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Conceitos Básicos de Freios em Vagões de Carga

 

 

Introdução

 

Como qualquer sistema ou equipamento, os sistemas de freios nos vagões de carga também evoluíram através dos tempos motivados pela necessidade de acompanhar o desenvolvimento do transporte de carga nas ferrovias. Desde o século XIX, nos primórdios dos veículos ferroviários, as novas descobertas tecnológicas foram motivadas pela necessidade de se superar os limites, uma vez que o interesse comercial exige um transporte seguro do maior volume de carga possível, dentro de um determinado intervalo de tempo (fonte I) e com um custo cada vez mais baixo. ,

A política desenvolvimentista do Brasil, notadamente a do moderno período republicano, buscou imediatismo de resultados quando privilegiou o transporte rodoviário em detrimento de outras formas até mais eficientes daquela citada. Ao longo do tempo o transporte de mercadorias nos trens de cargas passou dos pequenos cargueiros mistos, que sofrem grande concorrência de caminhões, para grandes composições compostas de um grande número de vagões idênticos, tracionadas por várias locomotivas interligadas e que transportam um único tipo de mercadoria, os chamados “trens unitários” (fonte I). Com estas características, o transporte ferroviário passa a ser imbatível considerando o volume de carga movimentada e os custos envolvidos.

Aumentar a capacidade de transporte de um trem não é somente uma questão de colocar mais vagões na composição. Três fatores são determinantes para a um aumento do volume de carga transportado (fonte I):

 

1.      Aumento da velocidade do trem;

2.      Aumento da carga útil por vagão;

3.      Aumento da quantidade de vagões no trem.

 

Os fatores acima acarretam um sem número de problemas técnicos que devem ser superados como capacidade dos trilhos, controle do tráfego de composições longas e mais velozes, sinalização, capacidade de tração das locomotivas, frenagem das composições, traçados das vias, pátios e linhas auxiliares, etc.

Para que se chegasse a esse ponto de desenvolvimento, as pesquisas e testes demandaram um tempo considerável. Basta observarmos o progresso obtido nas áreas de construção de locomotivas, vagões, vias permanentes, comunicações, logística, etc..

 

Frenagem de Trens

Frear um trem não é uma tarefa simples. O que possibilita isso é um sistema, composto por dois sistemas (A) Pneumático, composto por válvula operacional, cilindro de freio, reservatório, tubulações, etc. e (B) Mecânico (timoneria de freio) formado pelo ajustador automático de folgas, alavancas, tirantes, etc., sendo que cada veículo de uma composição  (locomotivas e vagões) tem seu próprio equipamento de freios. Esses equipamentos têm que trabalhar de forma sincronizada para que a composição possa frear de maneira uniforme e segura até parar.

O desenvolvimento do sistema de freios de trem também evoluiu junto com os demais sistemas. Nos primórdios da ferrovia, somente a locomotiva possuía capacidade de frear em uma composição. As pequenas composições da época podiam ser paradas somente com o peso aderente da locomotiva “e a frenagem era feita com a aplicação de contravapor e pelo acionamento manual do freio mecânico, composto por alavancas, que provocava a pressão de sapatas de madeira contra as rodas” (I).

A necessidade de se aumentar o número de vagões em uma composição levou ao desenvolvimento do sistema de freios e incorporação dos equipamentos de frenagem nos vagões além da locomotiva. O grande desafio, entretanto, não foi só instalar equipamentos desse tipo nos vagões, e sim fazê-los trabalhar em sincronia.

O primeiro sistema de freio desenvolvido para composições foi o freio a vácuo, criado ainda no século XIX. Sua aplicação foi mais efetiva na Europa onde as composições eram pequenas e compostas de vagões variados. Os pontos fracos desse sistema eram o tamanho dos componentes necessários para sua aplicação, perda de rendimento em grandes altitudes e dificuldade de manutenção.

Esse sistema logo foi substituído pelo de ar comprimido, desenvolvido por George Westinghouse em 1869. Seu uso foi difundido rapidamente tanto nos trens de carga quanto nos trens de passageiros. Os freios a ar comprimido dividem-se em sistema de freio a ar direto e sistema de freio a ar automático.

