Soluções para Amortecimento das Vibrações sobre o Suporte do Captor HF e Braços de Sustentação

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1 Soluções para Amortecimento das Vibrações sobre o Suporte do Captor HF e Braços de Sustentação

2 Suporte do Captor HF e Braços de Sustentação Resumo O objetivo do trabalho foi desenvolver uma estrutura capaz de resistir à influência dos esforços combinados com características estruturais naturais do conjunto de forma atender à sua função primária sem entrar em colapso e sem deformar ou vibrar excessivamente. Ou seja, mitigar o efeito vibracional e as quebras das estruturas decorrentes deste efeito. Palavras-chave: Amortecimento, vibração, captor.

3 Apresentação 1. Introdução Um corpo é dito estar vibrando, quando ele descreve um movimento de oscilação em torno de uma posição de referência. O número de vezes de movimentos completos (ciclos), tomados durante o período de um segundo, é chamado de freqüência e é medido em Hertz (Hz = ciclos / segundo). Vibrações mecânicas podem ser geradas intencionalmente para produzir um trabalho útil, como em alimentadores vibratórios, britadores de impacto, compactadores, vibradores para concreto, etc., porém, a vibração normalmente é considerada indesejável, e sua presença acelera consideravelmente o desgaste provocando quebras e, por conseqüência, paradas inoportunas do sistema. A vibração é freqüentemente um processo destrutivo, ocasionando falhas nos elementos por fadiga. O aumento do nível de vibração está relacionado com alterações ocorridas em um ou mais elementos, influenciando também outros componentes por estarem interligados. Uma pequena vibração pode excitar freqüências de ressonância de outras partes estruturais e ser amplificada para um nível maior de vibração, que geralmente será percebido na estrutura e não diretamente na fonte de vibração. A compreensão da razão da vibração e como se manifesta, foi um passo importante para identificar e prever falhas. 2. Situação Problema As linhas do nosso sistema podem ser subterrâneas, de superfície ou elevadas. A linha denominada A, subterrânea, é assentada com dormentes de concreto com amortecimento, diferentemente da linha denominada (B), com trechos mistos, que é assentada com dormentes de concreto. O sistema de sinalização implantado na linha denominada (A), diferentemente da linha (B), além de garantir a segurança dos trens, interage com o sistema de Pilotagem Automática para habilitar a geração do perfil de velocidade e com o centro de controle para permitir a execução da supervisão e controle centralizados do tráfego. Uma das peças fundamentais do sistema de sinalização com pilotagem automática é o captor de alta freqüência, HF. O captor é um equipamento embarcado, fixado através de braços de sustentação, responsável por captar, filtrar e amplificar os sinais emitidos através de um tapete localizado entre os trilhos de rolamento da via permanente. Estes conjuntos estão localizados nos Carros A das composições, ou seja, nos carros com cabine de condução. Cada carro A é composto por dois conjuntos: braço de sustentação direito e braço de sustentação esquerdo. Estes conjuntos, quando do deslocamento da composição, recebem as interferências da via permanente pela existência de excitações oriundas de irregularidades nos trilhos e calos nas rodas. As falhas nestes conjuntos estão diretamente relacionadas à fadiga com altos níveis de tensões. Sempre iniciam com uma pequena trinca que pode estar presente no material desde a sua manufatura ou desenvolver-se ao longo do tempo devido às deformações ao redor das concentrações de tensões. Com o desenvolvimento destas trincas ocorre a ruptura repentina do material.

4 As características geométricas dos braços de sustentação, tais como os elementos de união e dobras, pontos de soldas, também podem ser consideradas como locais propícios à concentração de tensão e, conseqüentemente, para surgimento de trincas. Abaixo temos o resultado deste processo. Falhas por Fadiga Uma alternativa emergencial, sem nenhum estudo específico, foi proposta para mitigar os efeitos de vibração e retardar a quebra do conjunto. Inicialmente, pensou-se em reforçar a estrutura, mas a alternativa foi alterar o arranjo da peça, ou seja, modificar a geometria do tipo colméia para geometria com furos cilíndricos. Foi verificado que a estrutura desenvolveu tensões maiores na região de descontinuidade do que a tensão média ao longo da peça. Precisávamos de uma solução adequada já que a alternativa proposta não foi satisfatória. Foi preciso conhecer as condições nas quais as peças operavam com a determinação dos esforços dinâmicos atuantes principalmente na tração e compressão, ou seja, na partida e frenagem do trem. Para tanto, uma empresa parceira nos ajudou neste processo realizando medições de vibração no suporte do captor e nos braços de sustentação ao longo das vias das Linhas A e B para levantar os espectros e níveis de vibração provenientes das vias quando do deslocamento da composição. A partir desta análise, nos ajudou a desenvolver uma solução de modo que a estrutura venha circular tanto na Linha A como na Linha B com a máxima disponibilidade e confiabilidade. 3. Análise das Chapas: Situação existente Falhas por Fadiga Uma sucessão de análises e modificações das características da estrutura foi realizada em busca de uma solução satisfatória, tanto em termos econômicos como na verificação dos pré-requisitos funcionais e regulamentares do conjunto. As medições foram realizadas para as diferentes condições de operação, ou seja, para a condição menos crítica (com a composição, preferencialmente, vazia) e mais crítica (em horário de pico, quando a composição estiver com capacidade máxima). A idéia era verificar o comportamento da estrutura quando sujeita a carregamento dinâmico de qualquer ordem. A coleta efetuada

