BR102020016453A2

BR102020016453A2 - Light weight cover, method for producing light weight cover, light weight hatch, method for producing light weight hatch and wagon comprising light weight hatch

Info

Publication number: BR102020016453A2
Application number: BR102020016453-8A
Authority: BR
Inventors: Estevão Moura Costa; Rafael Plácido Teixeira Da Silva
Original assignee: N3F Projetos E Montagens Em Pultrudados Ltda
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2022-02-22

Abstract

A presente invenção está relacionada ao campo da ciência de materiais, em especial a escotilhas de peso reduzido comparativamente às suas peças similares tradicionais fabricadas em aço.
As escotilhas da presente invenção combinam um material leve, o que 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.

The present invention is related to the field of materials science, in particular to low weight hatches compared to their similar traditional parts made of steel.
The hatches of the present invention combine a light material, which provides lightness in operation and resistance to oxidation, and a specific design, which makes the light material capable of withstanding the loads and efforts to which they are subjected during its operation.

Description

LIGHT WEIGHT LID, METHOD FOR PRODUCTION OF LIGHT WEIGHT LID, LIGHT WEIGHT HATCH, METHOD FOR PRODUCTION OF LIGHTWEIGHT HATCH AND WAGON INCLUDING LIGHT WEIGHT HATCH

Field of Invention

[001] A presente invenção está relacionada ao campo da ciência de materiais, em especial as escotilhas de peso reduzido comparativamente às suas peças similares tradicionais fabricadas em aço.[001] The present invention is related to the field of materials science, in particular the hatches of reduced weight compared to their similar traditional parts made of steel.

[002] As escotilhas da presente invenção combinam um material leve, o que 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.[002] The hatches of the present invention combine a light material, which provides lightness in operation and resistance to oxidation, and a specific design, which makes the light material capable of withstanding the loads and efforts to which they are subjected during their operation.

Background of the Invention

[003] A escotilha dos vagões tem como principal função proporcionar o carregamento e a segurança da carga no vagão. É constituída por tampa e dobradiças. Em alguns casos, há um sistema de travamento.[003] The main function of the wagon hatch is to provide the loading and security of the cargo in the wagon. It consists of a lid and hinges. In some cases, there is a locking system.

[004] As escotilhas existentes atualmente são feitas totalmente em aço e apresentam os seguintes inconvenientes: (1) Dificuldades no manuseio das tampas de aço existentes, que se verificam em função do elevado peso das tampas, que podem provocar lesões nos funcionários que executam a operação de carregamento e; (2) Problemas de infiltração, uma vez que essas tampas se deterioram com a corrosão e podem apresentar problemas de vedação permitindo a entrada de água dentro da carga.[004] The existing hatches are currently made entirely of steel and have the following drawbacks: (1) Difficulties in handling the existing steel covers, which occur due to the high weight of the covers, which can cause injuries to employees who perform the loading operation and; (2) Infiltration problems, as these covers deteriorate with corrosion and may have sealing problems allowing water to enter the cargo.

[005] 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 com as linhas férreas.[005] The rail logistics sector has been looking for innovative solutions for years aimed at reducing the weight of the boxes of freight wagons as a whole, not only to reduce their fuel consumption, but also to reduce their O&M costs with the lines railroads.

[006] Portanto, existe uma necessidade não satisfeita de se proporcionar uma tampa feita de um material com maior leveza e resistente à oxidação. Os inventores da presente invenção perceberam que aliando um material polimérico leve, como polipropileno ou ABS, a um design específico da tampa proporciona a solução dos problemas mencionados acima.[006] Therefore, there is an unmet need to provide a cover made of a material with greater lightness and resistance to oxidation. The inventors of the present invention have realized that combining a lightweight polymeric material such as polypropylene or ABS with a specific cap design provides the solution to the above mentioned problems.

[007] O estado da técnica possui algumas soluções voltadas para redução de peso em vagões, detalhadas a seguir:[007] The state of the art has some solutions aimed at reducing weight in wagons, detailed below:

[008] O documento WO 2014/111426 descreve uma composição polimérica em multicamadas útil na produção de artigos ou peças estruturadas, como escotilhas e corpo de vagões. A composição polimérica descrita deve necessariamente conter uma matriz de (met)acrilato. A presente invenção difere desse documento por utilizar uma composição polimérica distinta -polipropileno modificado ao invés de matriz de (met)acrilato - e por compreender um design específico para a peça.[008] WO 2014/111426 describes a multilayer polymeric composition useful in the production of structured articles or parts, such as hatches and car bodies. The polymeric composition described must necessarily contain a matrix of (meth)acrylate. The present invention differs from this document in that it uses a distinct polymeric composition - modified polypropylene instead of (meth)acrylate matrix - and in that it comprises a specific design for the part.

