Ferrovias
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patriciasantana26 de Junho de 2015

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Monografia_Performance de Trilhos

ESTUDO DO DESGASTE DE TRILHOS FERROVIÁRIOS

Fernanda Bittencourt Macêdo

MONOGRAFIA SUBMETIDA À COORDENAÇÃO DE CURSO DE ENGENHARIA

DE PRODUÇÃO DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA

COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA PRODUÇÃO.

Aprovada por:

________________________________________________

Prof. Marcos Martins Borges, D. Sc.

________________________________________________

Prof. Eduardo Breviglieri Pereira de Castro, D. SC.

________________________________________________

Guilherme Scagion Gazabim

JUIZ DE FORA, MG – BRASIL

JUNHO DE 2009

ii

Macêdo, Fernanda Bittencourt.

Estudo do desgaste de trilhos ferroviários / Fernanda Bittencourt Macêdo. -- 2009.

41 f. : il.

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Produção)-Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora, 2009.

1. Ferrovias. 2. Trilhos. 3. Trilhos - defeito. I. Título

CDU 625.1

iii

DEDICATÓRIA:

Dedico este trabalho primeiramente aos meus pais, com quem pude contar em todos os

momentos, e àqueles que me ajudaram a atingir o objetivo de me tornar Engenheira de

Produção.

iv

AGRADECIMENTOS:

Primeiramente a Deus pelo dom mais precioso, a vida.

Agradeço a minha família e amigos, que me possibilitaram chegar até aqui e sempre

estiveram presentes nas horas mais difíceis.

Aos mestres, que se dedicaram a me ensinar muito do que sei hoje.

Ao professor e orientador, Marcos Martins Borges, pelo auxílio, paciência,

direcionamento e tranquilidade que foram fundamentais para a conclusão deste trabalho.

A MRS Logística, maior incentivadora na escolha do tema a ser abordado.

O meu muito obrigado a vocês, não somente pelo conhecimento passado, mas

também pelo carinho dedicado.

v

Resumo da monografia apresentada à Coordenação de Curso de Engenharia de Produção

como parte dos requisitos necessários para a graduação em Engenharia Produção.

ESTUDO DO DESGASTE DE TRILHOS FERROVIÁRIOS

Fernanda Bittencourt Macêdo

Junho/2009

Orientador: Marcos Martins Borges, DSc

Curso: Engenharia de Produção

O trilho é sem margem de dúvidas o componente mais importante da superestrutura

ferroviária. É tecnicamente considerado o principal elemento de suporte e guia dos veículos

ferroviários, e economicamente detém o maior custo dentre os elementos estruturais de via.

Assim sendo, torna-se imprescindível o uso adequado e racional desse material. Para tal,

este estudo fundamenta-se na conceituação do desgaste dos trilhos, destacando não

somente as normas de utilização, mas também suas funções, características técnicas do

material, processo de fabricação, os defeitos e os limites de tolerância tradicionalmente

aceitos, para que se possa evitar ao máximo sua substituição, devido ao alto custo

envolvido e também a questão da segurança da via que, dependendo do defeito, pode ser

comprometida. Para a realização do trabalho foi realizada uma pesquisa bibliográfica,

objetivando reunir informações sobre o assunto e levantar dissertações existentes que

buscam solucionar tais problemas.

Palavras-chave: Ferrovia. Via Permanente. Trilho. Desgaste de trilho. Defeitos de trilho.

Juiz de Fora

Junho – 2009

vi

Abstract of the monograph presented to the Coordination of the Production Engineering

Course as part of the necessary requirements for graduating in Production Engineering.

STUDY OF WEAR OF RAIL TRAILS

Fernanda Bittencourt Macêdo

June/2009

Advisor: Prof. Marcos Martins Borges, Dr.

Course: Production Engineering

The trail is no room for doubt the most important component of the railway superstructure. It

is technically considered the main element of support and guidance of railway vehicles, and

has the greatest economic cost from the structural elements of track. Therefore, it is

essential to rational and appropriate use of that material. To this end, this study is based on

the concept of wear on the rails, highlighting not only the rules of use, but their functions,

technical characteristics of the material, the manufacturing process, the defects and the

traditionally accepted boundaries of tolerance, to can prevent up to its replacement, due to

the high cost involved and also the issue of security by which, depending on the defect, may

be compromised. For the implementation of the work was done a literature search, to gather

information on the subject and raise existing essays that seek remedy such problems.

Key-Words: Railroad. Road Permit. Trail. Trail wear on. Defects in trail.

.

