Campo da Invenção

[001] A presente invenção está relacionada ao campo da ciência de materiais, aplicados a caixa do vagão para transporte de cargas, contemplando também os sistemas de tremonhas e escotilhas quando houver, fabricados em materiais compósitos que proporcionam peso reduzido comparativamente às suas peças similares tradicionais fabricadas em aço.

[002] A presente invenção também está relacionada ao desenvolvimento das caixas de vagões e seus sistemas como tremonhas e escotilhas quando houver, que dispensam a necessidade de utilização de materiais metálicos estruturantes, contribuindo para o seu peso reduzido, proporciona leveza na operação e resistência à oxidação, e um design específico, que torna o material leve capaz de suportar as cargas e esforços a que são submetidas durante a sua operação.

Antecedentes da Invenção

[003] As caixas de vagões existentes atualmente são feitas de aço e apresenta como principal inconveniente problemas de corrosão, e consequentemente infiltração, uma vez que as chapas dos vagões se deterioram com a corrosão e podem apresentar problemas de vedação permitindo a entrada de água dentro da carga.

[004] O setor logístico ferroviário, há anos busca soluções inovadoras visando a redução de peso próprio das caixas dos vagões de carga como um todo, não só para reduzir o seu consumo de combustível, mas também reduzir os seus custos de O&M. Esta redução de peso da caixa do vagão proporciona alternativa de ganhos para a empresa transportadora, podendo optar (i) na redução de consumo de combustível por parte das locomotivas, devido a redução do peso total da composição pela redução da tara dos vagões desta invenção e, (ii) aumento de carga transportada utilizando a mesma quantidade de potência no veículo ferroviário de tração, ou seja, pode-se inserir mais vagões na composição compensando a redução do peso morto dos vagões, desta forma, aumenta-se a retorno financeiro do transporte.

[005] Visando solucionar esses problemas, tem-se buscado desenvolver vagões de carga mais leves e que ao mesmo tempo suportem as cargas sendo transportadas. Algumas das soluções desenvolvidas no estado da técnica estão mencionadas abaixo.

[006] O MU 8603013-2 descreve uma caixa de vagão ferroviário com peso reduzido por meio da aplicação de tubos estruturais. Entretanto, esses tubos são feitos de material metálico. A presente invenção difere desse documento por utilizar na fabricação da caixa de vagão da presente invenção, somente material de compósitos, sem nenhum componente metálico e não necessita de qualquer reforço estrutural metálico.

[007] O documento US 2016/311611 descreve um contêiner de peso reduzido, onde a redução de peso é proporcionada por um exoesqueleto (estruturas externas) de material compósito, como um polímero reforçado por fibras e uma caixa formada por uma folha metálica, como por exemplo aço. O material compósito utilizado na fabricação da caixa de vagão da presente invenção não apresenta nenhum componente metálico e não necessita de qualquer reforço estrutural metálico.

[008] O documento US 2008/035014 descreve vagões graneleiros de peso reduzido. A redução de peso proposta é dada pela redução do peso de componentes estruturais e o reforço de áreas específicas que costumam acumular stress. A presente invenção difere desse documento por não se limitar a alterar componentes estruturais do vagão, e sim propor uma nova caixa de vagão de carga, feita totalmente de material compósito capaz de suportar o stress causado pela carga em toda sua estrutura.

[009] O documento US 2020/055276 descreve um material compósito leve para uso nos setores automobilísticos, vagões ferroviários, aeronaves e navios, citando a todo o momento sobre a sua aplicação com características de retardar chamas. A presente invenção difere desse documento por não requerer um material compósito de multicamadas, mas sim o desenvolvimento e a sua viabilidade tecnológica e económica para a fabricação de caixas de vagões ferroviários de carga, integralmente fabricados em material compósito, não metálico, combinando o desenvolvimento de designs específicos e processos de fabricação de materiais compósitos, contendo um núcleo e um revestimento externo de acabamento.