[009] O documento US 2011/057466 descreve um conjunto de painel para ser fixo em uma superfície de um veículo, formado por um painel de espuma de material termoplástico, como por exemplo polipropileno expandido ou polietileno expandido, juntamente com ganchos e/ou loops. A presente invenção difere desse documento por utilizar uma composição polimérica distinta - polipropileno modificado - e por compreender um design específico para a peça.[009] US 2011/057466 describes a panel assembly to be fixed to a vehicle surface, formed by a foam panel of thermoplastic material, such as expanded polypropylene or expanded polyethylene, together with hooks and/or loops . The present invention differs from that document in that it uses a distinct polymeric composition - modified polypropylene - and comprises a specific design for the part.

[0010] O documento WO 2019/164971 descreve um sistema de armazenamento e transporte de baixo peso, feito de fibras tecidas de polipropileno. É dito ainda que esse material pode ser usado em transportes como trens. A presente invenção difere desse documento por utilizar uma composição polimérica distinta - polipropileno modificado com carga mineral -e por compreender um design específico para a peça.[0010] WO 2019/164971 describes a lightweight storage and transport system made of woven polypropylene fibers. It is also said that this material can be used in transports such as trains. The present invention differs from that document in that it uses a distinct polymeric composition - mineral-filled modified polypropylene - and in that it comprises a specific design for the part.

[0011] Portanto, pode-se ver que o estado da técnica não descreve nem sequer sugere escotilhas para as caixas de vagões ferroviários de cargas, feitos de um material leve e combinadas com um design específico, que proporcione a redução de peso das caixas dos vagões ferroviários de carga juntamente com resistência à oxidação.[0011] Therefore, it can be seen that the state of the art does not describe or even suggest hatches for the boxes of rail freight cars, made of a light material and combined with a specific design, which provides the weight reduction of the boxes of the freight rail cars along with oxidation resistance.

Summary of the Invention

[0012] A presente invenção apresenta como vantagens sobre os seus modelos correspondentes e convencionais em aço e/ou ferro fundido, seu peso reduzido (pode ser até 80% mais leve) e são 100% reciclados 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.[0012] The present invention has as advantages over its corresponding and conventional models in steel and/or cast iron, its reduced weight (can be up to 80% lighter) and it is 100% recycled after the end of its estimated useful life. over 15 years, while conventional steel hatches have a lifespan of around 10 years in operations.

[0013] Em um primeiro aspecto, a presente invenção fornece tampas para escotilhas de vagões ferroviários que apresentam peso reduzido e resistência à oxidação.[0013] In a first aspect, the present invention provides covers for rail car hatches that have reduced weight and oxidation resistance.

[0014] É, portanto, um objeto da presente invenção, uma tampa de peso reduzido feita de uma composição que compreende:

a) de 60% a 100% em peso de um material polimérico; e
b) de 0% a 40% em peso de uma carga mineral;

[0014] It is, therefore, an object of the present invention, a lightweight lid made of a composition comprising:

a) from 60% to 100% by weight of a polymeric material; and
b) from 0% to 40% by weight of a mineral filler;

[0015] É um objeto da presente invenção, uma escotilha de peso reduzido compreendendo:

a) uma tampa de peso reduzido; e
b) pelo menos uma dobradiça;

[0015] It is an object of the present invention, a lightweight hatch comprising:

a) a lightweight lid; and
b) at least one hinge;

[0016] É um objeto adicional da presente invenção um método para produção de uma tampa de peso reduzido compreendendo as etapas de:
a) definir o processo de fabricação da tampa. Sendo os principais utilizados: Vacuum Forming e injeção de plástico;
b) definir o molde de acordo com o processo de fabricação e a quantidade a ser produzida;
c) moldar a tampa no molde da etapa do processo definido em a) com uma composição que compreende:

i) de 60% a 100% em peso de um material polimérico; e
ii) de 0% a 40% em peso de uma carga mineral.

