BR102020009301A2 - CONSTRUCTIVE PROVISION APPLIED TO RAILWAY CARGO WAGON BOXES IN COMPOSITE, NON-METALLIC MATERIAL - Google Patents
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Abstract
disposição construtiva aplicada a caixas de vagões ferroviários de carga, em material compósitos, não metálicos. a presente invenção e inovação, refere-se a uma inovadora disposição construtiva de caixas de vagões ferroviários de carga, com múltiplas funções, podendo ser produzido em peça única e auto estrutural, obtendo-se inúmeras configurações de design por meio do desenvolvimento e fabricação de moldes de pré-fabricação, fabricado em material laminado termofixo e/ou termoplástico, por meio do processo de laminação à vácuo e/ou infusão à vácuo, com núcleo isolante térmico a base de espuma de pet e/ou de pvc, e acabamento final em sistema de invólucro, à base de fibra de vidro e/ou tecidos de reforço, resinas vinílica e/ou resinas poliéster, com resistência mecânica e estrutural semelhante ou até superior ao seu modelo em aço, com grande resistência ao fogo, combinando leveza, versatilidade e capacidade de carga.constructive arrangement applied to railway freight wagon boxes, made of composite, non-metallic material. The present invention and innovation refers to an innovative constructive arrangement of railway freight wagon boxes, with multiple functions, which can be produced in a single and self-structural piece, obtaining numerous design configurations through the development and manufacture of prefabrication molds, manufactured in thermoset and/or thermoplastic laminated material, through the vacuum lamination and/or vacuum infusion process, with a thermal insulating core based on PET foam and/or PVC, and final finishing in a casing system, based on fiberglass and/or reinforcing fabrics, vinyl resins and/or polyester resins, with mechanical and structural resistance similar to or even superior to its steel model, with great fire resistance, combining lightness, versatility and load capacity.
Description
[001] A presente invenção e inovação está relacionada ao campo da ciência de materiais, aplicados ineditamente a fabricação de caixas de vagões ferroviários de carga, em material não metálico, com redução de peso de até 80%, comparativamente as caixas de vagões tradicionais em aço. A presente invenção e inovação, também está relacionada ao desenvolvimento de designs especiais das caixas dos vagões, cujos modelos dispensam a necessidade de utilização de materiais metálicos estruturantes, contribuindo para o seu peso reduzido. [001] The present invention and innovation is related to the field of materials science, unprecedentedly applied to the manufacture of railway freight car boxes, in non-metallic material, with a weight reduction of up to 80%, compared to traditional box cars in steel. The present invention and innovation is also related to the development of special designs for wagon bodies, whose models do not require the use of structuring metallic materials, contributing to their reduced weight.
[002] Vagões ferroviários de carga, e em especial as caixas desses vagões, são produzidos totalmente em material metálico, como aço, o que gera um peso final extremamente elevado. Esse peso elevado, somado ao peso da carga sendo transportada, chassis, os rodantes e demais componentes, provoca um grande aumento no consumo de combustível para seu transporte além de gerar um grande stress nas ferrovias, aumentando a frequência de sua manutenção.[002] Rail freight wagons, and especially the boxes of these wagons, are produced entirely in metallic material, such as steel, which generates an extremely high final weight. This high weight, added to the weight of the cargo being transported, chassis, wheelset and other components, causes a large increase in fuel consumption for transport, in addition to causing great stress on the railways, increasing the frequency of maintenance.
[003] 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. [003] In order to solve these problems, it has been sought to develop lighter freight cars that at the same time support the loads being transported. Some of the solutions developed in the prior art are mentioned below.
[004] 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.[004] The MU 8603013-2 describes a rail car box with reduced weight through the application of structural tubes. However, these tubes are made of metallic material. The present invention differs from this document for using in the manufacture of the boxcar of the present invention, only composite material, without any metallic component and does not need any metallic structural reinforcement.
[005] 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.[005] Document US 2016/311611 describes a lightweight container, where the weight reduction is provided by an exoskeleton (external structures) of composite material, such as a fiber reinforced polymer and a box formed by a metal sheet, such as for example steel. The composite material used in the manufacture of the boxcar of the present invention does not have any metallic component and does not need any metallic structural reinforcement.