Juiz de Fora

June/2009

vii

SUMÁRIO

Capítulo I............................................................................................................................... 1

1.1. Apresentação......................................................................................................... 1

1.2. Objetivos................................................................................................................ 2

1.3. Justificativa do Tema ............................................................................................. 2

1.4. Condições de Contorno ......................................................................................... 2

1.5. Metodologia ........................................................................................................... 2

Capítulo II.............................................................................................................................. 4

2.1. O aparecimento das Estradas de Ferro ................................................................. 4

2.2. As Estradas de Ferro no Brasil .............................................................................. 5

2.3. Superestrutura ferroviária ...................................................................................... 6

2.4. Perfil do trilho......................................................................................................... 9

2.5. Fabricação dos trilhos...........................................................................................10

2.5.1. Composição do aço para trilhos ....................................................................11

2.5.2. Processos de fabricação ...............................................................................11

Capítulo III............................................................................................................................13

3.1. A via férrea, os trilhos e seu desgaste ..................................................................13

3.1.1. Defeitos de Fabricação .................................................................................14

3.1.2. Defeitos originados em serviço .....................................................................16

3.2. Contato roda-trilho ................................................................................................21

3.3. Limites de uso do trilho .........................................................................................25

3.4. Esmerilhamento....................................................................................................29

3.5. Exemplo prático de defeito de desgaste ...............................................................31

Capítulo V ............................................................................................................................35

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .....................................................................................37

viii

SUMÁRIO DE FIGURAS

Figura 01: Primeira Locomotiva a vapor............................................................................

Figura 02: Elementos da via permanente..........................................................................

Figura 03: Bitola de via......................................................................................................

Figura 04: Perfil Vignole....................................................................................................

Figura 05: Padronização da AREMA para a estampa de trilhos.......................................

Figura 06: Processos de fabricação do trilho....................................................................

Figura 07: Segregação do aço..........................................................................................

Figura 08: Defeito causado por sujeira no aço..................................................................

Figura 09: Trinca transversal.............................................................................................

Figura 10: Trilho com desgaste.........................................................................................

Figura 11: Perfilógrafo.......................................................................................................

Figura 12: Deformação plástica.........................................................................................

Figura 13: Corrugação claramente visível.........................................................................

Figura 14: Carro-controle...................................................................................................

Figura 15: Contato roda-trilho............................................................................................

Figura 16: Superfície de contato roda-trilho......................................................................

Figura 17: Contato de 1 ou 2 pontos entre o friso e a roda...............................................

Figura 18: Ângulo trilho novo.............................................................................................

Figura 19: Ângulo trilho desgastado..................................................................................

Figura 20: Roda nova e trilho usado..................................................................................

Figura 21: Desgaste lateral................................................................................................

Figura 22: Desgaste vertical..............................................................................................

Figura 23: Esquema do gabarito de desgaste do boleto de trilhos...................................

Figura 24: Gerenciamento do TR-57.................................................................................

Figura 25: Gerenciamento do TR-68.................................................................................

Figura 26: Trem esmerilador MRS....................................................................................

Figura 27: Trem esmerilador Speno..................................................................................

Figura 28: Trilho desgastado.............................................................................................

Figura 29: Simulação de um acidente ferroviário..............................................................

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ix

SUMÁRIO DE TABELAS

Tabela 01: Máximo desgaste do boleto.............................................................................

Tabela 02: Limite de desgaste do boleto para trilhos de segunda-mão............................

26

27

1

Capítulo I

INTRODUÇÃO

1.1. Apresentação

O sistema ferroviário é um importante modal no país, principalmente para o

transporte de cargas. Economicamente interessante para as ferrovias, seria terem tempos

de viagem mais curtos (transit time), além de maior capacidade de cargas a transportar,

aumentando a competitividade do sistema. Isto seria conseguido com o aumento da

velocidade e da capacidade de carga das vias.

Torna-se, dessa forma, necessário que a segurança da via seja preservada,

mantendo a integridade, a confiabilidade do sistema e o conforto, sobretudo, em linhas de

passageiros.

Uma consequência lógica das maiores velocidades e cargas por eixo nas vias,

porém, é o aparecimento de defeitos e o aumento de desgastes na via ao longo do tempo.

Neste tipo de transporte, como se sabe, o veículo é guiado sobre trilhos metálicos

através de rodas também metálicas. O contato roda-trilho causa desgaste em ambos os

elementos, sendo que as tensões de contato, que ocorrem numa pequena área, são

responsáveis pelo surgimento de muitos defeitos nos trilhos (MAGALHÃES, 2000).

O aumento da velocidade e das cargas altera a dinâmica do contato e, com isso, os

defeitos têm aumentado muito nas últimas décadas, e os desgastes evoluíram rapidamente,

tornando-se uma preocupação para os engenheiros ferroviários.

