“APERFEIÇOAMENTO EM MODAL DE TRANSPORTE FERROVIÁRIO AUTÓNOMO DE ALTA VELOCIDADE EM TRILHOS TUBULARES”. [0001] Refere-se o presente certificado de adição da Patente de Invenção n° BR 10 2019 007049-8 de 05/04/2019 a um “APERFEIÇOAMENTO EM MODAL DE TRANSPORTE FERROVIÁRIO AUTÓNOMO DE ALTA VELOCIDADE EM TRILHOS TUBULARES”, trata de um sistema de transporte ferroviário aplicado ao transporte de cargas que utiliza de veículos (vagonetas) autónomos, trafegando em velocidade média de 450 km/h, velocidade cruzeiro de 550 km/h e velocidade máxima de 700 km/h. Este sistema, devido à sua concepção técnica, apresenta uma série de vantagens em relação aos modais logísticos tradicionais, conforme será explanado no projeto conceptivo do mesmo a seguir.

Estado da Técnica

[0002] Há uma demanda por logística que cresce exponencialmente. Até 2.050 teremos que dobrar a velocidade com que as coisas são transportadas. A questão da segurança também é emergente. Milhões de vidas são ceifadas todos os anos nas Rodovias, por acidentes causados, em sua arrasadora maioria, por falha humana.

[0003] Hoje os caminhões, ônibus, trens e veículos pesados em geral, precisam trafegar em velocidades reduzidas, principalmente por questões de segurança e limitações das diferentes velocidades desenvolvidas por veículos diversos no tráfego, o que impõe constantes acelerações e frenagens, reduzindo muito a eficiência do tráfego dos veículos. Os veículos pesados não podem, por exemplo, aproveitar a energia cinética das descidas para ganhar velocidade e assim aumentar a eficiência logística. Seja por limitações aerodinâmicas, por questão de segurança, por limitações da via ou por veículos atrapalhando o ganho de velocidade, bem como legislações, as velocidades que podem ser desenvolvidas são muito limitadas. [0004] A área frontal aerodinâmica de caminhões, ônibus, trens e demais veículos pesados é extremamente elevada, o que impõe alto arrasto aerodinâmico, reduzindo a eficiência de tráfego, aumentando consumo de combustível e reduzindo as velocidades desenvolvidas.

[0005] Somente um eixo direcional, somente 1 ou 2 eixos tratores e o restante dos eixos rígidos e não direcionais impõe arraste excessivo, o que também reduz drasticamente a eficiência de tráfego, aumentando o consumo de combustível, o consumo de pneus e desgaste prematuro de componentes de suspensão.

[0006] As elevadas alturas para carregamento em trens geram gastos elevados com energia para elevação estas cargas até o nível das carrocerias, normalmente na faixa de 1,70 m a 2,00 m de altura. Este consumo de energia, seja motriz (pás carregadeiras, empilhadeiras, guindastes, muncks...) ou energia humana, poderia ser economizada , haja vista que se esta altura de carga fosse menor, seria drasticamente reduzido o consumo de energia para estas operações de carga e descarga.

[0007] Atualmente os processos de carga e descarga de veículos rodoviários e ferroviários é excessivamente lento, o que reduz muito a eficiência do processo logístico, e por consequência aumentando significativamente o tempo para realização das transações comerciais.

[0008] Hoje um veículo rodoviário de carga desenvolve velocidades médias em torno de 50 km/h, sendo que contando as paradas estas velocidades médias são até menores. Modais ferroviários desenvolvem velocidades nesta faixa também. Trata-se de velocidades excessivamente baixas, o que reduz muito a eficiência global do processo logístico.

[0009] Veículos pesados com motores a combustão, suspensão, transmissão e pneus convencionais necessitam de paradas constantes para abastecimento, bem como revisões a cada 10 mil quilómetros, por exemplo. Tudo isso onera o processo logístico, reduzindo sua eficiência, além da elevada ineficiência energética de aproveitamento do poder calorífico do combustível.

[0010] Veículos pesados conduzidos por motoristas demandam condutores diferentes a cada 8 horas e estão altamente suscetíveis a falhas humanas.

