BR112020021410A2

BR112020021410A2 - Eixo de vagão ferroviário que forma um corpo cilíndrico alongado, e, método para formar um eixo de truque de vagão ferroviário

Info

Publication number: BR112020021410A2
Application number: BR112020021410-8A
Authority: BR
Inventors: Jason Taylor; Kevin Young
Original assignee: Amsted Rail Company, Inc.
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2021-01-19
Also published as: MX2020011068A; US20190322135A1; WO2019203992A1

Abstract

um eixo de vagão ferroviário melhorado tem um corpo alongado cilíndrico geralmente oco. o eixo inclui um munhão próximo a cada extremidade adaptado para receber um rolamento e um protetor de poeira adjacente aos munhões. um assento de roda está adjacente à proteção contra poeira e está adaptado para receber uma roda ferroviária no mesmo. a porção interior central axial do eixo ferroviário é geralmente oca. o eixo ferroviário é composto de um aço com faixa de liga especificada, propriedades mecânicas e dimensões internas e externas especificadas para permitir que o eixo seja formado em uma operação de forjamento e seja utilizado em serviços de vagões ferroviários de carga pesada.

Description

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EIXO DE VAGÃO FERROVIÁRIO QUE FORMA UM CORPO CILÍNDRICO ALONGADO, E, MÉTODO PARA FORMAR UM EIXO DE TRUQUE DE VAGÃO FERROVIÁRIO CAMPO TÉCNICO

[001] Este pedido se refere a eixos para vagões ferroviários. Mais especificamente, este pedido se refere a eixos de vagão ferroviário tendo uma porção interna oca.

FUNDAMENTOS

[002] Vagões ferroviários, e particularmente vagões ferroviários de transporte, usualmente utilizam um truque de vagão de transporte que inclui duas armações laterais que suportam uma travessa de vagão transversal em grupos de mola. Cada armação lateral inclui uma mandíbula de pedestal adaptada para receber uma extremidade do próprio eixo do vagão ferroviário. Um rolamento e um adaptador de rolamento são utilizados entre o eixo e a garra do pedestal. Uma roda ferroviária é montada lateralmente a partir de dentro da área do pedestal da armação lateral na área de assento da roda do eixo. Duas rodas são montadas em cada eixo.

[003] A Association of American Railroads (AAR) define padrões para truques de vagão de serviços de transporte pesado de forma que os mesmos sejam dimensionados e adaptados para serem utilizados com vagões ferroviários de transporte com um carregamento de peso bruto de até

129.727,4 kg (286.000 lb) ou mais. Para essa carga ferroviária bruta, os eixos desempenham uma função importante nos truques para assegurar o desempenho adequado do vagão ferroviário de transporte e capacidade de lidar com o carregamento de transporte desejado. Os eixos em tal serviço, atualmente, são compostos de aço sólido, estruturas alongadas com uma superfície externa geralmente cilíndrica.

[004] Os trilhos e a infraestrutura relacionada para ferrovias limitam a carga ferroviária bruta e a velocidade de um vagão ferroviários e, portanto, a

2 / 25 taxa de massa na qual os produtos são transportados. Para aumentar a taxa de massa na qual os produtos são transportados, o peso de um vagão ferroviário deve ser reduzido ou a velocidade com que o vagão se desloca deve ser aumentada.

SUMÁRIO

[005] Este pedido descreve exemplos de um eixo de vagão ferroviário. Em um exemplo, o eixo forma um corpo cilíndrico alongado. O eixo inclui uma seção central e um par de seções de munhão posicionadas em lados opostos da seção central. O eixo também pode incluir duas seções de assento de roda, cada seção de assento de roda posicionada entre cada uma das seções de munhão e a seção central adjacente à seção central, e duas seções de proteção contra poeira, cada seção de proteção contra poeira posicionada entre uma seção de assento de roda e uma seção de munhão. O eixo é oco ou, pelo menos, compreende uma parte interna oca. Em alguns casos, o eixo é forjado em um tubo sem costura.

[006] Em um exemplo, a seção central tem uma espessura de parede mínima de cerca de 2,76 cm (1,09 polegadas), em que as seções de assento de roda têm uma espessura de parede mínima de cerca de 3,37 cm (1,33 polegadas), as seções de proteção contra poeira têm uma espessura de parede mínima de cerca de 4,72 cm (1,86 polegadas) e as seções do munhão têm uma espessura de parede mínima de cerca de 4,67 cm (1,84 polegadas). A porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 15,24 cm (6 polegadas) em pelo menos um local dentro da seção central, em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 15,24 cm (6 polegadas) em pelo menos uma localização dentro de cada seção de assento de roda, em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 9,65 cm (3,8 polegadas) em pelo menos um local dentro de cada seção de proteção contra poeira, e em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas) em pelo menos um local dentro de cada seção do

3 / 25 jornal. O eixo e/ou o corpo cilíndrico alongado tem uma resistência à tração final mínima de cerca de 937,68 MPa (136 ksi), um limite elástico mínimo de cerca de 661,89 MPa (96 ksi), um alongamento mínimo de cerca de 16%, uma redução mínima de área de cerca de 35%, um tamanho de grão de cerca de 6 a 9 por ASTM E112, e um limite mínimo de resistência de amostra de teste de feixe giratório (Se’) de cerca de 468,84 MPa (68 ksi).

[007] O eixo e/ou o corpo alongado é formado de uma liga que inclui cerca de 0,43 a 0,75% em peso de carbono, cerca de 0,6 a 2,2% em peso de manganês, cerca de 0,0 a 0,045% em peso de fósforo, cerca de 0,01 a 0,03% em peso de enxofre, cerca de 0,15 a 0,7% em peso de silício, cerca de 0,02 a 0,1% em peso de vanádio, cerca de 0,0 a 0,1% em peso de nióbio, cerca de 0,0 a 2 ppm de hidrogênio, cerca de 0,0 a 0,3% em peso de níquel, cerca de 0,0 a 0,2% em peso de cromo, cerca de 0,0 a 0,15% em peso de molibdênio, cerca de 0,0 a 0,25% em peso de cobre e cerca de 0,01 a 0,02% em peso de alumínio, com o restante sendo essencialmente ferro.

[008] Em outro exemplo, a seção central tem uma espessura de parede mínima de cerca de 2,38 cm (0,94 polegadas), em que as seções de assento da roda têm uma espessura de parede mínima de cerca de 3,30 cm (1,30 polegadas), as seções de proteção contra poeira têm uma espessura de parede mínima de cerca de 4,12 cm (1,625) polegadas e as seções de munhão têm uma espessura mínima de parede de cerca de 4,12 cm (1,625) polegadas. A porção interna oca com um diâmetro de pelo menos cerca de 15,24 cm (6 polegadas) em pelo menos um local dentro da seção central, em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 15,24 cm (6 polegadas) em pelo menos uma localização dentro de cada seção de assento de roda, em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 9,65 cm (3,8 polegadas) em pelo menos um local dentro de cada seção de proteção contra poeira, e em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas) em pelo menos um local dentro de cada

4 / 25 seção do jornal. O eixo e/ou o corpo cilíndrico alongado tem uma resistência à tração final mínima de 1.048,00 MPa (152 ksi), um limite elástico mínimo de 910,10 MPa (132 ksi), um alongamento mínimo de 16%, uma redução mínima de área de 42%, um tamanho de grão de cerca de 6 a 9 de acordo com ASTM E112, uma dureza Rockwell C mínima de Rc 30 e um limite mínimo de resistência de amostra de teste de feixe rotativo (Se’) de cerca de 524,00 MPa (76 ksi). O eixo e/ou o corpo alongado são formados a partir de uma liga que inclui cerca de 0,38 a 0,43% em peso de carbono, cerca de 0,75 a 1,0% em peso de manganês, cerca de 0,0 a 0,015% em peso de fósforo, cerca de 0,0 a 0,005% em peso de enxofre, cerca de 0,2 a 0,35% em peso de silício, cerca de 0,02 a 0,03% em peso de vanádio, cerca de 0,1 a 0,25% em peso de níquel, cerca de 0,8 a 1,1% em peso de cromo, cerca de 0,15 a 0,25% em peso molibdênio, cerca de 0,0 a 0,25% em peso de cobre, cerca de 0,0 a 0,002% em peso de chumbo, cerca de 0,0a 0,03% em peso de titânio e cerca de 0,015 a 0,055% em peso de alumínio, e o restante sendo essencialmente ferro.

