Embed Size (px)
Citation preview
UFOP - CETEC - UEMG
REDEMAT REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – UEMG
Dissertação de Mestrado
“Estudo do comportamento de Sapatas de Freio de
Resina Fenólica, em frenagem por atrito de Rodas
Metroferroviárias”
Autor: Rogério Eustáquio de Souza
Orientador: Prof. Dr. Jose Roberto Tavares Branco
Co-Orientador: Prof. Cristovam Paes de Oliveira
Abril de 2004
ii
UFOP - CETEC - UEMG
REDEMAT REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – UEMG
Rogério Eustáquio de Souza
“Estudo do comportamento de Sapatas de Freio de Resina
Fenólica, em frenagem por atrito de Rodas
Metroferroviárias”
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da
REDEMAT, como parte integrante dos requisitos
para a obtenção do título de Mestre em Engenharia
de Materiais.
Área de concentração: Engenharia de Superfície
Orientador: Prof. Dr. Jose Roberto Tavares Branco
Co-Orientador: Prof. Dr. Cristovam Paes de Oliveira
Ouro Preto, abril de 2004
iv
AGRADECIMENTOS
A Deus, razão primeira de minha existência.
À minha esposa Elisa e aos meus filhos Taís, Cibele, Vitor e Hélen, que partilharam das
dificuldades enfrentadas para a conclusão deste trabalho, com amor, paciência e compreensão.
Aos meus pais João e Lia, pois seus exemplos me acompanham.
Ao Prof. José Roberto Tavares Branco pela orientação e estímulo.
À Direção da CBTU – METROBH, pelo apoio demonstrado durante o trabalho.
Aos colegas de trabalho da Coordenadoria de Manutenção da CBTU – METROBH, pelo
incentivo e auxílio.
Aos colegas do Laboratório de Engenharia e Modificações de Superfícies – LEMS, do Setor
de Tecnologia Metalúrgica do CETEC - MG, em especial ao amigo Ismael, pelo apoio
técnico.
E a todos aqueles que, de alguma forma, contribuíram para a realização deste trabalho.
v
“Tua, Senhor, é a grandeza, e o poder, e a honra, e a vitória, e a
majestade; porque Teu é tudo quanto há nos céus e na terra; Teu
Senhor, é o reino e Tu te exaltaste por soberano sobre todos”.
I Crônicas 29:11
vi
RESUMO
Considerando a gravidade e a magnitude dos prejuízos causados no Brasil e no mundo, pelos
inúmeros problemas decorrentes da deterioração prematura do sistema roda ferroviária -
sapata de freio, e a necessidade de se estabelecer parâmetros que levem à minimização de tais
problemas, buscou-se levantar, neste trabalho, dados de desempenho, evolução de desgaste e
coeficiente de atrito de sapatas de freio de resina fenólica, bem como de degradação de rodas
ferroviárias, em operação na Companhia Brasileira de Trens Urbanos - CBTU-METROBH.
Análise química, metalúrgica e ensaios de dureza em componentes novos ou que chegaram ao
“fim da vida” foram efetuadas. Os resultados obtidos foram avaliados comparativamente com
outros disponíveis na literatura e são discutidos de forma a contribuir para o desenvolvimento
de procedimentos e de materiais para rodas ferroviárias e sapatas de freio, que apresentem
performance mais adequada às aplicações operacionais. Verificou-se que as transformações
metalúrgicas e as descontinuidades apresentadas pelas rodas usadas, são equivalentes às
relatadas por outras companhias operadoras metroferroviárias e de transporte de carga, no
Brasil e em diversos países do mundo. Taxas de desgaste foram determinadas em corpos de
prova de sapatas de freio, através do ensaio tribológico de “Pino sobre Disco”. Estes
resultados foram comparados com medidas obtidas em Testes de Rodagem no Campo e
durante todo o processo foram identificados e registrados diversos fatores que influenciaram o
desgaste. Os testes de campo demonstraram aumento do desgaste das sapatas nos períodos
chuvosos o que foi usado para fundamentar uma proposta para o aumento da vida útil das
Sapatas de Freio, a partir de uma melhor regulagem dos equipamentos do sistema de freio dos
trens. Os resultados dos ensaios tribológicos de “Pino sobre Disco” permitiram determinar-se
um perfil de comportamento da evolução do desgaste das sapatas de f reio em laboratório,
tendo-se estabelecido uma correlação qualitativa desses resultados com os dados dos Testes
de Rodagem no Campo.
PALAVRAS-CHAVE: Ferrovia - Sapata de Freio - Roda Ferroviária - Frenagem - Pino sobre
Disco.
vii
ABSTRACT
Considering the seriousness and magnitude of the losses caused in Brazil and in the world,
due to countless problems of premature failures of the railway wheels- brake shoe system, and
the need to establish parameters to minimize such problems, this work armed at getting data
on the evolution of wear and friction coefficient of phenolic resin brake shoe, as well as on
the degradation of railway wheels, in operation at the CBTU-METROBH - Brazilian
Company of Urban Trains of Belo Horizonte City. Chemical analysis, hardness and
microstructural evaluations of new wheels and of wheels that reached the "end of life" were
carried out. The results show that the evidences of phase transformations and discontinuities
are equivalents to what has been previously shown by others passenger and freight railway
companies, in Brazil and in several countries. Wear rates were measured by Pin-on-Disk
Testing and Field Testing of Trains. The field tests showed an increase of the wear of brake
shoes in rainy periods, what was used to support a new procedure that was suggested to
CBTU, that will likely increase brake shoe life, for example by better regulation for the brake
system equipments of the train. The results of Pin-on-Disk testing materials of brake shoes
allowed the determination of a qualitative relationship between its results and performance in
the field.
KEYWORDS: Railway - Brake Shoe - Railway Wheel - Braking - Wear - Pin on Disk.
viii
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ............................................................................................................ iv
RESUMO ................................................................................................................................. vi
ABSTRACT ............................................................................................................................ vii
SUMÁRIO .............................................................................................................................. viii
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 1
2. OBJETIVOS ...................................................................................................................... 6
2.1. Gerais ......................................................................................................................... 6
2.2. Específicos .................................................................................................................. 6
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................7
3.1. Sapata de Freio .......................................................................................................... 7
3.1.1. Introdução ........................................................................................................... 7
3.1.2. Principais características da Sapata de Freio ...................................................... 9
3.1.3. Resinas Fenólicas ............................................................................................. 14
3.1.4. Tipos e Aplicações das Sapatas de Freio ......................................................... 15
3.1.4.1. Classificação Quanto à Composição ............................................................ 15
3.1.4.2. Classificação quanto ao Coeficiente de Atrito – μ ................................... 16
3.1.4.3. Classificação quanto à Geometria ............................................................ 17
3.1.5. Desenvolvimento de uma Sapata de Freio ....................................................... 18
3.1.6. Fabricação da Sapata de Freio .......................................................................... 19
3.1.7. Testes e Ensaios ............................................................................................... 21
3.1.8. Controle de Qualidade ...................................................................................... 22
3.2. Bancadas de Teste .................................................................................................... 23
3.3. Máquina de Ensaio de Desgaste tipo “PINO SOBRE DISCO” .............................. 25
3.4. Ensaio em Dinamômetro .......................................................................................... 26
3.5. Roda Metro – Ferroviária ........................................................................................ 28
3.5.1. Introdução ......................................................................................................... 28
ix
3.5.2. Fadiga em Rodas Ferroviárias .......................................................................... 33
3.5.2.1. Fadiga Térmica ......................................................................................... 33
3.5.2.2. Tensões Residuais .................................................................................... 35
3.5.2.3. Origem das Tensões Residuais nas Rodas ............................................... 35
3.5.2.3.1. Processos de Manufatura das Rodas ..................................................... 35
3.5.2.3.2. Prensagens das Rodas no Eixo .............................................................. 37
3.5.2.3.3. Cargas Estáticas e Dinâmicas ................................................................ 38
3.5.2.3.4. Cargas Térmicas de Frenagem .............................................................. 38
3.5.2.4. Redução das Tensões Residuais ............................................................... 39
3.5.2.4.1. Configuração da Roda ........................................................................... 39
3.5.2.4.2. Limite de Escoamento do Material da Roda ......................................... 40
3.5.3. Deslizamento Roda – Trilho ............................................................................ 41
3.5.4. Mudanças na estrutura da Roda ....................................................................... 42
3.5.5. Falhas Térmicas em Rodas Metroferroviárias ................................................. 44
3.6. Tração e Frenagem .................................................................................................. 46
3.6.1. Introdução ......................................................................................................... 46
3.6.2. Aderência ......................................................................................................... 46
3.6.2.1. Introdução ................................................................................................. 46
3.6.2.2. Fatores que afetam a Aderência ............................................................... 48
3.6.2.3. Efeitos da Perda de Aderência ................................................................. 49
3.6.2.4. Níveis de Aderência adotados para Tração .............................................. 50
3.6.3. Resistência ao Movimento ............................................................................... 50
3.6.3.1. Introdução ................................................................................................. 50
3.6.3.2. Resistência na Partida ............................................................................... 51
3.6.3.3. Resistência de Rampa ............................................................................... 51
3.6.3.4. Resistência das Curvas ............................................................................. 52
3.6.3.5. Rampa Compensada ................................................................................. 52
3.6.4. Frenagem .......................................................................................................... 52
3.6.4.1. Força de Frenagem (Ff ) ............................................................................ 55
3.6.4.2. Taxa de Frenagem (Tf) ............................................................................ 56
3.6.4.3. Força de Desaceleração ............................................................................ 57
3.6.4.4. Taxa de Desaceleração (δ) ....................................................................... 57
3.6.5. Efeito das Massas Girantes .............................................................................. 58
x
3.6.6. Freio Dinâmico ................................................................................................. 59
4. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ................................................................... 61
4.1. Materiais .................................................................................................................. 61
4.2. Equipamentos ........................................................................................................... 61
4.3. Metodologia ............................................................................................................. 63
4.3.1. Ensaios e Testes Preliminares .......................................................................... 64
4.3.1.1. Análises e Ensaios para Identificação do Material da Roda ........................ 64
4.3.1.2. Testes de Rodagem no Campo ................................................................. 66
4.3.1.3. Ensaios de “Pino sobre Disco” ................................................................. 68
4.3.2 Ensaios e Testes Complementares .......................................................................... 68
4.3.2.1 Ensaios de “Pino sobre Disco” ............................................................................. 68
4.3.2.2 Testes de Rodagem no Campo ..................................................................... 71
5 RESULTADOS ............................................................................................................... 74
5.1 Caracterização dos Materiais Testados ................................................................... 74
5.2 Resultados Preliminares .......................................................................................... 86
5.2.1 Testes de Rodagem no Campo ......................................................................... 86
5.2.2 Ensaios de “Pino sobre Disco” ......................................................................... 91
5.3 Ensaios Complementares ......................................................................................... 92
5.3.1 Ensaios de “Pino Sobre Disco” .................................................................................. 92
5.3.2 Testes de Rodagem no Campo ......................................................................... 98
5.4 Fatores Influentes no desgaste das Sapatas em Teste de Rodagem no Campo ..... 106
6 DISCUSSÃO ................................................................................................................. 114
6.3 Resultados Preliminares ........................................................................................ 114
6.4 Resultados Complementares .................................................................................. 116
6.5 Testes de Rodagem no Campo ............................................................................... 124
7 CONCLUSÕES ................................................................................................................ 125
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 127
xi
9 ANEXOS ......................................................................................................................... 132
9.1 Ensaios em Dinamômetro ...................................................................................... 132
9.1.1 Metodologia do Ensaio Dinamométrico ........................................................ 132
9.1.1.1 Ensaio de Rampa ........................................................................................ 133
9.1.1.2 Ensaio de Parada ........................................................................................ 133
9.1.2 Equipamentos utilizados ................................................................................ 134
9.1.3 Características principais do Dinamômetro ................................................... 134
9.1.4 Resultados dos Ensaios Dinamométricos realizados na Sapata “A” .............. 136
9.1.5 Discussão dos Resultados do Ensaio Dinamométrico .................................... 139
9.2 Procedimento para Implantação da Sistemática de Ensaio .................................. 140
xii
LISTA DE FIGURAS
Figuras 1.1 – Sapatas de Freio ................................................................................................... 2
Figura 1.2 – Tipos de Discos de Freio [1]
. .................................................................................. 4
Figura 1.3 – Truque com 04 Discos de Freio por Eixo, ............................................................. 5
Figura 3.4–Variação Típica do Coeficiente de Fricção/Atrito, ................................................ 10
em função da Temperatura [7]
. .................................................................................................. 10
Figura 3.5 - Estrutura Química dos Fenólicos [11]
. ................................................................... 14
Figura 3.6 - Sapata de Freio de Composição [3]
....................................................................... 16
Figura 3.7 - Sapatas de Freio de Composição, cônica. ............................................................ 18
Figura 3.8 - Esquema do Ensaio Pino sobre Disco .................................................................. 25
Figura 3.9 – Terminologia das partes da Roda Metroferroviária. ............................................ 28
Figura 3.10.a -Distribuição de dureza (HB) no aro da roda Classe “B” [17]
. ............................ 31
Figura 3.10.b - Distribuição de dureza (HB) no aro da roda Classe “C” [17]
. ........................... 31
Figuras 3.11 - Representação esquemática dos três fatores que geram fadiga térmica: .......... 34
Figura 3.12-Linhas de Tensão, obtidas por foto-elasticidade .................................................. 36
Figura 3.13 – Disco de Roda com Perfil em forma de “S” [17]
................................................ 40
Figura 3.14- Contato Roda – Trilho, tensões atuantes [17]
. ....................................................... 41
Figura 3.15 – Achatamento da Roda no deslizamento sobre o Trilho ..................................... 43
Figura 3.16 – Zona Termicamente Afetada – ZTA [32]
. ........................................................... 43
Figura 3.17 - Esquema típico de Freio Pneumático e Eletro – Pneumático ............................. 54
Figura 3.18- Forças que agem nas Rodas durante uma frenagem [37]
...................................... 55
Figura 4.19–Local de retirada de amostras na Pista de Rolamento das Rodas ........................ 65
Figura 4.20 - Amostras retiradas das Rodas Ferroviárias ........................................................ 65
Figura 4.21 - Desenho Esquemático das posições de fixação de Sapatas ................................ 67
Figura 4.22 – Desenho esquemático da medição da rugosidade do Disco .............................. 69
Figura 5.23 – Perlita predominante e Ferrita típica, Amostra 2642. ....................................... 75
Figura 5.24 – Perlita predominante e Ferrita típica, Amostra 2641. ........................................ 75
Figura 5.25– Perlita predominante e Ferrita típica, Amostra 2643. ......................................... 76
Figuras 5.26 a – Inclusões na Superfície da Roda. ................................................................... 77
Figuras 5.26 b – Inclusões na Superfície da Roda. .................................................................. 77
Figura 5.27 – Fotografia da Amostra 2, polida com pasta de diamante ................................... 78
Figura 5.28– Fotomicrografia da Amostra 1, camada superficial ............................................ 79
xiii
Figura 5.29 - Fotomicrografia da Amostra 1, extremidade da fratura ................................... 80
Figura 5.30 – Fotomicrografia da Amostra 1, inclusões superficiais ....................................... 81
Figura 5.31 - Fotomicrografia da Amostra 3, extremidade da fratura ..................................... 82
Figuras 5.32-a e 5.32-b – Falhas Térmicas na Pista de Rolamento das Rodas ........................ 83
Figura 5.33 – Falha Térmica em Roda – Thermal Crack (Trinca Térmica) ........................... 84
Figura 5.34 – Roda apresentando “calo” ou depressão. ........................................................... 84
Figura 5.35 - Taxa de desgaste de Sapatas “A”, após 17.056km rodados, ............................. 89
Figura 5.36 - Taxa de desgaste de Sapatas “A”, após 24.983km rodados , ........................... 89
Figura 5.37 - Taxa de desgaste de Sapatas “A”, após 48.485km rodados, ............................ 90
Figura 5.38 – Taxa de desgaste de Sapatas “B”, após 37.103km rodados, ............................. 91
Figura 5.39 – Desgaste em Discos de Sapatas de Freio, .......................................................... 92
Figura 5.40 –Taxa de Desgaste x Distância Percorrida, Sapata “A”. ...................................... 93
Figura 5.41–Taxa de Desgaste x Distância Percorrida, Sapata “B”. ....................................... 93
Figura 5.42–Taxa de Desgaste x Distância Percorrida, Sapata “C”. ........................................ 94
Figura 5.43 - Desgaste x Distância Percorrida – Trilha 55d. ................................................... 95
Figura 5.44 - Desgaste x Distância Percorrida – Trilha 60d .................................................... 96
Figura 5.45 – Desgaste x Distância Percorrida – Trilha 65d ................................................... 96
Figura 5.46- Evolução do Desgaste de Sapatas “A”, no Campo - TUE 23 ........................... 98
Figura 5.47- Evolução do Desgaste de Sapatas “A”, no Campo - TUE 24 ............................ 99
Figura 5.48 – Evolução do Desgaste de Sapatas “A”, no Campo – TUE 25 ........................... 99
Figura 5.49- Evolução do Desgaste de Sapatas “C”, no Campo - TUE 10 ............................ 100
Figura 5.50 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 23 ............................................ 101
Figura 5.51 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 23 ........................................... 101
Figura 5.52 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 23 ............................................ 102
Figura 5.53 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 24 ............................................ 103
Figura 5.54 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 24 ............................................ 103
Figura 5.55 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 25 ............................................ 104
Figura 5.56- Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 25 ............................................. 104
Figura 5.57 - Desgaste de Sapatas “C” específicas, no TUE 10 ............................................ 105
Figura 5.58 – Desgaste de Sapatas “C” específicas, no TUE 10 ........................................... 105
Figura 5.59- Precipitação Chuvosa no período dos Testes de Campo [31]
. ............................. 106
Figura 5.60 - Frenagens de Emergência durante Testes de Campo - TUE 23 ....................... 107
Figura 5.61 - Frenagens de Emergência durante Testes de Campo - TUE 24 ....................... 107
xiv
Figura 5.62 - Frenagens de Emergência durante Testes de Campo - TUE 25. ...................... 108
Figura 5.63 – Frenagens de Emergência e Desgaste de Sapatas, no TUE 23. ....................... 109
Figura 5.64 – Frenagens de Emergência e Desgaste de Sapatas, no TUE 24 ........................ 109
Figura 5.65– Frenagens de Emergência e Desgaste de Sapatas, no TUE 25 ......................... 110
Figura 5.66 - Precipitação Chuvosa no período e Desgaste de Sapatas, no TUE 23 ............. 111
Figura 5.67- Precipitação Chuvosa no período e Desgaste de Sapatas, no TUE 24 .............. 111
Figura 5.68- Precipitação Chuvosa no período e Desgaste de Sapatas, no TUE 25 .............. 112
Figura 5.69 – Precipitação Chuvosa e Desgaste Sapatas Selecionadas - TUE 24 ................. 113
Figura 5.70 - Precipitação Chuvosa e Desgaste Sapatas Selecionadas - TUE 25. ................ 113
Figura 71 - Esquema da Instrumentação do Dinamômetro [41]. ........................................... 135
xv
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Características de diversas sapatas de freio [9]
..................................................... 12
Tabela 3.2 – Rodas Metroferroviárias - Classificação AAR ................................................. 29
Tabela 3.3 – Roda Ferroviária - Classificação UIC. .............................................................. 30
Tabela 4.4: Valor Médio da Rugosidade nos pontos da Figura 4.22 ....................................... 70
Tabela 5.5 - Análise Química da Roda Ferroviária .................................................................. 74
Tabela 5.6 - Dureza Brinell (HB), da superfície e núcleo das Rodas ...................................... 74
Tabela 5.7- Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Amostra 2, ................................ 78
Tabela 5.8 - Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Amostra 1, ............................... 79
Tabela 5.9 - Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Amostra 1, .............................. 80
Tabela 5.10 - Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Amostra 1, ............................. 81
Tabela 5.11 - Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Amostra 3, ............................. 82
Tabela 5.12 - Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Região da Fratura .................. 83
Tabela 5.13 – Características das Sapatas de Freio “A”, “B” e “C” ........................................ 85
Tabela 5.14 – Resultados de Desempenho das Sapatas de Freio testadas no Campo, ............. 87
Tabela 5.15 – Avaliação macrográfica das superfícies de contato das Rodas ......................... 88
Tabela 6.16 - Desgastes percentuais comparativos entre as Sapatas “A” e “B”. ................... 121
Tabela 6.17- Desgastes percentuais comparativos entre as Sapatas “A” e “C”. .................... 121
Tabela 6.18- Desgastes percentuais comparativos entre as Sapatas “B” e “C”. .................... 121
Tabela 6.19 – Resumo Testes Complementares de Rodagem no Campo. ............................. 122
Tabela 20 – Ensaio de Rampa com frenagem leve e pesada .................................................. 136
Tabela 21 – Ensaio de Parada, distância de parada. ............................................................... 136
Tabela 22 – Ensaio de Parada, com frenagem leve e pesada. ................................................ 137
Tabela 23 – Ensaio de Parada, força e coeficiente de atrito ................................................... 137
Tabela 24 - Ensaio de Parada, força e coeficiente de atrito. ................................................ 138
Tabela 25 – Verificação do desgaste das Sapatas ensaiadas ................................................. 138
1
1. INTRODUÇÃO
No extremo norte da Alemanha perto da divisa com a Holanda, região de Emsland, o
Transrapid é, rigorosamente, um trem sem rodas, pois eletromagnetos mantêm seus vagões
suspensos e ao mesmo tempo os deslocam. Ele parece um motor elétrico cortado e estendido
ao longo das vigas condutoras durante todo o trajeto, criando um campo magnético itinerante,
que levita e puxa consigo os magnetos elétricos instalados no trem. Assim sendo, de certa
forma, ele voa. Para parar o Transrapid, é só inverter a corrente desse campo magnético que a
propulsão passa a funcionar como um freio. Inconvenientes das ferrovias comuns, como o
barulho, desgastes e perda de energia por meio do atrito das rodas, eixos e trilhos, não
existem, pois o princípio é a pura levitação magnética, sem contato nenhum. Nos 31
quilômetros de seu percurso, a aerodinâmica do modelo atual consegue atingir a velocidade
de 450 quilômetros por hora, sempre pairando a rígidos dez milímetros acima da pista, sendo
energizado apenas o segmento do trecho onde o trem está se deslocando. Na China, em
Shangai, uma recém inaugurada linha que utiliza essa tecnologia de levitação magnética
(conhecida pela sigla MagLev), liga o aeroporto de Pudong à estação de trem de Longyang,
percorrendo 30 quilômetro em 7,5 minutos. Com passageiros, um trem MagLev consome 5
vezes menos que um Boeing 747 e viaja quase à mesma velocidade, o que o torna uma
solução interessante para transporte entre os grandes centros.
O trem francês TGV - Train à Grande Vitesse (Trem a Grande Velocidade) movido a motor
elétrico, se desloca sobre trilhos à velocidade comercial de 320 quilômetros por hora, com
frenagem por diversos discos de freio distribuídos no eixo das rodas. Nos testes, em condições
otimizadas, ele chegou a atingir 515,3 quilômetros por hora em Maio/1990, de acordo com
filme promocional do fabricante. Outros países da Europa e da Ásia têm adquirido esta
tecnologia para seus sistemas de trens rápidos. No Japão a geração Shinkansen com frenagem
por discos de freio possui linhas regulares de trens circulando com velocidade superior a 250
quilômetros por hora.
Um melhor conhecimento dos processos de degradação do sistema roda ferroviária – sapata
de freio é importante, pois o aquecimento de rodas e sapatas é função de fatores como
materiais empregados, superfícies de contato, força despendida, velocidade da roda,
freqüência e tempo de frenagem, dentre outros.
2
O calor gerado pode ocasionar diversas alterações na superfície de rolamento das rodas como
transformações de fases, deformações, desprendimento de material, nucleação de trincas,
dentre outros. Estas alterações são normalmente causadas, por uma série de expansões e
contrações da roda, fadiga térmica, fadiga mecânica e choque térmico. No caso de ruptura da
roda, quando em serviço, prejuízos irreparáveis podem ser ocasionados. A magnitude desses
problemas pode ser comprovada pelos dados estatísticos de acidentes em ferrovias, no nosso
país e em todo o mundo.
Embora a aplicação do sistema de frenagem por disco de freio seja crescente nos novos
projetos, a maioria dos veículos ferroviários atualmente em utilização no mundo e
principalmente no Brasil, ainda emprega o sistema de sapata de freio em atrito com as rodas,
mostrado na Figura 1.1(a e b).
Figura 1.1-a) Sapata de Ferro Fundido Figura 1.1-b) Sapatas de Resina Fenólica
Figuras 1.1 – Sapatas de Freio
Uma roda ferroviária além de ser um elemento de sustentação e apoio para o peso do carro é
um elemento de tração em contato com o trilho, e nos veículos com frenagem por atrito na
própria roda, serve também como elemento de freio (tambor de freio), estando sujeita a cargas
combinadas de origem mecânica e origem térmica, funcionando como dissipador do calor
gerado pela variação da energia cinética do veículo ferroviário.
3
Foram transportados sobre trilhos em 2003 no Brasil, próximo de 300 milhões de toneladas de
carga e 1,2 bilhões de passageiros. Encontram-se circulando no Brasil em 2004,
aproximadamente 2.000 Locomotivas de Carga, 2.000 Locomotivas e Carros de Passageiros,
69.300 Vagões de Carga, em 12 empresas operadoras de transporte de carga e 12 empresas de
transporte urbano de passageiros[1]
. Nos E.U.A. no ano 2000, em 660 empresas ferroviárias e
metroferroviárias, estavam em circulação aproximadamente 20.000 Locomotivas de Carga,
8.800 Locomotivas e Carros de Passageiros e 1.300.000 Vagões de Carga [2]
.
