ARMANDO SISDELLI, Especialista Ferroviário, MRS Logística S.A., Juiz de Fora MG, Brasil,

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1 SISTEMA DE INSTRUMENTAÇÃO PARA GERENCIAMENTO DA MANUTENÇÃO DAS RODAS DOS VAGÕES DA MRS LOGÍSTICA (INSTRUMENTATION SYSTEM TO MANAGE MAINTENANCE ON RAILCAR WHEELS OF THE MRS LOGÍSTICA) GUSTAVO TRISTÃO, Doutor, Prof. da Universidade Mackenzie e Gerente de Instrumentação e Monitoramento da Concremat Engenharia e Tecnologia, São Paulo, Brasil, gustavo.tristao@concremat.com.br ARMANDO SISDELLI, Especialista Ferroviário, MRS Logística S.A., Juiz de Fora MG, Brasil, armando.sisdelli@mrs.com.br ROSANA TIBA, Eng a Civil, Diretora Operacional da Concremat Engenharia e Tecnologia, São Paulo, Brasil, rosana.tiba@concremat.com.br RESUMO A programação da manutenção das rodas dos vagões é essencial para minimizar custos de reparação, aumentar a vida útil das rodas e via permanente, diagnosticar e eliminar previamente potenciais problemas relativos à segurança operacional. Para monitorar as rodas de 80% da frota de trens da MRS, que transita atualmente na Ferrovia do Aço, foi implementado um sistema de instrumentação nos trilhos com sensores de deformação para medição do real impacto gerado pelas rodas, possibilitando realizar um diagnóstico detalhado das rodas danificadas ou em processo de deterioração. O trecho da via permanente instrumentado está localizado no km 212 da Ferrovia do Aço, situado entre as estações P1-12 e P1-7, onde foram instalados oito (8) pares de sensores em cada trilho ao longo de 3 metros de via. Os sensores estão conectados à central de aquisição para armazenamento e tratamento dos dados, sendo ativados somente nas passagens dos trens. No total já foram avaliados cerca de 250 trens onde foram geradas tabelas com a força de impacto máxima registrada por cada roda dos vagões. Essas forças foram comparadas com o critério adotado pela AAR (Association of American Railroads) para realização do gerenciamento de manutenção dos vagões de acordo com os níveis críticos encontrados. PALAVRAS-CHAVE: Manutenção de vagões, defeito de rodas, instrumentação de trilhos, gerenciamento ABSTRACT The maintenance scheduling of the railcar wheel is essential to minimize repair costs, extend the life of the wheels and trackside, find and eliminate potential safety problems early. To help MRS be more proactive in their railcar maintenance was implemented instrumentation system in the rail with strain gauge to measure the magnitude of transient wheel loads which evaluate measurements against established thresholds to detect the presence of wheel defects and characterize their magnitude.

2 The instrumentation site is located at km 212 of the Railroad Steel, located between the stations P1-12 and P1-7, which were fixed eight (8) pairs of strain gauges in each rail over 3 meters in track. The strain gauges are connected to the system for storage and processing of data which are activated as railcar passes over a detector. Have already evaluated some 250 trains where tables were created with the maximum impact load recorded by each wheel of the railcar. These loads were compared to the methodology adopted by AAR (Association of American Railroads) to perform the maintenance management of railcar according to established thresholds. KEY WORDS: Railcar maintenance, wheel defects, rail instrumentation, management

3 INTRODUÇÃO A manutenção das rodas de composições é uma das grandes preocupações dos proprietários de ferrovias uma vez que rodas danificadas, com calos, podem ocasionar diversos problemas, como por exemplo: danificação do trilho, falha nos rolamentos, ruído excessivo, etc. Além disso, o aumento do número de substituição de rodas implica em acréscimo significativo de custos. A determinação da roda com calo é realizada em geral mediante inspeção tátil e visual, procedimento pouco eficaz, fazendo-se necessário a utilização de um método preciso para identificar as rodas danificadas possibilitando minimizar os custos e gerenciar a manutenção dos vagões. Visando esse objetivo, foi implementado um sistema de instrumentação e avaliação para medição contínua das forças transmitidas pelas rodas aos trilhos, possibilitando realizar um diagnóstico detalhado das rodas danificadas ou em processo de deterioração. As rodas com calos causam um impacto maior sobre o trilho, fazendo com que a tensão no trilho seja maior que o da passagem normal da roda. O presente trabalho tem por base apresentar a metodologia de instalação dos sensores, aferição, forma de monitoramento e resultados gerados com a passagem cotidiana das composições, permitindo a determinação dos níveis de forças aplicados pelas rodas sobre os trilhos e conseqüentemente o diagnóstico do estado de conservação das rodas. A avaliação da condição da roda para manutenção é realizada conforme a AAR (Association of American Railroads) com base no nível de força gerada pela roda. SISTEMA DE INSTRUMENTAÇÃO O sistema de instrumentação foi implementado em um trecho reto de via e com os trilhos sem imperfeições, localizado no km 212 da Ferrovia do Aço, situado entre as estações P1-12 e P1-7. O sistema é composto por oito pontos de medida em cada trilho, totalizando dezesseis. Em cada trilho foram instalados sete pares de sensores espaçados sobre dormentes e um entre dormentes. O espaçamento médio entre dormentes é de 54 cm sendo os sensores distribuídos ao longo de 324 cm de comprimento, que é maior que o comprimento equivalente a revolução completa da maior roda que transita sobre os trilhos. Com essa estratégia, pode-se garantir que o calo de uma roda danificada passe sobre, ou muito próximo, de um dos pontos em que estão instalados os sensores. Em cada ponto foi utilizado dois (2) sensores do tipo extensômetro elétrico. Os extensômetros foram instalados na vertical, um de cada lado do trilho, e posicionados na alma. Os pontos foram numerados a partir da rota dos trens no sentido da estação P1-7, onde do lado direito estavam os pontos pares 0, 2, 4 (entre dormentes), 6, 8, 10, 12 e 14, e conseqüentemente do lado esquerdo os pontos ímpares 1, 3, 5 (entre dormentes), 7, 9, 11, 13 e 15. As figura 1 e 2 mostram o projeto e a configuração final do sistema instalado.

