RIGIDEZ DE TRILHOS SOLDADOS POR CALDEAMENTO

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1 CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 RIGIDEZ DE TRILHOS SOLDADOS CIBEM POR 10, Porto, CALDEAMENTO Portugal, 2011 RM Natal Jorge, JMRS Tavares, JL Alexandre, AJM Ferreira, MAP Vaz (Eds) RIGIDEZ DE TRILHOS SOLDADOS POR CALDEAMENTO Vicente Gerlin Neto 1*, Claudemir A. Briguente 1*, Paulo A. Franzon Manoel 1, Ruis Camargo Tokimatsu 2, Vicente Afonso Ventrella 2, Celso Riyoitsi Sokei 2 1-Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Avenida Brasil Sul, 56, Ilha Solteira, São Paulo, Brasil, 2-Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Avenida Brasil Sul, 56, Ilha Solteira, São Paulo, Brasil, Palavras chave: Rigidez, Trilhos Ferroviários, Flexão, Caldeamento. Resumo A utilização de trilhos para transporte de cargas é utilizada pelo homem desde o século XVI na Inglaterra para a locomoção de carrinhos dentro de minas de carvão e minério. Os primeiros trilhos eram de madeira e pela umidade e sujeira presentes nas minas constantemente apodreciam, o que levou à substituição dos trilhos por trilhos feitos de ferro. Com a criação dos trilhos de ferro e com as novas tecnologias de obtenção de ligas ferrosas e a criação da máquina de vapor de James Watt surgiram as locomotivas a vapor, máquinas que se locomoviam em trilhos para transportar maior carga que os meios de locomoção animal. A utilização de trilhos de aço surge em meados do século XIX com a necessidade de se fabricar trilhos de melhor qualidade para a redução do elevado número de acidentes em ferrovias. Os trilhos de aço são utilizados até os dias de hoje em ferrovias no mundo e são uma essencial do transporte ferroviário. Os trilhos ferroviários são perfis laminados de aço com três regiões, a alma, parte delgada perpendicular no meio do trilho importante para a resistência à flexão, o boleto, parte superior de maior massa do trilho que suporta os esforços compressivos das rodas das locomotivas, e o patim, a base que serve de sustentação ao trilho. Os trilhos vêm em perfis laminados de 12 a 18m e para se uni-los em distâncias maiores (como os 9000km da ferrovia Transiberiana na Rússia) se utilizam juntas parafusadas ou junções por soldagem. As juntas soldadas são importantes pois permitem maior conforto de viagem e o transporte de maiores cargas, as soldas são realizadas por um processo chamado caldeamento, uma solda de topo que une dois trilhos em campo, o que facilita o processo contínuo de soldagem nas ferrovias. O processo de caldeamento modifica algumas propriedades mecânicas do material dos trilhos tais como a rigidez mecânica do trilho, fazendo com que o trilho soldado tenha maior rigidez do que o trilho sem solda. O objetivo deste trabalho é, por meio de ensaios de flexão em três pontos, se quantificar e entender a diferença de rigidez de trilhos soldados e não-soldados. CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 CIBEM 10, Porto, Portugal,