O desgaste da sapata de freio e da roda durante a operação comercial constitui item de
expressiva influência no custo de manutenção dos sistemas ferroviários, atingindo 10% do
total gasto em algumas operadoras. Nos E.U.A., estimam ser de US$200 milhões as perdas
anuais do país, devido à diminuição da vida útil de rodas, afetando cerca de 120.000 rodas
nesse período [2]
.
Nos trens equipados com freios a disco, a pastilha de freio entra em contato com o disco de
freio, solidário à roda ou ao eixo, para realizar o trabalho de frenagem. Em trens de alta
velocidade normalmente são utilizados discos de freio fabricados em fibra de carbono,
operando em conjunto com sapatas de alto desempenho, para melhor dissipação do calor
gerado. As pastilhas de freio a disco para trens são também conhecidas por sapatilhas.
Possuem, atualmente, desenhos e características como mostrados na Figura 1.2 e aplicações
como exemplificado na Figura 1.3, que mostra um sistema de freio com diversos discos de
freio solidários aos eixos de um truque, que é a estrutura mecânica que contém os motores
elétricos, as rodas e suporta o peso da caixa do vagão.
4
Figura 1.2 – Tipos de Discos de Freio [1]
.
5
Figura 1.3 – Truque com 04 Discos de Freio por Eixo,
para Trens de Alta Velocidade [4]
.
A definição do tema deste trabalho ocorreu a partir da vivência do autor deste trabalho, no
exercício de suas atividades na Coordenadoria de Manutenção da Companhia Brasileira de
Trens Urbanos – Superintendência de Belo Horizonte (CBTU – METROBH), reconhecendo a
importância do desenvolvimento constante dos sistemas de freio dos veículos de transporte de
carga e passageiros sobre trilhos, em função do grande aumento das velocidades e dos pesos
transportados e, nesse contexto, ao verificar as dificuldades das empresas ferroviárias e
metroferroviárias no Brasil para testarem de forma segura, prática e econômica as sapatas de
freio adquiridas.
Foi possível levar o trabalho a termo graças às facilidades para a realização de ensaios
tribológicos existente no LEMS – Laboratório de Engenharia e Modificações de Superfícies,
do Setor de Tecnologia Metalúrgica do CETEC-MG, hoje integrante do Núcleo de
Desenvolvimento Científico e Tecnológico em Materiais Solares, uma parceria entre o
CETEC e a CEMIG.
6
2. OBJETIVOS
2.1. Gerais
Desenvolvimento e divulgação de tecnologias de materiais de aplicação ferroviária e
metroferroviária.
Adquirir conhecimento sobre o desgaste de rodas e sapatas de freio e as técnicas de
mensurá-los.
Estudar o desempenho, a durabilidade e a degradação de rodas e sapatas de freio
metroferroviárias, visando aumentar a vida útil das mesmas;
Levantar dados sobre desempenho de sapatas de freio em companhias operadoras
metroferroviárias.
Identificar ações e indicar procedimentos técnicos que contribuam para a segurança,
economia e aperfeiçoamento do segmento de transporte ferroviário e metroferroviário
de cargas e passageiros.
2.2. Específicos
Investigar a correlação entre desgastes verificados nas sapatas de freio de resina
fenólica de três fabricantes, em ensaios tribológicos de “Pino sobre Disco” e em
Testes de Rodagem no Campo.
Verificar se os ensaios de “Pino sobre Disco”, podem ser opção prática e econômica
para inspeção de lotes de sapatas de freio, definindo-se uma relação entre os resultados
de desempenho obtidos nos testes de campo e os resultados obtidos nos ensaios de
“Pino sobre Disco”.
7
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Sapata de Freio
3.1.1. Introdução
O freio é o sistema que permite reduzir a velocidade de um veículo, e assim participa de seu
controle. O tipo de freio mais comum é o freio de fricção que opera absorvendo a energia
cinética através de fricção. A sapata de freio é o componente estático do sistema de freio que
entra diretamente em contato com a roda, com a finalidade de controlar a velocidade do trem
em movimento, ou de conduzi-lo a uma parada, ou ainda, de mantê-lo estacionário caso já
esteja parado. Durante o contato deslizante entre sapata e roda, as energias, cinética e
potencial, do trem são consumidas e dessa forma, sua velocidade é reduzida. Este processo
gera uma considerável quantidade de calor.
O desempenho de uma sapata de freio pode ser avaliado pela sua capacidade de desacelerar
um veículo ferroviário em movimento de maneira segura e pela sua influência sobre a roda.
No passado, as sapatas de freio ferroviárias eram feitas de ferro fundido, aço doce, latão,
bronze, madeira, tecidos de amiantos, fibras têxteis ou couro. Mais recentemente, porém,
como resultado do aumento da velocidade e da severidade de operação dos trens de carga e de
passageiros, alguns metais sinterizados ou compósitos contendo materiais inorgânicos e
metálicos, têm sido usados.
No Brasil, as sapatas de composição não metálica surgiram por volta de 1954, quando foram
introduzidas na Estrada de Ferro Santos a Jundiaí, pelo Comendador Francisco de Assis
8
Soares, sendo que nessa época a matéria-prima básica das sapatas era a borracha [3]
. Embora
este tipo de sapata apresentasse durabilidade superior à de ferro fundido, ocorriam alguns
inconvenientes associados a ele, como:
Travamento de rodas ainda frias, provocando escoamento e calosidades na pista de
rolamento das rodas;
Redução do coeficiente de atrito entre rodas e sapatas, com aquecimento das
superfícies em contato;
Desgaste das rodas, provocando sulcos profundos;
Redução da vida útil do rodeiro;
Seu alto custo de produção final.
Em função de tais inconvenientes, houve a necessidade de se desenvolver novas composições
de sapatas. Atualmente, o material das sapatas de freio na sua quase totalidade, é do tipo
polimérico inorgânico, de composição fenólica, uniforme em todo o seu volume e conforme
formulação e processo de cada fabricante, mas com as restrições de não poder conter amianto
em nenhuma de suas classes, nem chumbo em estado metálico ou combinado.
Como principais requisitos, esse material de atrito não pode, durante o uso, desprender
partículas ou gases que possam afetar a saúde ou que provoquem desconforto ao ser humano;
não pode produzir vibração ou ruído elevado, por ocasião da frenagem [4]
.
O calor gerado resultará em um aumento na temperatura das superfícies em atrito, que
dependerá, além da energia dissipada, da capacidade térmica dos componentes do freio e da
velocidade de dissipação do calor por condução, convecção e radiação [5]
.
Algumas características importantes para esse tipo de material de fricção são:
RECUPERAÇÃO: Todo material de atrito, quando submetido a trabalho em temperaturas
elevadas, até 350ºC, por exemplo, apresenta redução no seu coeficiente de atrito. Esta perda
de atrito, entretanto, deve manter-se dentro de limites toleráveis, de modo que o conjunto
mantenha uma boa eficiência. Resfriando o mesmo até a temperatura ambiente, e fazendo
medições do coeficiente de atrito, os valores obtidos devem ser similares àqueles que eram
obtidos antes da elevação da temperatura. A este fenômeno chamamos de recuperação.
9
RESISTÊNCIA MECÂNICA: Os materiais de atrito devem possuir resistência mecânica
suficiente para suportar os esforços inerentes à aplicação da frenagem.
Entre os esforços mecânicos, salientamos a compressão (ação contra as superfícies de atrito) e
o cisalhamento (resultado das forças tangenciais, em virtude dos movimentos de rotação).
ESTABILIDADE DIMENSIONAL: Todo material de fricção aquecido e a seguir resfriado
deve manter sua forma e dimensões aproximadamente inalteradas.
DURABILIDADE: A vida útil do material de atrito é um fator muito importante, e depende
da qualidade e do tipo selecionado para uma aplicação. O fator principal que governa a
durabilidade dos materiais de atrito é a temperatura. Os materiais de fricção são aglutinados
por resinas orgânicas, impondo limitações à sua temperatura de utilização, e caso os freios
sejam operados constantemente em temperaturas elevadas, o desgaste desses materiais é
acelerado. A durabilidade também é afetada pela geometria do freio, material da roda e
acabamento da superfície das pistas de rolamento [6]
.
3.1.2. Principais características da Sapata de Freio
As principais características de uma boa sapata de freio são:
Coeficiente de atrito adequado sob as várias condições de trabalho, tais como
velocidade, temperatura e umidade;
Durabilidade;
Baixa taxa de desgaste;
Não causar agressão excessiva às rodas;
Não produzir ruídos excessivos;
Não gerar odores ofensivos;
Não conter compostos nocivos à saúde.
Obviamente, o coeficiente de atrito é o fator mais importante num material de fricção e é
determinado pelos coeficientes de atrito de cada um dos seus componentes. O seu valor deve
10
manter-se praticamente constante, numa determinada faixa de temperatura como mostrado na
Figura 3.4.
Deve-se salientar que qualidade para o material de fricção não é necessariamente alto
coeficiente de atrito, pois muitas vezes uma frenagem excessiva representa tanto perigo,
quanto não ter freio. A estabilidade do atrito é um fator primordial, e é função da temperatura,
da velocidade, da pressão e de outros fatores externos [8]
.
A variável operacional que pode exercer maior influência sobre o desempenho de uma sapata,
em relação à sua capacidade de frenagem e também em relação à sua vida útil, é a
temperatura. À medida que esteja operando com uma temperatura média mais alta, existe a
tendência de que o desempenho da Sapata, tanto no que se refere à capacidade de frenagem
como a durabilidade, sejam mais baixas [3]
.
A sapata de freio ideal seria aquela que, junto com a roda, possuísse um coeficiente de atrito
que não variasse durante uma frenagem e que também possuísse uma grande capacidade de
dissipação de calor, absorvendo parte significativa da energia cinética do veículo, tudo isso
com a mais baixa taxa de desgaste. Esses fatores somados aumentariam a segurança e a vida
Figura 3.4–Variação Típica do Coeficiente de Fricção/Atrito,
em função da Temperatura [7]
.
11
útil das rodas, pela não fragilização da superfície de rolamento, de onde se origina a grande
maioria das falhas de rodas ferroviárias, causadoras ou não de acidentes.
O material de atrito para sapata de freio de boa qualidade deve ser também um isolante
térmico que proteja as partes mais profundas, sobre as quais está montado, das altas
temperaturas geradas durante os acionamentos do freio. O desgaste dos materiais de atrito é
necessário, para que se possa assegurar a renovação da superfície de atrito; caso contrário,
chegaríamos a extremos como o espelhamento dessa mesma superfície. Por outro lado, se a
renovação vier a ser muito rápida, teremos sua durabilidade (vida útil da sapata de freio)
excessivamente reduzida [12]
.
A Tabela 3.1 mostra valores característicos de 04 (quatro) tipos de sapatas de freio : alto e
baixo coeficiente de atrito (μ) para freio de veículos ferroviários, ale, de sapatas de ferro
fundido e sapata de freio especial. As várias características dos compósitos para sapatas de
freio informadas foram obtidas experimentalmente em laboratório [9]
.
12
A estabilidade do coeficiente de atrito de uma sapata de freio é uma importante e necessária
característica para o desempenho do freio. O valor do coeficiente de atrito (μ), pode mudar
grandemente em aplicações ao ar livre, particularmente durante período chuvoso, quando
diminui como resultado da existência de água entre a sapata de freio e a roda [10]
.
É então essencial que a diferença no valor do coeficiente de atrito (μ) entre as condições de
operação em ambientes molhados e secos, seja minimizada.
Os materiais de fricção para sapatas de freio, basicamente são formados por três grupos de
matérias-primas:
Características gerais de diversos materiais de frenagem
Características das
Sapatas →
Sapata de Freio
em resina com
alto (μ)
Sapata de Freio
em resina com
baixo (μ)
Sapata de Freio
em ferro
fundido
Sapata de Freio
especial
Coeficiente de Atrito
(μ) 0,25 – 0,37 0,10 – 0,25 0,10 – 0,25 0,07 – 0,15
VOLUME DE DESGASTE
EM RELAÇÃO AO FERRO
FUNDIDO
0,2 – 0,3 0,2 – 0,3 1 0,2
Condutividade térmica
kW/(m²k) 1,2 – 2,9 x 10
-1 1,6 – 3,3 x 10
-1 46 – 62 x 10
-1 0,8 – 1,6 x 10
-1
RESISTÊNCIA À
COMPRESSÃO (N/MM²) 70 – 150 70 – 200 150 – 400 100 – 250
Dureza SHORE (HS) 35 – 60 35 – 60 40 – 60 40 – 70
Tabela 3.1 – Características de diversas sapatas de freio [9]
13
COMPOSTO ATRITANTE: O mais eficiente é o amianto, devido a sua grande resistência
altas temperaturas, à corrosão e a ataques ácidos. O tipo mais usado é o crisotila, devido a sua
abundância na natureza.
Atualmente, utilizam-se fibras alternativas, não amianto, que se adaptam às exigentes
condições de frenagem dos veículos atuais, tendo em vista a proibição da utilização do
amianto, em grande parte dessas aplicações.
RESINA: É o material aglutinante. Normalmente, são usadas resinas fenólicas puras ou
modificadas devido a sua boa estabilidade e resistência a temperaturas elevadas.
CARGA: A sua finalidade pode ser como antioxidante, dissipador de calor, agente
modificador de atrito, lubrificante e outras mais. Também são usadas cargas com a finalidade
única de baratear um material de fricção, como, por exemplo, a barita e o caulim [7]
.
Uma formulação típica empregada atualmente em Sapatas de Freio de resina fenólica, não
amianto, é composta de:
Minerais: 0,5 a 33,5% (calcita, caulim, barita, pirita, grafite, dentre outros); têm
função de dissipador de calor, lubrificante, etc.;
Resinas (carga): 15,0 a 20,0% (resina fenólica); tem a função de massa e assim
melhorar a compactação;
Fibras Naturais e sintéticas: 2,0 a 8,0% (celulose, fibra de vidro, fibra cerâmica, dentre
outros); que fornecem resistência mecânica;
Metais: 1,5 a 6,0% (cavaco de latão e cobre, pó de aço, dentre outros); que têm a
função de dissipar o calor e de reduzir o atrito, a fim de contrabalançar a ação do
abrasivo, para evitar que o material se torne excessivamente agressivo;
Óxidos (abrasivos): 0,5 a 6,0% (de cálcio, de alumínio, dentre outros); que constituem
o material abrasivo;
Borrachas: 1,0 a 6,0% (SBR – Borracha Estireno - Butadiênica, pó de pneu); que
servem como aglomerantes ou materiais de liga entre os componentes;
Aceleradores modificadores para borracha: 0,01 a 2,0% (MBTS – Dissulfeto de
Benzotiazila, enxofre, dentre outros);
Corantes: Melhoram a estética do material;
Catalisadores: Consolidam a resina;
14
Outros componentes: Propriedade industrial sigilosa que a bibliografia omite.
3.1.3. Resinas Fenólicas
As resinas fenólicas são as mais antigas e as mais utilizadas entre as resinas termorrígidas,
tendo sido desenvolvidas por L.H. Baekeland, em 1909 [11]
. Elas são polímeros termorrígidos,
que com o calor e pressão do processo de moldagem, formam uma estrutura de excelente
estabilidade dimensional e térmica e elevada capacidade de suportar carga a temperaturas
elevadas. As resinas fenólicas têm sido especificadas para moldagens de peças de precisão
(pequenas tolerâncias dimensionais) que têm que funcionar em ambientes hostis. Resinas
fenólicas são produtos da reação de condensação de fenol e formaldeído, como mostrado na
Figura 5. A água é o subproduto desta reação [11]
.
O polímero fenólico não reforçado é um material muito frágil, de pequena significação nas
aplicações de engenharia. Porém, uma gama extensa de propriedades pode ser obtida porque a
resina é compatível com uma variedade de reforçadores e enchimentos/espessantes.
Usualmente, uma combinação de reforçadores e enchimentos/espessantes compõe
aproximadamente 45 a 65% do volume do material específico e das propriedades necessárias
ao processo de moldagem de peças. Lubrificantes, corantes e outros modificadores são
também utilizados.
Fenol Formaldeído
Figura 3.5 - Estrutura Química dos Fenólicos [11]
.
15
As resinas fenólicas têm um custo de produção muito baixo em comparação com as resinas
termoplásticas ou com os metais e até mesmo com outras resinas termorrígidas. Entre as
propriedades e características importantes das resinas fenólicas, pode-se destacar:
Moldabilidade: As resinas fenólicas permitem facilidade de processamento e
desempenho vantajosos. Podem ser moldadas em formas complicadas e já nas
dimensões finais, por injeção, compressão, ou processo de transferência com pequeno
ou nenhum acabamento subseqüente;
Estabilidade dimensional: As resinas fenólicas retêm estabilidade dimensional por um
período indefinido de tempo sob condições atmosféricas normais;
Resistência à Fluência: Têm um alto nível de resistência à deformação sob carga,
especialmente a temperaturas acima de 200°C;
Estabilidade térmica: As resinas fenólicas podem resistir a 150°C continuamente.
Alguns tipos podem resistir a 260°C por períodos curtos e a 230°C por períodos
maiores de tempo;
Dureza: As ligações cruzadas nas resinas fenólicas fazem com que elas resultem em
polímeros que estão entre os mais duros disponíveis;
Resistência à Compressão: Alta resistência a cargas de compressão é outro benefício
disponível com uso das resinas fenólicas [11]
.
3.1.4. Tipos e Aplicações das Sapatas de Freio
3.1.4.1.Classificação Quanto à Composição
Sapatas Metálicas
Fabricadas inteiramente em ferro fundido, apresentam baixo coeficiente de atrito.
16
Sapatas de Composição
São as sapatas amplamente utilizadas atualmente, sendo assim chamadas por apresentarem
uma matriz polimérica (borrachas e resinas) com cargas inertes, modificadores de atrito e
fibras em sua composição. Este tipo de sapata permite oferecer diferentes coeficientes de
atrito, em função de sua aplicação.
A Figura 3.6 mostra uma sapata de composição e apresenta seus componentes, que são
descritos a seguir:
Patim: reforço metálico da sapata não metálica, sobre o qual é assentada a massa;
Caixilho: parte da sapata não metálica fixada ao patim, no qual atua a chaveta de
fixação da sapata na contra-sapata;
Material ou massa de atrito (Composição): parte da sapata não metálica que atua sobre
a superfície de rolamento da roda;
Trava: parte saliente do patim que serve como batente para encaixe na contra-sapata;
3.1.4.2.Classificação quanto ao Coeficiente de Atrito – μ
Alto Coeficiente de Atrito
São sapatas de composição com coeficiente de atrito superior a 0,30, sendo largamente
utilizadas em trens de carga.
Médio Coeficiente de Atrito
Figura 3.6 - Sapata de Freio de Composição [3]
17
São sapatas de composição que possuem coeficiente de atrito entre 0,21 e 0,30, sendo
utilizadas em trens para transporte de passageiros.
Baixo Coeficiente de Atrito
São sapatas metálicas ou de composição com coeficiente de atrito menor que 0,20, sendo
utilizadas principalmente em locomotivas e vagões de carga [3].
3.1.4.3.Classificação quanto à Geometria
Sapata Paralela
São sapatas que apresentam sua superfície paralela, e, portanto não reproduzem a conicidade
apresentada no perfil da roda. A aplicação deste tipo de sapata é possível, pois existe um
ângulo de compensação nas extremidades do triângulo de freio onde está fixada a contra-
sapata, permitindo assim uma acomodação perfeita entre as superfícies da sapata e da roda.
Normalmente este tipo de geometria é aplicado em trens de carga.
Sapata Cônica
São sapatas que apresentam sua superfície cônica, conforme mostrado na Figura 3.7, e
portanto, reproduzem a conicidade apresentada no perfil da roda.
Este tipo de sapata é montado em sistemas com bloco de freio. Normalmente esta geometria é
aplicada em trens para transporte de passageiros.
18
3.1.5. Desenvolvimento de uma Sapata de Freio
Para que se possa definir as especificações de projeto para o desenvolvimento de uma sapata
de freio, é necessário conhecer no maior nível de detalhamento possível, as condições de
operação em que ela irá trabalhar e qual o desempenho desejado naquelas condições.
Basicamente, é necessário conhecer:
A força real disponível em cada sapata, para as condições de frenagem de serviço e de
emergência;
A condição de utilização de freio dinâmico, ou freio motor;
O número de sapatas por vagão de carga ou carro de passageiro;
O número de vagões ou carros, em uma composição;
O peso de cada vagão ou carro, vazio e com carga;
A porcentagem estimada de vagões ou carros com freios inoperantes (se for uma
provável realidade);
Figura 3.7 - Sapatas de Freio de Composição, cônica.
19
A inclinação da rampa máxima da via de rolamento;
O tipo de operação, se de longa distância ou metropolitano;
As velocidades máxima e normal;
A distância do centro da roda ao pivô da sapata de freio;
O dimensionamento da roda.
Um dos fatores que mais pode afetar o desempenho de uma sapata de freio é a temperatura a
que ela está submetida durante sua utilização. Como esta é uma informação dificilmente
disponível, faz-se uma inferência desta temperatura através das informações relativas às
velocidades de operação e freqüência de frenagem. Estas informações, também são
fundamentais para definir os intervalos de velocidade e de temperatura, dentro dos quais o
produto em desenvolvimento deve ser testado. De posse destas informações, é possível iniciar
o trabalho de desenvolvimento propriamente dito.
O processo de desenvolvimento de materiais de atrito, apesar de fundamental para o
desenvolvimento de sapatas de freio, é ainda considerado, por muitos, mais uma arte do que
ciência. Tradicionalmente utiliza-se a metodologia de tentativa e erro.
Métodos mais modernos utilizam técnicas de análise estatística de experimentos, que
permitem o estabelecimento de uma base tecnológica mais sólida e reduzem, em geral, o
tempo de obtenção de um novo produto, aumentando o nível de conhecimento tecnológico de
quem o utiliza [3]
.
3.1.6. Fabricação da Sapata de Freio
Como as sapatas de freio são feitas de compósitos de fricção moldados, nos quais as fibras e
outros materiais de reforço são misturados diretamente com os modificadores de atrito e os
ligantes; as misturas são geralmente obtidas por um dos seguintes processos: [3]
.
20
Mistura Úmida
Utiliza um misturador adequado para materiais sintéticos. Geralmente a borracha utilizada
neste processo é macerada com solvente, antes de ir para o misturador. Esta massa se mistura
facilmente com as fibras e os demais componentes, à medida que eles são adicionados.
A mistura é então moída e prensada para formar as sapatas de freio. O ligante principal deste
tipo de mistura é uma resina fenólica;
Mistura Seca
Os componentes secos são misturados por processo de agitação ou tombamento. A mistura
resultante possui um volume aparente elevado e necessita um molde profundo para conter a
quantidade necessária à formação da Sapata ou deve passar por um processo de pré-
formagem. O ligante utilizado é em geral uma resina fenólica em pó.
O processo de mistura por via úmida fornece maior flexibilidade na escolha do sistema de
ligantes para o material de atrito e, em geral, oferece mais possibilidades de adaptar o material
de atrito às condições desejadas.
A mistura pode ser moldada por dois processos:
Moldagem a Frio: a mistura é prensada à temperatura ambiente e depois é curada em
estufa, com as peças colocadas em dispositivos que as mantém sob pressão;
Moldagem a Quente: após prensagem a quente, para poder fundir a resina e formar a
Sapata, esta sofre uma pós-cura em estufa, para completar o tratamento térmico dos
ligantes. Condições de temperatura e pressão devem ser definidas em função do tipo
de mistura e do sistema de ligantes escolhido.
Em ambos os casos, a mistura é prensada diretamente sobre o patim metálico. O patim passa,
previamente, por um processo de limpeza composto de desengraxe e jateamento, antes da
aplicação do adesivo, que promove a fixação do material de atrito sobre a superfície metálica
do patim. A cura do adesivo ocorre ao longo da cura da sapata.
21
Após a estufa, a sapata é pintada em cores que possibilitam a identificação e facilitam sua
correta aplicação, geralmente conforme indicação do usuário. É carimbada ou tipada, para
identificação do lote, visando garantir a rastreabilidade do produto [3]
.
3.1.7. Testes e Ensaios
Os testes e ensaios a que são normalmente submetidos as sapatas ou sapatilhas de freio
metroferroviário, podem ser divididos em dois grupos: os testes para homologação de uma
sapata ou sapatilha para uma dada aplicação, e os testes para o controle de qualidade pelo
fabricante e/ou controle de recebimento pelo usuário.
Testes para Homologação
Como cada ferrovia possui suas características peculiares, a homologação das sapatas e
sapatilhas deve necessariamente ser também efetuada através de Teste de Rodagem no
Campo.
Teste de Desaceleração ou Distância de Parada
Serve para avaliar a performance das sapatas com relação ao seu coeficiente de atrito (μ). O
teste de desaceleração é realizado nos trens urbanos e metrôs e o da distância de parada, nos
trens de carga. Os valores-alvo de distância de parada e desaceleração variam em função do
tipo de veículo ferroviário onde está sendo aplicado o freio.