[0011] Atualmente os tempos de carga e descarga de veículos rodoviários e ferroviários ainda são muito elevados, o que reduz a eficiência do processo logístico. Veículos Ferroviários, por serem engatados, necessitam que todo o conjunto seja carregado, com 100 vagões, por exemplo, para depois seguir viagem. Isto atrasa em demasia o processo logístico.

[0012] O peso dos veículos pesados tradicionais é relativamente elevado, o que reduz a eficiência energética logística do processo. Ademais, a relação desvantajosa de tara / capacidade de carga apresenta limitações para se vencer subidas íngremes.

[0013] Os modais ferroviário e rodoviário, em maior ou menor grau, são basicamente advindos do conceito de ‘carroça’. Um chassi com rodas puxado por um cavalo mecânico (rodoviário) ou locomotiva (ferroviário). Estes sistemas apresentam elevados custos operacionais, bem como significativas limitações de velocidade, praticidade, custos, eficiência e segurança. O presente sistema é uma evolução que resolve grande parte destes problemas.

[0014] A questão da segurança também é ‘chave’, pois o sistema ferroviário, seja por aspectos construtivos, seja por qualidade das vias, por falhas de manutenção ou por falha humana, está altamente suscetível a acidentes, que infelizmente ocorrem diariamente, vitimando centenas de milhares de pessoas no mundo todos os anos.

[0015] No que concerne ao aspecto ambiental, os gastos com combustível e emissão de poluentes são elevadíssimos nos modais ferroviário e rodoviário. O desgaste das vias, emissão de poluentes, poluição sonora, vibrações também são problemas comuns nos sistemas rodoviário e ferroviário.

[0016] Com o intuito de solucionar tais problemas desenvolveu-se a presente invenção. A proposta do presente Sistema é o de se transportar cargas das mais diversas naturezas, dentre elas granéis líquidos e gasosos (no interior dos trilhos tubulares), granéis sólidos, cargas secas, cargas refrigeradas, contêineres, dentre outros. Este invento será significativamente superior nos seguintes aspectos: eficiência operacional, velocidade, custos de manutenção, custos operacionais, emissão de poluentes, ruídos, vibrações, segurança operacional, economia energética, custos com combustível/energia, trânsito em vias íngremes, desgaste da via, manobrabilidade, regime ‘nonstop’ (24 horas por dia, sem paradas para abastecimento ou troca de operador), tempo de carga e descarga, tempo de permanência de produtos no pátio, tempos logísticos, energia sustentável;

[0017] A invenção poderá ser melhor compreendida através da seguinte descrição detalhada, em consonância com as figuras em anexo, onde:

Na FIGURA 1 tem-se a vagoneta (1), veículo auto propelido que se move em trilhos tubulares (2) e dormentes (3) específicos. O veículo se move por energia elétrica fornecida por barramentos (5) e captada por hastes de captação (4), similar ao sistema de trens de alta velocidade. Os veículos são autónomos e se movem guiados por sistema automatizado supervisório composto pelos sub sistemas de GPS, sensores na pista e nos veículos e sinais de rádio e hardwares eletroeletrônicos, bem como câmeras frontais e traseiras. Os veículos se deslocarão a uma velocidade média de 450 km/h, cruzeiro de 550 km/h, sendo a máxima de 700 km/h. Importante destacar que, no interior dos trilhos tubulares (2) serão transportados granéis líquidos ou gasosos. Ou seja, trata-se de um veículo (1) que transita em vias de trilhos tubulares (2), na qual cargas secas, granéis, cargas refrigeradas ou passageiros são transportados no veículo (1), e cargas granéis líquidos ou gasosos poderão ser transportados no interior dos trilhos tubulares (2). Trata-se de um sistema de modal de transporte ‘2 em 1\ que possui veículos (1) que transportam cargas e passageiros, bem como transporte de granéis líquidos ou gasosos no interior dos trilhos tubulares (2). Desta forma ocorre uma significativa otimização de transporte e eficiência operacional, energética e financeira.

A FIGURA 2 ilustra a cobertura do sistema. As vagonetas (1) transitarão no interior desta cobertura (6), composta de material polimérico de alta resistência divididas em trechos e encaixadas, conforme imagem. Na porção superior de todo o comprimento da cobertura tem-se células fotovoltaicas (7). Estas células fotovoltaicas gerarão energia para alimentar o sistema, bem como suprirão os equipamentos e sistemas essenciais no caso de uma emergência, bem como alimentarão a iluminação de sinalização ao longo da linha.

