Dissertacao Alexandre Facini Dos Santos

ALEXANDRE FACINI DOS SANTOS

GERENCIAMENTO DA CONFIABILIDADE EM PROJETOS DE MATERIAL RODANTE FERROVIRIO

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno de Ttulo de Mestre em Engenharia.

So Paulo

2007

ALEXANDRE FACINI DOS SANTOS

GERENCIAMENTO DA CONFIABILIDADE EM PROJETOS DE MATERIAL RODANTE FERROVIRIO

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno de Ttulo de Mestre em Engenharia.

rea de Concentrao: Engenharia de Projeto e Fabricao

Orientador: Prof. Dr. Gilberto Francisco Martha de Souza

So Paulo

2007

Este exemplar foi revisado e alterado em relao verso original, sob responsabilidade nica do autor e com a anuncia de seu orientador. So Paulo, de Outubro de 2007. Assinatura do autor _____________________________________ Assinatura do orientador_________________________________

FICHA CATALOGRFICA

Santos, Alexandre Facini dos

Gerenciamento da confiabilidade em projetos de material rodante ferrrovirio / A.F. dos Santos. -- ed. rev. -- So Paulo, 2007.

256 p.

Dissertao (Mestrado) Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia Mecnica.

1.Ferrovias (Gerenciamento; Eficincia) 2.Trens 3.Material rodante (Confiabilidade) I.Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia Mecnica II.t.

DEDICATRIA

Aos meus pais Lcio e Gracia, e minha irm Amanda, pelo amor,

carinho e apoio em todos os momentos, de alegria ou de tristeza, que sempre me

deram foras para prosseguir e possibilitaram minhas conquistas e superaes.

minha esposa Gisele, por todo amor, amizade e companheirismo

habituais e que fazem dela a mulher da minha vida.

Ao meu filho Giovanni, razo maior da minha vontade de viver, e aos

meus sobrinhos Paloma e Breno. Trs crianas que enchem minha vida de alegrias

e esperana em um futuro cada vez melhor.

Amo todos vocs!

Dedico tambm este trabalho ao meu av paterno Benedito (in

memorian), pelos ensinamentos de vida, ao meu av materno Felipe (in memorian),

e a minha irm Andreza (in memorian).

AGRADECIMENTOS

Agradeo a Deus em primeiro lugar, por tudo que me proporcionou nesta

vida maravilhosa.

minha esposa pela pacincia, compreenso e incentivo neste perodo

de ausncia virtual.

empresa ALSTOM pelas oportunidades profissionais ao longo dos

ltimos 9 anos. Em especial aos engenheiros Ronaldo Silva e Cid Nakao, pela

flexibilizao do meu horrio quando necessrio para cumprir as tarefas do

mestrado.

Ao tambm colega de empresa, o franco-americano Jacques Durand por

me apresentar o mundo da engenharia da confiabilidade, por viabilizar minha

participao em simpsios nos Estados Unidos e pelos contatos com cientistas e

profissionais mundialmente renomados da rea de confiabilidade e segurana.

Ao professor e amigo Dr. Gilberto Francisco Martha de Souza pela

orientao e apoio, alm de toda confiana depositada em meu trabalho desde o

princpio.

Escola Politcnica da Universidade de So Paulo, atravs de seus

professores e funcionrios, que me proporcionou o conhecimento e a infra-estrutura

necessria para realizao deste mestrado.

E a todos os amigos, parentes e colegas que, de alguma forma,

contriburam para idealizao e realizao deste trabalho.

Se voc conhece o inimigo e conhece a si mesmo, no precisa temer o

resultado de cem batalhas. Se voc se conhece mas no conhece o inimigo, para

cada vitria ganha sofrer tambm uma derrota. Se voc no conhece nem o inimigo

nem a si mesmo, perder todas as batalhas.

(Sun Tzu, A arte da guerra)

O futuro tem muitos nomes. Para os fracos, o inatingvel. Para os

temerosos, o desconhecido. Para os valentes, a oportunidade.

(Victor Hugo)

Vencer o que importa. O resto conseqncia.