[006] 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. Em algumas modalidades desse documento, o volume de carga do vagão pode ser alterado. 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. [006] The document US 2008/035014 describes bulk wagons of reduced weight. The proposed weight reduction is given by reducing the weight of structural components and strengthening specific areas that tend to accumulate stress. In some modalities of this document, the wagon load volume can be changed. The present invention differs from this document in that it does not limit itself to altering the structural components of the wagon, but proposes a new box for a freight car, made entirely of composite material capable of withstanding the stress caused by the load on its entire structure.
[007] 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 em seus componentes internos de acabamento. A presente invenção difere desse documento por não requerer um material compósito de multicamadas, mas sim o desenvolvimento e a sua viabilidade tecnológica e econômica para a fabricação de caixas de vagões ferroviários de carga, integralmente fabricados em material compósito, não metálico, combinando o desenvolvimento de designs específicos e técnicas de fabricação por laminação à vácuo e/ou por infusão à vácuo, contendo um núcleo e um revestimento externo de acabamento.[007] The document US 2020/055276 describes a lightweight composite material for use in the automobile, rail car, aircraft and ship sectors, citing at all times about its application in its internal finishing components. The present invention differs from this document in that it does not require a multilayer composite material, but rather the development and its technological and economic feasibility for the manufacture of railway freight car boxes, entirely manufactured in composite, non-metallic material, combining the development of specific designs and manufacturing techniques by vacuum lamination and/or vacuum infusion, containing a core and an outer finishing coat.
[008] Portanto, pode-se ver que o estado da técnica não descreve nem sequer sugere uma caixa de vagão ferroviário de carga feita de um material compósito, 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. [008] Therefore, it can be seen that the prior art does not describe or even suggest a railway freight car box made of a composite material, capable of allowing a reduction in the weight of the box car while maintaining all the other properties related to the strength and capacity of the wagon.
[009] Em um primeiro aspecto, a presente invenção e inovação, fornece uma disposição construtiva inédita para a fabricação de uma caixa de vagão ferroviário de carga, produzido integralmente em material compósito, não metálico, voltado a atender as fortes demandas de redução de peso para o modal logístico ferroviário, onde a utilização do aço sempre foi onipresente e exclusivo, estabelecendo uma quebra de paradigma para o setor logístico ferroviário, desde a construção da primeira ferrovia no mundo em 1825 na Inglaterra.[009] In a first aspect, the present invention and innovation provides an unprecedented constructive arrangement for the manufacture of a rail freight car box, produced entirely in composite, non-metallic material, aimed at meeting the strong demands for weight reduction for the railway logistics modal, where the use of steel has always been omnipresent and exclusive, establishing a paradigm shift for the railway logistics sector, since the construction of the first railway in the world in 1825 in England.
[0010] É, portanto, um objeto da presente invenção e inovação, uma disposição construtiva de uma caixa de vagão ferroviário de carga compreendendo:
a) um núcleo estruturante e/ou isolante térmico compreendendo:
- a.i) uma espuma polimérica; e
- a.ii) opcionalmente fibras e/ou tecidos de reforço;
- b.i) uma resina polimérica termofixa e/ou termoplástica; e
- b.ii) fibras estruturantes, preferencialmente de fibra de vidro e/ou tecidos de reforço;
a) a structuring and/or thermal insulating core comprising:
- ai) a polymeric foam; and
- a.ii) optionally fibers and/or reinforcing fabrics;
- bi) a thermosetting and/or thermoplastic polymeric resin; and
- b.ii) structuring fibers, preferably glass fiber and/or reinforcing fabrics;
[0011] A presente invenção e inovação, apresenta inúmeras vantagens sobre os modelos correspondentes e convencionais em aço, pois além da sua leveza (pode ser até 80% mais leve), são 100% reciclados após o final da sua vida útil, estimada acima de 30 anos, enquanto os vagões tradicionais em aço têm a sua vida útil inferior a 20 anos.[0011] The present invention and innovation, has numerous advantages over the corresponding and conventional models in steel, as in addition to their lightness (it can be up to 80% lighter), they are 100% recycled after the end of their useful life, estimated above 30 years, while traditional steel wagons have a service life of less than 20 years.
