INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Mecânica ISEL Desgaste Ondulatório em Caminhos de Ferro Paulo Manuel G. L. Caldeira Martins (Licenciado) Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Documento Definitivo Orientador: Professor Doutor/Eng. Joaquim Infante Barbosa Júri: Presidente: Professor Doutor João Carlos Quaresma Dias, Responsável de Perfil, Professor Coordenador c/Agregação, do ISEL/IPL; Vogal: Doutor Mário José Gonçalves dos Santos, Investigador Principal, do INETI; Vogal: Professor Doutor Joaquim Infante Barbosa, Orientador, Professor Coordenador c/Agregação, do ISEL/IPL. INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Mecânica Agradecimentos: Em primeiro lugar quero agradecer ao meu orientador Prof. Dr. Eng. Joaquim Infante Barbosa, pelo acolhimento da ideia, pela disponibilidade e acompanhamento deste estudo. Deixo também o meu agradecimento ao Eng. Francisco de Oliveira Sécio pela partilha de conhecimentos da sua larga experiência no projecto, instalação e manutenção de vias férreas; como colaborador do Metropolitano de Lisboa, Ferconsult, Ensitrans e Membro do Sub-comite de Instalações Fixas da UITP. Ao Metropolitano de Lisboa, através do seu Conselho de Administração, pela disponibilização de meios de investigação e experimentação de técnicas conducentes à redução do desgaste ondulatório; pela permissão pela divulgação de dados internos de desgaste ondulatório na sua rede própria. Ao CDI (Centro de Documentação do Metropolitano de Lisboa), pela sua colaboração na pesquisa interna de documentos sobre o tema da Tese. Ao Dr. Luís Cabaço Martins, Administrador do Grupo Barraqueiro e Presidente da ANTROP, pelo apoio do Grupo na cedência de informações referentes à Metro do Porto e Metropolitano do Sul do Tejo. Ao Prof. Dr. Manuel Margarido Tão do “Center for Advance Studys in Economics and Econometrics” da Faculdade de Economia da Universidade do Algarve, autor de inúmeros “paper’s” sobre o tema ferroviário, colaborador do Jornal Semanário Expresso no tema dos transportes; pela sua colaboração crítica e pelo seu apoio na componente do modo de transporte ferroviário. ii INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Mecânica Resumo Trata-se de uma análise técnica completa a um desgaste específico que aparece frequentemente nos sistemas ferroviários, sejam eles comboios (passageiros, carga e alta velocidade), Metropolitanos (ligeiros e pesados) ou mesmo sistemas de carros eléctricos. Anualmente são gastos pelos sistemas ferroviários, consideráveis somas na correcção dos defeitos provocados pelo aparecimento do desgaste ondulatório nos carris de rolamento. Ainda hoje a relativa pouca troca de conhecimentos entre os diversos sistemas ferroviários (limitado a alguns comités: UIC, UITP E ALAMYS), leva à ainda existência de algum desconhecimento sob este fenómeno específico (desgaste). Apresenta-se uma dissertação completa sob o tema, valorizada pela experiência profissional passado num sistema ferroviário (ver CV anexo), bem como de outros sistemas congéneres; elaborada segundo os objectivos da manutenção: que possa constituir um documento técnico (manual), compilador de algumas experiências práticas, com conclusões. A oportunidade de desenvolver tal relatório técnico completo, afigura-se oportuna, dada a opção pela implementação da alta velocidade em Portugal em bitola europeia, pela entrada do sector privado no sector ferroviário e surgimento recente dos Metropolitanos do Porto, Margem Sul do Tejo e futuramente Coimbra. iii INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Mecânica Abstract This is a complete technical analysis to a specific wear that often appears in the railway systems, whether trains (passenger, freight and high speed), Metropolitan (light and heavy) or tram systems. Rail systems spent annually considerable sums in the correction of defects caused by the appearance of wavelike wear (corrugations) in running rails. Even today, relatively little exchange of knowledge between the various railway systems (limited to certain committees: ALAMYS, UIC, UITP), leads to the existence of some still unknown, in this specific phenomenon (wear). It presents a complete dissertation on the topic, valued by past experience in a rail system (see attached CV), as well as other similar systems, built according to the objectives of maintenance: it can serve as a technical document (manual), compiler some practical experiences with conclusions. The opportunity to develop such a full technical report, it is timely, given the option of implementing the high speed in Portugal in standard gauge, by entering the private in the rail sector and the recent emergence of Oporto metro (underground), the metro of the south bank of the Tagus and the future metro of Coimbra. iv INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Mecânica Glossário de Termos Técnicos Alta velocidade - Comboios que circulem a mais do que 220 Km/h Aparelhos de via - Agulhas, secção especial de via, permite mudança de via Bitola - Distância medida entre o lado