BR102018071610B1 - Sistema de monitoramento adaptado a eixo ferroviário e periféricos - Google Patents
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Abstract
A presente invenção refere-se a um sistema de monitoramento de um eixo ferroviário e seus periféricos compreendendo um eixo de aço (10), e pelo menos um dispositivo de monitoramento (20) acoplado ao eixo e seus elementos (10), em que o pelo menos um dispositivo de monitoramento (20) realiza medições de dados indicativos de condições monitoradas do eixo (10) e seusperiféricos, e transmite as medições para pelo menos um ponto remoto.
Description
[001] A presente invenção refere-se a um sistema de monitoramento adaptado a eixo ferroviário que possibilita um monitoramento mais frequente, preciso e confiável de condições de operação do eixo ferroviário e de seus periféricos ao longo do percurso da linha férrea.
[002] O acompanhamento das condições de serviço de um veículo de transporte ferroviário é fundamental na prevenção de acidentes e no planejamento de manutenções, aumentando a confiabilidade e reduzindo custos.
[003] Atualmente, estas medições são feitas por meio de sensores dispostos nas proximidades ou na própria linha férrea ao longo do trajeto ferroviário, no entanto, a proporção de sensores em relação ao tamanho de um trajeto ainda é muito baixa em virtude dos elevados custos e da dificuldade de manutenção dos mesmos ao longo dos extensos percursos das ferrovias. Além disso, um mesmo trem pode trafegar por vias de diferentes empresas com grandes diferenças na infraestrutura e operação dos sistemas de monitoramento, sendo desejável um sistema independente da via férrea.
[004] Um número insuficiente de dispositivos na via compromete o acompanhamento do veículo e a segurança, pois é possível que um vagão venha a apresentar uma falha em um trecho entre sensores, levando a um acidente antes que se possa detectá-la. Por outro lado, o aumento da quantidade de sensores ao longo dos trajetos ferroviários implicaria em aumento considerável de custos. E mesmo o aumento da quantidade de sensores pode não evitar problemas nos veículos ferroviários, uma vez que o intervalo entre o aparecimento do problema (por exemplo, superaquecimento de um mancal do eixo ferroviário) e a ocorrência de um acidente ferroviário pode ser sensivelmente curto. Por exemplo, quando ocorre um superaquecimento de um rolamento do eixo chamado de “Hotbox”, esse rolamento pode travar, fazendo o eixo se fundir e quebrar, causando até o descarrilamento do veículo ferroviário. Este fator é causador de graves acidentes e interrupções da operação de linhas férreas, parando o fluxo de veículos.
[005] Além disso, atualmente sensores alternativos embarcados nos vagões são soluções temporárias, porque ficam expostos e estão sujeitos a intempéries, atos de vandalismo ou eventuais acidentes, gerando um custo extra com a manutenção dos mesmos. Outra dificuldade técnica é o fornecimento de energia desses sensores nos vagões, principalmente por longos períodos entre paradas para manutenção que chega a mais de anos em alguns casos.
[006] Na técnica de eixos ferroviários já é conhecido o conceito de se utilizar eixos ocos, furados ou tubulares em carros de passageiros, trens de alta velocidade, locomotivas e vagões de carga, ao invés de eixos maciços que possuem maior quantidade de material. A técnica atual permite a fabricação de eixos ferroviários tubulares, constituídos de tubos sem costura, porém capazes de alcançar a mesma resistência e demais propriedades mecânicas de eixos maciços, porém com menor consumo de matéria prima. Porém, até o momento atual, o uso de eixos maciços ainda é frequente na indústria ferroviária.
[007] Um primeiro objetivo da invenção é proporcionar uma forma de monitoramento da condição de um eixo ferroviário com maior precisão, frequência e robustez que os sistemas atuais.
[008] Um outro objetivo da invenção é aumentar a disponibilidade da via e reduzir os custos com manutenção das vias férreas e das composições ferroviárias pela monitoração de parâmetros técnicos e prevenção de defeitos nos veículos ferroviários, seus periféricos e na via férrea não detectados adequadamente pelos sistemas do estado da técnica, e dos acidentes causados por esses defeitos.
[009] Os objetivos da invenção são alcançados por um sistema de monitoramento adaptado a eixo ferroviário, que compreende:
[0010] um eixo de aço, e pelo menos um dispositivo de monitoramento acoplado ao eixo,
[0011] em que pelo menos um dispositivo de monitoramento realiza medições de dados indicativos de condições monitoradas do eixo e seus periféricos, e transmite as medições para pelo menos um ponto remoto.