[009] Em alguns exemplos, a porção interna oca do eixo compreende um furo de munhão, em que o diâmetro nominal do furo de munhão mantém uma seção transversal larga o suficiente para limitar a deflexão de munhão devido ao cisalhamento e flexão para prover um nível aceitável de fadiga devido à corrosão por atrito e produzir um índice de atrito aceitável. A posição de tolerância do furo de munhão do eixo mantém uma espessura da parede de furo roscado suficiente para alcançar a força total de rosqueamento para fixar os alojamentos de rolamento aos munhões de eixo, assim minimizando a probabilidade de os rolamentos se soltarem durante o serviço.

[0010] Este pedido também descreve exemplos de métodos para formar um eixo de truque de vagão ferroviário. Os métodos envolvem forjar um material metálico em um tubo sem costura tendo um corpo cilíndrico alongado com uma porção interna oca. Por exemplo, os métodos podem envolver a formação dos eixos descritos acima, incluindo forjar um material

5 / 25 metálico em um tubo sem costura que inclui a formação de uma seção central, a formação de um par de seções de munhão posicionadas em lados opostos da seção central, formando duas seções de assento de roda, cada seção posicionada em cada extremidade da seção central, e formando duas seções de proteção contra poeira, cada seção de proteção contra poeira posicionada entre uma seção do assento da roda e uma seção de munhão. O eixo formado pode incluir as ligas, as propriedades materiais, e/ou as dimensões físicas descritas em qualquer um dos exemplos acima.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0011] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um truque de vagão ferroviário utilizando um eixo ferroviário de acordo com exemplos descritos neste pedido.

[0012] A Figura 2 é uma vista lateral de um eixo de vagão ferroviário de acordo com exemplos descritos neste pedido.

[0013] A Figura 3 é uma vista em seção transversal lateral parcial detalhada de um eixo de vagão ferroviário de acordo com os exemplos descritos neste pedido.

[0014] A Figura 4 e uma vista lateral de um eixo de vagão ferroviário de acordo com exemplos descritos neste pedido.

[0015] A Figura 5 é uma vista em seção transversal lateral parcial detalhada de um eixo de vagão ferroviário de acordo com os exemplos descritos neste pedido.

[0016] A Figura 6 e uma vista lateral de um eixo de vagão ferroviário de acordo com exemplos descritos neste pedido.

[0017] A Figura 7 é uma vista em seção transversal lateral parcial detalhada de um eixo de vagão ferroviário de acordo com os exemplos descritos neste pedido.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0018] Este pedido descreve exemplos de eixos, em particular, eixos

6 / 25 para truques de vagão ferroviário. Os eixos aqui descritos têm diversas configurações e projetos que reduzem o peso do eixo sem sacrificar a performance, inclusive, a melhorando. Por exemplo, muitas modalidades aqui descritas descrevem configurações de um eixo com um furo ou outras porções internas ocas que reduzem o material e, portanto, o peso do eixo. Os projetos, formas, seleção de materiais e outras configurações únicas dos diversos eixos descritos neste documento possibilitam que um eixo de vagão ferroviário atue de uma maneira tão confiável quanto - ou até melhor que - os eixos existentes, enquanto aprecia uma redução significativa em material e peso.

[0019] A fabricação e a estrutura dos eixos ferroviários descritos utilizam as seguintes abordagens a fim de reduzir o peso de um eixo, mantendo um fator de segurança de fadiga Goodman Modificado aceitável.

[0020] 1. Simplificação do processo de fabricação

[0021] 2. Uso de aços ligados com composições químicas e propriedades mecânicas associadas que geram limites aceitáveis de resistência à fadiga.

[0022] 3. Otimização da estrutura e geometria do eixo para reduzir tensões em áreas críticas do eixo enquanto se mantém a forma, encaixe e função dos eixos padrão da indústria.

[0023] 4. Fabricação de eixos mais fortes por meio da análise de rodados montados sujeitos a cargas de transporte pesadas, incluindo tensões induzidas durante os processos de fabricação de eixo e tensões residuais induzidas durante a montagem do rodado e empregando métodos de fabricação para a abordagem de problemas-chave, incluindo fadiga de rolamento e corrosão por atrito da roda, bem como características de acabamento da superfície interna.

[0024] 5. Identificação de ganhos de performance principalmente na área de aumento da capacidade de carregamento para vagões ferroviários de transporte.

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[0025] O processo de fabricação das estruturas de eixo apresentadas neste documento é simplificado devido ao fato de se iniciar com um tubo sem costura para então forjar os eixos. Além disso, forjar o eixo a partir de um tubo sem costura reduz os resíduos, possibilita uma maior redução de peso e minimiza o custo de fabricação de um eixo em relação a outras práticas padrão, incluindo furar o eixo com um diâmetro interno constante.

[0026] As estruturas de eixo aqui apresentadas podem utilizar qualquer um dos dois graus de aço, Amsted Rail Grau 1 e Amsted Rail Grau 2, cujas composições químicas e propriedades mecânicas seguem listadas nas Tabelas 1 e 2, respectivamente, conforme estabelecido abaixo. As composições químicas de ambos os aços ligados proveem propriedades mecânicas melhoradas, incluindo maiores limites elásticos, tensões finais de tração e uma maior redução de área, enquanto mantém o alongamento mínimo dos aços apresentado no estado da técnica. O aumento da resistência à tração final para esses dois graus de aço resulta em maiores resistências à fadiga.

[0027] Os testes de fadiga de feixe rotativo são conduzidos para determinar quantitativamente o aumento na resistência à fadiga medindo uma variável usada para determinar o fator de segurança de fadiga Goodman Modificado conhecido como limite de resistência do espécime de teste de feixe rotativo (Se'). O limite de resistência do espécime de teste de feixe rotativo (Se’) é usado em conjunto com o fator de modificação de condição de superfície (ka), o fator de modificação de tamanho (kb), o fator de modificação de carga (kc), o fator de modificação de temperatura (kd), o fator de confiabilidade (ke), e múltiplos fatores de efeitos diversos (kfi… kfj) para determinar os limites de resistência à fadiga (Se) em localizações críticas do eixo dadas a geometria e a condição de uso. Portanto, o limite de resistência do espécime de teste de feixe rotativo (Se'), que, quando combinado com certas técnicas de fabricação, tais como martelamento (peening), jato- percussão (shot peening), nitretação, nitretação de gás, nitretação de plasma,

8 / 25 usinagem ou retificação estabelecidas neste documento, proveem melhorias significativas para os limites de resistência à fadiga (Se) em locais críticos do eixo. Os limites de resistência (Se) em locais críticos em eixos de baixo peso aqui apresentados (que incluem tensões associadas à montagem de rodados discutidos abaixo) alcançam fatores de segurança de fadiga Goodman Modificados aceitáveis.

