A segurança de um sistema de transporte é a capacidade de cumprir sua missão adequadamente, com eficácia e segurança. Para fundamentar esta proposta de pesquisa (desenvolvimento do sistema de monitoramento da via e segurança do veículo) é necessário conhecer a natureza dos acidentes (perda da segurança), qualificar as razões que os acarreta, quantificar sua incidência e magnitude e identificar formas de mitigar sua ação. Dentre os inúmeros tipos de acidentes como por exemplo: o choque frontal, decorrente da falha na sinalização ou perda de freio, fratura de componentes (trilho ou roda) que pode ter conseqüências vultuosas, apenas a segurança do veículo será abordada neste texto.
3.1 Tipos dos Acidentes
Dentre as ocorrências de acidentes observados com veículos, dois grandes grupos podem ser delineados:
• Acidentes fortuitos; • Acidentes repetitivos.
Acidentes fortuitos são aqueles decorrentes, em geral, de mais de uma causa concomitante e inesperada. São fatos casuais não controlados e imprevisíveis. Já os acidentes repetitivos são típicos com causas determinísticas e, portanto previsíveis. Para os acidentes envolvendo o veículo e que ocorrem com características repetitivas, ações de engenharia planejada podem contribuir para minimizar a probabilidade de ocorrência e mitigação de efeitos colaterais. O primeiro caso listado não é objeto de análise desta pesquisa.
A segurança em veículos do tipo metro-ferroviário está associada com perda da capacidade de guiagem conhecida como descarrilamento. O descarrilamento é uma das mais graves
intercorrencias e consiste da passagem da roda do veículo por sobre o topo (boleto) do trilho. Para os veículos guiados o descarrilamento pode ser fatal. Este fenômeno pode ocorrer apenas em um eixo (rodeiro) ou em um truque completo (dois rodeiros). No caso mais severo um veículo completo pode ser acometido de descarrilamento (dois truques) que eventualmente pode produzir um tombamento associado. Cabe lembrar o aspecto catastrófico quando um vagão de um trem descarrila e arrasta outros vagões devido ao acoplamento entre eles (engates), podendo induzir ao colapso de parte do trem (em alguns casos pode haver até dezenas de vagões envolvidos).
O conceito de segurança contra o descarrilamento de veiculo ferroviário está associado com a capacidade de guiagem do rodeiro. Quando o rodeiro satura sua capacidade de direcionamento decorrente das rodas com pista cônica, a guiagem passa a ser forçada pelo flange. Nesta situação, a força lateral (L) de guiagem aumenta. Adicionalmente modos naturais de movimento do vagão podem ser excitados por irregularidades periódicas da via, produzindo o alívio da carga vertical na roda (V), pode favorecer a roda passar por sobre o boleto do trilho, causando o descarrilamento. Este é o tipo de falta de segurança que será tratado neste texto.
A tradicional formula de segurança proposta por Nadal (1908) é utilizada para quantificar a tendência ao descarrilamento. Esta fórmula identifica um limite para a razão entre as forças lateral e vertical (L/V) no contato roda/trilho além do qual há tendência da passagem do roda sobre o trilho. Para valores de forças de contato, com razão L/V acima deste limite, a segurança fica comprometida.
Pesquisa realizada por este autor propôs estender a aplicabilidade da formulação de Nadal, deduzida para uma seção transversal, incluindo os efeitos do ângulo de ataque do rodeiro e força longitudinal no contato. Os detalhes da dedução da formula de Nadal e da nova proposição, podem ser apreciados nos artigos deste autor (Barbosa, 2004 e 2005A). Diversas medidas experimentais (Barbosa, 1995A) e estudos sobre descarrilamento foram realizados (Barbosa, Sisdelli, 2005B) incluindo modelagem para cálculo do L/V (Grando, Barbosa, et al., 2014).
3.2 Mecanismo de Descarrilamento
O mecanismo de descarrilamento é influenciado por diversos fatores. Serão apresentados os principais efeitos buscando descrever cada contribuição no processo de descarrilamento. Conforme descrito anteriormente, a segurança veicular depende de três contribuições básicas:
• Características dinâmicas do veículo; • Geometria e irregularidade da via férrea; • Velocidade de operação do trem.
Da influencia da geometria da via e velocidade de operação, resulta o comportamento dinâmico do veículo que produz forças de contato roda/trilho que direcionam seu movimento e atitude. Quando o limite da razão entre as forças de direcionamento é violado as condições para um descarrilamento tornam-se suficientes e o estado de insegurança se estabelece.
