SISTEMA DE MEDIÇÃO DE RECALQUE DINÂMICO DA VIA PERMANENTE - 1 -
RESUMO Uma prática comum em todas as ferrovias é a medição de superelevação da via. As medidas são tomadas em distâncias variáveis, dependendo de quão preciso devem ser as medidas de acordo com a exigência das equipes de manutenção da ferrovia. O instrumento mais utilizado para este trabalho é a régua de superelevação e bitola. Tal instrumento é facilmente encontrado juntamente com os técnicos de manutenção durante tais levantamentos. Nestes levantamentos, as equipes de manutenção procuram identificar defeitos clássicos de geometria de linha. Utilizando a régua de superelevação e retirando algumas medidas de linha, os técnicos de via conseguem identificar anomalias de geometria conhecidas como torção de linha (twist) e como empeno (warp). Porém, todas as medidas feitas pelos técnicos consideram a via sem qualquer carga; ou seja, sem peso de uma composição sobre a grade da via. Em muitos casos de acidentes ferroviários provocados por empeno da via, as medições estáticas não apresentam qualquer anomalia. Somente durante a passagem de composições, as equipes de campo identificam recalques excessivos da grade, aumentando a magnitude destes defeitos e provocando os descarrilamentos. Com a criação deste sistema, uma pequena equipe de 3 colaboradores consegue facilmente instalar pontos de medição em locais onde o recalque da via pode ocasionar qualquer risco à circulação. Uma vez instalados, após a passagem de qualquer composição ferroviária, a equipe pode fazer a leitura em milímetros de quanto à grade da via sofreu de recalque em relação ao solo. Estes valores são adicionados aos cálculos de torção/empeno e então se chega a uma medida muito mais assertiva quanto à magnitude destes defeitos. As principais vantagens e resultados deste sistema: Fácil instalação; Composto de ferramentas comuns a todas as ferrovias; Sem necessidade de interrupção do tráfego; Reduz risco de descarrilamentos com medidas mais confiáveis de torção/empeno; Baixo custo. - 2 -
INTRODUÇÃO Anomalias de geometria de via permanente são caracterizadas como graves pelas equipes de manutenção devido ao risco de descarrilamento gerado por estas situações. Em específico as anomalias de torção (twist) e empeno (warp) são de alta criticidade uma vez que aparecem com freqüência em ferrovias de traçado sinuoso e têm a capacidade de provocar o alívio de rodas em diversas condições e com diversos veículos ferroviários. Para melhor entendimento deste trabalho, devem-se alinhar os conceitos de torção (twist) e empeno (warp), visto que existem diferentes interpretações de acordo com a ferrovia em que se está desenvolvendo o estudo. - Torção (twist): diferença de superelevação entre 2 pontos distanciados de 10 metros na espiral de uma curva. Diagrama 1 Cálculo de torção. - Empeno (warp): diferença de superelevação entre 2 pontos distanciados de 20 metros numa tangente ou dentro da curva circular. Diagrama 2 Cálculo de empeno. Conforme verificado, tanto o empeno como a torção dependem de medidas de superelevação tiradas em diferentes estacas (10m ou 20m). Dependendo da diferença encontrada entre estas medidas pode ser identificada uma anomalia na geometria. - 3 -
O problema inicia com a magnitude das medidas de superelevação retiradas e com os limites de tolerância estabelecidos para estes defeitos numa ferrovia; ambos são da ordem de milímetros. Durante as medições com a régua de superelevação, temos os valores encontrados; porém, com a passagem de trens e com o recalque da grade da via, os valores das medições podem sofrer variações superiores a 50%. Logicamente dependendo do nível de socaria, estado de contaminação do lastro, dentre outros. Desta forma, um técnico experiente pode fazer todo levantamento de superelevação de uma dada curva e não encontrar qualquer problema de geometria. Entretanto, com a passagem de trens nesta mesma curva, o recalque da via pode ser tão elevado que ultrapassa os limites de segurança estabelecidos para ambos os defeitos. Diagrama 3 Diferença em perfil: linha carregada e sem carga. Tabela 1 Limites de tolerância de torção e empeno de acordo