(Ayrton Senna da Silva)

RESUMO

cada vez maior a demanda pela eficincia dos sistemas ferrovirios. A

confiabilidade do material rodante um dos fatores de desempenho mais

importantes para a eficincia global dos trens de passageiros. Para que ndices

satisfatrios de confiabilidade, disponibilidade, mantenabilidade e segurana

(CDMS) sejam alcanados, deve-se considerar esses fatores desde a elaborao da

especificao tcnica do material rodante at a operao da frota, incluindo projeto,

fabricao, testes, comissionamento e garantia. No presente trabalho foram

pesquisados os principais requisitos, normas e boas prticas empregadas na

indstria ferroviria mundial para o gerenciamento da confiabilidade em projetos de

material rodante, levando-se em conta os aspectos prticos e cientficos. Para isso,

foram inicialmente apresentadas algumas especificidades do setor ferrovirio assim

como alguns dos principais tipos de veculos ferrovirios e seus sistemas, para que

se tenha uma viso geral do contexto em que o trabalho est inserido. Em relao

ao gerenciamento de CDMS propriamente dito, so mencionadas as principais

tarefas a serem realizadas, de acordo com as referncias consultadas. Foi dada uma

ateno especial s especificaes tcnicas de CDMS, levando-se em conta a

classificao das falhas e a determinao de parmetros contratuais. Tambm foram

abordados os aspectos tericos e prticos das principais ferramentas e mtodos de

anlise de CDMS empregados, tais como alocao de metas, predio de

confiabilidade, diagrama de blocos, FMECA, FTA, monitoramento da confiabilidade

em campo, etc.

Palavras-chave: Confiabilidade. Material Rodante. Trem de Passageiros. Projeto.

Gerenciamento. Ferrovia. Predio.

ABSTRACT

Demand for efficiency in railway systems is increasing through the years. Rolling

stock reliability is one of the most important performance factors for the global

efficiency of passenger trains. To attain satisfactory reliability, availability,

maintainability and safety (RAMS) figures, these factors must be considered from the

elaboration of rolling stock technical specifications up to the operation of the fleet,

including design, manufacturing, tests, commissioning and warranty. In the present

work a research on main requirements, standards and good practices applied in

worldwide railway industry for managing reliability in rolling stock designs was carried

out, taking into account practical and scientific aspects. Some specificities of railway

industry as well as some of the main railway vehicles types and related systems were

presented, so that one can have an overview of the context where this work is

inserted. Related to RAMS management, the main tasks to be done are presented,

according to the references. Special attention was paid to RAMS technical

specifications, considering failure classifications and determination of contractual

parameters. The theoretical and practical aspects of the main tools and analysis

methods of RAMS applied to the rolling stock design, such as apportionment of

targets, reliability predictions, reliability block diagrams, FMECA, FTA, monitoring of

field reliability, etc., were also covered.

Keywords: Reliability. Rolling Stock. Passengers Train. Design. Management.

Railway. Reliability Prediction.

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1: Exemplo de acoplamento em trens de grande velocidade (8) ...................34

Figura 2: Inclinao do Trem Pendular no contorno de uma curva (7)......................37

Figura 3: Carros 1 e 4 com falha no sistema pendular (7) ........................................38

Figura 4: Diagrama funcional de um trem de passageiros ........................................40

Figura 5: Ciclo de vida do projeto..............................................................................44

Figura 6: Verificao e validao ..............................................................................47

Figura 7: Inter-relacionamento dos elementos de CDMS..........................................48

Figura 8: Efeitos das falhas em um sistema ferrovirio.............................................49

Figura 9: Exemplo de meta de confiabilidade varivel no tempo ..............................71

Figura 10: Outro exemplo de meta varivel no tempo...............................................72

Figura 11: Fluxograma de alocao de metas de confiabilidade...............................80

Figura 12: Taxa de falhas aparente de um sistema reparvel, (22) ..........................94

Figura 13: Exemplo de apresentao de dados da NPRD95....................................96

Figura 14: Representao da probabilidade de falha................................................97

Figura 15: Funo densidade de probabilidade ........................................................97

Figura 16: Plano quando solicitao = resistncia ....................................................98

Figura 17: Sistema em srie....................................................................................107

Figura 18: Sistema em paralelo...............................................................................109

Figura 19: Sistema k de n .......................................................................................111

Figura 20: Redundncia passiva com chaveamento perfeito..................................114

Figura 21: Redundncia passiva com chaveamento imperfeito ..............................115

Figura 22: Exemplo de sistema complexo...............................................................117

Figura 23: Situao 1 ..............................................................................................117

Figura 24: Situao 2 ..............................................................................................117

Figura 25: Atividades tpicas de FMECA em um projeto .........................................121

Figura 26: Exemplo de tabela de modos de falha ...................................................124

Figura 27: Exemplo de FTA.....................................................................................131

Figura 28: Exemplo de grfico de Pareto ................................................................136

Figura 29: Crescimento da confiabilidade ...............................................................142

Figura 30: FRACAS Ciclo Fechado, (37)..............................................................146

Figura 31: Contribuio por sistema Falhas tipo A...............................................159

Figura 32: Contribuio por sistema Falhas tipo B...............................................159

Figura 33: Curva de MTBF mnimo .........................................................................162

Figura 34: Planilha de predio de confiabilidade ...................................................176

Figura 35: Predio x Metas....................................................................................177

Figura 36: Predio x Metas....................................................................................177