[0016] It is a further object of the present invention a method for producing a lightweight lid comprising the steps of:
a) define the cap manufacturing process. The main ones used are: Vacuum Forming and plastic injection;
b) define the mold according to the manufacturing process and the quantity to be produced;
c) molding the lid in the mold of the process step defined in a) with a composition comprising:

i) from 60% to 100% by weight of a polymeric material; and
ii) from 0% to 40% by weight of a mineral filler.

[0017] É um objeto adicional da presente invenção um método para a produção de uma escotilha de peso reduzido compreendendo as etapas de:

a) fornecer uma escotilha de peso reduzido, pelo menos uma dobradiça e
b) dependendo da escotilha, pode-se juntar a tampa de peso reduzido com peças metálicas de reforço.

[0017] It is a further object of the present invention a method for producing a lightweight hatch comprising the steps of:

a) provide a lightweight hatch, at least one hinge and
b) depending on the hatch, the light weight cover can be joined with reinforcing metal parts.

[0018] É um objeto adicional da presente invenção um vagão ferroviário compreendendo escotilhas de peso reduzido.[0018] It is a further object of the present invention a rail car comprising light-weight hatches.

Brief Description of Figures

[0019] A Figura 1 mostra um exemplo de um design da tampa de acordo com a presente invenção.[0019] Figure 1 shows an example of a cover design in accordance with the present invention.

[0020] A Figura 2 mostra a montagem de escotilhas em um vagão.[0020] Figure 2 shows the assembly of hatches in a wagon.

Detailed Description of the Invention

[0021] Os parágrafos a seguir tem o intuito somente 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.[0021] The following paragraphs are intended only to exemplify some of the numerous embodiments of the present invention, and should be understood as non-limiting examples. Alternative embodiments not described, but within the central idea of the invention, should be interpreted as within the scope of the present invention.

[0022] A escotilha da presente invenção compreende dois componentes principais: uma tampa com peso reduzido e pelo menos uma dobradiça.[0022] The hatch of the present invention comprises two main components: a lightweight lid and at least one hinge.

[0023] A dobradiça e o sistema de travamento úteis na presente invenção podem ser escolhidos dentre os comumente utilizados e pertencentes ao estado da técnica.[0023] The hinge and the locking system useful in the present invention can be chosen among those commonly used and belonging to the state of the art.

[0024] Quanto à tampa de peso reduzido, ela é uma combinação de dois principais elementos: uma estrutura polimérica e um design especificamente projetado para suportar as tensões sofridas durante sua operação.[0024] As for the lightweight cover, it is a combination of two main elements: a polymeric structure and a design specifically designed to withstand the stresses suffered during its operation.

[0025] Com relação ao problema de oxidação, a tampa projetada está imune, pois sua composição é resistente a corrosão e degradações comuns em tampas de aço.[0025] Regarding the oxidation problem, the designed cover is immune, as its composition is resistant to corrosion and degradation common in steel covers.

[0026] O material polimérico adequado de acordo com a presente invenção pode ser qualquer material polimérico que proporcione leveza ao mesmo tempo tenha elevada resistência a oxidação. Também, o polímero definido pode ter elevada resistência a degradação por radiação. A quantidade de polímero varia de acordo com as propriedades desejada. Em uma modalidade da presente invenção, a quantidade de polímero varia em uma faixa de 60% a 100% em peso, preferencialmente 80% em peso. Exemplos não limitantes desses polímeros incluem ABS e polipropileno.[0026] The polymeric material suitable according to the present invention can be any polymeric material that provides lightness while having high oxidation resistance. Also, the defined polymer may have high resistance to radiation degradation. The amount of polymer varies according to the desired properties. In one embodiment of the present invention, the amount of polymer ranges from 60% to 100% by weight, preferably 80% by weight. Non-limiting examples of such polymers include ABS and polypropylene.

[0027] Preferencialmente o material é polipropileno. Mas preferencialmente, o material é polipropileno modificado, onde a modificação consiste na adição de carga mineral. A quantidade de carga mineral varia em uma faixa de 0% a 40% em peso, sendo o valor de 20% em peso preferencial. Cargas minerais úteis para uso na presente invenção incluem quaisquer aditivos conhecidamente do estado da técnica, sendo preferencial o uso de talco (filosilicato de magnésio).[0027] Preferably the material is polypropylene. But preferably, the material is modified polypropylene, where the modification consists of the addition of mineral filler. The amount of mineral filler varies in a range from 0% to 40% by weight, with a value of 20% by weight being preferred. Mineral fillers useful for use in the present invention include any additives known to be in the prior art, with the use of talc (magnesium phyllosilicate) being preferred.

