capacidade de tração das locomotivas é a aderência no contato roda-trilho, através do qual a roda consegue exercer o esforço trator. A aderência é a resistência que se opõe ao escorregamento de um corpo sobre outro. Se o esforço trator ultrapassa o limite da aderência ocorre a patinação, com as rodas deslizando sobre os trilhos, sem movimentação do veículo. A = 1000 . f . P a

onde A = aderência (em kgf) f = coeficiente de aderência P a = peso aderente da locomotiva (peso dos eixos tratores, em tf)

4.1Fatores que influenciam a aderência O coeficiente de aderência sofre variações de acordo com os fatores a seguir relacionados: a) natureza e condições das superfícies em contacto, dependendo do estado do trilho e da manutenção da via, bem como da presença de sujeira, óleo ou graxa; b) estado das rodas e diâmetros diferentes no mesmo eixo. c) condições atmosféricas, se o trilho está seco ou molhado; d) geometria da via, devido ao escorregamento da roda externa nas curvas de pequeno raio; e) velocidade do trem: a aderência reduz com o aumento da velocidade; f) tipo de locomotiva corrente contínua e maior com corrente alternada. 4.2Fórmulas empregadas Tratam-se de fórmulas empíricas conforme exemplos a seguir: f = f

f

0

1 +0,01V

=

8 +0,1V . 0 8 +0, 2V

f

(locomotivas diesel-elétricas) (locomotivas elétricas)


onde:

f o = coeficiente de aderência na partida V = velocidade

(km/h)

Fórmula de Curtius e Kniffler (Ferrovias Suíças): f =

7,5

V + 44

+ 0,161

Valores do coeficiente de aderência de partida ( f 0):

Tipo da Locomotiva À vapor Diesel elétrica e elétrica

Condição do trilho seco 0,25 0,33 a 0,40

úmido 0,15 0,22

com óleo 0,10

com areia 0,30

0,12

4.3Patinação e Conseqüências A patinação produz uma série de conseqüências para a ferrovia: a) produz escamação e desgaste localizado da superfície do trilho, antecipando a necessidade de troca de reposição; b) provoca calos na roda reduzindo a vida útil; c) provoca centelhamento no motor de tração, podendo danificar componentes; d) atrasa o trem podendo provocar o atraso também de outros trens. 4.4Formas de Melhorar a Aderência Algumas medidas podem produzir o aumento dão coeficiente de aderência: •

Manter a via permanente e as locomotivas em bom estado de conservação;

•

Utilizar o areeiro das locomotivas quando houver patinação; espalhando areia sobre os trilhos;

• •

Aumentar o peso aderente da locomotiva com lastro; Utilização de locomotivas dotadas de sistema de controle da patinação mais eficazes, com controle de velocidade de cada rodeiro, atuando individualmente em caso de patinação.

4.5Tração por simples aderência e Sistemas Especiais A tração por simples aderência é a forma como operam as locomotivas convencionais. Curso de Especialização em Transportes Ferroviário de Cargas Curso de Especialização em Transportes Ferroviário de Cargas

Existem sistemas especiais que permitem obter esforço trator acima da simples aderência. O sistema cremalheira existente entre Paranapiacaba e Raiz da Serra, em São Paulo, nas linhas da MRS, ou no trem do Corcovado no Rio de Janeiro, é dotado de um terceiro trilho dentado, onde a roda da locomotiva-cremalheira se acopla, produzindo esforço trator adicional. Outro sistema que no passado operava na Serra do Mar era o sistema funicular onde o trem era acoplado a cabos que tracionavam a composição.

5.0TRABALHO E POTÊNCIA 5.1Definições Trabalho é definido como produto da Força pelo deslocamento produzido (distância).

τ = F . d onde:

τ = trabalho (J) F = força (N) d = distância (m) Potência (W) é o trabalho produzido em uma unidade de tempo (s):

P =

τ t

P (HP) =

=

F .d t

= F.v

F .v 273,65

(v = velocidade em m/s)

( P (HP) = potência em HP, F em kgf e v em km/h)

5.2Potência de Tração •

Potência indicada ( P HPi):

potência no motor primário do veículo. •

Potência efetiva ( P HPr ):

potência nas rodas da locomotiva

P HPr = η t . P HPi

onde

η t .= rendimento da transmissão do motor às rodas


•

Potência útil ( P HPu):

A potência líquida disponível para a tração dos veículos rebocados e a Potencia nas rodas das locomotivas descontada da potencia necessária para a movimentação da própria locomotiva.

