Campo técnico:

[001] A presente invenção refere-se a aperfeiçoamentos em perfil de trilho ferroviário do tipo assentados e fixados em dormentes para composição de superfície de rolamento de via férrea onde, notadamente, o dito perfil inclui inovações técnicas que incluem uma conformação de alma tripla ou dupla de forma a melhorar a estabilidade do trilho e, consequentemente, desempenho dos veículos para o transporte férreo, bem como, prevê furações nas referidas almas que permitem o transpasse de fiações ou cabos diversos.

Fundamentos da técnica:

[002] Atualmente, o transporte ferroviário é a forma de transporte terrestre com maior capacidade de carga, transportando pessoas ou cargas diversas como carga a granel, minerais, produtos agrícolas, produtos de origem animal, bens unificados, materiais ferrosos, carga a granel liquida como petróleo, gasolina, nitrogênio liquido, entre outros.

[003] Para a adequada locomoção de veículos ferroviários é importante que o trilho apresente as condições ideais de forma e resistência para suportar os carregamentos impostos pelos rodados do comboio, garantindo o seu deslocamento seguro .

[004] De uma forma geral, os trilhos ferroviários compreendem barras ou vigas de aço cujo perfil básico é tipo 'Vígnole' composto por patim, alma e boleto conforme definidos pela NBR 7590 e NBR 7650. A saber, por exemplo, a NBR 7650 define boleto como a parte do trilho destinada ao apoio e deslocamento da roda ferroviária e alma como a parte do trilho compreendida entre o boleto e o patim que, por sua vez, é definido como a base do trilho constituída pela massa mais longa do duplo 'T' , através do qual o trilho é apoiado e fixado nos dormentes.

[005] Acontece que, os perfis de trilhos existentes apresentam capacidade de carga a ser transportada pré- definida, restringindo a passagem de trens e veículos similares com maior carga em relação ao peso destinado originalmente ao trilho. Deste modo, caso o mesmo seja utilizado por um veiculo mais pesado, implicará na redução da performance de velocidade do trem.

[006] Outra limitação dos usuais perfis de trilhos ferroviários reside no fato de apresentarem menor estabilidade para os trens em curvas, causando a necessidade de redução da velocidade em curva para a composição e menor estabilidade para os trens em altas velocidades resultando, desta forma, maior consumo de combustível.

[007] Outro inconveniente dos perfis convencionais para trilho ferroviário reside no fato de que não se pode usar uma mesma geometria de trilho para carga leve, geralmente vagões de passageiros, e pesada. Sendo assim, é necessária uma variedade de modelos de alma simples que variam de acordo com seu peso por metro de comprimento, tais como, por exemplo: o TR-25 para 24, 6 kg/m; TR-32 para 32,0 kg/m; TR- 37 para 37,1 kg/m; TR-45 para 44, 6 kg/m e outros. Em que cada um é feito para suportar uma carga especifica.

[008] Outra limitação reside no impacto ambiental gerado pela troca constante dos perfis dos trilhos ferroviários danificados por excesso de peso de cargas, gerando um maior custo e gasto de recursos naturais excessivo ao longo do tempo .

Estado da técnica:

[009] O atual estado da técnica conta com documentos referentes à perfil de trilho ferroviário, tal como, o documento PI 9406964- 6 que trata de um trilho para uso em uma ferrovia que tem uma seção , uma cabeça tendo uma superfície de transporte de tráfego e uma base , em que a cabeça compreende uma superfície de transporte de tráfego é composta de martensita de baixo teor em carbono .

[ 010 ] 0 documento CN 102330390 refere-se a um trilho de uma ferrovia que apresenta uma camada de absorção de choque , dormentes , paredes de bloqueio e trilhos combinados , em que uma parte de mangas de trilho e um feixe de trilho , e o trilho está firmemente conectado com o feixe de elevação do trilho .