5 sem carga (passageiros) permitiu verificar a resposta do conjunto frente à imposição do comportamento dinâmico da composição, mais especificamente sob ação de suas partes móveis. Já a coleta com carga permitiu avaliar o quanto a carga afeta o comportamento dinâmico da estrutura. As medidas foram realizadas por meio de acelerômetros instalados diretamente na estrutura. Os acelerômetros foram fixados em pontos distintos permitindo a verificação do nível de vibração que o contrapeso e o captor HF impõem à chapa de sustentação. Os pontos de fixação foram: No contrapeso que sustenta o captor, na direção vertical (P1); Na parte inferior da chapa, com leitura na direção vertical (P2); Na lateral da chapa, com leitura na direção horizontal (P3); Na parte inferior, posicionado na ponta da chapa, com leitura na direção vertical (P4). Ilustração 1 - Localização dos Acelerômetros Com a identificação da faixa de freqüência e os níveis de vibração para as condições reais de funcionamento e a influência dos diferentes tipos de excitações decorrentes das diferentes superestruturas das vias das linhas A e B foi possível prever em quais condições de operação o conjunto apresentou instabilidade dinâmica, através de acoplamento de freqüências naturais e de trabalho, fenômeno conhecido por ressonância. A aceleração, parâmetro medido, forneceu informações sobre a fonte de excitação e o comportamento da estrutura, em termos de amplitude e freqüência de movimento. A seguir, têm-se as formas de onda e os seus respectivos níveis de energia nas faixas de freqüências excitadas. 3.1 Visão Geral do Sinal - Linha A Ilustração 2 - Sinal Linha A

6 3.1.1 Nível de energia para as faixas de freqüências excitadas Linha A. Ilustração 3 - Nível de energia Linha A 3.2 Visão Geral do Sinal - Linha B Ilustração 4 - Sinal Linha B Nível de energia para as faixas de freqüências excitadas Linha B Ilustração 5 - Nível de energia Linha B

7 Devido às condições nas quais estas peças estão operando, verificou-se a presença de esforços dinâmicos de grandes magnitudes atuantes nas principais direções: tração e compressão devido à frenagem e partida do trem. Estas excitações são provenientes do movimento do eixo do trem quando o mesmo se encontra em circulação e são responsáveis por criarem um estado triaxial de tensão em vários pontos do material, principalmente nas regiões críticas (dobras, cordões de solda e entalhes). Observou-se também, além das cargas cíclicas (forças dinâmicas inerciais devido às acelerações da peça), a existência de excitações impulsivas de grande energia oriundas de irregularidades nos trilhos e rodas. 3.3 Análise da Estrutura Existente Foram gerados desenhos 3D do conjunto de sustentação do captor e exportados para o programa de elementos finitos ANSYS. Foram escolhidos os elementos que melhor representam o conjunto com o objetivo de conferir maior precisão aos resultados. Foram consideradas as propriedades mecânicas das estruturas. Com o conhecimento das freqüências naturais foi iniciado um estudo de análise de resposta no domínio da freqüência. Neste tipo de análise foi possível verificar o comportamento da estrutura, quando sujeita a carregamento dinâmico de qualquer ordem. Através desta análise modal foram identificados os modos de vibrar e as freqüências naturais dentro da faixa nas quais o conjunto foi solicitado. Através do Método dos Elementos Finitos foi possível determinar o estado de tensão e de deformação da estrutura. De acordo com as análises numéricas simuladas em softwares de elementos finitos e utilizando condições de carregamento similares às reais, foi possível verificar que as tensões são maiores que o limite de fadiga do aço na maioria das situações. Ou seja, tanto as chapas originais quanto as modificadas não suportam os esforços submetidos falhando por fadiga. Algumas novas propostas, simuladas em software, como chapa inteira sem solda e o reforço da peça com geometria do tipo colméia também não foram aprovadas. Ilustração 6 - Simulação do Comportamento Dinâmico Geometria Colméia e Cilíndrica Ilustração 7 - Simulação do Comportamento Dinâmico Peça Reforçada e Chapa Lisa