6.0ESFORÇO TRATOR DE LOCOMOTIVAS O Esforço Trator é a força de tração exercida pelas rodas motrizes de um veículo ferroviário sobre os trilhos com a finalidade de gerar movimento. No caso de locomotivas diesel-elétricas, com a finalidade de obter o maior torque na partida os motores de tração são ligados em série, passando a série-paralelo, podendo ficar em paralelo, de forma a buscar permitir o uso de toda potência do grupo motor-gerador. Na partida e até determinada velocidade o esforço trator é limitado de forma a diminuir a corrente elétrica no motor e somente depois dessa velocidade a potência máxima disponível pode ser utilizada. A locomotiva possui 8 pontos de aceleração, permitindo que o esforço trator seja graduado de acordo com as necessidades de condução do trem. Ao se considerar a máxima utilização da potência disponível tem-se a seguinte expressão:

E T =

P

273 ,65

HPR

V

Onde;

E T = Esforço Trator (kgf) P HPR = Potência na Roda (HP) V = velocidade (km/h) O Esforço Trator Útil ( E TU ) é definido como o esforço disponível na barra de engate da locomotiva, isto é, o esforço trator exercida pelas rodas da locomotiva ( E T ) descontado da força necessária à movimentação da própria locomotiva (R L).

E TU = E T - R L 6.1Curvas Características O diagrama a seguir mostra um exemplo de curva característica de esforço trator de uma locomotiva, devendo se observar: Curso de Especialização em Transportes Ferroviário de Cargas Curso de Especialização em Transportes Ferroviário de Cargas

- as características eletro-mecânicas da locomotiva impõe limitação do esforço trator a baixas velocidades até determinado ponto (patamar inicial); - a partir desse ponto a curva do máximo esforço trator descreve aproximadamente uma hipérbole do tipo E T = POT/V ; - existe uma velocidade máxima para a operação da locomotiva

6.2Velocidade Mínima em Regime Contínuo Os motores de tração das locomotivas são dimensionados para classes de isolação que determinam a corrente máxima que pode ser empregada. A utilização fora dos limites compromete a vida útil do motor elétrico devido ao excessivo aquecimento que produz danos ao equipamento. O Regime Contínuo é definido como aquele que o motor pode suportar, no banco de testes, por período ilimitado de tempo sem ultrapassar determinados limites de aquecimento fixados pelas normas internacionais. Curso de Especialização em Transportes Ferroviário de Cargas Curso de Especialização em Transportes Ferroviário de Cargas

O Regime Uni-horário é aquele que o motor pode suportar no banco de testes sem ultrapassar os mesmos limites de aquecimento. Dessa forma cada locomotiva tem definida a velocidade mínima em regime contínuo, acima da qual o equipamento pode operar indefinidamente atendendo as restrições de corrente do motor e conseqüente aquecimento. Note-se que a corrente no motor reduz com o aumento da velocidade. Para dimensionamento do trem essa velocidade mínima deve ser observada, evitando-se os problemas de manutenção devido à queima prematura dos motores de tração.

6.3Esforço Trator e Aderência Apesar das características eletro-mecânicas da locomotiva oferecerem determinado esforço trator a baixas velocidades, o esforço trator efetivamente disponível fica limitado pela curva de aderência, conforme pode ser v isto na figura abaixo. Enfatiza-se que a aderência varia com as condições da via, da locomotiva e do clima, podendo-se adotar curva de aderência representativa que ofereça boa confiabilidade à operação. O encontro das duas curvas define a velocidade crítica (Vc), significando que o dimensionamento do trem na rampa crítica deve ser no mínimo igual a esse valor. A velocidade dimensionante deve ser maior ou igual ao maior valor entre a velocidade crítica e a velocidade mínima em regime contínuo. ET

P

ADERÊNCIA ESFORÇO TRATOR

V Vc Os níveis de aderência dimensionante para as locomotivas modernas atingem cerca de 27% nas locomotivas de corrente contínua e cerca de 32% nas locomotivas de corrente alternada. 6.4

Tração Múltipla com Locomotivas Iguais e Diferentes


É usual a utilização de tração múltipla com trens rebocados por mais de uma locomotiva. A quantidade máxima de locomotiva é limitado pelo esforço nos engates, permitindo até 4 locomotivas á frente do trem. Uma das formas de aumentar o trem, melhorar a distribuição do esforço trator e reduzir os tempos e esforços de frenagem é o emprego de locomotivas no meio e/ou na cauda do trem, com emprego de dispositivos tipo “Locotrol”, que permite que o maquinista controle todas as locomotivas do trem. O esforço total para o dimensionamento de trens com utilização de tração múltipla com N locomotivas iguais é obtido com sendo a soma do esforço trator dimensionante de cada uma delas, isto é, ET total = N. ET dimensionante Entretanto, quando em tração múltipla as locomotivas são diferentes, sobretudo com potências bem distintas e velocidades mínimas em regime contínuo diferentes,, o dimensionamento deve utilizar a maior velocidade dimensionante definida por tipo de locomotiva. Significa que o esforço trator total da composição para efeito de dimensionamento será menor que a soma individual das locomotivas pois aquelas locomotivas que tem velocidades inferiores estarão sendo dimensionadas para velocidades mais altas, exercendo menor esforço trator. ET total < Σ ET dimensionante