Com a maior incidência desses defeitos e com o rápido desgaste da via, aumentam

os cuidados com a manutenção requerida pelo sistema. Assim, o desgaste dos trilhos,

quando atinge determinado limite, passa a exigir a substituição dos mesmos. Devido ao alto

custo do material e da manutenção envolvidos na operação, a engenharia ferroviária busca

meios de atenuar estes problemas sem afetar o desenvolvimento do sistema.

Pesquisas abrangendo o desenvolvimento de novos materiais, a alteração das

características do aço, incluindo a purificação e aumento da dureza, o desenvolvimento de

novos perfis de trilho e a dinâmica da interação roda-trilho, são realizadas a fim de

possibilitar a aplicação de perfis com contato roda-trilho otimizados.

O que estes estudos buscam são meios de aumentar a vida útil dos trilhos,

postergando sua troca e assim reduzindo os custos de manutenção, pois a vida útil dos

trilhos está relacionada com seu limite de desgaste. Segundo Brina (1979), o perfil de um

2

trilho novo apresenta uma determinada seção e, com o tráfego, vai se desgastando, ou seja,

perdendo material, tendo sua seção diminuída.

Ao longo da malha ferroviária brasileira, podem-se encontrar trilhos com

características distintas, de diversos fabricantes, tamanhos e composições químicas, o que

faz com que cada trilho tenha um desempenho diferente.

Com isso, vem a necessidade do melhor entendimento desse desempenho dos

trilhos de via férrea.

1.2. Objetivos

O presente estudo tem como objetivo apresentar o tema Desgaste de Trilhos,

destacando o seu desempenho, critérios de desgaste, funções, processo de fabricação e

características técnicas do material, a fim de compreender o que leva a sua substituição

frente ao intenso tráfego de trens e conhecer seus limites de tolerância tradicionalmente

aceitos.

1.3. Justificativa do Tema

O trilho é um componente fundamental no sistema ferroviário e também o ativo de

maior custo da via permanente. Para otimizar o seu uso são necessários estudos de sua

vida útil e formas de desgaste, pois a segurança e a eficiência devem sempre ser mantidas.

Vale ressaltar que a oportunidade de observar durante o estágio tais características, serviu

como base para a realização deste trabalho.

1.4. Condições de Contorno

Com base na revisão da literatura existente que trata do tema, são apresentados os

aspectos relevantes destacados pelos autores, no que tange a via permanente das

ferrovias, com foco na performance dos trilhos assentados ao longo da malha ferroviária

brasileira. Necessário se faz enfatizar, entretanto, a notada escassez de literatura versando

sobre o assunto. As produções dos autores, com raras exceções, datam de mais de uma

década, demonstrando que o assunto perdeu o interesse acadêmico por um longo período,

devido à grave estagnação sofrida pelo transporte ferroviário brasileiro. Após a privatização

deste serviço, com a retomada do modal ferroviário, espera -se que as pesquisas

acadêmicas voltem-se mais intensamente para o setor, resultando na produção de novos

materiais bibliográficos atendendo a demanda crescente por conhecimento específico na

área de ferrovias.

1.5. Metodologia

3

A partir da escolha do tema Desgaste dos Trilhos como foco dos estudos, o

levantamento das informações pertinentes consiste em revisões bibliográficas em artigos,

teses e livros publicados acerca do assunto e a abordagem do “estado da arte” sobre o

conhecimento envolvido na elaboração do trabalho. Ao final deste, é apresentado um

exemplo prático acerca do desempenho dos trilhos frente à circulação dos trens de carga

em uma empresa do ramo ferroviário.

4

Capítulo II

CONCEITOS BÁSICOS

Buscando a familiarização dos termos utilizados neste trabalho e a facilitação do

entendimento geral, segue de forma sucinta uma apresentação dos principais conceitos e

relações envolvidos com a performance de trilhos.

2.1. O aparecimento das Estradas de Ferro

Diversos países europeus utilizavam ferrovias desde o início do século XVI. No

entanto, estas ferrovias destinavam-se principalmente para o transporte do carvão e minério

de ferro extraídos de minas subterrâneas. De acordo com Duval e Magalhães (2006), as

ferrovias de mineração consistiam de dois trilhos de madeira que penetravam até o interior

da mina. Homens ou cavalos puxavam os vagões munidos de rodas ou frisos ao longo dos

trilhos. Os vagões moviam-se com mais facilidade sobre os trilhos do que sobre a terra

cheia de sulcos e enlameada, ou sobre o chão das minas.

No início do séc. XVIII, as companhias de exploração de carvão da Inglaterra

iniciaram a construção de pequenas estradas de trilhos de madeira para transportar carvão

na superfície e no subsolo. Cavalos tracionavam uma sucessão de vagões sobre os trilhos.

Em meados do séc. XVIII os trabalhadores começaram a revestir os trilhos de madeira com

tiras de ferro a fim de torná-los mais duráveis.

