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Quebrando um bloqueio tecnológico para tornar os sistemas de transporte ferroviário mais eficientes
Introdução
Todos esperam e querem maior eficiência no transporte ferroviário, mas devido à concentração urbana e à falta de financiamento, parece muito improvável que a infraestrutura seja expandida. A única maneira de melhorar o desempenho do transporte ferroviário é, portanto, operar mais trens por hora nos trilhos existentes. Para fazer isso, precisamos superar o desafio das limitações de desempenho de frenagem devido à aderência entre rodas e trilhos.
O sistema Wheel Slide Protection (WSP) é a chave para otimizar o uso da aderência disponível, melhorando assim o desempenho garantido de frenagem.
Em situações normais, o desempenho é fisicamente limitado pela aderência entre o trilho e a roda, mas problemas externos, como condições climáticas e poluição, podem causar uma redução na adesão real disponível. A primeira consequência disso é uma alteração no desempenho, mas também pode levar a uma deterioração dispendiosa. A principal função de um WSP é fazer o melhor uso da aderência disponível em quaisquer condições externas, evitando o pior cenário de travamento do eixo. Também é usado para limitar a deterioração que pode afetar o material circulante ou a infraestrutura.
O artigo a seguir apresenta as conquistas mais recentes da Wabtec nessa área, resultado de um trabalho contínuo tanto no laboratório usando ferramentas de simulação e teste de alto desempenho quanto no campo.
Os desafios
Condições climáticas adversas e poluição têm um impacto negativo na aderência roda-trilho dos sistemas de transporte ferroviário, estendendo as distâncias de frenagem dos trens. Para limitar isso, os operadores precisam de melhores sistemas de proteção contra deslizamento de rodas.
Os sistemas WSP atuais são projetados considerando as condições típicas de adesão degradada, conforme definido nos padrões, que às vezes se desviam significativamente das condições reais. Se a aderência estiver abaixo desse nível padrão, isso pode levar à extensão das distâncias de frenagem em mais de 50% em comparação com o trilho seco e à deterioração das rodas (rodas planas), obrigando os operadores a reperfilá-las. Esse processo reduz a disponibilidade do trem e reduz a vida útil das rodas, gerando custos adicionais de manutenção. Se a adesão for degradada ainda mais, regras operacionais restritivas devem ser consideradas, como reduzir as velocidades permitidas ou gerenciar a limpeza de trilhos.
Os sistemas WSP atualmente em uso são qualificados e testados com base nos modelos de adesão definidos na norma EN15595 (ou UIC 541-05). É um processo longo e caro, realizado primeiro por meio de bancadas de teste e depois em testes de campo; o processo leva várias semanas para a implementação de cada novo veículo.
Uma configuração fixa não pode cobrir a ampla gama de condições criadas pelas condições ambientais ou pelo próprio sistema de freio:
- A adesão real no trilho pode variar de 0,01 (por exemplo, com folhas velhas na pista) a 0,17; os padrões consideram uma faixa de configuração típica para condições de adesão degradada entre 0,05 e 0,08.
- A melhoria da aderência ao longo do trem devido ao movimento sucessivo dos eixos.
- Status da massa (AW0 a AW3) e sua mudança dinâmica devido às transferências de massa.
- Desempenho do par de atrito (bloco a disco ou bloco a roda), cujo coeficiente de atrito muda devido à velocidade, temperatura e umidade.
Em 2014, como parte do projeto europeu Shift2Rail, o setor ferroviário - fabricantes e operadores - decidiu trabalhar nesse problema, e a Wabtec respondeu ao desafio Shift2Rail (projetos PINTA1 e PINTA2).
O primeiro passo foi obter uma melhor compreensão da degradação da aderência roda-trilho em condições e ambientes reais de uso, em particular o efeito de “limpeza” que pode aparecer ao longo do trem durante o serviço devido à passagem sucessiva das rodas. Isso foi alcançado graças à análise cuidadosa de vários resultados de testes e ao extenso trabalho em uma bancada de testes dedicada.
Essa bancada de testes, conhecida como Roller, foi desenvolvida para simular com precisão a ação de contaminantes que degradam a adesão entre cada roda e o trilho. É uma ferramenta exclusiva desenvolvida pela Wabtec. Essa bancada de testes é um dispositivo de escala reduzida que permite que os testadores apliquem a frenagem em vários eixos que correm na mesma pista. A aderência degradada é criada para a pista e, em cada eixo, é possível modular o esforço de frenagem e avaliar a aderência resultante.
