Parte 1 - O princípio da sinalização

Fonte original do texto: http :// www . railway - technical . com / sigtxt 1. shtml Tradução: cruisespeedRevisão e layout: Tiago Costa

O desenvolvimento e princípios da sinalização inglesa (muito parecida com outras sinalizações)

Um esboço da história, desenvolvimento e princípios básicos da sinalização ferroviária britânica, incluindo sinais multi-aspecto.

Índice

● Sinalização Pioneira

● Sinalização por Intervalos de Tempo

● Capacidade da Linha

● Sinalização Fixa

● Sinais de Distância

● Intertravamento

● Blocos

● Circuitos de Via

● Circuitos de Via – Bloco desocupado

● Circuitos de Via – Bloco Ocupado

● Sinais de mais de dois aspectos

● Sinalização de quatro aspectos

● A distância segura de frenagem

● O Overlap

Introdução

A sinalização é uma das partes mais importantes que compõem um sistema ferroviário. A segurança da movimentação dos trens depende dela e o controle e gerenciamento dos trens também. Através dos anos, muitos sistemas de sinalização e controle de trens se envolveram tanto que hoje uma indústria altamente técnica e complexa se desenvolveu. Esta é uma tentativa de explicar, em termos simples, como a sinalização ferroviária britânica se desenvolveu e como ela realmente funciona, baseada nos padrões britânicos.

Sinalização Pioneira

Por volta de 1830 a 1840, logo no início das ferrovias, não havia sinalização fixa – nenhum sistema para informar ao maquinista a situação da linha à frente. Os trens eram operados "a olho". Os maquinistas tinham de ficar de olhos bem abertos, atentos a qualquer sinal de trem à sua frente para que pudessem parar antes de bater. Logo, porém, experiências práticas provaram que deveria haver alguma maneira de prevenir que os trens fossem um contra o outro. Muitos acidentes terríveis mostraram que era muito

difícil parar um trem apenas pela distância que o maquinista podia enxergar. Os problemas eram inexperiência, freios precários e o contato bastante tênue que existia na ferrovia entre a roda e o trilho de aço na tração e no freio. Os níveis de adesão eram muito menores e o peso dos carros muito maiores nas ferrovias do que nas rodovias e, portanto um trem precisa de um espaço bem maior para parar do que um carro na mesma velocidade. Mesmo sob as melhores condições, era (e atualmente é ainda em altas velocidades) extremamente difícil parar o trem apenas pelo campo de visão do maquinista.

Sinalização por Intervalos de Tempo

Nos primórdios das ferrovias, pensava-se que a maneira mais fácil de aumentar a distância para o maquinista parar o trem era impor um intervalo entre os trens. A maioria das ferrovias escolheu aproximadamente 10 minutos como intervalo de tempo. Somente era permitido que um trem andasse na velocidade máxima 10 minutos após a partida do trem anterior. Os trens tinham então, um "headway", como é chamado o intervalo, de 10 minutos. Bandeiras verdes, amarelas e vermelhas eram usadas por um "policial" para mostrar aos maquinistas como prosseguir. Uma bandeira vermelha era mostrada nos primeiros cinco minutos após a partida de um trem. Se o trem tivesse partido após 5 minutos, a bandeira amarela era mostrada. O sinal indicador de velocidade máxima, verde, só era mostrado após ter passado 10 minutos. O "sistema de intervalo de tempo", na tentativa de usar o "headway" para proteger os trens, acabou criando sérios problemas. O mais sério deles era que o sistema continuava sendo inerentemente perigoso. Naquela época, os trens eram considerados menos confiáveis do que são hoje e freqüentemente quebravam entre as estações. Também não era garantido que a velocidade de um trem fosse suficiente para o que um segundo trem não o alcançasse. O resultado foi uma série espetacular de colisões causadas, em cada caso, porque o maquinista acreditava que tinha uma zona livre à frente com pouco ou nenhum perigo se havia um intervalo de 10 minutos. Mesmo se o tempo fosse reduzido o bastante de modo que fosse possível ver o trem à frente, geralmente ele não tinha capacidade de frenagem o suficiente para evitar a colisão.

Capacidade da Linha

Outro problema sério, do ponto de vista ferroviário, era a capacidade da linha. Ainda que se pudesse autorizar todos os trens a não fazerem paradas programadas e viajar na mesma velocidade, o intervalo de 10 minutos restringia o número de trens em circulação por hora (6 neste caso) sobre determinada linha. Conforme mais trens foram necessários, iniciou-se gradualmente a redução do intervalo entre os trens. Como reduziarm o tempo, ou "headway", o número de trens por hora aumentavou. Também, ao mesmo tempo, aumentou o número de acidentes. Eventualmente, tiveram de fazer algo. A resposta foi a sinalização fixa.