Figura 37: Contribuio por tipo de falha ................................................................178

Figura 38: TOP 10 - Falha tipo A.............................................................................178

Figura 39: TOP 10 - Falha tipo B.............................................................................179

Figura 40: TOP 10 - Falha tipo C ............................................................................179

Figura 41: TOP 10 - Todos os tipos de falha...........................................................180

Figura 42: Anlise de Sensibilidade ........................................................................184

Figura 43: Planilha FMECA (1/2).............................................................................197

Figura 44: Planilha FMECA (2/2).............................................................................198

Figura 45: Matriz de risco resultante .......................................................................199

Figura 46: Severidade das falhas - resultado..........................................................200

Figura 47: Freqncia das falhas resultado .........................................................200

Figura 48: Aceitabilidade dos riscos - resultado ......................................................200

Figura 49: Modos de deteco - resultado ..............................................................201

Figura 50: Gerenciamento das falhas - resultado....................................................201

Figura 51: Planilha de sobressalentes ....................................................................209

Figura 52: Distncia acumulada pela frota ..............................................................212

Figura 53: Contribuio por sistema........................................................................215

Figura 54: Evoluo de FPMK Portas ..................................................................216

Figura 55: TOP 10 - Falhas de Portas.....................................................................217

Figura 56: Coletor de corrente de terceiro trilho ......................................................228

Figura 57: Princpio do freio eltrico........................................................................233

Figura 58: Partes de um truque...............................................................................245

Figura 59: Diagrama simplificado de um engate universal ......................................246

Figura 60: Etapas de acoplamento de um engate universal ...................................247

Figura 61: Engate totalmente automtico................................................................248

Figura 62: Partes de um engate totalmente automtico..........................................248

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Tarefas relacionadas ao projeto (continua) ...............................................45

Tabela 2: Tarefas relacionadas com CDM (continua) ...............................................50

Tabela 3: Tarefas relacionadas segurana (continua) ...........................................51

Tabela 4: Implementao de CDM (continua) ...........................................................53

Tabela 5: Tarefas de CDMS Fase de Proposta (continua).....................................55

Tabela 6: Tarefas de CDMS Fase de Projeto (continua)........................................56

Tabela 7: Tarefas de CDMS Fase de Fabricao ..................................................58

Tabela 8: Tarefas de CDMS Fase de Comissionamento .......................................59

Tabela 9: Tarefas de CDMS Fase de Operao ....................................................60

Tabela 10: Exemplo de classificao de falhas.........................................................64

Tabela 11: Classificao conforme desempenho......................................................65

Tabela 12: Exemplo de incentivos e penalizaes....................................................73

Tabela 13: Tempo em que o valor assinttico atingido, (22) ..................................94

Tabela 14: Razo /MTTF em funo de , (22) ......................................................95 Tabela 15: MTBF no arranjo em paralelo ................................................................110

Tabela 16: MTBF no arranjo k de n.........................................................................112

Tabela 17: Smbolos empregados em FTA (continua) ............................................127

Tabela 18: Exemplo de uso da tabela verdade .......................................................134

Tabela 19: Tabela de avaliao da taxa de crescimento necessria ......................142

Tabela 20: Atividades mais importantes de confiabilidade, (41)..............................144

Tabela 21: Exemplo de registro com Tempo Calendrio ......................................151

Tabela 22: Exemplo de registro com Tempo Equivalente.....................................152

Tabela 23: Exemplo de registro com Tempo Transcorrido ...................................153

Tabela 24: Alocao pelo mtodo EQUAL..............................................................158

Tabela 25: Alocao para falhas tipo A...................................................................160

Tabela 26: Alocao para falhas tipo B...................................................................161

Tabela 27: Classificao de falhas Suprimento eltrico .......................................164

Tabela 28: Estrutura analtica Suprimento Eltrico ..............................................165

Tabela 29: Valores de MTBF e fonte de informao ...............................................167

Tabela 30: Contribuio por tipo de falha................................................................171

Tabela 31: Taxas de falha distribudas por tipo de falha .........................................173

Tabela 32: Resultados da predio.........................................................................173

Tabela 33: Classificao de falhas CAIXA - Miscelneas ....................................186

Tabela 34: Severidade ............................................................................................187

Tabela 35: Freqncia ............................................................................................187

Tabela 36: Matriz de Risco......................................................................................188

Tabela 37: Aes a serem tomadas para cada categoria de risco..........................188

Tabela 38: Estrutura analtica Sistema Caixa - Miscelneas................................190

Tabela 39: Efeito dos modos de falha .....................................................................191

Tabela 40: Determinao dos tipos de falha ...........................................................192

Tabela 41: Efeitos na segurana.............................................................................193

Tabela 42: Classificao da aceitabilidade do risco ................................................195

