BR102022005799B1 - Truque híbrido ferroviário e de levitação magnética - Google Patents

Abstract

TRUQUE HÍBRIDO FERROVIÁRIO E DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA. O truque híbrido desta invenção permite que veículos de levitação magnética, de passageiros e de carga, possam circular com tração própria em vias férreas de qualquer bitola, através da levitadores retráteis (3), que giram para uma posição superior à do do boleto trilho da linha férrea de perfil Vignole (2). O truque é dotado de cilindros hidráulicos, ou pneumáticos ou de dispositivos mecânicos, que elevam o apoio do prato pião, nivelando o veículo com a altura de qualquer plataforma. É dotado de freio de sapatas fenólicas, que na operação de levitação magnética atuam sobre as laterais do boleto do trilho Vignole (2) e na operação ferroviária sobre a roda (3) dotada de flanges. Os levitadores (3) têm solenóides e medidores de distância horizontal e vertical em relação ao trilho magnético (1) de perfil pi. Os truques possuem internamente conjunto de baterias, que alimentam motores rotativos acoplados aos eixos e às rodas (3), cilindros verticais (22) reguladores do entreferro entre os motores lineares (8) e topo do trilho de levitação (1) e cilindros horizontais (24) que ajustam as rodas (3) a qualquer bitola ferroviária.

Description

RELATÓRIO Campo da Invenção

1 . A presente patente de invenção do setor técnico de engenharia ferroviária, tem por objetivo permitir a circulação de trens de levitação eletromagnética (maglev) em uma via metroferroviária existente. Desta forma possibilita aproveitar as construções ferroviárias prontas e dispendiosas, como estações, pontes, túneis etc. por trens de levitação magnética dotadas deste truque especial.. .

Descrição do Estado da Técnica e os Problemas Existentes

2 . Das três tecnologias de levitação magnética aplicada ao transporte: eletromagnética, eletrodinâmica e supercondutora, apenas a primeira encontra-se efetivamente em uso comercial, na China, Coréia do Sul e Japão, operando em alta, média e baixa velocidade, sendo que as duas outras tecnologias ainda se encontram em fase de desenvolvimento. Inexiste trem de levitação eletromagnética capaz de operar em uma via ferroviária comum, exigindo uma via própria e exclusiva, o que encare sua aplicação.

3 . A levitação eletrodinâmica é pesquisada Japão desde 1997, com o protótipo do JR-Maglev (Japan Railway Magnetic Levitation) com uma linha de testes de 42,8 km, em Yamanashi, entre Tóquio e Osaka, onde em abril de 2015 o trem atingiu a velocidade de 603 km/h. Sua conclusão está prevista para depois de 2030. Esta tecnologia exige que o trem disponha de rodas ferroviárias, pois o efeito físico da levitação eletrodinâmica, a partir das leis de Lenz e de Faraday. Para começar a levitar é necessário atingir uma velocidade superior a 120 km/h, não se tratando, portanto, de um sistema de levitação para baixa velocidade e operação urbana. O trem só pode levitar quando entra em uma via própria, com estabilizadores laterais, que fazem uso de eletroímãs na base de super condutores.

4 . A levitação supercondutora, encontra-se em pesquisas no Brasil e na China. No Brasil o Maglev-Cobra opera experimentalmente no Campus da Universidade Federal do Rio de Janeiro, em uma linha de 200m de extensão, implantada sobre uma passarela de pedestres, inaugurada em 2014 a tempo da realização na cidade, pela segunda vez, da 22a Conferência Internacional de Sistemas de Levitação Magnética e de Motores Lineares. Desde então, mais de cinco mil alunos e visitantes da UFRJ experimentaram esta curta viagem. Da mesma forma que a levitação eletromagnética, exige uma via própria;

5 . A PI 0703049-5 A2, depositada em 17/07/2997 e publicada na RPI 2114 em 12/07/2011, tendo como titulares Eduardo Gonçalves David e a Universidade Federal do Rio de Janeiro, preconizou um Kit de adaptação de levitação supercondutora para para ferrovia, que seria inserido entre os trilhos ferroviários. Não tem aplicação na referida patente, que permite que o trem de levitação eletromagnética dotado do truque preconizado utilize uma via férrea comum sem nenhuma adaptação.