[ 011 ] O documento CN 202595583 compreende um trilho guia para trilhos de fundição continua que visa melhorar a propriedade de lubri ficação entre o trilho guia e os rolos para reduzir a abrasão , dito trilho inclui uma parede lateral esquerda e uma parede lateral direita, e ranhuras para conter lubri ficante estão dispostas em posições , que são contatadas com os rolos , da parede lateral esquerda e da parede lateral direita, como as ranhuras estão dispostas nas superficies , que são contatadas com os roletes , do trilho de guia, e as ranhuras são preenchidas com o lubri ficante , a perda causada pelo atrito de rolagem é diminuída e a vida útil do trilho de guia e dos rolos prolongado .

[ 012 ] O documento CN 2292829 revela uma nova forma de trilho de trem em que compreende não apenas o trilho , mas um conj unto de componentes acoplados diretamente ao trilho , um suporte e uma estrutura acoplada abaixo do referido suporte que necessitam estarem associados para que a invenção proposta funcione , conforme pode ser visto na figura 1 do referido pedido . Já a presente invenção compreende um trilho de trem com alma dupla ou trilha em que é aplicado sobre dormentes similarmente ao trilho convencional , não necessitando de nenhum componente adicional instalado sob o dormente . Além di sso , a geometria do trilho ( 6 ) revelado no documento chinês é di ferente da revelada do presente pedido . Deste modo , a anterioridade não é capaz de prover as mesmas vantagens propostas pela presente invenção .

[ 013 ] O documento CN 2789309 descreve uma espécie de suporte de trilho de trem composto por dois componentes que são fixados ao longo da alma do trilho para diminuição da vibração do trilho gerado pelo trem . Quando aplicado ao trilho , o suporte é posicionado j untamente a alma, de modo que o suporte não encosta no chão . Deste modo , a invenção proposta no documento chinês não sugere uma nova forma de trilho com alma dupla ou tripla capaz de oferecer uma maior estabilidade ao trilho quando submetido a um carregamento .

[ 014 ] O documento US 469392 descreve um trilho de trem com alma dupla podendo ou não ter uma madeira posicionada entre as almas e em que os componentes dos trilhos são montados . Apesar de possuir duas almas , o referido documento não revela nenhum indicio de um trilho com as características e vantagens propostas pela presente invenção . Ademais , considerando o substancial intervalo de tempo desde o depósito do referido documento americano , não teria como os inventores vislumbrar o mesmo problema técnico que a presente invenção .

[ 015 ] O documento US 500688 descreve uma pluralidade de trilhos de trem com propósitos que compreendem desde trilhos que mantêm o boleto na mesma altura da superfície em que é instalado , trilhos com boletos duplos a trilhos com suportes laterais para evitar a flexão da alma . Sendo assim, a matéria revelada no referido documento não sugere ou vis lumbra um trilho com alma dupla ou tripla, instalado da mesma forma que os trilhos convencionais e em que obj etivam o aumento da resistência do trilho utilizando uma quantidade menor de material e conferem uma maior estabilidade do trilho. Além do mais, considerando a data de depósito do documento US 500688, não teria como o mesmo vislumbrar o mesmo problema técnico foco do presente pedido.

[016] O documento US 871232 descreve um suporte de trilho de trem fixado à alma por meio de parafusos com o objetivo de dispensar a utilização de dormentes. Portanto, o documento não revela ou ensina a criação de um trilho de trem com alma dupla ou tripla que oferece uma maior resistência e estabilidade. Adicionalmente, considerando a data de depósito do referido documento, não teria como o mesmo vislumbrar o mesmo problema técnico foco do presente pedido.

[017] O documento US 918640 descreve um trilho de trem composto por elementos encaixáveis em que apresenta uma alma tripla. Apesar da invenção revelada na anterioridade também utilizar uma alma tripla, o arranjo adotado com as almas laterais (4) se prolongando da base (1) até a alma central (3) seguindo um plano inclinado não confere a mesma resistência e estabilidade que a presente invenção promove, este entendimento é baseado na forma que os carregamentos imputados no boleto convergem no ponto de encontro das almas, o que, dependendo da posição do carregamento no boleto, faz com que as almas laterais (4) trabalharem sob um regime predominantemente de flexão, enquanto que as almas laterais da presente invenção, sob o mesmo carregamento, trabalham sob um regime de compressão.