Tabela 43: Modos de deteco e gerenciamento da falha......................................196

Tabela 44: Quantidade de itens na frota .................................................................203

Tabela 45: Tempo para reposio do item..............................................................204

Tabela 46: Clculo da confiabilidade no perodo.....................................................205

Tabela 47: Clculo detalhado de sobressalentes....................................................206

Tabela 48: Clculo de sobressalentes ....................................................................207

Tabela 49: Risco de falta de materiais ....................................................................208

Tabela 50: Distncia acumulada pela frota .............................................................212

Tabela 51: Quantidade de Falhas Tipo A................................................................213

Tabela 52: Quantidade de Falhas Tipo B................................................................213

Tabela 53: Quantidade de Falhas (A+B) .................................................................214

Tabela 54: Evoluo de MKBF Falhas Tipo A......................................................214

Tabela 55: Evoluo de MKBF Falhas Tipo B......................................................214

Tabela 56: Evoluo de MKBF de cada sistema.....................................................215

Tabela 57: TOP 10 - Falhas de Portas....................................................................216

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANTT Agncia Nacional de Transportes Terrestres

AT Alta Tenso

BT Baixa Tenso

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contnua

CDM Confiabilidade, Disponibilidade e Mantenabilidade

CDMS Confiabilidade, Disponibilidade, Mantenabilidade e Segurana

ET Especificao Tcnica

f.d.p. Funo densidade de probabilidade

FMEA Anlise dos Modos de Falha e seus Efeitos, do ingls Failure Modes

Effects Analysis

FMECA Anlise dos Modos de Falha e seus Efeitos Crticos, do ingls Failure

Modes Effects and Criticality Analysis

FPMH Falhas por Milho de Horas, do ingls Failure Per Million Hours

FPMK Falhas por Milho de Quilmetro, do ingls Failure Per Million

Kilometers

FRACAS Sistema de Registro de Falhas, Anlise e Aes Corretivas, do ingls

Failure Reporting Analysis and Corrective Action System

FTA Anlise de rvore de Falhas, do ingls Fault Tree Analysis

LIC Lista de Itens Crticos

LRU Item Substituvel em Linha, do ingls Line Replaceable Unit

MCBF Nmero Mdio de Ciclos entre Falhas, do Ingls Mean Cycles Between

Failures

MKBF Quilometragem Mdia entre Falhas, do Ingls Mean Kilometers Between

Failures

MR Material Rodante

MTBF Tempo Mdio entre Falhas, do Ingls Mean Time Between Failures

NC Nvel de Confiana

PPC Plano do Programa de Confiabilidade

RAC Centro de Anlises de Confiabilidade , do Ingls Reliability Analysis

Center

RBD Diagrama de Blocos de Confiabilidade, do ingls Reliability Block

Diagram

SRU Item Substituvel em Bancada, do ingls Shop Replaceable Unit

TU Trem-Unidade

TUE Trem-Unidade Eltrico

VLT Veculo Leve Sobre Trilho

LISTA DE SMBOLOS

Estimativa de MTBF, MKBF ou MCBF

R(t) Funo Confiabilidade

2 Distribuio de probabilidade Qui-quadrado

Taxa de Falhas (por unidade de tempo, distncia ou nmero de ciclos)

MTBF, MKBF ou MCBF

SUMRIO

1 INTRODUO ...........................................................................21 1.1 OBJETIVO ......................................................................................... 22

2 ESPECIFICIDADES DO SETOR FERROVIRIO .....................23 2.1 ORGANIZAO DA INDSTRIA FERROVIRIA ........................... 23 2.1.1 Agncia reguladora...................................................................................23 2.1.2 Operadoras................................................................................................24 2.1.3 Fabricantes de material rodante..............................................................25 2.1.4 Fabricantes de subsistemas ....................................................................25

2.2 TIPOS DE VECULOS FERROVIRIOS........................................... 26 2.2.1 Locomotivas..............................................................................................26 2.2.2 Veculos leves sobre trilhos.....................................................................27 2.2.3 Metr ..........................................................................................................30 2.2.3.1 Tipos de construo ................................................................................31

2.2.4 Trens regionais e de subrbio.................................................................32 2.2.5 Trens de alta velocidade ..........................................................................33 2.2.5.1 Vias especiais .........................................................................................35

2.2.6 Trens pendulares ......................................................................................36 2.2.7 Outros tipos de veculos ..........................................................................38