6 . A PI 112018009399-8 A8, depositada em 11/01/2016 e publicada em 18/05/2017, trata da soldagem de trilho segmentado para levitação magnética através de metal fundido, não se observando a preocupação de obter vantagens de aplicação de veículos de levitação magnética sobre vias comuns e vice-versa. A tecnologia de trilhos longos soldados é prática comum ferroviária desde a década de 60 do século passado, usando-se geralmente solda aluminotérmica. Portanto, essa patente não tem aplicação alguma à presente solicitação.

7 . A PI 1103525-0 A2, depositada em 06/07/2011 e publicada em 02/06/2015 (RPI 2317), por outro lado, que trata do motor linear linear que aproveita as forças de atração entre os entreferros posicionados no primário curto e secundário longo, contribui para reduzir as forças de levitação. O fato de ser um motor de corrente alternada e não corrente contínua, como o usado nos motores lineares utilizados na levitação eletromagnética de baixa e média velocidade, gera ganho de eficiência importante, independente do fato de ter sido aplicado para protótipo em demonstração na UFRJ de um veículo de levitação supercondutora. É uma patente referente à levitação magnética sem relação alguma com a presente solicitação, que trata de trilhos híbridos ferroviário e de levitação magnética.

8 . Em setembro de 2018, na 24a Semana de Tecnologia Metroferroviária, realizado em São Paulo e promovido pela ANTP-Trilhos (Associação Nacional de Transporte Público) e AEAMESP (Associação de Engenheiros e Arquitetos do Metrô de São Paulo), o trabalho “Maglev Metropolitano - Cidades do Projeto Piloto”, logrou o primeiro prêmio, ao demonstrar as vantagens da levitação eletromagnética na redução dos custos de engenharia civil e não apenas na questão tecnológica da levitação magnética. Justificava o que deveria ser feito, mas não o como fazer, que é objeto da presente solicitação.

9 . Em 2019, uma proposta baseado no conceito do “Infra Upcycling", ou seja, a reciclagem de forma vantajosa de uma infraestrutura, logrou ser classificado entre os 20 finalistas de um concurso internacional com mais de 150 propostas, denominado “Infra Challenge", promovido por um Hub do G20 (Grupo dos 20 países de maior desenvolvimento econômico mundial). Insistia na mesma tese, demonstrando as vantagens da levitação magnética sobre uma via elevada, ocupando o espaço aéreo de uma infraestrutura existente (ferrovia, rodovia, corredor de ônibus, BRT, hidrovia etc.) com problemas operacionais que limitam sua capacidade e aumento de velocidade com segurança. Todavia, todos os trabalhos apresentados defendiam a ideia das oportunidades de uma nova visão da engenharia civil, mas não evidenciava o “como fazer”, como neste pedido de patente.

Apresentação da Solução em Linhas Gerais

10 . Na presente invenção, um truque dotado de quatro ou oito levitadores retráteis é capaz de levitar em um trilho híbrido (comum e de levitação magnética), com dois ou um único trilho de levitação magnética em cada lado da linha, ocasião em que uma roda de perfil ferroviário, dotada de flange, conhecido no jargão técnico como “friso”, está acima do trilho ferroviário do tipo Vignole. Nesta situação o deslocamento do truque é devido à ação de motores lineares que fazem indução na parte superior do trilho de levitação. Pela interrupção da corrente elétrica nos levitadores tal roda passa a apoiar-se sobre o trilho ferroviário, comportando-se o truque como um roda-trilho convencional. Para que o truque híbrido possa ser utilizado em uma via férrea comum, os levitadores giram em ângulo especial, permitindo que a roda ferroviária fique apoiada no trilho Vignole. Nesta situação, motores de tração rotativos, conectados a eixo da roda, permitem a tração do truque, como qualquer outro metroferroviário, sendo este motor alimentado por um banco de baterias inseridos no interior do truque, que é dotado, portanto, de sistema de freio de fricção, complementar ao freio de indução elétrica para as duas situações: levitação magnética e operação metroferroviária.