[0028] As estruturas de eixo apresentadas neste documento foram revisadas usando técnicas analíticas avançadas, tais como análise de elementos finitos, FEA. Com a FEA, a geometria do eixo foi otimizada para reduzir tensões em áreas críticas do eixo enquanto se mantém a forma, encaixe e função dos eixos padrão da indústria. Essa otimização reduziu bastante o peso do eixo, resultando em ganhos de performance substanciais.

[0029] A montagem de rodas em eixos de baixo peso induz tensões no eixo que devem ser consideradas ao determinar os limites de resistência exigidos para fabricar eixos de baixo peso aceitáveis. Ademais, foram utilizadas técnicas avançadas de carregamento disponibilizadas em programas FEA que mais precisamente representam o carregamento no serviço de receita. As técnicas avançadas incluem o uso de cargas de rolamento parabólico aplicadas a cada cone do rolamento do eixo e cubo da roda, bem como ajustes de interferência entre os cones do rolamento do eixo e os munhões do eixo e os cubos da roda e os assentos de roda do eixo.

[0030] Os projetos de eixo apresentados neste documento reduzem a fadiga de corrosão por atrito do rolamento a um nível aceitável. Quando um eixo rotativo desvia sob carga, movimentos microscópicos de peças firmemente encaixadas, como os componentes em um rolamento e os componentes de rolamento encaixados por pressão em um eixo, produzem corrosão por atrito, também conhecida como desgaste por atrito, que envolve descoloração, corrosão, e, eventualmente, fadiga da superfície. Com o passar do tempo, a corrosão por atrito reduz as forças de fixação entre o eixo e os

9 / 25 componentes de rolamento encaixados por pressão em um eixo. A corrosão por atrito não pode ser calculada; no entanto, sabe-se que a corrosão por atrito aumenta com o aumento da deflexão do munhão do eixo e redução da dureza do munhão do eixo.

[0031] Os projetos de eixo apresentados neste documento utilizam uma ou ambas das seguintes técnicas para reduzir a fadiga devido à corrosão por atrito do rolamento: (1) limitar a deflexão do munhão devido ao cisalhamento e flexão por meio do controle da posição enquanto o diâmetro do furo é limitado através do munhão, e (2) aumentar a dureza da superfície ou induzir tensões compressivas nas superfícies do eixo entre os componentes de encaixe por pressão.

[0032] O diâmetro e a posição do furo do munhão, incluindo tolerâncias de fabricação, dos projetos de eixo apresentados neste documento limitam os movimentos microscópicos que são conhecidos por causar corrosão por atrito do rolamento, limitando a deflexão do munhão devido ao cisalhamento e flexão e, portanto, ajudam a manter um índice de atrito do rolamento aceitável. A AAR derivou o índice de atrito para eixos sólidos para prover uma correlação simplista entre a deflexão do munhão do eixo e a corrosão por atrito. Consoante AAR M-934, Regulamento 4.3, o índice de atrito é tomado com base na análise da deflexão do eixo devido ao cisalhamento e flexão da borda externa do protetor de poeira do eixo até a extremidade do munhão do eixo. A deflexão de referência é a de um eixo sólido Classe F padrão que tem aproximadamente 16,23 cm (6,39 polegadas) E-04 . O índice de atrito de qualquer eixo pode ser calculado dividindo a deflexão de tal eixo por aquela do eixo Classe F de referência, portanto, o índice de atrito é um número entre 0 e 1. Números menores que 1 indicam menos movimento microscópico do que o eixo de referência da Classe F e, portanto, menos corrosão por atrito, o que diminui a fadiga devido à corrosão por atrito. As análises mostram que a geometria e a estrutura dos projetos de

10 / 25 eixo aqui apresentados mantêm um índice de atrito de aproximadamente 0,57.

[0033] Outro método no qual os projetos de eixo aqui apresentados podem ajudar a diminuir a corrosão por atrito é por meio do aumento da dureza da superfície ou da indução de tensões compressivas nas superfícies do eixo entre os componentes de encaixe por pressão. Amsted Rail Grau 2 mantém uma dureza Rockwell C mínima de 30, que é substancialmente mais dura do que o aço AAR Grau F. Os processos de fabricação, como brunimento, laminação, brunidura à cilindragem e brunimento de baixa plasticidade induzem tensões compressivas nas superfícies do eixo entre os componentes de encaixe por pressão. Esses processos são discutidos em maiores detalhes ao longo desta patente.

[0034] Além disso, a posição de tolerância e o diâmetro nominal de 6,35 cm (2,5”) do furo do munhão do eixo mantém uma seção transversal e espessura de parede do furo roscado suficiente para atingir a resistência total da rosca. Os parafusos prendem os alojamentos dos mancais aos munhões de eixo usando os orifícios roscados na extremidade do eixo; portanto, os projetos apresentados neste documento mantêm a resistência completa do fixador, reduzindo assim a probabilidade de falha da rosca, minimizando a probabilidade de os rolamentos se soltarem durante o serviço.

[0035] A fadiga devido à corrosão por atrito da roda é tratada de maneira semelhante à fadiga devido à corrosão por atrito do rolamento; no entanto, se faz necessária consideração adicional devido ao aumento de interferência do encaixe por pressão necessário para obter pressão de contato suficiente entre o cubo da roda e o assento de roda do eixo. O aumento da interferência entre o diâmetro externo do assento de roda do eixo e o diâmetro do furo da roda induz tensões compressivas residuais nas superfícies externas do assento da roda do eixo e tensões de tração nas superfícies internas diretamente abaixo do assento da roda do eixo. As tensões de tração induzidas nas superfícies internas diretamente abaixo do assento de roda do eixo e áreas

11 / 25 adjacentes são substanciais e devem ser levadas em consideração ao avaliar as características da superfície interna e seus efeitos no limite de resistência à fadiga dos eixos.

[0036] Processos de fabricação, como martelamento (peening) (exemplos incluem, mas não estão limitados a jato-percussão (shot peening) ou martelamento a laser (laser peening)), brunimento (exemplos incluem, mas não estão limitados a brunidura à cilindragem ou brunimento de baixa plasticidade), ou qualquer outro processo que crie tensões compressivas residuais pode ser usado para neutralizar as tensões de tração residuais nas superfícies internas dos eixos ocos. As tensões compressivas residuais auxiliam a neutralizar a formação e propagação de fissuras nas superfícies internas e externas e ao longo das mesmas. Esses processos podem ser executados antes ou depois da montagem do rodado no eixo. Outros processos de fabricação, como nitretação a gás, usinagem, retificação, acabamento final e limpeza à escova de arame podem ser utilizados para neutralizar características indesejáveis da superfície interna e externa.

[0037] A influência das considerações de projeto acima mencionadas na resistência dos rodados foi atestada usando análises de fadiga de feixe rotativo em conjunto com a abordagem de Goodman Modificado como o critério de falha. Em particular, tensões alternadas totalmente reversíveis e tensões de faixa média obtidas a partir de FEAs foram utilizadas na abordagem Goodman Modificado para determinar a resistência à tração final e o limite de resistência necessários para produzir um eixo de baixo peso com resistência adequada enquanto mantém a forma, ajuste e função necessários dos eixos padrão.