Neste período, inventores desenvolviam a máquina a vapor. Segundo Duval e

Magalhães (2006), no início do séc. XIX, o inventor inglês Richard Trevithick construiu a

primeira máquina capaz de aproveitar a alta pressão do vapor. Montou-a sobre uma

subestrutura de quatro rodas planejada para se deslocar sobre trilhos. Em 1804, Trevithick

fez uma experiência com este veículo, puxando um vagão carregado com 9 toneladas de

carvão por uma extensão de 15 km de trilhos. Era a primeira locomotiva bem-sucedida do

mundo. Logo, outros inventores ingleses seguiram seu exemplo.

5

Figura 01 – Primeira Locomotiva a vapor

Fonte: http://pt.wikipedia.org

Um construtor de locomotivas inglês, George Stephenson, construiu a primeira

ferrovia pública do mundo, ligando Stockton a Darlington. Foi inaugurada em 1825 e cobria

uma distância de 32 km. Tornou-se a primeira ferrovia a conduzir trens de carga em horários

regulares. A segunda ferrovia de Stephenson foi entregue ao público em 1830. Tinha 48 km

de extensão e ligava Liverpool a Manchester. Tratava-se da primeira ferrovia a conduzir

trens de passageiros em horários regulares (BRINA, 1979).

Desta data em diante, ficou consagrada definitivamente a Estrada de Ferro, como

meio de transporte terrestre, tendo progredido rapidamente em todo o mundo.

2.2. As Estradas de Ferro no Brasil

Segundo Brina (1979), a ferrovia brasileira teve sua primeira tentativa de implantação

em 1835, quando o regente Diogo Antônio Feijó sancionou o Decreto 100, autorizando o

governo a conceder carta de privilégios para quem fizesse uma estrada de ferro do Rio de

Janeiro (então capital) para as províncias de Minas Gerais, Rio Grande do Sul e Bahia.

A construção da estrada de ferro se fazia necessária, pois o país necessitava dar

escoamento à produção dos produtos agrícolas destinados à exportação e ao

abastecimento interno.

Em 1840, o médico inglês Tomaz Cockrane, obteve concessão para fazer a ligação

ferroviária Rio de Janeiro – São Paulo com diversos privilégios. Entretanto, teve seu contrato

rescindido mais tarde, pois não conseguiu dar início a obra, após sucessivos pedidos de

adiamento.

Em 1852, a figura intrépida do Barão de Mauá construiu a ligação entre o Porto de

Mauá (no interior da Bahia de Guanabara) e a Raiz da Serra (Petrópolis). Somente em 30

de abril de 1854 foi inaugurada a Companhia Estrada de Ferro D. Pedro II, com 14,5 Km de

extensão percorridos com velocidade média de 38 Km/h (BRINA, 1979).

Em 15 de novembro de 1889 é proclamada a República e por aviso do Governo

Provisório, a partir de 22 de novembro a Estrada de Ferro D. Pedro II passa a denominar-se

Estrada de Ferro Central do Brasil.

6

O pontapé inicial havia sido dado e as companhias ferroviárias brasileiras

começaram a surgir. Muitos acontecimentos importantes (ampliação de linhas, surgimento

de novas companhias, o sucesso da ferrovia, competição com as rodovias, por exemplo)

foram registrados entre 1889 até os dias atuais.

2.3. Superestrutura ferroviária

O sistema ferroviário nasce da interação entre a Via Permanente (infra e

superestrutura) e Material Rodante (locomotivas e vagões), necessários ao transporte.

A via férrea é composta pela infra-estrutura, plataforma e o maciço adjacente, e pela

superestrutura viária, a qual será tratada a seguir.

A superestrutura ferroviária é um conjunto de quatro elementos heterogêneos que se

interagem para suprir as condições adequadas de suporte, pista de rolamento e guia para o

material rodante que por ela trafega.

Os elementos são: trilhos, dormentes, fixação e lastro, conforme ilustrado na figura

02. Além destes quatro elementos, alguns autores incluem o sublastro como o quinto

componente da superestrutura.

Figura 02 – Elementos da via permanente

Fonte: Duval e Magalhães (2006)

O sublastro é o elemento que está ligado à infra-estrutura da via. Segundo Paiva

(1999), é empregado para evitar a penetração do lastro no solo e a contaminação do lastro

por material fino decorrente do leito. A maior impermeabilidade do sublastro, em relação ao

solo, melhora a drenagem, evitando a erosão e a penetração da água no solo. É também

utilizado quando as condições do tráfego forem muito severas, ou ainda quando a altura do

lastro superar 40 centímetros, por razões econômicas, já que o material do lastro é

frequentemente mais caro que do sublastro.

O lastro é a camada de material granular que fica entre o sublastro e os dormentes.