2.3 PRINCIPAIS SISTEMAS DOS TRENS DE PASSAGEIROS............ 38

3 GERENCIAMENTO DE CDMS..................................................41 3.1 POLTICA CORPORATIVA E PROGRAMAS INTEGRADOS.......... 41 3.2 CICLO DE VIDA DO PROJETO........................................................ 43 3.3 CDMS NO DOMNIO FERROVIRIO................................................ 47 3.4 ATIVIDADES EM CADA FASE ......................................................... 49 3.5 IMPLEMENTAO DE CDMS.......................................................... 52 3.5.1 Fase de proposta ......................................................................................55 3.5.2 Fase de projeto..........................................................................................56 3.5.3 Fase de fabricao....................................................................................58 3.5.4 Fase de comissionamento .......................................................................58

3.5.5 Fase de operao......................................................................................60

3.6 ESPECIFICAO DE CDMS DO MATERIAL RODANTE ............... 61 3.6.1 Classificao das falhas do material rodante ........................................61 3.6.1.1 Falha tipo A (Significante) .......................................................................62

3.6.1.2 Falha tipo B (Maior) .................................................................................62

3.6.1.3 Falha tipo C (Menor)................................................................................62

3.6.1.4 Falhas que afetam o servio ...................................................................63

3.6.1.5 Falhas inerentes ......................................................................................63

3.6.1.6 Classificao conforme desempenho......................................................65

3.6.2 Parmetros contratuais de CDMS ...........................................................65 3.6.2.1 Tempo mdio entre falhas.......................................................................65

3.6.2.2 Taxa de falhas.........................................................................................67

3.6.2.3 Falhas sistemticas .................................................................................68

3.6.2.4 ndices de confiabilidade .........................................................................69

3.6.2.5 Parmetros de CDMS definidos por intervalo de confiana ....................69

3.6.2.6 Perodos de medio...............................................................................71

3.6.3 Incentivos e penalizaes ........................................................................72

3.7 PLANO DO PROGRAMA DE CDMS ................................................ 74 3.7.1 Perfil da misso.........................................................................................75 3.7.2 Requisitos para os fornecedores ............................................................76

3.8 RELATRIOS DE ANLISE DE CDMS ........................................... 76 3.9 CUSTOS DE CDMS........................................................................... 77

4 ANLISES E FERRAMENTAS DE CDMS................................79 4.1 ALOCAO DE METAS DE CONFIABILIDADE ............................. 79 4.1.1 Mtodos de alocao da confiabilidade..................................................79 4.1.1.1 Mtodo EQUAL .......................................................................................81

4.1.1.2 Mtodo ARINC ........................................................................................82

4.1.1.3 Mtodo AGREE.......................................................................................82

4.1.1.4 Mtodo da avaliao da viabilidade dos objetivos...................................84

4.1.2 MTBF mnimo dos equipamentos............................................................85

4.2 PREDIO DA CONFIABILIDADE DE COMPONENTES ............... 86 4.2.1 Limitaes fundamentais da predio da confiabilidade......................87 4.2.1.1 Predies no campo da engenharia ........................................................87

4.2.1.2 Predies no campo da confiabilidade ....................................................87

4.2.1.3 Abordagem prtica ..................................................................................89

4.2.2 Predies conforme normas e bancos de dados...................................90 4.2.2.1 MIL-HDBK 217 ........................................................................................90

4.2.2.2 UTE 80-810 .............................................................................................92

4.2.2.3 NPRD-95 .................................................................................................92

4.2.3 Anlise da solicitao e resistncia ........................................................96 4.2.4 Ensaios de confiabilidade ........................................................................99 4.2.4.1 Planejamento dos testes .........................................................................99

4.2.4.2 Realizao dos testes e coleta de dados ..............................................100

4.2.4.3 Uso de retorno de experincias.............................................................100

4.2.4.4 Estimao pontual .................................................................................101

4.2.4.5 Estimao por intervalo de confiana....................................................104

4.2.5 Predio da confiabilidade de sistemas redundantes.........................106

4.3 DIAGRAMA DE BLOCOS ...............................................................106 4.3.1 Sistema em srie.....................................................................................107 4.3.2 Sistema em paralelo ...............................................................................109 4.3.3 Sistema k de n.........................................................................................111 4.3.4 Sistema em paralelo com cobertura de falhas .....................................113 4.3.5 Redundncia passiva .............................................................................114 4.3.6 Sistemas complexos...............................................................................116 4.3.7 Sistemas com carga distribuda ............................................................118 4.3.8 Falhas de modo comum .........................................................................118 4.3.9 Falhas dependentes................................................................................119

4.4 FMEA/FMECA .................................................................................120 4.4.1 Metodologia.............................................................................................121 4.4.2 O processo de FMECA ...........................................................................122 4.4.2.1 Planejamento ........................................................................................123

4.4.3 Priorizao...............................................................................................125

4.5 RVORE DE FALHAS ....................................................................125 4.5.1 Objetivos..................................................................................................126 4.5.2 Aplicao .................................................................................................126 4.5.3 Construo da rvore de falhas.............................................................127

