Uma Introdução À Engenharia Ferroviária

De Amado Da Costa E Silva

A obra reúne conceitos fundamentais de três áreas da engenharia, a civil, a mecânica e a elétrica, sendo essa última nas opções de telecomunicações, automação e controle, que suportam a engenharia ferroviária, esclarecendo diversos assuntos técnicos e teóricos ligados ao transporte ferroviário para que os profissionais de diversas áreas tenham a visão de integração entre os diversos subsistemas ferroviários. Para tanto, são abordados,de forma clara e simples, assuntos relativos à via permanente, material rodante, fundamentos de sinalização ferroviária e controle de tráfego, ferramentas e metodologias para gestão operacional do transporte ferroviário e manutenção em sistema eletroeletronicos, infraestrutura necessária em energia elétrica para os sistemas eletroeletronicos e telecomunicações aplicadas à ferrovias.

• Idioma: Português
• Editora: Clube de Autores
• Data de lançamento: 5 de mar. de 2012

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Amado da Costa e Silva

Uma introdução à

engenharia ferroviária

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Uma introdução à engenharia ferroviária

1

Introdução ........................................................................................ 6

2

Breve história das ferrovias ................................................................ 7

2.1 O NASCIMENTO DAS FERROVIAS ......................................................................................... 7

2.2 AS FERROVIAS NO NOVO MUNDO ........................................................................................ 9

2.3 AS FERROVIAS NO BRASIL REPUBLICA .............................................................................. 10

2.4 O TRANSPORTE FERROVIÁRIO ........................................................................................... 13

2.4.1 Trem movido à levitação magnética ................................................................................ 15

3

Noções de via permanente ................................................................17

3.1 A GEOMETRIA FERROVIÁRIA ............................................................................................. 17

3.2 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DA LINHA FÉRREA ................................................................. 18

3.2.1 Tangente .......................................................................................................................... 19

3.2.2 Bitola ............................................................................................................................... 19

3.2.3 Flecha............................................................................................................................... 20

3.2.4 Superelevação .................................................................................................................. 20

3.2.5 Superlargura ..................................................................................................................... 21

3.3 A INFRAESTRUTURA ......................................................................................................... 22

3.4 A SUPERESTRUTURA ......................................................................................................... 22

3.4.1 Lastro ............................................................................................................................... 23

3.4.2 Ombro .............................................................................................................................. 23

3.4.3 Dormentes ........................................................................................................................ 23

3.4.4 Trilho ............................................................................................................................... 26

3.4.5 Aparelho de mudança de via (AMV) e travador elétrico ................................................ 28

3.5 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA A CONSERVAÇÃO DA VIA ............................................ 30

4

Material rodante ...............................................................................32

4.1 CONTATO RODA-TRILHO ................................................................................................... 32

4.2 RODAS .............................................................................................................................. 35

4.2.1 Processos de fabricação ................................................................................................... 35

4.2.2 Vida útil da roda .............................................................................................................. 36

4.3 ENGATES .......................................................................................................................... 37

4.4 LOCOMOTIVAS .................................................................................................................. 38

4.4.1 Truque .............................................................................................................................. 39

4.4.2 Plataforma ........................................................................................................................ 41

4.4.3 Cabines ............................................................................................................................ 42

4.5 CARROS AUTOMOTORES ................................................................................................... 43

4.6 VAGÃO ............................................................................................................................. 44

4.6.1 Vagão fechado ................................................................................................................. 44

4.6.2 Vagão gôndola ................................................................................................................. 44

4.6.3 Vagão tanque ................................................................................................................... 44

4.6.4 Vagão hopper ................................................................................................................... 45

4.6.5 Vagão plataforma ............................................................................................................ 45

4.6.6 Vagão gaiola .................................................................................................................... 45

4.6.7 Carro de passageiros ........................................................................................................ 46

5

Operação ferroviária .........................................................................47

5.1 CLASSIFICAÇÃO DE TRENS ................................................................................................ 47