7.0VELOCIDADE DE EQUILÍBRIO 7.1Esforço trator e Resistências do Trem Conforme mencionado anteriormente as resistências do trem variam em função da geometria da via (rampa e curva) e velocidade do trem (resistência normal) A figura a seguir apresenta esquematicamente três situações do trem em rampas diferentes, resultando em resistências diferenciadas para cada perfil e para cada velocidade. A velocidade de equilíbrio para cada situação é aquela em que a resistência total é igual ao esforço trator, representados por V 1, V2 e V3 na figura

FT ET R1

RT1

R2

RT2 RT3 V1 V2

7.2Dimensionamento de Trens para a Rampa Crítica Usualmente a ferrovia é dividida em trechos característicos de tração e em cada um deles é definida a rampa crítica dimensionante que é aquela representativa, com Curso de Especialização em Transportes Ferroviário de Cargas Curso de Especialização em Transportes Ferroviário de Cargas

extensão maior que o comprimento do trem, por exemplo, o dobro, onde são definidas as resistências devidas às rampas e às curvas. Varia-se o número de vagões rebocados até que o encontro da curva de resistência total encontre a curva de esforço trator na velocidade dimensionante mínima definida anteriormente (maior entre velocidade crítica e velocidade mínima em regime contínuo). O trem máximo é definido dessa maneira e efetivamente deve ser testado na prática se corresponde aos cálculos.

8.0NOÇÕES DE FRENAGEM Nesse capítulo será feita apresentação panorâmica dos tipos de freios que existem na composição ferroviária e sua utilização.

8.1Freio Dinâmico das Locomotivas Utilizado para o controle da velocidade do trem e nas reduções é composto pelo motor de tração que passa a trabalhar como gerador, transformando energia mecânica em energia elétrica a qual é dissipada em um banco de resistências elétricas ou pode ser devolvida à linha no caso de locomotivas elétricas (freio regenerativo). A figura abaixo mostra um exemplo de curva de freio dinâmico máximo, pois existem pontos de aplicação, do tipo estendido, mostrando que a partir de certa velocidade ele vai perdendo a sua eficiência.


Nas locomotivas de corrente alternada o freio dinâmico é eficaz mesmo a baixas velocidades, constituindo um patamar constante entre 0 km/h a cerca de 40 km/h.

8.2Freio Independente da Locomotiva É o freio aplicado por sapatas diretamente nas rodas das locomotivas usadas como freio de estacionamento ou em velocidades muito baixas. 8.3Freio Pneumático dos Vagões A frenagem nos vagões é feita por intermédio de sapatas que se aplicam à superfície das rodas através do sistema pneumático que aciona os cilindros de freio e transmite a força através da timoneria, conforme figura abaixo:


. FB

= 0,4536 pc x A x N x Ra onde FB = força de frenagem (kgf) Pc = pressão no cilindro (psi) 2 A = área do pistão (pol ) N = número de cilindros (em cada veículo) Ra = relação de alavancas do sistema de freio

RF = 1000 IF x ƒ x EFt onde RF em kg/t IF = índice de frenagem IF =

FB P

P = peso do veículo (kgf) ƒ

= coeficiente de fricção

=

0,33

(fórmula de Parodi), onde (1 + 0.0183V )(1 + 0,004t ) t = tempo de aplicação do freio (em s) EFt = eficiência da timoneria ƒ

8.4Freios Manuais Os freios manuais são utilizados em caso de estacionamento em rampas quando os freios pneumáticos deixam de operar. 8.5Utilização dos Freios Curso de Especialização em Transportes Ferroviário de Cargas Curso de Especialização em Transportes Ferroviário de Cargas

Em descidas longas com rampas acentuadas, com mais de 1 hora de percurso, o aquecimento das rodas dos vagões produzido pela frenagem é limitador de velocidade, sendo, por exemplo, a potência máxima de frenagem de 30 HP nas rodas de 29”. Foi o limitador do dimensionamento da velocidade operacional na descida da Ferrovia do Aço, na descida entre Bom Jardim de Minas e Saudade. O uso de locomotivas no meio e/ou na cauda do trem reduz o tempo de reação do sistema de freios e produz uma frenagem mais rápida, reduzindo as distâncias de frenagem;