[0012] A Figura 1 mostra um exemplo da disposição construtiva de uma caixa de vagão ferroviário de carga, de acordo com a presente invenção, com destaque para as suas divisórias internas (cavernas), que além de servirem para compartimentar a carga, servem de elementos estruturais de distribuição de tensões e esforços, fabricados do mesmo material do corpo da caixa do vagão.[0012] Figure 1 shows an example of the constructive arrangement of a rail freight car box, according to the present invention, with emphasis on its internal partitions (caves), which in addition to serving to compartmentalize the cargo, serve as structural elements for distributing stresses and strains, manufactured from the same material as the body of the wagon body.
[0013] A Figura 2 mostra um exemplo da disposição construtiva da caixa de um modelo de vagão, de acordo com a presente invenção, do seu aspecto final externo em peça única.[0013] Figure 2 shows an example of the constructive arrangement of the box of a wagon model, according to the present invention, of its final external appearance in one piece.
[0014] A Figura 3 mostra um exemplo da disposição construtiva interna de um modelo de caixa do vagão de carga, de acordo com a presente invenção e inovação, compreendendo a disposição dos seus elementos e compartimentos internos (cavernas), que servem como elementos estruturais, fabricados do mesmo material do corpo da caixa do vagão.[0014] Figure 3 shows an example of the internal constructive arrangement of a box car box model, according to the present invention and innovation, comprising the arrangement of its elements and internal compartments (caves), which serve as structural elements , made of the same material as the body of the car body.
[0015] Os parágrafos a seguir tem o intuito somente de exemplificar algumas das inúmeras formas de realização da presente invenção e inovação, e devem ser entendidos como exemplos não limitativos. Modalidades alternativas não descritas, mas dentro da ideia central da invenção e da inovação, devem ser interpretadas como dentro do escopo da presente invenção. [0015] The following paragraphs are intended only to exemplify some of the numerous embodiments of the present invention and innovation, and should be understood as non-limiting examples. Alternative modalities not described, but within the central idea of the invention and innovation, must be interpreted as falling within the scope of the present invention.
[0016] A presente invenção e inovação, refere-se a uma disposição construtiva de caixas de vagões ferroviários de carga de múltiplas funções, podendo ser produzido em peça única e auto estrutural, por meio do desenvolvimento de modelos de design e de fabricação de moldes de pré-fabricação, obtendo-se inúmeras configurações de design.[0016] The present invention and innovation, refers to a constructive arrangement of rail freight car boxes with multiple functions, which can be produced in a single and self-structural piece, through the development of design models and mold manufacturing of prefabrication, obtaining numerous design configurations.
[0017] Em especial a disposição construtiva de uma caixa de vagão ferroviário de carga de acordo com a presente invenção compreende:
a) um núcleo estruturante e/ou isolante térmico, compreendendo:
- a.i) uma espuma polimérica;
- a.ii) opcionalmente fibras e/ou tecidos de reforço;
- b.i) uma resina polimérica termofixa e/ou termoplástica;
- b.ii) fibras estruturantes, preferencialmente de fibra de vidro e/ou tecidos de reforço;
a) a structuring and/or thermal insulating core, comprising:
- ai) a polymeric foam;
- a.ii) optionally fibers and/or reinforcing fabrics;
- bi) a thermosetting and/or thermoplastic polymeric resin;
- b.ii) structuring fibers, preferably glass fiber and/or reinforcing fabrics;
[0018] A espuma polimérica tem a função estruturante e/ou de isolamento térmico à caixa de vagão. As espumas da presente invenção são preferencialmente compostas de espuma de PET e/ou espuma de PVC, embora outros materiais adequados também estejam dentro do escopo da presente invenção.[0018] The polymeric foam has the structuring function and/or thermal insulation to the boxcar. The foams of the present invention are preferably composed of PET foam and/or PVC foam, although other suitable materials are also within the scope of the present invention.
[0019] As fibras de reforço conferem um aumento significativo da resistência sem proporcionar um aumento expressivo no peso final do material. Exemplos não limitantes de fibras de reforço incluem fibra de vidro, fibra de carbono e combinações das mesmas.[0019] The reinforcing fibers provide a significant increase in strength without providing a significant increase in the final weight of the material. Non-limiting examples of reinforcing fibers include glass fiber, carbon fiber and combinations thereof.