Suas funções são: manter a superestrutura drenada, distribuir a pressão exercida pelos

7

dormentes à infra-estrutura, além de envolver lateral e longitudinalmente os trilhos e os

dormentes, impedindo a movimentação nesses sentidos.

Para desempenhar suas funções básicas, o lastro deve ter as seguintes

características:

 Natureza do material: apesar de ter sido muito usado no passado, a terra e areia não

preenchem as características recomendadas para o lastro. O mais usual é a pedra

britada, escórias de aciaria e cascalho quebrado.

 Granulometria (dimensões): em grandes dimensões as pedras de lastro dificultam o

nivelamento e principalmente a manutenção duradoura deste. Por outro lado,

dimensões muito pequenas acarretam a rápida colmatagem (atulhamento por

sedimentos), fazendo com que o lastro perca a elasticidade e a capacidade

drenante.

 Forma geométrica das partículas: é desejável que as partículas sejam de forma

cúbicas. Devem ser evitadas as de forma lamelar.

Por sua vez, o dormente é o elemento da superestrutura ferroviária que tem por

função receber e transmitir ao lastro os esforços produzidos pelas cargas dos veículos,

servindo de suporte dos trilhos, permitindo a sua fixação e mantendo invariável a distância

entre eles (bitola da linha),

Segundo definição de Schramm (1977), a bitola é a distância entre os dois trilhos da

linha, medida de 12 a 16 mm abaixo da superfície de rolamento do boleto (Figura 03). Varia

conforme o país, sendo que, no Brasil, são adotadas as seguintes bitolas: 1,00 m; 1,435m ,

1,60m e bitolas mistas, sendo preponderante a bitola métrica ou estreita, com 1,00 m.

Figura 03 – Bitola de via

Fonte: Technicontrol (2007)

Para atender aos requisitos de uma viga, o principal material usado como dormente

tem sido a madeira. Entretanto, outros materiais vêm ganhando terreno, como o concreto e

o aço (DUVAL e MAGALHÃES, 2006).

8

a) Madeira:

A madeira tem sido, tradicionalmente, o material ideal para atender as funções que

um dormente cumpre numa via permanente. Tem uma resistência mecânica

compatível com as necessidades, supre uma boa ancoragem à linha, é relativamente

leve, tem uma ótima trabalhabilidade e proporciona a elasticidade ideal na linha.

Além da qualidade da madeira, outros fatores têm influência na durabilidade dos

dormentes, tais como o clima, drenagem da via, peso e velocidade dos trens, tipo de

fixação do trilho usado, tipo do lastro, entre outros. Tratamentos químicos que eram

aplicados aos dormentes visando melhorar sua vida útil têm sido fortemente

combatidos pelas instituições protetoras do meio ambiente.

b) Dormente de concreto:

O concreto pode ser de dois tipos quanto à forma, o monobloco e o bi-bloco. Estes

dormentes têm apresentado resistência mecânica e ancoragem adequadas, já que

seus projetos são normalmente de acordo com a solicitação da ferrovia para onde

são planejados. Nas demais propriedades o concreto perde para a madeira.

Proporciona uma rigidez inadequada à linha e tem péssima trabalhabilidade. Seu

peso (mais de 300 kg) impede qualquer trabalho com os recursos convencionais de

equipamentos e mão-de-obra. Exige altos investimentos em equipamentos de grande

porte para seu manuseio.

c) Dormente de aço:

Este dormente tem propriedades muito próximas ao de madeira, superando-o no

tocante ao baixíssimo impacto ambiental, na melhor ancoragem e na maior vida útil.

Esta última é estimada entre 40 e 50 anos, contra os 16 anos da madeira. Em

contrapartida apresenta maior propensão a laqueados (depressão no leito da linha

onde a água penetra e fica confinada) sob situação de vibrações na linha

decorrentes do efeito de martelamento das rodas sobre algum defeito superficial dos

trilhos.

d) Dormente sintético:

Dormentes de material sintético, até produtos frutos da reciclagem, têm sido

desenvolvidos ultimamente. São normalmente com forma trapezoidal semelhante ao

de madeira. Estes materiais têm apresentado ótimas propriedades mecânicas, mas

um valor final financeiro muito alto, incapaz de fazer concorrência às demais opções.

O trilho de via férrea é sem margem de dúvidas o componente mais importante da

superestrutura. É tecnicamente considerado o principal elemento de suporte e guia dos

veículos ferroviários, e economicamente detém o maior custo. É composto por dois perfis

metálicos paralelos mantidos pelos dormentes.

9

A forma e o comprimento evoluíram gradativamente, até atingirem os perfis

modernos de grande seção e também seu peso, para permitir as pesadas cargas por eixos

dos trens modernos. Um dos fatores que contribuiu para isto acontecer, foi o rápido

desenvolvimento da tecnologia do aço.