[018] O documento WO 00/55426 descreve um método para construção de trilhos que compreende um conjunto de elementos elásticos que são fixados junto ao trilho de trem, sendo assim, o referido documento não revela ou sugere um trilho de trem com alma dupla ou tripla com as mesmas vantagens propostas que a presente invenção.

[019] Por fim, nenhum documento revela uma tecnologia similar e com as mesmas vantagens propostas pela presente invenção .

Breve descrição da invenção:

[020] A presente invenção compreende um perfil para a composição de trilho ferroviário com previsão de pelo menos um par de almas em cada perfil do trilho, além de poder vir a ser provido de conjunto de recortes de uma pluralidade de formas geométricas que permitem o transpasse de fiações e cabos para finalidades diversas. As almas dispostas mais lateralmente ao centro do trilho fornecem uma maior estabilidade ao trilho. E, a pluralidade de furos viabilizam maior capacidade de absorção de tensões e vibrações, consequentemente, uma maior estabilidade para o trem, principalmente, em altas velocidades. Além de servir como ponto de amarração para o transporte dos trilhos.

[021] As geometrias adotadas também apresentam uma maior resistência mecânica em relação aos perfis comuns de trilho comparado a mesma quantidade de material utilizado.

Breve descrição das figuras

[022] Para obter uma melhor compreensão das características da presente invenção e de acordo com uma preferencial realização prática do mesmo, acompanha a descrição, em anexo, um conjunto de desenhos, onde, de maneira exemplificada, embora não limitativa, se representou seu funcionamento:

A figura 1 representa uma vista em perspectiva de uma primeira versão do perfil de alma tripla inovador para trilho ferroviário ;

A figura 2 mostra uma vista lateral de uma seção do trilho da figura 1, ilustrando alguns modelos de orifícios ou recortes para transpasse de cabos e fiações variadas , bem como auxiliam na redução de vibração , em que as figuras 3 e 4 e 5 representam cortes transversais , segundo indicações nas figuras anteriores ;

A figura 3 mostra a vista frontal em corte da seção transversal do trilho com alma tripla ;

A figura 4 mostra a vista frontal em corte da seção transversal do trilho com alma tripla em que o plano de corte passa pelos furos nas almas ;

A figura 5 representa uma vista em perspectiva de uma segunda versão do perfil inovador, no caso , perfil de alma dupla para trilho ferroviário ; e

As figuras 6 e 7 representam cortes transversais praticados no tri lho da figura 5 , mostrando a seção da alma dupla de forma integral e outra seção da alma dupla provida de recortes ou ori fícios .

A figura 8 mostra o resultado das simulações das cargas verticais com as máximas tensões nos trilhos TR68 (A) , trilho de alma dupla (B ) e trilho de alma tripla ( C ) ;

A figura 9 mostra o resultado das simulações das cargas verticais com os deslocamentos máximos nos trilhos TR68 (A) , trilho de alma dupla (B ) e trilho de alma tripla ( C ) ;

A figura 10 mostra a distribuição de tensões na seção transversal dos trilhos TR68 , de alma dupla e de alma tripla no ponto de aplicação da carga ;

A figura 11 mostra a distribuição de tensões geradas pelo carregamento vertical na seção transversal dos trilhos TR68 , de alma dupla e de alma tripla no ponto de aplicação da carga ;

A figura 12 mostra a vista isométrica do resultado das simulações das cargas hori zontais com as máximas tensões nos trilhos TR68 (A) , trilho de alma dupla (B ) e trilho de alma tripla ( C ) ;

A figura 13 mostra a distribuição de tensões geradas pelo carregamento hori zontal na seção transversal dos trilhos TR68 , de alma dupla e de alma tripla no ponto de aplicação da carga ;

A figura 14 mostra a vista isométrica do resultado das simulações das cargas hori zontais com os máximos deslocamentos nos trilhos TR68 (A) , trilho de alma dupla (B ) e trilho de alma tripla ( C ) ;

