Sentindo o calor: detecção de defeitos ferroviários

No espectro tecnológico, as ferrovias certamente pareceriam inclinar-se para o lado brutalmente simplista das coisas. Algumas tiras de aço, alguns dormentes de madeira e lastro de cascalho para manter tudo no lugar, algum material rodante com rodas flangeadas em eixos fixos, e você tem o básico que movimenta cargas e passageiros desde pelo menos o século XVIII.

Mas essa simplicidade básica esconde a verdadeira complexidade de uma ferrovia, onde apenas manter os trens nos trilhos pode ser uma tarefa difícil. As forças que um trem totalmente carregado pode exercer não apenas sobre os trilhos, mas sobre si mesmo, são difíceis de entender, e o potencial de desastre geralmente está a apenas um componente defeituoso de distância. Isto tornou-se dolorosamente evidente com o recente descarrilamento de Norfolk Southern na Palestina Oriental, Ohio, que resultou num incidente com materiais perigosos com o qual nenhuma comunidade está preparada para lidar.

Dadas as forças envolvidas, manter os trens em linha reta e estreita não é tarefa fácil, e os projetistas de ferrovias criaram uma rede de sensores e sistemas para ajudá-los na tarefa de ficar de olho no que está acontecendo com o material circulante de um trem. Vamos dar uma olhada em algumas das interessantes engenharias por trás desses detectores de defeitos à beira da estrada.

Correndo o risco de afirmar o óbvio, os trens têm duas características essenciais que tornam necessários os sistemas de monitoramento: são pesados ​​e longos. O peso de um trem é um problema porque, embora a arquitetura básica de uma ferrovia reduza o atrito de rolamento entre uma roda e o solo, ela não contribui em nada para reduzir o atrito entre os eixos dos vagões e os caminhões que os transportam. Essa é a função dos rolamentos das rodas, que, como qualquer outro componente mecânico, estão sujeitos a desgaste, danos e eventuais falhas, com potencial para consequências catastróficas.

Quanto ao comprimento de um comboio, isso torna-se um problema quando coloca a maior parte do material circulante fora do alcance visual direto das pessoas que dirigem o comboio. Antigamente, as limitações na potência das locomotivas tendiam a manter os trens relativamente curtos, possibilitando que condutores e engenheiros ficassem de olho em cada vagão. Isto foi facilitado pela invenção do vagão; em sua configuração clássica com uma cúpula envidraçada projetando-se sobre o teto do vagão e de sua posição bem no final do trem, os condutores podiam observar toda a extensão do trem, principalmente nas curvas. Dado que os rolamentos de roda da época eram muitas vezes buchas simples em caixas de diário recheadas com fibras embebidas em óleo, geralmente era fácil detectar uma falha de rolamento de “caixa quente” pela fumaça e chamas que emitiam, um indicador tão sutil de problema quanto alguma vez existiu.

Os avanços da engenharia, como a substituição dos mancais lisos por mancais de rolos, tornaram possível a construção de vagões cada vez maiores. Atualmente, os vagões de carga que operam nas ferrovias norte-americanas podem ter um peso bruto de 315.000 libras (143 toneladas), uma quantidade impressionante de peso que é transportada por apenas oito rolamentos de rolos. As melhorias no projeto das locomotivas também permitiram que os trens construídos a partir desses vagões superdimensionados ficassem cada vez mais longos; o trem de carga médio em 2017 tinha entre 1,2 e 1,7 milhas (1,9 a 2,7 quilômetros) de comprimento, com algumas ferrovias operando regularmente trens de 3 milhas (4,8 km) de comprimento. Em um trem como esse, qualquer coisa além de uma dúzia de vagões voltando das locomotivas frontais está fora do alcance visual direto do maquinista e do maquinista e está efetivamente operando completamente despercebido.

O monitoramento na via é a resposta aos problemas apresentados pelo dimensionamento de trens para dimensões tão grandes. Conhecidos coletivamente no setor ferroviário como “detecção de defeitos”, os sensores e sistemas instalados periodicamente ao longo dos trilhos verificam automaticamente quaisquer problemas no material rodante de um trem que possam resultar em um acidente.

Por uma boa razão, a maior parte da detecção de defeitos concentra-se na condição das rodas e rolamentos de cada vagão do trem. E como o atrito é o inimigo, a maioria dos detectores se baseia no calor desses componentes críticos para avaliar sua condição. Uma instalação típica de sensor de beira de estrada incluirá detectores de caixa quente (HBD) e detectores de roda quente (HWD) em ambos os trilhos. Ambos os sensores são normalmente baseados em conjuntos de microbolômetros como os das câmeras térmicas. Para HBDs, os sensores são normalmente montados na parte externa do trilho e apontando para cima, para dar uma boa olhada nas caixas de rolamentos na extremidade de cada eixo. Os HWDs também são normalmente montados fora de cada trilho, mas têm como objetivo olhar diretamente para a lateral da roda conforme ela passa. As características térmicas das rodas e dos rolamentos são bastante diferentes – as rodas podem ficar muito mais quentes do que os rolamentos antes de serem consideradas um defeito – portanto, os HBDs e os HWDs são calibrados de forma diferente.