Sinalização Fixa

Mesmo com o sistema de intervalos de tempo, a regra básica de sinalização era dividir a via em seções e assegurar que apenas um trem estaria autorizado a entrar em uma seção por vez, e é assim ainda hoje. Cada seção (ou bloco, como é geralmente chamado) é protegida por um sinal fixo em sua entrada para mostrar ao maquinista a aproximação de um trem. Se a seção está liberada – por exemplo, não há trem nela – o sinal mostrará a indicação de "Prossiga".

Durante muitos anos na Grã-Bretanha era, geralmente, um braço de semáforo levantado. Ainda há alguns desses largados pelo país, mas atualmente é, normalmente, uma luz verde ou "aspecto" verde, como é chamado pelos ferroviários. Se, contudo, a seção estiver ocupada por um trem, o sinal mostrará uma indicação de "Pare", geralmente de um aspecto vermelho. O próximo trem terá que esperar até que o trem à frente libere a seção. Essa é a forma básica que todos os sistemas de sinalização são projetados e operados.

Os semáforos mecânicos apareceram primeiramente no Reino Unido em 1841, e uma caixa de sinalização com alavancas de controle os semáforos remotos e pontos em surgiu em 1860. Originalmente, a passagem de cada trem por uma seção era rastreada visualmente pelo homem sinaleiro. Quando o trem liberava sua seção, o sinaleiro "dizia" à caixa de sinalização no lado de aproximação (nota da revisão: o lado da aproximação, na cabine de sinalização, é o lado pelo qual os trens chegam, em linhas singelas – com apenas uma via – e de sentido único) que a seção estava livre e que ele poderia, se necessário, "aceitar" um novo trem. As mensagens entre as caixas de sinalização eram transmitidas por um sistema de códigos de campainhas transmitidos por telégrafos elétricos.

O uso obrigatório do "telégrafo de bloco" elétrico para passar mensagens e o intertravamento dos semáforos, em que os pontos e sinais eram impedidos mecanicamente de permitir a configuração de movimentos conflitantes (nota da revisão: movimentos que provavelmente provocariam colisões), foi introduzido no Reino Unido seguindo a Lei de Regulamentação de Ferrovias de 1889.

Sinais de Distância

A sinalização básica pare/prossiga utilizada para proteger cada seção da linha seria suficiente enquanto o maquinista de um trem se aproximando pudesse ver o sinal a tempo de parar. Raramente era este o caso, então um sistema de sinais de "distância" foi providenciado em diversos locais.

Sinais de distância foram colocados em posições de tal forma que o maquinista poderia parar a tempo se o próximo sinal de parada estivesse em situação perigosa. O posicionamento deles dependia da visibilidade, curvatura, velocidade máxima permitida da linha e cálculo da frenagem do trem. No Reino Unido, trens de carga com frenagem reduzida (sem carga ou parcialmente carregados) só andavam com suas velocidades máximas limitadas para permitir uma distância de frenagem (distância necessária para o trem parar) segura entre os sinais de distância e os sinais de parada.

Originalmente, os sinais de distância eram semáforos, como os sinais de parada mencionados acima. Eles mostravam uma luz verde à noite se o sinal de parada correspondente estivesse verde também (ou liberado) e amarelo se o sinal de parada estivesse vermelho. O padrão vermelho-amarelo-verde foi adotado para sinais de luzes coloridas e eles foram utilizados eventualmente para fornecer uma forma mais sofisticada de controle de trens.

Intertravamento

Outro elemento de segurança, que foi introduzido na metade do século XIX, foi o intertravamento mecânico de pontos e sinais. Seu propósito era impedir a autorização de uma rota e a liberação de seu sinal de proteção (nota da revisão: o sinal de proteção de uma rota só é liberado – geralmente, fica verde – quando essa rota é liberada) se já tivesse sido autorizada outra rota com sinal de proteção já liberado conflitante com ela. O intertravamento era executado por uma série de bastões interagindo

mecanicamente conectados às alavancas de operação dos sinais na caixa de sinalização. O arranjo dos bastões impedia fisicamente a autorização de movimentos conflitantes. Conforme os sistemas se desenvolveram, algumas cabines de sinalização maiores em entroncamentos complexos tinham enormes estruturas de alavancas de intertravamento, que deram o nome de "estruturas de alavanca" para a fileira de alavancas de operação da caixa de sinalização.

