A Wabtec usa dinâmica de fluidos computacional para otimizar o projeto e o desempenho sob uma variedade de condições.
Ainda eletrizante depois de todos esses anos: uma apreciação do pantógrafo
Com mais de 100 anos de evolução, o Panto ainda surpreende como um ponto de inovação
Não tente fazer isso em casa
Se alguém fosse tolo o suficiente para colocar o braço para fora da janela de um trem-bala descendo pelos trilhos em alta velocidade, provavelmente sentiria o gostinho das forças que atuam em outro tipo de braço, aquele empoleirado no topo do trem. Conheça um dos componentes mais milagrosos e desconhecidos do transporte ferroviário: o pantógrafo.
E a aerodinâmica é apenas um desafio que esse equipamento versátil enfrenta ao realizar sua função por excelência, puxando a carga de um fio catenário — aquela longa linha elétrica acima dos trilhos — e direcionando-a adequadamente para alimentar o trem.
Combinando a precisão e a agilidade de uma bailarina com a força bruta de um rinoceronte em carga, o panto é uma das peças mais duráveis, dinâmicas e essenciais do equipamento ferroviário moderno. Com variedades quase ilimitadas, o pantógrafo continua inspirando a imaginação coletiva dos principais engenheiros do setor ferroviário para torná-lo mais leve, mais forte, mais condutivo e ainda mais responsivo do que nunca.
O século do “braço único”
Embora a invenção do pantógrafo “em forma de diamante” remonte a John Q. Smith e às viagens de trem na Baía de São Francisco em 1903, a perfeição do panto é amplamente atribuída ao antepassado da Wabtec, Louis Faiveley. Ele não apenas aprimorou o panto de estilo diamante com seu próprio design aprimorado no início da década de 1920, mas acabou quebrando completamente o molde com a invenção do panto de braço único. O design revolucionário de Faiveley estabeleceu o recorde mundial de velocidade (331 km/h) para um trem movido a eletricidade no mesmo ano, 1955, e é o padrão da indústria até hoje.
E com a inovação contínua do panto de braço único, seguiram-se recordes de desempenho. Os novos modelos Wabtec panto permitiram que os trens atingissem velocidades máximas de 515 km/h (320 mph) e 574 km/h (356 mph) em 1990 e 2007, respectivamente. Além de estabelecer novos recordes de velocidade, os pantógrafos Wabtec alcançaram muitas inovações ao longo dos séculos XX e XXI, abrangendo inovações em design de materiais, tamanho da área ocupada, integração do telhado, alcance do braço e modos de potência, contribuindo para uma proliferação de panto que ultrapassa 150 tipos e mais de 90.000 instalados em todo o mundo.
A necessidade de velocidade
Mas vamos voltar à velocidade. Os pantos em forma de diamante do início do século XX combinavam com a rigidez e as voltagens dos fios aéreos daquela época. No entanto, sua forma volumosa não favorecia a alta velocidade e o aumento da tensão nos fios da catenária. Faiveley aproveitou a oportunidade para desenvolver um novo e melhor tipo de pantógrafo — um que fosse mais leve, mais aerodinâmico e condutor, e possuísse mais destreza para manter o panhead em contato constante com o fio.
Ironicamente, os projetistas e engenheiros de pantógrafos da Wabtec ainda enfrentam esses mesmos desafios hoje em busca do panto ideal.
“O desenvolvimento do pantógrafo se resume principalmente a alcançar um desempenho dinâmico estável; garantir a coleta de corrente de alta qualidade; e entregar na embalagem ou na medida que o cliente exige”, diz Matt Atkins, diretor de engenharia de coleta de energia da Wabtec. “Por desempenho dinâmico, quero dizer que o panto precisa funcionar em condições reais (pense no clima, no vento, na velocidade, no salto do trem e no movimento do fio para começar); e, para a coleta atual, considere esses mesmos fatores novamente, além de uma longa lista de questões de capacidade elétrica e engenharia mecânica. Em última análise, precisamos impulsionar um trem de forma eficaz, mas há uma série de restrições que fazem todo o possível para atrapalhar, e que é nosso trabalho flanquear e superar.”
Outra forma de entender o desafio do design e da engenharia do pantógrafo é considerar uma pequena lista dos “itens essenciais” do pantos:
- Deve ser leve.
- Deve ser forte.
- Deve ser aerodinâmico.