2 1. Introdução 1.1. Histórico Ferroviário O transporte ferroviário tem relatos de iniciar por volta de 2600 anos atrás na Grécia onde carros puxados por tração humana ou animal se guiavam por sulcos nas estradas de calcário para que os carros não saíssem da rota desejada. A utilização de trilhos começou apenas no século XVI quando trilhos primitivos de madeira eram utilizados para a locomoção de carrinhos em minas de carvão na Alemanha, estes trilhos foram melhorados no século XVII com a adição de placas de ferro para a melhora da resistência e da vida útil dos trilhos. Até este momento a tração utilizada continuava sendo animal ou humana dentro de minas de carvão ou minério, apenas no fim do século XVII com a invenção da máquina a vapor de James Watt nasce a possibilidade da mudança de tração para uma locomotiva a vapor, o que fará com que as primeiras ferrovias sejam idealizadas. Com a criação da primeira locomotiva a vapor em 1804 por Richard Trevithick, mostrada na figura 1, a idéia de uma ferrovia para se levar maiores quantidades de carga do que a tração animal, nascendo assim as ferrovias para transporte de carga e passageiros. Figura 2: Mapa Ferroviário Europeu. Fonte: Com o transporte ferroviário se mostrando muito competitivo e confiável, hoje diversos países do mundo voltam a investir nas ferrovias, como o Brasil, o que leva a uma nova frente de estudos para melhorias das condições de ferrovias seja para conservação das mesmas ou para o conforto dos passageiros e maiores velocidades dos trens Via Contínua O trilho é o elemento da chamada superestrutura ferroviária (que engloba trilho, dormentes, lastro e sublastro) que recebe o contato dos elementos rodantes de uma locomotiva. [1] Os trilhos saem da fabricação com extensões variando de 12 a 18m e levados diretamente par a região de assentamento. As primeiras ferrovias instaladas usavam talas para junção dos trilhos na extensão da ferrovia como mostrado na figura 3. O uso de talas de junção em ferrovias causa um problema de desconforto pelo impacto causado pela distância de dilatação de um trilho ao outro. Esse fato aliado à fraqueza e alto custo da manutenção destas junções levou a necessidade de se melhorar as condições de juntas ou a de eliminar a mesma. Figura 1: Locomotiva a vapor de Trevithick. Fonte: A partir do sucesso do transporte de cargas se iniciar na Inglaterra as ferrovias para transporte de passageiros se tornaram uma realidade com o surgimento das primeiras ferrovias intermunicipais na Inglaterra em A partir desde momento diversos países do mundo como EUA e Rússia partiram para a construção de ferrovias para melhorar os transportes de suas cargas e passageiros. No fim do século XIX por volta de 1870 a malha ferroviária européia já estava consolidada sendo praticamente a mesma até os dias atuais com um mapa mostrado na figura 2. A diferença está na velocidade dos trens e o volume de cargas, que aumentaram consideravelmente nestes anos. Figura 3: Junção parafusada de trilhos. Fonte: No passado, os métodos de junção mais comuns eram por juntas parafusadas, mas trilhos parafusados estão sujeitos a tipos particulares de falhas e os custos de manutenção são relativamente altos. [2] Para que novas situações de velocidades e volumes de transporte e também de um maior conforto para os passageiros as ferrovias em via contínua ou ferrovias continuamente soldadas foram desenvolvidas. Estas vias consistem em se substituir as juntas por talas parafusadas 3788 CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011