[0020] A resina polimérica termofixa e/ou termoplástica do revestimento externo pode ser escolhida dentre resinas vinílicas, como por exemplo acetato de polivinila, cloreto de polivinila, copolímeros de acetato de vinila e cloreto de vinila, e quaisquer outras resinas vinílicas adequadas, e resinas de poliéster, como por exemplo as resinas formadas pela reação de um diol com um diácido na presença opcional de um catalisador, ou combinação das duas.[0020] The thermosetting and/or thermoplastic polymeric resin of the outer coating can be chosen from vinyl resins, such as polyvinyl acetate, polyvinyl chloride, vinyl acetate and vinyl chloride copolymers, and any other suitable vinyl resins, and polyester resins, such as resins formed by the reaction of a diol with a diacid in the optional presence of a catalyst, or a combination of the two.
[0021] O revestimento externo de acabamento é um compósito laminado, preferencialmente laminado à vácuo e/ou por infusão à vácuo, envolvendo todo o seu núcleo no estilo invólucro. [0021] The outer finishing coat is a laminated composite, preferably laminated by vacuum and/or vacuum infusion, enveloping its entire core in the casing style.
[0022] O composto laminado possui uma porcentagem de fibra na faixa de 20% p/p a 80% p/p do peso total do revestimento externo, sendo o valor de 60% p/p preferido. O composto laminado é um material termofixo e/ou termoplástico à base de fibras de vidro e resinas vinílicas e/ou resinas poliéster.[0022] The laminated composite has a fiber percentage in the range of 20% w/w to 80% w/w of the total outer shell weight, with 60% w/w being preferred. The laminated composite is a thermosetting and/or thermoplastic material based on glass fibers and vinyl resins and/or polyester resins.
[0023] A caixa do vagão de carga em material termofixo e/ou termoplástico, é preferencialmente produzida pelo processo de laminação à vácuo e/ou infusão à vácuo, não se limitando aos demais processos conhecidos, tendo o seu núcleo feito de espuma de PET e/ou de espuma de PVC, podendo utilizar qualquer dos tecido estruturante mencionados em a) acima, sendo revestida à base de compósito de fibras de reforço (fibra de vidro) e resinas vinílicas, resinas poliéster entre outras. [0023] The box of the freight car in thermoset and/or thermoplastic material, is preferably produced by the process of vacuum lamination and/or vacuum infusion, not limited to other known processes, having its core made of PET foam and/or PVC foam, which may use any of the structuring fabric mentioned in a) above, being coated with a composite of reinforcing fibers (fiberglass) and vinyl resins, polyester resins, among others.
[0024] As Figuras 1-3 mostram exemplos de configurações construtivas de acordo com a presente invenção. [0024] Figures 1-3 show examples of constructive configurations according to the present invention.
[0025] No processo de infusão à vácuo, o percentual de fibra no revestimento final de acabamento pode variar de 20% à 80%, sendo o valor de 60% de fibra comprovadamente ter se mostrado com os melhores resultados, gerando um material laminado termofixo e/ou termoplástico, com aproximadamente 53 PSI de resistência a tração.[0025] In the vacuum infusion process, the percentage of fiber in the final finishing coating can vary from 20% to 80%, with the value of 60% fiber having been shown to have the best results, generating a thermoset laminated material and/or thermoplastic, with approximately 53 PSI tensile strength.
[0026] 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 e inovação. 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.[0026] From the above information, it is possible to observe that the vacuum infusion process, obtains a higher percentage of fiber in the laminate, resulting in greater mechanical strength of the box car. The higher percentage of fiber also influences obtaining lighter laminates, which is the main objective of this invention and innovation. In addition to these advantages, the higher percentage of fiber in vacuum infusion means lower percentage of resin, that is, this process has a resin economy that generates cost savings compared to other manufacturing processes.
[0027] Em face da sua capacidade de isolamento térmico, quando aplicáveis no transporte de grãos, que são cargas perecíveis, são capazes de retardar o seu amadurecimento, alongando a sua vida útil e valorizando a sua comercialização.[0027] In view of their thermal insulation capacity, when applicable in the transport of grains, which are perishable loads, they are capable of delaying their ripening, extending their useful life and enhancing their commercialization.