Na FIGURA 3, temos uma vista frontal do veículo, com destaque para o truck tuboviário (8) na porção inferior, um dos objetos do presente relatório. Também visualiza-se o perfil dos dormentes (3), similares a dormentes ferroviários, porém com o design específico para a aplicação.

Na FIGURA 4 tem-se novamente uma vista frontal do veículo (1) objeto do presente trabalho, porém com uma vista do truck tuboviário (8) em ‘raio x\

Na FIGURA 5 têm-se na sequência, de cima pra baixo, respectivamente, as vistas lateral e superior do veículo (1), com a indicação do posicionamento e perfil em ‘raio x’ dos trucks tuboviários (8), bem como dos trilhos tubulares (2). Na FIGURA 6 tem-se uma vista frontal somente do truck tuboviário, onde se visualiza frontalmente o trilho tuboviário (2), os conjuntos rodantes (9), a viga de suspensão (10), suportada pelas molas (12), o pivô da carroceria (11), um dos eixos (13), as rodas de encosto (14), que não ficam diretamente em contato com os trilhos, porém ‘seguram’ o veículo no sentido vertical no caso de algum descolamento do mesmo dos trilhos tubulares. A roda guia (15) também se faz visível. Esta roda guia auxilia no direcionamento dos conjuntos rodantes (9) ao longo do trilho, direcionando o veículo.

Na FIGURA 7 tem-se uma vista superior do truck tuboviário, com destaque para as rodas de encosto (14), as rodas guia (15), o braço direcional (18), que junto às rodas guia direcionam os conjuntos rodantes do veículo. Nas extremidades da viga de suspensão (10), têm-se dois batentes de apoio da carroceria (17), que servem para amortecer a rolagem da carroceria. Também pode-se visualizar as plataformas estruturais direcionais pivotantes (16), conectadas aos eixos (13), bem como o pivô de carroceria (11).

Na FIGURA 8 é possível se visualizar uma vista lateral do truck tuboviário, porém sem mostrar os tubos e dormentes, para melhor visualização. Novamente se verifica a viga de suspensão (10), que fica apoiada nas molas (12), as rodas de encosto (14), que impedem que o veículo se ‘descole’ verticalmente do trilho. Os conjuntos rodantes (9) são direcionados através das rodas guia (15) e dos braços direcionais (18). Destaca-se também o batente de rolagem de carroceria (17). Importante ressaltar que os conjuntos rodantes (9) são vazados (19), qual seja, há um vazio no meio destes, conforme se verifica em (19). Estes conjuntos rodantes (9) possuem integrados em seu interior os sistemas de tração (motores elétricos), frenagem (freios a disco) e rodagem. Há uma roda externa rodante e uma roda interna fixa, conforme se verá no andamento deste relatório.

Na FIGURA 9 tem-se uma vista em perspectiva do truck tuboviário (8). Nesta imagem se pode verificar uma série de detalhes construtivos do mesmo.

Na FIGURA 10 tem-se uma vista em corte transversal, para melhor compreensão dos conjuntos rodantes (9) nos trilhos tuboviários (2). Estes conjuntos rodantes (9) são vazados, sendo que os eixos (13) (dois em cada truck), são apoiados na porção inferior da roda. Yerifica-se o perfil em corte deste eixo (13). Também se é possível se visualizar frontalmente a viga de suspensão (10), na qual se apoia a carroceria através do pivô (11), sendo que a viga de suspensão (10) é apoiada pelas molas (12). As rodas de encosto, vistas no detalhe (14) impedem a ‘decolagem’ do veículo, mantendo-o sempre fixo ao trilho no caso de algum ‘bump’. Na FIGURA 11 há um novo corte transversal, porém este mostra de forma mais detalhada as molas. As molas, 4 em cada lado, são em pares de molas de compressão (12. B) e molas de tração (12. B), para melhor controle de estabilidade do veículo outro detalhe de suma importância é a vista em corte das plataformas estruturais direcionais pivotantes (16), que pivotam entre si. Cada uma destas é conectada aos eixos (13), que por sua vez são solidários aos conjuntos rodantes (9), permitindo que o veículo realize curvas praticamente de forma perfeita. Finalmente, mais uma vista da viga de suspensão (10), apoiada pelas molas (12) e com o pivô (11) da carroceria. Importante ressaltar que há dois pontos de pivotamento, um entre as plataformas estruturais direcionais pivotantes (16) e outro entre a viga de suspensão (10) e a carroceria (11).