[0010] Portanto, pode-se ver que o estado da técnica não descreve nem sequer sugere uma caixa de vagão ferroviário de carga feita de materiais compósitos, capaz de permitir uma redução de peso da caixa do vagão ao mesmo tempo que mantém todas as demais propriedades relacionadas à resistência e capacidade do vagão.

Sumário da Invenção

[0011] Em um primeiro aspecto a presente invenção proporciona componentes de vagão ferroviário de peso reduzido fabricados a partir de materiais compósitos.

[0012] É, portanto, um objeto da presente invenção, o conceito de fabrica a caixa do vagão e seus subsistemas com: a) uma primeira camada de uma resina polimérica termofixa e/ou termoplástica; e fibras estruturantes, preferencialmente de fibra de vidro e/ou tecidos de reforço; b) uma segunda camada, adjacente à primeira camada, compreendendo um núcleo estruturante e/ou isolante térmico, que compreende: uma espuma polimérica; c) uma terceira camada, adjacente à segunda camada, de uma resina polimérica termofixa e/ou termoplástica; e fibras estruturantes, preferencialmente de fibra de vidro e/ou tecidos de reforço; onde a fibras e/ou tecidos de reforço das camadas de resina polimérica termofixa e/ou termoplástica compõem de 20% p/p a 80% p/p do peso total do revestimento externo.

[0013] A presente invenção apresenta como vantagens sobre os seus modelos correspondentes e convencionais em aço e/ou ferro fundido, seu peso reduzido (podendo ser até 80% mais leve) e podem reutilizados após o final da sua vida útil, estimada acima de 15 anos, enquanto as escotilhas de aço convencionais estão com sua vida útil em torno de 10 anos nas operações.

Breve Descrição das Figuras

[0014] A Figura 1 mostra uma vista explodida de uma realização do vagão fabricado em materiais compósitos. (1 ) Escotilhas: é o sistema de abertura superior utilizado para carregamento do vagão. Esse sistema pode não existir em vagões que não possuem teto. A presente invenção também pode ser aplicada nestes casos; (2) Teto: corpo superior da caixa do vagão e seus reforços; (3) Anteparas estruturais: são estruturas transversais posicionadas ao longo da caixa do vagão para incrementar rigidez a estrutura; (4) Corpo da caixa: é o corpo da caixa abaixo do teto compreendendo as paredes e assoalho do vagão; (5) Tremonhas: é o sistema de descarga da caixa do vagão, podendo ser inferior ou lateral. Há vagões que não possuem tremonhas, a presente invenção pode ser aplicada também nestes casos; (6) Truque: é o sistema que suporta o estrado e a caixa do vagão no trilho, possui o sistema de freio e suspensão; (7) Longarina central com estrado ou chassi: é a estrutura inferior da caixa do vagão onde é conectado os sistemas do vagão como sistema de freio, aparelho de choque e tração, entre outros sistemas quando necessário. Além disso, é a estrutura responsável por suportar o impacto advindo do choque e tração entre vagões e locomotivas no transporte; (8) Reforços da caixa: os reforços da caixa são peças projetadas para dar rigidez na caixa em materiais compósitos. Podem ser longitudinais ou transversais e é recomendado utilizar materiais compósitos como os da presente invenção. Podem ser arranjados nas paredes, tetos ou assoalhos conforme projeto estrutural da caixa do vagão.

[0015] A Figura 2 apresenta um esboço do conceito de sanduíche utilizado na presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[0016] Os parágrafos a seguir contêm o intuito de exemplificar algumas das inúmeras formas de realização da presente invenção, e devem ser entendidos como exemplos não limitativos. Modalidades alternativas não descritas, mas dentro da ideia central da invenção, devem ser interpretadas como dentro do escopo da presente invenção.

[0017] Os materiais compósitos desta invenção são, combinações de matriz polimérica com reforços. São usadas como matriz as resinas termoplásticas ou termofixas. Já os reforços são utilizados fibras de vidro, mas não limitado a esta fibra.