4 Figura 1. Projeto do sistema de instrumentação Figura 2. Detalhe do sistema instalado. Instalação dos sensores e central de aquisição Para instalação dos sensores o trilho deve estar em boas condições, não deve apresentar sinais de corrosão, não pode ter saliência ou reentrâncias e deve estar limpo. A proteção dos sensores contra umidade e possíveis impactos foram realizadas utilizado silicone de cura neutra e posteriormente liga de durepox.

5 Para a conexão dos sensores com a central de aquisição e análise foram utilizados cabos 4x20AWG BT, protegidos por eletroduto que foram posicionados de forma que as passagens dos trens não oferecessem risco. A central de aquisição foi instalada no Box apropriado, junto à via permanente, para guarda de equipamentos de monitoramento da operação da via, conforme figura 3. Figura 3 Box apropriado para armazenamento da central de aquisisço Fator de calibração dos sensores Tendo em vista que os extensômetros são sensores que medem deformação e o critério para avaliar o estado de deterioração das rodas baseia-se em forças, é necessário conhecer o fator de calibração do sensor para quantificar o valor de força que provoca uma determinada deformação. Os trens que trafegam pala Ferrovia do Aço não têm o valor real da carga conhecida, por isso não seria possível determinar o fator de calibração e não existiria parâmetro para determinar as cargas por roda. Para determinar o fator de calibração de cada sensor foi necessária a passagem de um trem com carga conhecida que denominamos de trem aferidor. O trem aferidor foi constituído por quatro locomotivas e três vagões de pesos conhecidos (aferidores). A carga total de cada vagão aferidor era de 100,3 tf, 79,7 tf e 59,6 tf. Tendo em vista que cada vagão é composto por dois truques sendo que cada truque tem duas rodas de cada lado, totalizando oito rodas por vagão, o peso por roda de cada vagão é 12,54 tf, 9,96 tf e 7,45 tf, respectivamente. Para determinar o fator de calibração para cada sensor, o trem aferidor passou pelo trecho em que estão instalados os sensores na velocidade de operação de 50 km/h. Para calcular o fator de calibração foram relacionadas às deformações obtidas em cada sensor com a respectiva carga da roda (Fator de calibração = Carga por roda conhecida / Deformação). Em uma passagem dos vagões aferidores foram obtidas doze leituras de deformação por sensor, sendo quatro para cada vagão, conforme mostra a tabela 1 para o lado par. Os valores de deformação resultaram em doze valores de fator de calibração, mostrado na tabela 2.

6 Vagão Aferidor Tabela 1. Deformação referente à Aferição Lado Par Carga (tf) Roda SG-00 SG-02 SG-04 SG-06 SG-08 SG-10 SG-12 SG-14 12,54 1D ,54 2D ,54 3D ,54 4D ,96 1D ,96 2D ,96 3D ,96 4D ,45 1D ,45 2D ,45 3D ,45 4D Tabela 2. Fator de Calibração de uma passagem Lado Par Vagão Carga Aferidor (tf) Roda SG-00 SG-02 SG-04 SG-06 SG-08 SG-10 SG-12 SG-14 12,54 1D -0,137-0,218-0,263-0,163-0,218-0,163-0,178-0, ,54 2D -0,116-0,164-0,166-0,129-0,156-0,149-0,146-0,117 12,54 3D -0,138-0,202-0,230-0,193-0,215-0,195-0,153-0,112 12,54 4D -0,128-0,224-0,214-0,142-0,163-0,173-0,138-0,151 9,96 1D -0,126-0,183-0,182-0,121-0,172-0,182-0,132-0, ,96 2D -0,148-0,234-0,218-0,141-0,175-0,154-0,134-0,155 9,96 3D -0,158-0,216-0,269-0,295-0,237-0,204-0,202-0,157 9,96 4D -0,123-0,208-0,213-0,161-0,186-0,166-0,162-0,122 7,45 1D -0,105-0,164-0,152-0,103-0,147-0,143-0,130-0, ,45 2D -0,101-0,153-0,167-0,130-0,129-0,109-0,120-0,109 7,45 3D -0,139-0,194-0,233-0,214-0,222-0,161-0,163-0,116 7,45 4D -0,145-0,241-0,198-0,130-0,175-0,174-0,146-0,143 Média de uma passagem -0,130-0,200-0,209-0,160-0,183-0,165-0,150-0,128 O Fator de calibração de cada extensômetro foi composto pela média dos valores de duas passagens dos vagões aferidores em velocidade de operação. Os valores finais para todos os sensores estão apresentados na tabela 3. A figura 4 mostra a passagem do vagão sobre o sistema de instrumentação.