A figura 15 mostra a distribuição dos deslocamentos geradas pelo carregamento hori zontal na seção transversal dos trilhos TR68 , de alma dupla e de alma tripla no ponto de aplicação da carga ;

A figura 16 mostra a vista isométrica do resultado das simulações das cargas hori zontais com as máximas tensões (A) e os máximos deslocamentos (B) no trilho de alma tripla com a presença de furo na alma ;

A figura 17 mostra a distribuição das tensões (A) e dos deslocamentos (B ) gerados pelo carregamento hori zontal na seção transversal dos trilhos de alma tripla com a presença de furo na alma ;

A figura 18 mostra a vista isométrica do resultado das simulações das cargas verticais com as máximas tensões (A) e os máximos deslocamentos (B) no trilho de alma tripla com a presença de furo na alma ; e

A figura 19 mostra a distribuição das tensões (A) e dos deslocamentos (B ) gerados pelo carregamento vertical na seção transversal dos trilhos de alma tripla com furo na alma .

Descrição detalhada da invenção :

[ 023 ] Com referência aos desenhos ilustrados , a presente invenção compreende um perfil ( 10 ) de trilho ferroviário do tipo para assentamento e fixação em dormentes (não ilustrados) para composição de superfície de rolamento de via férrea. 0 referido perfil (10) é confeccionado em aço ou outro material similar e composto por patim (11) , alma (12) e boleto ( 13 ) .

[024] 0 perfil (10) prevê em uma primeira forma de concretização que a alma (12) seja formada por duas paredes (12a) paralelas com espessura Wi e W2, e em uma segunda forma de concretização, em que o perfil (10) apresenta uma disposição de uma parede central (12b) com espessura W2 e duas paredes (12a) com espessura Wi e W3, formando um trilho com alma (12) tripla.

[025] O perfil (10) , na forma de alma dupla ou tripla, apresenta um espaçamento (x) entre as paredes (12a) na faixa de 4 a 45 mm. As almas (12) apresentam uma espessura (wl, w2 ou w3) na faixa de 13 a 18 mm sendo preferencialmente 9,71 mm para trilhos de alma dupla e 8 mm para trilhos de alma tripla. Além disso, também é previsto pela presente invenção que as almas dos trilhos duplos ou triplos ainda apresentem espessuras diferentes em um mesmo trecho do referido trilho. Está variação é interessante em trechos de curvas, onde os carregamentos do trem sobre os trilhos mudam substancialmente .

[026] Ademais, as almas (12) podem apresentar dimensões uniformes, ou seja, dimensões iguais para as paredes (12a) nos trilhos de alma dupla ou as mesmas dimensões para as paredes (12a) e parede central (12c) nos trilhos de alma tripla, ou dimensões variáveis entre as paredes (12a) nos trilhos de alma dupla ou entre as paredes (12a) e/ou parede central (12c) nos trilhos de alma tripla. De modo a adequar o trilho para diferentes carregamentos, como por exemplo em trechos de curvas. [027] As extremidades inferiores das paredes (12a) da alma tripla possuem ramificações laterais (11a) , direcionadas em sentidos opostos entre si, compondo o patim (11) , enquanto as extremidades superiores das ditas paredes (12a) são unidas entre si por setor único compondo o boleto (13) .

[028] Em ambas as formas de concretização, as paredes (12a) e (12b) podem receber orifícios ou recortes (14) de geometrias variadas e alinhadas entre si de acordo com eixo transpassante (El) , preferencialmente localizadas no centro das referidas paredes, permitindo a passagem de fios/cabos (Cb) , bem como configuram meios mecânicos de absorção de tensões e vibrações.

[029] Os referidos recortes (14) podem apresentar dimensões variadas, na faixa de AA a BB, e formatos diversos como circular, oblongo/oval e retangular com arestas arredondadas, bem como, podem se apresentar tanto concêntricos como discêntricos . Em que os recortes (14) são preferencialmente concêntricos, circulares ou elipsodais.