Apresentação das Figura

11 . A figura 1 é uma vista em perspectiva do Truque Híbrido levitando sobre um trilho híbrido composto por um par de trilho de levitação, com os levitadores em posição vertical e uma roda ferroviária acima do boleto do trilho Vignole.

12 .A figura 2 mostra apenas a parte do elevador formado por cilindros hidráulicos ou pneumáticos que elevam o conjunto base do prato pião e ampara balanço visando nivelar o carro de passageiro com uma plataforma de qualquer altura.

13 .A figura 3 formada por dois desenhos, mostra na parte superior o conjunto de levitadores em posição de trem de levitação magnética e em posição de operação ferroviária, com sistema de freio específico.

14 .A figura 4 apresenta com detalhe o sistema de freio de atrito do truque quando na situação de levitação magnética.

15 .A figura 5 detalha os componentes particulares do levitador, como a fila de ímãs permanentes dispostos na configuração denominada “Halbach” que reduz a corrente elétrica no eletroímã vertical e os eletroímãs horizontais para manter o truque equilibrado.

16 .A figura 6 mostra um contêiner marítimo padrão ISO apoiado sobre o truque híbrido ferroviário e de levitação magnética.

17 .A figura 7 detalha o truque híbrido ferroviário e de levitação magnética na operação de transporte de carga conteinerizada.

18 .A figura 8 mostra o ajuste de bitola ferroviária do truque híbrido e o sistema de proteção dos motores lineares quando na operação do truque em ferrovia convencional.

Descrição Detalhada da Invenção

19 .A figura 1 é uma vista em perspectiva do Truque Híbrido levitando sobre um trilho híbrido composto por um par de trilho de levitação (1) entre os quais encontra-se um trilho ferroviário do tipo Vignole (2), que consiste em um trilho ferroviário do tipo Vignole, entre dois trilhos de levitação. Nesta situação os levitadores (3) estão com o braço em posição vertical, acionados pelo cilindro (4) hidráulico ou pneumático ou dispositivo mecânico com êmbolos distendidos. A roda ferroviária (5) encontra-se acima do boleto do trilho Vignole (2) na mesma distância “gap” da parte superior do levitador em relação à parte inferior do trilho magnético (1), com eixo conectado ao motor rotativo de tração (6) energizado pelo banco de baterias (7). .Na configuração de trilho de levitação duplo, existem quatro motores lineares de tração (8), com a função de “primário” no jargão de engenharia elétrica, formando o "secundário'' os trilhos de levitação magnética, razão pela qual, nesta tecnologia o maglev é conhecido como de “primário curto”, havendo necessidade de coleta de energia elétrica ao longo do trecho. Num trem de alta velocidade inverte-se, o motor “primário” está na linha e toda transmissão de energia é feita por indução. Para baixa e média velocidade a solução mais econômica é de primário curto. O veículo de passageiro ou de carga apoia-se sobre a base de prato pião (10) com “ampara balanço” (9) em uma configuração ferroviária clássica, apoiada sobre dois truques, que permite ótima inscrição em curvas fechadas. Como este truque híbrido é baixo em relação ao truque convencional (praticamente à metade da altura), torna-se necessário um banco de cilindros (11), hidráulicos ou pneumáticos, para elevar o veículo na altura de uma plataforma construída para trens comuns. Nos trens de levitação eletromagnéticos para baixa e média velocidade, de até 240 km/h, com carro de 16 m de comprimento, é comum cinco truques, com quatro levitadores cada, totalizando 20 unidades. Nesta proposta, de dois truques, com oito levitadores cada, soma-se 16 unidades, porém o veículo de passageiro tem aproximadamente 12 metros, mantendo praticamente a mesma configuração em termos de solicitação por metro linear. Porém, com uma grande diferença, pois este par de truque permite utilizar o mesmo princípio para o transporte de carga conteinerizada, aproveitando a característica autoportante dos contêineres marítimos e viabilizando o transporte de carga expressa a mais de 120 km/h na mesma linha do transporte de passageiros. .

