Sessão: Material Circulante: Requisitos, Materiais e...

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Ciclo de Formação Avançada na Ferrovia – Módulo Geral, FEUP - CSF, 7-8 Julho 2008 1 Sessão: Material Circulante: Requisitos, Materiais e Tecnologias Introdução geral, alguns resultados e competências na FEUP Daniel F C Peixoto, Lucas F M da Silva, Luís Andrade Ferreira, Miguel V Figueiredo, Paulo M S Tavares de Castro, Pedro M G P Moreira, Sérgio M O Tavares, Valentin Richter-Trummer Departamento de Engenharia Mecânica FEUP

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Ciclo de Formação Avançada na Ferrovia – Módulo Geral, FEUP - CSF, 7-8 Julho 2008 1

Sessão:

Material Circulante:Requisitos, Materiais e Tecnologias

Introdução geral, alguns resultados e competências na FEUP

Daniel F C Peixoto, Lucas F M da Silva, Luís Andrade Ferreira,Miguel V Figueiredo, Paulo M S Tavares de Castro, Pedro M G P Moreira,

Sérgio M O Tavares, Valentin Richter-Trummer

Departamento de Engenharia MecânicaFEUP

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O caminho de ferro - 1

C Schreyer, C Schneider, M Maibach, W Rottengatter, C Doll, D Schmedding, “External costs of transport: update study”, INFRAS/IWW, Oct 2004http://www.uic.asso.fr/etf/publication/publication-detail.php?code_pub=150

…. custa menos à sociedade, provoca menos acidentes, necessita de menos espaço para capacidade de transporte idêntica, e é mais amigo do ambiente ….

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http://www.sasi.group.shef.ac.uk/worldmapper/

reference

O caminho de ferro - 2

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Material circulante - 1ou rolling stock – inclui todo o material que circula (carruagens, locomotivas …) por contraste com a infraestrutura (carris …).

OTIF, General Provisions – Subsystems ref.: A 94-01B/1.200715.05.2007, Rolling stock: Structure, command and control system for all train equipment, tractionand energy conversion units, braking, coupling and running gear (bogies, axles, etc.) andsuspension, doors, man/machine interfaces (driver, onboard staff and passengers, including the needs of persons with reduced mobility), passive or active safety devicesand requisites for the health of passengers and on-board staff. Rolling stock is subdividedin subsystems: wagons, traction vehicles, carriages (passenger coaches).http://www.otif.org/otif/_epdf/dir_tech_adm_2007/06_2007_A_94-01B_1.2007_e_APTU_Annex_1-B_-_Subsystems.pdf

Enquadramento: normalização aplicável, e disposições da EU, nomeadamente as Technical Specifications for Interoperability (TSIs), ver: Council Directive 96/48/EC, 23 July 1996 on the interoperability of the trans-Europeanhigh-speed rail systemDirective 2001/16/EC of the European Parliament and of the Council on theinteroperability of the trans-European conventional rail system

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Interoperabilitycapacity of the trans-European Rail System – high-speed and conventional – to allow thesafe and uninterrupted movement of trains, meeting the specified levels of performance and eliminating major regulatory, technical and operational differences currentlysubstantially impeding free cross-border movement of trains

TSIs• maintenance subsystem• control-command and signalling subsystem • infrastructure subsystem • energy subsystem • operation subsystem • rolling stock subsystem "subsystems" means that the trans-European high-speed rail system is subdivided intostructural or functional subsystems for which essential requirements must be laid downOfficial Journal of the European Communities L 245, Vol. 45, 12 Sept 2002 http://eur-lex.europa.eu/JOHtml.do?uri=OJ:L:2002:245:SOM:EN:HTML

harmonised standardse.g. Official Journal of the European Union C 332/30, 30 Dec 2006

Material circulante - 2

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Material circulante - 3Nesta introdução, serão apenas mencionados alguns dos aspectos referidos:

Problemas mecânicos de concepção e de fabrico– Dimensionamento da estrutura– Materiais– Processos de fabrico

Problemas de manutenção

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Concepção e fabricoDimensionamento da estruturaex. de especificações quanto a rigidez:primeira frequência própria de flexão >10 Hz.flecha máxima < 1/1000 da distância entre centros de bogies.

ex., … hybrid design concept combined with a sandwich compositestructure for bodyshell anda stainless steel structurefor the under frame to match the challengingdemands with respect to cost efficient lightweightdesign for railway carriagestructures….

