Corrugação em trilhos EFVM: Diagnóstico, classificação e
proposta de tratamento.
Decio Vincenzi¹*, Renato Lataliza², Rodrigo Franco³, Sebastião Nobre4
1
Engenharia Ferroviária Vale S.A - EFVM, Av. Dante Michelini, 5500 29090-900 Vitória, ES – Brasil
Gerencia de Engenharia e Melhoria Operacional - EFVM, Rua Cristiane Geomaia, 95 35960-000
Santa Bárbara, MG – Brasil
³ Gerência de Manutenção Preventiva de Via Permanente – EFVM, Vale S.A., Praça João Paulo
Pinheiro, s/n, 35010-330, Governador Valadares, MG - Brasil
4
Engenharia Ferroviária Vale S.A - EFVM, Av. Dante Michelini, 5500 29090-900 Vitória, ES – Brasil
2
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Resumo
Os índices de transporte crescentes em ferrovias Heavy-Haul aumentam a probabilidade de
surgirem problemas crônicos em sua estrutura. Um deles, e já conhecido no ramo ferroviário, é a
corrugação em trilhos. Tal problema causa danos aos elementos ferroviários de superestrutura,
infraestrutura e material rodante. O presente trabalho apresenta o diagnóstico realizado através de
inspeção em campo para coleta de dados, consolidação das informações, simulação da elipse do
contato roda-trilho nos locais que apresentam o problema e análise quanto aos efeitos dinâmicos. A
partir daí foi proposta uma classificação segundo S. L. Grassie e posteriormente o devido
tratamento para cada causa apontada.
Palavras-Chaves: Via Permanente; Trilhos; Corrugação.
1. INTRODUÇÃO
A centenária Estrada de Ferro Vitória a Minas
(EFVM) duplicada na década de 70 conta hoje
com 1521 km de extensão de linha tronco e
transporta atualmente 150 milhões de
toneladas úteis por ano (das quais 80% são
minério de ferro). Com características
peculiares, a EFVM é uma ferrovia sinalizada e
possui carga por eixo de 27,5 t/eixo em bitola
métrica sendo que 47% de sua extensão são
curvas cujo raio mínimo é de 127,8m e médio
de 527m.
Ao longo dos últimos anos o volume nessa
ferrovia tem aumentado consideravelmente,
passando de 161 milhões de toneladas brutas
trafegadas (MTBT) em 2000 para 206 MTBT
em 2014. Devido à este constante aumento de
transporte, algumas falhas crônicas vêm se
mostrando mais frequentes, como por
exemplo a corrugação em trilhos.
Estes problemas crônicos demandam estudos
cada vez mais detalhados e que correlacionem
os mecanismos identificados em laboratórios
aos presentes em campo para a identificação
da melhor solução possível.
Com o intuito de dar um diagnóstico mais
assertivo, o trabalho apresenta uma detalhada
revisão bibliográfica, bem como a metodologia
utilizada para a definição do tratamento à
causa
do
problema,
passando
pelo
diagnóstico realizado através de inspeção em
campo para coleta de dados, consolidação das
informações, simulação da elipse de contato e
análise quanto aos efeitos dinâmicos.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1.
Efeitos Dinâmicos
De acordo com Read, IHHA 2009, p. 1-62 [1],
as cargas dinâmicas são constituídas de
irregularidades na superfície de contato
roda/trilho tais como calo de roda, soldas
canoadas, juntas e corrugação, bem como as
descontinuidades na superfície de rolamento
encontrados em AMV´s. Estas condições
produzem dois incrementos distintos de
amplificação da força dinâmica que são
comumente referidos como as forças P1 e P2:
- A força P1 é a oscilação da massa da via na
rigidez do contato roda/trilho. Tal como
mostrado na figura abaixo, a duração da força
de P1 é da ordem de alguns milissegundos e a
frequência é maior do que 500 Hz. O efeito da
força de P1 está confinada ao contato
roda/trilho e não penetra na estrutura de apoio.
A magnitude da força P1 é regulada pela forma
da irregularidade e velocidade do material
rodante (forças P1 tendem a aumentar
linearmente com o aumento da velocidade),
mas não é afetada pela rigidez da via.