20 .A figura 2 mostra apenas a parte do elevador formado por cilindros (11) hidráulicos ou pneumáticos que elevam o conjunto base do prato pião (9) e ampara balanço (10), em posição superior, visando nivelar o carro de passageiro com uma plataforma de qualquer altura, como as com cerca de 1200mm a partir do boleto do trilho usada em trens de subúrbio e metrô e as de 700 mm aproximadamente nas plataformas de trens de longa distância.

21 .A figura 3 formada por dois desenhos, mostra na parte superior o conjunto de levitadores (3) em posição de trem de levitação magnética, sob o trilho de levitação (1), pelo efeito de distensão dos êmbolos do cilindro (4) hidráulico ou pneumático ou dispositivo mecânico e a roda ferroviária (5) em posição elevada em relação ao topo do boleto do trilho Vignole (2). No desenho inferior, os levitadores (3) estão erguidos, pois foram girados em torno de um ponto fixo na estrutura do truque pela ação de recolhimento dos êmbolos do cilindro (4) hidráulico ou pneumático ou dispositivo mecânico. A roda ferroviária (5) neste caso está em contato com o trilho Vignole (2) e o sistema de freio, composto por cilindro hidráulico ou pneumático (12) aciona uma sapata de composição fenólica (13) contra a superfície da roda (bandagem), numa solução clássica ferroviária de conversão de energia cinética em calor gerado pelo atrito.

22 .A figura 4 apresenta com detalhe o sistema de freio de atrito do truque quando na situação de levitação magnética, quando a roda ferroviária (5) está erguida sobre o boleto do trilho Vignole e o cilindro (12) e a sapata fenólica (13) nâo têm função. O sistema de freio por atrito necessita então comprimir pequenas sapatas fenólicas (19) contra a lateral do boleto do trilho Vignole (2), através de cilindros (18) hidráulicos ou pneumáticos ou dispositivos mecânicos horizontais. Este conjunto é erguido quando o truque encontra-se na operação ferroviária através de cilindros hidráulicos ou pneumáticos verticais (17), fixados no braço (16) na estrutura do truque.

23 .A figura 5 detalha os componentes particulares do levitador (3) na posição de trem de levitação magnética pela ação do cilindro hidráulico ou pneumático (4). Na parte superior da lateral do levitador (3), encontra-se uma fila de ímãs permanentes (14), dispostos na configuração denominada “Halbach” que contribui para reduzir a corrente elétrica no eletroímã, que varia em função da distância “gap” da parte superior do levitador (3) à parte inferior do trilho de levitação (1), medido pelo sensor de distância vertical (15), basicamente de ultrassom. É a variação da corrente que mantém o truque levitando. Geralmente, na levitação eletromagnética, Quando o “gap” é maior ou igual a 12mm o computador que controla todo o sistema aumenta a amperagem no eletroímã do levitador (3), forçando este a aproximar-se da parte inferior do trilho de levitação (1), até uma distância de 8mm, quando a corrente elétrica é reduzida e por ação da gravidade o levitador cai. Geralmente este processo realiza-se 10 mil vezes por segundo, mantendo o veículo na média de 10mm mais ou menos 2mm, visualmente fixo e garantindo a estabilidade vertical. Para garantir a estabilidade vertical, no braço do levitador instala-se pequenos eletroímãs (16), acionados em função da distância “gap” entre estes e a lateral do trilho de levitação (1), medido pelo sensor horizontal (17), basicamente ultrasônico. Como tais comandos estão em cada um dos oito levitadores por truque, a precisão e o conforto para o usuário é muito grande, não se percebendo durante a operação qualquer sinal de vibração, algo muito comum no sistema metroferroviário baseado em contato roda e trilho, que funciona como uma agulha de vitrola, transmitindo vibrações de baixa frequência por toda a estrutura. É esta ausência de vibração de baixa frequência, que pode entrar em ressonância com a vibração natural de todo conjunto mecânico, que permite um trem de levitação magnética ser feito de materiais leves, geralmente compósitos, sem a necessidade de aumento de inércia veicular para garantir uma boa aderência roda-trilho e evitar ressonância estrutural.