9.0MÉTODOS DE CÁLCULO DE DESEMPENHO DE TRENS 9.1Cálculos Manuais No passado o desempenho dos trens era estabelecido com cálculos manuais obtendo-se valores estimados uma vez que eram adotadas algumas simplifi cações . Era um processo extremamente trabalhoso e lento, exigindo muito esforço para se calcular o desempenho do trem. 9.2Simulação de Desempenho de Trens Atualmente os simuladores de desempenho de trens (TPC, TPO) realizam rapidamente os cálculos de desempenho dos trens fornecendo para determinados passos de saída o tempo de percurso, velocidade, esforço trator, potência desenvolvida, consumo de combustível e outras informações levando em consideração as características reais da geometria da via (rampa e curva), otimizando parâmetros como no caso do TPO. Da mesma forma existem simuladores para o cálculo de frenagem que podem estar incorporados ao TPC ou TPO.


BIBLIOGRAFIA

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SHIMURA, Wilson Tadashi. Material Rodante – Fundamentos – Curso de Especialização em Transporte Ferroviário de Cargas - IME

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BRINA, Helvécio Lapertosa. Estradas de Ferro vol II.

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RATTON Neto, Hostílio Xavier.Material Rodante: Fundamentos – IME.

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LAPERTOSA, Plácido. Introdução a Tração Elétrica.

•

ROZA, Leopoldo. Freios Ferroviários


QUESTÕES DE DINÂMICA FERROVIÁRIA 1. Calcular a resistência normal específica (kgf/t) e total (kgf) que um vagão oferece ao movimento estando em uma composição se movimentando a velocidade de 50 km/h em uma ferrovia com bitola nominal de 1,60 m. O vagão tem 16 t de tara, está lotado com 74,0 t de carga e tem área frontal de 8 m 2. Utilizar a fórmula de Davis. 2. Qual é a resistência total, em kgf, de um vagão de bitola métrica com 75 t posicionado num declive de -1% e numa curva de raio 250 m, sendo sua resistência normal de 1,5 kgf/t. (utilizar a fórmula da “Comission des Curbes à Petit Rayons”). 3. Calcular a resistência de inércia oferecida para um trem com 3 locomotivas de 180 t e 120 vagões de 100 t, para que se passe da velocidade de 20 km/h para 35 km/h na distância de 1,5 km. 4. Dada a aderência inicial de 25% calcular o coeficiente de aderência de uma locomotiva diesel-elétrica a 25 km/h. Considerando-se que a locomotiva tem 120 t, qual poderia ser o valor da aderência? 5. Uma locomotiva possui uma potência efetiva na roda de 3000 HP. Qual é o esforço trator na velocidade de 45 km/h? 6. Identifique casos de tração múltipla em que devem ocorrer perdas de capacidade de tração em sua ferrovia. 7 Defina a velocidade de dimensionamento da locomotivas tipo CC de 180 t , velocidade mínima em regime contínuo de 19,8 km/h, esforço trator contínuo de 50,315 kgf e aderência de partida de 30 % (curva de Esforço Trator em anexo). Estabeleça o esforço trator para dimensionamento. 8. dimensione o trem com n vagões que poderá ser operado em um trecho de bitola larga cuja rampa crítica tem aclive de 0,8 % e curva média de raio 500 m, resultando em r A = r r + r c = 8,0 + 1,6 = 9,6 kgf/t. Utilize o seguinte material rodante: tração dupla com a locomotiva da questão anterior, com área frontal de 12 m 2. .( r n = A + B.V + C.V2 , em kgf/t, com V em km/h, sendo A= 1,0900, B= 0,0093 e C= 0,00030 ) e, •

vagões FHS com 90 t brutas e área frontal de 8 m2. .( rn = A + B.V + C.V2, em kgf/t, com V em km/h, sendo A= 1,1780 , B= 0,014 e C= 0,00008 ). •


9. calcule o peso total dos trens, o primeiro com todos os vagões carregados e o segundo com todos vagões vazios, utilizando o máxima esforço trator dimensionante disponível, sendo dados: •

capacidade de tração de tração no engate de 30.000 kgf a 20 km/h; na rampa de 1%;

•

rampa compensada de 1%;

•

vagões HFD de 80 t brutas e tara de 20 t, área frontal de 6 m2,

•

tração simples

10. usando os dados da questão anterior, quantas locomotivas são necessárias para tracionar um trem composto de 30 vagões carregados e 45 vazios?


M. Rodante e Tração - Fundamentos (texto)

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