- A força P2 é a oscilação da massa não
suspensa do material rodante no suporte
rígido da via. Como mostrado na figura a
seguir, a frequência da força P2 é geralmente
entre 50 e 100 Hz (10 a 20 milésimos de
segundo de duração). As forças de impacto P2
afetam
principalmente
os
dormentes,
almofadas (pad´s) e fixações. Dormentes de
concreto, devido à sua rigidez e resiliência, em
comparação com dormentes de madeira, são
particularmente suscetíveis a danos causados
por forças P2. A magnitude das forças P2 é
influenciada pela rigidez elástica do suporte da
via, principalmente a rigidez das almofadas
dos dormentes, mas este é um efeito
secundário. A maneira mais eficaz de
gerenciar a força de P2 é remover a
irregularidade ou controlar sua gravidade e/ou
reduzir a massa não suspensa do material
rodante com elementos de suspensão
primários.
No caso do canoamento de soldas, a origem
frequentemente se dá na região da Zona
Termicamente Afetada (ZTA). Essa região
possui uma área menos afetada (em torno de
19mm) e uma área mais afetada (em torno de
7mm) que apresenta durezas até 25% abaixo
da dureza de referência do trilho base
conforme figura a seguir:
Figura 2 - Ilustração indicando região termicamente
afetada (fonte: Baker W.; Martins M., [2])
De acordo com a elipse de contato, a área
mais afetada pode ter extensão tal que receba
toda a carga no ponto mais frágil conforme o
mecanismo ilustrativo a seguir:
Figura 3 - Tensões a partir da elipse de contato
(fonte: Baker W.; Martins M., [2])
Dada a concentração de tensões neste ponto
com dureza menor, ocorre o encruamento a
frio e portanto o chamado canoamento na
solda.
Figura 4 - Canoamento da solda (fonte: Baker W.;
Martins M., [2])
Figura 1 - Conceito de forças P1 e P2 na passagem
de roda sobre uma solda canoada (Fonte: Read, p.
1-63 [1])
2.2.
Definição de Corrugação
De acordo com Dan Stone et. al., p. 3-5 [1],
como discutido há mais de 20 anos,
corrugação de ondas longas (entre 200mm e
500mm) se desenvolve devido à deformação
plástica da superfície do trilho. Isso ocorre
devido à excessivas tensões do contato
roda/trilho que excedem o limite de
escoamento do material, juntamente com a
combinação da ressonância vertical da massa
não suspensa (ex: truque) e da via.
2.3.
Fatores de influência
Segundo Dan Stone et. al., p. 3-5 [1], este
fenômeno é agravado por todos os fatores
listados abaixo que levam a maiores cargas
dinâmicas
e
maior
impacto,
consequentemente altas tensões de contato e
deformação plástica da superfície do trilho,
são elas:
- Cargas por eixo elevadas;
- Altas velocidades, que aumentam as cargas
dinâmicas;
Depressões
verticais
maiores
em
soldas/juntas, que aumentam as cargas de
impacto;
- Maior rigidez na via, que aumentam as
cargas dinâmicas/impacto;
- Maior rigidez da suspensão do truque, que
aumentam as cargas dinâmicas/impacto;
- Maior atrito/escorregamento no contato
roda/trilho, o que reduz o limite de
escoamento;
- Trilhos com baixa dureza, o que aumenta a
propensão para a deformação plástica do
material;
- Pouca correspondência entre os perfis de
roda e do trilho, o que leva à tensões mais
elevadas.
2.4.
Danos causados pela Corrugação
Ainda segundo Dan Stone et. al., p. 3-5 [1], o
desenvolvimento incontrolado da corrugação é
uma grande preocupação porque aumentam
as cargas dinâmicas das rodas (e vibrações), e
portanto a taxa de deterioração e falha de
vários componentes da via e do material
rodante. Os trilhos, portanto, exigem mais
esforço de manutenção (esmerilhamento) em
intervalos mais curtos. Além disso, a
corrugação
também
aumenta
significativamente o ruído no contato
roda/trilho e ocasionam um maior consumo de
combustível.