Teste de Durabilidade
Outra característica também avaliada na sapata é a durabilidade. A durabilidade de uma
sapata está diretamente ligada às condições de aplicação do freio (timonerias e triângulos de
22
freio alinhados, etc.) e ao trajeto percorrido pela composição (planos, serras, curvas, etc.); e,
por isso, deve ser avaliada nas condições reais de trabalho. Sapatas de mesma composição
ferroviária podem ter valores de durabilidade diferentes, o que depende das condições em que
foram aplicadas.
A durabilidade deve, necessariamente, ser avaliada nas condições reais de trabalho. Por ser
dependente de vários fatores que são peculiares a cada aplicação, tais como temperatura
máxima e média de trabalho, nível e tipo de contaminação das rodas e sapatas, estado das
rodas, estado de manutenção do sistema de freios e outros, dificultando efetuar-se analogia de
uma aplicação para outra, ou de dados laboratoriais para uma aplicação real.
De outro lado, em função do intenso intercâmbio de vagões de uma composição para outra
(no caso de trens de carga), é extremamente dificultoso o acompanhamento necessário das
sapatas, para medição de sua vida média.
Assim, somente é possível realizar uma medição adequada da vida útil de uma sapata através
de seu consumo médio, durante um período de tempo determinado; naquelas situações
especiais em que se disponha de uma composição unitária, sem intercâmbio de vagões, onde
pode ser efetuado o acompanhamento da vida das sapatas de forma mais precisa [3]
.
3.1.8. Controle de Qualidade
Para o controle de qualidade do produto acabado, normalmente são executados testes físicos,
químicos e mecânicos, tais como: densidade, absorção de água, absorção de óleo, extração em
acetona e teor de cinzas, resistência à compressão, resistência à flexão, resistência ao impacto,
dureza Gogan, Teste para Determinação de Desprendimento por Fricção (FAST - Friction
Assessment Screening Test), e o Ensaio em Dinamômetro. Todos esses ensaios são
normalizados pela ABNT.
Como os testes de homologação são impossíveis de serem realizados com uma freqüência
elevada, os testes citados são normalmente realizados na fase de homologação de um novo
produto. Em conjunto com os resultados dos primeiros lotes de fornecimento, os resultados da
fase de homologação devem ser utilizados para a elaboração de uma especificação para a
23
Sapata, que será utilizada no decorrer do fornecimento, para verificação da conformidade dos
diferentes lotes de fabricação em relação à homologação. Ambos, usuário e fabricante devem
utilizar a mesma especificação.
A avaliação de recebimento de um lote de Sapatas de Freio se constitui, principalmente, de
uma inspeção para se verificar:
Certificado de conformidade do lote;
Estado geral das sapatas (não danificadas pelo transporte);
Dimensões básicas das sapatas;
Identificação do fabricante e número de rastreabilidade;
Cor.
Os testes de controle são importantes para verificação da homogeneidade da fabricação. Para
isso, deve-se considerar como especificação, as faixas de resultados, cujos valores foram
avaliados durante os testes, na fase de desenvolvimento do produto.
3.2. Bancadas de Teste
As bancadas de testes mais comuns são: Máquina "FAST" (norma ABNT NBR-7813),
Máquina “Krauss” (norma ABNT MB-13l8) e Máquina “Chase” (norma SAE - J661A).
Nestas bancadas basicamente mede-se a variação do coeficiente de atrito em função da
temperatura, mantendo-se a velocidade constante e variando-se a pressão de contato ou torque
[12].
A Máquina F.A.S.T. - Friction Assessment Screening Test (Teste para Determinação de
Desprendimento por Fricção), foi desenvolvida pela Ford Motor Company, como uma
Ferramenta de Qualidade Assegurada, objetivando verificar a manutenção das características
de fricção ao longo do tempo. Tinha também o objetivo de avaliar variações na formulação do
material de fricção durante o trabalho de desenvolvimento, além de monitorar matérias
24
primas, comparar a lubricidade de grafites, efeitos de diferentes abrasivos, etc. Não foi
desenhada para medir como será a performance no veículo [12]
.
A Máquina Krauss de teste de fricção, resultado de um desenvolvimento conjunto de Teves e
Krauss na década de 1960, com objetivo de obter um teste total do freio, que fosse mais
econômico e fácil de executar do que o ensaio completo em Dinamômetro de Inércia.
Destina-se em especial, a estabelecer as características de fricção e desgaste dos materiais de
fricção utilizados em pastilhas de freio a disco, de automóveis. Opera à velocidade constante,
torque constante ou pressão constante durante todo o teste. Permite ainda escolha da
velocidade e medição de temperatura através de termo-elemento de fricção ou inserido [12]
.
A Máquina Chase de teste de fricção foi desenvolvida para determinação dos níveis de
fricção. Entretanto, ela não permite predizer com precisão qual será a performance do material
de fricção, no freio.
O corpo de prova utilizado possui dimensões e 1”x 1” (25,4 x 25,4mm), não podendo
substituir efetivamente o teste completo em escala normal. É previsto para ser aplicado em
uma amostragem de cinco leituras [13]
.
Os testes realizados nas bancadas dos tipos "Fast”, “Chase” ou “Krauss”, são também de
utilidade para comparar diferentes lotes de produção de uma mesma sapata, sendo que os
valores obtidos não podem ser interpretados como o valor real do coeficiente de atrito do
produto, nem para comparar diferentes tipos de sapatas, no sentido de analisar o desempenho
de uma contra a outra.
A grande dificuldade prática dessas bancadas é a quase total indisponibilidade das mesmas,
pois as grandes montadoras de automóveis e alguns fabricantes de componentes de atrito é
que, em geral, as possuem, sendo quase impossível testar ou contratar testes para inspeção de
recebimento de lotes de sapatas de freio.
25
3.3. Máquina de Ensaio de Desgaste tipo “PINO SOBRE DISCO”
É um equipamento, mostrado esquematicamente na Figura 3.8, destinado à realização do
ensaio tribológico de desgaste e atrito do tipo Pino sobre Disco, segundo a norma ASTM G
99 – 95a [14]
. Esta norma descreve o procedimento para a determinação do desgaste de
materiais durante o escorregamento (deslizamento), ao nível de laboratório.
Os materiais são ensaiados aos pares sob condições nominalmente abrasivas ou não. Através
deste equipamento é possível efetuar a análise de uma grande gama de materiais, tanto
metálicos como cerâmicos, poliméricos ou compósitos.
Para estes materiais é possível determinar a influência dos diversos parâmetros, nas taxas de
desgaste para várias combinações de materiais, entre pino e disco, ou ainda, realizar análises
para determinação do lubrificante mais adequado a uma determinada situação de atrito e
mesmo medir o coeficiente de atrito e sua variação com o tempo de ensaio.
Figura 3.8 - Esquema do Ensaio Pino sobre Disco
Parâmetros variáveis nos materiais em análise
Qualidade do material ensaiado;
Dureza da superfície;
Influência de tratamentos térmicos e termoquímicos;
26
Condições de acabamento da superfície, rugosidade;
Concentração de material cerâmico em compósitos de matriz metálica e polimérica.
Parâmetros variáveis do processo e do meio envolvente:
Velocidade de deslizamento;
Temperatura;
Distância percorrida no desgaste;
Carga normal aplicada e pressão de contato;
Aplicação de lubrificante;
Controle da umidade e da atmosfera do ensaio.
Neste trabalho o ensaio de “Pino sobre Disco” estará sendo empregado em uma de suas
aplicações típicas que é para estudo de mecanismos de desgaste que atuam no atrito roda
ferroviária – sapata de freio de resina fenólica não-amianto, e levantamento de gráficos de
desgaste.
A opção pelo ensaio tribológico de Pino sobre Disco, deve-se não só à sua comprovada
validade tecnológica para esse tipo de avaliação, mas especialmente pelo fato da máquina que
realiza esse ensaio ser encontrada em grande número de laboratórios tecnológicos, instituições
de ensino e de pesquisa, relacionados com ensaios tribológicos em todo o Brasil.
3.4. Ensaio em Dinamômetro
Sem dúvida o mais completo teste de laboratório para avaliar uma sapata de composição é o
Ensaio Dinamômetro. Neste tipo de equipamento podemos variar a pressão, temperatura,
torque e velocidade, podendo-se aproximar das condições em que as sapatas serão submetidas
no campo [15]
.
Os valores de coeficiente de atrito e distância de parada e desgaste, obtidos no Ensaio
Dinamométrico, são os que mais se aproximam da realidade, porém tais testes são realizados
27
em condições ideais de laboratório, não considerando, portanto, variáveis como condições da
Via de Rolamento, sistema de freio, manutenção [16]
.
Quando obtemos resultado de que uma sapata de freio apresenta maior coeficiente de atrito
que outra sapata, podemos na realidade esperar com grande chance de certeza que, de fato, no
teste de veículo, a sapata irá apresentar distâncias de paradas menores, porém nem sempre a
menor distância de parada e a que se desejaria. O importante é que o produto em
desenvolvimento apresente resultados de distância de parada dentro dos limites especificados
pelas ferrovias.
O Dinamômetro de Inércia é um equipamento que exige um investimento relativamente alto
(cerca de US$ 1milhão). Durante a realização dos ensaios são monitorados continuamente,
parâmetros para registro da velocidade da roda, força normal na sapata, força de atrito entre
roda e sapata, tempo de parada, distância de parada e temperatura da superfície de rolamento
da roda [17]
.
O coeficiente de atrito instantâneo da sapata é calculado através da divisão da força de atrito
pela força normal na sapata. A taxa de desaceleração é calculada com base nos dados obtidos
de tempo e distância de parada [16]
.
A simulação de carga é feita por meio de volantes de inércia, para frenagem de parada; por
meio do motor de acionamento, para frenagem contínua (descida longa); e misto {volantes +
motor} para simulação de parada ou redução de velocidade em rampas.
Servem para comparar materiais sob condições ideais e padronizadas, sendo importantes no
desenvolvimento de um novo produto quando se necessitam respostas em maior quantidade e
mais rápidas do que testes realizados no campo.
Estes testes também podem ser utilizados para eventuais verificações de homogeneidade de
lotes de fabricação como nos testes descritos anteriormente, sempre em comparação com os
resultados iniciais. Custo e tempo de execução são fatores limitantes de uma utilização mais
freqüente deste tipo de teste. É importante ressaltar que os testes em dinamômetro não
reproduzem as condições reais existentes em cada ferrovia e, portanto, não devem ser
28
utilizados em substituição aos Testes de Rodagem no Campo, para homologação de uma
sapata de freio [18]
.
3.5. Roda Metro – Ferroviária
3.5.1. Introdução
As rodas metroferroviárias são classificadas segundo sua utilização, material empregado,
tratamento térmico e propriedades mecânicas; sendo fabricadas por forjamento ou fundição, e
normalmente com desenho e nomenclatura mostrada na Figura 3.9.
Figura 3.9 – Terminologia das partes da Roda Metroferroviária.
(Padrão RFFSA –SPE/DM-13-19-00)
29
No Brasil as rodas metroferroviárias são fabricadas em Aço ABNT 1045 a 1080, seguindo as
especificações da norma AAR – Association of American Railroads (AAR-M 107 - U.S.A –
Tabela 3.2), ou as especificações da norma UIC – International Union of Railways (UIC 812-
3 - Comunidade Européia – Tabela 3.3).
Tabela 3.2 – Rodas Metroferroviárias - Classificação AAR
30
Tabela 3.3 – Roda Ferroviária - Classificação UIC.
31
As rodas são normalmente tratadas termicamente no aro, consistindo de austenitização,
têmpera e revenimento. Nas Figuras 3.10.a e 3.10.b, são mostrados os perfis de dureza
obtidos. Após fabricação, as rodas são normalmente tratadas termicamente no aro, consistindo
de austenitização, normalmente submetidas a um processo de jateamento de granalha de aço
(Shot-Peening) e balanceamento, se especificados.
Figura 3.10.a -Distribuição de dureza (HB) no aro da roda Classe “B” [17]
.
Figura 3.10.b - Distribuição de dureza (HB) no aro da roda Classe “C” [17]
.
32
A roda ferroviária recebe solicitações não apenas de natureza mecânica, mas também de
natureza térmica. Ao contrário dos veículos rodoviários onde a roda suporta apenas a carga e
o sistema de freio é separado, a roda ferroviária quando é também utilizada na frenagem por
atrito, tem que suportar a carga e ao mesmo tempo servir de tambor de freio, absorvendo
elevadas cargas térmicas durante a frenagem.
A fratura nas rodas ferroviárias continua sendo um grande problema em todo o mundo, e
aumentou significativamente em ocorrência, após a introdução da sapata fabricada com resina
de composição fenólica.
Este fato deve-se não somente ao aumento da eficiência do freio, pois a sapata de ferro
fundido cinzento possui um coeficiente de atrito ( ) inicial de 0,12 a 0,15 (variando até 0,60
durante a frenagem); enquanto a sapata de resina fenólica possui um coeficiente de atrito ( )
inicial de 0,26 a 0,35 (variando de 0,20 a 0,40 durante a frenagem). Ou seja, com as sapatas
de resina fenólica, mais do que dobrou o coeficiente de atrito inicial.
Também é comprovado experimentalmente, que a introdução da sapata fenólica prejudicou
sensivelmente a dissipação do calor gerado durante a frenagem, uma vez que no caso da
Sapata de ferro fundido aproximadamente 40% do calor dissipa-se pela Sapata e os 60%
restantes pela Roda [19]
.
No caso da sapata de composição fenólica, devido as suas propriedades isolantes, quase 90%
do calor é dissipado pela própria Roda, aumentando sua temperatura em maior intensidade.
A Condutividade Térmica das sapatas de freio de resina fenólica é da ordem de 3 a 8 x 10-3
Cal/cm2.°C.s ; enquanto a Condutividade Térmica das sapatas de ferro fundido cinzento é da
ordem de 1,1 a 1,5 x 10-1
Cal/cm2.°C.s , ou seja, uma ordem de grandeza maior
[9].
A aderência entre a roda e o trilho regula o gradiente de esforço de tração ou de frenagem que
pode ser transmitido através da interface roda-trilho. Na tração, ela determina o peso do trem
possível de ser tracionado, e, na frenagem, estabelece a distância de parada segura.
33
A tensão mais prejudicial às rodas ferroviárias provém do superaquecimento, como
conseqüência das desacelerações rápidas ou prolongadas nos declives, e bem menos pelas
cargas mecânicas, de natureza estática e dinâmica [17]
.
A partir destas considerações, pode-se perceber que o fenômeno de fadiga térmica e o
surgimento de tensões residuais possuem importância relevante.
A fratura na roda ferroviária ocorre pela fadiga térmica, em conseqüência de ciclos repetitivos
de solicitações, caracterizados pelas tensões térmicas no estado de superaquecimento da roda,
e após resfriamento, pelas tensões residuais de sinal oposto [20]
.
3.5.2. Fadiga em Rodas Ferroviárias
O processo de fadiga começa com a nucleação da trinca por deformação plástica localizada,
geralmente na superfície do aro da roda. O crescimento da trinca acontece no plano radial
perpendicular à direção da tensão circunferencial de tração, sob a influência de tensões
alternadas térmicas e residuais.
A fratura frágil ocorre quando a trinca atinge seu tamanho crítico e torna-se instável.
As tensões residuais, como conseqüência das deformações plásticas, desempenham um papel
muito importante nos três estágios do processo de fadiga, influenciando decididamente o
início da trinca, a sua propagação e a fratura final [21]
.
3.5.2.1.Fadiga Térmica
Entre os tipos mais conhecidos de fadigas, destacam-se a fadiga mecânica e fadiga térmica
São três fatores necessários para criar condições e gerar fadiga térmica:
Ciclo térmico repetitivo;
Restrição física na livre expansão ou contração do corpo;
34
Deformação plástica localizada [22]
.
Exemplificando os três fatores num sistema simples de uma barra de aço em balanço,
mostrados nas Figuras 3.11. O ciclo térmico representa o aquecimento/resfriamento
alternativo da extremidade livre da barra, representada na Figura 3.11-a.
Neste caso a temperatura não deve ultrapassar o limite de transformação da estrutura,
permitindo a livre dilatação térmica e, no estado de resfriamento, a livre contração da barra. O
ciclo térmico desta natureza não causa por si a fadiga do material.
A restrição física, ou seja, o impedimento da livre expansão da barra através de uma parede, é
esquematizado na Figura 3.11-b. Esta restrição não terá efeito prejudicial quando as tensões
térmicas, como conseqüência dessa restrição, permanecem no regime elástico do material. Se
com o aumento de temperatura as tensões térmicas ultrapassam o limite de escoamento e o
material é sujeito a deformação plástica localizada (Figura 3.11-c), surgem no material como
conseqüência disso, após o resfriamento, tensões "congeladas" chamadas tensões residuais.
Figuras 3.11 - Representação esquemática dos três fatores que geram fadiga térmica:
a) ciclo térmico, b) restrição física, c) deformação plástica localizada [22]
.
35
3.5.2.2. Tensões Residuais
Na sua definição mais antiga, as tensões residuais são chamadas tensões que permanecem
num corpo elástico após a remoção de todas as forças externas.
Como conseqüência do ciclo alternativo de aquecimento / resfriamento as tensões residuais
resultantes da deformação plástica aumentam significativamente o campo de tensões que
levam ao início da trinca nas rodas ferroviárias.
Igualmente, a determinação quantitativa dessas tensões é indispensável para uma definição
criteriosa do crescimento da trinca até o seu tamanho crítico, ou seja, a fratura frágil. Numa
roda fraturada radialmente nota-se, através da grande desproporção entre a área de fadiga, a
elevada participação das tensões residuais no processo de fratura final da roda. A roda
ferroviária funciona neste caso simplesmente como um acumulador de tensões residuais [22]
.
3.5.2.3.Origem das Tensões Residuais nas Rodas
Quanto à origem, podemos dizer que as tensões residuais podem surgir a partir dos (das):
Processos de manufatura das rodas;
Prensagens das rodas no eixo;
Cargas estáticas acrescidas das componentes dinâmicas em serviço;
Cargas térmicas de frenagem.
3.5.2.3.1. Processos de Manufatura das Rodas
Numa roda nova (sem uso) a magnitude e a distribuição das tensões residuais não é
desprezível.
36
O processo de forjamento ou a fundição, mais particularmente os tratamentos térmicos
deixam tensões residuais em algumas regiões da roda, apesar de todo o aprimoramento desses
processos.
Num exemplo clássico conhecido, foram determinadas pelo método extensométrico, tensões
residuais em torno de 10kgf/mm2, ilustrado na Figura 3.12. Para fins comparativos, essas
tensões correspondiam no caso citado à metade das máximas tensões causadas pelas cargas
mecânicas e a 1/3 das tensões oriundas das cargas térmicas [23]
.
A usinagem inicial de algumas superfícies da roda e, particularmente a usinagem do aro da
roda na passagem de uma vida (uma usinagem durante a utilização) para a outra, deixam
como conseqüência algumas tensões residuais nas superfícies usinadas.
Figura 3.12-Linhas de Tensão, obtidas por foto-elasticidade
para contorno Roda - Trilho [17]
.
37
Durante o processo de usinagem a camada superficial do material está sujeita à deformação
plástica, ou seja, o material ultrapassa o limite de escoamento em conseqüência do
cisalhamento na formação do cavaco.
A magnitude das tensões residuais e a profundidade da zona afetada dependem em maior ou
menor grau da velocidade de corte, do avanço, da forma e do estado geral da ferramenta.
Neste contexto, o processo de jateamento de granalha de aço (Shot – Peening) é normalmente
executado para induzir tensões de compressão nas regiões de concordância da roda, para
prevenir fadiga por tensões superficiais, produzidas pelo processo de fabricação.
3.5.2.3.2. Prensagens das Rodas no Eixo
É fato conhecido que a união prensada de uma engrenagem com um eixo afeta a resistência à
fadiga dos dentes. No caso da roda ferroviária seria importante conhecer a profundidade da
penetração radial das tensões devido à prensagem, considerando-se os limites da tolerância de
interferência. Em geral, pode-se dizer que a união se realiza no regime elasto-plástico.
Deste modo, uma camada relativamente estreita do cubo em torno do eixo (zona de contato) é
submetida a tensões acima do escoamento; além desta zona, o cubo da roda e provavelmente
uma grande parte do disco da roda, encontra-se no regime elástico das tensões. Estas tensões
de natureza residual participam efetivamente no processo de fratura da roda [24]
.
Para as frenagens prolongadas, o sobre aquecimento e a conseqüente dilatação radial do cubo
pode prejudicar seriamente a união de interferência cubo da roda - eixo e, em casos extremos,
causar o deslizamento da roda no eixo. Neste caso é necessária uma revisão das
especificações da interferência utilizada.
O Manual de roda e eixo da AAR – Associação Ferroviária Americana – Décima Terceira
Edição – Julho/1981 (Wheel and Axle Manual of the AAR – Association of Americam
Railroads – Thirteenth Edition – July/1981); recomenda uma interferência de 0,001 polegadas
de interferência (2,54 x10-2
mm), por polegada (25,4mm) do diâmetro da roda.
38
3.5.2.3.3. Cargas Estáticas e Dinâmicas
A carga estática proveniente do peso sobre a roda, que é expressa como força de contato roda
– trilho, é uma carga cíclica repetitiva, para cada revolução da roda.
Para uma roda dentro da especificação, esta carga variável devido aos efeitos esforços laterais
e dinâmicos, provoca tensões bem abaixo do limite de escoamento do material, não gerando,
portanto, tensões residuais [25, 26]
.
As tensões resultantes dessas cargas podem ser suficientemente elevadas, a ponto de
influenciar a propagação de trincas já existentes e prejudicar, em particular, a resistência à
fadiga devido ao grande número de vezes que elas atuam em ciclos durante a vida da roda.
Por exemplo, a roda de 36” (914,4mm de diâmetro), é sujeita a 350 ciclos de carga por km
percorrido.
3.5.2.3.4. Cargas Térmicas de Frenagem
As mais severas tensões nas rodas ferroviárias são causadas pelo aquecimento não uniforme,
resultante da aplicação de frenagens bruscas e freqüentes (muito freqüentes em sistemas
metroferroviários) ou prolongadas de desaceleração em declives (muito freqüentes em
composições ferroviárias de carga).
Este aquecimento diferencial causa uma expansão e uma torção no aro da roda em relação ao
disco, o qual por sua vez, tenta impedir essa dilatação assimétrica do aro. Como
conseqüência, surgem tensões radiais no disco e tensões circunferenciais no aro [14]
.
Dependendo da forma geométrica do disco da roda e da magnitude da carga térmica, essas
tensões ultrapassam em algumas regiões da roda, o limite de escoamento do material. As
regiões deformadas plasticamente aumentam proporcionalmente com a potência térmica, e
assumem no aro proporções particularmente elevadas no caso da roda gasta [27]
.
39
O escoamento nas regiões indicadas desenvolve altas tensões residuais nessas áreas, quando,
após a interrupção do processo de frenagem, as rodas assumem a temperatura do ambiente.
Neste caso o disco restringe também a contração do aro superaquecido e plasticamente
deformado. Portanto, as tensões residuais desenvolvidas na roda, são causadas pela interação
disco-aro.
Resumindo o exposto anteriormente, o ciclo repetitivo de solicitações: aquecimento (dilatação
restringida) tensões térmicas - resfriamento (contração restringida) tensões residuais;
atua em regiões críticas da roda ferroviária e promove o início e o crescimento da trinca à
fadiga, nos lugares mais susceptíveis.
A presença de entalhes, inclusões e microfissuras, associadas a elevadas tensões residuais
aumentam drasticamente a tendência de início de trincas. As tensões residuais, como
conseqüência das deformações plásticas desempenham um papel muito importante nos
estágios do processo de fadiga, influenciando o início da trinca, a sua propagação e a fratura
final [28]
.
3.5.2.4. Redução das Tensões Residuais
3.5.2.4.1. Configuração da Roda
As tensões residuais no aro da roda nova são inicialmente de compressão e mudam depois
para tensões de tração, sob a ação de prolongadas cargas térmicas. A magnitude dessas
tensões depende significativamente da configuração geométrica do disco da roda, ou seja, da
rigidez do disco que impede a livre deformação do aro.
Um disco de menor rigidez reduz comprovadamente as tensões residuais de tração no aro. Nas
mesmas condições de frenagem uma configuração do disco mais elástica em forma de “S", do
tipo mostrado na Figura 3.13, permite a redução das tensões residuais circunferenciais no arco
de 28kgf/mm2 para 12kgf/mm
2 [14, 29]
.
40
Tendo-se em vista esse fato, nos projetos mais recentes de rodas ferroviárias tenta-se reduzir a
rigidez do disco a um nível mínimo tolerável pela sua resistência mecânica [38]
.
3.5.2.4.2. Limite de Escoamento do Material da Roda
O escoamento é uma propriedade de um material que indica o início da plasticidade ou da
deformação permanente. O limite de escoamento é a referência adotada no projeto para
exprimir a resistência mecânica do material, pois as tensões operacionais são geralmente
baseadas no valor numérico do limite de escoamento.
Como já foi citado no caso da roda ferroviária sujeita a elevadas cargas térmicas, as
conseqüentes deformações nas regiões do disco e do aro, o tamanho e a localização dessas
regiões escoadas depende de um lado da carga térmica induzida à roda, e de outro da forma
do disco e do limite de escoamento do material empregado. Desta forma, quanto maior for o
limite de escoamento, menores serão as regiões escoadas [22]
.
Figura 3.13 – Disco de Roda com Perfil em forma de “S” [17]
41
3.5.3. Deslizamento Roda – Trilho
O deslizamento roda - trilho é um complicado processo tribológico. Os fatores de maior
influência na transformação do material da roda durante o deslizamento são pela ordem as
“características do material”, principalmente porque as transformações cinéticas são
grandemente dependentes da composição química, tamanho de grão e estrutura metalográfica.