A magnitude das forças de direcionamento e, portanto a segurança, é afetada pela intensidade da velocidade de tráfego. Assim, três faixas de velocidade são em geral adotadas para descrever esta influência:
• Descarrilamento em baixa velocidade; • Descarrilamento em media e alta velocidade; • Descarrilamento em alta velocidade.
Quando o veículo trafega em média e alta velocidade, os efeitos inerciais devido ao direcionamento são de grande magnitude. As forças centrípetas laterais nas rodas são elevadas e índice de segurança se reduz. Em alta velocidade também pode ocorrer o fenômeno de instabilidade lateral (hunting ou lacet) devido a conicidade das rodas apresentado em artigo deste autor (Barbosa e Costa, 1996). Quando a geometria da via tem variações severas (torção da via em curvas de pequeno raio) a distribuição da carga vertical é intensamente afetada. Este fato favorece o alívio da carga vertical na roda em função da rigidez torsional da
suspensão do truque e do veículo. Nestes trechos a velocidade operacional de tráfego em geral é reduzida (baixa velocidade).
Finalmente dois mecanismos típicos de passagem do roda sobre o trilho podem ocorrer:
• Escorregamento lateral; • Escalada do boleto do trilho.
O escorregamento lateral da roda sobre o trilho ocorre em geral em média e alta velocidade e pequeno ângulo de ataque do rodeiro. Já a escalada do boleto do trilho ocorre com alto coeficiente de atrito, grande ângulo de ataque e baixa velocidade. O segundo caso é típico de curvas de pequeno raio ou aparelhos de mudança de via. Este aspecto foi detalhadamente apresentado no artigo em revista internacional sob título: “Safety of a railway wheelset –
derailment simulation with increasing lateral force” (Barbosa, 2009).
Note então que o índice de segurança retrata a resposta do veículo devido à irregularidade da via. Portanto o processo de monitoramento de comportamento dinâmico do veículo em tráfego para determinação das condições de segurança deve ser baseado na identificação das forças de contato roda/trilho. Conclui-se também que um sistema de medição de segurança pode ser utilizado para localizar as regiões de pior qualidade da via.
3.3 Índice de Segurança
Na comunidade metro-ferroviário a segurança contra o descarrilamento é quantificada pela relação entre as forças de contato lateral e vertical no par roda/trilho, conhecida como a relação L/V. É uma formulação facilmente compreendida e internacionalmente aceita. Entretanto cada companhia ou instituição normalizadora estabelece um limite com a devida margem de segurança. Assim, por exemplo, na Europa o limite adotado é de 0.8 (UIC-518),
2015): 100 * ) / ( ) / ( 1 − = norm medido V L V L SI
A medição das forças no contato não é uma tarefa simples. Pode ser realizada por rodeiros instrumentados instalados no truque, que medem diretamente as forças dinâmicas de contato roda/trilho durante o tráfego do veículo. Trata-se, entretanto de um equipamento caro, pois utiliza inúmeros extensômetros elétricos, tacômetro, sistema coletor de informações de partes girantes (slip ring) e algoritmo sofisticado para o tratamento de dados. São dispositivos aplicáveis exclusivamente a um determinado tipo de truque com instalação e utilização complexa (requer uma equipe técnica especializada).
Outras formas de identificação da tendência ao descarrilamento estão sendo pesquisadas:
O trabalho de Sun (Sun, et al., 2015) da Austrália, propõe a utilização de um modelo de dois graus de liberdade para estimar as solicitações verticais. Pode-se entretanto destacar o trabalho de Hung da Universidade de Tókio (Hung, et al., 2010) que propõe a identificação precoce de tendências ao descarrilamento monitorando a velocidade e posição angular de partes do truque. Durante um descarrilamento a velocidade de arfagem (pitch) da viga lateral do truque deve aumentar para que a passagem da roda por sobre o trilho seja possível. Associado a este fato a posição angular de rolagem do truque (roll) deve ser considerada. Este é o gatilho utilizado para a detecção de tendência ao descarrilamento.
Como alternativa, este autor, propõe recuperar as forças de contato roda/trilho a partir da medição global das acelerações de corpo rígido do veículo em tráfego na via irregular em uma determinada velocidade e identificar as solicitações associadas a níveis de segurança. Essa proposta está descrita no próximo item (4).