[030] Além disso, é nitido que para um técnico no assunto as dimensões dos boletos, patins, altura e largura total do trilho podem ser alterados de acordo com os requisitos do pro j eto .

[031] Deste modo, a presente invenção propõe modalidades de trilho ferroviário mais resistentes e com o mesmo peso linear de um trilho convencional.

[032] Sendo assim, os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.

Exemplo de concretização:

[033] A modalidade aqui apresentada não se destina a atuar como restrição, mas sim a exemplificar as características da invenção.

[034] Uma das modalidades compreendidas pela presente invenção é confeccionado a partir das características do trilho TR68 fornecido pela NBR 7590:2012. O trilho TR68 trata-se de um trilho de peso linear aproximado de 68 kg/m com altura de cerca de 185, 74 mm, largura do patim (11) , boleto (13) e alma (12) de 152,4 mm, 74 mm e 17,46 mm, respectivamente .

[035] Os perfis (10) avaliados são de alma dupla e alma tripla mantendo as mesmas dimensões boleto e patim do trilho TR68, com altura de 159,54 mm e distância entre as superficies externas das paredes (12a) de 35,42 mm, distância X de 8 mm para alma dupla e 16 mm para alma tripla, espessura Wi e W2 de 13,71 mm para alma dupla e Wi e W3 de 9,71 mm para as paredes (12a) e W3 de 8 mm para a parede central (12b) do trilho de alma tripla.

[036] Para evidenciar as vantagens propostas pela presente invenção foi realizada uma simulação mecânica entre os referidos trilhos TR68, de alma dupla e alma tripla. Em que são confeccionados de aço com densidade de 7833 kg.im ³ , módulo de elasticidade de 199947,953 MPa, coeficiente de Poisson de 0,290, tensão de deformação de 262,001 MPa, tensão máxima de 358,527 MPa e alongamento de 0.

[037] O espaçamento entre dormentes é uma variável que depende de diversos fatores e que, nesta comparação, deve ser considerado como uma dimensão fixa. Ele é calculado em função da tensão admissível sobre o lastro, da área de soca, da carga da roda majorada e do coeficiente de impacto. Ademais, também depende do tipo de material que o dormente é fabricado (madeira, concreto, aço, etc) e da bitola, conforme apresentado na Tabela 1. Desta forma, o espaçamento adotado é de 0,70 m pois o maior espaçamento é o que ocasionará as maiores tensões e deformações no trilho.

Tabela 1 - Espaçamento dos dormentes.

[038] O dimensionamento do trilho foi realizado utilizando o método Talbot "simplificado", considerando os apoios inelásticos com espaçamento de 0,70 m, independente das distancias entre eixos dos vagões (as mais utilizadas no Brasil são 1575 mm, 1727 mm e 1828 mm) .

[039] O valor da carga aplicada no trilho foi definido com base nas maiores cargas utilizadas nas ferrovias brasileiras, que é de 32 ton/eixo. Além disto, foi aplicado fator de segurança 2,5 resultando em uma carga de 40 ton em cada trilho.

[040] O trilho foi modelado com base nas dimensões fornecidas na NBR 7590:2012 e o comprimento do trilho modelado foi determinado com base no tamanho e espaçamento dos dormentes. Como condição de contorno, o modelo foi truncado e engastado nas extremidades e apoiado no contato com os dormentes. A região de aplicação da carga corresponde ao contato entre a roda do trem e o trilho.

[041] A malha computacional utilizada na análise foi constituída com elementos de aproximadamente 5 mm ao longo de todo o corpo e de 1 mm nas regiões onde demandam maior refinamento (região dos rasgos nos trilhos duplo e triplo) . A quantidade total de elementos varia de acordo com o perfil analisado . A Tabela 2 apresenta as informações da malha utili zada .