[0012] O menos um dispositivo de monitoramento pode compreender pelo menos um sensor, um microcontrolador, um transmissor de dados, uma fonte de energia e uma unidade de armazenamento. O dispositivo compreende pelo menos um dentre sensor de temperatura, acelerômetro e giroscópio. As condições monitoradas compreendem preferivelmente pelo menos um dentre a temperatura do rolamento, vibração associada a choques, tensões, número de ciclos, velocidade, posição e descontinuidades tais como trincas. Os dados medidos são transmitidos por meio de pelo menos uma dentre uma rede móvel, uma rede wireless, Bluetooth e radiofrequência.
[0013] As medições podem ser realizadas em intervalos de tempo de medição predefinidos ou em tempo real.
[0014] A fonte de alimentação do dispositivo de monitoramento pode ser uma dentre uma bateria e uma fonte alternativa autônoma.
[0015] O dispositivo de monitoramento pode ser comunica com e/ou identificar um dispositivo de RFID disposto em pelo menos um dentre o eixo, um truque e um vagão de um veículo ferroviário.
[0016] O eixo pode ser um eixo tubular de aço oco sem costura, sendo que o pelo menos um dispositivo de monitoramento está alojado no interior do eixo, ou no interior de uma sede de um mancal do eixo. O eixo pode ser um eixo maciço, e o pelo menos um dispositivo de monitoramento está acoplado a uma extremidade do eixo. O sistema pode estar embutido em algum periférico do eixo tal como tampa, parafuso ou adaptador, por exemplo. O eixo fabricado de barra maciça pode possuir um furo passante.
[0017] Para melhor compreensão, as características e vantagens da presente invenção serão apresentadas e descritas em conjunto com suas respectivas figuras, as quais ilustram algumas modalidades preferidas da invenção.
[0018] A figura 1 representa uma vista frontal em corte de um eixo ferroviário tubular com o dispositivo de monitoramento em uma modalidade do sistema de acordo com a presente invenção.
[0019] A figura 2 representa uma vista frontal em corte de um eixo ferroviário (fabricado de barra maciça) com um furo interno usinado passante (ou não) com o dispositivo de monitoramento em uma modalidade do sistema de acordo com a presente invenção. A figura 3 é uma vista em perspectiva de um eixo ferroviário do tipo usado na modalidade da invenção ilustrada na figura 1, com rodas e rolamentos nas suas duas extremidades, constituindo um rodeiro.
[0020] A figura 4 representa um diagrama de blocos dos componentes do dispositivo de monitoramento de acordo com uma modalidade da presente invenção.
[0021] O sistema de monitoramento de um eixo ferroviário de acordo com a invenção compreende um eixo de aço 10 utilizado em veículos ferroviários, em cujas extremidades podem ser acopladas uma roda e um rolamento, conforme ilustrado na figura 3. No sistema de acordo com a invenção, pelo menos um dispositivo de monitoramento 20 é acoplado ao eixo ferroviário 10, para monitorar condições de operação do eixo a qualquer tempo durante sua operação, e em qualquer posição do trajeto da linha férrea. Para isso, o dispositivo de monitoramento 20 realiza medições de dados indicativos de condições monitoradas sobre o eixo 10 e seus componentes ou periféricos (vagões e via permanente). Algumas possíveis condições monitoradas pelos dispositivos de monitoramento são a temperatura do eixo e/ou dos rolamentos do veículo, a vibração associada a choques e outros carregamentos dinâmicos no eixo ou na roda, tensões sobre o eixo, número de ciclos, velocidade, posição e descontinuidades, tais como trincas.
[0022] Para medir essas condições, o dispositivo de monitoramento de acordo com a invenção pode compreender sensores como, por exemplo, sensores de temperatura, acelerômetros, giroscópios, entre outros. Outros tipos de sensores ou medidores também podem ser usados no dispositivo de monitoramento, em função do tipo de condição que se deseja monitorar. Esses dispositivos, conhecidos também como transdutores, podem estar contidos no mesmo invólucro do sistema ou distribuídos pelo eixo e acoplados ao sistema com ou sem fios.