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DurabilidadeEstudos a diversas escalas

• Provete• Ligação • Módulo estrutural• Estrutura completa

e com diversos objectivos

• iniciação de fendas• propagação de fendas• resistência residual…….

Sung Il Seo et al, “Fatigue strength evaluation of the aluminum carbody of urban transit unit by largescale dynamic load test”, JSME International Journal Series A, vol. 48, No.1, 2005

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Durabilidade: fadigaAbordagens

iniciação• Wöhler, curvas SNpropagação• Paris e afins

entre outros desenvolvimentos;iniciação• Modelos elasto-plásticas: Coffin-Manson ....propagação• efeito de limiar para propagação, de razão de tensão, ….acumulação de dano• Miner, ….………

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Durabilidade: fadiga e fractura

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Durabilidade:Mecânica da Fractura

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5 exs. de intervenção do Dep. de Eng. Mecânica da FEUP

1 Propagação de fendas em carris2 Contacto roda/carril3 Contacto – Mec. da Fractura 4 Comportamento à fadiga de painéis fabricados por FSW5 Manutenção

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Prop. de fendas em carris - 1

project SMT4-CT98-2240L F M da Silva, D J Stewardson, F M F de Oliveira, P M S T de Castro, “Fatigue crack growth of rails for railways”, Proc. Instn Mech. Engrs vol.217 Part F: J. Rail and Rapid Transit, 2003, pp.89-97

4B19 tensile test

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0,00 0,05 0,10 0,15

Strain

Stre

ss (M

Pa)

Specimen 3B14 tensile test

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 0.5 1 1.5 2

Displacement (mm)Lo

ad (N

)

Specimen 3B14

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

0 200000 400000 600000 800000 1000000N

a (m

m)

Fatigue test stopped Maximum load

Mixture of fatigue and brittle fracture

Brittle failure Fatigue

3- Fracture surface

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Prop. de fendas em carris - 2INEGI - 7 point incremental polynomial technique

1B4da/dN = 1E-11ΔK2.9577

R2 = 0.8914

2B9da/dN = 9E-13ΔK3.7909

R2 = 0.8909

3B14da/dN = 2E-12ΔK3.5872

R2 = 0.9911

4B19da/dN = 3E-12ΔK3.419

R2 = 0.9822

4B20da/dN = 2E-12ΔK3.6463

R2 = 0.9846

1.E-09

1.E-08

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1 10 100

ΔK (MPam1/2)

da/d

N (m

/cyc

le) 1B4

2B93B144B194B20

project SMT4-CT98-2240L F M da Silva, D J Stewardson, F M F de Oliveira, P M S T de Castro, “Fatigue crack growth of rails for railways”, Proc. Instn Mech. Engrs vol.217 Part F: J. Rail and Rapid Transit, 2003, pp.89-97

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Contacto roda/carril -1

Daniel F C Peixoto, FEUP, 2008Projecto FCT POCI / V.5 / C0006 / 2005

Tensão principal máximaContacto pontual

Contacto em dois pontos, tensão de corte máxima

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Daniel F C Peixoto, FEUP, 2008Projecto FCT POCI / V.5 / C0006 / 2005

Contacto roda/carril - 2

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Mov.