Uma introdução à engenharia ferroviária

5.2 DIMENSIONAMENTO DE RECURSOS PARA A CIRCULAÇÃO DE TRENS .................................. 48

5.3 CENTRO DE CONTROLE OPERACIONAL ............................................................................. 48

5.4 GRÁFICO DE TRENS ........................................................................................................... 50

5.5 INDICADORES DE PRODUÇÃO ............................................................................................ 52

5.6 OPERAÇÃO DE PÁTIOS E TERMINAIS .................................................................................. 52

6

Fundamentos de sinalização ferroviária .............................................55

6.1 O INICIO DA SINALIZAÇÃO FERROVIÁRIA .......................................................................... 55

6.2 CONCEITOS DE BLOQUEIO E LICENÇA ................................................................................ 57

6.2.1 Staff elétrico ..................................................................................................................... 58

6.3 TIPOS DE SISTEMAS DE SINALIZAÇÃO ................................................................................ 59

6.4 PRINCÍPIO DA FALHA SEGURA (F AIL SAFE) ......................................................................... 61

6.5 CENTRO DE CONTROLE OU CENTRO SELETIVO................................................................... 61

6.5.1 Controle ........................................................................................................................... 63

6.5.2 Indicação .......................................................................................................................... 63

6.5.3 Rastreamento ................................................................................................................... 64

6.5.4 Licenciamento ................................................................................................................. 64

6.6 SINALIZAÇÃO DE CAMPO .................................................................................................. 65

6.6.1 Aparelho de mudança de via ........................................................................................... 66

6.6.2 Sinal ................................................................................................................................. 67

6.6.3 ATC Automatic Train Control ........................................................................................ 71

6.6.4 O circuito de via .............................................................................................................. 74

6.6.5 Intertravamento ................................................................................................................ 77

6.7 PLANO DE VIAS SINALIZADA ............................................................................................. 77

6.8 SISTEMAS COMPLEMENTARES À SINALIZAÇÃO .................................................................. 78

6.8.1 Detector de caixa de rolamentos e roda quente ............................................................... 79

6.8.2 Detector acústico ............................................................................................................. 79

6.8.3 Medidor de perfil de roda ................................................................................................ 80

6.8.4 Detector de impacto de roda ............................................................................................ 80

6.8.5 Detector de descarrilamento ............................................................................................ 80

7

Infra-estrutura de sistemas de energia ..............................................82

7.1 SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (PÁRA-RAIOS) .................... 82

7.2 ATERRAMENTO ................................................................................................................. 82

7.2.1 Finalidades do aterramento .............................................................................................. 83

7.2.2 Fatores que influenciam no aterramento ......................................................................... 84

7.2.3 Tratamento do solo .......................................................................................................... 85

7.3 SISTEMA DE FORÇA ........................................................................................................... 85

7.3.1 Sistema de Energia em corrente alternada (CA) ............................................................. 86

7.3.2 Fonte ininterrupta de energia ( no-break) ......................................................................... 87

7.3.3 Sistema de energia CC ..................................................................................................... 87

7.3.4 Baterias ............................................................................................................................ 88

7.3.5 Sistema fotovoltaico ........................................................................................................ 89

8

Telecomunicações aplicada às ferrovias .............................................92

8.1 ONDA ............................................................................................................................... 92

8.2 ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO ......................................................................................... 93

8.2.1 Efeitos biológicos ............................................................................................................ 95

8.2.2 Agencias reguladoras do espectro ................................................................................... 96

8.3 MEIOS DE TRANSMISSÃO .................................................................................................. 97

8.3.1 Meio confinado ................................................................................................................ 97

8.3.2 Meio não confinado ......................................................................................................... 98

Uma introdução à engenharia ferroviária

8.4 ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE COMUNICAÇÕES ............................................................. 98

8.4.1 Ruído ............................................................................................................................. 100

8.5 MULTIPLEXAÇÃO ............................................................................................................ 101

8.6 NOÇÕES DE MODULAÇÃO................................................................................................ 101

8.6.1 Modulação analógica ..................................................................................................... 102

8.6.2 Modulação digital .......................................................................................................... 104

8.6.3 Global Position System (GPS) ...................................................................................... 106

8.6.4 Duplicidade de meios .................................................................................................... 109

