Linhas de Pesquisa

As principais linhas que descrevem as pesquisas atualmente desenvolvidas no Laboratório Ferroviário do DSI-FEM-UNICAMP são apresentadas aqui. Embora sejam linhas com objetivos definidos, não são independentes. É possível observar que seus objetivos têm sobreposição e, por isso, o conhecimento e os resultados obtidos são compartilhados entre as diversas linhas. De fato, a maioria dos projetos desenvolvidos têm atividades em mais de uma das linhas apresentadas. Tais linhas são:

Dinâmica de Veículos Ferroviários

 

Vagões ferroviários e carros de passageiros trafegam sobre linhas férreas, se beneficiando do baixo atrito e do fato de que os sistemas são autoguiados. Seus movimentos sobre as vias são controlados por uma combinação particular das geometrias de suas rodas e trilhos. Entretanto, como decorrência das interações nos contatos entre as rodas e trilhos, ao longo da via, e dos seus diversos componentes, os vagões se movimentam durante o trajeto, em todas as direções. Tal movimentação é esperada, mas ela não pode ser tão intensa que cause descarrilamentos ou desgastes significativos dos componentes em contato, e não tão restrita que exija peças capazes de suportar sozinhas grandes esforços. Estudar o comportamento dinâmico dos veículos ferroviários visando otimizar a operação e a manutenção é o objetivo dessa linha. Dentro deste, as principais atividades previstas incluem o desenvolvimento de modelos dinâmicos de veículos, a análise de estratégias para minimização de falhas causadas pelos movimentos, o estudo das condições limites de operação segura, o desenvolvimento de simuladores virtuais para uso em análise e treinamento, além de novos projetos de vagões para usos específicos.

Comportamento Dinâmico de Composições Ferroviárias

 

O Brasil está entre os países que possuem as mais longas composições ferroviárias de carga e com veículos com as mais altas cargas (“Heavy Haul”). Tais composições já atingem mais de trezentos vagões e devem dobrar de tamanho nos próximos anos. Nessas condições, os esforços que são transmitidos ao longo da composição, como os de tração e frenagem, podem variar significativamente. Tais esforços são transferidos entre as composições através de conjuntos de choque e tração, que têm também a função de os amortecer. Em conjunto com a geometria da via e os sistemas de freio, podem ainda atuar de forma a tornar as composições mais instáveis, alterando significativamente a dinâmica dos veículos. Assim, é importante avaliar tais esforços e desenvolver estratégias para minimizá-los. Além disso, o conhecimento do comportamento dinâmico das composições permite desenvolver formas de condução mais adequadas, visando segurança e economia de combustível, além de permitir a análise do efeito de novas configurações na distribuição de vagões e novos projetos de vagões. O objetivo dessa linha de pesquisa é desenvolver modelos dinâmicos para representar a composição, visando a segurança, vida útil dos componentes dos conjuntos de conexão (choque e tração), economia e estabilidade dos veículos.

Ferramentas de Inteligência Artificial para Engenharia Ferroviária

 

O desenvolvimento de ferramentas de IA, incluindo análise de grandes volumes de dados (“Big Data”), Aprendizagem de Máquina (“Machine Learning”) e Aprendizagem profunda (“Deep Learning”), tornou  a análise de informações e a tomada de decisões com base nesta viáveis para sistemas com níveis de complexidade até recentemente inimagináveis. Em especial nas ciências humanas, o uso de dados e a aplicação de informações pessoais para a definição de padrões, com fortes implicações comerciais, tornou-se uma ferramenta de emprego largamente difundido. Na Engenharia, o emprego de tais ferramentas tem sido intensivo, mas a gama de oportunidades de aplicação mostra que estamos ainda nos primeiros passos no seu uso. Há um cenário bastante promissor para tais tecnologias e a UNICAMP já está sendo reconhecida por sua atuação no desenvolvimento de aplicações baseadas em IA. Esta linha de pesquisa tem como objetivo a aplicação de tais ferramentas para emprego na Engenharia Ferroviária. Em princípio, dados de medição obtidos através de informações medidas em campo, como dados de medição de via, dinâmica dos veículos, manutenção e outros, serão adquiridos e tratados para que possam ser empregadas como informações válidas. Em uma segunda etapa, tais informações serão agrupadas para que seja possível obter relações de causa e efeito, que partam da operação e das ações de manutenção convencionais para a definição da vida resultante de componentes em serviço, da eficiência energética da operação, e da segurança. Por fim, serão construídas ferramentas para tomada de decisões seguras, capazes de aprender com as informações já obtidas e as geradas pelas suas próprias ações, e que permitam otimizar automaticamente os procedimentos operacionais da ferrovia, constantemente e em tempo real.