[0028] Uma vez definido o material da tampa, deve-se então definir o design da tampa, de modo que essa estrutura mais leve seja capaz de suportar as cargas mecânicas requisitadas para uma escotilha de vagão.[0028] Once the cover material is defined, the cover design must then be defined, so that this lighter structure is able to withstand the mechanical loads required for a wagon hatch.

[0029] O capítulo 4.4.1 da AAR (Association of American Railroads) define as cargas em que o teto do vagão deve suportar. Portanto, como as escotilhas pertencem a este sistema, pode ser utilizado estas cargas como condições de projeto para as escotilhas dos vagões.[0029] Chapter 4.4.1 of the AAR (Association of American Railroads) defines the loads that the roof of the wagon must support. Therefore, as the hatches belong to this system, these loads can be used as design conditions for the car hatches.

[0030] As condições de carga retiradas do capítulo 4.4.1 da ARR para o teto são:

1- Carga distribuída de 15 lbf/ft2 = 718,2 Pa. Foi aplicada em todas as superfícies da tampa e
2- Carga aplicada em um ponto 300 lbf = 1334,5 N. Foi aplicada no centro da tampa onde as cargas geram maior momento fletor, assim, gerando resultados com maiores tensões e maior segurança por ser o pior caso.

[0030] The load conditions taken from chapter 4.4.1 of the ARR for the ceiling are:

1- Distributed load of 15 lbf/ft2 = 718.2 Pa. It was applied to all surfaces of the lid and
2- Load applied at a point 300 lbf = 1334.5 N. It was applied in the center of the cover where the loads generate greater bending moment, thus, generating results with greater tensions and greater safety for being the worst case.

[0031] O capítulo 7.7.2 a AAR (Association of American Railroads) define os tipos de malhas e a qualidade de seus elementos para uma eventual análise em elementos finitos em peças de vagões de carga. Devido a característica geométrica da tampa (geometria próxima a uma chapa) foi estabelecido utilizar elemento de casca para realizar as análises em Elementos Finitos a fim de validar as escotilhas do projeto desta patente.[0031] Chapter 7.7.2 the AAR (Association of American Railroads) defines the types of meshes and the quality of their elements for an eventual analysis in finite elements in freight car parts. Due to the geometric characteristic of the cover (geometry close to a plate) it was established to use a shell element to perform Finite Element analyzes in order to validate the hatches of the project of this patent.

[0032] A escotilha é fabricada pela montagem das peças individuais: tampa de peso reduzido e pelo menos uma dobradiça.[0032] The hatch is manufactured by assembling the individual parts: light weight cover and at least one hinge.

[0033] A presente invenção e inovação tem inúmeros benefícios técnicos, operacionais, econômicos e sócio ambiental, tais como: menor peso de movimentação, baixo valor econômico para reciclagem reduzindo o roubo das escotilhas dos vagões, facilidade de serem reparadas, reduz o consumo de combustíveis por tonelada transportada, redução das emissões de CO2, maior vida útil.[0033] The present invention and innovation has numerous technical, operational, economic and socio-environmental benefits, such as: lower handling weight, low economic value for recycling, reducing the theft of wagon hatches, ease of repair, reduced consumption of fuels per ton transported, reduction of CO2 emissions, longer useful life.

Examples

[0034] A tampa da escotilha resultará em aproximadamente 7 kg de peso, enquanto a escotilha em aço possui peso estimado de 32kg, resultando na redução de 78% de redução de peso das escotilhas.[0034] The hatch cover will result in approximately 7 kg of weight, while the steel hatch has an estimated weight of 32 kg, resulting in a 78% reduction in the weight reduction of the hatches.

Example 1 - Material and its properties

[0035] Foi usado o PP (Polipropileno) modificado como material base da tampa das escotilhas. O polipropileno definido possui alta resistência a radiação UV e é um excelente vedante. Devido a estas propriedades, o PP é bastante utilizado para peças de uso ao tempo, com finalidade de vedação e com solicitação de esforços, tais; como peças plásticas em máquinas agrícolas (tetos, capôs, etc.), proteção de caçambas de camionetes além de outros produtos de máquinas pesadas.[0035] Modified PP (Polypropylene) was used as base material for the hatch cover. Defined polypropylene has high resistance to UV radiation and is an excellent sealant. Due to these properties, PP is widely used for parts that are worn over time, with the purpose of sealing and requesting efforts, such as; such as plastic parts in agricultural machinery (roofs, hoods, etc.), truck bed protection and other heavy machinery products.