Com base nisso, um novo sistema WSP adaptável foi projetado e implementado. Para cada veículo, o equipamento eletrônico digital, combinado com um conjunto de sensores e atuadores, integra software baseado em um algoritmo adaptativo que usa o método dos mínimos quadrados médios (LMS). Inclui o autoajuste dinâmico do algoritmo WSP, levando em consideração as condições reais de adesão.
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Fora do laboratório da Wabtec, esse novo sistema foi testado na bancada de testes WSPER no Reino Unido, na bancada de testes credenciada pela DBST EN15595 e durante testes de campo com um veículo EusKotren em Bilbao, Espanha.
WSP adaptável DistanceMaster™
Os resultados
O exame do impacto do dispositivo DistanceMaster™ Adaptive WSP nas distâncias de frenagem, um parâmetro essencial de segurança, mostra uma melhoria significativa em comparação com os sistemas WSP padrão em conformidade com as normas EN 15595:2011 e 2018. Com o Adaptive WSP, observamos uma melhora na extensão da distância de parada em condições de má adesão padrão do EN/UIC. Em comparação com as distâncias de parada em condições secas, a extensão é de aproximadamente 8%, em comparação com 12% com a geração anterior do Wabtec WSP, e um máximo aceitável de 20% especificado pelos padrões.
Uma avaliação foi feita na bancada de testes do WSPER; esse equipamento de avaliação do WSP foi desenvolvido pela DB-ESG, parte da DB System Technik, em Derby, Reino Unido.
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[Comparação das distâncias de frenagem a 90 km/h do Adaptive WSP versus o WSP da geração anterior]
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[Comparação do desempenho do freio do Adaptive WSP com o WSP da geração anterior em condições sustentadas de baixa aderência.]
Além disso, o consumo de ar comprimido (e, portanto, o consumo de energia necessário para manter a pressão da linha principal) é significativamente reduzido em comparação com os WSPs da geração anterior durante todos os testes usando o algoritmo adaptativo otimizado.
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[Comparação do consumo de ar do WSP adaptativo com o WSP da geração anterior em condições sustentadas de baixa adesão.]
Outra avaliação foi feita na bancada de testes credenciada pela DBST, localizada em Minden, Alemanha.
Durante a validação do A-WSP na bancada de testes do DBST, o algoritmo foi submetido a mais de 1.000 testes, incluindo testes funcionais e de tipos usando vários perfis de adesão e regimes de frenagem.
A validação foi realizada em um vagão de reboque com velocidade máxima de 400 km/h.
A tabela a seguir apresenta a extensão média da distância de parada e do consumo de ar de acordo com a velocidade de frenagem e o algoritmo WSP. A distância de frenagem do A-WSP é menor do que a do WSP da geração anterior em ambos os casos; o consumo de ar também é menor com o algoritmo adaptativo.
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[Extensão média da distância de parada e do consumo de ar na bancada de testes do DBST, WSP e A-WSP da geração anterior.]
A tabela a seguir apresenta os testes realizados no laboratório do DBST com o A-WSP e o WSP da geração anterior. O A-WSP e o AEF-91 estão em conformidade com a EN 15595:2011. O A-WSP também está em conformidade com todos os testes obrigatórios e opcionais dentro da EN 15595:2018.
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[EN15595: programa de testes de 2011 e 2018 na bancada de testes do DBST, WSP e A-WSP da geração anterior.]
Uma melhoria adicional
A compensação de desaceleração
O próximo passo necessário para melhorar ainda mais isso é levar em conta a variação na aderência quando sucessivos eixos passam; para isso, um sistema de compensação de desaceleração foi projetado e implementado. Esse sistema (disponível nos sistemas integrados de controle de freio dos tipos Metroflexx e Regioflexx desenvolvidos pela Wabtec) visa reduzir ainda mais a distância de frenagem em condições de aderência degradada, graças ao melhor uso da aderência disponível ao longo do trem.
O sistema visa redistribuir o esforço de frenagem ao longo do trem para atingir a meta de desaceleração no nível do trem. Cada unidade de controle de freio local verifica a aderência disponível e pode aumentar o esforço de frenagem até o limite, garantindo o máximo conforto do passageiro. Essa função de compensação de desaceleração pode ser usada até mesmo em frenagens de emergência devido ao alto nível de segurança (SIL4) presente nos sistemas de freio Metroflexx e Regioflexx da Wabtec (sistemas de freio para metrôs e trens de várias unidades, respectivamente).
Essa função é gerenciada localmente (pelo equipamento de controle de freio de cada bogie ou veículo) e não requer comunicação entre as diferentes unidades de controle de freio do trem. Quando o operador opta por implementá-la, essa função é totalmente configurável (máxima aderência necessária, pressão máxima do cilindro do freio, etc.).