Em segundo lugar está a “carga sobre o eixo”. Quanto maior a carga maior o calor gerado, a
deformação e a taxa de desgaste [30]
. Conforme a Figura 3.14, são muitas as forças atuantes.
A velocidade do veículo ferroviário é o terceiro fator, influenciando também na quantidade de
calor gerado, na taxa de desgaste e na distribuição da temperatura [31]
.
Em quarto lugar estão os fatores climáticos, contaminações e outros fatores que afetam o
coeficiente de atrito.
Figura 3.14- Contato Roda – Trilho, tensões atuantes [17]
.
42
A combinação de todos esses efeitos mencionados determina se vai ou não ocorrer o
deslizamento, e influencia na geração de calor.
O quinto e último fator mais importante, é o “tempo de deslizamento da roda”, bem como a
velocidade de resfriamento quando a roda retorna a girar. O tempo de deslizamento e a
velocidade de resfriamento da roda determinam a formação ou não de estrutura martensítica
na superfície que deslizou sobre o trilho.
3.5.4. Mudanças na estrutura da Roda
A Zona de Transição entre a camada de martensita e o material de base adjacente, terá uma
espessura que dependerá da carga sobre o eixo e do tempo de frenagem; como é ilustrado na
Figura 3.15.
Em testes recentes, foi verificado que curtos espaços de tempo de deslizamento criam Zonas
de Transição com espessura de 20% ou menos, da espessura de martensita; e para tempos
mais longos, acima de meio minuto, a Zona de Transição possui espessura entre 40 a 80% da
espessura de martensita. Esta diferença reflete um menor crescimento do gradiente de
temperatura após um mais longo tempo de deslizamento [32]
.
A Zona de Transição, ilustrada na Figura 3.16, essencialmente consiste de remanescentes de
um volume de material parcialmente austenitizado, tendo a temperatura atingido a chamada
Zona Crítica, conduzindo para a esferoidização dos carbonetos, associado com algum
amolecimento localizado.
43
Figura 3.16 – Zona Termicamente Afetada – ZTA [32]
.
Figura 3.15 – Achatamento da Roda no deslizamento sobre o Trilho
e Zona Termicamente Afetada –ZTA [32]
.
44
3.5.5. Falhas Térmicas em Rodas Metroferroviárias
As principais falhas térmicas encontradas em rodas ferroviárias, cuja causa principal é o
contato roda - sapata, são:
Cavitação (“Spalling”)
É um dano térmico caracterizado pelo descolamento localizado de material da superfície de
rolamento, isto leva à formação de cavidades características.
A presença de martensita é uma grande evidência da falha térmica Cavitação (“Spalling"),
assim como a presença de marcas causadas por deslizamento é uma provável evidência de
martensita; essas marcas são, algumas vezes, caracterizadas por saliências na bandagem [33]
.
Escamação (“Thermal Shelling”)
Define-se como uma falha, perda de material causada por solicitações mecânicas (“Shelling"),
facilitada grandemente pela presença de cargas térmicas. Trincas oxidadas que surgem nas
vizinhanças da região danificada; normalmente ocorrem em temperaturas acima de 500ºC.
Geralmente se encontra este tipo de falha em conjunto com cavitação ("Spalling"); no entanto,
se não houver constatação de martensita ou sinais de deslizamento, sabe-se que a roda foi
apenas sujeita a escamação ("Thermal Shelling") [34]
.
Entre a temperatura ambiente e 500ºC, o limite de resistência à tração dos aços mencionados
para a fabricação de Rodas, se reduz praticamente à metade, e o limite de escoamento diminui
por volta de 30%. Quando se somam a esta diminuição de resistência mecânica da roda,
cargas mecânicas, verifica-se a ocorrência de Escamação ("Thermal Shelling") [17, 24]
.
Trinca Térmica (“Thermal Crack”)
Do ponto de vista metalúrgico pode-se dizer que, na presença de certos fatores, o
superaquecimento devido à frenagem causa descontinuidades na superfície da roda.Estas
descontinuidades se apresentam sob a forma de trincas térmicas.
45
As trincas surgem devido à ruptura em uma camada externa frágil, principalmente na
superfície de rolamento, em regiões que atingiram altas temperaturas, causando transformação
estrutural do aço (formando principalmente martensita).
Esta teoria se baseia na presença de martensita nas vizinhanças das descontinuidades, sendo
que a profundidade inicial não excedia 0,02mm. Este mecanismo de iniciação de trincas, até
0,1mm de profundidade, se baseia na teoria de formação de martensita. Desta forma relaciona
a suscetibilidade às trincas térmicas com a temperatura de inicio de transformação da
martensita [32]
.
Quanto maior a porcentagem de carbono e de elementos de liga, menor será essa temperatura,
e maior a suscetibilidade a trincas térmicas. O surgimento das trincas é uma conseqüência das
tensões criadas devido à presença da martensita [35]
.
A trinca térmica não é, por si só, um problema grave. É comum a constatação nas empresas
metroferroviárias e de transporte de carga, de que aproximadamente 60 a 70% das Rodas
apresentam trincas térmicas. O problema se agrava é com a sua propagação, quando pode
atingir dimensões críticas.
O que se verifica na prática, na maioria dos casos, é que as fissuras são eliminadas através do
desgaste de rolamento e da própria frenagem. Se, no entanto, esse desgaste não é suficiente
para eliminar a fissura, esta pode se propagar como uma trinca de fadiga até sair da região
onde as tensões são permanentemente de compressão.
Esta zona é uma camada externa, medindo de 3 a 4mm de profundidade, onde há solicitação
de tração e compressão, podendo favorecer a propagação da trinca. Entretanto, esta
propagação é freqüentemente interrompida em uma camada interna de tensões residuais
compressivas [36]
.
Em situações extremas, quando as tensões compressivas desaparecem totalmente no aro da
roda devido ao superaquecimento, a trinca se propaga até provocar a fratura radial da roda.
46
3.6. Tração e Frenagem
3.6.1. Introdução
Os principais tópicos relacionados à tração e à frenagem de um sistema ferroviário são, os
seguintes [37]
:
Aderência;
Potência e força de tração ou esforço trator;
Resistência ao movimento;
Quantidade tracionada de carga ou de passageiros;
Consumo de combustível;
Capacidade de aceleração e frenagem;
Via férrea;
Material rodante.
A seguir, são feitas considerações acerca de alguns dos tópicos mencionados, com maiores
relações, seja com a questão da tração, seja com a da frenagem [37]
.
3.6.2. Aderência
3.6.2.1. Introdução
O fator físico fundamental que determina e limita a capacidade de tração, frenagem e
aceleração de um veículo é a aderência. Aderência é o atrito que existe entre as duas
superfícies em contato, que assegura o deslocamento do veículo por se opor à patinagem da
roda. No caso dos veículos ferroviários, entre a roda ferroviária e o trilho.
47
Esse fenômeno pode ser explicado pelo fato de que ambas as superfícies em contato
possuírem um certo grau de rugosidade, e se entrelaçam durante o contato. As forças de
atração intermolecular também contribuem sensivelmente para que este “agarramento" ocorra.
Quando uma força tangencial é aplicada à roda, as deformações elásticas permitem uma
ligeira rotação à roda, mesmo que não haja desligamento entre as duas superfícies, havendo,
porém uma pequena variação entre o deslocamento linear do cubo da roda e o percurso real
efetuado por um ponto situado na periferia do seu aro: o pseudodesligamento.
Esse pseudodesligamento persiste até o limite elástico do material da roda, quando então
ocorre o desligamento puro da roda sobre o trilho. Saliente-se que sem essas deformações
nenhuma força seria transmitida.
Pode-se observar que:
Para uma roda de 914mm (36") de diâmetro e carga de 10.000kgf, a área de contato
em virtude das deformações, é de apenas 150mm2, sendo que somente uma fração
disso é responsável pela aderência;
As deformações causam os seguintes esforços:
NA RODA:
Na frente da superfície de contato - compressão;
Atrás da superfície de contato - tração.
NO TRILHO:
Na frente da superfície de contato - tração;
Atrás da superfície de contato - compressão.
Na prática, a força de tração possível de ser transmitida começa crescendo ligeiramente, e
depois decresce rapidamente na medida em que a velocidade de deslizamento aumenta.
Com os sistemas modernos de detecção e correção de patinação tem sido conseguido níveis
de aderência bastante elevados: cerca de 26% onde antes se atingia média de apenas 20%.
48
Isto pode causar um pequeno aumento do desgaste das rodas e dos trilhos, mas o acréscimo na
tração é muito mais vantajoso do que este desgaste.
Por outro lado, deve-se levar em consideração o fato de que as rodas do primeiro rodeiro do
veículo, além de guiarem as outras, também limpam os trilhos, melhorando assim as
condições de aderência das rodas posteriores do trem; favorecendo a tração de locomotivas
comandadas ou de motrizes acopladas a uma composição ferroviária.
Como observação interessante, uma locomotiva ou um carro motor moderno, com motores de
tração de corrente alternada, pode manter um nível de aderência de até 36%, mesmo em
condições meteorológicas adversas.
3.6.2.2. Fatores que afetam a Aderência
Os níveis de aderência podem sofrer influências de muitos fatores, como por exemplo:
Rodas desbalanceadas são um item muito importante, principalmente nas altas
velocidades;
Rodas excêntricas, empenadas, ou montadas fora do centro do rodeiro;
Rodas de um mesmo rodeiro com diâmetros diferentes;
Condições das superfícies dos trilhos e da via permanente, junções, fixações etc.;
Efeitos de transferência de peso e de massas girantes;
Ligações elétricas dos motores de tração em série, série - paralelo ou todos em
paralelo, sendo esta última condição que resulta em melhor aproveitamento da
aderência;
Sistemas de detecção e correção de patinação;
Habilidade do maquinista.
Saliente-se que o efeito de transferência de peso, é também conhecido como efeito de
cabragem. Em tração, por exemplo, quando uma locomotiva ou carro motriz de peso bem
49
distribuído está estacionado, todos os seus eixos estão recebendo a mesma quantidade de
carga.
Todavia, quando o veículo motriz está puxando uma composição, o centro de gravidade do
veículo tende a se deslocar para trás, e em conseqüência o eixo líder de cada truque tende a
empinar, transferindo parte de sua carga para os outros eixos do truque.
3.6.2.3. Efeitos da Perda de Aderência
Em um veículo ferroviário, a aderência tanto poderá ser afetada durante a tração (patinação),
como na frenagem (deslizamento).
Assim, na tração são passíveis de ocorrer os seguintes defeitos:
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;
Sobre-aquecimento súbito das rodas, com conseqüências graves.
Já na frenagem pode existir deslizamento, aumentando as distâncias de parada e causando
covas (ou calos) nas superfícies de rolamento das rodas e sobre-aquecimento; sendo que este
último pode ser responsável pelo aparecimento de defeitos térmicos (e mecânicos) nas rodas e
nos trilhos.
As covas (calos) nas rodas são causadoras de diversos problemas, tais como:
Defeitos nos comutadores dos motores de tração;
Trepidações, aumentando os “movimentos parasitas” e, por conseguinte, diminuindo o
nível de aderência;
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.
50
3.6.2.4. Níveis de Aderência adotados para Tração
Na partida adotam-se níveis de aderência de 25% a 35%, enquanto que com o trem em
marcha os valores variam de 20% a 26%.
Observe-se, ainda, que os coeficientes de aderência maiores correspondem a veículos
equipados com eficientes sistemas de detecção e correção de patinação. Por outro lado,
veículos equipados com motores de tração a corrente alternada, podem obter níveis de
aderência superiores a 45% na partida e cerca, de 36% em marcha.
3.6.3. Resistência ao Movimento
3.6.3.1.Introdução
O termo resistência ao movimento, ou resistência do trem; pode ser definido como uma força
que está constantemente retardando o trem. Esta força é uma resultante do somatório de várias
forças que se opõem à movimentação do trem; entre as quais, as seguintes:
Atrito nas mangas dos eixos dos rodeiros;
Atrito pelo contato roda/trilho, e pelos frisos das rodas;
Resistência do ar;
Peso do veículo;
Características da Via Permanente (ou de Rolamento);
Movimentos parasitas dos veículos;
Resistência causada por ventos, principalmente ventos laterais;
E quaisquer outras perdas aplicáveis durante o tráfego.
51
3.6.3.2.Resistência na Partida
A resistência na partida, mesmo em um trecho plano, em tangente, pode ser bastante elevada,
principalmente se o trem tiver permanecido parado durante um tempo longo.
Os valores adotados variam de ferrovia para ferrovia. Na realidade, vários fatores exercem
influência nessa resistência, entre os quais: trem esticado ou trem encolhido (folgas entre
carros já esticadas ou não), consistência da graxa dos rolamentos das mangas dos eixos, tipos
dos mancais (de rolamentos ou de escorregamento), suspensão do veículo, condições
atmosféricas, etc.
3.6.3.3.Resistência de Rampa
O que é denominado rampa ferroviária, é a quantidade de metros que os trilhos se elevam em
uma extensão de 100 metros. A resistência de uma rampa de 1% (elevação de 1m em 100m de
extensão) é 10kgf/tf, ou seja, rampa é a quantidade de metros em que a Via se eleva (rampa
ascendente), ou baixa (rampa descendente), indicada em porcentagem.
Se em um trecho de via ferroviária de 100m de extensão os trilhos subirem (ou descerem) 1m,
ter-se-á uma rampa de 1%. Por causa da ação da gravidade, cada 1% de rampa ascendente
representa uma resistência ao movimento de 10kgf/tf. Assim, um trem pesando 24.540tf,
trafegando em uma rampa ascendente de 0,4%, sofre uma resistência de: [24.540 (t) x 0,4 (%)
x 10 (kgf/tf)] = 98.160kgf; e, em cada 1% de rampa descendente, o trem sofre uma aceleração
de 10kgf/tf.
Nos cálculos de frenagem em rampa descendente, deve ser examinado o perfil do trecho
quanto à existência de curvas e os seus raios, pois, em frenagem, enquanto a gravidade está
acelerando, as curvas estão desacelerando o trem.
A resistência/aceleração nas rampas independe da velocidade.
52
3.6.3.4.Resistência das Curvas
No Sistema Métrico as curvas são designadas em “graus 20”, ou pelo raio de curvatura dos
trilhos, em metros. Um grau 20 é equivalente a um raio de 1.146m. Na América do Norte
(norma AAR), 1° (um grau) equivale a uma curva de 5.729 pés de raio (1.746m); e a
resistência de 1° é 0,8lbf/tf (0,363kgf/tf), para uma bitola de 1.435mm.
No Brasil, algumas ferrovias simplesmente converteram este valor de resistência para poder
ser aplicado ao grau 20, nas duas bitolas de nossas ferrovias (1.000mm e 1.600mm). Isto
resulta em uma resistência de 0,6kgf/tf para 1°.
3.6.3.5.Rampa Compensada
No passado, quando ocorria uma curva em uma rampa, para que o valor da resistência total
fosse um só (rampa mais curva), calculavam-se os valores das duas resistências
separadamente. Assim, um trecho em uma rampa não compensada ascendente, com
inclinação de 1%, teria uma resistência de rampa de 10kgf/tf.
Considera-se que 1° (um grau) de curvatura, oferece a mesma resistência que uma rampa
0,6%. Isso é denominado rampa equivalente de uma curva.
Como nem sempre todo o trem está dentro da curva, tem-se que estabelecer um valor médio
para um trecho com várias curvas.
3.6.4. Frenagem
Se a ferrovia veio acelerar a revolução industrial, a invenção de um sistema de freio veio
acelerar o desenvolvimento da ferrovia, pois antes de sua existência, os trens trafegavam a
velocidades baixíssimas. Para ilustrar esse fato, é bom lembrar que durante os primeiros anos
da ferrovia na Inglaterra, um decreto real exigia que uma pessoa montada a cavalo andasse na
frente do trem, com uma bandeira e uma corneta, para prevenir acidentes [37]
.
53
Em um caminhão pesado tem-se o freio de atrito, que pode ser suplementado pelo
denominado freio motor. Na ferrovia, pode-se ter:
Freio de atrito independente, nas locomotivas;
Freio de atrito automático, nas locomotivas, vagões de carga e carros de passageiros;
Freio elétrico dinâmico, reostático e regenerativo, em veículos com motores de tração;
Freios controlados por computador em locomotivas e Trens-Unidade-Elètrica (TUE) e
de subúrbio;
Freio hidrodinâmico, nas locomotivas diesel - hidráulicas;
Freio a corrente de Foucault (corrente parasita), em casos específicos;
Freio magnético de trilhos, também em casos específicos.
Nota-se a vantagem da ferrovia sobre a rodovia, pois no caso do freio regenerativo ou
recuperativo a energia é recuperada; os motores de tração são convertidos em geradores e
realimentam a rede elétrica.
Os freios a ar de uma locomotiva, VLT (Veículo Leve sobre Trilho), trem de subúrbio ou
metrô; podem ser controlados pneumaticamente ou através de micro-processadores, com
aplicação através de sistema eletro-pneumático.
Nos vagões de carga antigos, existe apenas o sistema de freio pneumático, mas já existem
novos sistemas elétricos, eletro-pneumáticos e hidro-eletro-pneumáticos em desenvolvimento.
Convém salientar que:
O equipamento de freio de uma locomotiva e de um carro motriz, além do seu próprio
freio, comanda também o sistema de frenagem de toda a composição;
Normalmente, no caso de locomotivas, os freios dos vagões é que param o trem.
Nos Trens-Unidade de subúrbio e metrô, o sistema de frenagem pneumático, eletro-
pneumático ou eletrônico dos seus carros, é atuado a partir da cabine de condução, sendo dali
enviados sinais pneumáticos ou elétricos às válvulas de controle de freio, as quais então
liberam ar para os cilindros de freio dos carros da composição, como mostrado
esquematicamente na Figura 3.17.
54
A partir do esquema da Figura 3.18, pode-se notar que tanto os valores de Fs – força nas
sapatas, e Fr – força de frenagem, como os valores do peso por roda, e Fa – força de atrito
máxima para que não ocorra deslizamento, estão diretamente relacionados.
Em todos os casos, o fator que os relaciona é o coeficiente de atrito entre as superfícies onde
estão aplicados.
No primeiro caso, o coeficiente de atrito entre a sapata e a roda, multiplicado pelo valor de Fs ,
dá o valor de Fr ; e no segundo, o coeficiente de atrito entre a roda e a superfície do trilho
multiplicado pelo peso a que está submetida cada roda do veículo ferroviário, dá o valor de Fa
– máximo [17]
.
Figura 3.17 - Esquema típico de Freio Pneumático e Eletro – Pneumático
de Veículos Ferroviários [37]
55
3.6.4.1. Força de Frenagem (Ff )
A força gerada pela pressão dos cilindros de freio é transmitida às sapatas de freio através de
um sistema de alavancas e tirantes, chamado de timoneria de freio (Figura 3.18). Esse
conjugado de alavancas produz uma relação de força que, multiplicada pelo rendimento da
timoneria (η) e pela força transmitida pelos cilindros de freio, resulta na força de frenagem ou
força das sapatas de freio (ou pastilhas, em caso de freio a disco) [37]
.
Chama-se força de frenagem à força que comprime as sapatas de freio contra as rodas (força
normal entre sapata-roda) ou contra os discos de freio. A força de frenagem é teoricamente
igual à força produzida pelo cilindro de freio multiplicado pela relação da timoneria, pelo
cilindro do bloco do freio (ou pelas pinças dos discos de freio) [37]
.
F f = P x A x R x E x N (3.1)
Figura 3.18- Forças que agem nas Rodas durante uma frenagem [37]
56
em que:
P : pressão no cilindro de freio (MPa);
A : área do pistão do cilindro de freio (cm2);
R : coeficiente de multiplicação da timoneria;
E : eficiência da timoneria (%);
N : número de cilindros de freio.
3.6.4.2. Taxa de Frenagem (Tf)
A taxa de frenagem é o resultado da divisão da força de frenagem pelo peso do veículo.
Exprimindo a taxa de frenagem em porcentagem chega-se a:
Tf = (Ff x 100) / Pv (3.2)
em que:
Tf : taxa de frenagem (%);
Ff : força de frenagem (kN);
Pv : peso do veículo (kN).
Devido às normas de intercâmbio de veículos entre as várias ferrovias, os vagões de carga,
devem seguir certas normas para que a força de retardamento ao longo do trem, isto é, a
frenagem do trem, seja tão uniforme quanto possível.
Para os trens metropolitanos, o cálculo da frenagem é elaborado a partir da taxa de
desaceleração adotada pela operadora, que a estipula em função do desempenho operacional
planejado e do conforto e segurança do usuário. As pressões nos cilindros de freio não são,
portanto pré-determinadas, variando em função do peso do veículo, do tipo de timoneria e do
sistema de freio adotado [37]
.
57
3.6.4.3. Força de Desaceleração
A força de desaceleração é a que vai parar o trem, sendo igual ao produto da força de
frenagem real pelo coeficiente de atrito entre a sapata de freio ou pastilha (sapatilha) de freio
e a roda ou disco:
Fd = Ff x µ (3.3)
em que:
Fd : força de desaceleração (kN);
Ff : força de frenagem (kN);
µ : coeficiente de atrito entre sapata de freio e roda.
Normalmente a força de desaceleração aplicada em um veículo deve ser igual ou inferior ao
valor de aderência ou força adesiva, que é o peso do veículo multiplicado pelo coeficiente de
atrito entre a roda e o trilho[37]
:
Fd ≤ Pv x φ ou Ff x μ ≤ Pv x φ (3.4)
em que:
Fd : força de desaceleração (kN);
Ff : força de frenagem (kN);
Pv : peso do veículo (kN);
μ : coeficiente de atrito sapata de freio - roda
φ : coeficiente de atrito roda - Trilho.
3.6.4.4.Taxa de Desaceleração (δ)
δ = (Tf x μ x g) / 100 (3.5)
em que:
δ : taxa de desaceleração(%);
Tf : taxa de frenagem (%);
μ : coeficiente de atrito da sapata com a roda
g : aceleração da gravidade (m/s2).
58
Observa-se que a força de aderência tem que ser maior ou igual à força de desaceleração, caso
contrário, as rodas do trem deslizarão.
3.6.5. Efeito das Massas Girantes
Um fator que afeta sensivelmente o nível de aderência dos veículos ferroviário é o efeito
causado pela transferência de peso dos equipamentos dos Vagões, Carros de Passageiros e
Locomotivas.
Esse efeito é também conhecido como efeito de cabragem. Em alguns tipos de veículos as
forças geradas por esse efeito, devem ser rigorosamente determinadas antes de serem feitos os
cálculos de frenagem, para se saber o exato nível de aderência que se poderá contar nas
acelerações e desacelerações.
Vários são os fatores que influem no cálculo do efeito de cabragem, entre os quais:
Taxa de desaceleração;
Distância entre centros dos truques, que é a estrutura metálica que suporta a caixa do
vagão e contém as rodas;
Altura do centro de gravidade acima do pino central (pião), que prende a caixa no
truque;
Peso total do carro (vazio e carregado);
Forças de reação horizontais nos aparelhos de choque e tração, que fazem a ligação
entre os carros;
Tipo de suspensão;
Peso dos truques, motores de tração, engrenagens, eixos e rodas.
Mesmo as condições atmosféricas e dos trilhos, são capazes de influenciar esses fatores.
59
Na prática ferroviária norte-americana, o efeito de cabragem para fins de cálculo da frenagem
só é considerado em trens de subúrbio e metrôs. Isso porque os níveis de aceleração e
desaceleração nesses veículos são bastante elevados.
O efeito de cabragem também não é considerado ao se calcular os freios de uma locomotiva.
Como se sabe, é prática comum aliviar-se o freio da locomotiva mantendo-se os freios do
trem aplicados, durante as operações normais de frenagem. Deste modo, os freios das
locomotivas só são usados nas manobras (freio independente) ou nas paradas de emergência.
3.6.6. Freio Dinâmico
O freio dinâmico tem inúmeras vantagens:
Dá maior segurança à operação, mantendo os freios carregados e prontos para serem
utilizados quando necessário;
Diminui a carga térmica nas rodas dos vagões; economiza ar comprimido e, por isso, a
potência para acionar os compressores;
Representa uma grande economia em sapatas de freio, em rodas das composições.
Para aplicar o freio dinâmico, a ação do maquinista estabelece condições de variar o campo
independente do gerador principal. O gerador principal passa a excitar os campos dos motores
de tração, todos estes campos ligados em série.
A movimentação da alavanca de controle do freio dinâmico irá variar a corrente de excitação
dos motores de tração e isto é observado no amperímetro de carga. Quanto maior for a
corrente de excitação, maior será o campo magnético gerado pela passagem dessa corrente.
Como os motores estão sendo girados pelo contato roda/trilho, aparece uma força eletro-
motriz induzida nas armaduras destes motores. A armadura de cada motor está ligada às
resistências de dissipação. Isto faz aparecer uma corrente de armadura que dá origem a um
campo magnético (campo transversal), cuja polaridade fica defasada dos pólos indutores.
60
A rotação da armadura faz com que os pólos induzidos e indutores de mesmo nome se
aproximem. Isto provoca o aparecimento de uma força de repulsão magnética que, transferida
ao eixo da armadura, é chamada de força de frenagem elétrica ou força do freio dinâmico.