Na FIGURA 12.A há uma vista em corte dos conjuntos rodantes (9). Estes conjuntos rodantes possuem uma roda externa (20), dotada de banda de rodagem de material elasto-polimérico (22). Esta roda externa é girante e é conectada à roda interna (21) através de um rolamento de grandes dimensões (23). Novamente verifica- se que a roda é vazada (19). Ou seja, há um vazio no interior da roda, sendo que o eixo é apoiado na porção inferior da mesma. Outro ponto importante diz respeito ao conjunto motriz do veículo. Este conjunto rodante possui um motor elétrico em cada roda. Na roda externa têm-se os enrolamentos do motor elétrico da porção girante (25). Na roda interna têm-se os enrolamentos do motor elétrico da porção fixa (24). Logo, a roda é movida por indução eletromagnética, que permite que a roda externa (20) gire, enquanto a interna (21) permanece fixa, ocorrendo desta forma a movimentação do veículo. Outro ponto de suma importância é que o sistema de freios a disco também é integrado ao conjunto rodante (9). No detalhe ‘D’ verifica-se que há uma pinça de freio (26) fixada à roda interna (21) (fixa), sendo que há uma aba da roda externa que faz as vezes de disco de freio (27). Desta forma a roda possui, em seu interior, também o sistema de frenagem. Finalmente, têm-se detalhe da conicidade da roda (28), que transita sobe os trilhos tubulares (2). Esta conicidade também serve para propiciar melhor dirigibilidade e funcionar como diferencial mecânico, em complementação ao diferencial eletrónico, que também fará parte do sistema, conforme se verá na sequência deste relatório. Na FIGURA 12.B tem-se no detalhe a conicidade da roda (28), que transita sobre trilhos tubulares (2).

Na FIGURA 13 há uma vista explodida dos componentes do conjunto rodante. Nota-se a roda interna (21), que é fixa, na qual são fixados na mesma os enrolamentos do motor elétrico da parte fixa (25). Ao lado têm-se os enrolamentos do motor elétrico da parte móvel (24), que são fixados na roda externa girante (20), que gira graças ao rolamento de grandes dimensões (23), que é conectado também à roda interna fixa (21). Finalmente há as pinças de freio (26), que são fixadas na roda interna fixa (21), e ‘pinçam’ o disco, que nada mais é que uma aba contida na roda externa girante (20).

Na FIGURA 14 têm-se, da direita pra esquerda, em (A), uma vista superior do veículo mostrando o posicionamento dos trucks tuboviários (8), que também podem ser visualizados na vista lateral (B). Já em (C) é possível se visualizar o pivotamento em em torno do ponto ‘P’ (29), realizado pelo truck tuboviário (8) quando em curvas. Ao se realizar curvas, o sistema ‘trabalha’, havendo um pivotamento em torno do ponto ‘P’ (29).

Já na FIGURA 15. A verifica-se um dos diferenciais deste truck tuboviário (8) em relação aos trucks ferroviários tradicionais. Primeiramente convém identificar em (A) os componentes, como o trilho tubular (2), as rodas guia (15), o braço direcional (18), os conjuntos rodantes (9), que são conectados aos eixos (13), por sua vez conectados às plataformas estruturais direcionais pivotantes (16). Em uma curva de ângulo ‘ ^A C’, o veículo possui dois conjuntos eixos/plataformas que pivotam entre si através do ponto ‘P’ (29). Este pivotamento permite que, diferentemente de trucks ferroviários tradicionais, as rodas efetivamente realizem curvas, melhorando significativamente a estabilidade, dirigibilidade do veículo, bem como aproveitamento energético, haja vista a reduzida perda energética por atrito, quando comparado com o sistema ferroviário tradicional.