[0018] A presente invenção descreve componentes de vagão ferroviário de materiais compósitos, conforme Figura 1 , que proporcionam um peso reduzido no vagão final. Em especial os componentes de acordo com a presente invenção compreendem: a) uma primeira camada de uma resina polimérica termofixa e/ou termoplástica; e fibras estruturantes, preferencialmente de fibra de vidro e/ou tecidos de reforço; b) quanto utilizado o conceito sanduíche possui uma segunda camada, adjacente à primeira camada, compreendendo um núcleo estruturante e/ou isolante térmico, que compreende: uma espuma polimérica; c) uma terceira camada, adjacente à segunda camada, de uma resina polimérica termofixa e/ou termoplástica; e fibras estruturantes, preferencialmente de fibra de vidro e/ou tecidos de reforço; onde a fibras e/ou tecidos de reforço das camadas de resina polimérica termofixa e/ou termoplástica compõem de 20% p/p a 80% p/p do peso total do revestimento externo.

[0019] A espuma polimérica tem a função estruturante e de isolamento térmico à caixa de vagão. As espumas da presente invenção são preferencialmente compostas de espuma estrututral de PET e/ou espuma de PVC, embora outros materiais adequados também estejam dentro do escopo da presente invenção como compensados de madeira. Os compensados ou madeiras podem ser utilizados em regiões da caixa do vagão que possuem maiores cargas de cisalhamento, como por exemplo, regiões de fixação da caixa com a longarina central.

[0020] As espumas estruturais de reforço conferem um aumento significativo da resistência sem proporcionar um aumento expressivo no peso final do material. As espumas aumentam consideravelmente a espessura do perfil da peça e consequentemente o momento de inércia da estrutura tornando a peça mais rígida com leveza.

[0021] A resina polimérica termofixa do revestimento externo pode ser escolhida dentre resinas ortoftálicas, resinas isoftálicas, resinas bisfenólicas ou resina éster-vinílicas, como por exemplo, resinas poliéster, epóxi, Também pode ser utilizado na matriz resinas termoplásticas.

[0022] Os materiais compósitos laminados possuem uma porcentagem de fibra na faixa de 20% p/p a 80% p/p do peso total das camadas laminadas, sendo o valor de 60% p/p preferido.

[0023] A princípio qualquer componente da Figura 1 pode ser fabricado nos materiais compósitos da presente invenção, entretanto são preferenciais a caixa de vagão, as escotilhas e as tremonhas, estas duas últimas quando o vagão possuir.

[0024] Os materiais compósitos reduzem o peso da caixa do vagão para até 80% o peso se comparado com caixas de vagões tradicionais construídas em aço. Além disso, os materiais compósitos aliados com determinados polímeros permitem uma resistência química e resistência a oxidação reduzindo o desgaste do vagão por corrosão, principalmente se tratando de cargas de fertilizantes com alto teor de enxofre.

[0025] Este conceito de fabricação de caixa de vagão pode ser aplicado em vagões tipo Hopper (funileiro), mas não limitado a este tipo de vagão, podendo ser utilizado também na concepção de vagões tipo gondola, tanque, fechados, frigorífico, entre outros tipos de vagões.

[0026] O conceito de material sanduíche (ou núcleo estruturante com revestimento externo) pode ser utilizado na concepção do corpo da caixa, teto, escotilhas, tremonhas e anteparas da caixa do vagão não limitando a estas partes. O conceito de material sanduíche (ou núcleo estruturante com revestimento externo) é presente na natureza como por exemplo, o conceito estrutural dos ossos, onde, temos a superfície externa do osso mais reforçada com células calcificadas e a parte interna uma estrutura esponjosa e de menor rigidez. Da mesma forma, a parede do vagão é laminada nas duas extremidades de fibra com resinas plásticas (parte mais rígida) e é colocado uma espuma estrutural ou núcleo, na camada central.

