Dinâmica Ferroviária

Dinâmica Ferroviária

Unidade de Cariacica Operação Ferroviária Prof. Michel Taffner


UnED Cariacica Operação - Prof. Michel TaffnerCurso Técnico em Ferrovias

1. Aderência

A capacidade de tração, de aceleração e de frenagem de uma locomotiva é determinada por um fator físico fundamental denominado de aderência.



1. Aderência

Contato roda-trilho

Pode-se definir a aderência como sendo a quantidade de agarramento existente entre as duas superfícies em contato, que nesse caso é o contato da roda com o trilho.



1. Aderência

F

N

Força de atrito

Sentido do movimento

Força de atrito de escorregamento



1. Aderência

A força de atrito estático máxima entre um par de superfícies secas, não lubrificadas, obedece a duas leis empíricas:

é aproximadamente independente da área de contato;

é proporcional à força normal.



1. Aderência

FForça de atrito




1. Aderência

F




1. Aderência

A força de atrito cinético entre um par de superfícies secas, não lubrificadas, obedecem as duas do atrito estático e também érazoavelmente independente da velocidade



1. Aderência

Os valores de μe como μc dependem de muitas variáveis, tais como:

a natureza dos materiais;o acabamento das duas superfícies;as películas superficiais;a temperatura;contaminação.



1. Aderência

Teoria da Aderência Superficial



1. Aderência

F

N

Nf dd ⋅=μForça de atrito de

deslizamento

Força de atrito de rolamento




1. Aderência

F

Nf rr ⋅μ=

Força de atrito de rolamento


Quando o mesmo corpo metálico cilíndrico rola ao invés de deslizar sobre a superfície metálica, tem-se uma força de atrito de rolamento, que se opõe ao rolamento, muitas vezes menor que no movimento de deslizamento.

Sentido do giro

N



1. Aderência

Este menor atrito é devido, em grande parte, ao fato de que, no rolamento, as soldas microscópicas nos contatos são descascadas e não cortadas, como no atrito de deslizamento.

Ao rolar sobre a superfície metálica, o corpo metálico cilíndrico gira em torno do seu eixo, que se desloca linearmente.



1. Aderência


F



1. AderênciaDenomina-se aderência à resistência que se opõe ao escorregamento de um corpo metálico que rola sobre outro. Portanto, a aderência é um atrito estático a ser vencido para que haja o deslocamento.

Quando há o deslocamento, temos um atrito de deslizamento entre as duas superfícies, que é menor que a aderência.



1. AderênciaFisicamente a aderência é uma força passiva exercida entre as moléculas das superfícies em contato, agindo de maneira a opor-se à força que tende a produzir o desligamento do contato.

A diferença entre a aderência e a força de atrito estático de escorregamento consiste no fato da aderência sofrer a influência do movimento de rotação, o qual, perturbando as ações moleculares, faz com que a aderência diminua quando aumenta a velocidade de rotação.



1. Aderência

PF aA ⋅μ=

Sendo a força de aderência uma força de atrito, pode ser definida pela equação de Coulomb:

Onde:

μa é o coeficiente de aderência, cuja natureza é semelhante à do coeficiente de atrito estático de escorregamento;

P é a carga vertical aplicada na superfície de contato.



1.1. Fatores que afetam a aderênciaNa prática ferroviária em relação a aderência observa-se que:

➢ Varia com a velocidade;

➢ O ponto onde ocorre a maior nível de aderência é no início de uma patinação, durante a tração, ou de um deslizamento, durante a frenagem.



1.1. Fatores que afetam a aderênciaOs níveis de aderência indicados em gráficos devem ser considerados apenas como valores de referência, pois eles podem sofrer influências de diversos fatores, entre os quais pode-se destacar:

a) Via Permanente

b) Material de tração



1.1. Fatores que afetam a aderênciaa) Via Permanente

➢ Condições das superfícies dos trilhos: devido o tráfego, o trilho está sujeito a fadiga ao longo do tempo, tendo em vista as inúmeras solicitações de compressão;

➢ Regularidade do lastro ao longo da via;

➢ Resiliência (afundamento) do leito ferroviário;

➢Escorregamento das rodas externas nas curvas de pequeno raio.



1.1. Fatores que afetam a aderênciab) Material de tração

➢ Áreas de contato roda/trilho;

➢ Rodas desbalanceadas (importante principalmente em altas velocidades);

➢ Rodas excêntricas, empenadas ou montadas fora do centro do eixo neutro do rodeiro;

➢ Rodas de um mesmo rodeiro com diâmetros diferentes: as pequenas diferenças de diâmetro das rodas de um mesmo eixo provocam deslizamentos elementares, longitudinais ou transversais.



1.1. Fatores que afetam a aderência➢ Oscilações da locomotiva: a desigualdade das superfícies em contato, provoca choques e vibrações que diminuem o contato roda/trilho. Utilizar suspensões adequadas, é importante para diminuir as trepidações.

➢ Transferência de peso, tanto em tração como em frenagem, também conhecido como efeito de cabragem: transferência de carga entre os eixos da locomotiva, devido o deslocamento do centro degravidade da locomotiva para trás, quando está em tração. Este efeito pode ser atenuado através da aplicação de areia entre a roda e o trilho;



1.1. Fatores que afetam a aderência



1.1. Fatores que afetam a aderênciaExemplo: Calcular a distribuição de peso por eixo, se a locomotiva de seis eixos tiver um peso igual à 180t e desenvolver um esforço de tração de 0 kgf, 20.000 kgf e 40.000 kgf respectivamente.