8.7 COMUNICAÇÃO TERRA-TREM ......................................................................................... 110

8.7.1 Sistema convencional .................................................................................................... 112

8.7.2 Sistema troncalizado ...................................................................................................... 113

8.8 COMUNICAÇÕES EM TÚNEIS ............................................................................................ 114

8.9 FAIXAS DE FREQÜÊNCIAS ................................................................................................ 116

8.10 COMUNICAÇÃO COM A LOCOMOTIVA.............................................................................. 116

8.10.1Licenciamento do trem .................................................................................................. 117

8.10.2Computador de bordo.................................................................................................... 117

8.11 SISTEMAS CBTC ............................................................................................................ 118

8.11.1ATCS - Advanced Train Control System ...................................................................... 119

PTS – Positive Train Separation ............................................................................................. 120

8.11.2PTC – Positive Train Control........................................................................................ 120

8.11.3Licenciamento via satélite ............................................................................................. 122

8.11.4Cerca eletrônica ............................................................................................................. 123

8.11.5GSM ferroviário ............................................................................................................ 125

8.12 TENDÊNCIAS TECNOLÓGICAS .......................................................................................... 128

9

Considerações sobre a manutenção eletroeletrônica em ferrovias ...... 131

9.1 TIPOS DE MANUTENÇÃO .................................................................................................. 132

9.1.1 Manutenção corretiva .................................................................................................... 132

9.1.2 Manutenção preventiva .................................................................................................. 133

9.1.3 Manutenção preditiva .................................................................................................... 133

9.1.4 Desafios do mantenedor ................................................................................................ 134

9.2 CONFIABILIDADE E DISPONIBILIDADE ............................................................................. 135

9.2.1 Outros parametros de desempenho ................................................................................ 136

9.2.2 Centro de controle da manutenção (COP) ..................................................................... 137

Uma introdução à engenharia ferroviária

Dedicatória

À minha família, em especial ao meu

irmão Roberto, que me incentivou a

realizar a obra.

A mente que se abre a uma nova idéia jamais voltará ao seu tamanho original.

Albert Einsten

1 Introdução

Atualmente uma das áreas mais promissoras para os profissionais de engenharia é a ferroviária que, no Brasil, está em plena expansão e necessitando cada vez mais de mão de obra capacitada e preparada. Entretanto, a formação de um engenheiro ferroviário necessita conhecimentos de várias modalidades de engenharia, tais como, civil, mecânica e elétrica, sendo essa nas opções de telecomunicações e automação e controle, além de um conhecimento gerencial apurado.

Na realidade, a maioria dos candidatos, principalmente os recém formados, que participam de processos seletivos, não possuem o conhecimento necessário que essa atividade de engenharia exige e assim, algumas empresas estão patrocinando, junto a instituições acadêmicas de renome, cursos de pós graduação em engenharia ferroviária com o objetivo de formarem profissionais bem preparados, que demonstrem possuir valores que a companhia aprecia e que tenham conhecimento das novas tecnologias, idéias e estratégias.

Somando-se a esse fato a escassa literatura em português, sobre a engenharia ferroviária, que de uma idéia sistêmica de todos os processos envolvidos, foram os motivos da confecção deste livro destinado a estudantes, engenheiros e trabalhadores de empresas ferroviárias que tenham interesse em aprofundar seus conhecimentos.

Além deste primeiro capítulo contendo a introdução e o esclarecimento do objetivo do livro, a obra foi dividida em sete outros capítulos que abordam:

• no segundo capítulo, um breve resumo da história das ferrovias, destacando seu surgimento nas Américas e o cenário nacional;

• no terceiro capítulo a via permanente ferroviária com a descrição dos principais componentes e características construtivas da linha férrea;

• no quarto capítulo o material rodante de locomotivas e vagões, com breve descrição da dinâmica ferroviária e as principais características do trem;

• no quinto capítulo uma noção do gerenciamento operacional de uma ferrovia com a descrição de ferramentas, metodologias e indicadores de desempenho do tráfego;

• no sexto capítulo uma síntese sobre os princípios da sinalização ferroviária;

• no sétimo capitulo uma abordagem sobre os principais sistemas de controle de tráfego ferroviário baseados em radiocomunicação;

• no ultimo capítulo, uma breve descrição sobre a infraestrutura necessária em energia elétrica para os sistemas de sinalização e telecomunicações.