[0038] Os projetos de eixo aqui apresentados apresentam reduções de peso que variam de cerca de 34% a cerca de 44% para Amsted Rail Grau 1 e Amsted Rail Grau 2, respectivamente, de eixos sólidos de serviço equivalente efetivamente reduzindo o peso dos eixos, de cerca de 509,83 kg (1124 libras)

12 / 25 para cerca de 336,56 kg (742 libras) ou cerca de 285,30 kg (629 libras) para Amsted Rail Grau 1 e Amsted Rail Grau 2, respectivamente, dependendo da configuração final do eixo. A redução máxima na massa do eixo permite que quase uma tonelada de carga adicional seja transportada em cada vagão para cada viagem de vagão carregado. A redução no peso do eixo equivale a cerca de 7.6203,52 kg (168.000 libras) a cerca de 98.883,14 kg (218.000 libras) por trem de 110 unidades de vagão para Amsted Rail Grau 1 e Amsted Rail Grau 2, respectivamente. A diminuição do peso do eixo também aumenta a economia de combustível da locomotiva durante as condições de vagão vazio. Além disso, manter a forma, o encaixe e a função permite a intercambialidade dos eixos da estrutura aqui descrita com os eixos existentes, bem como o uso de rodas, rolamentos, prensas de rodado padrão da indústria etc., negando a necessidade de despesas adicionais para usar os projetos de eixo apresentados neste documento.

[0039] As duas classes de aços ligados propostas para os projetos de eixo aqui apresentados têm composições químicas e propriedades mecânicas conforme mostrado na Tabela 1 e Tabela 2, respectivamente. Consequentemente, o fator de segurança de fadiga Goodman Modificado de eixos de baixo peso de acordo com as estruturas descritas, incluindo tensões induzidas durante a montagem do rodado, são aceitáveis para o serviço de vagão ferroviário de transporte de carga pesada. Composição Química Elemento Amsted Rail – Grau 1 Amsted Rail – Grau 2 Min (%) Max (%) Min (%) Max (%) Carbono 0,43 0,75 0,38 0,43 Manganês 0,6 2,2 0,75 1 Fósforo --- 0,045 --- 0,015 Enxofre 0,01 0,03 --- 0,005 Silício 0,15 0,7 0,2 0,35 Vanádio 0,02 0,1 0,02 0,03 Nióbio --- 0,1 --- --- Hidrogênio --- 2ppm --- --- Níquel --- 0,3 0,1 0,25 Crômio --- 0,2 0,8 1,1 Molibdênio --- 0,15 0,15 0,25 Cobre --- 0,25 --- 0,25 Chumbo --- --- --- 0,002

13 / 25 Titânio --- --- --- 0,03 Alumínio 0,01 0,02 0,015 0,055 Tabela 1: Composição Química para Eixos de Baixo Peso Propriedades Mecânicas Amsted Rail – Grau 1 Amsted Rail – Grau 2 Min - máx. Min Resistência máxima à tração (ksi) 136 152 Limite Elástico (ksi) 96 132 Alongamento (%) 16 16 Redução de área (%) 35 42 Tamanho do Grão (ASTM E112) 6-9 6-9 Dureza Rockwell C (Rc) --- 30 Limite de resistência de amostra de 68 76 teste de feixe giratório Se '(ksi) 1 ksi = 6,89476 Mpa Tabela 2: Propriedades Mecânicas para Eixos de Baixo Peso

[0040] Um exemplo de um eixo de vagão ferroviário melhorado que pode ser utilizado em truques de vagão ferroviário aprovados pela AAR para serviço com vagões ferroviários de transporte projetados para serviços de vagão de transporte de até cerca de 129.727,4 kg (286.000 lbs.) ou mais de peso bruto. O eixo do vagão ferroviário é uma estrutura de tubo oco sem costura alongada, geralmente cilíndrica, composta por ligas selecionadas. Esse tubo sem costura é tipicamente formado na forma próxima ao acabado (near net shape) em uma operação de forjamento e, em seguida, usinado para as dimensões externas desejadas finais. As dimensões internas selecionadas do tubo finalizado para formar o eixo são um resultado das dimensões iniciais do tubo sem costura antes da operação de forjamento e, em seguida, um resultado da operação de forjamento real para assegurar que o eixo acabado atenda à resistência desejada e outras especificações relacionadas ao desempenho .

[0041] Em alguns exemplos, o eixo do vagão inclui um primeiro munhão próximo a uma primeira extremidade do eixo. O munhão é geralmente cilíndrico e é utilizado para montar um primeiro conjunto de mancal no mesmo. Um segundo munhão é provido na outra extremidade do eixo de vagão ferroviário e é projetado para a montagem de um segundo conjunto de rolamento no mesmo.

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[0042] Um primeiro assento da proteção contra poeira é adjacente ao primeiro munhão no eixo do vagão. O primeiro assento da proteção contra poeira tem uma configuração geralmente cilíndrica e um diâmetro geralmente maior do que o primeiro munhão. Uma segunda proteção contra poeira é provida adjacente ao segundo munhão com dimensões e propriedades semelhantes ao primeiro assento da proteção contra poeira.

[0043] Um primeiro assento de roda é provido adjacente ao primeiro assento da proteção contra poeira. O primeiro assento de roda também é geralmente cilíndrico em estrutura e tem um diâmetro maior do que a primeira proteção contra poeira. Um segundo assento de roda é provido adjacente ao segundo assento da proteção contra poeira e também é de uma estrutura geralmente cilíndrica de um diâmetro maior do que o segundo assento da proteção contra poeira.

[0044] A porção do eixo que se estende entre o primeiro assento de roda e o segundo assento de roda é geralmente cilíndrica e tem um diâmetro selecionado no ponto médio para prover as características de performance de transporte de carga pesada.

[0045] O presente pedido descreve projetos de eixo projetados para reduzir o peso de um eixo, assim aumentando a taxa de massa na qual os produtos podem ser transportados sem a necessidade de aumentar a velocidade do vagão. Reduzir o peso de um eixo ferroviário continua sendo um objetivo de forma a possibilitar o aumento da possibilidade de carga de um vagão ferroviário de transporte sem aumentar o peso bruto do vagão ferroviário de transporte. No entanto, eixos de baixo peso experimentaram falha por fadiga no serviço de receita em um momento em que a falha por fadiga não era amplamente compreendida. Tais falhas por fadiga foram estudadas, resultando no conhecimento histórico que inclui uma maior compreensão das causas da falha por fadiga, bem como métodos para analisar e melhorar a resistência à fadiga dos materiais e, portanto, os limites de

15 / 25 resistência dos eixos. Os projetos de eixo melhorados apresentados neste documento têm base em técnicas analíticas avançadas usadas para examinar as tensões residuais induzidas em eixos de baixo peso durante a montagem da roda, além de condições de carregamento realistas experimentadas no serviço de vagão de transporte ferroviário de receita para determinar o limite de resistência necessário para fabricar um eixo de baixo peso que atenda aos requisitos do serviço de vagão de transporte de carga pesada. Além disso, os processos de fabricação propostos ajudam a alcançar os limites de resistência necessários para uma vida de fadiga aceitável dos eixos de vagões ferroviários de transporte usados em serviços de transporte de carga pesada.

[0046] Referindo-se agora às Figuras, a Figura 1 mostra um típico truque de vagão ferroviário de transporte 20. Pode-se observar que o truque de vagão de transporte 20 é compreendido por duas armações espaçadas lateralmente 43 e 44. Cada armação lateral é uma estrutura de aço fundido unitária. A travessa 38 se estende lateralmente e transversa às armações laterais 43 e 44 e é suportada nas mesmas nas aberturas de travessa 50 nos grupos de mola 40. A travessa 38 é, também, uma estrutura de aço fundido unitária. A estrutura superior da travessa 38 inclui suportes de rolamento laterais 60 que são espaçados lateralmente e uma estrutura de placa central 28. O vagão de transporte em si seria suportado em mancais laterais (não mostrados) em suportes de mancal laterais 60 e uma placa central 42 no centro da estrutura de placa central 28.