 

Sistema de Freio a Ar Direto

Esse foi o primeiro tipo de freio desenvolvido por Westinghouse em 1869 (fonte II). Como o nome sugere, o acionamento dos freios era feito diretamente do reservatório de ar comprimido nos cilindros de freio (fonte II). Havia nas locomotivas um equipamento composto de cilindros de ar comprimido e um compressor de ar ligado a todo vagões através de tubulações. Conforme descrito abaixo:

“Esse encanamento é um conjunto de tubos que atravessavam longitudinalmente cada veículo, ligados entre si por mangueiras flexíveis. Em cada vagão havia uma derivação no encanamento onde era conectado um cilindro de freio. Na aplicação do freio, o ar do reservatório da locomotiva era liberado para o encanamento geral, fazendo com que os cilindros de freio, existentes em cada veículo, fossem acionados. Cada cilindro tinha sua haste conectada à timoneira de freio, que aplicava  as sapatas de freio contra as rodas.” (fonte II)

O uso desse sistema não era a prova de falhas. Quando ocorriam quebras de um engate, mangueiras ou tubulações os freios ficavam totalmente comprometidos e a composição desgovernada, uma vez que o suprimento de ar não chegava ao cilindro de freio e este não acionava a sapata de freio contra a roda do vagão da parte da composição separada do sistema. Além disso, o vazamento de ar provocado pela ruptura, não permitia pressão suficiente para controlar a frenagem da parte da composição ainda ligada à locomotiva.

Outra limitação desse sistema era o fato de que sua eficiência ficava comprometida em composições maiores que 12 vagões. Isso acontecia porque no momento de acionamento dos freios era necessária uma grande quantidade de ar para movimentar todos os cilindros de freio da composição simultaneamente. Além disso, os primeiros vagões tinham o freio acionado antes daqueles que ficavam no final da composição. Essa diferença fazia com que, aqueles vagões que os freios ainda não estavam totalmente aplicados, empurrassem os primeiros vagões e a locomotiva.

 

Sistema de Ar Comprimido Automático

Para solucionar os problemas apresentados no sistema de ar comprimido direto, foi desenvolvido o sistema de ar comprimido automático. Com esse sistema um reservatório auxiliar instalado nos vagões supria o ar necessário para frear o vagão, resolvendo o problema de interrupção do fluxo de ar comprimido. Além do reservatório auxiliar, uma válvula de controle que é utilizada para comandar o direcionamento do ar para o cilindro do freio ou para o reservatório auxiliar. Essa válvula ficou conhecida como válvula tríplice devido suas três funções básicas (fonte II):

1.      Carregamento do sistema;

2.      Aplicação do freio;

3.      Alívio do Freio.

 

As primeiras válvulas tríplices eram utilizadas em vagões de cargas e carros de passageiros. Elas eram feitas de de diafragmas de borrachas que tinham pressão do encanamento central de um lado e a pressão do reservatório auxiliar de outro, de tal forma que a diferença de pressão fazia que válvulas internas se movessem e permitiam a aplicação ou alívio do freio (fonte VII). Logo os diafragmas de borracha foram substituídos por pistões metálicos com anéis de vedação por questões de manutenção dos equipamentos.

Com o tempo, o desenvolvimento dos equipamentos de freio para carros de passageiros e vagões de carga foi se diferenciando. Os freios de carros de passageiros objetivavam conforto e alta velocidade visto que as composições não passavam de 10 unidades, enquanto os equipamentos de vagões de carga de direcionavam para a segurança de controle de composições cada vez mais longas e pesadas. Além disso, há a manutenção em locais de difícil acesso e com poucos recursos fez com que se mantivesse a robustez e simplicidade na manutenção.

 

Equipamentos de freios (fonte VIII) – Figura adaptada pelo autor do artigo para efeito didático.

 

Encanamento Geral – é um encanamento composto de tubos, torneiras e mangueiras, que levam o ar comprimido liberado do reservatório das locomotivas ao longo da composição. (fonte III)

Válvula Tríplice ou Operacional – válvula que comanda a distribuição de ar para o cilindro de freio ou para o reservatório auxiliar.

Cilindro de Freio – é um embolo com uma haste que se move devido à força do ar comprimido na sua câmera interna.

Reservatório de Ar – é dividido em duas partes chamadas de reservatório auxiliar e reservatório de emergência. Tem a função de acionar a válvula de controle através da diferença de pressão entre o reservatório e o encanamento central. (fonte III)

Timoneria de Freio – é um conjunto de alavancas mecânicas responsável pela transferência de esforços, a partir do avanço da haste do cilindro de freio para aplicação de frenagem das sapatas contra as rodas. Outra forma de aplicação dos freios é através do freio manual, localizado geralmente em uma das testeiras do vagão. Os componentes mais importantes da timoneria de freio são os ajustadores de folga, equipamentos que mantém uma adequada distância entre sapata e roda, quando as primeiras vão se desgastando. as alavancas que permitem o ajustamento da folga existente nas sapatas de freio desgastadas. (fonte IV)

 