[0028] As suas propriedades isolantes térmicas e sua superfície isenta de rugosidade, quando utilizado no transporte de açúcar, elimina por completo o efeito de caldeamento, que ocorre nas paredes das caixas dos vagões tradicionais de aço, por conta da combinação de temperatura elevada e umidade. [0028] Its thermal insulating properties and its surface free of roughness, when used in the transport of sugar, completely eliminates the melting effect, which occurs on the walls of traditional steel wagons, due to the combination of high temperature and moisture.
[0029] As características e propriedades do seu isolamento térmico, também permitirá a fabricação de caixas de vagões de cargas refrigeradas para o transporte de produtos congelados, com o acoplamento de um sistema de refrigeração próprio e adequado, transformando-se em uma alternativa econômica e competitiva, para o transporte de cargas congeladas perecíveis, para grandes distâncias, atendendo a demandas de logística dos setores de produção de proteína animal, lácteos e seus derivados, farmacêutico, fruticultura e floricultura, entre outros setores que seriam beneficiados por viabilidade de uso deste modal logístico, que hoje utilizam exclusivamente os modais rodoviário, marítimo e / ou aéreo.[0029] The characteristics and properties of its thermal insulation will also allow the manufacture of refrigerated freight car boxes for the transport of frozen products, with the coupling of a proper and adequate refrigeration system, becoming an economical and competitive, for the transport of frozen perishable cargo, over long distances, meeting the logistics demands of the animal protein, dairy and dairy products, pharmaceutical, fruit and floriculture sectors, among other sectors that would benefit from the feasibility of using this modal logistics, which today use exclusively road, sea and/or air modes.
[0030] A presente invenção e inovação pode ter 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.[0030] The present invention and innovation can have numerous combinations of volume, capacity and types of cargo, from its design model to be developed for the construction of its pre-fabrication molds, allowing the manufacture of boxcars. load capacity increased to up to 200 tons, simply analyzing the technical conditions of the railways on which it will travel.
[0031] A presente invenção e inovação tem inúmeros benefícios técnicos e principalmente econômicos e sócio ambiental, tais como: menor peso de remoção em caso de acidente (tombamento), facilidade de ser reparado no local do acidente, menor consumo de combustíveis por tonelada transportada, redução das emissões de CO₂, maior vida útil da carga de grãos, viabilizar o transporte de carga congelada perecível, para grandes distâncias, não ser condutor elétrico, não sendo factível de sofrer descargas elétricas atmosféricas e descargas estáticas, igualmente perigosas ao ser humano na operação de carga e descarga. [0031] The present invention and innovation has numerous technical and mainly economic and socio-environmental benefits, such as: lower removal weight in the event of an accident (tipping), ease of repair at the accident site, lower fuel consumption per ton transported , reduction of CO₂ emissions, longer useful life of grain cargo, enabling the transport of perishable frozen cargo, for great distances, not being electrical conductor, not being feasible to suffer atmospheric electrical discharges and static discharges, equally dangerous to human beings in the loading and unloading operation.
[0032] Em conclusão, pode-se afirmar que a invenção, pelo conjunto de suas inovações tecnológicas e vantagens sócio ambientais e sócio econômicas, principalmente a redução de emissões de toneladas de CO₂ 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.[0032] In conclusion, it can be said that the invention, due to the set of technological innovations and socio-environmental and socio-economic advantages, mainly the reduction of CO₂ tons emissions obtained with the diesel consumption savings and the use of material recyclable PET, where studies carried out by the WWF - World Wide Fund for Nature, which means World Fund for Wildlife and Nature, a Non-Governmental Organization (NGO) founded in Switzerland on 04/29/61, point out that ocean pollution, main factor of rising temperature of ocean waters, is also the main cause of recent climate changes recorded on our planet, has already reached alarming levels and urgent measures need to be taken by governments and inhabitants of all nations of the world.
Claims (6)
a) um núcleo compreendendo:
- a.i) uma espuma polimérica;
- a.ii) opcionalmente fibras e/ou tecidos de reforço;
- b.i) uma resina polimérica termofixa e/ou termoplástica;
- b.ii) fibras estruturantes, preferencialmente de fibra de vidro e/ou tecidos de reforço;
a) a nucleus comprising:
- ai) a polymeric foam;
- a.ii) optionally fibers and/or reinforcing fabrics;
- bi) a thermosetting and/or thermoplastic polymeric resin;
- b.ii) structuring fibers, preferably glass fiber and/or reinforcing fabrics;
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