4.5.4 Avaliao da rvore de falhas................................................................129 4.5.4.1 Anlise lgica ........................................................................................129

4.5.4.2 Anlises numricas ...............................................................................130

4.5.5 Identificao dos elementos ..................................................................130 4.5.6 Exemplo de FTA......................................................................................131 4.5.7 Relatrio ..................................................................................................132

4.6 MTODO DA TABELA VERDADE .................................................132 4.6.1 Exemplo de aplicao da tabela verdade .............................................133

4.7 LISTA DE ITENS CRTICOS ...........................................................134 4.7.1 Anlise de Pareto ....................................................................................135

4.8 CLCULO DE SOBRESSALENTES ..............................................136 4.9 MONITORAMENTO DA CONFIABILIDADE EM CAMPO..............137 4.9.1 Procedimento de seguimento operacional da confiabilidade.............137 4.9.2 Registro e consolidao de falhas ........................................................138 4.9.3 Relatrios peridicos e comparao com as metas............................139 4.9.4 Crescimento da confiabilidade ..............................................................139 4.9.4.1 Mtodo Duane.......................................................................................141

4.10 FRACAS ..........................................................................................143 4.10.1 Sistema de Ciclo Fechado......................................................................144 4.10.2 Sistemtica no registro de falhas ..........................................................147 4.10.2.1 Formulrios ...........................................................................................148

4.10.2.2 Coleta e armazenamento de dados.......................................................148

4.10.3 Anlise de dados.....................................................................................150 4.10.3.1 Clculo de MTBF de campo ..................................................................151

5 CASOS EXEMPLO ..................................................................154 5.1 EXEMPLO 1: ALOCAO DE METAS DE CONFIABILIDADE ....155 5.1.1 Descrio.................................................................................................155 5.1.2 Metas globais de confiabilidade ............................................................156 5.1.3 Mtodo de alocao................................................................................157 5.1.4 Resultados...............................................................................................160 5.1.5 MTBF mnimo dos equipamentos..........................................................161 5.1.6 Recomendaes......................................................................................162

5.2 EXEMPLO 2: PREDIO DA CONFIABILIDADE .........................163

5.2.1 Descrio.................................................................................................163 5.2.2 Metas de confiabilidade do sistema......................................................163 5.2.3 Estrutura analtica do sistema ...............................................................164 5.2.4 Determinao da confiabilidade dos componentes.............................166 5.2.5 Clculo do MTBF dos itens ....................................................................168 5.2.6 Contribuio para cada tipo de falha ....................................................170 5.2.7 Clculo das taxas de falha .....................................................................172 5.2.8 Apresentao e interpretao dos resultados .....................................174 5.2.9 Recomendaes......................................................................................180

5.3 EXEMPLO 3: ANLISE DE SOLICITAO E RESISTNCIA ......181 5.3.1 Descrio.................................................................................................181 5.3.2 Dados de entrada....................................................................................182 5.3.3 Clculo e resultados ...............................................................................182 5.3.4 Recomendaes e consideraes.........................................................183

5.4 EXEMPLO 4: FMECA......................................................................185 5.4.1 Descrio.................................................................................................185 5.4.2 Premissas do Plano de Confiabilidade e Segurana ...........................185 5.4.3 Metodologia de anlise...........................................................................189 5.4.4 Apresentao e interpretao dos resultados .....................................196

5.5 EXEMPLO 5: CLCULO DE SOBRESSALENTES .......................201 5.5.1 Descrio.................................................................................................201 5.5.2 Requisitos da especificao tcnica.....................................................202 5.5.3 Metodologia de anlise...........................................................................202 5.5.4 Apresentao dos resultados................................................................208 5.5.5 Recomendaes......................................................................................208

5.6 EXEMPLO 6: MONITORAMENTO DA CONFIABILIDADE............210 5.6.1 Descrio.................................................................................................210 5.6.2 Metas globais de confiabilidade ............................................................210 5.6.3 Metodologia de anlise...........................................................................210 5.6.4 Apresentao e interpretao dos resultados .....................................212 5.6.5 Recomendaes......................................................................................217

6 CONCLUSES ........................................................................219 6.1 DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ................................................220

REFERNCIAS....................................................................................222 APNDICE A CARACTERSTICAS BSICAS DOS PRINCIPAIS SISTEMAS: ..........................................................................................227 APNDICE B ARTIGO......................................................................251 ANEXO A TABELA QUI-QUADRADO .............................................253

21

1 INTRODUO

O crescimento desordenado das cidades brasileiras nas ltimas dcadas

e a falta de investimentos significativos em transportes pblicos de massa levaram o

pas a um enorme dficit nessa rea, se comparado com outros pases mais

desenvolvidos ou mesmo com nossos vizinhos da Amrica Latina.