[ 042 ] Neste trabalho foi avaliado o comportamento do trilho para cargas na direção vertical e hori zontal . A carga vertical é oriunda do peso da composição quando o trem passa pelo trilho e do peso próprio do trilho ( campo gravitacional ) , provocando uma def lexão na direção vertical . Já a carga hori zontal é presente no sistema quando o trem reali za uma curva sob os trilhos . As análises reali zadas levam em consideração apenas as cargas estáticas na estrutura .

[ 043 ] Foram simulados três perfis de trilhos submetidos a carga vertical . Os resultados foram analisados em termos de máximas tensões e deformações e são apresentados a seguir . Por se tratar de um cenário comparativo entre os perfis , não se levou em conta as máximas tensões admissíveis do material uma vez que o intuito da análise é avaliar comparativamente os perfis , res saltando aquele que apresentar melhor distribuição de tensões e menor deslocamento .

[ 044 ] Da análise dos resultados apresentados na Figura 8 nota-se uma concentração de tensão na região de aplicação da carga e uma di ssipação desta tensão pela alma do trilho . Não foram observadas variações signi ficativas de tensão entre os trilhos. Do mesmo modo, os deslocamentos observados na figura 9 também não tiveram diferenças significativas entre os perfis, em que foram na faixa de 0,52 mm a 0,74 mm.

[045] A Figura 10 e a Figura 11 apresentam, respectivamente, a distribuição de tensões e deslocamentos na seção transversal do trilho no ponto de aplicação da carga. Observa-se uma modificação na distribuição das tensões e deslocamentos, no entanto com poucas diferenças significativas entre os perfis. A tabela 3 apresenta os comparativos dos máximos deslocamentos

Tabela 3 - Comparativos dos máximos deslocamentos.

[046] Para os carregamentos horizontais foram simulados três perfis de trilhos submetidos a carga horizontal. Os resultados foram analisados em termos de máximas tensões e deformações e são apresentados a seguir. Por se tratar de um cenário comparativo entre os perfis, não se levou em conta as máximas tensões admissíveis do material uma vez que o intuito da análise é avaliar comparativamente os perfis.

[047] A Figura 13 apresenta a distribuição de tensões nos perfis simulados. Observa-se que o trilho duplo e o trilho triplo geraram uma redução das máximas tensões do trilho. Da mesma forma observa-se na Figura 14 uma redução no deslocamento dos trilhos de perfil duplo e triplo. Comparado com o trilho TR68, o deslocamento apresentado nos trilhos duplo e triplo foram, respectivamente, 64,33% e 68,94% conforme apresentado na Tabela 4.

Tabela 4 - Comparativos dos máximos deslocamentos

[048] Foram simulados trilhos de perfil duplo e triplo com furos de e ½'' de diâmetro para passagem de cabos de energia e dados. Foram aplicadas as mesmas cargas horizontais e verticais dos casos anteriores. As Figuras 16 até a Figura 19 apresentam os resultados de tensão e deslocamento para o trilho triplo com furo de ½'' sujeito a carga horizontal. Comparando com os resultados do trilho sem o furo não foram apresentadas alterações significativas nos máximos valores obtidos. Mesma análise pode ser observada para os casos com furo

[049] A Figura 18 apresentam os resultados de tensão e deslocamento para o trilho triplo com furo de ½'' sujeito a carga vertical. Também não foram observadas alterações nas tensões e deslocamentos tanto para os furos de e ½'' . Observa-se que a inserção dos furos pontuais nos trilhos não afeta no comportamento global do sistema.

[050] A simulação apresentou uma análise comparativa de três trilhos de trem sujeitos a carregamento vertical e horizontal, onde foram avaliadas comparativamente as máximas tensões e máximos deslocamentos dos trilhos.

[051] Observa-se tanto o trilho duplo quanto o trilho triplo apresentam redução de tensão de aproximadamente 22% e de deslocamento de aproximadamente 32% quando submetidos a carga horizontal. Quanto a carga vertical os trilhos apresentaram comportamentos semelhantes. [052] A tabela 5 mostra os valores das dimensões dos diferentes modelos de trilhos vignolli comparado com as dimensões de uma versão dos trilhos de alma dupla e tripla.