8 4. Projeto da nova chapa de sustentação do captor Como as geometrias existentes (incluindo as tentativas de modificá-las) não atendem às solicitações as quais são submetidas, principalmente quando os trens estiverem trafegando na Linha B, uma nova arquitetura para o conjunto foi proposta e será apresentada a seguir. O objetivo do projeto é criar uma estrutura capaz de resistir à influência dos esforços combinados com características estruturais naturais do conjunto de forma atender à sua função primária sem entrar em colapso e sem deformar ou vibrar excessivamente. Para confecção da peça alguns fatores foram levados em consideração. As forças que atuam na estrutura podem ser permanentes, tais como o peso próprio e dos objetos suportados pela estrutura, ou acidentais. Com base nestas informações, diversos casos de carregamento foram testados com o objetivo de estabelecer a condição mais desfavorável de projeto (aquela que produz os maiores esforços). Dentro destes limites, foi almejado o melhor uso dos materiais disponíveis e o menor custo possível de construção e manutenção da estrutura. Resumidamente, as principais etapas do projeto foi o dimensionamento da estrutura, a definição das cargas ou forças que atuam na mesma. Ilustração 8 - Novo Conjunto Ilustração 9 - Peças Detalhadas Ilustração 10 - Fotos do novo conjunto Com as simulações realizadas no programa ANSYS foi analisado o comportamento dinâmico do novo conjunto e suas condições estruturais.

9 Ilustração 11 - Simulação do Comportamento Dinâmico do Novo Conjunto - Base Ilustração 12 - Simulação do Comportamento Dinâmico do Novo Conjunto Os resultados mostram que todas as tensões obtidas são inferiores ao limite de fadiga do material utilizado e para as condições de operação do conjunto. 5. Amortização O novo conjunto foi considerado eficaz e resistente à influência dos esforços combinados, de acordo com as simulações realizadas, atendendo à sua função sem entrar em colapso. A peça está em fase de testes. Se for confirmado à confiabilidade da peça com os valores obtidos por simulação os custos relativos às constantes trocas das unidades existentes deixarão de existir. Nossa frota é formada por 32 (trinta e duas) composições, totalizando 64 (sessenta e quatro) carros do Tipo A. Cada carro do tipo A possui 2 (dois) conjuntos. Historicamente, o índice de falhas destas estruturas foram maiores a partir do ano de Deste período até hoje foram substituídos 220 conjuntos com preço médio de R$ 1.800,00. Investimento de R$ ,00. Outro fator que deverá ser considerado é a mão-de-obra utilizada na troca do suporte e na regulagem de altura do captor. Para realizar estas atividades, em cada carro do

10 tipo A, é necessário dispor de 2(dois) profissionais e um tempo de 2(duas) horas. O valor da hora do profissional envolvido nesta atividade é de R$ 14,83. Na substituição das peças em falha foi necessário investir R$ ,40 com mão-de-obra. O valor dos novos conjuntos, considerados protótipos, foi orçado em R$ 2.620,00. Para padronização de toda frota será necessário investir R$ ,00 em peças e em mão-de-obra será necessário R$ 8.067, 52. O investimento equivale a 83,8% do que foi gasto nos últimos três anos com as trocas das peças em falha. Desta forma, evitam-se as constantes trocas por falhas, aumenta-se a confiabilidade e reduz a mão de obra empregada. Comparado com o período entre 2009 e 2011, estima-se uma redução de 92% do índice de falhas após a padronização dos 64 carros do tipo A. Itens Quantidade Valor Unitário Valor Total (Previsão de Falhas - 10%) Valor Quantidade Valor Total Unitário Peças ,00 R$ , ,00 R$ ,00 Mão-de-obra (horas) ,66 R$ , ,66 R$ 711,84 Total R$ ,40 R$ ,84 Tabela 1 Investimento X Falhas para os próximos 3 (três) anos CONCLUSÃO Das medições de vibração realizadas no domínio do tempo, percebe-se que para a linha B tem-se valores mais críticos de aceleração em relação a linha A, o que torna a peça mais susceptível a falha. Uma característica observada foi à excitação em várias faixas de freqüências. Como conseqüência, durante o funcionamento, a peça atravessa várias regiões de ressonância com grande magnitude e tipo de deformação. Por não apresentar nenhum elemento absorvedor ou isolador da energia de vibração, tais condições acarretam falha prematura da peça. Em termos econômicos, para um período de 3 (três) anos, levando em consideração a vida útil dos componentes da nova estrutura, como por exemplo os amortecedores, o investimento será menor que 10% do que foi gasto no período entre 2009 e 2011 se não houver preventiva dos materiais. O estabelecimento do diagnóstico das condições de funcionamento da estrutura foi importante, na medida em que aumentou a exigência quanto ao desempenho. Tal diagnóstico contribuiu decisivamente para a otimização do projeto, das atividades de manutenção assim como a prevenção de falhas.