Eventualmente, na época em que as alavancas de sinais foram substituídas por alavancas menores (miniaturização) ou botões, as estruturas mecânicas de intertravamento foram substituídas por intertravamentos a relés. Relés eletromagnéticos foram utilizados em série para garantir a segurança da liberação de rotas nos entroncamentos. Complexas "tabelas de controle" foram feitas para projetar o modo em que esses relés interagiriam e para garantir a integridade e a segurança.

Blocos

Figura 1 – Blocos em uma via ferroviária

As ferrovias são providas de sinalização primária para garantir que há sempre espaço suficiente entre os trens, de modo a permitir que um trem pare antes de chocar-se com o trem à frente. Isso é feito dividindo-se cada via em seções ou "blocos". Cada bloco é protegido por um sinal localizado na sua entrada. Se um bloco é ocupado por um trem, o sinal mostrará um "aspecto" vermelho, como é chamado, avisando que o trem deve parar. Se a seção estiver livre, o sinal pode mostrar um aspecto verde ou um aspecto de "prosseguimento".

O diagrama simplificado da figura 1 mostra o princípio básico do bloco. O bloco ocupado pelo trem 1 está protegido pelo sinal vermelho na entrada do bloco. O bloco anterior está livre e um sinal verde permitirá que o trem 2 entre neste bloco. Isso reforça a regra básica onde a sinalização ferroviária, que diz que apenas um trem pode ocupar um bloco por vez.

Circuitos de Via

Atualmente, para os propósitos da sinalização, os trens são monitorados automaticamente por meio de "circuitos de via". Os circuitos de via foram primeiro experimentados nos Estados Unidos nos anos 1890 e logo depois eles apareceram na Grã-Bretanha. O Metrô de Londres foi o primeiro a utilizá-los em larga escala em 1904-1906.

Correntes de baixa tensão aplicadas nos trilhos causam o sinal, por meio de uma série de relés (originalmente) ou circuitos eletrônicos (mais recentemente) a mostrar um aspecto de "prosseguimento". A o fluxo da corrente será interrompido pela presença das rodas de um trem. Tal interrupção também causará a exibição de um sinal de "pare". Um sistema assim significa que uma falha gerará um aspecto vermelho – um sinal de parada. Esse sistema às vezes é referido como sistema de "falha segura" ou "vital". Um sinal de "prosseguimento" só irá ser mostrado se a corrente flui. A maioria das principais linhas européias com tráfego moderado ou pesado está equipada sinais de luzes coloridas, operados de forma automática ou semi-automática por circuitos de via.

Circuitos de Via – Bloco desocupado

Figura 2 – circuito de via em um bloco desocupado

O diagrama da figura 2 mostra como um circuito de via é empregado em uma seção ou bloco de via. Uma baixa tensão vinda de uma bateria é aplicada a um dos trilhos no bloco e retornada pelo outro. Um relé na entrada da seção detecta a tensão e se eletrifica para conectar uma fonte separada de eletricidade à lâmpada verde do sinal.

Circuitos de Via – Bloco Ocupado

Figura 3 – circuito de via em um bloco ocupado

Quando um trem entra no bloco, as primeiras duas rodas curto-circuitam a corrente (já que elas são metálicas e são unidas por um eixo, também metálico), o que causa o corte de alimentação elétrica do relé e a queda do contato da fonte de eletricidade das lâmpadas do sinal (nota da revisão: esse contato pode ficar em duas posições, abaixado e levantado. Quando abaixado, faz a lâmpada vermelha se acender, e quando levantado, faz a lâmpada verde se acender. Quando a eletricidade do relé é cortada, a gravidade puxa o contato para baixo). Portanto, a fonte de alimentação das lâmpadas agora ativa a lâmpada vermelha. Esse sistema é chamado de "falha segura", ou às vezes "vital", porque qualquer interrupção no circuito causará a exibição de um sinal de perigo (vermelho).

A figura 3 é uma descrição simplificada do circuito de via. A realidade é um tanto mais complexa. Um bloco é normalmente separado eletricamente das suas seções vizinhas por juntas isolantes nos trilhos. Entretanto, as instalações mais recentes utilizam componentes eletrônicos para permitir circuitos de via sem juntas isolantes. Algumas áreas também possuem circuitos adicionais, que permitem que os sinais sejam mantidos manualmente em vermelho a partir de uma caixa de sinalização ou centro de controle, mesmo se a seção estiver livre. Esses são conhecidos como sinais semi-automáticos. Uma complexidade ainda maior é necessária nos entroncamentos.