2.5.
Classificação da Corrugação
De acordo com Grassie, [3], temos:
Os tipos mais comuns de corrugação que
foram documentadas na literatura podem ser
classificados de acordo com o comprimento de
onda e os mecanismos de danos, como
mostra a Tabela 1 a seguir:
Para o cálculo da frequência de onda:
os tratamentos propostos têm sido igualmente
satisfatórios. O tratamento adotado é a
utilização de trilhos de alta dureza para
resistirem à deformação plástica combinado
com uma rotina de esmerilhamento para
reduzir irregularidades que excitam a
ressonância tipo P2.
Figura 5 - Esquemático de comprimento de onda
com fórmula
2.6.
Corrugação do Tipo Heavy Haul [2]
De acordo com o próprio nome, esse tipo de
corrugação refere-se à ocorrência tipicamente
em ferrovias de carga pesada, o resumo
encontra-se na Tabela 1 e um exemplo é
mostrado na figura 6. A escassez de literatura
nessa área nos últimos 15 anos, sugere
fortemente não só que o problema é
satisfatoriamente entendido, mas também que
Figura 6 - Corrugação tipo Heavy Haul (Grassie,
[3])
Corrugação tipo Heavy Haul está associado na
literatura com tangentes e trilhos externos em
curvas apesar de existirem algumas
evidências de ocorrências também nos trilhos
internos de ferrovias com tráfego misto, onde
nesse caso, o mecanismo é o mesmo em
ferrovias de carga mais leve. Para que o trem
realize a curva a uma velocidade equilibrada, a
relação de tração é superior no trilho externo
do que no trilho interno para quase todas as
circunstâncias. Portanto, é razoável esperar
que a deformação plástica ocorra mais
prontamente no trilho externo nestas
condições. No entanto, quando um truque
entra em uma curva com excesso de
inclinação, a relação de tração no trilho interno
aumenta significativamente porque a roda
traseira se move em direção ao trilho interno e
a frontal se desloca para o trilho externo,
aumentando assim o ângulo de ataque.
Existem altas cargas laterais no primeiro eixo,
roda do trilho interno e também altas tensões
de contato, porque o contato tende a ocorrer
para o lado do campo da roda, que muitas
vezes é ligeiramente convexo. A deformação
plástica, na direção do interior da curva, é
consistente com as forças laterais que surgem
a partir do ângulo de ataque do eixo dianteiro.
Onde a corrugação ocorre por este
mecanismo no trilho interno em linhas de
tráfego misto, muitas vezes é porque a linha foi
inclinada para alguns trens de maior
velocidade, ao passo que o tráfego mais
prejudicial é o de carga por eixo superior com
velocidade muito baixa.
3. DESENVOLVIMENTO
3.1.
Inspeção de Auto de Linha
Afim de mapear os pontos mais críticos ao
longo da ferrovia, fora realizada uma inspeção
prévia com auto de linha para priorização dos
locais na região de Costa Lacerda e Ramal de
Fábrica na Estradade Ferro Vitória a Minas:
Figura 8 - Inspeção de Auto de Linha para
identificação dos locais mais críticos
Um exemplo é mostrado na figura a seguir
com o defeito tipo spalling que se desenvolveu
a partir de RCF no vale de uma corrugação.
Parece mais provável que o RCF é uma
consequência das elevadas cargas no vale de
tal corrugação ao invés de sua causa.
Figura 9 - Identificação dos locais mais críticos
Figura 7 - Spalling na região do vale da corrugação
3.2.1. Primeiro ponto inspecionado – EH
81/82 Km 30+650
As características do local seguem abaixo
conforme dados de inspeção:
Figura 10 - Medição da amplitude de alguns pontos
de corrugação
3.2.