A energia elétrica gerada nas armaduras dos motores de tração, agora transformados em
geradores por causa deste fenômeno, será dissipada pelas grades de resistência do freio
dinâmico. Na maioria das locomotivas estas grades são esfriadas por um soprador alimentado
pela corrente gerada pelo freio dinâmico; e nos Trens Unidades Elétricas (TUE’s) são
colocadas no teto ou sob – estrado para resfriamento pelo ar atmosférico durante o
deslocamento [37]
.
61
4. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
Investigou-se o sistema roda ferroviária – sapata de freio de composição, usadas pela CBTU-
METROBH nos trens de passageiros do sistema metroviário de Belo Horizonte.
4.1. Materiais
As rodas são monoblocos em aço, forjada e laminada, conforme norma AAR-M-107-80 Classe
“B” – MW – A – 38 e/ou ABNT A-965 – E – S; com diâmetro de 965 mm (38”), tipo múltiplo
uso, e contorno da superfície de rolamento conforme AAR – G4, desenho SGE/DM – 13 –16 –
00 e/ou ABNT CN – 24 PB – 422.
As sapata de freio têm composição não metálica, de médio coeficiente de atrito (0,27), sem
asbesto, para carros de passageiros, conforme ABNT - Projeto 06:200.01-001, Setembro/2001
e desenho CBTU nºGE-r023-0XX-001.
4.2. Equipamentos
Uma Balança Pesadora marca FILIZOLA, capacidade máxima de 15kg com precisão de 20g;
foi utilizada para verificação do peso das sapatas de freio ao término de cada intervalo do Teste
de Rodagem no Campo. Para verificação de danos localizados, das sapatas de freio e rodas, ao
término de cada intervalo do Teste de Rodagem no Campo, utilizou-se de uma lupa.
Uma Balança Eletrônica marca SARTORIUS, modelo BP-211D, com capacidade máxima para
210g, precisão de 0,01mg e com variabilidade de mg ≤ 0,05, foi usada para a pesagem dos
pinos durante o ensaio de Pino sobre Disco.
Na Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), empregou-se o sistema de microanálise -
Espectrômetro por Dispersão de Energia (EDS), fabricante JEOL, modelo JSM-T330A, para
micro-análise química semiquantitativa com aceleração de 25kV e tempo de aquisição de 60s,
62
o qual não detecta os elementos de número atômico menor do que 10 (H, He, Li, Be, B, C, N,
O, F, Ne). Ensaio realizado conforme Procedimento PP/CETEF/LAB/135 e 138 – SENAI-
MG/Itaúna.
Na microscopia ótica, empregou-se um Microscópio Ótico marca PME OLYMPUS, ampliação
de 50 a 1.000X, com Polaroid, tela de vidro fosco, câmera digital, acoplado a um monitor Sony
e color - vídeo printer Sony UP-250MD.
Para a análise química, empregou-se um Espectrômetro de Emissão Ótica marca
SPECTROLAB, modelo 8485/96.
Na medição da dureza Brinell, utilizou-se um Durômetro Óptico Motorizado, fabricante
REICHERTER, modelo 3.000D.
Para medição de microdureza, empregou-se um Microdurômetro Ótico WOLPERT V, modelo
Testor 2, carga de 10 a 10.000g, ampliação de 200 e 400X.
Para medição da rugosidade superficial dos discos usinados em material da roda ferroviária
utilizou-se um Rugosímetro marca TAYLOR – HOBSON, modelo SURTRONIC 37 - Padrão
de Referência Tipo 112/1534 – Rugosidade do Padrão : Ra = 6,0μm (236μin) – Medições do
Padrão: 6,00 / 6,02 / 6,04μm.
O equipamento utilizado para realização do ensaio de desgaste e atrito, é do tipo Pino sobre
Disco, segundo a norma ASTM G 99 – 95 a – Método de Teste Padrão para Teste de Desgaste
com Aparelho de Pino sobre Disco (Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-
Disk Apparatus), é de fabricação da empresa CSEM, Ref. Tribometer Pin on Disk – CH2000,
S/N-12-172. Foram utilizados, Software de Aquisição de Dados LABVIEW 5.0 e Placa de
Interface.
63
4.3. Metodologia
Análise química quantitativa, ensaio de dureza Brinell na superfície e núcleo, Microscopia
Ótica e Eletrônica de Varredura, do único tipo de roda ferroviária em utilização na CBTU-
METROBH, foram realizados nos laboratórios do SENAI/Itaúna-MG.
Os ensaios de campo, aqui tratados como Testes Preliminares e Complementares de Rodagem
no Campo, foram usados para estabelecer o comportamento das sapatas durante a vida útil. As
rodas e sapatas utilizadas nos testes de campo eram novas e foram retiradas do estoque ou de
lotes enviados pelos fornecedores para serem testados.
Foram investigadas sapatas de freio de composição, produzidas por três diferentes
fornecedores, cada qual adotando diferente formulação do compósito. Não foram realizados
ensaios de identificação do material, tendo sido transcritos os resultados de testes, contidos no
certificados de qualidade recebidos desses fornecedores, os quais foram acatados sem
comprovação.
Em laboratório, no CETEC-MG, procurou-se através do ensaio tribológico de Pino sobre
Disco, formular ou definir uma relação com os resultados do desempenho prático, obtido pelos
Testes de Rodagem no Campo.
Os materiais dos corpos de prova para a realização dos ensaios de Pino sobre Disco foram: os
pinos, do material de sapatas novas de cada fornecedor e os discos, do material de uma única
roda após o final de sua vida útil.
A sapata de freio do fornecedor “A”, foi submetida aos Testes Preliminares e Complementares
de Rodagem no Campo, Ensaios Preliminares e Complementares de Pino sobre Disco e
Ensaios Dinamométricos, realizados para as finalidades desta pesquisa.
A sapata de freio do fornecedor “B” foi submetida aos Testes e Ensaios Preliminares de Pino
sobre Disco e de Rodagem no Campo, e devido à indisponibilidade de sapatas desse
fornecedor, esse produto não foi submetido aos testes e ensaios complementares, por ser
grande o número de sapatas necessárias.
64
A sapata de freio do fornecedor “C” foi submetida aos ensaios e testes somente durante os
trabalhos complementares, por não estar disponível naquela ocasião.
Quanto ao Ensaio Dinamométrico, por questões econômicas, optou-se por ensaiar apenas a
sapata de freio do fornecedor “A”, que já havia sido submetida aos testes preliminares.
O objetivo da realização do Ensaio Dinamométrico foi tão somente o de confirmar que a sapata
do fornecedor “A”, atendia às especificações da Norma AAR M-926-92, usualmente utilizada
para aprovação em caso de desenvolvimento/aprovação inicial desse tipo de sapata de freio. No
capítulo de ANEXOS, estão registrados o Procedimento e os Resultados do Ensaio
Dinamométrico realizado na sapata de freio do fornecedor “A”, tendo sido avaliada como
aprovada.
No Capítulo de ANEXOS, está também registrado um Procedimento para garantir a eficácia do
ensaio tribológico de “Pino sobre Disco”, nestas aplicações propostas.
4.3.1. Ensaios e Testes Preliminares
4.3.1.1.Análises e Ensaios para Identificação do Material da Roda
Foram retiradas amostras de material de rodas ferroviárias, que haviam sido descartadas /
sucatadas pela CBTU-METROBH, devido ao término da vida útil durante o período dos testes
de campo iniciais. Também foram selecionadas rodas que apresentavam descontinuidades na
superfície de rolamento, para testes e ensaios de laboratório. A preparação / usinagem dos
Corpos de Prova foi feita nas Oficinas da própria empresa.
O objetivo da realização de Análise Química Quantitativa, Ensaio de Dureza Brinell na
superfície e núcleo, Microscopia Ótica e Eletrônica foi verificar a conformidade com as
características especificadas (previstas ou não na normalização) e proporcionar elementos para
comparação e justificação dos resultados dos demais ensaios e testes. Além disso, visou-se
avaliar e identificar os constituintes estruturais da roda e de algumas descontinuidades
superficiais, bem como inclusões verificadas no material da pista de rolamento, que vem
65
ocorrendo nas rodas ferroviárias da CBTU-METROBH, em especial na região de contato roda
- sapata.
Para os Ensaios Metalográficos, foram retiradas amostras das seções transversais de uma roda
representativa das que foram usadas nesse trabalho, na região mostrada na Figura 4.19. Foi
provocada uma fratura em cada amostra conforme indicado na Figura 4.20. Após linchamento
e polimento, parte das amostras teve a superfície polida atacada com reagente NITAL a 3%, e
juntamente com as amostras sem ataque, foram avaliadas por Microscopia Ótica e Microscopia
Eletrônica de Varredura.
Figura 4.19–Local de retirada de amostras na Pista de Rolamento das Rodas
Figura 4.20 - Amostras retiradas das Rodas Ferroviárias
66
4.3.1.2.Testes de Rodagem no Campo
Inicialmente, foram feitos testes preliminares no campo, em sapatas de freio de resina fenólica
(não-amianto) comercializadas por 02 (dois) fabricantes brasileiros, fornecedores A e B, as
quais foram retiradas aleatoriamente do estoque de peças novas da CBTU-METROBH
(companhia operadora do sistema metro-ferroviário da cidade de Belo Horizonte). As rodas
ferroviárias utilizadas nos testes tinham sempre o mesmo perfil inicial na superfície de
rolamento, mesmo material e processo de fabricação (conforme Norma AAR M 107–A 38 –
Classe B). Todas as rodas ferroviárias utilizadas eram novas e da mesma especificação padrão,
conforme Norma AAR M 107–A 38, Classe B. Os testes ocorreram entre Janeiro e Dezembro
de 2001.
O objetivo dos testes preliminares foi o de se obter um registro “inicial”, do comportamento
das sapatas de freio e rodas ferroviárias, em operação comercial normal na CBTU-METROBH;
sendo ao máximo fiel às condições reais de utilização.
Estes resultados preliminares dos testes no campo em Belo Horizonte foram comparados com
os resultados de Testes de Campo obtidos pela empresa operadora do sistema metro –
ferroviário da cidade de Porto Alegre – RS, a TRENSURB, os quais foram transcritos, cujos
trens têm as mesmas características que os de Belo Horizonte, descritas abaixo [30]
.
Esses testes foram realizados conforme procedimentos de execução cujos detalhes mais
relevantes são:
Sapatas de freio novas montadas nos carros de passageiros reboques (não motorizados);
Rodas ferroviárias novas;
Sem atuação de freio motor (dinâmico);
Sem ejeção de areia durante a frenagem;
Sem prévio assentamento das sapatas na roda;
As sapatas eram pesadas antes da instalação nos trens e após cada parada.
Em cada trem do sistema da cidade de Belo Horizonte existem 04 (quatro) carros de
passageiros, sendo 02 Carros Motores - (MA e MB); e 02 (dois) Carros Reboques (RA e RB).
67
Em cada um desses carros, existem 16 (dezesseis) posições diferentes de fixação de sapatas de
freio. A Figura 4.21 apresenta um esquema das posições de fixação de sapatas de freio nos
carros reboque (R), de uma composição do trem da CBTU-METROBH.
Assim, existem 64 posições de fixação de sapatas de freio, identificadas como se segue:
De 01MA até 16MA / 01MB até 16MB / 01RA até 16RA / 01RB até 16RB.
Neste trabalho, não foi realizado estudo do desgaste das sapatas de freio que são utilizadas nos
02 (dois) carros motores (MA e MB) dos trens, pois neles existe um sistema de freio
eletrodinâmico, o qual converte o motor em gerador durante a desaceleração, dissipando a
energia cinética sob a forma de calor e desta forma agindo como um freio.
Figura 4.21 - Desenho Esquemático das posições de fixação de Sapatas
nos Carros Reboque ( RA e RB )
16RA
02 RA 1 5RA
01 RA
14RA
04RA 1 3RA
03 RA
12RA
06 RA 11RA
05RA
10RA
08 RA 09RA
07 RA
08RB
10RB 07RB
09RB
06RB
12RB 05RB
11RB
04RB
14RB 03RB
13RB
02RB
16 RB 01RB
15RB
Carro Reboque RA Carro Reboque RB
68
Este é o motivo pelo qual nos carros motores, apenas após ter sido atingida a velocidade de
aproximadamente 2km/h na desaceleração, é desligado o freio eletrodinâmico e
automaticamente acionadas as sapatas de freio para frenagem até a parada do trem.
Por conseqüência, o desgaste das sapatas de freio nos carros motores, chega a ser 10 (dez)
vezes menor do que nos carros reboques, o que torna excessivamente demorado o estudo do
comportamento de sapatas de freio nos carros motores dos trens, em Testes de Rodagem no
Campo.
4.3.1.3.Ensaios de “Pino sobre Disco”
Utilizando-se de 03 (três) amostras de cada uma das sapatas de freio “A” e “B” usadas como
discos, e 06 (seis) amostras das rodas ferroviárias como pinos, foram realizados testes
tribológicos em configuração “Pino sobre Disco”, executados de acordo com a Norma ASTM
G99 – 95a, obedecendo-se as seguintes condições de teste:
As amostras foram pesadas antes do ensaio;
Carga normal de ensaio de 10N;
Velocidade do disco de 0,1m/s;
Diâmetro da trilha de 14mm;
Distância percorrida de 0 – 1.000m;
A cada 100m de ensaio os discos foram pesados, e trocados a cada 1000m.
4.3.2 Ensaios e Testes Complementares
4.3.2.1 Ensaios de “Pino sobre Disco”
Foram realizados testes de desgaste em Tribômetro “Pino sobre Disco” no LEMS, fazendo-se
os pinos do material da sapata de freio e os discos do material da roda ferroviária
(diferentemente dos testes preliminares, quando foi feito o inverso, ou seja, o disco com
amostra da sapata de freio e o pino com amostra da roda ferroviária), adotando-se parâmetros
de teste que permitissem a melhor similaridade possível com as condições práticas (ou de uso),
69
das sapatas de freio no contato com a roda ferroviária. Foram testadas sapatas de freio dos
fabricantes designados por “A”, “B” e “C”.
O objetivo foi o de estabelecer o desempenho e características das sapatas no Tribômetro “Pino
sobre Disco”, para comparações entre as mesmas.
O pino (retirado da sapata de freio de composição fenólica), constituiu-se de um cilindro de
6mm de diâmetro com ponta esférica (raio 3mm) e comprimento total de 10mm; fabricado por
processos de usinagem a frio e acabamento final por torneamento fino. Para fixação do pino ao
Tribômetro, foi confeccionado um suporte em alumínio pesando 15,53264g;
O disco (retirado da roda ferroviária em Aço ABNT 1060), constituiu-se de um disco de 80mm
de diâmetro e 8mm de espessura, com encaixe para fixação pela mesa do Tribômetro,
fabricado por processos de usinagem a frio e acabamento por fresamento com ferramenta
monocortante e com avanço de corte de 25mm/min e rotação de 645rpm.
A rugosidade superficial de cada disco utilizado nos ensaios foi verificada conforme ilustrado
na Figura 4.22 e registrado na Tabela 4.4.
Figura 4.22 – Desenho esquemático da medição da rugosidade do Disco
1
2
43
D1
D2
D1
D2
D1
D2
D1
D2
70
As condições e procedimentos de ensaio foram os seguintes:
Para cada disco, foram ensaiados 03 (três) pinos da mesma sapata (“A”, “B” ou “C”),
em trilhas sucessivas com diâmetros de 55mm / 60mm / 65mm;
Rotação do disco de 100rpm;
Carga normal constante sobre o pino de 10N;
A Temperatura ambiente variou de 22,4 a 25,1°C, e a Umidade Relativa do Ar variou
de 40 a 62%, durante a execução do ensaio;
Ambiente condicionado, com utilização de luva plástica e pincel para limpeza;
Distância percorrida no desgaste: Cada pino que esteve em contato com cada trilha (um
pino por trilha), percorreu a distância total de 1.800m, dividida em 06 (seis) percursos
de 300m;
A distância de 300m foi definida por corresponder ao percurso aproximado do trem
desde o início da aplicação da frenagem até a parada total, na grande maioria das
Tabela 4.4: Valor Médio da Rugosidade nos pontos da Figura 4.22
Pontos Direção Sapata "A" Sapata "B" Sapata "C"
Disco 3 (*) Disco 2 (*) Disco 1 (*)
D1 0,57 0,66 0,81
D2 0,44 0,33 0,78
D1 0,59 0,77 0,57
D2 0,46 0,53 0,45
D1 0,58 0,70 0,63
D2 0,50 0,65 0,50
D1 0,47 0,72 0,62
D2 0,49 0,69 0,56
1
2
3
4
71
aplicações de freio durante a operação comercial;
Não houve aplicação de lubrificante;
Lavagem dos discos com jato de água quente, e antes da utilização, limpeza com
flanela embebida em álcool comercial. Fixação do disco no Tribômetro, do qual só é
removido após execução do ensaio nas três trilhas;
Pesagem do pino depois de fixado no suporte de alumínio, de onde não é removido até
a totalização da distância do ensaio em cada trilha;
Fixação no equipamento do suporte contendo o pino, na posição vertical, a 90° em
relação à superfície do disco, sem a utilização de anel de borracha de amortecimento;
Regulagem do diâmetro da trilha desejada;
Fechamento da tampa isolante de acrílico do equipamento, e anotação da temperatura e
umidade relativa do ar do laboratório de ensaio;
Liberação da carga normal de ensaio;
Acionamento do motor que fará girar o disco, até atingir o número de rotações, que em
função do perímetro da trilha, irá completar a distância a ser percorrida, interrompendo
a rotação automaticamente;
Durante a rotação, o Software de Aquisição de Dados faz o registro da Força de Fricção
na freqüência de 05 (cinco) aquisições de valores, por cada segundo de ensaio (foi
considerada a média da força por segundo);
Ao término de cada percurso de 300m, é retirada a carga e o suporte onde está fixado o
pino; sendo feita a limpeza do pino com pincel (Atlas nº4 – Ref. 915), e a pesagem
utilizando balança eletrônica de precisão, sendo a leitura feita 05 (cinco) segundos após
apoio no prato da balança, por três vezes consecutivas (é considerada a média do peso);
Para iniciar novo percurso, é feita a limpeza da trilha em utilização no disco com outro
pincel, retirando as partículas soltas e novamente fixado o suporte contendo o pino no
equipamento, reiniciando todo o processo descrito.
4.3.2.2 Testes de Rodagem no Campo
No período de Setembro de 2002 a Junho de 2003, foram feitos novos Testes de Rodagem no
Campo, com sapatas de freio de resina fenólica (não-amianto) comercializadas pelo Fabricante
72
“A”, em 03 (três) trens novos, que estavam iniciando nessa época sua operação comercial na
CBTU-METROBH.
Sapatas de freio do Fabricante “C” foram testadas utilizando-se um trem já há algum tempo em
operação comercial, mas tendo rodas ferroviárias novas para todas as sapatas de freio em teste,
no período de Abril a Dezembro/2003.
Os trens utilizados nos testes são identificados na CBTU-METROBH como: TUE (Trem
Unidade Elétrica) + Número seqüencial de fabricação do trem. Assim, foram testados com
sapatas de freio do Fornecedor “A”, o TUE 23, o TUE 24 e o TUE 25; e com sapatas de freio
do Fornecedor “C” o TUE 10.
Todas as rodas ferroviárias utilizadas nos testes eram novas e tinham sempre o mesmo perfil
inicial na superfície de rolamento, mesmo material e processo de fabricação (conforme Norma
AAR M 107– Classe A 38).
O objetivo nesse período era o de obter-se um registro mais apurado do comportamento das
sapatas de freio e rodas ferroviárias na operação comercial normal da CBTU-METROBH,
reduzindo o quanto possível as variáveis de regulagem e condições operacionais entre os trens
utilizados nos testes. Estes resultados seriam comparados com o do desempenho das mesmas,
nos demais ensaios e testes realizados.
Cada trem circulou em média 7.000km por mês, e a pesagem das sapatas foi feita nas datas de
manutenção preventiva de cada trem, cuja periodicidade é de 35 a 45 dias corridos. O
Planejamento Operacional de Circulação de cada trem é feito de modo que todos os Trens
percorram aproximadamente a mesma quilometragem entre os períodos de manutenção
preventiva. Foi feita a pesagem das sapatas de cada trem, por 06 (seis) manutenções
preventivas consecutivas.
Foi considerado um peso inicial único para as sapatas de cada fornecedor, pois a variação
observada em uma pesagem de 20 sapatas de cada fornecedor, constatou uma variação de
± 20g, que corresponde à menor divisão da escala da Balança Pesadora, e a aproximadamente
0,4 % do peso médio das sapatas de cada fornecedor.
73
A perda total de massa (em gramas) verificada em cada sapata nas diversas posições de fixação
no trem (Ex.: 01RA, 16RB, etc.) durante os períodos considerados, foi dividida pela distância
percorrida pelo trem naquele período (em quilômetros), determinando-se assim o desgaste em
função da distância percorrida (g/km).
Nas datas de pesagem, as sapatas foram retiradas de cada posição de fixação no trem, somente
após estarem à temperatura abaixo de 50°C, e foram sopradas com pistola de ar comprimido
(0,68MPa) para retirada das partículas soltas. As sapatas de freio que durante o período de teste
se quebraram ou foram substituídas por motivos alheios aos objetivos dos testes, não foram
incluídas na compilação dos dados, sendo esse o motivo de não constarem em alguns dos
resultados, expressos nos gráficos traçados, todas as 16 posições possíveis de fixação de
sapatas em cada carro (RA ou RB).
74
5 RESULTADOS
5.1 Caracterização dos Materiais Testados
Foi realizada Análise Química e Ensaio de Dureza da roda em utilização, no laboratório do
SENAI-MG/CETEF, obtendo resultados dentro das especificações, conforme Tabelas 5.5 e
5.6.
Tabela 5.5 - Análise Química da Roda Ferroviária
Elemento Químico Carbono
( % )
Manganês
( % )
Silício
(% mín.)
Fósforo
( % máx )
Enxofre
( % máx )
Especificado 0,57– 0,67 0,60 – 0,85 0,15 0,05 0,05
Amostra “ 1 ” 0,65 0,74 0,33 0,025 0,046
Amostra “ 2 ” 0,59 0,69 0,27 0,025 0,031
Tabela 5.6 - Dureza Brinell (HB), da superfície e núcleo das Rodas
Local Ensaiado Superf. de Rolamento Núcleo
Especificado 227 a 341 HB 227 – 341 HB
Amostra 1 326 293
Amostra 2 331 302
Amostra 4 323 295
75
As Figuras 5.23, 5.24, 5.25 e 5.26, mostram os resultados dos Ensaios Metalográficos
utilizando a Microscopia Ótica, os quais objetivaram identificar os constituintes estruturais da
roda e de algumas descontinuidades superficiais e inclusões, verificadas no material da pista de
rolamento das rodas.
Figura 5.23 – Perlita predominante e Ferrita típica, Amostra 2642.
Nota-se a presença de inclusões típicas de Sulfeto.
Figura 5.24 – Perlita predominante e Ferrita típica, Amostra 2641.
Nota-se presença de inclusões típicas de Sulfeto
76
Figura 5.25– Perlita predominante e Ferrita típica, Amostra 2643.
Apresentando microdureza de 332HV 1/20 – foto lado esquerdo. Na superfície, presença de
constituinte refinado com microdureza 369HV 1/20. Junto à fenda típica de trinca, nota-se
presença de Martensita, apresentando microdureza de 758HV 1/20 – foto lado direito. Nota-
se presença de inclusões típicas de Sulfeto.
77
Figuras 5.26 a – Inclusões na Superfície da Roda.
Figuras 5.26 b – Inclusões na Superfície da Roda.
Nas duas Figuras, verifica-se presença de Inclusões Tipo “A” (Sulfetos), Série Grossa –
Grau 2, e Inclusões Tipo “D” (óxido globular) Série Fina – Grau 1. (Classificação de
Inclusões conforme norma ASTM E 45/1995).
78
Para os Ensaios Metalográficos utilizando o Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV),
foram retiradas amostras da roda na região mostrada na Figura 4.19, tendo sido provocada uma
fratura em cada amostra conforme indicado na Figura 4.20.
Alguns resultados relevantes ao MEV estão registrados em 05 (cinco) fotomicrografias
mostradas nas Figuras 5.27 a 5.31, e o resultado da Microanálise Eletrônica Química
Qualitativa e Semiquantitativa feita em pontos selecionados, como os do encontro das linhas
brancas ou dentro do quadrado branco das Figuras, esta registrada nas Tabelas 5.7 a 5.12.
Figura 5.27 – Fotografia da Amostra 2, polida com pasta de diamante
Tabela 5.7- Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Amostra 2,
polida com pasta de diamante
79
Figura 5.28– Fotomicrografia da Amostra 1, camada superficial
Tabela 5.8 - Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Amostra 1,
camada superficial
80
Tabela 5.9 - Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Amostra 1,
extremidade da fratura
Figura 5.29 - Fotomicrografia da Amostra 1, extremidade da fratura
81
Figura 5.30 – Fotomicrografia da Amostra 1, inclusões superficiais
Tabela 5.10 - Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Amostra 1,
de inclusões superficiais
82
Figura 5.31 - Fotomicrografia da Amostra 3, extremidade da fratura
Tabela 5.11 - Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Amostra 3,
extremidade da fratura
83
Foram pesquisados os tipos de falhas que ocorrem nas rodas ferroviárias em operação
comercial nos trens da CBTU – METROBH, tendo sido identificadas e fotografadas as que são
apresentadas nas Figuras 5.32, 5.33 e 5.34.