[0023] Os dados representativos dessas condições são captados pelos dispositivos de monitoramento e transmitidos para pelo menos um ponto remoto, por exemplo, um outro dispositivo sensor, formando uma rede local entre sensores, uma central de controle do veículo, da locomotiva ou da via férrea, ou uma antena disposta ao longo da linha férrea que retransmita esses dados para uma central de controle, entre outros. A partir dos dados enviados, a central de controle ou até mesmo um operador da linha férrea com acesso a esse ponto remoto pode interpretar e conhecer as condições monitoradas, e enviar sinais de controle de volta para o veículo ferroviário, ou locomotiva, de modo a gerenciar a operação do veículo em função das referidas condições. Por exemplo, caso uma dessas condições possa colocar em risco a operação do veículo, então é enviado um sinal para o veículo com uma ordem determinando a sua parada.
[0024] A figura 4 ilustra um dispositivo de monitoramento 20 de acordo com uma modalidade da invenção, em que alguns sensores de temperatura T, acelerômetros A e giroscópios G são usados para medir uma condição do eixo. Esses sensores são conectados a um microcontrolador 22, responsável por processar os dados medidos e convertê-lo para um formato passível de armazenamento ou transmissão. Esse microcontrolador também pode controlar os intervalos de operação dos sensores, para medição de dados correspondentes à condição monitorada. O microcontrolador é também conectado a um transmissor 24 responsável por transmitir os dados medidos pelos sensores para pelo menos um ponto remoto. O transmissor 24 se comunica com o ponto remoto por tecnologia de redes móveis, redes wireless, via Bluetooth ou qualquer outra forma de transmissão sem fio. Os intervalos e as frequências de medições dos dados e de envio para o ponto remoto podem ser controlados e configurados, seja por um operador da ferrovia, ou por uma central de controle. Essas medições podem ser realizadas em intervalos regulares de tempo ou em tempo real, podem ser armazenadas em uma unidade de armazenamento no dispositivo de monitoramento 20 e enviadas de tempos em tempos ou ainda podem ser enviadas em tempo real para o ponto remoto.
[0025] O dispositivo de monitoramento 20 compreende ainda uma fonte de energia 23 para alimentar seus componentes (não ilustrada). Essa fonte de energia pode ser, por exemplo, uma bateria ou uma fonte alternativa autônoma que utiliza a própria energia cinética do rodeiro em movimento, seja por indução magnética ou outro princípio físico. O dispositivo de monitoramento 20 também pode ser adaptado de forma a se comunicar e/ou identificar um dispositivo de identificação por rádio frequência (RFID - Radio-Frequency IDentification) acoplado a algum componente do veículo ferroviário em uma localidade próxima, por exemplo, no próprio eixo, no truque, ou no vagão, para efeitos de rastreabilidade e controle.
[0026] Na modalidade da invenção mostrada na figura 1, o eixo ferroviário 10 é um eixo tubular de aço oco sem costura. Nesta modalidade, o dispositivo de monitoramento 20 fica preferivelmente alojado no interior do eixo, onde há espaço livre para sua instalação, sem interferir no projeto ou no funcionamento do veículo. Podem ser instalados diversos dispositivos de monitoramento em diferentes posições no interior do eixo, em função das condições a serem monitoradas.
[0027] Nessa modalidade ilustrada na figura 1, o dispositivo de monitoramento 20 fica posicionado no interior da sede do rolamento 11 do eixo tubular 10 para realizar a medição da temperatura do rolamento do eixo tubular 10 de modo a evitar um superaquecimento do rolamento, o que pode levar a fundição do eixo tubular e consequentemente a uma parada emergencial ou a algum acidente. Neste caso, é utilizado pelo menos um sensor de temperatura dentro do dispositivo de monitoramento 20. O sensor de temperatura mede a temperatura do próprio eixo na região próxima ao rolamento, temperatura esta que será bem próxima à temperatura do rolamento monitorado, o que garante a precisão e robustez do sistema de acordo com a invenção frente aos sistemas do estado da técnica instalados ao longo das vias férreas que, portanto, realizavam medições de condições do veículo ferroviário a maiores distâncias e com obstáculos.
[0028] Em uma possível forma de operação desta modalidade da invenção, pode-se estabelecer um limite superior de temperatura aceitável, por exemplo, 90°C. O sensor monitora a temperatura do eixo, e quando esta alcança ou ultrapassa esse limite superior, o dispositivo de monitoramento de acordo com a invenção emite um sinal indicativo de superaquecimento para uma central ou um ponto de controle. Em resposta a esse sinal, o veículo ferroviário recebe um comando de parada
[0029] De acordo com outra modalidade não ilustrada da invenção, o eixo ferroviário 10 é um eixo maciço, preferivelmente de formato cilíndrico, com um furo interno usinado em cada extremidade. O furo pode ser passante, ou não passante. Neste caso, o dispositivo de monitoramento 20 é acoplado à extremidade do eixo, ficando confinado entre a tampa do rolamento e a extremidade do eixo, onde normalmente é formada uma pequena folga, ou mesmo agregado ou embutido na tampa. O sistema pode também compreender dois dispositivos de monitoramento, cada um deles acoplado a uma das extremidades do eixo.