Inspeção nos Locais priorizados
No dia seguinte à inspeção de auto de linha,
iniciou-se a inspeção detalhada nos locais
priorizados:
Utilização do Miniprof para a medição dos
perfis:
Figura 13 - Corrugação com presença de flaking
leve
Figura 11 - Utilização do Miniprof para a medição de
perfis
Figura 14 - Trilho anterior ao assentado. Nippon
2010 com flechas de 2,1mm
3.2.2. Segundo ponto inspecionado – EH
81/82 Km 27+900
As características do local seguem abaixo
conforme dados de inspeção:
Figura 12 - Referências do Miniprof para medições
Na sequência, os pontos mais altos (picos) e
os mais baixos (vales) ao longo da corrugação
foram medidos com o miniprof para
determinação da amplitude e medidos os
comprimentos de onda para a determinação
da frequência conforme segue:
Tabela 2 - Tabela de medidas do ponto 27+900
Figura 15 - Corrugação em ambas as linhas
Linha 2 - 27+900 - T3 - Ext
Ponto
W1 (mm) Distância (mm) Acumulado (mm) W2 (mm) W3 (mm)
Ponto 1
1,638
150
0
14,047
12,923
Ponto 2
3,031
140
150
14,662
13,41
Ponto 3
1,535
160
290
14,274
13,154
Ponto 4
3,355
150
450
14,945
13,648
Ponto 5
1,435
140
600
14,078
12,98
Ponto 6
2,917
150
740
14,484
13,255
Ponto 7
1,474
160
890
14,152
13,03
Ponto 7'
2,407
150
1050
14,481
13,288
Ponto 8
1,866
140
1200
14,198
13,06
Ponto 9
2,261
150
1340
14,146
12,985
Ponto 10
1,361
160
1490
13,777
12,68
Ponto 11
2,831
150
1650
14,077
12,839
Ponto 12
1,523
140
1800
13,593
12,482
Ponto 13
2,637
150
1940
13,574
12,398
Ponto 14
1,615
160
2090
13,15
12,042
Ponto 15
2,844
150
2250
13,423
12,2
Ponto 16
1,699
140
2400
12,918
11,807
Ponto 17
2,327
150
2540
12,897
11,738
Ponto 18
2,1
160
2690
12,531
11,403
Ponto 19
2,313
150
2850
12,581
11,451
Ponto 20
2,239
140
3000
12,525
11,369
Ponto 21
2,413
150
3140
12,654
11,491
Ponto 22
1,911
160
3290
12,336
11,231
Ponto 23
2,573
150
3450
12,543
11,36
A partir das medições, temos o seguinte
comportamento:
Figura 16 - Pontos de laqueado ao longo da curva
Pontos de deterioração da brita do lastro são
indicativos de laqueado, o que sugere rigidez
no lastro.
Gráfico 1 – Representação gráfica da corrugação
27+900 (fora de escala)
3.2.3. Terceiro ponto inspecionado – EH
10V/11I Km 83+310
As características do local seguem abaixo
conforme dados de inspeção:
Figura 17 - Região de ZTA da solda com início de
corrugação. Flecha de 1,7mm.
Ponto indicando o início da corrugação
partindo da região de solda elétrica.
Figura 19 - Pontos de medição do perfil
Figura 18 - Corrugação com pontos de flaking nos
vales
Na sequência, os pontos mais altos (picos) e
os mais baixos (vales) ao longo da corrugação
foram medidos com o miniprof para
determinação da amplitude e medidos os
comprimentos de onda para a determinação
da frequência conforme segue:
Gráfico 2 - Comparando PT1 com PT2, W1 =
1,608mm, distância entre os pontos: 160mm
Gráfico 3 - Comparando PT2 com PT3, W1 =
1,765mm, distância entre os pontos: 150mm
- Carga nominal de 110 t e 90% de fator
dinâmico.
O centro das elipses define a posição de
contato com o trilho, sendo a posição (0,0) o
tape line da roda centrado do trilho.