5.32-a) Spalling (Cavitação) 5.32-b) Thermal Shelling (Escamação)
Figuras 5.32-a e 5.32-b – Falhas Térmicas na Pista de Rolamento das Rodas
Tabela 5.12 - Resultados Qualitativos e Semiquantitativos da Região da Fratura
fora do defeito
84
Figura 5.33 – Falha Térmica em Roda – Thermal Crack (Trinca Térmica)
Figura 5.34 – Roda apresentando “calo” ou depressão.
Mostra uma das conseqüências do deslizamento prolongado da roda, que é a formação de
“calos”, ou mais exatamente depressões, que exige a imediata usinagem da roda.
85
Direcionados às sapatas de freio, para os fins desta dissertação, não foram realizados testes
para identificação de material ou comprovação das características das mesmas. No Brasil, as
Especificações e Padrões Técnicos para Aquisição de Sapatas de Freio de Composição pelas
operadoras ferroviárias, não incluem quaisquer exigências ou definições das matérias primas
que devem se utilizadas, exceto a exigência legal de não conter Amianto. São especificados
Ensaios Físico-Químicos e em Dinamômetro, de acordo com Métodos das Normas ABNT, e
também testes de desempenho a serem realizados nas próprias operadoras que verificam a
desaceleração obtida, a vida útil da sapata, problemas causados nas rodas, e estrutura da sapata
no que se refere a defeitos e odores.
Na Tabela 5.13, são apresentadas algumas das características e valores típicos para os Ensaios
Físico-Químicos normalmente especificados, e foram transcritos os resultados que constam dos
Certificados de Qualidade enviados pelos respectivos fornecedores.
Tabela 5.13 – Características das Sapatas de Freio “A”, “B” e “C”
Dureza GOGAN – Norma ABNT MB 1016 de Março/1991.
Sapata do
fornecedor "A"
Sapata do
fornecedor "B"
Sapata do
fornecedor "C"
- 80 70
60 - -
Características e valores
típicos
Peso específico (g/cm3)
Extração em acetona (%)
2,40
Resultados (*)
2,12 1,83
- 3,30 0,59
Espessura Média 58mm
Resistência a Compressão
(MPa)
Teor de cinzas (%)
Absorção em água (%)
Absorção em óleo (%)
Dureza SHORE "D" ou
Dureza GOGAN
59,00
0,10
0,12
-
-
-
-
0,25
-
58,00
-
-
58,50
-
Coeficiente de atrito: 0,27
Resistência ao Impacto Izod
(kJ/m2)
60,36
5,02
6,27
0,30
17,80
58,00
83,17
(*) Resultados transcritos dos Certificados de Qualidade do produto que acompanharam os lotes
de Sapatas
86
5.2 Resultados Preliminares
5.2.1 Testes de Rodagem no Campo
As Tabelas 5.14 e 5.15 contém os resultados do desempenho e evolução de desgaste e
degradação verificados nos testes de campo realizados no sistema metro – ferroviários de Belo
Horizonte. Nela estão também relacionados, os resultados dos testes de campo executados na
companhia operadora do sistema metro – ferroviário da cidade de Porto Alegre – RS, a
TRENSURB, os quais foram transcritos, para efeito de comparação [30]
.
Os testes de campo realizados em Porto Alegre, tiveram procedimento de execução diferente
dos de Belo Horizonte, pelo fato de que em Porto Alegre o desempenho das sapatas foi
verificado em um trecho retilíneo e plano da via de permanente (Linha), enquanto em Belo
Horizonte foi utilizado todo o trecho operacional durante a operação comercial normal do
sistema metro-ferroviário da cidade. Fora esse fator, os demais parâmetros para avaliação
comparativa do desempenho das sapatas “A” e “B” nos dois sistemas operacionais citados
podem ser considerados iguais, pois Trens têm características muito semelhantes, e as matérias
primas das rodas e das sapatas de freio utilizadas não se modificaram significativamente no
intervalo de tempo entre os testes.
Nas observações visuais com lupa, das sapatas “A” e “B” após os testes no campo, verificou-se
que em todas elas ocorreram trincas sem perda de material. Nas rodas verificou-se a presença
de pontos quentes, trincas térmicas e descoloração. Todos esses efeitos estão muito mais
acentuados na sapata “B” e respectivas superfícies de rodas.
87
Tabela 5.14 – Resultados de Desempenho das Sapatas de Freio testadas no Campo,
no período de Janeiro a Dezembro de 2001 em Belo Horizonte.
Operadoras
Características
TRENSURB – RS [30]
CBTU-METROBH
SAPATA
“A”
SAPATA
“B”
SAPATA
“A”
SAPATA
“B”
Volume de Material
de Desgaste (cm3)
1.795
1.445
1795
1.445
Desgaste (cm3/km)
0,021
0,045
0,016
0,017
Desgaste (g/km)
0,045
0,078
0,036
0,037
Utilização Máxima
Teórica, Projetada (km)
85476
32.111
112.187
85.000
Distância Percorrida
em Teste (km)
48.657
17.655
48.485
37.103
88
Tabela 5.15 – Avaliação macrográfica das superfícies de contato das Rodas
e das respectivas Sapatas de Freio nos Testes de Campo; com a utilização de Lupa
Operadoras
Características
TRENSURB - RS
CBTU-METROBH
SAPATA
“A”
SAPATA
“B”
SAPATA
“A”
SAPATA
“B”
Agressividade à Roda
Descoloração
por aquecer,
sem trincas, c/
pontos quentes
Muitas trincas
térmicas, c/
pontos quentes
e descoloração
por aquecer
Trincas térm.,
descoloração,
pontos quentes
Trincas térm.,
maior desgaste
da roda,
descoloração,
pontos quentes
Estrutura da Sapata
da Freio
Trincas centro
superior e inf.,
sem delocam.
de material
Sem
anormalidade
na
estrutura
Trincas centro
superior e inf.,
com fragmento
de roda
Trincas centro
superior e inf.,
com superfície
polida
As Figuras 5.35, 5.36 e 5.37 mostram a evolução do desgaste das sapatas do fabricante “A”,
em posições diversas, nos três trens de Belo Horizonte utilizados, TUE’s 02, 05 e 08, nos quais
cada grupo de sapatas indicadas percorreu quilometragens diferentes.
89
PARA 17056 km RODADOS
0,039
0,049
0,036
0,031
0,037
0,030
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
11RA 14RA 03RB 04RB 12RB 16RB
POSIÇÃO SAPATA "A" - TUE02
De
sg
as
te (
g/k
m)
Desgaste Médio : 0,037g/km - Desvio Padrão : 0,0068g/km
Figura 5.35 - Taxa de desgaste de Sapatas “A”, após 17.056km rodados,
em seis posições de fixação de Sapatas no TUE 02.
PARA 24983 km RODADOS
0,028
0,069
0,0390,042
0,026
0,020
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
08RA 10RA 12RA 08RB 11RB 13RB
POSIÇÃO SAPATAS "A" - TUE05
Des
gas
te (g
/km
)
Desgaste Médio : 0,037g/km - Desvio Padrão : 0,0175g/km
Figura 5.36 - Taxa de desgaste de Sapatas “A”, após 24.983km rodados ,
em seis posições de fixação de Sapatas no Trem - TUE 05.
90
A Figura 5.38 relaciona o desgaste (g/km) de sapatas do fabricante “B” em posições em um
mesmo trem – TUE 12; sendo 14 sapatas no carro RA e outras 14 sapatas no carro RB; depois
de percorrida a quilometragem de 37.103km.
PARA 48485 km RODADOS
0,033 0,0350,029
0,0460,039
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
01RA 02RA 03RA 07RA 10RA
POSIÇÃO SAPATA "A" - TUE08
Des
gas
te (
g/K
m)
Desgaste Médio: 0,036g/km - Desvio Padrão : 0,0064g/km
Figura 5.37 - Taxa de desgaste de Sapatas “A”, após 48.485km rodados,
em cinco posições de fixação de Sapatas no Trem - TUE 08.
91
5.2.2 Ensaios de “Pino sobre Disco”
Os Gráficos da Figura 5.39 relacionam os resultados obtidos nos Ensaios Preliminares de “Pino
sobre Disco”, registrando o desgaste provocado por um pino, retirado do material da roda,
sobre um disco, retirado do material das sapatas dos fornecedores “A” e “B”, respectivamente.
Desgaste Médio: 0,037g/km - Desvio Padrão: 0,0035g/km
Figura 5.38 – Taxa de desgaste de Sapatas “B”, após 37.103km rodados,
em vinte e oito posições de fixação de Sapatas no Trem – TUE 12.
92
DESGASTE x DISTÂNICA
SAPATA "A"
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Distância - m x 10(-2)
Des
ga
ste
g x
10
(-5
)
A1
A2
A3
DESGASTE x DISTÂNCIA
SAPATA "B"
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Distância - m x 10(-2)
De
sga
ste
g x
10
(-5
) B1
B2
B3
Figura 5.39 – Desgaste em Discos de Sapatas de Freio,
dos fabricantes “A” e “B”, durante os Ensaios Preliminares de “Pino Sobre Disco”.
5.3 Ensaios Complementares
5.3.1 Ensaios de “Pino Sobre Disco”
As Figuras 5.40, 5.41 e 5.42, mostram o desgaste das sapatas “A”, “B” e “C” respectivamente,
permitindo comparar linearmente o desgaste verificado em cada diâmetro de trilha do ensaio.
93
Desgaste Sapata "A" - comparativo entre três Trilhas
y = -0,0001Ln(x) + 0,0006
y = -0,0003Ln(x) + 0,0008
y = -0,00001Ln(x) + 0,00019
0,0000
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
0,0014
300
600
900
1200
1500
1800
Distância (m)
De
sg
as
te (
g/k
m)
"A"-100rpm-55d
"A"-100rpm-60d
"A"-100rpm-65d
Log. ("A"-100rpm-55d)
Log. ("A"-100rpm-60d)
Log. ("A"-100rpm-65d)
Figura 5.40 –Taxa de Desgaste x Distância Percorrida, Sapata “A”.
Desgaste da Sapata "B" - comparativo entre três Trilhas
y = -0,0003Ln(x) + 0,001
y = -0,0004Ln(x) + 0,0012
y = -0,0004Ln(x) + 0,0013
0,0000
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
0,0014
300
600
900
1200
1500
1800
Distância (m)
De
sg
as
te (
g/k
m)
"B"-100rpm-55d
"B"-100rpm-60d
"B"-100rpm-65d
Log. ("B"-100rpm-55d)
Log. ("B"-100rpm-60d)
Log. ("B"-100rpm-65d)
Figura 5.41–Taxa de Desgaste x Distância Percorrida, Sapata “B”.
94
Os 03 (três) gráficos das Figuras 5.40, 5.41 e 5.42 foram montados a partir das Taxas de
Desgaste (perda de massa) verificados nos pinos fabricados com o material das sapatas “A”,
“B” e “C”, obtidos no ensaio de Pino sobre Disco.
Na interpretação da Figura 5.40, que pode ser estendida para as Figuras 5.41 e 5.42, vemos na
ordenada a informação de que os Pinos, todos usinados com o material da Sapata “A”, foram
pesados a cada 300m até atingir 1.800m de distância percorrida no ensaio. Na ordenada, temos
os valores de desgaste (perda de massa) verificados nos Pinos, em gramas, projetados para uma
distância de 01 (um) quilômetro, para permitir uma comparação com o desgaste obtido nos
Testes de Campo, os quais foram computados também na unidade de gramas por quilômetro
percorrido (g/km).
Nos 03 (três) Gráficos, a variação da altura das colunas (03 em cada distância percorrida de
300mm), representa a influência dos diâmetros das Trilhas de Rotação (55d, 60d e 65d –
correspondentes aos diâmetros de 55mm, 60mm e 65mm, respectivamente), sobre o desgaste
dos Pinos, todos feitos com o material da Sapata “A”.
Desgaste Sapata "C" - comparativo entre três Trilhas
y = -0,000086Ln(x) + 0,000393
y = -0,000002Ln(x) + 0,000316
y = -0,000144Ln(x) + 0,000600
0,0000
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
0,0014
300
600
900
1200
1500
1800
Distância (m)
De
sg
as
te (
g/k
m)
"C"-100rpm-55d
"C"-100rpm-60d
"C"-100rpm-65d
Log. ("C"-100rpm-55d)
Log. ("C"-100rpm-60d)
Log. ("C"-100rpm-65d)
Figura 5.42–Taxa de Desgaste x Distância Percorrida, Sapata “C”.
95
Aplicando-se a função logarítmica, foi obtida uma representação linear do desgaste, permitindo
visualizar e comparar a tendência/perfil do desgaste dos Pinos nos 03 (três) diferentes
diâmetros de trilhas percorridos.
Nas Figuras 5.41 e 5.42, são mostradas as mesmas constatações com relação às Sapatas “B” e
“C”, respectivamente.
As Figuras 5.43, 5.44 e 5.45 mostram em mesmos gráficos, o desgaste das Sapatas “A”, “B” e
“C”, verificado em cada diâmetro de trilha do ensaio, permitindo comparar linearmente o
desgaste das Sapatas dos três fornecedores.
Gráfico comparativo Sapatas "A", "B" e "C" na Trilha 55d
y = -0,00014Ln(x) + 0,00057
y = -0,00009Ln(x) + 0,00039
y = -0,00027Ln(x) + 0,00096
0,0000
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
0,0014
300
600
900
1200
1500
1800
Distância (m)
Des
gas
te (g
/km
)
"A"-100rpm-55d
"C"-100rpm-55d
"B"-100rpm-55d
Log. ("A"-100rpm-55d)
Log. ("C"-100rpm-55d)
Log. ("B"-100rpm-55d)
Figura 5.43 - Desgaste x Distância Percorrida – Trilha 55d.
Sapatas “A”, “B” e “C”, para uma trilha de 55mm de diâmetro.
96
Gráfico comparativo Sapatas "A", "B" e "C" na Trilha 60d
y = -0,00038Ln(x) + 0,00120
y = -0,00025Ln(x) + 0,00082
y = -0,00000Ln(x) + 0,00032
0,0000
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
0,0014
300
600
900
1200
1500
1800
Distância (m)
Des
gas
te (
g/k
m)
"A"-100rpm-60d
"C"-100rpm-60d
"B"-100rpm-60d
Log. ("B"-100rpm-60d)
Log. ("A"-100rpm-60d)
Log. ("C"-100rpm-60d)
Figura 5.44 - Desgaste x Distância Percorrida – Trilha 60d
Sapatas “A”, “B” e “C”, para uma trilha de 60mm de diâmetro.
Gráfico comparativo Sapatas "A", "B" e "C" na Trilha 65d
y = -0,00040Ln(x) + 0,00128
y = -0,00014Ln(x) + 0,00060
y = -0,00001Ln(x) + 0,00019
0,0000
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
0,0014
300
600
900
1200
1500
1800
Distância (m)
Des
gas
te (
g/k
m)
"A"-100rpm-65d
"C"-100rpm-65d
"B"-100rpm-65d
Log. ("B"-100rpm-65d)
Log. ("C"-100rpm-65d)
Log. ("A"-100rpm-65d)
Figura 5.45 – Desgaste x Distância Percorrida – Trilha 65d
Sapata “A”, “B” e “C”, para uma trilha de 65mm de diâmetro.
97
Os 03 (três) gráficos das Figuras 5.43, 5.44 e 5.45, foram montados a partir dos valores de
desgaste (perda de massa) verificados nos pinos fabricados com o material das Sapatas “A”,
“B” e “C”, obtidos no ensaio de Pino sobre Disco, para um mesmo diâmetro de Trilha,
respectivamente 55mm, 60mm e 65mm.
Assim, na Figura 5.43, cuja interpretação pode ser estendida para as Figuras 5.44 e 5.45, vemos
na ordenada a informação de que os pinos feitos com o material das Sapatas “A”, “B” e “C”,
foram pesados a cada 300m até atingir 1.800m de distância percorrida no ensaio. Na ordenada,
temos os valores de desgaste (perda de massa, em gramas) verificados nos pinos, projetados
para uma distância de 01 (um) quilômetro, para permitir uma comparação com o desgaste
obtido nos Testes de Campo, os quais foram computados também na unidade de gramas por
quilômetro percorrido (g/km).
Em cada um dos três gráficos, está representada pela altura das colunas (03 em cada distância
de 300mm, a 100rpm), a variação do desempenho da Sapata de cada fornecedor ao longo da
trilha de rotação de 55mm de diâmetro.
Aplicando-se a função logarítmica, foi obtida uma representação linear do desgaste, permitindo
visualizar e comparar a tendência/perfil do desgaste dos Pinos de cada Sapata (“A”, “B” e “C”)
no diâmetro de 55mm da trilha percorrida por cada um.
Nas Figuras 5.44 e 5.45, são mostradas as mesmas constatações com relação às Sapatas “B” e
“C”, respectivamente.
Comparando-se o desgaste total em gramas (g), verificado nos Pinos de cada Sapata “A”, “B” e
“C”, em função da distância total percorrida por todas elas em metros (1.800m), foi constatada
a seguinte proporção:
- O Pino da Sapata “A” se desgastou na proporção de 57% do desgaste do Pino da Sapata “B”;
- O Pino da Sapata “A” se desgastou na proporção de 96% do desgaste do Pino da Sapata “C”;
- O Pino da Sapata “C” se desgastou na proporção de 59% do desgaste do Pino da Sapata “B”.
98
5.3.2 Testes de Rodagem no Campo
Nas Figuras 5.46, 5.47, 5.48 e 5.49, são mostrados os gráficos do Desgaste de todas as Sapatas
“A” e “C”, as quais chegaram ao final do teste em cada Trem, nos períodos e posições
indicadas:
Posições Sapatas “A” - TUE 23
Figura 5.46- Evolução do Desgaste de Sapatas “A”, no Campo - TUE 23
DESGASTE DAS SAPATAS "A" TUE 23 - SETEMBRO DE 2002 A JUNHO DE 2003
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0,090
01RA
02RA
03RA
04RA
05RA
06RA
07RA
08RA
09RA
10RA
11RA
13RA
14RA
15RA
16RA
01RB
02RB
03RB
04RB
05RB
07RB
08RB
09RB
10RB
11RB
12RB
13RB
14RB
15RB
16RB
Des
gas
te g
/km
28/10/02
10/12/02
27/01/03
06/03/03
23/04/03
04/06/03
99
Posições Sapatas “A” - TUE 24
Figura 5.47- Evolução do Desgaste de Sapatas “A”, no Campo - TUE 24
Posições Sapatas “A” - TUE 5
Figura 5.48 – Evolução do Desgaste de Sapatas “A”, no Campo – TUE 25
DESGASTE DAS SAPATAS "A" TUE 24 - OUTUBRO DE 2002 A JUNHO DE 2003
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0,090
01RA
02RA
03RA
04RA
05RA
06RA
07RA
08RA
09RA
10RA
11RA
12RA
13RA
14RA
15RA
16RA
01RB
03RB
04RB
05RB
06RB
07RB
08RB
09RB
10RB
11RB
12RB
13RB
14RB
16RB
de
sg
as
te g
/km
29/10/02
11/12/02
28/01/03
10/03/03
25/04/03
05/06/03
DESGASTE DAS SAPATAS "A" TUE25 - OUTUBRO DE 2002 A JUNHO DE 2003
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0,090
01RA
02RA
03RA
04RA
05RA
06RA
07RA
08RA
09RA
10RA
11RA
12RA
01RB
02RB
03RB
04RB
05RB
06RB
07RB
08RB
09RB
10RB
11RB
12RB
13RB
14RB
15RB
16RB
De
sg
as
te g
/km 30/10/02
12/12/02
29/01/03
11/03/03
29/04/03
06/06/03
100
Durante o período de testes foram trocadas sapatas por uma vez em todas as posições de
fixação nos TUE’s 23 E 24, e assim o perfil de desgaste levantado representou o desgaste de 02
(duas) sapatas “A”. No TUE 25, em 80% das posições de fixação ocorreu o desgaste de 02
(duas) sapatas, e em 20% das posições ocorreu o desgaste de 03 (três) sapatas “A”. No TUE 10
Em 70% das posições de fixação ocorreu o desgaste de 02 (duas) sapatas, e em 30% das
posições ocorreu o desgaste de 03 (três) sapatas “C”.
Nenhuma dessas posições foi descartada do acompanhamento, por representar a realidade da
utilização das sapatas. De fato, sendo essa a condição normal de utilização das sapatas de freio
nos trens, sempre haverão sapatas novas sendo colocadas em operação, influenciando o
resultado geral de desgaste das demais sapatas. Para obter-se o perfil de desgaste especifico de
cada sapata, foram traçados gráficos mostrando o desgaste de cada uma durante seu período de
utilização. Os gráficos representados nas Figuras 5.50 a 5.58 mostram o agrupamento de perfis
de desgaste de sapatas de um mesmo trem durante o período de testes.
Posições Sapatas “C” – TUE 10
Figura 5.49- Evolução do Desgaste de Sapatas “C”, no Campo - TUE 10
DESGASTE DAS SAPATAS "C" TUE 10 - FEVEREIRO A DEZEMBRO DE 2003
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0,090
01RA
02RA
03RA
04RA
05RA
06RA
07RA
08RA
09RA
10RA
11RA
12RA
13RA
14RA
15RA
16RA
03RB
04RB
05RB
06RB
07RB
08RB
09RB
10RB
11RB
12RB
13RB
14RB
15RB
16RB
de
sg
as
te g
/km 12/05/03
25/06/03
04/08/03
17/09/03
29/10/03
09/12/03
101
Desgaste de Sapatas "A" no TUE23 - dezembro a junho de 2003
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0,090
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Quilômetros rodados (km)
De
sg
as
te (
g/k
m)
01RA 02RA 03RA 13RA 14RA 15RA
TUE - Trem Unidade Elétrica
Figura 5.50 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 23
Desgaste de Sapatas "A" no TUE23 - janeiro a junho de 2003
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0,090
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Quilômetros rodados (km)
De
sg
as
te (
g/k
m)
04RA 05RA 08RA 16RA 02RB 04RB 05RB 13RB 11RB 15RB 16RB
TUE - Trem Unidade Elétrica
Figura 5.51 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 23
102
Desgaste de Sapatas "A" no TUE23 - janeiro a junho de 2003
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0,090
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Quilômetros rodados (km)
De
sg
as
te (
g/k
m)
06RA 07RA 10RA 11RA 01RB 03RB 07RB 10RB
TUE - Trem Unidade Elétrica
Figura 5.52 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 23
Nas Figuras 5.50 a 5.58 a abscissa dos gráficos, sob a indicação de “Quilômetros Rodados
(km)”, tem o ponto 0 (zero) significando o início de contagem da quilometragem de utilização
das sapatas, e a traçagem dos gráficos se inicia na quilometragem em que foi feita a primeira
verificação do desgaste (pesagem) das mesmas e a última, significando a pesagem na data da
retirada das mesmas do trem (fim de vida útil).
103
Desgaste Sapata "A" no TUE 24 - outubro de 2002 a junho de 2003
Carro Reboque RB
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Quilômetros rodados (km)
De
sg
as
te (
g/k
m)
01RB 03RB 04RB 05RB 07RB 08RB 10RB 12RB 13RB 14RB 16RB
TUE - Trem Unidade Elétrica
Figura 5.54 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 24
Desgaste Sapatas "A" no TUE 24 - outubro de 2002 a junho de 2003
Carro Reboque RA
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Quilômetros rodados (km)
De
sg
as
te (
g/k
m)
1RA 2RA 3RA 4RA 5RA 6RA 7RA 8RA 9RA
10RA 11RA 12RA 13RA 14RA 15RA 16RA 1RA1 2RA1
7RA1 9RA1 14RA1
TUE - Trem Unidade Elétrica
Figura 5.53 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 24
104
Desgaste de Sapatas "A" no TUE25 - setembro de 2002 a abril de 2003
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Quilômetros rodados (km)
De
sg
as
te (
g/k
m)
01RA 04RA 05RA 08RA 09RA 10RA 01RB 02RB 03RB 04RB
05RB 07RB 08RB 13RB 14RB 15RB 16RB
TUE - Trem Unidade Elétrica
Figura 5.56- Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 25
Desgaste de Sapatas "A" no TUE25 - setembro de 2002 a abril de 2003
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Quilômetros rodados (km)
De
sg
as
te (
g/k
m)
02RA 03RA 06RA 07RA 11RA 12RA 06RB 09RB 10RB 11RB 12RB
TUE - Trem Unidade Elétrica
Figura 5.55 - Desgaste de Sapatas “A” específicas, no TUE 25
105
Desgaste Sapata "C" no TUE 10 - fevereiro a agosto de 2003
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Quilômetros rodados (km)
De
sg
as
te (
g/k
m)
01RA 02RA 04RA 05RA 06RA 07RA 08RA 09RA 10RA 11RA
12RA 13RA 14RA 15RA 16RA
TUE - Trem Unidade Elétrica
Figura 5.57 - Desgaste de Sapatas “C” específicas, no TUE 10
Desgaste Sapatas "C" no TUE10 - fevereiro a agosto de 2003
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Quilômetros rodados (km)
De
sg
aste
(g
/km
)
01RB 02RB 03RB 04RB 05RB 06RB 07RB 08RB 09RB 10RB
11RB 12RB 13RB 14RB 15RB 16RB
TUE - Trem Unidade Elétrica
Figura 5.58 – Desgaste de Sapatas “C” específicas, no TUE 10
106
5.4 Fatores Influentes no desgaste das Sapatas em Teste de Rodagem no Campo
Para racionalizar os resultados de desgaste obtidos nos Testes Práticos de Campo buscou-se
identificar variáveis da operação dos trens e fatores atmosféricos e ambientais relevantes.