Na FIGURA 15.B constata-se que, ao fazer uma curva, o truck tuboviário pivota no ponto ‘P’ (29). Neste momento, a velocidade angular (Wl) da roda interna (I) é menor que a velocidade angular (W2) da roda externa (E). O controle deste diferencial de velocidades angulares entre a roda interna (Wl, I) e roda externa (W2, E) será realizado pelo módulo eletrónico (M), que fará o ajuste da rotação, baseado na medição da diferença de rotação, ajustando a aceleração, tração e velocidade ao raio da curva em questão. Trata-se de um ‘diferencial eletrónico’. Importa frisar que também haverá também um diferencial mecânico, que funciona como no sistema ferroviário tradicional, através da conicidade das rodas, como exposto na FIGURA 12.B. Esta conicidade permite que o veículo ‘dance’ transversalmente ao longo do trilho, permitindo o ajuste das velocidades angulares das rodas. Este sistema mecânico tem função somente contingencial, no caso de uma falha no sistema de diferencial eletrónico. Outro ponto importante relativo ao controle do diferencial de velocidades angulares entre as rodas interna e externa é que, no caso da falha do sistema, a tração será feita somente pelas rodas externas ou internas, sempre permitindo que um dos lados tenha ‘roda livre’. Este outro recurso contingencial também poderá ser utilizado. Ou seja, sempre que houver uma curva, se o sistema de diferencial eletrónico falhar, o sistema permitirá somente que uma das rodas, interna ou externa, tracione, deixando a roda do outro lado livre, para que desta forma a estabilidade e dirigibilidade do veículo não fique impactada e se garanta a segurança no trânsito do veículo.

Na FIGURA 16 têm-se uma vista explodida do truck tuboviário, onde se verifica os conjuntos rodantes (9), os braços direcionais (18), as rodas guia (15), as rodas de encosto (14), as molas de tração e compressão (12), os eixos (13), a viga de suspensão (10), os batentes de carroceria (17), as plataformas estruturais direcionais pivotantes (16). Finalmente se visualiza dois itens que não tinham sido citados anteriormente. Os suportes de mola e viga de suspensão (30), e o pivô entre as plataformas (29). Conforme anteriormente ressaltado, há dois pivôs independentes, um entre as plataformas direcionais (16), identificado pelo número (29), e outro pivô que fica entre a carroceria e a viga de suspensão (10). Na FIGURA 17 visualiza-se em (A) esquematicamente o funcionamento da suspensão do veículo, com destaque para a viga de suspensão, os batentes de rolagem de carroceria (17), a carroceria (31) e as molas de tração (12. A) e compressão (12. B). Em (B) e (C) têm-se o trabalho de rolagem da suspensão nos sentidos horário e anti-horário, respectivamente.

Este veículo, tal qual um veículo rodoviário, possui um sistema de retorno de curva, similar ao efeito em um automóvel de retorno do volante à posição neutra quando se solta este após uma curva. Na FIGURA 18. A tem-se em (A) exemplificada uma curva à esquerda de ângulo Ê, com o pivô do truck (29) girando ao redor do ponto ‘P\ e na sequência, em (B) o retorno do sistema à trajetória retilínea (R). Este dispositivo é possível graças ao mecanismo presente no pivô do truck (32) ilustrado à FIGURA 18.B, no detalhe (32), onde este sistema possibilita o retorno do veículo à trajetória retilínea, visando uma maior estabilidade ao veículo.

Destaca-se o fato de que este truck tuboviário, um dos objetos da presente patente, também poderá ser instalado em vagões ferroviários tradicionais, com as devidas adaptações de projeto.

Na FIGURA 19 tem-se no destaque a versão do veículo para transporte de granéis sólidos (19), com detalhe das portas deslizantes para as operações de carga e descarga. Na FIGURA 20 tem-se somente o corpo da versão para transporte de granéis sólidos. Nesta versão tem-se aberturas (34) para entrada dos produtos (grãos e granéis em geral), bem como portas deslizantes (35) para fechamento após o carregamento. Também há aberturas na porção inferior (36) para a operação de descarregamento, e portas deslizantes inferiores (37) após o descarregamento.

Na FIGURA 21 há uma moega de carregamento (38). Esta moega é alimentada com os granéis. Esta possui portas deslizantes que, após estar carregada, o veículo (33) se posiciona abaixo da mesma. Com a abertura das portas deslizantes da moega de carregamento (38) e abertura das portas deslizantes do veículo (33), ocorre a operação de carregamento. Após o carregamento, as portas deslizantes superiores do veículo se fecham para que o mesmo siga viagem. Toda esta operação entre a chegada do veículo, seu carregamento e sua saída levará em torno de 30 segundos.