7 Tabela 3. Fator de calibração final SG-00 SG-02 SG-04 SG-06 SG-08 SG-10 SG-12 SG-14-0,133-0,212-0,206-0,151-0,197-0,177-0,156-0,126 SG-03 SG-05 SG-07 SG-09 SG-11 SG-13 SG-15-0,177-0,203-0,155-0,193-0,184-0,140-0,126 Figura 4. Passagem do vagão sobre o sistema de instrumentação RESULTADOS O gráfico apresentado na figura 5 é referente à leitura de um sensor durante a passagem de um trem. Cada pico apresentado no gráfico é referente a uma roda do trem onde uma maior intensidade do pico, em relação à média dos picos, pode significar uma roda deteriorada ou em estado de deterioração. Na figura 6 apresenta um detalhe do gráfico da figura 5, podendo identificar facilmente os picos. Com os valores das deformações medidas e com os fatores de calibração foram determinadas as forças nas rodas e gerado automaticamente tabelas contendo: Número e o nome do trem; Número de locomotivas iniciais e o lado dos vagões; Posição da roda, o número do vagão, o tipo (para identificar se é vagão ou locomotiva); Valor da força em tonelada para cada sensor; Valor de força máxima para roda. As tabelas 4 e 5 ilustram o formato de saída dos resultados, onde para cada trem é gerado a força máxima medida para cada roda do vagão.

8 Deformação (me) Tempo (s) Figura 5. Sinal da passagem do trem sobre um sensor 0-20 Deformação (me) Tempo (s) Figura 6. Detalhe do sinal da passagem do trem sobre um sensor

9 Tabela 4 Trecho da tabela de saída dos sensores pares Força (tf) por roda de cada vagão 145-NEL0108 3loc ml Pos. Número TIPO SG-00 SG-02 SG-04 SG-06 SG-08 SG-10 SG-12 SG-14 Méd. Max V V V V V Tabela 5 Trecho da tabela de saída dos sensores ímpares Força (tf) por roda de cada vagão 145-NEL0108 3loc ml Pos. Número TIPO SG-03 SG-05 SG-07 SG-09 SG-11 SG-13 SG-15 Méd. Max V V V V V

10 Critério para avaliação das rodas Para avaliação do estado de deterioração das rodas dos vagões é comparada a força máxima gerada pela roda com os limites estabelecidos pela AAR (Association of American Railroads). Segundo a AAR, os limites são divididos em quatro categorias, possibilitando um gerenciamento da manutenção dos vagões. Abertura de janela de oportunidade de manutenção: quando a força na roda supera o valor de 32,5 tf; Oportunidade de reparo: quando a força na roda está entre 40 tf e 45 tf; Condenável: quando a força na roda é maior que 45 tf; Nível de alerta final: quando a força na roda é maior que 70 tf. Como exemplo, o gráfico da figura 7 apresenta a avaliação das rodas do lado par de um trem com 3 locomotivas e 131 vagões. Como todas as rodas estão identificadas e associadas aos vagões, o processo de análise do estado de deterioração torna-se simplificado e rápido. Trem 414-NFL0230 3loc li - Rodas lado par Força na roda (tf) Posição das rodas Figura 7. Avaliação das rodas do trem - lado par Oportunidade de reparo Abertura para manutenção CONSIDERAÇÕES FINAIS O sistema de instrumentação implantado na Ferrovia do Aço para avaliar o real impacto de rodas ferroviárias possibilita identificar com precisão as rodas que precisam de reparo, dispensando a inspeção tátil e visual dentro da oficina de manutenção e conseqüentemente a parada da composição para tal avaliação. O método consiste em comparar o nível de força gerado pela roda com limites preconizados pela AAR (Association of American Railroads), no caso de ferrovias. De acordo com o nível de força é

11 realizado um gerenciamento da manutenção das rodas e conseqüentemente a retirada planejada dos vagões de operação. Essa programação de manutenção é vital para minimizar custos de reparo, aumentar a vida útil das rodas e via permanente e eliminar previamente potenciais problemas relativos à segurança operacional. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AAR ADVANCED TECHNOLOGY SAFETY INITIATIVE (ATSI). Background and Current Status NUNES, et al. Medição da Carga Estática Por Eixo Dos Trens da Linha 3 Vermelha do Metrô de São Paulo. 49 o Congresso Brasileiro do Concreto, RAILWAY SAFETY TECHNOLOGIES. Research and Traffic Group, AGRADECIMENTOS Ao Setor de Engenharia da Manutenção de Vagões da MRS Logística S.A.