As polticas pblicas de transporte nesse perodo priorizaram apenas o

transporte rodovirio, tanto o coletivo como o individual, tais como corredores de

nibus, viadutos, tneis, etc. As conseqncias no podiam ser outras seno o

aumento descontrolado do trnsito, da poluio, do nmero de acidentes e dos

custos operacionais do transporte pblico. Esse modal oferece um limite

relativamente baixo de capacidade de transporte, sendo ideal para pequenas

cidades ou para integrar e complementar outros modais de alta capacidade nos

grandes centros urbanos, como metrs e trens de subrbio.

Grandes cidades como So Paulo, Rio de Janeiro ou mesmo outras

capitais requerem um sistema complexo de transporte, de alta capacidade e

eficiente ao mesmo tempo. A nica maneira de se atender demanda necessria

nessas cidades atravs de metrs e trens de subrbio formando a espinha dorsal

do sistema, e integrada com nibus ou Veculos Leves sobre Trilhos (VLTs) para

efetuar as ramificaes necessrias em torno das estaes. assim que ocorre em

grandes centros urbanos do mundo como Paris, Londres e Nova Iorque, por

exemplo.

Portanto, o pas carece urgentemente de investimentos no transporte de

massa sobre trilhos. Felizmente, os governantes tm acenado para que a priorizao

de investimentos na ferrovia volte a ser uma realidade brasileira.

Sem dvida, os altos custos de implantao, operao e manuteno dos

sistemas ainda inibem de certa forma um crescimento mais acelerado das malhas

metroferrovirias, uma vez que os recursos so escassos. H ento que se fazer

bom uso dos recursos existentes para que possam ser mais bem aproveitados.

Uma das vrias formas de se economizar os recursos pblicos atravs

do aumento da eficincia do sistema, reduzindo assim os custos de operao e

manuteno.

22

justamente nesse ponto que a confiabilidade e a segurana dos trens

tm papel fundamental. Porm, a confiabilidade e a segurana dos trens nasce no

projeto dos mesmos. Dificilmente um trem que no fora originalmente projetado

considerando a confiabilidade e a segurana como fatores prioritrios poder ser

melhorado no futuro sem que sejam necessrios investimentos adicionais.

A idia central deste trabalho abordar o projeto de trens de passageiros,

enfatizando o gerenciamento da confiabilidade e segurana durante esse processo.

1.1 OBJETIVO

O objetivo deste trabalho pesquisar os requisitos, normas e boas

prticas empregadas na indstria ferroviria para gerenciamento da confiabilidade

de projetos de material rodante.

Este trabalho leva em conta a realidade do mercado ferrovirio mundial e

brasileiro, suas limitaes e desafios, procurando abordar os aspectos prticos e

cientficos da confiabilidade de trens de passageiros, e como tais aspectos devem

ser analisados, monitorados e controlados durante um projeto ferrovirio de material

rodante.

O foco do trabalho est concentrado nos trens de subrbio e metr, por

serem mais utilizados no Brasil para transporte de passageiros que os trens de

grande velocidade e os veculos leves sobre trilhos, por exemplo. Todavia, com

algumas adaptaes e respeitando as devidas propores, o mesmo processo de

gerenciamento pode ser empregado no projeto desses tipos de trens.

23

2 ESPECIFICIDADES DO SETOR FERROVIRIO

2.1 ORGANIZAO DA INDSTRIA FERROVIRIA

A indstria ferroviria pode ser dividida em transporte de cargas e

transporte de passageiros. Existem muitas coisas em comum mas tambm algumas

diferenas entre ambos.

No caso do transporte de passageiros, podemos mencionar algumas

entidades principais que compem esse segmento do transporte ferrovirio. So

elas:

Agencia Reguladora; Operadoras de transporte pblico; Fabricantes de material rodante, tambm chamados de montadoras; Fabricantes de subsistemas para o material rodante.

Algumas caractersticas dessas entidades so apresentadas nos itens

subseqentes.

Alm dessas, obviamente existem outras entidades que complementam a

indstria ferroviria, como por exemplo os institutos de pesquisas tecnolgicas, as

universidades e consultorias tcnicas, as empresas fornecedoras de componentes

em geral, as empresas de obras civis e de infra-estrutura, e tambm o prprio

governo do pas com suas polticas de investimento.

2.1.1 Agncia reguladora

As agncias reguladoras so rgos independentes que tomam decises

estratgicas sobre os assuntos de interesse do pas em determinado segmento.

Possuem poderes, direitos e privilgios para exercerem suas autoridades.

24

Na rea ferroviria, alm de desempenhar o papel de regulador

econmico e autoridade ferroviria, as agncias trabalham para facilitar a expanso

do transporte de cargas e de passageiros.

