Observatório Metro-Ferroviário

Automação da maquete de ferromodelismo.
Fonte: Laboratório de estudos ferroviários

O Centro Tecnológico de Joinville da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), conta com um Laboratório de Estudos Ferroviários (LEF), que tem por objetivo central dar suporte ao ensino pesquisa ligadas ao curso de Engenharia Ferroviária e Metroviária, atuando de forma integrada com outros cursos afins, como Infraestrutura,  Transportes e Logística, e Mecatrônica.
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Projeto de Hyperloop da HTT (Hyperloop Transportation Technologies)

A Hyperloop Transportation Technologies (HyperloopTT), startup que propõe a construção de um trem de alta velocidade, anunciou, no dia 6 de Abril de 2018, a inauguração de um centro de pesquisa na cidade de Contagem, Minas Gerais.
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Imagem: montagem do modelo proposto

Em um circuito de via, parte integrante do sistema de sinalização ferroviária, são usadas juntas de trilho isoladas (Insulated Rail Joints – IRJs) para detectar a localização de trens e trilhos quebrados em circuitos de sinalização, que são críticos para a operação e segurança ferroviária. Infelizmente, os IRJs apresentam vários modos de falha devido à complexa interação entre os seus componentes, os espectros de carga e as condições de apoio.

Uma pesquisa desenvolvida pela Queensland University of Technology, na Austrália, propôs uma nova configuração para estas juntas. O modelo proposto consiste em embutir no dormente a extremidade dos trilhos isolados e a extremidade da próxima seção de trilhos. É prevista uma lacuna entre as duas seções, e a interface entre o patim dos trilhos e o dormente deve ser preenchida com borracha, pois é um material não condutor e capaz de absorver impactos. Embora a folga entre os dois trilhos tenha um suporte isolante na extremidade para evitar o aprisionamento de detritos que tenham condutividade elétrica, esse componente foi desprezado durante a otimização, deixando as extremidades do trilho livres no espaço.

Este projeto pode ser visto como uma simplificação significativa da configuração atual, onde existem pelo menos oito componentes: (1) dois trilhos, (2) duas barras de junção, (3) seis parafusos, (4) seis porcas e anilhas, 5) várias camadas de isolamento, (6) duas placas de apoio (7) quatro grampos e (8) dois dormentes.

O novo design exibe níveis de estabilidade semelhantes aos atuais, porém com menos componentes e, portanto, menos modos de falha. Um framework de otimização multiobjetivo foi usado para o desenvolvimento do novo design que permite a passagem segura das rodas do trem através do espaço entre os trilhos embutidos nos dormentes. A viabilidade do modelo proposto submetido a carga de tráfego é demonstrada através de uma análise dinâmica de uma roda passando por cima de um projeto otimizado por análises multi-objetivo usando conjunto o princípio da frente otimizada de Pareto. Os componentes de deformação da extremidade do trilho na fenda do novo desenho foram inferiores aos das juntas isoladas clássicas.

O projeto dos trilhos isolados embutidos (Embbeded Insulated Rails – EIR) nos dormentes mantém a integridade estrutural e o isolamento elétrico, embora sejam eliminados componentes da junta de trilho isolada (IRJ) atual, como as barras de junção e as conexões de parafuso associadas. Como resultado, o trincamento das barras de junção ou afrouxamento dos parafusos podem ser evitados no novo design EIR.

Para satisfazer as limitações de concepção (deslocamentos estruturais) e assegurar a estabilidade, propõe-se uma modificação na extremidade do trilho e no dormente. O objetivo futuro é minimizar o aumento de volume dessas duas partes modificadas.

Para mais informações acesse: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630716303120

Imagem: locomotiva diesel-elétrica da EFVM

Um estudo desenvolvido pela Universidade Federal do Espirito Santo (UFES) avaliou a ecoeficiêcia de locomotivas diesel-elétricas com auxilio de um método baseado nas métricas do Conselho Empresarial Mundial para o Desenvolvimento Sustentável (World Business Council for Sustainable Development (WBCSD)). O método foi aplicado em locomotivas utilizadas na Estrada de Ferro Vitória a Minas (EFVM), que transporta quase metade de todo o volume de carga que passam pelas ferrovias brasileiras. Foram desenvolvidos, testados e analisados diferentes cenários com diferentes fontes de combustível e tecnologias.