Na FIGURA 22 tem-se operação de descarregamento do veículo de granéis. Quando as portas deslizantes (36) se abrem, ocorre a queda do produto no monte (37). Importante ressaltar o detalhe da configuração das chicanas com aspecto triangular piramidal transversal, no detalhe (C). Estas chicanas possibilitam que todo produto escoe pelas aberturas, haja vista a configuração das portas deslizantes longitudinais impossibilitaria a descarga de todo o produto, caso não houvesse este dispositivo (C).

Na FIGURA 23 visualiza-se a descarga do veículo transportador de granéis (33) diretamente em um silo (38) através da abertura das portas deslizantes (36).

Na FIGURA 24 visualiza-se o veículo de transporte de cargas secas (39), em containers padrão similar ao padrão de aviação (40). O veículo é dotado de portas do tipo ‘asa de gaivota’, que se abrem para as operações de carga e descarga dos containers (40).

Na FIGURA 25 visualiza-se a versão de passageiros (41) do veículo em uma vista externa em perspectiva. Na FIGURA 26 têm-se vistas laterais externas e em ‘raio x’, vistas de cima pra baixo, respectivamente da versão de passageiros (41) do veículo.

Na FIGURA 27 tem-se uma vista do interior do veículo versão de passageiros (41). Este veículo, a depender de sua configuração, em vista de suas dimensões, poderá transportar até 120 passageiros em cada veículo.

Na FIGURA 28 visualiza-se 3 versões diferentes do veículo no que concerne à fonte de energia. Em (A) tem-se a versão puramente elétrica que funciona mediante barramento elétrico (4). Esta versão é dotada de baterias (42) que acumulam energia para os momentos em que não há barramento elétrico, como na carga e descarga, bem como em situações de emergência ou até em situações programadas, em que se opta por não se utilizar barramento em determinados trechos. Esta versão por barramentos, por ser autónoma (sem operador), pode operar 24 horas por dia, 365 dias por ano, com paradas somente para revisões programadas a cada 6 meses ou 1 milhão de km (durabilidade de projeto das bandas de rodagem). Somente para visualização, destaca-se os trilhos tubulares (2), os conjuntos rodantes (9) e as rodas guia (15). Já em (B) tem-se uma versão puramente elétrica que opera sem barramentos elétricos. Esta versão poderá tanto ser carregada por determinados períodos, quanto poderá ter trocado o ‘pack de baterias’ (42) após percorrer determinados trechos. Sairia um ‘pack de baterias’ descarregado, para a entrada de um pack carregado. Esta versão tem aplicabilidade para trechos menores e possibilidade do veículo ficar parado para o carregamento ou troca de baterias. Em (C) tem-se a versão eletro-diesel do veículo, no qual o mesmo é dotado de um conjunto moto-gerador a diesel (43). Este veículo também é dotado de um banco de baterias que são alimentadas pelo conjunto moto-gerador. Este veículo tem a vantagem de não necessitar dos barramentos elétricos, porém há a desvantagem de ter que parar para abastecimento a cada quilometragem, por exemplo, a cada 10 mil km. Também tem as desvantagens de ser mais poluente e ter uma eficiência energética muito inferior com relação aos veículos puramente elétricos (motores diesel aproveitam em torno de 33% do poder calorífico do combustível), o que reduz drasticamente sua eficiência em termos energéticos.

Nas FIGURAS 29. A e 29.B constata-se no Sistema utiliza o conceito de aproveitamento da energia potencial / cinética. Sistema irá operar na velocidade máxima operacional. Aproveitará as descidas para atingir ainda maiores velocidades (FIG 29.A), sendo parte desta energia amortizada nas subidas (FIG 29.B). Contudo, reside crucial diferença que o nosso sistema, por ser de elevada velocidade e operar sem necessidade de redução da velocidade em passagens, cruzamentos, viadutos, etc, acumulando uma enorme quantidade de energia cinética, bem como aproveitando a energia potencial (pontos mais elevados) para ganhar velocidade na descida subsequente. Isto resulta em uma economia de custos e energia significativa no processo de transporte logístico.