com a VMA. Sendo assim, houve a necessidade de criação de um dispositivo que pudesse ser facilmente instalado em qualquer ponto da via para medição deste recalque e a correção dos valores de superelevação para o status dinâmico. Ensaios de deflectometria são caros, trabalhosos e geram uma precisão que dificilmente é utilizada em níveis de manutenção. O dispositivo que será apresentado neste trabalho possui um ferramental muito simples e desenvolve com eficácia as medições de recalque dinâmico da via com a passagem de trens em qualquer velocidade. Desta forma, anomalias de torção/empeno e riscos de descarrilamentos que antes não eram detectados são ágoras medidos. O sistema elimina toda a subjetividade do nível de recalque da via e promove uma maior segurança operacional a baixo custo. - 4 -
DESENVOLVIMENTO O sistema consiste em medir o deslocamento vertical da grade da via permanente em relação ao solo. Desta forma, encontra-se o recalque da via permanente e consequentemente a superelevação dinâmica de um dado ponto da via. Para confecção do dispositivo, o técnico de via deverá ter em mãos: 2 alavancas de linha curtas (aproximadamente 1,5m); 2 réguas brancas de 20 cm; 2 pincéis atômicos para quadro branco; 4 presilhas de pastas suspensas; Pregos e martelo. O técnico de via deverá escolher o local onde deseja instalar o dispositivo. Em níveis de manutenção, deve-se escolher os locais mais próximos de ocorrência de torção/empeno mapeados pelo levantamento normal da superelevação. No caso de investigação de acidentes, é ideal montar o sistema no ponto de origem do descarrilamento (POD). Para o início da montagem, as alavancas de linha devem ser cravadas numa distância máxima de 10 cm em relação ao dormente. A altura dos trilhos é a referência de quanto às alavancas devem ficar para cima do lastro. Uma alavanca é cravada do lado direito da via e outra do lado esquerdo no mesmo dormente. Este primeiro passo pode ser visualizado na foto a seguir: Foto 1 Montagem de alavanca esquerda. Foto 2 Montagem de alavanca direita. - 5 -
Conforme as fotos anteriores, após a instalação das alavancas nos dormentes é feita a fixação das réguas brancas. As réguas devem ser fixadas (1 em cada alavanca) com o auxílio de fita crepe de forma que o meio de cada régua (10 cm) coincida com a borda superior do dormente. Com as presilhas e os pregos, os pincéis atômicos devem ser fixados na superfície superior do dormente; de forma que sua ponta fique em contato constante com a régua fixada na alavanca. Ressaltando que os pincéis atômicos também serão 1 para cada régua. Após a instalação, o aspecto geral do dispositivo será como as fotos abaixo: Foto 3 Montagem do dispositivo. Foto 4 Montagem do dispositivo. Com o dispositivo devidamente montado, a grade começa a ser monitorada em seu deslocamento vertical. Com a passagem de trens, o dispositivo registra todos os movimentos conforme as imagens de um vídeo registradas abaixo: Foto 5 Imagens de vídeo do dispositivo em funcionamento. -6-
Após a passagem do número e tipo de trens desejados, é possível verificar as seguintes marcações no dispositivo: Foto 6 Registro das marcações na régua branca. Verificadas as marcações nas réguas brancas, o dispositivo é desmontado: Foto 7 Desmontagem do dispositivo. E são feitas as medidas de recalque dinâmico da via: Foto 8 Verificação do registro. - 7 -
Foto 9 Medição do recalque da grade da via. Desta forma, a informação de recalque dinâmico da via deixa de ser subjetiva ou padrão, e passa a ser uma medida real, conforme o diagrama abaixo: Diagrama 4 Resultados das medições direita e esquerda. Logo, torna-se possível identificar e quantificar magnitude de qualquer anomalia de via causada pelo recalque dinâmico da grade. RESULTADOS Os resultados gerados pelo dispositivo são extremamente satisfatórios quando comparados a simplicidade do modelo. Vejamos uma situação de investigação de um acidente onde o veículo envolvido é um vagão GDT com velocidade de 25 km/h. Após as medições normais da via (com régua de superelevação) foram gerados os seguintes gráficos de superelevação, torção e empeno na região do POD: - 8 -