- Ele deve funcionar em duas direções (para frente e para trás, ao contrário de um avião!)
- Ele deve conduzir eletricidade.
- Ele deve gerenciar o atrito.
- Ele deve funcionar em um ambiente dinâmico e em constante mudança.
- E ele deve ser configurável para um mundo de diferentes tensões, alturas de fios aéreos e tipos de trens, bem como para o que vier a seguir (veja abaixo).
Essa lista, é claro, nunca termina. E ninguém sabe disso melhor do que a equipe de panto da Wabtec ou está mais dedicado a refinar e melhorar o portfólio de pantógrafos da empresa em meio a essas demandas, muitas vezes concorrentes.
O sonho do pantógrafo perfeito
Os engenheiros de pantógrafo da Wabtec em todo o mundo compartilham uma obsessão: desenvolver o panto perfeito. Então, como isso pode parecer? Novamente, Matt Atkins tem algumas ideias.
“Acho que todos podemos concordar que o panto perfeito será superleve, e isso exigirá inovação no panhead, que é inerentemente carbono metalizado. Hoje, quanto mais denso o material panhead, maior a capacidade atual que ele pode suportar. Mas isso aumenta o peso, que é inimigo da velocidade. Então, o Santo Graal seria um pantógrafo muito leve e de alta capacidade de corrente”, disse Atkins.
“E isso é apenas metade da história. Nem mencionamos até onde os pantógrafos literalmente precisam percorrer para atender às necessidades de nossos clientes. Nossos clientes estão sempre pressionando para que os pantos tenham um alcance físico muito grande — a capacidade do braço panto de estender com destreza distâncias variadas — para que possam usar seus trens em diferentes trilhos com diferentes alturas de fio catenário. Um ótimo exemplo disso está na Índia, onde a Wabtec é líder de mercado em pantos de alto alcance.”
Panto do futuro
Além de enfrentar os desafios físicos, materiais e elétricos e mecânicos que vêm com a inovação da panto, a Wabtec também deve lidar com uma variável mais humana: a regulamentação governamental.
Do jeito que está hoje, uma das maiores conversas no mundo dos pantógrafos é a melhor forma de cumprir o mandato da ERJU de trens “sem ar”. No papel, a perspectiva de trens sem ar parece ótima. Ao remover grandes compressores de ar e tubulações de locomotivas e vagões, os trens se tornarão mais leves e eficientes.
Mas essa mudança representa um grande desafio para os pantógrafos, porque muitos deles precisam de ar para operar. Todo esse movimento dinâmico e em tempo real que mantém o cabeçote apertado à catenária normalmente é possibilitado pelos cilindros ou foles pressurizados a ar do panto.
Em última análise, a resposta poderia estar em um pantógrafo totalmente elétrico, também conhecido como “ePanto”, que a Wabtec projetou e está atualmente prototipando e preparando para validação em breve. Os desafios são muitos, incluindo a introdução de 1) um atuador elétrico que pode mover o braço panto de forma tão responsiva quanto os sistemas acionados a ar e 2) um sistema elétrico de lançamento automático que pode desligar um panto com as mesmas taxas de resposta de menos de um segundo dos sistemas atuais que aumentam a segurança do trem. Além disso, há problemas de isolamento elétrico a serem resolvidos entre as tensões operacionais no nível do componente do pantógrafo e as tensões de coleta na linha aérea.
“Os ePantos são um potencial divisor de águas para a Wabtec e para a indústria em geral, pois eliminam a necessidade de muitos equipamentos caros para os fabricantes de automóveis fabricarem e manterem os clientes”, disse Philippe Geoffroy, líder do domínio de desenvolvimento de produtos Power Collection Pantograph na Wabtec. “Mas eles exigirão inovações significativas, um desafio do qual a Wabtec nunca se esquivou.
“Ao avaliar as fronteiras atuais da inovação em pantógrafos, não posso deixar de relembrar o que Faiveley realizou e o caminho bem-sucedido que ele estabeleceu para essa empresa. É incrível para mim que, mais de 100 anos após sua primeira grande inovação no design de pantógrafos, ainda estejamos enfrentando as mesmas forças físicas e realidades eletromecânicas que ele enfrentou — e que, como ele, nossa diligência e criatividade estejam valendo a pena com avanços tangíveis para nossos clientes, empresa e indústria.”