[0047] Eixos 36 se estendem lateralmente entre os pedestais de armação lateral 54 localizados em qualquer uma das extremidades da armação lateral 44. As extremidades dos eixos 36 são vistos estendendo-se para os mancais 62 com adaptadores de mancal 56 que são recebidos nas aberturas da mandíbula do pedestal formadas pela extremidade do pedestal 54 da armação lateral 44. As rodas 37 são encaixadas por pressão na porção de assento da roda dos eixos 36 e são lateralmente afastadas umas das outras por uma

16 / 25 distância que corresponde ao espaçamento do calibre dos trilhos ferroviários. As rodas são geralmente estruturas fundidas unitárias ou de aço forjado.

[0048] As Figuras 2 a 7 representam exemplos de eixos que são configurados para trabalhar em conexão com o truque de vagão de transporte 20 da Figura 1. Ou seja, os eixos representados têm as mesmas dimensões externas de modo a manter a forma, o encaixe e a função dos eixos ferroviários padrão. No entanto, como será apreciado, os eixos representados oferecem melhorias significativas em relação aos eixos existentes, por exemplo, na forma de redução de peso e material.

[0049] As Figuras 2 e 3 mostram um exemplo de tal eixo de vagão 80 e uma ampliação da seção de munhão 88, respectivamente, em detalhes. O eixo do vagão ferroviário 80 é visto compreendendo uma estrutura alongada geralmente cilíndrica. Embora as Figuras não representem dimensões ou tolerâncias, deve ser apreciado que o eixo mostrado na Figura 2 pode ter um comprimento de cerca de 221,37 cm (87,156 polegadas) +/- 0,15 cm (0,062 polegadas) e ser composto de um aço carbono que é forjado para a forma próxima ao acabado e então a superfície externa é usinada para a forma final.

[0050] O eixo 80 do vagão ferroviário é visto como compreendendo munhões de rolamento 88 em cada extremidade. Os munhões 88 podem ser de diâmetro reduzido, por exemplo, de cerca de 15,7238 cm (6,1905 polegadas) a cerca de 15,7264 cm (6,1915 polegadas) para que um rolamento de eixo seja aceito nos mesmos. O rolamento do eixo é geralmente mantido por três parafusos que se estendem para as aberturas 89 nas extremidades do eixo de vagão ferroviário 80.

[0051] Lateralmente para dentro do munhão 88 do eixo de vagão ferroviário 80 está o assento da proteção contra poeira 86. O assento da proteção contra poeira 86 pode ter um diâmetro de cerca de 19,126 cm (7,530 polegadas) a cerca de 19,131 cm (7,532 polegadas), que é ligeiramente maior do que o do munhão 88 e se estende do munhão 88 por uma estrutura de raio

17 / 25 no eixo do vagão ferroviário 80.

[0052] Mais para dentro do assento da proteção contra poeira 86 está o assento de roda 84. O assento de roda 84 pode ter um diâmetro, por exemplo, de cerca de 22,186 cm (8,735 polegadas) a cerca de 22,580 cm (8,890 polegadas), que é maior do que o assento da proteção contra poeira 86 e se estende a partir do assento da proteção contra poeira 86 por uma estrutura de raio.

[0053] A porção central 82 do eixo do vagão ferroviário 80 pode variar em diâmetro dependendo do material usado para formar a porção central 82. Por exemplo, a porção central 82 pode ter um diâmetro de cerca de 20,98 cm (8,26 polegadas) ou mais quando a porção central é feita de aço Amsted Rail Grau 1, conforme representado nas Tabelas 1 e 2. Alternativamente, a porção central pode ter um diâmetro de cerca de 20,19 cm (7,95 polegadas) ou mais quando feita de Amsted Rail Grau 2, conforme representado nas Tabelas 1 e 2. Ambos os diâmetros são reduzidos do diâmetro do assento de roda 84. O diâmetro da abertura interna da porção central pode ser de cerca de 15,24 cm (6 polegadas) +/- 0,1587 cm (0,0625 polegadas) para ambas as classes de material, produzindo espessuras de cerca de 2,76 cm (1,09 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 1 e cerca de 2,38 cm (0,94 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau

2.

[0054] O diâmetro externo do assento da roda 84 pode ser de cerca de 22,186 cm (8,735 polegadas) a cerca de 22,580 cm (8,890 polegadas), com um diâmetro de abertura interna de cerca de 15,24 cm (6 polegadas) +/- 0,1587 cm (0,0625 polegadas). A espessura da porção de assento da roda 84 pode ser de cerca de 3,378 cm (1,33 polegadas) ou mais quando feita de Amsted Rail Grau 1 e cerca de 1,30 polegadas ou mais quando feita de Amsted Rail Grau 2. O comprimento de cada assento de roda pode ser de cerca de 19,367 cm (7,625 polegadas).

18 / 25

[0055] O diâmetro externo da porção de assento da proteção contra poeira 86 pode ser de cerca de 19,126 cm (7,530 polegadas) a cerca de 19,131 cm (7,532 polegadas), com um diâmetro de abertura interno de cerca de 9,652 cm (3,8 polegadas) ou menos quando feito de Amsted Rail Grau 1 e cerca de 10,871 cm (4,28 polegadas) ou menos quando feito de Amsted Rail Grau 2. Essas aberturas produzem espessuras de parede de cerca de 4,724 cm (1,86 polegadas) ou mais e cerca de 4,127 cm (1,625 polegadas) ou mais para Amsted Rail Grau 1 e Amsted Rail Grau 2; respectivamente. O comprimento de cada assento da proteção contra poeira 86 pode ser de cerca de 8,636 cm (3,40 polegadas).

[0056] O diâmetro externo da porção de munhão 88 pode ser de cerca de 15,723 cm (6,1905 polegadas) a cerca de 15,726 cm (6,1915) polegadas, com um diâmetro de abertura interna de cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas). A espessura da parede do munhão 88 é de cerca de 4,673 cm (1,84 polegada) ou mais quando fabricado a partir de Amsted Rail Grau 1 ou cerca de 4,127 cm (1,625 polegadas) ou mais quando fabricado a partir de Amsted Rail Grau 2; entretanto, para ambos os materiais, o furo predominante através do munhão tem um diâmetro nominal de cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas). O comprimento de cada munhão 88, incluindo o raio que leva ao assento da proteção contra poeira, é de cerca de 22,684 cm (8,931 polegadas).

[0057] Com referência agora às Figuras 4 e 5, outro exemplo de um eixo de vagão ferroviário 180 e uma porção de munhão 188, respectivamente, é mostrado em detalhes. Observa-se que o eixo 180 do vagão ferroviário compreende uma estrutura alongada geralmente cilíndrica e pode ter um comprimento de cerca de 221,376 cm (87,156 polegadas) +/- 0,157 cm (0,062 polegadas). O eixo 180 pode ser compreendido por um aço carbono que seja forjado à forma próxima ao acabado e então a superfície externa é usinada para a forma final.

[0058] O eixo 180 do vagão ferroviário é visto como compreendendo

19 / 25 munhões de rolamento 188 em cada extremidade. Os munhões 188 podem ter um diâmetro reduzido de cerca de 15,7238 cm (6,1905 polegadas) a cerca de 15,7264 cm (6,1915 polegadas) para aceitar um rolamento de eixo nos mesmos. Um rolamento do eixo pode ser mantido por três parafusos que se estendem para as aberturas 189 nas extremidades do eixo de vagão ferroviário

180.

[0059] Lateralmente para dentro do munhão 188 do eixo de vagão ferroviário 180 está o assento da proteção contra poeira 186. No exemplo ilustrado, o assento da proteção contra poeira 186 pode ter um diâmetro de cerca de 19,126 cm (7,530 polegadas) a cerca de 19,131 cm (7,532 polegadas), que é ligeiramente maior do que o do munhão 188 e se estende do munhão 188 por uma estrutura de raio no eixo do vagão ferroviário 180.