Gráfico 4 - Comparando PT3 com PT4, W1 =
2,021mm, distância entre os pontos: 155mm
Gráfico 5 - Comparando PT4 com PT5, W1 =
1,585mm, distância entre os pontos: 120mm
Gráfico 7 - Simulação da elipse de contato (Fonte:
Santos, [4])
Tabela 3 - Pontos de medição ponto 83+310
Ponto
Ponto 1
Ponto 2
Ponto 3
Ponto 4
Ponto 5
Trilho externo 83+310 – EH 10V/11I
W1 (mm) Distância (mm) Acumulado (mm) W2 (mm) W3 (mm)
3,042
0
0
9,871
8,687
1,837
160
160
9,476
8,434
3,684
150
310
10,64
9,252
1,459
155
465
9,752
8,716
3,204
120
585
10,728
9,504
Gráfico 6 - Representação gráfica da corrugação
27+900 (fora de escala)
Dada a velocidade local: 60 km/h e amplitude
média de 300mm, podemos determinar a
frequência: 55,6 Hz.
Após o levantamento de campo, os dados
foram tratados e realizada uma simulação
(através do software NUCARS) da elipse de
contato no ponto 3 considerando os seguintes
parâmetros:
- Perfil do ponto 3 supra-citado;
- Roda de 33” de diâmetro e perfil AAR 1A-NF;
- Bitola de eixamento 912 mm e da via
1000mm;
Elipse menor que os 19mm da ZTA teórica
citada na revisão bibliográfica, o que
potencializa a evolução do defeito de
canoamento em solda.
4. CONCLUSÃO
Dadas as informações obtidas durante a
inspeção, frequência de 55,6 Hz e como
mecanismo de dano a deformação plástica do
trilho, a classificação da corrugação é, a já
esperada, do tipo Heavy Haul. Portanto há
grandes indícios de que o mecanismo de
propagação é a ressonância de P2,
ocasionada por defeitos e deformidades nos
trilhos (ex.: soldas canoadas, defeitos
superficiais, etc).
As causas prováveis e que devem ser
investigadas mais detalhadamente, são:
Superelevação
excessiva
causando
deformação no trilho interno;
- Rigidez na via potencializando o processo de
ressonância;
- Zona termicamente afetada em soldas muito
grandes potencializando o canoamento de
soldas;
- Atrito elevado, reduzindo o limite de
escoamento;
- Trilhos com dureza moderada, o que
aumenta a propensão para a deformação
plástica do material;
- Pouca correspondência entre os perfis de
roda e do trilho, o que leva à tensões mais
elevadas.
5. RECOMENDAÇÕES
Como tratamento, é mais do que conhecido
que o esmerilhamento é o método mais
efetivo, porém, dado que essa prática não é
realizada
no
referido
local
seguem
recomendações:
- Revisão das superelevações;
- Remoção de laqueados melhorando a
elasticidade da via;
- Recuperação/remoção de soldas canoadas
ou alguma outra depressão vertical que possa
propagar a corrugação através de P2;
- Estudo sobre alternativas de redução da ZTA
em soldas elétricas;
- Utilização de lubrificação para redução do
atrito;
- Utilização de trilhos super-premium de alta
dureza (acima de 400HB);
Tendo esses pontos citados, a proposta de
ação imediata é:
- Realização de teste de redução da
superelevação em alguns pontos com
corrugação;
- Realização de teste para avaliação do
desempenho de trilho super-premium (durezas
acima de 400HB) em pelo menos um destes
elementos;
Estabelecimento
de
parâmetro
de
classificação de vias corrugadas e inserir tal
conceito na rotina de inspeção da EFVM
conforme a seguir:
- Trilho A: Sem corrugação;
- Trilho B: Corrugações entre 0,5 e 1,0mm
medidos com régua e cunha graduada;
- Trilho C: Corrugações entre 1,0 e 1,5mm
medidos com régua e cunha graduada;
- Trilho D: Corrugações acima de 1,5mm.
8. REFERÊNCIAS
[1] Guidelines to best practices for heavy haul
railway operations – infrastructure
construction and maintenance issues,
IHHA 2009.
[2] Baker, W.; Martins, M. – Rail Weld
Performance
Improvement,
Evraz
Presentation at Vale, 2015.
[3] Grassie, S. L. – “Rail corrugation:
characteristics, causes, and treatments”,
Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers, Vol. 223, Part F
Journal of Rail and Rapid Transit, paper
review, 2009
[4] Santos, G. F. M. – Simulação da elipse de
contato. Acervo Vale, 2015.