interior dos carris Bitola internacional - Bitola estandardizada universal de 1.435 mm Caminhos de Ferro - Ferrovias, circulação sobre carris Catenárias - Condutores de electricidade colocados superiormente ao eixo da via, destinados a fornecer energia de tracção Carril - Barra de aço sobre a qual circulam veículos ferroviários Comboios pendulares - Comboios com suspensão activa que permite circularem a maiores velocidades em curvas Composição - Conjunto de veículos do comboio Contexto operacional - Condições de operacionalidade a ter em conta em projectos ou opções de aquisição Cróssimas - Componente interior do aparelho de via Draisine - Veículo ferroviário ligeiro polivalente de manutenção Electrificação - Conversão duma via férrea para tracção eléctrica Escala - Diferença entre alturas dos carris em curva Espaço canal - Espaço de horário entre comboios Ferrovias - Caminhos de ferro Fila Alta - Carril localizado do lado de fora numa curva Fila baixa - Carril localizado do lado de dentro numa curva Flange - Verdugo, flange da roda, rebordo Gabarit - Cércea de carga nos caminhos de ferro que delimita a altura e largura máxima de carregamento George Stephenson - Eng. dos caminhos de ferro que estabeleceu algumas soluções técnicas no século XIX, que ainda hoje prevalecem Lanças móveis - Partes móveis do aparelho de mudança de via Linha aérea - Catenária Locomotiva - Veículo destinado a puxar ou empurrar composições ferroviárias Mesa de rolamento - Superfície superior da cabeça do carril onde circulam as rodas Mitigação - Atenuação do efeito das alterações climáticas Obras de arte - Pontes e túneis Pantógrafo - Dispositivo colocado no tejadilho dos comboios que se destina a captar a energia disponível da catenária, parado ou em andamento v INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Mecânica Peso aderente - Peso total descarregado pelos eixos motores Shinkansen - Comboio de alta velocidade japonês Terceiro carril - Carril apenas destinado a fornecer energia de tracção ao comboio, em alternativa às catenárias Traçado - Desenho de implantação da via férrea na envolvente Travessa - Chulipa ou prancha grossa em que assentam os carris do caminho-de-ferro Tribologia - Ciência da interacção de superfícies em movimento relativo e assuntos e práticas relacionados Vagonetas - Pequenos vagões tremonha, usados em minas Verdugo - Flange, rebordo da roda que efectua o guiamento do comboio Terminologia ATM - Azienda Transporti Milanesi spa AVE - Alta Velocidade Espanhola BR - Caminhos de Ferro Britânicos CP - Comboios de Portugal DB - Caminhos de Ferro Alemães ITV - Instrucção Técnica de Via (REFER) LGV - Linha de Alta Velocidade ML - Metropolitano de Lisboa RAVE - Rede de Alta Velocidade Portuguesa REFER - Organismo gestor das infra-estruturas de caminho de ferro em Portugal SEV - Secção Especial de Via SNCF - Sociedade Nacional dos Caminhos de Ferro Franceses TGD - SEV de tangente dupla TGS - SEV de tangente simples TGV - Comboio de Alta Velocidade UIC - União Internacional dos Caminhos de Ferro UITP - União Internacional dos Transporte Públicos vi INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Mecânica <<ACERTO Índice Agradecimentos ii Resumo iii Abstract iv Glossário de Termos Técnicos v Terminologia vi Índice vii 1. Introdução 1 1.1. Caminho de Ferro – Um pouco de história 2 1.2. Importância Social 3 1.3. Descrição do Sistema Ferroviário 6 1.3.1. Via Férrea 7 1.3.2. Electrificação 9 1.3.3. Traçados 13 1.3.4. Secções Especiais de Via 14 1.3.5. Bitola 15 1.4. Modos Ferroviários 17 1.4.1. Caminho de Ferro Pesado 17 1.4.1.1. Passageiros 18 1.4.1.2. Mercadorias 19 1.4.2. Eléctricos 20 1.4.3. Metropolitanos 25 1.5. Modos Ferroviários de Futuro 27 1.5.1. Décadas de 60 a 80 27 1.5.2. Ambiente 29 1.5.2.1 CQNUAC – Conferência das Nações Unidas 30 1.5.2.2 Contribuições para a mitigação da mudança do clima 30 1.5.2.3 Protocolo de Quioto 32 1.5.2.4 Créditos de Carbono – RCE 33 1.5.3. Alta Velocidade 33 1.5.3.1 Mercadorias versus Alta Velocidade 37 vii INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Mecânica 1.5.4 Metros Ligeiros 39 1.5.5 “Tram-Train” 43 2. Desgaste Ondulatório 45 2.1. Contacto Roda-Carril 45 2.1.1 Introdução 46 2.1.2 Características do Interface Roda-Carril 47 2.1.3 Origem 49 2.1.4 Definição 51 2.2. Variáveis 53 2.3. Tipos de Desgaste Ondulatório 58 2.3.1 “Heavy-haul corrugation” 58 2.3.2 “Light Rail corrugation” 59 2.3.3 “Resonance corrugation” 59 2.3.4 “Rutting” 60 2.3.5 “Pinned-pinned resonance” 61 2.3.6 “Trackform” 62 2.4. Consequências do Desgaste Ondulatório 62 2.5. Custos do Desgaste Ondulatório 63 2.6. Metropolitano de Lisboa 64 2.7. Metro do Sul do Tejo 71 2.8. Metro do Porto 73 2.9. Rede Ferroviária Nacional 74 2.10. Outros Casos 75 3. Redução do Desgaste Ondulatório 77 3.1. Em Projecto 77 3.2. Em Prevenção 79 3.2.1. Esmerilagem e Fresagem dos Carris 79 3.2.2. Lubrificação no Carril 83 3.2.3. Lubrificação no Veículo 83 3.2.4. Lubrificação na Via 85 4. Remoção do Desgaste Ondulatório 86 viii INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Mecânica 4.1.