SUPERELEVAÇÃO 60 50 40 mm 30 20 10 0-14 -13-12 -11-10 -9-8 -7-6 -5-4 -3-2 -1 POD 1 2 3 4 5 6 SUPERELEVAÇÃO (mm) 22 16 20 27 5 19 17 33 27 35 40 50 31 37 47 56 36 19 11 15 7 Estacas de 5m Gráfico 1 Medições de superelevação. EMPENO 60 50 40 mm 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 LIMITE 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 Empeno Estático 17 3 3 6 22 16 23 17 4 2 7 6 5 18 36 41 29 12 4 8 0 Estacas de 5m Gráfico 2 Resultado dos cálculos de empeno. TORÇÃO 40 35 30 25 mm 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 LIMITE 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 Torção Estática 2 11 15 8 12 14 10 2 13 15 9 13 16 19 11 37 25 4 4 8 0 0 Estacas de 5m Gráfico 3 Resultado dos cálculos de torção. - 9 -
Vale ressaltar que a superelevação foi retirada em estacas de 5m com auxílio da régua de superelevação e bitola. Já a torção e o empeno são calculados de acordo com as medidas de superelevação: torção para a diferença de superelevação em 10m e empeno para a diferença de superelevação em 20m. Os limites de tolerâncias para cada anomalia de linha foram estabelecidos conforme a Tabela 1 (vagão a 25 km/h), apresentada anteriormente e utilizada como parâmetro de manutenção da ferrovia em estudo. Foi verificado que próximo às estacas 17 e 18 (próximas ao POD) haviam algumas perturbações nos quesitos de torção e empeno. Porém, ambos não ultrapassam os limites estipulados o que pode direcionar a investigação do descarrilamento para outro elemento (vagão ou operação). Aplicando o teste dinâmico através do dispositivo apresentado neste trabalho, observou-se o seguintes comportamento de recalque nas estacas próximos ao POD (estacas 15 à 19): 1 mm 5 mm Diagrama 5 Resultados das medições direita e esquerda. Ou seja, houve recalque da via de culminou numa variação de superelevação de 4 mm (módulo de 5 mm menos 1 mm). Desta forma, temos o valor exato de recalque que deverá ser adicionado às equações de torção e empeno. Adicionando 4 mm de variação de superelevação nos cálculos de torção e empeno, temos: EMPENO DINÂMICO 60 50 40 30 20 10 0-14 -13-12 -11-10 -9-8 -7-6 -5-4 -3-2 -1 POD 1 2 3 4 5 6 7 8 Efeito Dinâmico no Empeno 4 4 21 7 7 10 26 20 27 21 8 6 11 10 9 22 40 45 33 16 8 12 4 LIMITE 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 Empeno Estático 17 3 3 6 22 16 23 17 4 2 7 6 5 18 36 41 29 12 4 8 0 Gráfico 4 Resultado dos cálculos de empeno dinâmico. - 10 -
TORÇÃO DINÂMICA 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0-14 -13-12 -11-10 -9-8 -7-6 -5-4 -3-2 -1 POD 1 2 3 4 5 6 7 8 Efeito Dinâmico na Torção 4 6 15 19 12 16 18 14 6 17 19 13 17 20 23 15 41 29 8 8 12 4 4 LIMITE 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 Torção Estática 2 11 15 8 12 14 10 2 13 15 9 13 16 19 11 37 25 4 4 8 0 0 Gráfico 5 Resultado dos cálculos de torção dinâmica. Logo, fica constatado que com o efeito dinâmico, o problema não verificado em condições estáticas fica muito mais grave e representa risco à circulação. A informação gerada pelo teste dinâmico comprovou sua eficácia uma vez que não foram encontradas anomalias no vagão envolvido no descarrilamento nem na condução do maquinista deste trem. Foi verificado no local que o vagão sofreu um grande alívio de roda, provocado por um defeito geométrico invisível em condições estáticas. POSIÇÃO DA VIA COM CARGA (DESCARRILAMENTO) Diagrama 6 Simulação da dinâmica do acidente. - 11 -
Foto 10 Descarrilamento por alívio de roda. Todo ferramental envolvido no teste teve um custo total de R$ 66,00. Com a identificação desta anomalia em perfil dinâmico, foram evitados acidentes futuros da mesma natureza com custos elevados. Neste caso em específico o valor para reparos do vagão e da via totalizaram R$ 12.256,87. Sendo assim, fica comprovado que o sistema proposto atingiu os seguintes objetivos: Versatilidade: de fácil instalação e podem ser feitas quantas medições se julgarem necessárias, inclusive, com um número maior de medidores (kits de alavancas); Custo: muito baixo quando comparado aos resultados gerados; Aumento da segurança da circulação: identificando e quantificando anomalias que eram medidas subjetivamente. - 12 -