Parâmetros considerados:• pressão de Hertz• pressão do eventual fluído dentro da fenda• campo de tensões residuais devidas à indentação

Fenda iniciada na base da indentação

Contacto: Mec. da Fractura

V M M B da Mota, P M G P Moreira , L A A Ferreira, “A study on the effects of dented surfaces on rolling contact fatigue”, International Journal of Fatigue, vol.30, 2008, pp.1997–2008

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Fabrico: FSW

avanço

retrocesso

Friction Stir Welding

pinshoulder

É um processo de soldadura no estado sólido desenvolvidopelo TWI (Cambridge UK)

A interacção entre uma ferramenta não consumível e as peças a ligar cria uma junta através de calor de atrito e deformaçãoplástica a temperaturas abaixo do ponto de fusão

Pedro M G P Moreira, tese de doutoramento em Eng. Mecânica, FEUP, 2008

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FSW: aplicações ferroviárias

Shinkansen, usando FSW nos painéis do chãode: ESAB, FSW – The ESAB Way, doc. XA00123720

e outras aplicações, no ECLIPSE business jet, e no espaço (ARIANE) ….

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FSW: painéis reforçados

project DaToN: contract No. AST3-CT-2004-516053

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project DaToN: contract No. AST3-CT-2004-516053

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a)

c)

b)

project DaToN: contract No. AST3-CT-2004-516053

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Painéis reforçados: fadiga Predicted crack growth behaviour

P M G P Moreira, V Richter-Trummer, S M O Tavares, F M F de Oliveira, P M S T de Castro, “Characterization of fatigue crack growth rate of AA6056 T651 and T6. Application to DaToN panels lifeprediction”, report DaToN–WD5-WP2-WP3–1.0/IDMEC, 21st December 2007

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Fiabilidade, manutibilidade e manutenção - 1

RCM1 (Reliability Centered Maintenance) - Manutenção Centrada na FiabilidadeRCM2 [(Remote) Condition Monitoring] – Monitorização (Remota) do Estado de Condição

Análise da Falhas de Superfícies de Componentes de Engenharia (Carril, rodas, rolamentos, eixos, …)

Análise RAMS de equipamentos novos ou existentes baseada na norma NP EN 50126 “Aplicações Ferroviárias – A especificação e demonstração da Fiabilidade, Disponibilidade, Manutenibilidade e Segurança (RAMS)”, IPQ, Caparica, 2000

Luís Andrade FerreiraParticipação em projs. relacionados com a Manutenção Ferroviária (ex.: Metro do Porto, projectoSEM XXI – Sistema de exploração e manutenção XXI (ADTRANZ, EFACEC, MIIT, INETI, ISQ, IST, FEUP); Cooperação com a EMEF, MIIT, ALSTOM-Portugal e outras empresas em propostas de projectos de manutenção de material circulante.

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Fiabilidade, manutibilidade e manutenção - 2

Gestão da Manutenção de Material Circulante e de InfraestruturasFerroviárias, baseada em:

Registo e codificação de activos. O primeiro passo para estabelecer um programa de gestão da manutenção é o de estabelecer um registo completo, com uso de codificação apropriada, que seja capaz de ligar a avaliação da qualidade de desempenho do material circulante e das infraestruturas, o histórico da intervenções de manutenção e os dados relativos à carga tranportada com a localização do activo e o activo a que se refere.Conceptualização da manutenção. Para ser possível estabelecer frequências de manutenção, os padrões de degradação de degradação e de falha devem ser conhecidos à priori (Mean Time To Restore Services e Mean Time Between Failures) para ser possível planear as tarefas de inspecção e de manutenção. A conceptualização da manutenção é feita recorrendo ao FME(C)A - Failure Mode Effects (and Criticality) Analysis.…….

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Fiabilidade, manutibilidade e manutenção - 3

Gestão da Manutenção de Material Circulante e de InfraestruturasFerroviárias, baseada em:……..Análise do custo do ciclo de vida LCCA. Para obter o melhor compromisso entre o investimento inicial e a manutenção, é aplicada uma análise do custo de ciclo de vida (LCCA – Life Cycle Cost Analysis). As fontes de informação para esta análise são os dados da conceptualização da manutenção, dados adicionais obtidos através de peritos e dados empíricos. Um sistema de suporte à decisão facilita a previsão de custos ao longo do ciclo de vida sob diferentes condições operacionais para testar a robustez dos equipamentos seleccionados. Planeamento das intervenções assistido por computador. Um sistema de planeamento deve permitir estabelecer prioridades assim como o agrupamento do trabalhos de manutenção e renovação a médio prazo, bem como o planeamento da utilização dos materiais e recursos, tais como vias, pessoal e equipamentos.