3 RIGIDEZ DE TRILHOS SOLDADOS POR CALDEAMENTO por juntas soldadas por aluminotermia ou por caldeamento, este segundo método sendo o mais utilizado atualmente Soldagem por Caldeamento Atentando-se as dificuldades encontradas nas junções por talas ou parafusos, atualmente sempre que possível, trilhos são unidos por soldagem. Soldagem é geralmente um processo mais barato e produz junções superiores. Como a via é contínua na junção, os problemas de impactos e barulho e problemas relacionados a distância entre os trilhos são eliminados e os custos de manutenção reduzidos. O processo de caldeamento é um dos processos de soldas considerados resistentes. [2] Figura 5: Máquina de caldeamento de trilhos. Fonte: Após o pressionamento dos trilhos, uma região de rebarbas é formada ao redor do trilho e o processo está terminado. Após o resfriamento da região soldada a rebarba é retirada e os trilhos soldados são esmerilhados para se chegar a superfície desejada Ensaios de Flexão Figura 4: Soldagem por caldeamento de trilhos. Fonte: O processo de soldagem por caldeamento ou centelhamento é um processo em que duas peças de seção transversal semelhantes são unidas. A solda é realizada por toda a área da seção sem metal de adição. [3] Um esquema das etapas do processo de soldagem por caldeamento está na figura 5. O ensaio de dobramento ou de flexão é um ensaio qualitativo simples e barato que pode ser usado para avaliar a ductilidade de um material. É freqüentemente usado para controle de qualidade de juntas com solda de topo. Tanto o equipamento como os corpos de prova são bastante simples, possibilitando a condução do teste no ambiente de fábrica. [4] O ensaio consiste é realizado se colocando um corpo de prova apoiado nas duas extremidades da área de ensaio com uma distância L e com a carga aplicada no ponto central destes dois apoios. A figura 6 mostra um desenho esquemático do ensaio. Figura 5: Soldagem por caldeamento. Fonte: No caso de ferrovias, os trilhos que se desejam unir são fixados na máquina de caldeamento mostrada na figura 5, a distância entre os trilhos deve ser pequena para a realização da solda. O segundo passo é o nivelamento dos trilhos para que no final a solda esteja nas condições desejadas. Após esta etapa de preparação da solda, uma diferença de potencial é induzida entre as duas pontas dos trilhos formando um arco elétrico entre as duas partes. Com a formação dos arcos e com uma das partes aquecida uniformemente se encontra com uma fina camada fundida os trilhos são pressionados um contra o outro. Figura 6: Ensaio de flexão de 3 pontos. Fonte: Geralmente os ensaios de flexão são realizados até a ruptura do corpo de prova. Porém, em alguns casos também se utiliza apenas a medida de determinada flecha comparando as medidas com as cargas alcançadas. No caso de trilhos ferroviários, os ensaios de flexão são para testar a conformidade dos trilhos é a de obtenção de uma flecha de pelo menos 9 mm após a realização do ensaio.[5] CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 CIBEM 10, Porto, Portugal,

4 2. Materiais e Métodos Os materiais utilizados para este trabalho foram trilhos ferroviários do tipo TR-57 com desenho e dimensões na figura 7 abaixo. Foram recebidos dois tipos de trilhos, sem solda e com solda, sendo que todas as soldas recebidas são do processo de caldeamento, e a figura 8 mostra como os trilhos foram recebidos em sua chegada. Rolete 2 Rolete 1 Rolete 3 Figura 9: Máquina de ensaio. Figura 7: Desenho do trilho com suas medidas. O objetivo do ensaio era encontrar a carga necessária para a obtenção de uma flecha de 10 mm no ponto central de ensaio. Após ensaios preliminares, definiu-se a carga de kgf como a carga média padrão para o fim do ensaio. Depois da realização dos ensaios os resultados apurados foram transformados em gráficos para melhor demonstração. Para a realização do ensaio dos trilhos sem solda, a posição central do trilho era marcada e colocada logo abaixo do rolete central da máquina onde a carga seria aplicada. Para as medidas de deslocamento foram utilizados dois relógios comparadores da marca Mitutoyo de 30 mm e 50 mm com precisão de centésimos de milímetros. O relógio comparador de 30 mm foi posicionado ao centro do trilho, logo abaixo do rolete 2 e o relógio comparador de 50 mm foi posicionado em um dos roletes da extremidade, no rolete 3 como mostrado na figura 10. Figura 8: Trilhos como recebidos. Após o recebimento, os trilhos foram submetidos a um processo de preparação com um esmerilhamento sendo realizado para retirar rebarbas da superfície do trilho. Após o esmerilhamento os trilhos foram enviados para a realização do ensaio de flexão de três pontos. Cada trilho possui 2000 mm de comprimento e no caso dos soldados a solda posicionada no ponto central do trilho. No ensaio foi utilizada uma máquina hidráulica universal de capacidade de 1 MN mostrada na figura X com a distância entre os roletes de apoio do ensaio sendo de 1000 mm. Figura 10: Posição dos relógios comparadores. Após o posicionamento dos trilhos e dos relógios comparadores dava-se o início do ensaio com o rolete 2 encostando no trilho e começando a aplicar carga. A aplicação da carga era aumentada gradativamente, aumentando 500 kgf de 0 à kgf, de kgf de 1000 a kgf, de kgf de a kgf e por fim de kgf de a kgf. Estes incrementos foram escolhidos de modo a obter mais de 3790 CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011