Desenvolvimento de Modelos para Vida em Fadiga de Componentes Ferroviários

 

Componentes ferroviários podem sofrem cargas significativas devidos ao movimento. Em especial, o contato roda-trilho é uma região onde cargas elevadas se distribuem uma pequena superfície e causam tensões de grande magnitude. Os esforços são obtidos da dinâmica dos veículos e as tensões podem ser calculadas por métodos numéricos já bastante conhecidos, mas a forma que tais tensões atuam sobre os materiais ainda é alvo de estudos. Esta linha de pesquisa tem como objetivo desenvolver e validar novos modelos de vida sob carregamentos variados, para que possam ser aplicados na avaliação dos diversos componentes de um veículo ferroviário e da via. Em especial, além das rodas e trilhos, os modelos devem ser capazes de representar o comportamento em truques, conjuntos de conexão, aparelhos de choque e tração, estruturas do vagão e de via e outros.

Estudo e Avaliação do Desgaste em Componentes Ferroviários

 

A intensidade dos esforços em componentes ferroviários em contato, sua geometria e as propriedades dos materiais empregados definem se a propensão será por falhas por fadiga superficial ou por desgaste. Há componentes, como as rodas e trilhos, para os quais a falha pode ocorrer das duas formas; há outros, como os pedestais de truques e sapatas de freio, para os quais são esperadas falhas prioritariamente por desgaste.  Para a situações nas quais o desgaste é a falha esperada, é necessário desenvolver modelos de previsão que representem o adequadamente comportamento e possam ser utilizados para estudos sobre novos projetos e novas estratégias de manutenção. O objetivo dessa linha de pesquisa é estudar e aplicar os modelos de desgaste adequados para o uso para os componentes ferroviários, visando permitir a previsão do desempenho destes em serviço e o aprimoramento da qualidade dos materiais ferroviários.

Avaliação não destrutiva de Tensões

Medir tensões residuais e aplicadas representa um desafio, quando é necessário empregar métodos não destrutivos de inspeção. Para tensões aplicadas, extensômetros são adequados, mas só podem ser usados em um local. Para tensões residuais, as técnicas usuais requerem a destruição total ou parcial do componente inspecionado, quase sempre inviabilizando-o para o serviço. Técnicas não destrutivas, como os Raios-X e Difração de Nêutrons, possuem grandes limitações para uso em campo. Técnicas ultrassônicas são viáveis para o emprego com diversos componentes estruturais. A UNICAMP desenvolveu e patenteou a aplicação da técnica de ondas Lcr para medição de tensões em rodas ferroviárias e desenvolve pesquisas para sua aplicação em outros componentes, como trilhos e juntas soldadas. O objetivo dessa linha de pesquisa é desenvolver técnicas ultrassônicas para a medição de tensões em componentes estruturais e empregar este resultado para definir parâmetros de segurança mensuráveis que permitam ao inspetor decidir sobre a manutenção destes em serviço.

Desenvolvimento de Sensores Autônomos

 

A medição de variáveis de interesse é feita empregando sensores, condicionadores e transmissores, que requerem fontes de alimentação para que funcionem. Em situações onde não é possível instalar essa alimentação, ou onde não é desejável ou seguro tê-la, é necessário que o sensor seja provido de sistemas que permitam que obtenham a energia no próprio local onde está instalado (“Energy Harvesting”). Aplicações submarinas, vagões de carga em composições longas, e sistemas para monitoramento em regiões afastadas são exemplos típicos dessa limitação. Esta linha de pesquisa tem como objetivo desenvolver sensores que tenham autonomia quanto à energia necessária para que funcionem e transmitam suas informações em redes. O trabalho tem como foco a captura de energia gerada pela vibração dos sistemas no local onde está instalado, empregando filmes piezoelétricos e similares. Tais sensores, sem que seja necessário levar energia até eles, devem medir as próprias vibrações, temperaturas, tensões, deslocamentos e outras variáveis de interesse, ao mesmo tempo que transmitem os valores medidos em redes de informação até centrais de monitoramento. Tal estratégia deverá permitir que sejam criados sistemas totalmente autônomos, capazes de monitorar  grandes instalações ou composições longas, com custo reduzido e confiabilidade adequada.

LaFer - Laboratório Ferroviário - DSI - FEM - UNICAMP

Atualizado em outubro/2020

Desenvolvido por: Maurício Wittig