Os trilhos cumprem duas funções principais: constituem a superfície de rolamento

pelo qual trafegam os veículos ferroviários, servindo como guia, e transmitem os esforços

decorrentes do movimento do veículo (carga dos eixos, esforços de aceleração e frenagem

e esforços devido à variação de temperatura) para a infra-estrutura viária.

Os trilhos requerem a máxima precisão para o alinhamento em planta e nivelamento

do perfil longitudinal, assim como adequada sobrelevação para poder permitir altas

velocidades e conforto, em tráfego que submete os trilhos a grandes esforços (TOGNO,

1973).

Ao apresentarem defeitos ou desgastes podem ser reaproveitados, observando-se

as classificações em função do desgaste sofrido na superfície de rolamento e no canto da

bitola do boleto, segundo a NBR 11693. Esta classificação que determina se o trilho pode

ser reaproveitado em via principal ou acessória, se pode ser reperfilado ou se deve ser

sucateado. A NBR 7599 define uma classificação para os trilhos com defeito, impróprios

para uso na via férrea, considerando os tipos e origem desses defeitos com a finalidade de

estudo sistemático das ocorrências.

Finalmente, as fixações e seus acessórios são utilizados para firmar os trilhos nos

dormentes.

2.4. Perfil do trilho

O perfil básico utilizado em trilhos ferroviários convencionais é o tipo Vignole, que é

composto por boleto, alma e patim, definido pela NBR 7590 e apresentado na figura 04.

A NBR 7650 define boleto como a parte do trilho destinada ao apoio e deslocamento

da roda ferroviária, e alma como a parte do trilho compreendida entre o boleto e o patim.

Este é definido como a base do trilho constituída pela massa mais longa do duplo T, através

do qual o trilho é apoiado e fixado nos dormentes.

Figura 04 – Perfil Vignole

Fonte: Semprebone (2005)

10

A classificação dos trilhos é feita pelo peso por metro linear. Se a caracterização de

um trilho for TR 68, significa que cada metro dele pesa 68 kg. A AREMA (American Railway

Engineering Association), uma associação americana ferroviária, padroniza a estampa dos

trilhos na sua alma a cada 19” ou 4,9 metros para que por meio desta, seja possível a

identificação do peso em libras por jardas, tipo daseção, método de eliminação de

hidrogênio, marca do fabricante, ano e mês delaminação como mostra a figura 05.

No mesmo esquema pode-se observar que existe outro tipo de marcação, existente

nos trilhos fabricados por lingotamento contínuo que também ocorre a cada 4,9 metros e

representa o tipo de trilho, o número da corrida, sua numeração serial, que representa

sua posição no lingote, número da valeta onde foi produzido e número da posição que

representa dentro dessa caneleta.

Figura 05 - Padronização da AREMA para a estampa de trilhos

Fonte: MRS PPCM Via (2005)

2.5. Fabricação dos trilhos

11

2.5.1. Composição do aço para trilhos

Para exercer a sua função de superfície de rolamento e suporte das cargas

transportadas pelos veículos, é necessário que o trilho tenha dureza, tenacidade,

elasticidade e resistência à flexão. Entre todos os materiais, é o aço o que oferece as

melhores vantagens no emprego na fabricação dos trilhos (BRINA, 1979).

Os principais componentes do aço e sua influência nas características fundamentais

são:

 Ferro: aproximadamente 98% da composição do trilho é o ferro, constituindo pois

como elemento básico do aço. É responsável pelo aumento da resistência mecânica,

mas por outro lado, diminui sua ductilidade, sua resistência ao choque e à

soldabilidade.

 Carbono: o carbono proporciona maior dureza ao aço, mas à medida que aumenta a

sua porcentagem, este pode se tornar quebradiço, principalmente se não for

reduzida a percentagem de fósforo. Portanto, segundo Duval e Magalhães (2006), à

medida que é aumentado o teor de carbono no aço do trilho, serão aumentadas a

resistência a tração, resistência ao desgaste e dureza. Em contrapartida, irá sofrer

redução no alongamento e crescer a fragilidade.

 Manganês: este metal aumenta a forjabilidade do aço, a temperabilidade, o limite

elástico e a resistência ao choque, apesar de diminuir a ductibilidade e fornecer ao

aço rico em manganês a tendência para trincar durante a fabricação. O manganês

encarece muito o preço do aço, sendo empregado principalmente nos trilhos de aço-

liga e em peças especiais como aparelhos de mudança de via (AMV).

 Silício: este elemento minimiza o efeito do desgaste e, indiretamente, é benéfico às

outras propriedades mecânicas por ser o principal agente desoxidante que ajuda a

evitar a formação de bolhas ou inclusões não metálicas.