24 .A figura 6 mostra um contêiner marítimo padrão ISO (18) apoiado sobre o truque híbrido ferroviário e de levitação magnética.

25 .A figura 7 detalha o truque híbrido ferroviário e de levitação magnética, onde os pés do contêiner encaixa-se sobre o braço (19), dotado de um prato pião inferior, que se encaixa na base de prato pião (20) fixa, isto é, sem a necessidade de cilindros hidráulicos ou pneumáticos para regular a altura, como no caso do veículo de passageiro sobre o truque híbrido. Esta configuração simples permite até ampliar a quantidade de baterias (17), dando mobilidade e autonomia ao par de truque transportando contêiner, capaz de ser operado por controle remoto. No caso de formação de um trem, cada truque dispõe de um engate automático padrão ferroviário (21) com vários modelos ofertados no mercado.

26 .A figura 8 mostra a versatilidade da invenção, que permite o ajuste de bitola ferroviária do truque híbrido. É possível, por exemplo, partir de uma estação ferroviária na bitola métrica, levitar na bitola padrão de 1.435mm e finalizar a viagem numa estação ferroviária na bitola de 1.600mm. Na verdade, qualquer dessas dimensões são reguladas pelo cilindro (24) hidráulico ou pneumático ou dispositivo mecânico que movimenta a roda ferroviária (5) através de um eixo sextavado. Para impedir que o motor linear (8) do truque híbrido toque nos trilhos, contratrilhos, jacarés dos aparelhos de mudança de via ou qualquer outro dispositivo na via permanente de qualquer ferrovia, o cilindro (22) hidráulico ou pneumático ou dispositivo mecânico ergue todo conjunto de motores lineares (8), que deslizam através de ranhuras (23) existentes na estrutura do truque.

Claims (5)

1- Truque Híbrido Ferroviário e de Levitação Magnética, caracterizado por possuir quatro ou oito levitadores (3) retráteis, capazes de girar em ângulo que os posicione acima do contato da roda de perfil ferroviária dotada de flange (5) com um trilho de perfil Vignole (2), através da ação de cilindro hidráulico (4), pneumático ou dispositivo mecânico, dotado o referido truque de dois ou quatro motores lineares (8), dois ou quatro motores rotativos (8) conectados às rodas (5), conjunto de baterias (7), dispositivo mecânico (11), capaz de erguer o ponto de apoio (10) do tipo “prato pião” e ajustadores (9) do tipo “ampara balanço de apoio constante” para ajuste de veículo de passageiro ou carga, na altura de uma plataforma, rodas de perfil ferroviário dotadas de flange (5) e freio de sapata fenólica (13) ou a disco, que se apoiam sobre trilho do tipo Vignole quando os levitadores (3) estão recolhidos e freio mecânico que pressiona sapatas fenólicas (19) de encontro às laterais do boleto de um trilho do tipo Vignole (2) durante a operação como de levitação magnética.

2-Truque Híbrido Ferroviário e de Levitação Magnética de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por levitadores (3), eletromagnéticos que se posicionam trilhos de levitação magnética (1) de perfil pi, dotados de sensor de distância vertical (15) até às abas do referido trilho e linhas de ímãs permanentes no arranjo Halbach (14), composto ainda de solenóide (16) acionado em função da distância detectada pelo sensor de distância horizontal (17) até à lateral do trilho de levitação (1).

3-Truque Híbrido Ferroviário e de Levitação Magnética de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um braço horizontal (19) destinado a fixar contêiner marítimo padrão ISO de 20 ou 40 pés, com apoio do tipo “prato pIão” (20) e dotado de engates automático ferroviários (21) nas extremidades do truque.

4-Truque Híbrido Ferroviário e de Levitação Magnética de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela instalação de cilindro vertical (22) hidráulico, pneumático ou componente mecânico, para regular a altura da base dos motores lineares (8) em relação ao topo do trilho de levitação (1) de perfil pi ou (2) de perfil Vignole.

5-Truque Híbrido Ferroviário e de Levitação Magnética de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela instalação de cilindro horizontal (24) hidráulico, pneumático ou componente mecânico, para ajustar a bitola da roda ferroviária (5) ao longo de seu eixo.

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