EixoEsforço de tração

0t 20tf 40tfPeso por eixo

1 30-0,08x0 = 30tf 30-0,08x20 = 28,4tf2 30-0,06x0 = 30tf 30-0,06x20 = 28,8tf3 30+0,14x0 = 30tf 30+0,14x20 = 32,8tf4 30-0,14x0 = 30tf 30-0,14x20 = 27,2tf5 30+0,06x0 = 30tf 30+0,06x20 = 31,2tf6 30+0,08x0 = 30tf 30+0,08x20 = 31,6tf



1.1. Fatores que afetam a aderência➢ Projeto e condições dos truques;

➢ Irregularidades na variação do conjugado motor;

➢ Ligações elétricas dos motores de tração: os motores de tração podem ser ligados em série, série-paralelo ou todos em paralelo. Esta última condição é a que resulta em um melhor aproveitamento da aderência;



1.1. Fatores que afetam a aderência➢ Sistema de detecção e correção de patinação;

➢ Variações bruscas no esforço trator, o que ocasiona deslizamento das rodas;

➢ Habilidade do maquinista.



1.1. Fatores que afetam a aderência

Cuidados com a via permanente, dispositivos modernos na parte mecânica das locomotivas, a possibilidade de se poder variar gradualmente o conjugado motor e a velocidade, são alguns dos fatores que permitem utilizar melhor a aderência e que justificam o emprego de coeficientes de aderência diferentes nos cálculos de tração para locomotivas de idêntico número de eixos e peso aderente igual.



1.2. Valores do coeficiente de aderência

Como resultado de suas experiências realizadas na Inglaterra, em1878 Douglas Galton e George Westinghouse publicaram valores para a aderência de um veículo ferroviário.

Variação ValorMáxima 35,00%Média 25,00%Mínima 11,90%







Aderência com trilhos secos




Experiências comprovam, que 30% de aderência na partida com trilhos secos é um valor no qual se pode confiar.

Os novos dispositivos de detecção e correção de patinação elevaram os valores dos coeficientes de aderência. Onde se considerava em marcha um coeficiente de aderência confiável de 20%, obtém-se um valor de 26% ou mais.




No Brasil, para fins de cálculos de lotação de trens, admitem-se os valores apresentados abaixo.



1.3. Variação do coeficiente de aderência com a velocidade

Na prática constata-se que o coeficiente de aderência diminui com o aumento da velocidade.

Para o cálculo do coeficiente de aderência em função da velocidade para locomotivas de corrente contínua, usara-se na França até 1939, a fórmula de Parodi:







Curtiuss e Kniffler realizaram estudos sobre valores práticos da aderência para as ferrovias alemãs por durante a última guerra. A locomotiva utilizada era de munida de motores de corrente alternada monofásica. Uma de suas fórmulas foi:







A figura seguinte mostra quatro curvas publicadas pela Air BrakeAssociation (ABA) em função do estado da superfície dos trilhos: seco, úmido ou molhado, lavado, com manchas de óleo, etc.






1.4. Efeitos da perda de aderência

Em uma locomotiva, a aderência tanto poderá ser afetada durante a tração, como durante a frenagem. Assim, na tração são passíveis de ocorrer os seguintes efeitos:

➢ Redução, ou até mesmo, perda da força de tração;➢ Choques internos na composição;➢ Problemas nos motores elétricos e geradores;➢ Desgastes anormais nas rodas e nos trilhos;➢ Sobreaquecimento súbito das rodas, com conseqüências muitas vezes graves.




Na frenagem podem existir deslizamentos que:

➢ Aumentam as distâncias de parada;➢ Causam desgastes excessivos das rodas e dos trilhos;➢ Provocam o aparecimento de calos nas superfícies de rolamento das rodas, que são causadores de:

➢ Defeitos nos comutadores dos motores de tração;➢ Trepidações, aumentando os movimentos parasitas;➢ Defeitos na estrutura do veículo e nos rolamentos das mangas

dos eixos;




➢ Necessidade de imobilização do veículo para torneamento das rodas;

➢ Aumento da resistência ao rolamento do trem.

➢ Causam sobreaquecimento das rodas, que pode ser responsável pelo aparecimento de defeitos térmicos e mecânicos nas rodas e nos trilhos.



1.5. Aumento da aderência

Pode-se obter aumento da aderência, ainda considerando a equação de Coulomb, intervindo nos três fatores que se seguem.

a) Aumento do coeficiente de aderência

Utiliza-se o recurso de lançar areia sobre os trilhos. A areia utilizada deve ser lavada, peneirada, seca e isenta de argila.







b) Aumento do peso aderente

O aumento de peso aderente (Pa), isto é, dos pesos descarregados pelos eixos motores, por meio da motorização de todos os rodeiros, o que também aumenta a aderência total, têm sido pelos fabricantes de locomotivas uma opção para aumentar a aderência.




c) Controle do Creep

O micro-escorregamento (creep) ocorre quando contato roda-trilho está no limite para o rompimento do atrito (aderência). Neste instante a aderência chega ao seu valor máximo.

Os sistemas modernos de detecção e correção de patinação tiram vantagem disto, conseguindo-se assim níveis de aderência bastante elevados: cerca de 26% onde antes se conseguia um máximo de 20%.



1.5. Aumento da aderênciaA figura a seguir mostra várias curvas de micro-escorregamento para o rodeiro número 1 de uma locomotiva com motores de tração de corrente contínua, sob várias condições dos trilhos em tangente.




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