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Depart. Eng. Mecânica FEUP -1Algumas áreas relevantes e possíveis contactos para interagir com a competência do Dep. Eng. Mecânica FEUP (e institutos INEGI e IDMEC), nomeadamente:• Automação F Freitas, ……• Compósitos A Torres Marques, ………• Desenv. de produto; Soldadura A Augusto Fernandes, ………• Fadiga, fractura; FSW P Tavares de Castro, …….• Manutenção L A Ferreira, …..• Mecânica Computacional J César de Sá, ……..• Mecânica Experimental Joaquim Silva Gomes, …….• Tribologia J Seabra, ……• Vibrações J Dias Rodrigues, ………………… ………….Contactos institucionais:•Director do Departamento A Torres Marques•Presidente do INEGI A Barata da Rocha•Presidente do IDMEC – Pólo FEUP A Augusto Fernandes

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Participação na rede EURNEX http://www.eurnex.net/iniciada em Jan. 2004,envovendo operadores, fabricantes, associações do sector, laboratórios e universidades, visando fomentar a investigação e educação e diminuir a fragmentação do panorama ferroviário na Europa.A partir de 30 Set. 2007 é uma associação e.V. "eingetragenerVerein" segundo a lei Alemã

EURNEX Council• Prof. Manuel Seabra Pereira, IST Lisbon, chairman• Prof. Petr Moos, CVUT Prague, vice-chairmanSecretary General of EURNEX• Prof. Wolfgang H.Steinicke, FAV, BerlinEURNEX Advisory Board• Guy Bourgeois (President of INRETS), chairman • Dr. Lutz Bücken (DB / UIC)• Dr. Tjark Siefkes (Bombardier/UNIFE)

Envolvimento mais recente: participação no EURNEX-Žel 2008 16th Int. Symp., 4-5 Jun 08, Zilina, Eslováquia, de: Adriano Carvalho (DEEC-FEUP), A Costa Franco (EMEF, Guifões), Daniel F C Peixoto (DEMec-FEUP), Luis A Ferreira (DEMec-FEUP), P Tavares de Castro (DEMec-FEUP), Valentin Richter-Trummer (DEMec-FEUP).

Depart. Eng. Mecânica FEUP - 2

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O caminho a percorrer - 1

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O caminho a percorrer - 2

EUROSTAT, Statistics in focus: Transport, “Regional road and rail transport networks”, issue number28/2008http://epp.eurostat.ec.europa.eu/cache/ITY_OFFPUB/KS-SF-08-028/EN/KS-SF-08-028-EN.PDF

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O caminho a percorrer - 3A discussão da ‘alta velocidade’ em Portugal tem desviado a atenção da urgente necessidade de modernização da rede existente e da operação, por forma a que os seus standards se aproximem do corrente na Europa quanto à qualidade da infraestrutura, do material circulante e do serviço disponibilizado aos utentes

O “Plan Estratégico de Infraestructuras y Transporte - PEIT 2005-2020” do Governo Espanhol: investimento de 250 mil milhões Euros, dos quais cerca de 50% para a ferrovia ⇒ necessidade de acompanhamento do que está a ser feito em Espanha quanto àgeneralização da bitola europeia (1435 mm); o não acompanhar essa evolução isolaráPortugal;http://www.fomento.es/MFOM/LANG_CASTELLANO/_ESPECIALES/PORTUFUTUROHOY/PEIT/

É indispensável acompanhar a necessária modernização da ferrovia em Portugal de medidas de fomento da I&D relevante, com financiamentos explicitados nos planos de desenvolvimento da ferrovia que venham a ser adoptados. A gravíssima perda representada pelo fim da ex-SOREFAME não dispensa a necessidade de competência nacional na matéria.

Agradecimento: Projecto FCT POCI / V.5 / C0006 / 2005