5 RIGIDEZ DE TRILHOS SOLDADOS POR CALDEAMENTO 30 pontos para o levantamento gráfico dos resultados. Ao fim do ensaio 42 medidas de força e flecha eram obtidas. No caso dos trilhos soldados o procedimento adotado era semelhante, se diferenciando apenas no posicionamento do trilho. O trilho era marcado na posição central da solda onde se queria a comparação com o trilho sem solda. A figura 11 mostra em detalhe a posição do trilho soldado. Figura 13: Resultados trilho soldado 1. O segundo trilho soldado teve um comportamento parecido, com a flecha sendo um pouco menor em relação ao primeiro trilho soldado como mostra o gráfico da figura 14. O valor de flecha obtido com uma carga de kgf foi de 8,21 mm, bastante parecido com o valor de 8,5 mm obtido pelo trilho soldado 1. Figura 11: Detalhe posição solda. 3. Resultados Os resultados obtidos dos trilhos sem solda foram colocados no gráfico da figura 12, onde se observa um comportamento muito semelhante entre os três trilhos ensaiados. Apenas uma variação de kgf entre os valores finais de carga para a flecha de 10 mm obtidas foi encontrado. Figura 14: Resultados trilho soldado 2. Após a realização de todos os ensaios foi possível observar uma boa repetibilidade nos ensaios tanto dos trilhos soldados quanto dos trilhos sem solda. A figura 15 mostra os gráficos dos trilhos soldados agrupados em uma única imagem e mostra a variação de flecha observada. Figura 12: Resultados flexão trilhos sem solda. Após os ensaios com os trilhos sem solda os trilhos soldados foram ensaiados. Dois trilhos foram ensaiados, o primeiro trilho teve o comportamento mostrado na figura 13, onde se observa uma diminuição da flecha obtida com a mesma carga aplicada aos trilhos sem solda de 10 mm para 8,5 mm. Esta diminuição da flecha começa a indicar um aumento da rigidez do trilho após a solda. Figura 15: Gráficos trilhos soldados agrupados. Os resultados obtidos foram muito semelhantes e a figura 16 comparando os cinco gráficos obtidos demonstra exatamente o comportamento dos trilhos ensaiados. CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 CIBEM 10, Porto, Portugal,

6 4. Conclusão Figura 16: Sobreposição dos 5 resultados. Após a realização dos ensaios e análise dos resultados foi possível se observar e concluir três pontos. Primeiro que o processo de fabricação dos trilhos tem um bom controle com os 3 diferentes trilhos ensaiados apresentando comportamento muito semelhante. O segundo ponto é o bom controle do processo de soldagem dos trilhos em campo com o comportamento da solda não tendo mudado muito nos dois diferentes trilhos ensaiados. O último ponto é o aumento da rigidez dos trilhos quando comparados os trilhos com e sem solda, uma flecha 1,5 mm menor para os trilhos soldados. 5. Referências [1] BRINA, Helvécio Lapertosa. Estradas de Ferro.Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.a., [2] MANSOURI, H.; MONSHI, A.. Microstructure and residual stress variations in weld zone of flash-butt welded railroads. Science And Technology Of Welding And Joining, S. L., v. 9, n. 3, p , jun [3] COMPANY, The H.w. Wilson. Microstructure and residual stress variations in weld zone of flash-butt welded railroads. Welding Journal, S. L., v. 12, n. 79, p.51-52, dez [4] MECÂNICA, Centro de Informação Metal. Ensaio de Dobramento: Medição, controle e ensaios. Disponível em: <http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico /6588-ensaio-de-dobramento>. Acesso em: 19 maio [5] Associación Latinoamericana de Ferrocarriles Comissión de Normalización, Norma ALAF Soldadura Aluminotérmica., Junho 2002, 12 p CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011

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