 Fósforo: tem como principal característica negativa o aumento significativo da

fragilidade do aço. Desta forma, para o trilho, o fósforo deve ser considerado um

elemento exclusivamente nocivo e prejudicial às propriedades mecânicas desejadas.

2.5.2. Processos de fabricação

A fabricação dos trilhos é composta de vários processos que podem ser diferentes

de empresa para empresa, mas basicamente as etapas são:

1- Alto forno e tratamento a vácuo;

2- Lingoteira ou corrida contínua;

3- Reaquecimento e laminador desbastador;

4- Laminadores e corte a quente;

5- Rolos, prensas e alinhadores;

12

6- Resfriamento controlado dos trilhos.

De acordo com Brina (1979), a fundição produzida pelos altos fornos é uma liga de

ferro com alto teor de carbono, duro, frágil e não maleável. No curso de sua transformação

em aço, ao mesmo tempo em que se abaixa o teor de carbono, deve-se eliminar tanto

quanto possível as impurezas, como enxofre e fósforo, que se encontram em quantidades

variáveis nesta liga.

A tecnologia de fabricação do aço tem evoluído muito, obtendo-se atualmente aços

de alta qualidade, tendo em vista a destinação do mesmo.

O aço obtido da concha de fundição é vertido em moldes piramidais de fundo móvel,

chamados lingoteiras. Sua seção média é de 50 x 50 cm e contém aproximadamente cinco

toneladas de aço. Uma “corrida” dá de quatro a cinco lingotes.

Os fenômenos físico-químicos que se produzem durante a solidificação da liga, na

lingoteira, prejudicam a homogeneidade do aço e dão origem a vários defeitos, que poderão

prejudicar a peça resultante, quando em serviço. Estes defeitos serão descritos no próximo

capítulo.

Os trilhos são laminados a quente, a partir dos blocos provenientes dos lingotes. A

seção do trilho é obtida pela passagem sucessiva do bloco aquecido, numa série de

cilindros de laminação, projetados de tal modo que a fôrma retangular do bloco é

gradualmente desenvolvida na seção do trilho. Esta operação requer precisão de desenho

dos diversos contornos dos cilindros e uma supervisão constante na fase de laminação,

para obter a seção desejada.

Figura 06 – Processos de fabricação do trilho

Fonte: Arcelor Mital (2008)

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Para verificar a qualidade do lote de trilhos recebidos, existem diversos controles,

destrutivos e não destrutivos, alguns dos quais são citados abaixo:

 Teste de tração: analisa resistência, extensibilidade e ductilidade;

 Impacto: verifica a formação de trincas;

 Dureza Brinell: método da medição da dureza;

 Entalhe e fratura: trincas, esfoliações, cavidades, matéria estranha, estrutura

brilhante, granulação muito fina.

Capítulo III

DESGASTES E DEFEITOS EM TRILHOS FERROVIÁRIOS

3.1. A via férrea, os trilhos e seu desgaste

A superestrutura viária constituída por sublastro, lastro, dormente, trilho e fixações,

conforme citado anteriormente no item 2.3, deve cumprir duas funções: constituir a

superfície de rolamento para as rodas dos veículos ferroviários, servindo como guia, além

de transmitir os esforços decorrentes do movimento desses veículos para a infra-estrutura

viária, sendo o trilho o elemento responsável por cumprir estas duas funções, além de ser

parte integrante do sistema de transporte ferroviário, composto de veículo e via. Segundo

Rives; Pita e Puente (1977), o trilho, fundamento da via, é o elemento ativo da estrutura

ferroviária e está submetido a diversas ações procedentes do material rodante. O contato

roda-trilho pode produzir desgastes e fazer surgir defeitos que afetem sua regular utilização.

A via permanente, por isso, deve atender a requisitos mínimos de segurança e

conforto e, de acordo com Brina (1979), pode ter seus elementos substituídos quando o seu

desgaste atingir o limite de tolerância estabelecido ou quando a intensidade de tráfego, ou

ainda quando o aumento do peso do material rodante assim exija.

Nesse sentido, é importante destacar que o desgaste ou defeitos prematuros afetam

muito a exploração ferroviária, tendo em vista o custo do material e o de sua substituição,

além de comprometerem a segurança, pois uma fratura no trilho pode acarretar acidentes

de graves proporções, principalmente em trens de passageiros (BRINA, 1979).

Assim, é de suma importância um significativo conhecimento dos limites de desgaste

dos trilhos. Raras são as informações sistematizadas sobre esses limites, sendo que as

normas citadas por Brina (1979), Stopatto (1987) e Batist (2002) e aceitas atualmente

estabelecem um limite de desgaste de 25% da área do boleto. Este valor não se apresenta

claramente explicado ou fundamentado.

Os defeitos dos trilhos constituem também assunto de grande importância na

operação ferroviária, por afetarem não somente sua economia como sua segurança.