[0060] Mais para dentro do assento da proteção contra poeira 186 está o assento de roda 184. O assento de roda 184 pode ter um diâmetro de cerca de 22,186 cm (8,735 polegadas) a cerca de 22,580 cm (8,890 polegadas), que é maior do que o assento da proteção contra poeira 186 e se estende do assento da proteção contra poeira 186 por uma estrutura de raio.

[0061] Em algumas modalidades, por exemplo, onde o eixo é formado de material Amsted Rail Grau 1, a porção central 182 do eixo do vagão 180 pode ter um diâmetro de cerca de 20,980 cm (8,26 polegadas) ou mais. Em outras modalidades, por exemplo, onde o eixo é formado de material Amsted Rail Grau 2, a porção central 182 pode ter um diâmetro de cerca de 20,193 cm (7,95 polegadas) ou mais. Em qualquer caso, a porção central 182 tem um diâmetro que é reduzido do assento da roda 184.

[0062] O diâmetro da abertura interna de cerca de 15,24 cm (6 polegadas) +/- 0,1587 cm (0,0625 polegadas) é padrão para ambas as classes de material, rendendo espessuras de cerca de 2,768 cm (1,09 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 1 e cerca de 2,387 cm (0,94 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 2.

20 / 25

[0063] O diâmetro externo do assento da roda 184 é de 22,186 cm (8,735 polegadas) a 22,580 cm (8,890 polegadas), com um diâmetro de abertura interna de cerca de 15,24 cm (6 polegadas) +/- 0,1587 cm (0,0625 polegadas) e espessura de parede de cerca de 3,378 cm (1,33 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 1 e cerca de 3,302 cm (1,30 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 2. O comprimento de cada assento de roda é de cerca de 19,367 cm (7,625 polegadas).

[0064] O diâmetro externo da porção de assento da proteção contra poeira 186 pode ser de cerca de 19,126 cm (7,530 polegadas) a cerca de 19,131 cm (7,532 polegadas), com um diâmetro de abertura interno de cerca de 9,652 cm (3,8 polegadas) ou menos quando feito de Amsted Rail Grau 1 e cerca de 10,871 cm (4,28 polegadas) ou menos quando feito de Amsted Rail Grau 2, resultando em espessuras de parede de cerca de 4,724 cm (1,86 polegadas) ou mais e cerca de 4,127 cm (1,625 polegadas) ou mais, respectivamente. O comprimento de cada assento da proteção contra poeira 186 é de cerca de 8,636 cm (3,40 polegadas).

[0065] O diâmetro externo do munhão 188 pode ser de cerca de 15,7238 cm (6,1905 polegadas) a 15,7264 cm (6,1915 polegadas), com um diâmetro de abertura interno de cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas). As espessuras de parede do munhão 188 são de cerca de 4,673 cm (1,84 polegada) ou mais quando fabricado a partir de Amsted Rail Grau 1 e cerca de 4,1275 cm (1,625 polegadas) ou mais quando fabricado a partir de Amsted Rail Grau 2; entretanto, para ambos os materiais, o furo predominante através do munhão terá um diâmetro nominal de 6,35 cm (2,5 polegadas). O comprimento de cada munhão 188, incluindo o raio que leva à proteção contra poeira, é de cerca de 22,684 cm (8,931 polegadas).

[0066] Com referência agora às Figuras 6 e 7, outro exemplo de um eixo de vagão ferroviário 280 e uma porção de munhão 288, respectivamente, é mostrado em detalhes. O eixo do vagão ferroviário 280 compreende uma

21 / 25 estrutura alongada geralmente cilíndrica com um comprimento de cerca de 221,37 cm (87,156 polegadas) +/- 0,15 cm (0,062 polegadas) e pode ser formado de um aço carbono que seja forjado à forma próxima ao acabado e, então, a superfície externa é usinada para a forma final.

[0067] O eixo do vagão ferroviário 280 compreende munhões de rolamento 288 em qualquer uma das extremidades. É observado que os munhões 288 têm um diâmetro reduzido de 15,7238 cm (6,1905 polegadas) a 15,7264 cm (6,1915 polegadas) para aceitar um rolamento de eixo nos mesmos. Um rolamento do eixo pode ser mantido por três parafusos que se estendem para as aberturas 289 nas extremidades do eixo de vagão ferroviário

280.

[0068] Lateralmente para dentro do munhão 288 do eixo de vagão ferroviário 280 está o assento da proteção contra poeira 286. O assento da proteção contra poeira 286 pode ter um diâmetro de cerca de 19,126 cm (7,530 polegadas) a cerca de 19,131 cm (7,532 polegadas), que é ligeiramente maior do que o do munhão 288 e se estende do munhão 288 por uma estrutura de raio no eixo do vagão ferroviário 280.

[0069] Mais para dentro do assento da proteção contra poeira 286 está o assento de roda 284. O assento de roda 284 pode ter um diâmetro de cerca de 22,186 cm (8,735 polegadas) a cerca de 22,580 cm (8,890 polegadas) que é maior do que o assento da proteção contra poeira 286 e se estende do assento da proteção contra poeira 286 por uma estrutura de raio. A seção central 282 do eixo do vagão ferroviário 280 pode ter um diâmetro de cerca de 20,9804 cm (8,26 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 1 e cerca de 20,193 cm (7,95 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 2. Em qualquer uma dessas situações, o diâmetro da seção central 282 é reduzido daquele do assento de roda 284.

[0070] O diâmetro externo do eixo do vagão ferroviário 280 na seção central 282 é cerca de 20,9804 cm (8,26 polegadas) ou mais quando feito de

22 / 25 Amsted Rail Grau 1 e cerca de 20,193 cm (7,95 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 2. O diâmetro da abertura interna de cerca de 15,24 cm (6 polegadas) +/- 0,1587 cm (0,0625 polegadas) é padrão para ambas as classes de material, rendendo espessuras de cerca de 2,768 cm (1,09 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 1 e cerca de 2,387 cm (0,94 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 2.

[0071] O diâmetro externo do assento da roda 284 pode ser de cerca de 22,186 cm (8,735 polegadas) a cerca de 22,580 cm (8,890 polegadas), com um diâmetro de abertura interna de cerca de 15,24 cm (6 polegadas) +/- 0,1587 cm (0,0625 polegadas) e espessura de cerca de 3,378 cm (1,33 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 1 e cerca de 3,302 cm (1,30 polegadas) ou mais quando feito de Amsted Rail Grau 2. O comprimento de cada assento de roda pode ser de cerca de 19,367 cm (7,625 polegadas).

[0072] O diâmetro externo da porção de assento da proteção contra poeira 286 pode ser de cerca de 19,126 cm (7,530 polegadas) a cerca de 19,131 cm (7,532 polegadas), com um diâmetro de abertura interno de cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas) quando feito de material Amsted Rail Grau 1 ou cerca de 10,871 cm (4,28 polegadas) ou menos quando feito de material Amsted Rail Grau 2, resultando em espessuras de parede de cerca de 6,400 cm (2,52 polegadas) ou mais e cerca de 4,127 cm (1,625 polegadas) ou mais, respectivamente. O comprimento de cada assento da proteção contra poeira 286 pode ser de cerca de 8,636 cm (3,40 polegadas).