As emissões foram avaliadas por sete medidas: (1) Consumo total de energia, (2) Consumo total de energia renovável, (3) Emissões de dióxido de carbono, (4) Emissões de monóxido de carbono, (5) Emissões de óxidos de nitrogênio, (6) Emissões de partículas, e (7) Custo total (investimento, manutenção e combustível). Os resultados encontrados foram então comparados com os padrões da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (United States Environmental Protection Agency (EPA)).

O melhor cenário a ser implementado pela ferrovia estudada seria uma uma combinação do uso de de gás natural liquefeito (GNL) e Biodiesel, apresentando custos menores do que o modelo operacional real e, ao mesmo tempo, menores emissões. Em comparação com outros cenários estudados, o uso destes dois combustíveis proporciona ganhos de 2,3% em eficiência energética, 139,0% em eficiência energética renovável, 32,0% em emissões de CO2, 100,0% em material particulado, 60,0% em emissões de NOx e 12,6% em custos. O impacto na emissão de CO não é tão positivo quanto os outros itens avaliados, mas ainda fica atende o padrão internacional.

O modal ferroviário no Brasil é voltado para o transporte de carga. As ferrovias brasileiras transportam mais de 490 milhões de toneladas por ano usando locomotivas diesel-elétricas. Apesar de ser um meio de transporte mais limpo que o rodoviário, o uso destas locomotivas também emite poluentes para a atmosfera e, por isso, as ferrovias buscam reduzir as emissões para alcançar os padrões globais. Por isso, é importante analisar o impacto ambiental do uso de diesel e outros combustíveis alternativos. O método proposto oferece às operadoras oportunidade de reduzir custos e emissões de poluentes, tornando sua operação mais limpa e sustentável.

Para mais informações acesse: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1361920915302753

Imagem: tapete sensorizado

Um sistema baseado no uso de fibra óptica para detecção de intrusos em linhas férreas foi desenvolvido pela University of Sannio, na Itália. O modelo proposto é uma ferramenta eficiente para detectar intrusos, especialmente em locais onde não é possível instalar cercas de proteção, aumentando a segurança em ferrovias e protegendo-as de atividades não autorizadas. A fibra óptica é ideal para esse uso pois é imune a interferência eletromagnética, tem sensibilidade alta, é compacta e ainda oferece a possibilidade de sensoriamento remoto.

Para os testes em laboratório, foi criado um tapete sensorizado, composto de um tapete de borracha com nervuras e módulo de Young baixo integrado com sensores de fibra óptica do tipo FBGs (Fiber Bragg Gating). O objetivo da análise experimental foi caracterizar a resposta elástica do tapete na presença de cargas estáticas para avaliar sua sensibilidade, tempo de resposta e o número de sensores necessários por unidade de área. Com base nos resultados, foi fabricado um tapete de 2 m² com oito FBGs, que foi submetido a testes para verificar sua capacidade de detectar alguém andando sobre ele. Esse modelo também permitiu desenvolver uma estratégia de processamento de sinal que ignorasse os efeitos da histerese elástica e de derivações térmicas, que afetavam a resposta dos FBGs.

Foram realizados, ainda, testes em campo em uma ferrovia de Nápoles. Um tapete de aproximadamente 20 m² foi instalado na entrada da área de serviço da ferrovia Ente Autonomo Volturno (EAV). O sistema foi capaz de detectar pessoas andando sobre a área protegida sem emitir alarmes falsos. A presença de vários sensores permite, ainda, encontrar a localização do intruso, determinar o número de intrusos e suas direções. Essa instalação, entretanto, não detecta pessoas andando sobre os trilhos, visto que não é possível instalar o tapete sobre os trilhos ou sobre o lastro. Por isso, é necessária a integração desse sistema com algum outro sistema de monitoramento, como câmeras de vídeo.

Para mais informações acesse: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424716309517

Imagem: Rota do trem de passageiros usado como referência

A busca por um sistema de transporte coletivo eficiente e sustentável se tornou indispensável. Trens elétricos são os preferidos para trens de passageiros. Entretanto, a eletrificação das vias férreas costuma ser usada apenas em rotas com grande demanda e densidade de tráfico, o que justifica o alto investimento inicial. Atualmente, as baterias de lítio-titânio vem obtendo sucesso ao alimentar ônibus elétricos que consomem mais energia por passageiro quilômetro do que os trens.