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A economia porque o desgaste ou avarias prematuras marcam pesadamente a

exploração ferroviária. Sua segurança porque uma fratura de trilho, consequencia de um

desgaste excessivo, pode acarretar em acidentes de graves proporções, sobretudo em trens

de passageiros.

Estes defeitos podem ser de dois tipos:

 Defeitos de Fabricação;

 Defeitos Originados em Serviço.

3.1.1. Defeitos de Fabricação

a) Vazio (Bolsa de Contratação)

Ocorrem quando dentro da estrutura do trilho ficam espaços (vazios) que surgem

como fruto de problemas na etapa de solidificação, ficando uma trinca ou fenda, diminuindo

a resistência da peça. É de difícil identificação a olho nu.

b) Segregação

De acordo com Colpaert (1974), o aço dissolve homogeneamente quase todo tipo de

impurezas. Ao solidificar, estas impurezas ficam insolúveis e tendem a segregar,

diferenciando-se no meio do metal. A esse acúmulo de impurezas nos lingotes e em certas

peças fundidas dá-se o nome de segregação. Como a solidificação começa da periferia para

o centro é nesta última região que a maior parte das impurezas irão se acumular.

Predominam os compostos de fósforo e enxofre, que são de pouca solubilidade no aço

sólido, segregando-se à medida que a temperatura cai.

Figura 07 – Segregação do aço

Fonte: Colpaert (1974)

c) Inclusões

Inclusões não metálicas, provenientes da escória do forno, do revestimento da

soleira e do revestimento da panela. Particularmente perigosa por ser de difícil descoberta.

Fontes potenciais de enfraquecimento do trilho, pela sua presença quebram a

homogeneidade do metal.

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Existem também inclusões gasosas, devidas aos gases que ficam na massa do

lingote.

Figura 08 – Defeito causado por sujeira no aço

Fonte: Petroni (2006)

d) Fissuras Transversais

São pequenas cavidades formadas no final da laminação que podem dar origem,

posteriormente, quando o trilho estiver sob carga, a uma fratura.

Figura 09 – Trinca transversal

Fonte: Petroni (2006)

e) Defeitos de Laminação

São perceptíveis à simples vista, no fim da laminação e não têm a princípio influência

na segurança. Consistem frequentemente em ondulações, rebarbas, pregas, etc.

Os defeitos de fabricação podem, quando o trilho estiver em uso, levá-lo à fratura, o

que causa inúmeros prejuízos à via. Os custos de uma fratura de trilho são:

 Inspeções, que podem ser feitas com aparelhos eletrônicos (ultrassônicos/carro-

controle) ou visuais (baseados na experiência), no restante da via;

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 Atraso de trens, causa grande prejuízo principalmente quando a carga tem prazo de

entrega restrito;

 Reparos na linha, trocas de trilhos, talas, solda;

 Descarrilamentos;

 Perda da confiabilidade no transporte ferroviário.

3.1.2. Defeitos originados em serviço

A significância dos defeitos é muito grande, tanto do ponto de vista econômico,

quanto para a segurança de circulação, visto que a presença de defeitos nos trilhos faz

surgir, ante as cargas de serviço, avarias ou rupturas nos mesmos.

Os defeitos de fadiga por contato de roda são um dos grandes fatores que obrigam

os departamentos de via permanente a repor os trilhos nas seções de intenso uso. Este tipo

de defeito é mais preocupante em ferrovias tipo heavy haul (minério de ferro), de tráfego de

cargas pesadas. A incidência de tais defeitos também se encontra nas ferrovias com cargas

reduzidas por eixo, mas com uma alta densidade de tráfico de alta velocidade. Estes

defeitos são geralmente difíceis de serem percebidos em seu desenvolvimento e têm grande

impacto econômico para as ferrovias, entretanto, não será foco deste estudo.

O desgaste dos trilhos tem sido considerado como fator fundamental na economia

ferroviária, desde os primeiros anos do século XIX, segundo Rives; Pita e Puente (1977). A

busca de uma maior resistência ao desgaste, unida à conservação de outras características

físicas, assim como a segurança contra rupturas, têm orientado a evolução do material dos

trilhos e dado lugar a inúmeros e recorrentes trabalhos sobre o tema.

O desgaste dos trilhos ferroviários é o que mais ocorre nas ferrovias brasileiras,

frente às fadigas de trilhos, como consequência do característico traçado sinuoso das vias.

O regime de desgaste geralmente ocorre na face de bitola do boleto de trilhos altos

localizados em curvas fechadas, devido à grande força lateral aplicada pelas rodas.

Entretanto, também ocorre no boleto de trilhos altos e baixos e de tangente devido ao

contato roda-trilho, e a atividades ligadas à manutenção da via como o esmerilhamento.

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