Verificou-se que a precipitação pluvial e a freqüência de frenagens de emergência deveriam
causar maior impacto nas taxas de desgaste. Foi então pesquisado o Índice Pluviométrico da
cidade de Belo Horizonte registrado no período dos testes. As medidas usadas nesse trabalho
foram obtidas no Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento – MAPA, Instituto
Nacional de Meteorologia – INMET, 5º Distrito de Meteorologia – 5º DISME, Seção de
Observação e Meteorologia Aplicada - SEOMA, em Belo Horizonte – MG.
O quantitativo de Frenagens de Emergência é uma informação armazenada pelo Tacógrafo de
cada trem, e também foi coletado durante o mesmo período de monitoramento. A Frenagem de
Emergência não faz parte do procedimento operacional normal dos trens, e pode acarretar
desgaste anormal e prematuro das sapatas e de outros componentes, pelo que suas causas são
sempre investigadas. As Figuras 5.59, 5.60, 5.61 e 5.62 mostram, respectivamente, as
informações do Índice Pluviométrico e das frenagens de emergências do TUE 23, TUE 24 e
TUE 25.
Precipitaçao mensal em Belo Horizonte - set/02 a dez/03
0
100
200
300
400
500
600
700
800
set/0
2
out/0
2
nov/02
dez/02
jan/
03
fev/03
mar
/03
abr/0
3
mai/0
3
jun/
03
jul/0
3
ago/
03
set/0
3
out/0
3
nov/03
dez/03
Pre
cip
itaçã
o (m
m)
Mês / Ano
Figura 5.59- Precipitação Chuvosa no período dos Testes de Campo [31]
.
107
Figura 5.60 - Frenagens de Emergência durante Testes de Campo - TUE 23
Figura 5.61 - Frenagens de Emergência durante Testes de Campo - TUE 24
Aplicação de Freio de Emergência no TUE 23 - setembro de 2002 a junho de 2003
0
5
10
15
20
25
30
35
40
27/09/2002 a
28/10/2002
28/10/2002 a
10/12/2002
10/12/2002 a
27/01/2003
27/01/2003 a
06/03/2003
06/03/2003 a
23/04/2003
23/04/2003 a
04/06/2003
N°
de a
pli
cações
Aplicação de freio de emergência no TUE 24 - Setembro de 2002 a Junho de 2003
0
5
10
15
20
25
30
35
40
23/09/2002 a
29/10/2002
29/10/2002 a
11/12/2002
11/12/2002 a
28/01/2003
28/01/2003 a
10/03/2003
10/03/2003 a
25/04/2003
25/04/2003 a
05/06/2003
N°
de a
pli
cações
108
Para melhor avaliar a influência das Frenagens de Emergência foram traçados gráficos
confrontando o Desgaste Médio (de todas as sapatas de um mesmo trem em cada período),
com o Número de Frenagens de Emergência desse trem no mesmo período, conforme
mostrado nas Figuras 5.63 a 5.65.
Figura 5.62 - Frenagens de Emergência durante Testes de Campo - TUE 25.
Aplicações de freio de emergência no TUE25 - Setembro de 2002 a junho de 2003
0
5
10
15
20
25
30
35
40
24/09/2002 a
30/10/2002
30/10/2002 a
12/12/2002
12/12/2002 a
29/01/2003
29/01/2003 a
11/03/2003
11/03/2003 a
29/04/2003
29/04/2003 a
06/06/2003
N°
de a
pli
cações
109
Figura 5.63 – Frenagens de Emergência e Desgaste de Sapatas, no TUE 23.
Figura 5.64 – Frenagens de Emergência e Desgaste de Sapatas, no TUE 24
Comparativo frenagens de emergência e média de desgaste nas Sapatas TUE23
0
5
10
15
20
25
30
35
40
27/09/02 a 28/10/02 28/10/02 a 10/12/02 10/12/02 a 27/01/03 27/01/03 a 06/03/03 06/03/03 a 23/04/03 23/04/03 a 04/06/03
N°
de F
renagens d
e E
merg
ência
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
Desgaste
(g/k
m)
Frenagens de Emergência Média de desgaste
Comparativo frenagens emergência e média de desgaste nas Sapatas do TUE24
0
5
10
15
20
25
30
35
40
23/09/02 a 29/10/02 29/10/02 a 11/12/02 11/12/02 a 28/01/03 28/01/03 a 10/03/03 10/03/03 a 25/04/03 25/04/03 a 05/06/03
N°
de a
pli
cações
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
Desgaste
(g/k
m)
Frenagens de Emergência Média de desgaste
110
Figura 5.65– Frenagens de Emergência e Desgaste de Sapatas, no TUE 25
Para avaliar a influência do fator chuva, foram traçados gráficos confrontando o Desgaste com
a Precipitação Chuvosa do mesmo período, conforme Figuras 5.66 a 5.68. Cada coluna que
representa a Precipitação Chuvosa do período (número de dias) considerado, e foi obtida pela
somatória da Precipitação Média em cada mês, multiplicada pelo número de dias do período.
Verificou-se que a Precipitação Chuvosa tem grande relevância e impacto sobre o desgaste das
sapatas de freio.
Comparativo frenagens de emergência e média de desgaste nas Sapatas do TUE25
0
5
10
15
20
25
30
35
40
24/09/02 a 30/10/02 30/10/02 a 12/12/02 12/12/02 a 29/01/03 29/01/03 a 11/03/03 11/03/03 a 29/04/03 29/04/03 a 06/06/03
N°
de a
pli
cações
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
Desgaste
(g/k
m)
Frenagens de Emergência Média de desgaste
111
Figura 5.66 - Precipitação Chuvosa no período e Desgaste de Sapatas, no TUE 23
Figura 5.67- Precipitação Chuvosa no período e Desgaste de Sapatas, no TUE 24
Comparativo precipitação e média de desgaste nas Sapatas do TUE23
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
27/09/02 a 28/10/02 28/10/02 a 10/12/02 10/12/02 a 27/01/03 27/01/03 a 06/03/03 06/03/03 a 23/04/03 23/04/03 a 04/06/03
Pre
cip
itação (
mm
)
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
Desgaste
(g/k
m)
Precipitação no período Média de desgaste
Comparativo precipitação e média de desgaste nas Sapatas do TUE24
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
23/09/02 a 29/10/02 29/10/02 a 11/12/02 11/12/02 a 28/01/03 28/01/03 a 10/03/03 10/03/03 a 25/04/03 25/04/03 a 05/06/03
Pre
cip
itação (
mm
)
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
Desgaste
(g/k
m)
Precipitação no período Média de desgaste
112
Figura 5.68- Precipitação Chuvosa no período e Desgaste de Sapatas, no TUE 25
Como explicado anteriormente, os dados de desgaste das sapatas de freio representados nas
Figuras 5.46 a 5.49, incluem o desgaste de vida útil de mais de uma sapata de freio, que foram
repostas na mesma posição do trem durante o período dos testes. Por isso, como o desgaste é
maior no início da utilização de uma sapata de freio; foram também traçados gráficos
correlacionando o Índice Pluviométrico do período, com o desgaste médio obtido em posições
no trem (aqui identificadas como “Sapatas SELECIONADAS”), em que somente uma única
sapata foi fixada durante o período. As Figuras 5.69 e 5.70, referentes aos TUE’S 24 e 25,
respectivamente. Comprova-se que não há significativa mudança no perfil do Desgaste Média
das sapatas do trem.
Comparativo precipitação e média de desgaste das Sapatas do TUE25
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
24/09/02 a 30/10/02 30/10/02 a 12/12/02 12/12/02 a 29/01/03 29/01/03 a 11/03/03 11/03/03 a 29/04/03 29/04/03 a 06/06/03
Pre
cip
itação (
mm
)
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
Desgaste
(g/k
m)
Precipitação no período Média de desgaste
113
Figura 5.69 – Precipitação Chuvosa e Desgaste Sapatas Selecionadas - TUE 24
Figura 5.70 - Precipitação Chuvosa e Desgaste Sapatas Selecionadas - TUE 25.
Comparativo precipitação e média de desgaste nas Sapatas TUE24 - SELECIONADAS
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
23/09/02 a 29/10/02 29/10/02 a 11/12/02 11/12/02 a 28/01/03 28/01/03 a 10/03/03 10/03/03 a 25/04/03
Pre
cip
itação (
mm
)
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
Desgaste
(g/k
m)
Precipitação no período Média de desgaste
Comparativo precipitação e média de desgaste nas Sapatas TUE25 - SELECIONADAS
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
24/09/02 a 30/10/02 30/10/02 a 12/12/02 12/12/02 a 29/01/03 29/01/03 a 11/03/03 11/03/03 a 29/04/03
Pre
cip
ita
çã
o (
mm
)
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
De
sg
as
te (
g/k
m)
Precipitação no período Média de desgaste
114
6 DISCUSSÃO
6.3 Resultados Preliminares
Os Testes Preliminares de Rodagem no Campo, efetuados na CBTU-METROBH, quando
comparados com os resultados obtidos com sapatas dos mesmos fornecedores “A” e “B” na
TRENSURB – Porto Alegre, publicados na literatura, mostraram diferenças significativas no
desempenho das sapatas de freio em diferentes ensaios de campo, como pode ser comprovado
pelas Tabelas 5.14 e 5.15. Foi verificado desgaste por quilômetro, 20% menor da sapata “A”
em Belo Horizonte comparado com o resultado de Porto Alegre, e um Desgaste por quilômetro
50% menor da sapata “B” em Belo Horizonte comparado com o resultado de Porto Alegre. As
diferenças construtivas dos trens de cada operadora, dos perfis das vias de circulação dos trens,
das características operacionais de cada sistema e condições climáticas de cada região,
possivelmente contribuíram para as diferenças de desempenho das sapatas “A” e “B” nessas
duas condições de campo.
Os dados levantados nos trens da CBTU-METROBH indicaram a existência de variação
significativa no desgaste das sapatas de freio de acordo com sua posição e localização no trem,
conforme mostrado nas Figuras 5.35 a 5.38. Foi verificada diferença de até 340% entre
desgastes de sapatas em posições diferentes de fixação no mesmo trem. A hipótese mais
provável para justificar a variação está relacionada com os esforços não padronizados a que são
submetidas às mesmas, em função do perfil da via de circulação dos trens (curvas, rampas,
inclinações laterais, etc.), agravado pela não existência de correção diferencial de rotação das
rodas quando das inserções em curvas, e até mesmo pela distribuição da carga ao longo do
trem.
Analisando as Figuras 5.35 a 5.38, pode-se também verificar que o Desgaste nos Testes
Preliminares de Rodagem no Campo das sapatas de freio “A” e “B” é igual; porém, as
condições de realização dos testes da sapata “B” estavam mais adequadamente padronizadas,
uma vez que todas as rodas do trem foram usinadas e foram colocadas sapatas novas nas 32
posições de fixação de sapatas dos dois carros reboques em teste (RA e RB).
115
Por sua vez, nos Testes de Rodagem no Campo da sapata “A”, foram instaladas e monitoradas
somente algumas sapatas novas substituídas nos carros (RA e RB) dos três trens utilizados,
sem usinagem das rodas e com sapatas velhas nas demais posições, o que aumentou
desigualmente a possibilidade de desgaste da sapata “A”. Nessas condições era possível
esperar que ocorresse um maior desgaste nas sapatas “A” do que ocorreria se as condições de
realização dos testes fossem as mesmas da sapata “B”.
A diferença verificada no desgaste das sapatas de freio dos fornecedores “A” e “B”, nos
Ensaios de Pino sobre Disco, mostrada na Figura 5.39, não possui uma correspondência com os
resultados das mesmas sapatas nos Testes Preliminares de Rodagem de Campo. Pelos dados da
Figura 5.39 verificou-se que a sapata “A” apresentou uma Média de Desgaste 3,6 vezes menor
do que a sapata “B” nos Ensaios Preliminares de Pino sobre Disco, ou seja, a sapata “A”
desgastou 28% do que desgastou a sapata “B”, nas mesmas condições de ensaio. Em utilização
normal na operação comercial do sistema metroferroviário de Belo Horizonte (Testes
Preliminares de Rodagem no Campo), a sapata “A”, apresentou uma Média de Desgaste
praticamente igual à da sapata “B”.
É grande a probabilidade de que a não proporcionalidade entre os resultados acima
mencionados, tenha sido motivada pelas diferenças nas condições a que foram submetidas as
sapatas “A” e “B” nos Testes Preliminares de Campo, em Belo Horizonte. Também os
parâmetros utilizados nos Ensaios Preliminares de Pino sobre Disco, em especial o fato de ter
sido utilizado o material das sapatas sob a forma de disco, acarretou em baixa eficiência na
remoção das partículas arrancadas da superfície.
Nos Testes de Rodagem no Campo realizados na TRENSURB – Porto Alegre, cujos resultados
estão registrados na Tabela 5.14, a sapata “A” desgastou 58% do que desgastou a sapata “B”,
nas mesmas condições de teste. Tomando-se também os resultados obtidos por essas sapatas
“A’ e “B” nos Ensaios Preliminares de Pino sobre Disco realizados no CETEC-MG e
desconsiderando-se as demais variáveis já mencionadas, pode-se estabelecer uma relação entre
os resultados obtidos nessas condições experimentais, para ilustrar o objetivo proposto por este
trabalho.
116
6.4 Resultados Complementares
As Análises e Ensaios das rodas ferroviárias, em laboratórios, permitiram comprovar a
conformidade das mesmas com as características especificadas, Tabelas 5.5 e 5.6, e constatar
as transformações metalúrgicas e descontinuidades que vem ocorrendo nas rodas ferroviárias
da CBTU-METROBH durante a vida útil das mesmas, em especial na região de contato roda –
sapata, independentemente da origem ou fornecedor da sapata de resina fenólica (não-amianto)
utilizada, conforme mostrado nas Figuras 5.23 a 5.34.
Quando confrontadas com informações de publicações sobre ocorrências de descontinuidades e
transformações metalúrgicas em rodas ferroviárias nas operadoras ao redor do mundo, várias
delas registradas na Revisão Bibliográfica pudemos verificar que há quase total coincidência
de resultados no que se refere, por exemplo, aos tipos de descontinuidades e inclusões
apresentadas, e à formação de estrutura martensítica [13,16,17,18,20,25,26,36,37]
.
Nos resultados dos ensaios em Dinamômetro, executados em sapatas de freio do fornecedor
“A”, cujo procedimento experimental e resultados são detalhados no item dos ANEXOS,
observa-se que as sapatas ensaiadas apresentaram desempenho satisfatório em relação à Norma
AAR M-926-92 [40]
. A única não conformidade ocorreu em uma das três sapatas “A”
ensaiadas, que no Ensaio de Parada para distância de parada mínima na frenagem leve,
especificada como 85 a 128 metros, verificou-se 78 metros (9% abaixo do valor mínimo). Esta
diferença não é suficiente para a reprovação do lote de sapatas, porque a média das três Sapatas
ensaiadas foi de 92 metros, e é a média dos resultados de todas as Sapatas que caracteriza a
Distância de Parada do Trem. Nesses casos, o procedimento adotado pela CBTU-METROBH é
a liberação do lote de sapatas para utilização e o envio de solicitação de correção ao fornecedor
para o próximo lote de fornecimento.
Quanto aos Ensaios Complementares de Pino Sobre Disco, aos quais foram submetidas sapatas
de freio dos fornecedores “A”, “B” e “C”, foi estabelecido um perfil de desempenho de cada
uma nas condições dos ensaios realizados. Os resultados são comparados em função das trilhas
utilizadas, Figuras 5.40, 5.41 e 5.42, assim como em função das sapatas de diferentes
fornecedores, Figuras 5.43, 5.44 e 5.45.
117
Um pino usinado de sapata do fornecedor “A” e ensaiado no trilha de 65mm de diâmetro (Fig.
5.40), e outro pino usinado de sapata do fornecedor “C” ensaiado na trilha de 60mm de
diâmetro (Fig. 5.42), apresentaram desgaste proporcionalmente insignificante, tendo como
causa provável a presença de grãos duros na tangente do raio da ponta do pino usinado.
Os pinos correspondentes à sapata do fornecedor “B” apresentaram maior desgaste em todos os
três diâmetros de trilha de contato. Os pinos correspondentes à sapata do fornecedor “C” foram
os segundos maiores em desgaste em duas trilhas, e um último em uma trilha. Os pinos
correspondentes à sapata do fornecedor “A” foram os últimos em desgaste em uma trilha e um
foi o segundo maior em uma trilha, conforme gráficos das Figuras 5.43, 5.44 e 5.45.
Comparando-se o desgaste total em gramas (g), verificado nos pinos de cada sapata “A”, “B” e
“C”, em função da distância total percorrida por todas elas (1.800m) em todas as três trilhas
dos Ensaios de Pino sobre Disco, foi constatada a seguinte proporção:
O pino da sapata “A” desgastou-se na proporção de 57% (43% a menos) do desgaste do
pino da sapata “B”.
O pino da sapata “A” desgastou-se na proporção de 96% (4% a menos) do desgaste do
pino da sapata “C”.
O pino da sapata “B” desgastou-se na proporção de 59% (41% a menos) do desgaste do
pino da sapata “C”.
Os pinos das sapatas dos fornecedores “A”, “B” e “C”, apresentaram na maioria dos casos um
perfil de desgaste em função da distância maior na fase inicial, diminuindo gradativamente ao
longo do teste, tendendo a uma estabilização da taxa de desgaste ao final do ensaio, conforme
Figuras 5.43, 5.44 e 5.45. A elevada taxa de desgaste inicial verificado, com apenas duas
exceções, pode ser justificada pela acomodação que ocorre entre os materiais no início dos
ensaios, e pela maior rugosidade das superfícies no início do processo, assim favorecendo um
maior desgaste inicial.
Nos Testes de Rodagem no Campo realizados na TRENSURB – Porto Alegre registrados na
Tabela 5.14, a sapata “A” desgastou 58% do que desgastou a Sapata “B” nas mesmas
condições de teste. Verificou-se portanto que a diferença de desgaste entre as sapatas “A” e
“B” nos Ensaios Complementares de Pino sobre Disco foi praticamente igual à diferença de
desgaste entre as sapatas “A” e “B” no Teste de Rodagem no Campo na TRENSURB.
118
Os Testes Complementares de Rodagem no Campo, de sapatas de freio de resina fenólica (não-
amianto), dos fabricantes “A” e “C” foram executados com um acompanhamento mais apurado
do comportamento e das variáveis de regulagem e condições operacionais dos trens, em
comparação com o que ocorreu nos Testes Preliminares de Rodagem no Campo. Foram
excluídos durante a compilação dos resultados dos Testes Complementares de Rodagem no
Campo, os dados referentes às sapatas e posições de fixação de sapatas, que durante os testes
foram de alguma forma afetados por ocorrências alheias aos objetivos deste trabalho. Isto
significou a exclusão das informações de 16 das 128 posições ou sapatas (correspondendo a
12,5% das mesmas), o que aumentou a representatividade dos resultados apresentados, por
considerar apenas as sapatas cujo desgaste ocorreu por utilização do freio nas condições
operacionais normais.
Analisando os gráficos de desgaste obtidos nos Testes Complementares de Rodagem no
Campo, Figuras 5.46 a 5.49, é possível identificar alguns comportamentos curiosos, como o
fato de que em alguns meses dentro do período de testes a amplitude da variação do desgaste
das sapatas, apresentou-se destacadamente maior (aumento dos grandes picos e profundos
vales), deixando aparente uma maior instabilidade no desgaste das sapatas. O caso mais
marcante foi observado nas pesagens efetuadas ao final do mês de Janeiro/2003, conforme
registrado nas Figuras 5.46, 5.47 e 5.48, que nos alertou para a possibilidade do elevado Índice
Pluviométrico desta época do ano em Belo Horizonte ter influenciado nos resultados, o que foi
comprovado posteriormente.
Outra constatação de destaque na análise dos gráficos de acompanhamento do desgaste ocorreu
nos Testes Complementares de Rodagem no Campo, identificado na Figura 5.47, onde nas
pesagens das sapatas “A” instaladas no TUE 24 foi verificada grande diferença de desgaste
entre as sapatas instaladas no carro reboque “RA” e as sapatas instaladas no carro reboque
“RB”. Esta diferença significou uma vida útil menor entre sete e dezessete mil quilômetros
para as sapatas do carro “RB”.
Outro caso surpreendente refere-se à diferença no desgaste das sapatas instaladas nos carros
“RA e RB”, no mesmo TUE 10, Figura 5.49, podendo-se verificar que a maioria das sapatas do
carro “RA” teve vida útil até sete mil quilômetros menor, em relação às sapatas do carro “RB”.
119
Verificou-se que as regulagens dos equipamentos eletropneumáticos dos sistemas de freio dos
TUE’s 10 e 24, estavam todas dentro das tolerâncias de projeto.
Nas Figuras 5.50 a 5.58, estão agrupados em gráficos, os desgastes de várias sapatas dos quatro
trens testados, as quais apresentavam coincidência de período de utilização no mesmo trem,
permitindo verificar que nos primeiros quilômetros rodados os desgastes são maiores e
apresentam uma maior dispersão, e que ao se aproximar o final da sua vida útil ocorreu em
quase todas uma diminuição e estabilização do desgaste, tendendo a valores muito próximos.
Esta constatação é semelhante à verificada nos Ensaios de “Pino sobre Disco”, como visto nas
Figuras 5.40 a 5.42. A dispersão inicial do desgaste verificada em praticamente todas as
Figuras pode ser justificada pela acomodação inicial que ocorre entre os materiais, pela maior
rugosidade inicial das superfícies da roda e da sapata, e pelas diferenças de dureza, composição
e recobrimento das superfícies em relação ao interior do material, as quais somadas favorecem
a obtenção dessa dispersão inicial.
Pelas Figuras 5.50 a 5.58, verifica-se também que a vida útil média das sapatas “A” esteve
compreendida entre 25.000 e 51.000km, nos três trens monitorados; enquanto que a vida útil
média das sapatas “C” esteve compreendida entre 27.000 e 34.000km, no único trem equipado
com a mesma.
A influência do Índice Pluviométrico da cidade de Belo Horizonte, nos resultados do desgaste
das sapatas, em cada um dos períodos de Teste de Rodagem no Campo das sapatas de freio,
Figura 5.59, ficou comprovada e é significativa, tendo em vista sua confrontação com o
desgaste das sapatas de freio, mostrado nas Figuras 5.66 a 5.68, e confirmados pelas Figuras
5.69 e 5.70. Verifica-se que aos períodos de maior Índice Pluviométrico correspondem a um
maior desgaste médio das sapatas.
A influência do número de Frenagens de Emergência nos resultados do desgaste das sapatas de
freio, em cada um dos períodos de Teste de Rodagem no Campo, como mostrado nos gráficos
das Figuras 5.64 e 5.65, não ficou conclusivamente comprovada pela razão da existência de
uma gradação na severidade do desgaste das sapatas quando provocado pelas Frenagens de
Emergência, de acordo com as causas que as motivaram. Por razões operacionais dos trens e
120
da via de rolamento, a quantidade de Frenagens de Emergência varia proporcionalmente ao
Índice Pluviométrico de cada período.
Os gráficos mostrados nas Figuras 5.66 a 5.68 representam em alguns casos o desgaste médio
de duas e não somente de uma sapata de freio, devido a trocas por fim da vida útil de algumas
das sapatas das 32 posições de fixação existentes nos dois carros reboques dos trens. Os
gráficos das Figuras 5.69 e 5.70 foram traçados sem a inclusão das posições que utilizaram
duas sapatas durante os testes nos TUE’s 24 e 25 e confirmaram que as sapatas trocadas no
período dos Testes de Rodagem no Campo pouco alteraram os valores médios de desgaste das
sapatas. Os gráficos das Figuras 5.69 e 5.70 registram cinco dos seis períodos dos Testes de
Rodagem no Campo contidos nas Figuras 5.67 e 5.68.
Nas Tabelas 6.16, 6.17 e 6.18 a seguir estão representados os percentuais de comparação do
volume total desgastado das sapatas “A”, “B” e “C”, confrontadas duas a duas, ou seja, sapata
“A” com “B”, sapata “A” com “C” e sapata “B” com “C”, cujos resultados foram verificados
nos Testes de Rodagem no Campo (Preliminares e Complementares) e nos Ensaios de Pino
sobre Disco (Preliminares e Complementares), realizados na CBTU-METROBH e no CETEC-
MG, respectivamente.
121
Estão sendo comparadas as somatórias do volume total dos desgastes obtidos nos Testes de
Rodagem de cada sapata, e as somatórias do volume total dos desgastes de todas as trilhas,
obtidos nos Ensaios de Pino sobre Disco.
Tabela 6.16 - Desgastes percentuais comparativos entre as Sapatas “A” e “B”.
Tabela 6.17- Desgastes percentuais comparativos entre as Sapatas “A” e “C”.
Tabela 6.18- Desgastes percentuais comparativos entre as Sapatas “B” e “C”.
Sapata "A" Sapata "B"
Testes preliminares 28% 100%
Testes complementares - Não testada
Ensaios preliminares 40% 100%
Ensaios complementares 57% 100%
Testes de Rodagem
no Campo (RC)
Ensaios de Pino
sobre Disco (PSD)
Sapata "A" Sapata "C"
Testes preliminares - Não testada
Testes complementares 80% 100%
Ensaios preliminares - Não testada
Ensaios complementares 96% 100%
Testes de Rodagem
no Campo (RC)
Ensaios de Pino
sobre Disco (PSD)
Sapata "B" Sapata "C"
Testes preliminares - Não testada
Testes complementares Não testada -
Ensaios preliminares - Não testada
Ensaios complementares 100% 59%Ensaios de Pino
sobre Disco (PSD)
Testes de Rodagem
no Campo (RC)
122
Utilizando os dados da Tabela 6.17 verifica-se que para as condições experimentais
apresentadas, 4% de diferença de desgaste entre as sapatas “A” e “C” no Ensaio de Pino sobre
Disco corresponderam a 20% de diferença de desgaste entre as sapatas “A” e “C” no Teste de
Rodagem no Campo na CBTU-METROBH.