Sinais de mais de dois aspectos

Sinais básicos de dois aspectos (vermelho/verde) são perfeitos para operações de menor velocidade, acima de 50 km/h, o maquinista necessita de um aviso de sinal vermelho à frente para lhe dar espaço suficiente para parar. No Reino Unido, isso levou a idéia de sinais de aviso (originalmente chamados sinais de "distância" quando eram braços de semáforos operados mecanicamente) localizados a uma distância suficiente do sinal de proteção da entrada do bloco, dando ao maquinista um aviso e uma distância segura para parar o trem. Quando isso foi desenvolvido para sinalização de circuitos de via, o sinal de aviso foi providenciado um bloco antes do sinal de parada. Cada sinal mostraria agora um aspecto vermelho, amarelo ou verde – um sinal multi-aspecto.

Figura 4 – Funcionamento de sinais de 3 aspectos

O diagrama da figura 4 mostra uma via com sinais de 3 aspectos. O bloco ocupado pelo trem 1 está protegido pelo sinal vermelho na entrada do bloco. O bloco anterior está livre, mas um sinal amarelo

providencia um aviso adiantado do sinal vermelho à frente. Este bloco providencia uma distância segura para o trem 2 parar. O bloco atrás deste também está livre e mostra um sinal de aspecto verde. O maquinista do trem 2 vê o sinal verde e sabe que tem, pelo menos, dois blocos livres à frente e que pode manter a velocidade máxima permitida nesta linha até ver o sinal amarelo.

Sinalização de quatro aspectos

A sinalização multi-aspecto utilizada normalmente no Reino Unido atualmente é o sistema de 4 aspectos. Ele funciona de forma similar ao sistema de 3 aspectos, exceto que dois avisos são providenciados antes do sinal vermelho, um aviso de aspecto amarelo duplo e um aviso de aspecto amarelo simples. Isso tem dois propósitos. Primeiro, ele dá sinais com mais antecedência para trens de alta velocidade ou pode permitir uma melhor ocupação da via diminuindo o comprimento dos blocos. Os trens de alta velocidade têm aviso adiantado de sinais vermelhos, enquanto que trens de baixa velocidade podem andar mais próximos a 50 km/ h nos sinais "amarelos duplos".

Figura 5 – Blocos de via com sinalização de 4 aspectos

O diagrama da figura 5 mostra uma via com sinalização de sinais de quatro aspectos com (no diagrama de cima) um trem de alta velocidade com três blocos livres à sua frente e (no diagrama de baixo) um trem mais lento, com dois blocos livres à sua frente. Os trens mais lentos podem andar mais próximos, portanto, mais trem podem ser operados sobre uma dada seção da linha.

Distância segura de frenagem

A descrição anterior da sinalização tem mostrado, até agora, o conceito de aviso ou reforço da indicação restrita de sinais. A descrição ainda não levou em consideração de distância de frenagem (distância necessária para o trem parar) ou headway. Primeiro, existe o problema da distância de frenagem. Como nós já vimos, um trem não pode parar rapidamente. Um trem interurbano viajando a 100 mph (160 km/h) andará por mais de 1,6 km até parar totalmente. Mesmo um sistema de sinalização com reforço (ATP), como o Metrô de Londres, conforme descrito até agora, existe o risco de o trem passar um sinal de parada, e então ser parado pela aplicação do sistema ATP (n.r.: veremos como isso funciona na próxima parte) e ainda bater no trem à frente. Essa situação pode ocorrer se o trem à frente estiver logo após o sinal de proteção. Esse problema já é reconhecido há bastante tempo e pode ser resolvido pela provisão de um espaço para o trem parar, um "overlap".

O Overlap

Em sua forma mais simples, o "overlap" é a distância permitida que para o trem parar caso ele passe por um sinal mostrando um aspecto de parada. Ele é providenciado posicionando-se o sinal de forma a ficar antes da entrada na seção que está protegendo.

Nas ferrovias britânicas, pelo fato de ser impossível calcular todas as variadas distâncias de frenagem de diferentes tipos de trens e porque também é impossível prever quando um maquinista vai reagir a um sinal de parada, um valor fixado em 185 metros (200 jardas) é utilizado. Em metrôs que utilizam o sistema ATP, a distância é calculada por uma fórmula precisa baseada na capacidade de frenagem

conhecida dos trens do metrô, o gradiente (subida ou descida) do local em questão, a velocidade máxima possível dos trens na seção, a visão do sinal por parte do maquinista e uma pequena margem de segurança. O resultado do cálculo é chamado "distância segura de frenagem". O overlap incorpora essa distância de segura de frenagem. Mais detalhes sobre o overlap serão mostrados na parte 2.