[0073] O diâmetro externo do munhão 288 pode ser de cerca de 15,7238 cm (6,1905 polegadas) a 15,7264 cm (6,1915 polegadas), com um diâmetro de abertura interno de cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas). As espessuras de parede do munhão 288 são de cerca de 4,673 cm (1,84 polegada) quando fabricado a partir de material Amsted Rail Grau 1 e cerca de 4,127 cm (1,625 polegadas) ou mais quando fabricado a partir de material

23 / 25 Amsted Rail Grau 2. No entanto, em qualquer um dos casos, o furo prevalecente através do munhão terá um diâmetro nominal de cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas). O comprimento de cada munhão 288 pode ser de cerca de 22,684 cm (8,931 polegadas).

[0074] As dimensões mencionadas acima são dimensões preferidas para um eixo de vagão ferroviário de acordo com certas modalidades que prestariam serviços nas assim chamadas condições de carga pesada, que normalmente compreenderiam um peso bruto de vagão ferroviário de transporte de até 129.727,4 kg (286.000 lbs.) ou mais. Deve ser compreendido que, ao descrever os exemplos dos eixos de vagão ferroviário acima, cada um desses eixos em operação incluiria ou operaria em conexão com dois assentos de roda afastados lateralmente 84, dois assentos da proteção contra poeira lateralmente afastados 86 e dois mancais espaçados lateralmente 88

[0075] Na fabricação dos eixos de vagão ferroviário de transporte descritos, é selecionado um tubo cilíndrico oco da composição de liga da Tabela 1: Composição Química para Eixos de Baixo Peso ou da Tabela 2: Propriedades Mecânicas para Eixos de Baixo Peso. Tal tubo tipicamente tem um comprimento de cerca de 2,03 m (80 polegadas) a cerca de 2,41 m (95 polegadas) e uma espessura de cerca de 3,81 cm (1,5 polegadas) a cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas). O tubo é aquecido até cerca de 1.148,88°C (2100°F) como parte de uma operação de forja, e então é de fato submetido à operação de forja. Na operação de forjamento, é realizado contato com a superfície externa do tubo por martelos de forjamento que reduzem o diâmetro de determinadas seções do tubo e formam o tubo à uma forma próxima ao acabado em que o tubo agora tem uma porção de eixo central, com cada extremidade tendo uma seção de assento de roda, uma seção de assento de proteção contra poeira e uma seção de munhão.

[0076] O eixo em forma próxima ao acabado é sujeito a um processo de tratamento térmico em que o mesmo é normalizado, temperado e revenido

24 / 25 nas temperaturas e tempos apropriados para produzir as propriedades mecânicas mostradas na Tabela 2. Durante o processo de tratamento térmico, o eixo pode, ou não, ser submetido a um processo de nitretação tal como, sem caráter limitativo, nitretação a gás ou nitretação a plasma para aumentar adicionalmente a resistência à fadiga e, portanto, os limites de resistência do eixo.

[0077] O eixo em forma próxima ao acabado é cortado em comprimento, as extremidades do eixo são finalizadas e o munhão do eixo é furado. As superfícies internas do eixo estão sujeitas a processos de fabricação que produzem tensões compressivas residuais nas superfícies, endurecem as superfícies ou alisam as superfícies para aumentar a resistência à fadiga e, portanto, o limite de resistência do eixo. Esses processos de fabricação podem incluir usinagem, polimento, martelamento (peening), jato- percussão (shot peening), martelamento a laser (laser peening), brunimento, brunimento de baixa plasticidade, laminação, brunimento, brunidura à cilindragem, acabamento final, retificação, limpeza à escova de arame ou outros processos para aumentar a resistência à fadiga e, portanto, a resistência limite do eixo.

[0078] A superfície externa do tubo é então usinada para prover os diâmetros externos finais da seção central do eixo, seção de assento da roda, seção de assento da proteção contra poeira e seção de munhão. As superfícies do eixo finalizadas podem ser submetidas a brunimento, brunimento de baixa plasticidade, laminação, brunimento, brunidura à cilindragem, laminação ou outros processos que endureçam, produzam tensões compressivas residuais ou melhorem a resistência à fadiga e, assim, o limite de resistência do eixo. Podem ser realizados testes não destrutivos no eixo finalizado, tais como, mas não se limitando a, ultrassom ou testes ultrassônicos, tanto das superfícies internas quanto externas do eixo para identificar espessuras de parede, rachaduras transversais, rachaduras longitudinais, descontinuidades ou outros

25 / 25 defeitos que impactem os limites de resistência à fadiga. A superfície interna do eixo oco pode ser usinada ou não, com a seleção inicial do tubo com comprimento e diâmetro especificados e o projeto e controle da operação de forjamento resultará no eixo final ter as espessuras especificadas na seção central, na seção de assento da roda, na seção de assento da proteção contra poeira e na seção de munhão.

[0079] Este pedido descreve exemplos para fins de ilustração, e não de limitação. Os diversos exemplos descritos podem ser modificados e/ou combinados uns com os outros sem se afastar do escopo descrito neste documento. Além disso, as características de uma modalidade ou exemplo podem ser combinadas com características de outras modalidades ou exemplos para prover outras modalidades ou exemplos adicionais conforme apropriado. Todas as referências que este pedido cita, discute, identifica ou se refere são incorporadas neste documento por referência em sua totalidade.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Eixo de vagão ferroviário que forma um corpo cilíndrico alongado, o eixo caracterizado pelo fato de que compreende: - uma seção central; e - um par de seções de munhão posicionadas em lados opostos da seção central; em que o corpo cilíndrico alongado compreende um material com uma resistência à tração final mínima de cerca de 937,68 MPa (136 ksi), um limite elástico mínimo de cerca de 661,89 MPa (96 ksi), um alongamento mínimo de cerca de 16%, uma redução mínima de área de cerca de 35%, um tamanho de grão de cerca de 6 a 9 por ASTM E112, e um limite mínimo de resistência de amostra de teste de feixe giratório (Se’) de cerca de 468,84 MPa (68 ksi).

2. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eixo compreende uma porção de interior oco.

3. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o eixo compreende um tubo sem costura, forjado.

4. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o eixo compreende uma liga, a liga compreendendo principalmente ferro e cerca de 0,43 a 0,75% em peso de carbono, cerca de 0,6 a 2,2% em peso de manganês, cerca de 0,0 a 0,045% em peso de fósforo, cerca de 0,01 a 0,03% em peso de enxofre, cerca de 0,15 a 0,7% em peso de silício, cerca de 0,02 a 0,1% em peso de vanádio, cerca de 0,0 a 0,1% em peso de nióbio, cerca de 0,0 a 2 ppm de hidrogênio, cerca de 0,0 a 0,3% em peso de níquel, cerca de 0,0 a 0,2% em peso de cromo, cerca de 0,0 a 0,15% em peso de molibdênio, cerca de 0,0 a 0,25% em peso de cobre e cerca de 0,01 a 0,02% em peso de alumínio.

5. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 2,

caracterizado pelo fato de que o eixo inclui adicionalmente duas seções de assento de roda, cada seção de assento de roda posicionada entre cada uma das seções de munhão e a seção central adjacente à seção central, e duas seções de proteção contra poeira, cada seção de proteção contra poeira posicionada entre uma seção de assento de roda e uma seção de munhão.

6. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a seção central tem uma espessura de parede mínima de cerca de 2,76 cm (1,09 polegadas), em que as seções de assento de roda têm uma espessura de parede mínima de cerca de 3,37 cm (1,33 polegadas), as seções de proteção contra poeira têm uma espessura de parede mínima de cerca de 4,72 cm (1,86 polegadas) e as seções do munhão têm uma espessura de parede mínima de cerca de 4,67 cm (1,84 polegadas).

7. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 15,24 cm (6 polegadas) em pelo menos um local dentro da seção central, em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 15,24 cm (6 polegadas) em pelo menos uma localização dentro de cada seção de assento de roda, em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 9,65 cm (3,8 polegadas) em pelo menos um local dentro de cada seção de proteção contra poeira, e em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas) em pelo menos um local dentro de cada seção do jornal.

8. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a porção interna oca compreende um furo de munhão, em que o diâmetro nominal do furo de munhão mantém uma seção transversal larga o suficiente para limitar a deflexão de munhão devido ao cisalhamento e flexão para prover um nível aceitável de fadiga devido à corrosão por atrito e produzir um índice de atrito aceitável.

9. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 8,

caracterizado pelo fato de que a posição de tolerância do furo de munhão do eixo mantém a espessura da parede de furo roscado suficiente para atingir a força total de rosqueamento para fixar os alojamentos de rolamento aos munhões de eixo, assim minimizando a probabilidade de os rolamentos se soltarem durante o serviço.

10. Método para formar um eixo de truque de vagão ferroviário, caracterizado pelo fato de que compreende: - selecionar um tubo cilíndrico oco tendo um comprimento de cerca de 2,03 m (80 polegadas) a cerca de 2,41 m (95 polegadas) e uma espessura de cerca de 3,81 cm (1,5 polegadas) a cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas); - forjar o tubo cilíndrico oco em um tubo sem costura tendo uma seção central, duas seções do conjunto de rodas adjacentes a cada extremidade da seção central, duas seções de proteção contra poeira adjacentes a cada seção do conjunto de rodas, e duas seções de munhão adjacentes a cada seção de proteção contra poeira, o forjamento incluindo: - aquecer o tubo até cerca de 1.148,88ºC (2100° F); - reduzir o diâmetro externo do tubo com martelos de forjamento para formar uma forma próxima ao acabado (near net shape) da seção central, seções de conjunto de rodas, seções de proteção contra poeira e seções de munhão; - realizar tratamento térmico do tubo cilíndrico oco forjado, - cortar o tubo tratado termicamente em um comprimento desejado, e - furar as seções de munhão; em que o tubo cilíndrico oco selecionado compreende uma liga, a liga compreendendo principalmente ferro e cerca de 0,43 a 0,75% em peso de carbono, cerca de 0,6 a 2,2% em peso de manganês, cerca de 0,0 a 0,045% em peso de fósforo, cerca de 0,01 a 0,03% em peso de enxofre, cerca de 0,15 a 0,7% em peso de silício, cerca de 0,02 a 0,1% em peso de vanádio, cerca de 0,0 a 0,1% em peso de nióbio, cerca de 0,0 a 2 ppm de hidrogênio, cerca de 0,0 a 0,3% em peso de níquel, cerca de 0,0 a 0,2% em peso de cromo, cerca de 0,0 a 0,15% em peso de molibdênio, cerca de 0,0 a 0,25% em peso de cobre e cerca de 0,01 a 0,02% em peso de alumínio.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o eixo tem uma resistência à tração final mínima de cerca de 937,68 MPa (136 ksi), um limite elástico mínimo de cerca de 661,89 MPa (96 ksi), um alongamento mínimo de cerca de 16%, uma redução mínima de área de cerca de 35%, um tamanho de grão de cerca de 6 a 9 por ASTM E112, e um limite mínimo de resistência de amostra de teste de feixe giratório (Se’) de cerca de 468,84 MPa (68 ksi).

12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o eixo é formado de forma que a seção central tenha uma espessura de parede mínima de cerca de 2,76 cm (1,09 polegadas), as seções de assento de roda tenham uma espessura de parede mínima de cerca de 3,37 cm (1,33 polegadas), as seções de proteção contra poeira tenham uma espessura de parede mínima de cerca de 4,72 cm (1,86 polegadas) e as seções do munhão tenham uma espessura de parede mínima de cerca de 4,67 cm (1,84 polegadas).

13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o eixo compreende uma porção interna oca com um diâmetro de pelo menos cerca de 15,24 cm (6 polegadas) em pelo menos um local dentro da seção central, em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 15,24 cm (6 polegadas) em pelo menos uma localização dentro de cada seção de assento de roda, em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 9,65 cm (3,8 polegadas) em pelo menos um local dentro de cada seção de proteção contra poeira, e em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas) em pelo menos um local dentro de cada seção do jornal.

14. Eixo de vagão ferroviário que forma um corpo cilíndrico alongado, o eixo caracterizado pelo fato de que compreende: - uma seção central; e - um par de seções de munhão posicionadas em lados opostos da seção central; em que o corpo cilíndrico alongado compreende um material com uma resistência à tração final mínima de 1.048,00 MPa (152 ksi), um limite elástico mínimo de 910,10 MPa (132 ksi), um alongamento mínimo de 16%, uma redução mínima de área de 42%, um tamanho de grão de cerca de 6 a 9 conforme ASTM E112, uma dureza Rockwell C mínima de Rc 30 e um limite mínimo de resistência de amostra de teste de feixe rotativo (Se’) de cerca de 524,00 MPa (76 ksi).

15. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o eixo compreende uma porção de interior oco.

16. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o eixo compreende um tubo sem costura, forjado.

17. Eixo de vagão ferroviário, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o eixo compreende uma liga, a liga compreende principalmente ferro e cerca de 0,38 a 0,43% em peso de carbono, cerca de 0,75 a 1,0% em peso de manganês, cerca de 0,0 a 0,015% em peso de fósforo, cerca de 0,0 a 0,005% em peso de enxofre, cerca de 0,2 a 0,35% em peso de silício, cerca de 0,02 a 0,03% em peso de vanádio, cerca de 0,1 a 0,25% em peso de níquel, cerca de 0,8 a 1,1% em peso de cromo, cerca de 0,15 a 0,25% em peso molibdênio, cerca de 0,0 a 0,25% em peso de cobre, cerca de 0,0 a 0,002% em peso de chumbo, cerca de 0,0 a 0,03% em peso de titânio e cerca de 0,015 a 0,055% em peso de alumínio.

18. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o eixo inclui adicionalmente duas seções de assento de roda, cada seção de assento de roda posicionada entre cada uma das seções de munhão e a seção central adjacente à seção central, e duas seções de proteção contra poeira, cada seção de proteção contra poeira posicionada entre uma seção de assento de roda e uma seção de munhão.

19. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a seção central tem uma espessura de parede mínima de cerca de 2,38 cm (0,94 polegadas), em que as seções de assento de roda têm uma espessura de parede mínima de cerca de 3,30 cm (1,30 polegadas), as seções de proteção contra poeira têm uma espessura de parede mínima de cerca de 4,12 cm (1,625 polegadas) e as seções do munhão têm uma espessura de parede mínima de cerca de 4,12 cm (1,625 polegadas).

20. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 15,24 cm (6 polegadas) em pelo menos um local dentro da seção central, em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 15,24 cm (6 polegadas) em pelo menos uma localização dentro de cada seção de assento de roda, em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 9,65 cm (3,8 polegadas) em pelo menos um local dentro de cada seção de proteção contra poeira, e em que a porção interna oca tem um diâmetro de pelo menos cerca de 6,35 cm (2,5 polegadas) em pelo menos um local dentro de cada seção do jornal.

21. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a porção interna oca compreende um furo de munhão, em que o diâmetro nominal do furo de munhão mantém uma seção transversal larga o suficiente para limitar a deflexão de munhão devido ao cisalhamento e flexão para prover um nível aceitável de fadiga devido à corrosão por atrito e produzir um índice de atrito aceitável.

22. Eixo de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que a posição de tolerância do furo de munhão do eixo mantém a espessura da parede de furo roscado suficiente para atingir a força total de rosqueamento para fixar os alojamentos de rolamento aos munhões de eixo, assim minimizando a probabilidade de os rolamentos se soltarem durante o serviço.