A Tabela 6.19 resume e totaliza as características e os resultados dos Testes Complementares
de Rodagem no Campo dos quatro trens que estiveram envolvidos no processo.
Notas:
- Desgaste total das sapatas (g/km): corresponde à somatória da massa perdida por todas as
sapatas testadas em cada trem, por quilômetro rodado.
- Desgaste médio por posição (g/km): corresponde à média da massa perdida pelas sapatas
testadas, nas diversas posições de fixação no trem, por quilômetro rodado.
Tabela 6.19 – Resumo Testes Complementares de Rodagem no Campo.
N° de Posições de Sapatas testadas
Quilometragem Total do Teste
(km) Trem Unidade Elétrica
TUE 23 (Sapata "A")
TUE 24 (Sapata "A")
TUE 25 (Sapata "A")
TUE 10 (Sapata "C")
85.415
74.449
60.425
70.514 9,605
Período do Teste Desgaste Total
das Sapatas (g/km)
Fev/03 a Dez/03
Desgaste Médio por
posição (g/km)
Set/02 a Jun/03
Out/02 a Jun/03
Out/02 a Jun/03
10,066
8,388
7,480
30
30
28
30
0,336
0,280
0,267
0,320
290.803 Total Geral 1,504 118 35,539 36 meses
123
A somatória do desgaste em gramas por quilômetro percorrido pelos pinos das sapatas “A”,
“B” e “C”, submetidos aos Ensaios Complementares de Pino sobre Disco nas três trilhas
(diâmetros de 55, 60 e 65mm), foi respectivamente:
Os pinos da sapata “A” tiveram desgaste total (soma) nos Ensaios, de 51,33x10-4
g/km;
Os pinos da sapata “B” tiveram desgaste total (soma) nos Ensaios, de 90,22x10-4
g/km;
Os pinos da sapata “C” tiveram desgaste total (soma) nos Ensaios, de 53,12x10-4
g/km.
Utilizando os dados da Tabela 6.19, verifica-se que a sapata “A” que teve 51,33x10-4
g/km de
desgaste nos Ensaios de Pino sobre Disco na somatória dos pinos fabricados com seu material,
teve 10,066g/km de desgaste total das sapatas dos trens submetidos aos Testes de Rodagem no
Campo, realizados nas condições experimentais deste trabalho.
Para a sapata “C”, os resultados da Tabela 6.19 indicam que 53,12x10-4
g/km de desgaste nos
Ensaios de Pino sobre Disco na somatória dos pinos fabricados com seu material, teve
9,605g/km de desgaste total das sapatas dos trens submetidos aos Testes de Rodagem no
Campo, realizados nas condições experimentais deste trabalho.
124
6.5 Testes de Rodagem no Campo
Os Testes de Rodagem no Campo de sapatas de freio ferroviárias, quando adequadamente
realizados, exigem um tempo de preparação e execução que muitas vezes ultrapassa os prazos
comerciais para devolução ou pagamento dos lotes de sapatas em processo de recebimento.
Além disso, se os Testes de Rodagem no Campo forem utilizados como a única forma de
inspeção de sapatas de freio, no caso de má qualidade das sapatas em inspeção haverá durante
o período dos testes um risco considerável para a segurança do sistema operacional em que o
teste estiver sendo realizado, pela possibilidade de ocorrência de excesso ou insuficiência de
frenagem no trem utilizado. Também importante, é o risco econômico, em função de possíveis
gastos elevados decorrentes de perda de mão de obra de manutenção e de vida útil das rodas
ferroviárias, além do maior tempo de imobilização dos trens.
125
7 CONCLUSÕES
- Com a realização dos Ensaios Preliminares de Pino sobre Disco de sapatas de freio de resina
fenólica (não amianto), verificou-se ser possível obter deles resultados que podem ser
relacionados com os obtidos pelas mesmas sapatas nos Testes de Rodagem no Campo,
realizados na TRENSURB.
- Os Ensaios Complementares de Pino Sobre Disco realizados com maior controle sobre as
variáveis de regulagem e condições de execução, permitiram reforçar a relação de seus
resultados com os resultados de mesmas sapatas nos Testes de Rodagem no Campo realizados
na TRENSURB, sendo verificada a quase igualdade entre as comparações de desgaste.
- As transformações metalúrgicas e descontinuidades, que ocorrem durante a vida útil das
rodas ferroviárias em operação na CBTU-METROBH, em especial na região de contato roda –
sapata de resina fenólica (não-amianto), não diferem significativamente dos resultados
relatados pelas demais operadoras metroferroviárias e de transporte de carga no Brasil, bem
como pela grande maioria das empresas do segmento ferroviário mundial.
- Os resultados obtidos nos Testes de Rodagem no Campo demonstraram um significativo
aumento do desgaste das sapatas nos períodos de maior Índice Pluviométrico, justificando
recomendar, para aumento da segurança dos sistemas ferroviários, que as periodicidades de
inspeção das sapatas de freio sejam definidas diferenciadamente, levando-se esse fator em
consideração, ou seja, deve-se realizar inspeções nas sapatas de freio em intervalos de tempo
menores durante os períodos chuvosos.
- Comprovou-se a grande aplicabilidade dos Testes Práticos de Campo das sapatas de freio,
quando criteriosamente realizados, para a maximização de sua vida útil, uma vez que os
resultados obtidos podem servir como referência para a otimização das regulagens dos
equipamentos que compõem o Sistema de Freio dos Trens, baseado na verificação prática do
desempenho e do desgaste desse sistema.
126
- O Ensaio Tribológico de “Pino Sobre Disco”, permitiu estabelecer comparações do
desempenho tribológico entre sapatas de freio ferroviárias e permitiu estimar, também de
forma comparativa, o desempenho de uma determinada sapata de freio nos Testes de Rodagem
no Campo.
- Os resultados apresentados nesta dissertação autorizam o autor a concluir que o Ensaio
Tribológico de “Pino sobre Disco”, o qual implica em poucas horas de preparação e execução,
é capaz de avaliar com razoável grau de acerto, o desgaste de sapatas de freio em Testes de
Rodagem no Campo.
127
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 - REVISTA FERROVIÁRIA, Estatísticas, Editora Empresa Jornalística dos Transportes, Rio
de Janeiro, Nº02, Fevereiro/2004, pg.27 a 30.
2 - RUTTER,A., “Five-year Strategic Plan for Railroad Research, Development, and
Demonstrations”, U.S. Departament of Transportation – Federal Railroad Administration,
U.S.ª. , Whashington DC, March/2002,pg. ES-1 e ES-2.
3 - FERREIRA, J.C.; MACHADO, E.A.F.; GUIZZO,A.C. Sistemas de Freio. In: Editores:
Branco,J.E.C.; Ferreira,R..Tratado de Estradas de Ferro – Material Rodante. Rio de Janeiro:
Reflexus Estúdio de Produção Gráfica Ltda., 2000., p.213-221.
4 - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, Rio de Janeiro, Projeto
06:200.01-001, Sapata e sapatilha de composição fenólica para freio de carros de passageiro
metro-ferroviário, 2001, p.2 e 3.
5 - HAGE, A.E., “Sapata de Composição uma solução para a ferrovia brasileira”, III ENFRE -
Encontro Nacional de Freio, ABNT – Comitê Brasileiro do Equipamento e Material
Ferroviário – CB6 – Sub-Comitê Brasileiro de Freio – SCB 6:08, Porto Alegre, Jul/1985.
6 - ZEUNER,T., STOJANOV,P.S., RUPPERT,H. and ENGELS,ª., Materials World – Vol6,
USA, Ed. The Institute of Materials, 1998, p.17-19.
7 - FRAS-LE S.A. - Brasil, [On-line] Disponível na Internet (fras-le.com.br) – Informações
Técnicas, Arquivo consultado em 23.09.2003.
8 - ZHANG,Y., CHEN,Y., HE,R. and SHEN,B., “Investigation of tribological properties of
brake shoe material – phosphorous cast iron with different graphite morphologies”, Wear –
International Journal, number 166, 1993, p. 179-186.
9 - YAMAGUCHI,Y.; Tribology of Plastic Materials – Their Characteristics and Applications
to Sliding Components; Tribology Series – Vol. 16 , Elsevier Science Publishers Company
USA, 1990, p. 255 A 293.
128
10 - CHEN,H., BAN,T., ISHIDA,M., NAKAHARA,T., “Adhesion between rail/wheel under
water lubricated contact”, Wear – International Journal, number 253, 2002, p. 75 - 81.
11 - HARRINGTON,H.J.; Phenolics; In: Engineered Materials Handbook; Engineering
Plastics; USA; The Material Information Society Engineering Plastics – ASM Internacional;
1997; p.242-245 – Vol. 2.
12 - NICHOLSON,G., “Facts about Friction”, First Ed., USA: published by Gedora America
Limites, P.O.Box 3431- Winchester, Virginia 22604, 2000.
13 – ROUSSETTE,O., DESPLANQUES,.y, DEGALLAIX,G., “Thermal representativity of
tribological reduced-scale testing”, Académie des Sciences Institut de France Comptes Rendus
Mecanique , number 331, 2003, p.343-349.
14 - ASTM – American Society for Testing and Materials, U.S.A, Designation: G 99 – 95a –
Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus,November/2001,p. 1-5.
15 - MUNHOZ,H., PEZERICO,L.A.M., XAVIER, R. A., FERREIRA,R., “Padrão Técnico
para Aquisição de Sapatas Para TUE’s e Carros de Passageiros da CBTU”, V ENFRE –
Encontro Nacional de Freio – ABNT / CB 6 / SCB 6:08, São Paulo, Set./1991.
16 - SISDELLI, A.,“Resultados Práticos de Ensaios em Sapatas de Freio Realizados no
Dinamômetro do IPT”, IV ENFRE - Encontro Nacional de Freio, ABNT – Comitê Brasileiro
do Equipamento e Material Ferroviário – CB6 – Sub-Comitê Brasileiro de Freio – SCB 6:08,
Rio de Janeiro, 1988.
17 – SANTOS Jr., Auteliano Antunes, “Problemas causados pelo aquecimento em rodas
ferroviárias – O ensaio Krauss”, Dissertação de Mestrado, FEM / UNICAMP, 1992.
18 - JENDEL,T., “Prediction of wheel profile wear – comparisons with field measurements”,
Wear – International Journal, number 253, 2002, p. 89-99.
19 - GERICH, R., LOMBARDI,S.V., “Influência do Material das Sapatas de Freio na Vida
Ùtil das Rodas”, 23ª Reunião Técnica ABNT – Comitê Brasileiro do Equipamento e Material
Ferroviário – CB6 – Sub-Comitê Brasileiro de Freio – SCB 6:08, São Paulo , 1984.
129
20 - ZAKHAROV,S., KOMAROVSKY,I. And ZHAROV,I., “Wheel flange / rail wear
simulation”, Wear – International Journal, number 215, 1998, p.18-24.
21 - KUMAGAI,N., ISHIKAWA,H.,HAGA,K. et al., “Factors of wheel flats occurrence and
preventive measures”, Wear – International Journal, number 144, 1991, p.277-287; and Third
International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail / Wheel Systems, July.1990,
Cambridge, U.K.
22 - SKARSKI,B., “Fratura em Rodas Ferroviárias de Vagões de Transporte de Minérios”,
Revista Ferrovia, Mar/Abr –1985, p.22-25.
23 - BRUNNER,J.P., “Analysis of Residual, Thermal and Loading Stresses in a B 33 Whell
and Their Relationship to fatigue Damage” Journal of Eng. Fir Ind., Maio 1967, p. 249 –258.
24 - SANTOS, Francisco de Castro, “Análise do contato Roda-Trilho e sua influência na vida
em serviço de rodas ferroviárias”, Dissertação de Mestrado, FEM/UNICAMP, Campinas,
2000.
25 - PEARCE,T.G. and SHERRATT,N.D., “Prediction of Wheel profile wear”, Wear –
International Journal, number 144, 1991, p. 343-351; and Third International Conference on
Contact Mechanics and Wear of Rail / Wheel Systems, July.1990, Cambridge, U.K.
26 - WILLIAMS,J.A., “ Wear modelling : analytical, computational and mapping: a
continuous mechanics approach”, Wear – International Journal, number 225, 1999, p.1-17.
27 - LUNDÉN, R., “Contact region fatigue of railway wheel under combined mechanical
rolling pressure and thermal brake loading”, Wear – International Journal, number 144, 1991,
pg.57-70; and Third International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail /
Wheel Systems, July.1990, Cambridge, U.K.
28 - ABDEL-AAL,H.A., “The correlation between thermal property variation and high
temperature wear transition of rubbing metals”, Wear – International Journal, number 237,
2000, p. 147-151.
29 - GORDON,J., JONES,J.A., PERLMAN,A.B., “Evaluation of Service Residual Stresses in
Railroad Commuter Car Wheels”, American Society of Material Engineering - ASME RTD
130
Vol. 15, E.J. Wolf, editor; and International Mechanical Engineering Congress and Exhibition
- Anaheim, CA, November, 1998.
30 - MUTTON,P.J., EPP,C.J., and DUDEK,J., “ Rolling contact fatigue in railway wheels
under high axle loads”, Wear – International Journal, number 144, 1991, p.139-152; and Third
International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail / Wheel Systems, July.1990,
Cambridge, U.K.
31 - OHYAMA,T., “ Tribological studies on adhesion phenomena between wheel and rail at
high speeds”, Wear – International Journal, number 144, 1991, p.139-152; and Third
International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail / Wheel Systems, July.1990,
Cambridge, U.K.
32 - AHLSTRÖM,J.,KARLSSON,B., “Microstructural evaluation and interpretation of the
mechanically and thermally affected zone under railway wheel flats”, Wear – International
Journal on the Science and Technology of Friction, Lubrication and Wear, number 232, 1999,
p. 1-14.
33 - MAKINO,T., YAMAMOTO,M., FUJIMURA,T., “Effect of material on spalling
properties of railroad wheels”, Wear – International Journal, number 253, 2002, p. 284-290.
34 - MOYARG,J. and STONE,D.H., “An analysis of the thermal contributions to railway
wheel shelling”, Wear – International Journal, number 144, 1991, p. 117-138; and Third
International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail / Wheel Systems, July.1990,
Cambridge, U.K.
35 - AHLSTRÖM,J.,Karlsson.B.,, “Modelling of heat conduction and phase transformations
during sliding of railway wheels”, Wear – International Journal on the Science and Technology
of Friction, Lubrication and Wear, number 253, 2002, p.291-300.
36 - SANTOS,A., RODRIGUES,F. e FERREIRA,I., “Surgimento e Propagação de Trincas em
Rodas Devido aos Efeitos da Frenagem”, IV ENFRE – Encontro Nacional do Freio – Comitê
Brasileiro do Equipamento e Material Ferroviário – CB6 – Sub-Comitê Brasileiro de Freio –
SCB 6:08, Rio de Janeiro, Jul/1988.
131
37 - ROZA,L.C.; “Teoria da Tração e da Frenagem”; In: Branco,J.E.C. e Ferreira,R.; Tratado
de Estradas de Ferro – Material Rodante; Rio de Janeiro; Reflexus Estúdio de Produção
Gráfica; 2000; p. 23-46.
38 - SKARSKI,b., A Importância da configuração do Disco no desempenho das Rodas
Ferroviárias, Revista Ferroviária, Rio de Janeiro, Editora Empresa Jornalística dos Transportes,
Março-Abril 1986, p.37-39.
39 - Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento-MATA - Instituto Nacional de
Meteorologia - INMET – 5º Distrito de Meteorologia-5ºDISME – Seção de Observação e
Meteorologia Aplicada - SEOMA, “Precipitação Total (em mm) de Belo Horizonte – MG entre
Setembro/2002 e Dezembro/2003”, Janeiro/2004, p.1.
40 - RELATÓRIO TÉCNICO Nº 65.918, Ensaios Dinamométricos em Sapatas Ferroviárias,
IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas – Divisão de Tecnologia de Transportes,
Agrupamento de Desenvolvimento Ferroviário e Rodoviário, Cliente:CBTU-STU/BH,
Junho/2003, pg.6 a 9.
41 - OLSZANSKI,E., KATANO,O.J.; “Bancada para Ensaio de Freio - Centro de
Desenvolvimento Ferroviário do IPT - Instituto de Pesquisa Tecnológica”, 23ª Reunião
Técnica ABNT – Comitê Brasileiro do Equipamento e Material Ferroviário – CB6 – Sub-
Comitê Brasileiro de Freio – SCB 6:08, São Paulo , 1984.
132
9 ANEXOS
9.1 Ensaios em Dinamômetro
Com o objetivo de verificar o desempenho e características das sapatas de freio do fornecedor
“A” no Ensaio Dinamométrico, foram efetuados testes em Bancada de Teste Dinamométrico,
onde foram testadas 03 (três) amostras de sapatas de freio do fabricante “A”, com
acompanhamento, no Laboratório de Ensaio Dinamométrico do Instituto de Pesquisas
Tecnológicas -IPT-SP, em Junho/2003 [40].
Os dados foram sistematizados, tendo o auxílio de um "software" desenvolvido para esse tipo
de ensaio, que permitiu o monitoramento e aquisição dos seguintes parâmetros: temperatura,
cargas equivalentes sobre a roda, pressão aplicada no cilindro de freio, distância percorrida,
aceleração, tempo de frenagem e velocidade, possibilitando a avaliação do desempenho, em
relação ao coeficiente de atrito do freio, em laboratório.
9.1.1 Metodologia do Ensaio Dinamométrico
As sapatas foram ensaiadas, com base em norma da AAR - Association of American Railroads
para Sapatas de Freio Não Metálicas, de Composição de Alto Coeficiente de Atrito -
Especificação M-926-92 ("Especification M-926-92 -Brake Shoes High Friction Composition
Type"), considerando os procedimentos para realização de dois tipos de ensaios: Rampa
(manutenção da velocidade em rampa decrescente) e Parada (a partir da velocidade inicial
especificada).
Para determinar o desempenho de uma amostra, esta deve ser constituída de corpos-de-prova
formados por 03 (três) unidades da sapata em teste. As amostras da sapata “A”, receberam a
designação (CA) do laboratório como segue: CA-04103, CA-05103 e CA-06103. Sendo 103 o
133
número seqüencial do serviço contratado, e 04, 05 e 06 o número seqüencial das unidades
ensaiadas.
A densidade 2,20g/cm3 do material da sapata de freio, foi conhecida através do Certificado de
Qualidade do fabricante da sapata “A”.
O assentamento inicial da sapata na roda que foi efetuado a frio, atingiu a 100% da área de
atrito; e cada nova seqüência do ensaio só era iniciada após a temperatura da roda estar abaixo
de 50°C.
9.1.1.1 Ensaio de Rampa
Significa simular uma frenagem constante do trem durante a descida de um longo trecho em
Rampa. O Ensaio de Rampa foi realizado por 02 (duas) vezes, em cada corpo de prova, sempre
mantendo a velocidade de 32km/h, com forças de aplicação diferentes na Sapata, identificada
pela denominação leve ou pesada, e equivalentes a 14,64kN e 26,78kN, respectivamente.
9.1.1.2 Ensaio de Parada
Significa simular a frenagem do trem até a parada completa, a partir de velocidades iniciais
diferentes. O Ensaio de Parada foi realizado por 18 (dezoito) vezes, em cada corpo de prova,
sendo 9 (nove) delas com força de aplicação leve e outras 9 (nove) com força de aplicação
pesada. Cada grupo de 9 (nove) ensaios, foi dividido em 3 (três) grupos de 3 (três) ensaios,
partindo de velocidades iniciais distintas a saber: 96,5km/h; 64,5km/h e 32km/h.
134
9.1.2 Equipamentos utilizados
Os equipamentos utilizados neste ensaio foram:
Balança digital para medição de perdas de massa, com sensibilidade de 0,1g
(Certificado de Calibração nº42611 do IPT-SP); para pesagem da sapata após cada aplicação;
Termopar para medição de temperatura do corpo de prova (sapata), durante o ensaio,
com sensibilidade de 0,1°C (Certificado de Calibração n° 43360 do IPT-SP);
Um Dinamômetro acoplado a uma placa de aquisição de dados e um computador – PC,
que permitiu a determinação das cargas equivalentes sobre a Roda Ferroviária de teste,
coeficientes de atrito, pressão aplicada no cilindro de freio, distância percorrida e
desaceleração.
9.1.3 Características principais do Dinamômetro
A roda ferroviária do Dinamômetro deve ter o contorno (perfil) definido na Norma
AAR, ser de Classe B (que define o Tratamento Térmico e Dureza) e ter diâmetro mínimo de
31” (787,4mm) e no máximo 38” (965,2mm);
A roda ferroviária do Dinamômetro deverá ser usinada para estar isenta de imperfeições
(garantir sua concentricidade);
O Termopar de medição da temperatura da roda durante o ensaio deve ser posicionado
no centro da superfície de rolamento da roda (região do contato roda-sapata);
O Dinamômetro deve conter um ventilador de jato e/ou sucção, para resfriar a roda e
movimentar o ar entre 25 a 30km/h, de encontro à mesma, simulando o movimento do veículo
ferroviário;
135
A pressão do cilindro de freio deve ser uniformemente aplicada, e o equivalente a 70%
da pressão final, deve ser obtido depois de decorridos 1,5 a 3,0s da aplicação.
A Figura 71 ilustra esquematicamente, a configuração e instrumentação de um Dinamômetro
para ensaio de sapatas de freio ferroviárias.
Figura 71 - Esquema da Instrumentação do Dinamômetro [41].
Legenda : 01 → Célula de Carga para medir a força de aplicação
02 → Medidor de torque
03 → Sensor de velocidade
04 → Sensor de temperatura
Fb → Força aplicada pelo cilindro de freio
Ff → Força de frenagem
136
9.1.4 Resultados dos Ensaios Dinamométricos realizados na Sapata “A”
Tabela 20 – Ensaio de Rampa com frenagem leve e pesada
Tabela 21 – Ensaio de Parada, distância de parada.
137
Tabela 22 – Ensaio de Parada, com frenagem leve e pesada.
Tabela 23 – Ensaio de Parada, força e coeficiente de atrito
138
Tabela 24 - Ensaio de Parada, força e coeficiente de atrito.
Tabela 25 – Verificação do desgaste das Sapatas ensaiadas
139
9.1.5 Discussão dos Resultados do Ensaio Dinamométrico
(Relatório Técnico Nº 65.918 do IPT – Divisão de Tecnologia de Transportes Ferroviário e
Rodoviário – Junho/2003)
Observa-se, nos resultados apresentados nas tabelas demonstrativas, que as sapatas “A”
ensaiadas, apresentaram desempenho satisfatório em relação à Norma AAR M-926-92, exceto
no requisito do Ensaio de Parada (a segunda Tabela) para distância de parada mínima (Sapata
CA-04), na frenagem leve (14,64kN).
A roda utilizada não apresentou alteração de coloração na superfície de contato sapata-roda
durante a realização dos ensaios; e as superfícies de contato da roda ferroviária e das sapatas de
freio, não apresentaram defeitos superficais.
Durante o ensaio, não foram percebidos cheiros, faísca, fumaça ou ruído anormal.
140
9.2 Procedimento para Implantação da Sistemática de Ensaio
Para garantir a eficácia do Ensaio Tribológico de “Pino sobre Disco” nestas aplicações
propostas, indica-se que seja seguido o seguinte procedimento para implantação:
Submeter aos Testes de Rodagem no Campo as diversas sapatas de freio já em
utilização na operadora interessada, obedecendo a parâmetros como os que constam desta
dissertação, para estabelecer o comportamento típico de cada sapata de freio nas características
operacionais dessa companhia operadora ferroviária ou metroferroviária.
Realizar, paralelamente, Ensaios Tribológicos de “Pino sobre Disco” em sapatas de
freio dos mesmos lotes, obedecendo a parâmetros como os que constam desta dissertação, para
estabelecer o comportamento típico de cada sapata de freio, em laboratório.
Determinar, através dos resultados, as correspondências relativas de desempenho entre
os Testes de Rodagem no Campo e os Ensaios de Pino sobre Disco. Essas proporcionalidades
deverão ser determinadas levando-se em consideração os outros “fatores influentes no
desgaste” que sejam significativos, como os que foram identificados nesta dissertação.
Quando de novas aquisições de sapatas de freio desses mesmos fornecedores e, a partir
de então, dentro de um processo normal de inspeção e aprovação dos lotes recebidos; executar
novos Ensaios de Pino sobre Disco e confrontar esses resultados com os registros já existentes,
referentes aos Ensaios de Pino sobre Disco anteriormente executados, e às proporcionalidades
relativas de desempenho no campo já estabelecidas, para comparação.
É importante salientar que, uma vez que o Ensaio de Pino sobre Disco seja estabelecido como
o método freqüente e prioritário para avaliação de lotes de sapatas de freio em uma operadora,
dever-se-á definir também uma periodicidade para realizar Testes de Rodagem no Campo, em
lotes de sapatas de freio até mesmo já em utilização, ou seja, recentemente aprovados no
Ensaio Tribológico de Pino sobre Disco pelo processo comparativo de desempenho, o que
permitirá revalidar e até atualizar as proporcionalidades relativas de desempenho anteriormente
estabelecidas.