Uma pesquisa desenvolvido por universidades da Tailândia estudou a possibilidade de substituir trens urbanos movidos a diesel que circulam em rotas curtas e ociosas por trams que usam baterias elétricas, reduzindo o custo com combustível e o nível de emissões dos veículos. A análise foi feita a partir de um trem urbano operando em Dar es Salaam, na Tanzania, atendendo uma linha de 12 quilômetros de extensão e 8 estações durante o trajeto.

O estudo provou que a substituição é possível e lucrativa. Comparado com o trem a diesel da Tanzânia, que opera com perdas devido a baixa eficiência do combustível, o tram movido a baterias reduziu o gasto com combustível e a emissão de dióxido de carbono em 86,86% e 64,96%, respectivamente. A expectativa é de que o custo de manutenção de trens movidos a bateria também seja menor, além de proporcionar mais conforto aos passageiros durante o percurso.

Para mais informações, acesse: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X16301839

Imagem: Distribuição de tensões nos rodeiros

Eixos ferroviários são constantemente submetidos a cargas cíclicas durante seu funcionamento. Portanto, há risco de ocorrerem falhas por fadiga. Tais falhas podem levar ao descarrilamento de um vagão ou até de uma composição inteira. Como forma de prevenir esses acidentes, os eixos ferroviários são tirados de operação com segurança antes de sua falha final.

Para prevenir esse tipo de acidente, a universidade de Brno, na República Tcheca, desenvolveu uma metodologia para prever a vida residual  em fadiga (Residual fatigue lifetime – RFL) com base no conceito de mecânica de fratura elástica linear.

A metodologia, que já é utilizada na criação de novos eixos ferroviários pela empresa Bonatrans, inclui a estimativa da posição da trinca inicial, a previsão do formato da trinca por fadiga durante sua propagação, a contribuição dos esforços de flexão e pressão na carga a qual o eixo é submetido, medições do crescimento da trinca e uma estimativa da vida residual em fadiga do eixo. Com base no espectro de carga típico válido para o transporte ferroviário, o RFL do eixo ferroviário estudado foi estimado usando ajuste probabilístico dos dados experimentais.

A propagação da trinca por fadiga pode ser estimada numericamente pelo algoritmo apresentado pelo estudo. O algoritmo é baseado na suposição do fator de intensidade de tensão constante ao longo da fissura. Esta suposição vem de alguns conceitos de energia sobre propagação de trincas. Além disso, o estudo mostrou que o efeito das cargas aplicadas nas rodas deve ser considerado na estimativa da vida útil à fadiga residual (RFL) do eixo ferroviário. Há várias abordagens para modelar essa situação, porém, para esse caso deve ser usada uma analise não-linear.

Para mais informações, acesse: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630716307506

Uma pesquisa analisou o impacto do uso de um sistema de armazenamento por flywheel (FESS) instalado em um VLT. Esse sistema consiste em um rotor que gira a alta velocidade, armazenando energia cinética durante o processo. O estudo foi feito em parceria pela Universidade de Alberta, no Canada, e a Universidade de Munique, na Alemanha. Modelos matemáticos de um VLT sem e com FESS foram elaborados e utilizados para estudar o consumo de energia e custos operacionais de cada sistema. Os resultados mostraram que a introdução de FESS em VLTs pode resultar em uma economia considerável.

Um modelo matemático de um VLT foi desenvolvido e usado para analisar o desempenho de um trem específico, o VLT de Edmontom. Foi apresentado um método para prever o ciclo de condução do veículo baseado na distância e no tempo entre estações. Esses modelos foram então utilizados para estimar o consumo de energia do trem. As previsões de consumo de energia sem FESS foram comparadas com os valores reportados pelos operadores ferroviários e obtiveram-se resultados semelhantes, validando os modelos matemáticos.

Para estimar as economias de energia e de custos que poderiam ser proporcionadas pela instalação de um FESS, foi desenvolvido um modelo matemático do veículo com FESS para prever a sua capacidade energética, potência e custo. As previsões de custo foram obtidas usando fatores de custo relacionados à massa e à potência.

Os resultados revelaram que a introdução do FESS pode resultar em uma economia de energia e custos considerável. Dependendo da via, da carga, do número de veículos e do tipo de FESS, a economia energética variou entre 31,21% e 9,83%. A redução prevista dos custos foi entre 0,55% e 11,09%. Logo, um FESS é um meio viável para reduzir o consumo de energia em VLTs. Apesar dos resultados terem sido obtidos para um sistema específico, a metodologia e os resultados também podem ser aplicados a outros sistemas de trânsito.