[0036] Abaixo seguem as propriedades mecânicas do PP utilizado no projeto, retiradas do catálogo de testes experimentais do material:

1- Módulo de Elasticidade: 6580 MPa;
2- Coeficiente de Poisson: 0,443; e
3- Tensão de Escoamento: 27 MPa.

[0036] Below are the mechanical properties of the PP used in the project, taken from the catalog of experimental tests of the material:

1- Elasticity Module: 6580 MPa;
2- Poisson's coefficient: 0.443; and
3- Flow Stress: 27 MPa.

Example 2 - Hatch Cover and its geometric definitions

[0037] Após escolha do material, a geometria da tampa foi definida com as seguintes premissas:

1- Resistir as cargas do teto segundo norma AAR section c part II design, fabrication, and construction of freight cars, M-1001;
2- Possuir as dimensões principais para encaixar no rasgo do vagão;
3- Possuir ergonomia para o operador puxar a tampa e
4- Possuir a característica de travar a abertura da tampa da direita, desta forma, possibilita a abertura de uma tampa por vez.

[0037] After choosing the material, the cover geometry was defined with the following assumptions:

1- Resist ceiling loads according to AAR section c part II design, manufacture, and construction of freight cars, M-1001;
2- Possess the main dimensions to fit in the wagon slot;
3- Have ergonomics for the operator to pull the cover and
4- Possess the characteristic of locking the opening of the right cover, in this way, it allows the opening of one cover at a time.

[0038] A Figura 1 mostra um exemplo de tampa de acordo com a presente invenção.[0038] Figure 1 shows an example of a lid according to the present invention.

Example 2 - Results Obtained in Finite Element Analysis

[0039] Para análise de tensões foi definido utilizar a máxima tensão, a mínima tensão, critério de falha de Von Mises e deformação. Foi utilizado a tensão de escoamento como a tensão de projeto. O fator de segurança já está embutido vna própria definição de cargas pois, a carga aplicada na tampa é uma carga do teto segundo a AAR, como as tampas não estão totalmente fixadas no teto, não sofrem as cargas do teto, portanto, as cargas da tampa já estão sobre dimensionadas com segurança. A Tabela 1 mostra os principais resultados na tampa:
Tabela 01 - Resultados do MEF

[0039] For stress analysis it was defined to use the maximum stress, the minimum stress, Von Mises failure criterion and deformation. Yield stress was used as the design stress. The safety factor is already built into the definition of loads, since the load applied to the cover is a ceiling load according to the AAR, as the covers are not completely fixed to the ceiling, they do not suffer from ceiling loads, therefore, the loads of the cover are already over sized safely. Table 1 shows the main results on the lid:
Table 01 - MEF Results

Claims

Lightweight cover characterized by having a composition that comprises:

Lid, according to claim 1, characterized in that it comprises 80% by weight of polymeric material and 20% by weight of mineral filler.

Lid, according to claim 1, characterized in that the polymeric material is polypropylene and the mineral filler is talc.

Method for producing a lightweight lid, as defined in claim 1, characterized in that it comprises the steps of:
a) define a cap mold, wherein the mold comprises a specific design comprising a mesh of 18,000 to 21,000 square shell elements, each element comprising at least 4 nodes;
b) molding the lid in the mold of step a) with a composition comprising:

i) from 60% to 100% by weight of a polymeric material; and
ii) from 5% to 40% by weight of a mineral filler.

Method, according to claim 4, characterized in that it comprises 80% by weight of polymeric material and 20% by weight of mineral filler.

Method according to claim 4, characterized in that the polymeric material is polypropylene and the mineral filler is talc.

Method according to claim 4, characterized in that each shell element has 8 nodes.

Low weight hatch characterized by comprising:

a) a lightweight lid as defined in claim 1;
b) at least one hinge; and
c) at least one locking system.

Method for producing a lightweight hatch as defined in claim 8, characterized in that it comprises the steps of:

a) define the lid manufacturing process, the main ones being Vacuum Forming and plastic injection;
b) define the mold according to the manufacturing process and the quantity to be produced;
c) molding the lid in the mold of the process step defined in a);
d) mount the cover with at least one hinge, and if necessary, add metal reinforcements.

Railway wagon characterized in that it comprises a cover as defined in claim 1.

Railway wagon characterized in that it comprises a hatch as defined in claim 4.