Esquema Simplificado do Freio a Ar Automático 

No esquema abaixo podemos ver o sistema de freio a ar automático e seu funcionamento:

 

 

Os principais componentes do sistema pneumático são:

 

  1. Encanamento Geral

  1. Conjunto mangueira, torneira e bocal

  1. Válvula Tríplice ou Operacional

  1. Reservatório Auxiliar – Emergência

  1. Cilindro de Freio

  1. Coletor de pó

  1. Retentor de alívio

 

 

Funcionamento do Freio a Ar Automático

Os diagramas abaixo ilustram de maneira simplificada o funcionamento do freio a ar comprimido automático. A numeração dos equipamentos é a mesma do diagrama completo apresentado acima. É importante ressaltar que quando a composição inicia sua operação, ou após uma frenagem, é necessário que os reservatórios de cada veículo sejam recarregados (fonte X).  

  1. Carregamento do sistema: a válvula de controle (6) direciona o ar vindo do reservatório principal da locomotiva através da tubulação geral (4) para o carregamento do reservatório auxiliar (7) até a equalização das pressões, mantendo o reservatório auxiliar disponível para acionamento dos freios.

 

2 - Aplicação do freio: quando se deseja aplicar o freio na composição, efetua-se uma redução da pressão na tubulação geral (4) e a válvula de controle (6) interrompe o ar desse encanamento e direciona o ar do reservatório auxiliar (7) para o cilindro de freio (8), produzindo a aplicação do freio através da timoneira e das sapatas contra as rodas. No caso de um vazamento ou avaria do sistema, a válvula de controle (6) também atua efetuando a aplicação dos freios automaticamente, sem interferência do maquinista, daí o nome de freio automático.

 

3 - Alívio do Freio: o maquinista aumenta da pressão na tubulação central (4), objetivando soltar o freio, a válvula de tríplice (6) atua descarregando para a atmosfera o ar que estava contido no cilindro de freio (8), aliviando as sapatas de freio. Durante essa operação, a tubulação central (4) volta a carregar o reservatório auxiliar (7) recarregando-o para um novo acionamento.

 

 

Funcionamento da Timoneria de Freio:

A principal função da timoneria é fazer com que a força desenvolvida nos cilindros de freio seja multiplicada pelas alavancas e cheguem às roda, com a potência necessária a parar os veículos.

Como todos sabem, as alavancas possuem furações onde são montadas aos tirantes, que são barras longas que fazem as ligações entre cada uma delas até atingirem os triângulos de freio. Dependendo da distância entre as furações das alavancas, as forças são calculadas em função do peso do vagão, vazio ou carregado. Em outras palavras, as timonerias são específicas do projeto do vagão na qual estão montadas já que dependem não só dos pesos vazio ou carregado mas também dos espaços disponíveis à sua instalação.

No cálculo das timonerias, são usados os diagramas unifilares, como este mostrado na figura abaixo, para tornar mais simples a definição:

 

 

 

 

Bibliografia:

(I) Romano, Sérgio José em: Comparação de Desempenho dos Sistemas de Freio de Atrito tipo Sapata-Disco e Sapata-Roda para Veículos Ferroviários de Carga - Unicamp – 2003.

(II) Martins, Sérgio Roberto em: Simulação de Frenagem de um Trem Unitário de Carga - Unicamp – 1999.

(III) Boeira, Maurício de Medeiros em: Análise Crítica do Grupo de Gestão de Falhas da Oficina de Vagões da EFC – Estudo de Caso – 2008.

(IV) Secchin, Vinicius em: Locomotivas – Capítulo 3 – Componentes Mecânicos – Centro Federal de Educação Tecnológica do Espirito Santo.

(V) Santos Júnior, Auteliano Antunes dos, em: Freios e Embreagens por Atrito – Unicamp – Faculdade de Engenharia Mecânica – Departamento de Projeto Mecânico – ?

(VI) Cária, Donato Antônio em: Análise das Causas das Falhas no Sistema de Freio Dinâmico em Locomotivas Frota A – 2006.

(VII) Martins, Sérgio Roberto em: Simulação de Frenagem de Trem Unitário de Carga – Unicamp – Faculdade de Engenharia Mecânica – 1999.

(VIII) Freigth Car Brake Ringging Arrengements – Wabtec Corporation – 2004.

(IX) Pugi, Luca em: Materiale – Impianto Frenante - ?

(X) Barbosa, Roberto Spindola em: Estudo da Dinâmica Longitudinal do Trem – Unicamp – Faculdade de Engenharia Mecânica – Departamento de Projeto Mecânico – 1993.

 

 

 

 

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