Para mais informações, acesse: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544216304571

Imagem: tipos de manutenção estudadas

Uma pesquisa realizada pela Universidade de Granada, na Espanha, propôs uma nova técnica de manutenção baseada na adição de partículas de borracha durante o processo de Stoneblowing (colocação de lastro na via). Além de ser sustentável, pois é uma forma de reciclar pneus velhos, a técnica é capaz de reduzir a degradação da via e aumentar o intervalo entre manutenções.

O uso de Under Sleeper Pads (USPs), que são placas colocadas sob os dormentes, e o processo de Stoneblowing são alternativas de manutenção da via que visam reduzir a degradação dos trilhos e a frequência de intervenções, principalmente nas regiões em que uma seção termina e outra começa, onde assentamentos diferentes são mais frequentes.

Com base nessas técnicas, a pesquisa propõe outra solução, que combina as vantagens dos dois processos através do uso de partículas de borracha, provenientes de pneus velhos, como parte do material usado no Stoneblowing. A imagem mostra os três tipos de manutenção estudadas – Stoneblowing comum, Stoneblowing com partículas de plástico, e USP com Stoneblowing. O objetivo do novo método é obter uma camada granular elástica que atua como um USP, amortecendo cargas, modificando a rigidez da via, além de reduzir os custos e impactos ambientais causados pelos processos de manutenção.

O trabalho avaliou a eficácia da técnica proposta analisando a influência do uso de diferentes quantidades de partículas de borracha. Esses resultados foram comparados com aqueles obtidos com o uso de USPs de diferentes graus de rigidez, aliado ao processo convencional de stoneblowing. Além disso, foi avaliado o efeito da espessura da camada granular soprada sob o dormente.

Os resultados mostraram que o uso das partículas de plástico como substituto para parte das pedras pequenas proporciona uma redução significativa da degradação e assentamento do lastro, melhorando a eficácia do Stoneblowing e apresentando comportamento semelhante ou superior àquele obtido quando se usam os USPs. Logo, é possível reduzir a degradação das partículas do lastro, fazendo com que a frequência de manutenção diminua e a durabilidade da via aumente.

Para mais informações, acesse: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652616316870

Imagem: Gráfico comparativo dos resultados

Um estudo realizado pela Brno University of Technology, na República Tcheca, analisou o desempenho de modificadores de atrito (Friction Modifier – FM) a base de óleo no controle da adesão e na redução de desgaste no contato roda-trilho. Tais modificadores mostraram ter capacidade de controlar a aderência, porém, seu desempenho varia muito com alguns fatores, como quantidade aplicada e teor de partículas sólidas.

Nessa pesquisa, foram testados dois modificadores comerciais a base de óleo. Um tribômetro (instrumento que mede desgaste, força e o coeficiente de atrito entre duas superficies) do tipo bola-sobre-disco foi usado para investigar as performances de tração e frenagem pra várias taxas de escorregamento em condições de via seca. Também foram analisadas quantidades diferentes de FM para obter um valor ótimo. Ao fim dos testes foram determinados desgastes, danos à superfície do trilho e da roda e mudanças na topografia da superfície. Esses dados foram comparados com contato seco ou contaminado com óleo. A imagem no início do texto mostra a comparação de alguns dos parâmetros analisados – taxa de desgaste, rugosidade e largura do caminho desgastado e profundidade do desgaste.

A aderência é reduzida a valores criticamente baixos, mesmo em baixas velocidades, sob condições totalmente inundadas. Já a duração de ambos os FMs é semelhante e aumenta com o aumento da quantidade de FM aplicada, porém, é significativamente reduzida com o deslizamento crescente.

Os testes de atrito mostram que os FMs a base de óleo são capazes de controlar a aderência sem impacto significativo na tração e frenagem. Seu comportamento é influenciado principalmente pelo conteúdo de partículas sólidas. Modificadores com maior teor de partículas sólidas são capazes de proporcionar um nível de adesão de estável a ótimo. Logo, pode ser aplicado especialmente em áreas onde ondulações são formadas. Já os modificadores com menos partículas de metal tem comportamento instável. Uma quantidade crescente de óleo leva a adesão insuficiente. Portanto, os FMs com maior teor de óleo são mais adequados para áreas onde o ruído ferroviário é o principal problema. A quantidade de partículas de metal também influencia o desgaste, que é reduzido quando um modificador de baixo teor de partículas é utilizado.

Para mais informações, acesse: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043164816303283