Um avanço decisivo para o WSP adaptativo e a compensação de desaceleração
O uso dessas duas funções trabalhando juntas foi testado pelo DB-ESG na bancada de testes do WSPER com os seguintes resultados (considerando o caso de referência do Euskotren).
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A compensação de desaceleração, trabalhando em conjunto com o sistema Adaptive WSP descrito acima, reduz a extensão da distância de frenagem, sob as condições de adesão degradada de referência, para cerca de 6% acima da distância de frenagem em condição seca. Em comparação com a intervenção de um sistema WSP atuando sozinho, a combinação dos dois sistemas permite uma melhoria de 50% [6% de extensão em vez de 12%] no desempenho de frenagem em condições de adesão degradadas. Isso constitui uma grande melhoria na segurança, particularmente ao levar em conta a variabilidade das condições de aderência das rodas do trilho.
As vantagens relativas desses dois sistemas inovadores estão resumidas no gráfico a seguir.
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A redução da degradação do desempenho de frenagem em comparação com o desempenho do WSP da geração anterior nas condições de adesão degradada de referência varia de 34% (somente WSP adaptável) a 50% (WSP adaptável mais compensação de desaceleração).
Esta é uma melhoria significativa no controle da taxa de frenagem de emergência garantida, um dos principais critérios para a segurança dos sistemas de transporte ferroviário.
- Os resultados dos testes mostram uma clara melhora na frenagem e seu controle em condições de aderência degradadas e/ou variáveis. Isso deve permitir que os operadores lidem melhor com as condições climáticas e/ou sazonais (folhas caídas, condições de outono/inverno, etc.), protegendo o material circulante (evitando furos nas rodas). Independentemente do sistema de espaçamento de trens instalado, garantir uma redução na distância de frenagem de emergência em condições degradadas é um ponto chave para as operações nessas linhas, pois aumenta a segurança para o desempenho esperado do freio. Ele oferece maior confiança ao motorista e pode evitar (ou limitar) a necessidade de restrições operacionais, como reduções de velocidade.
- Para sistemas de sinalização de blocos móveis (como ETCS L3 e CBTC) usados principalmente em novas linhas, a consideração desses desempenhos de frenagem mais garantidos pode abrir as portas para a redução dos avanços e a melhoria das capacidades da linha.
- Custos de manutenção reduzidos: os sistemas WSP padrão têm uma configuração fixa otimizada para um tipo padrão de adesão degradada. O Adaptive WSP é permanentemente autoajustável, para que possa fazer o melhor uso da adesão disponível, mesmo no caso de adesão extremamente baixa. Isso reduz muito o risco de danos nas rodas. De acordo com os resultados do teste, a frequência de ocorrência de furos nas rodas pode ser reduzida em ~ 50%. Defeitos nas rodas planas têm consequências econômicas significativas: o reperfil das rodas reduz a vida útil das rodas e a disponibilidade de trens devido às operações de manutenção; vários planos podem causar estresse excessivo na via, resultando em operações de manutenção adicionais e, às vezes, em danos.
- O comissionamento de novos veículos pode ser simplificado: o Adaptive WSP não exige uma longa campanha de testes para ajustar suas configurações. O sistema é autoajustável e otimiza a frenagem de acordo com a aderência disponível desde a primeira frenagem.
Implementação desses sistemas
Uma unidade WSP adaptável foi testada em serviço por um ano pela Amtrak no mercado norte-americano, com benefícios notáveis em termos de desgaste das rodas. O Adaptive WSP e a compensação de desaceleração estão programados para equipar trens completos para testes de quatro temporadas para operadores de NYCT (Nova York) e Euskotren (Bilbao); essas iniciativas começarão a operar no quarto trimestre de 2021 e no primeiro trimestre de 2022.
O Adaptive WSP está atualmente passando pelas certificações EN. Combiná-lo com o sistema de compensação de desaceleração pode ser considerado para o projeto de novos materiais circulantes. Esse sistema completo estará disponível para operadores que desejam melhorar a eficiência de sua frota.
Deve-se notar que a implementação do Adaptive WSP por si só também é possível, sem a necessidade de mudanças pesadas de hardware, em veículos existentes já equipados com o Wabtec WSP.
Resumo
Embora ainda haja medidas a serem tomadas para reduzir o progresso do trem, como a implantação de sistemas de sinalização de blocos variáveis e a taxa de frenagem de emergência garantida adequada (GEBR), que contribuem para o projeto completo do sistema ferroviário, o pacote de adesão inovador da Wabtec descrito acima fornece blocos de construção muito sólidos e supera um grande desafio tecnológico.