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2 Breve história das ferrovias

2.1

O nascimento das ferrovias

Em três sítios arqueológicos existentes na ilha de Malta no mar Mediterraneo, há centenas de sulcos em rochas e outros em calçamentos de estradas feitas pelo império romano. Esses sulcos serviam de guias para as rodas das bigas propiciando uma maior estabilidade, menor atrito de rolamento e maior velocidade de deslocamento de mercadorias e das tropas romanas para a defesa da ilha. Devido a esses caminhos guiantes para as rodas das bigas, alguns especialistas consideram esses sulcos como o marco do surgimento da ferrovia.

Figura2.1:Caminhos guiantes nas pedras em Malta

Alguns discordam e apontam o inicio do século XVI devido a comprovação da existência de vagonetes, tracionados por homens ou cavalos, sobre trilhos de madeira que faziam o transporte de minerais como carvão e ferro em minas subterrâneas na Alemanha e Inglaterra, outros ainda consideram seu surgimento como decorrente do progresso ocorrido na Europa e principalmente na Inglaterra, após a invenção da máquina a vapor por James Watt em 1705 e a invenção do tear mecânico por Edmund Cartwright, em 1785, que revolucionou a fabricação de tecidos. É fato que o emprego desses e outros inventos na produção de mercadorias, que surgiram durante o século XVIII, causaram um aumento significativo do volume da produção e a necessidade de um transporte com maior rapidez para os mercados consumidores, do que as carroças e navios faziam na época.

Neste cenário, em 1801, o engenheiro inglês Richard Trevithick (1771-1833) colocou rodas em uma de suas invenções que, apesar de ter sido projetada inicialmente para rodovia, alguns consideram como a primeira locomotiva a vapor, outros como o predecessor do primeiro automóvel e passeou pelas ruas de Camborne na Inglaterra.

O invento foi chamado de Puffing Devil( Diabo Soprando), pois basicamente o veículo era uma carruagem com uma caldeira acoplada fazendo a função de motor. Como era

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de se esperar, a máquina atraiu bastante a atenção do público e da imprensa mas não teve sucesso, devido a baixa autonomia que a pressão do vapor proporcionava, além de seu custo ser muito superior ao das tradicionais carruagens puxadas por cavalos.

Figura 2.2: A Puffing Devil

No ano seguinte, Trevithick construiu a primeira locomotiva para estrada de ferro.

Esta máquina que não tinha nome, foi usada nas minas de ferro em Pen-Y-Darren no

País de Gales puxando 10 vagões atrelados, à velocidade de 8 Km/h. Entretanto, por apresentar muitos problemas o invento não teve sucesso.

Em 1814, o também engenheiro inglês George Stephenson (1781-1848), tendo como base os experimentos de Trevithick, constrói a locomotiva a vapor Blutcher, que consegue transportar 30 toneladas a uma velocidade de 6,5 km/h. Durante os anos seguintes, seu invento é aperfeiçoado e em 1823, em parceria com seu filho, funda a primeira fábrica de locomotivas do mundo, produzindo com sucesso a Locomotion Number1. Em 1825, com o financiamento de empresários ingleses, George Stephenson construiu e inaugurou a primeira ferrovia pública do mundo destinada a conduzir trens de carga que, tracionados por locomotivas Locomotion Number1 em horários regulares, cobriam a distancia de aproximadmente 16 km entre as cidades de Stockton a Darlington na Inglaterra.

Apesar de muitos considerarem George Stephenson como o inventor da locomotiva a vapor e percursor da engenharia ferroviária, não se deve esquecer que a idéia de máquina propulsionada a vapor partiu da mente de Trevithick e assim não cometer-se injustiça semelhante como a que houve com o telefone, onde somente em 11 de

junho de 2002 o Congresso dos Estados Unidos aprovou resolução na qual reconheceu