Sentindo o calor: detecção de defeitos ferroviários

Oct 13, 2023

No espectro da tecnologia, as ferrovias certamente parecem inclinar-se para o lado brutalmente simplista das coisas. Um par de tiras de aço, alguns dormentes de madeira e lastro de cascalho para manter tudo no lugar, algum material rodante com rodas flangeadas em eixos fixos e você tem o básico que move cargas e passageiros desde pelo menos o século XVIII.

Mas essa simplicidade básica esconde a verdadeira complexidade de uma ferrovia, onde apenas manter os trens nos trilhos pode ser uma tarefa assustadora. As forças que um trem totalmente carregado pode exercer não apenas nos trilhos, mas em si mesmo, são difíceis de entender, e o potencial de desastre geralmente está apenas a um componente com falha. Isso se tornou dolorosamente evidente com o recente descarrilamento de Norfolk Southern em East Palestine, Ohio, que resultou em um incidente com materiais perigosos com o qual nenhuma comunidade está pronta para lidar.

Dadas as forças envolvidas, manter os trens em linha reta e estreita não é tarefa fácil, e os projetistas de ferrovias criaram uma rede de sensores e sistemas para ajudá-los na tarefa de ficar de olho no que está acontecendo com o material rodante de um trem. Vamos dar uma olhada em algumas das interessantes engenharias por trás desses detectores de defeitos à beira do caminho.

Correndo o risco de afirmar o óbvio, os trens têm duas características essenciais que tornam os sistemas de monitoramento necessários: são pesados ​​e são longos. O peso de um trem é um problema porque, embora a arquitetura básica de uma ferrovia reduza o atrito de rolamento entre uma roda e o solo, não reduz o atrito entre os eixos do vagão e os caminhões que os transportam. Essa é a função dos rolamentos de roda, que, como qualquer outro componente mecânico, estão sujeitos a desgaste, danos e eventual falha, com potencial para consequências catastróficas.

Quanto ao comprimento de um trem, isso se torna um problema quando coloca a maior parte do material rodante fora do alcance visual direto das pessoas que dirigem o trem. Antigamente, as limitações na potência das locomotivas tendiam a manter os trens relativamente curtos, possibilitando que condutores e engenheiros ficassem de olho em todos os vagões. Isso foi facilitado pela invenção do vagão; em sua configuração clássica com uma cúpula envidraçada projetando-se sobre o teto do vagão e de sua posição no final do trem, os condutores podiam observar toda a extensão de um trem, especialmente nas curvas. Dado que os rolamentos de roda da época eram frequentemente buchas lisas em caixas de mancal recheadas com fibras embebidas em óleo, geralmente era fácil identificar uma falha de rolamento de "caixa quente" pela fumaça e chamas que emitiam, um indicador nada sutil de problema. já houve.

Avanços de engenharia, como a substituição de rolamentos lisos por rolamentos de rolos, possibilitaram a construção de vagões cada vez maiores. Atualmente, os vagões de carga que operam nas ferrovias norte-americanas podem ter um peso bruto de 315.000 libras (143 toneladas), uma quantidade impressionante de peso que é transportada por apenas oito rolamentos de rolos. As melhorias no design das locomotivas também permitiram que os trens construídos a partir desses vagões superdimensionados ficassem cada vez mais longos; o trem de carga médio em 2017 tinha entre 1,2 e 1,7 milhas (1,9 a 2,7 quilômetros) de comprimento, com algumas ferrovias operando regularmente trens de 3 milhas (4,8 km) de comprimento. Em um trem como esse, qualquer coisa a mais de uma dúzia de vagões atrás das locomotivas da cabeceira está fora do alcance visual direto do maquinista e do condutor e está efetivamente operando completamente sem ser observado.

O monitoramento de beira de estrada é a resposta para os problemas apresentados pelo dimensionamento de trens para dimensões tão grandes. Coletivamente conhecidos no setor ferroviário como "detecção de defeitos", os sensores e sistemas instalados periodicamente ao longo dos trilhos da ferrovia verificam automaticamente qualquer problema com o material rodante de um trem que possa resultar em um acidente.

Por um bom motivo, a maior parte da detecção de defeitos é focada na condição das rodas e rolamentos de cada vagão do trem. E como o atrito é o inimigo, a maioria dos detectores se concentra no calor desses componentes críticos para avaliar sua condição. Uma instalação típica de sensor de beira de estrada incluirá detectores de caixa quente (HBD) e detectores de roda quente (HWD) em ambos os trilhos. Ambos os sensores são tipicamente baseados em arranjos de microbolômetros como aqueles em câmeras termográficas. Para HBDs, os sensores são normalmente montados na parte externa do trilho e apontando para cima, para dar uma boa olhada nas caixas de rolamento na extremidade de cada eixo. Os HWDs também são normalmente montados fora de cada trilho, mas visam olhar diretamente para o lado da roda conforme ela passa. As características térmicas das rodas e dos rolamentos são bastante diferentes — as rodas podem ficar muito mais quentes do que os rolamentos antes de contar como um defeito — portanto, HBDs e HWDs são calibrados de maneira diferente.