[0027] A espuma estrutural pode ser de PET, PVC ou até PU, não limitado a estes materiais. O conceito de sanduíche (ou núcleo estruturante com revestimento externo) tem como objetivo otimização estrutural colocando um material menos rígido no centro e mais rígido nas extremidades (ou em seu entorno). Desta forma, é possível aumentar a espessura do material sem aumentar o peso. Consequentemente, aumentando a espessura do material é aumentado o momento de inércia da peça proporcionando mais rigidez com menos peso. A Figura 02 apresenta um esboço desse conceito aplicado na concepção da presente invenção.

[0028] Na presente invenção é importante considerar no projeto geométrico da caixa de vagão em compósitos geometrias arredondadas que amenizam ou distribuem melhor as tensões de carregamento. Devido a facilidade de fabricação de geometrias complexas pelos compósitos, essa característica deve ser aproveitada para conseguir uma geometria da caixa de vagão otimizada estruturalmente.

[0029] A concepção do projeto estrutural da presente invenção seguiu a norma AAR SECTION C PART II DESIGN, FABRICATION, AND CONSTRUCTION OF FREIGHT CARS, M-1001. No entanto, a presente invenção pode seguir outras normas de concepção de vagões de transporte de carga para cálculo e projeto de vagões ferroviários, como as do Ministério das Ferrovias da Federação Russa para bitolas 1520 mm. Além das normativas governamentais, esta invenção pode atender a critérios específicos definidos pelos clientes operadores do transporte ferroviário. [0030] Da mesma forma, a presente invenção pode ser aplicada em projetos de vagão de variadas bitolas, como por exemplo a bitola Standart (1435 mmm) ou a Larga (1 ,60 m).

[0031] O dimensionamento de espessuras do laminado de compósitos e das espumas pode ser feito através da Análise em Elementos Finitos. A Análise em Elementos Finitos pode ser usada para aplicar as cargas descritas nas normas de construção de vagões. Aplicando estas cargas no modelo da caixa é possível dimensionar e quantificar os reforços nos tetos, as anteparas, as espessuras de núcleo, e as espessuras dos laminados em materiais compósitos.

[0032] Utilizando esta análise é possível reforçar as partes da caixa do vagão regiões que sofrem maior deslocamento durante a aplicação das cargas na Análise em Elementos Finitos.

[0033] As caixas de vagão da presente invenção também podem incluir mecanismos hidráulicos e/ou pneumáticos de movimentação, que proporcionam diversos benefícios na operação de carregamento e descarregamento, tais como: maior velocidade de operação.

[0034] A fabricação de peças em materiais compósitos é ampla e as peças em compósitos dos componentes do vagão podem ser concebidas pelos processos de laminação manual (Fland Lay-up), laminação manual com vácuo, infusão, spray up, Resin Transfer Molding Light (RTM Light), Vacuum Pressure Impregnation (VPI), pultrusão, extrusão, injeção, não limitando somente a estes processos. Estes processos de laminação dos compósitos permitem a impregnação e polimerização da matriz nas fibras e reforços e podem ser usados na concepção do teto, reforços, corpo da caixa, tremonha, escotilhas e até o chassi.

[0035] No processo de infusão à vácuo, o percentual de fibra no revestimento final de acabamento pode variar de 50% à 80%, sendo o valor de 60% de fibra comprovadamente ter se mostrado com os melhores resultados No entanto, outros processos como o manual ou spray-up reduzem essa faixa de porcentagem. [0036] A partir das informações acima é possível observar que o processo de infusão à vácuo, obtém maior porcentagem de fibra no laminado, resulta na maior resistência mecânica da caixa do vagão de carga. A maior porcentagem de fibra também influencia na obtenção de laminados mais leves, que é o objetivo principal da presente invenção. Além dessas vantagens, a maior porcentagem de fibra da infusão à vácuo, significa menor porcentagem de resina, ou seja, este processo possui uma economia da resina que gera economia de custo em comparação com os outros processos de fabricação.