[0030] Em qualquer uma das modalidades aqui descrita, uma vantagem dessa invenção é que, como o dispositivo de monitoramento 20 fica posicionado no interior do eixo tubular 10, ou no caso do eixo maciço, fica protegido pela tampa do rolamento, não há risco de vandalismo nem há ação de intempéries que comprometam o bom funcionamento do sistema. Isso aumenta sensivelmente a durabilidade do sistema de acordo com a invenção.
[0031] Outra vantagem é que se pode construir um banco de dados com mais parâmetros (temperatura, aceleração e outros), mais precisos (dentro do eixo), em mais pontos (todos os rolamentos), em maior frequência (intervalos de segundos ao invés de horas), do que era possível com as técnicas atuais, para posterior análise off-line, cujas possibilidades de geração de valor para os usuários da ferrovia são quase infinitas.
Claims (12)
1. Sistema de monitoramento adaptado a eixo ferroviário, caracterizado pelo fato de que compreende: um eixo de aço (10), e pelo menos um dispositivo de monitoramento (20) acoplado ao eixo (10), o pelo menos um dispositivo de monitoramento (20) compreendendo pelo menos um sensor (21) de temperatura, acelerômetro e giroscópio, um microcontrolador (22), um transmissor de dados (24), uma fonte de energia (23) e uma unidade de armazenamento; em que o pelo menos um dispositivo de monitoramento (20) realiza medições de dados indicativos de condições monitoradas do eixo (10) e seus periféricos, e transmite as medições para pelo menos um ponto remoto, em que as condições monitoradas compreendem pelo menos a temperatura do rolamento, vibração associada a choques, tensões, número de ciclos, velocidade, posição e descontinuidades, em que o eixo (10) é um eixo de aço oco sem costura, e o pelo menos um dispositivo de monitoramento (20) está alojado no interior do eixo (10), ou no interior de uma sede de um mancal (11) do eixo (10) ou está embutido em algum periférico do eixo.
2. Sistema de monitoramento de um eixo ferroviário, caracterizado pelo fato de que compreende: um eixo de aço (10), e pelo menos um dispositivo de monitoramento (20) acoplado ao eixo (10), o pelo menos um dispositivo de monitoramento (20) compreendendo pelo menos um sensor (21) de temperatura, acelerômetro e giroscópio, um microcontrolador (22), um transmissor de dados (24), uma fonte de energia (23) e uma unidade de armazenamento; em que o pelo menos um dispositivo de monitoramento (20) realiza medições de dados indicativos de condições monitoradas do eixo (10) e seus periféricos, e transmite as medições para pelo menos um ponto remoto, em que as condições monitoradas compreendem pelo menos a temperatura do rolamento, vibração associada a choques, tensões, número de ciclos, velocidade, posição e descontinuidades, e em que o eixo (10) é um eixo maciço.
3. Sistema de monitoramento, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os dados medidos são transmitidos por meio de pelo menos uma dentre uma rede móvel, uma rede wireless, Bluetooth e radiofrequência.
4. Sistema de monitoramento, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as medições são realizadas em intervalos de tempo de medição predefinidos.
5. Sistema de monitoramento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as medições são realizadas em tempo real.
6. Sistema de monitoramento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a fonte de alimentação do dispositivo de monitoramento (20) é uma dentre uma bateria e uma fonte alternativa autônoma.
7. Sistema de monitoramento, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de monitoramento (20) se comunica com e/ou identifica um dispositivo de RFID disposto em pelo menos um dentre o eixo, um truque e um vagão de um veículo ferroviário.
8. Sistema de monitoramento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de monitoramento (20) está acoplado a uma extremidade do eixo (1).
9. Sistema de monitoramento, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por estar embutido em algum periférico do eixo tal como tampa, parafuso ou adaptador, por exemplo.
10. Sistema de monitoramento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o eixo (10) é um eixo fabricado de barra maciça, com um furo interno usinado em pelo menos uma extremidade.
11. Sistema de monitoramento, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o eixo fabricado de barra maciça possui um furo passante.
12. Sistema de monitoramento, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os sensores estão distribuídos pelo eixo e acoplados ao sistema com ou sem fios.
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