[0037] Para dar acabamento polido na parte externa da caixa do vagão, sem marcas do tecido de fibra, pode ser utilizado gel coat e laminar manta de fibra de vidro, ou laminar fio roving picotado jateado (spray up) na face externa das peças em contato com ambiente externo. Dando um acabamento polido na peça quando utilizado moldes polidos.

[0038] Quando necessário, a parte das peças da caixa do vagão que tiverem em contato com a carga devem ser utilizados produtos que deem acabamento necessário a carga a ser transportada no vagão. Por exemplo, em cargas granulares, podem ser aplicadas internamente produtos que aumentem a resistência a abrasão e dê acabamento liso ou polido.

[0039] Para unir as peças da caixa do vagão podem ser utilizados adesivos em compósitos, como por exemplo, massa de resinas com microesferas. Além disso, quando possível, é importante usar tecido de fibra laminados nas uniões dessas peças com objetivo de aumentar a resistência de colagem das partes.

[0040] Nas uniões entre a caixa e a longarina central, estrado ou chassi, pode ser utilizado pinos roscados. Vale lembrar que nessas regiões de união de peças em materiais compósitos com o aço serão regiões reforçadas. Esses reforços podem ser madeiras compensadas ou laminados com materiais compósitos e adesivos. Dessa forma, é possível garantir a resistência dos esforços atuantes entre a estrutura de aço e a caixa em compósitos. [0041] Em face da sua capacidade de isolamento térmico, quando aplicáveis no transporte de grãos, são capazes de retardar o seu amadurecimento, alongando a sua vida útil e valorizando a sua comercialização.

[0042] As suas propriedades isolantes térmicas e sua superfície isenta de rugosidade, quando utilizado no transporte de açúcar, auxiliam na redução do efeito de caldeamento, que ocorre nas paredes das caixas dos vagões tradicionais de aço, por conta da combinação de temperatura elevada e umidade.

[0043] As características e propriedades do seu isolamento térmico, também permite a fabricação de caixas de vagões de cargas refrigeradas para o transporte de produtos perecíveis ou congelados, com o acoplamento de um sistema de refrigeração próprio e adequado.

[0044] A presente invenção tem inúmeras combinações de volume, capacidade e tipos de carga, a partir do seu modelo de design a ser desenvolvido para a construção dos seus moldes de pré-fabricação, permitindo a fabricação de caixas de vagões de carga de capacidade ampliada para até 200 toneladas, bastando para isso, analisar as condições técnicas das linhas férreas por onde circulará.

[0045] A presente invenção tem inúmeros benefícios técnicos e principalmente económicos e sócio ambiental, tais como: menor peso de remoção em caso de acidente (tombamento), menor consumo de combustíveis por tonelada transportada, redução das emissões de C0 ₂ , maior vida útil da carga de grãos, viabilizar o transporte de carga congelada perecível, não ser condutor elétrico, não sendo factível de sofrer descargas elétricas atmosféricas, perigosas ao ser humano na operação de carga e descarga.

[0046] Em conclusão, pode-se afirmar que a invenção, pelo conjunto de suas inovações tecnológicas e vantagens sócio ambientais e sócio económicas, principalmente a redução de emissões de toneladas de C0 ₂ obtida com a economia de consumo de diesel e o aproveitamento de material reciclável de PET, onde estudos elaborados pela WWF - World Wide Fund for Nature, que significa Fundo Mundial para a Vida Selvagem e Natureza, Organização não Governamental (ONG) fundada na Suíça em 29/04/61 , apontam que a poluição dos oceanos, principal fator de elevação da temperatura das águas dos oceanos, também é a principal causa das recentes mudanças climáticas registradas em nosso planeta, já atingiu níveis alarmantes e que medidas urgentes precisam ser tomadas por governos e habitantes de todas as nações do mundo.