Servem ainda como tribunal de julgamento quanto a tarifas e reclamaes

relacionadas aos servios prestados e em disputas entre companhias sobre

assuntos especficos, atuando como mediadoras.

Emitem certificados de autorizao para construo e operao de novas

linhas e fornecem pareceres tcnicos e orientaes gerais. Tambm emitem

relatrios com estatsticas do setor.

No Brasil, a Agncia Nacional de Transportes Terrestres (ANTT), ligada

ao Ministrio dos Transportes, regulamenta a rea de transporte rodovirio e

ferrovirio, principalmente o transporte de cargas. J para o transporte de

passageiros, a ANTT concentra o foco no segmento rodovirio. Existem algumas

associaes, porm no existe ainda uma agncia reguladora nacional especfica

para o transporte ferrovirio de passageiros no pas, ao contrrio do que ocorre em

outros pases. Quem acaba fazendo de certa forma esse papel so as prprias

operadoras atravs de especificaes e de acordos bilaterais com seus

fornecedores.

2.1.2 Operadoras

As operadoras de transporte pblico ferrovirio so empresas estatais ou

mesmo empresas privadas que atuam com concesso de operao por parte do

governo. So as operadoras as responsveis por manter todo sistema em

funcionamento, incluindo os trens, as vias, plataformas, reas de circulao de

pblico, etc.

A arrecadao feita principalmente atravs da bilhetagem, da

concesso de espao para publicidade nos trens e nas reas de circulao de

pblico, e de subsdio por parte do governo.

So as operadoras, tambm, as responsveis pela elaborao das

especificaes tcnicas dos sistemas que compreendem o transporte ferrovirio,

25

como o material rodante, por exemplo. Muitas vezes so assessoradas por

consultorias externas contratadas exclusivamente para essa finalidade.

2.1.3 Fabricantes de material rodante

Os fabricantes de material rodante, tambm chamados de montadoras,

so empresas de grande porte, geralmente multinacionais, que desenvolvem,

projetam e constroem os veculos ferrovirios e integram os subsistemas

correspondentes, tais como freio, trao, etc.

Fornecem diretamente s operadoras atravs de processos de licitao e,

em funo disso, comum a existncia de consrcios entre empresas para

participar desses processos. At porque, muitas vezes o fornecimento do material

rodante est atrelado aos investimentos em infra-estrutura, como a construo de

vias, por exemplo.

2.1.4 Fabricantes de subsistemas

Os fabricantes de subsistemas so os parceiros das montadoras que

fornecem sistemas completos ou em partes para serem integrados no trem.

Normalmente so empresas de mdio e grande porte que possuem estrutura

apropriada e expertise especfico para o produto que fornecem. Por essa razo,

participam intensamente do projeto do trem desde a fase de especificao e

propostas juntamente com as montadoras.

Eventualmente, algumas montadoras desenvolvem subsistemas

especficos por conta prpria, por razes tcnicas, estratgicas ou mesmo

comercias.

26

2.2 TIPOS DE VECULOS FERROVIRIOS

No transporte ferrovirio, o chamado Material Rodante (MR) consiste em

um ou vrios veculos, ligados entre si e capazes de se movimentarem sobre uma

linha ou trilho, para transportar pessoas ou carga de um lado para outro, segundo

uma rota previamente planejada. O comboio pode ser puxado por uma locomotiva

ou pode ser formado por uma unidade auto-alimentada tambm chamado de trem-

unidade (TU).

Existem diversos tipos de veculos que so utilizados nas ferrovias ao

redor do mundo. Nos itens subseqentes esto relacionados alguns deles.

2.2.1 Locomotivas

Uma locomotiva um veculo ferrovirio que fornece a energia necessria

para a colocao de um trem em movimento. As locomotivas no tm capacidade de

transporte prpria, quer de passageiros, quer de carga. Existem vrias razes para

que ao longo dos tempos se tenha isolado a unidade fornecedora de energia do

resto do trem:

Facilidade de manuteno mais fcil a manuteno de um nico veculo;

Segurana Existe mais facilidade de afastar a fonte de energia dos passageiros, em caso de perigo;

Fcil substituio da fonte de energia em caso de avaria, s existe a necessidade de substituir a locomotiva e no todo o comboio;

Eficincia Os comboios fora de circulao, gastam menos energia quando h necessidade da sua movimentao;

Obsolescncia Quando a unidade de energia ou as unidades de carga se tornam obsoletas no necessria a substituio de todos os

elementos.

27

comum classificarem-se as locomotivas conforme os seus meios de

propulso. Os mais comuns incluem:

Vapor Diesel-mecnico Diesel-eltrico Diesel-hidrulica Turbina de gs Eltricas Dentre essas, as mais empregadas atualmente so as que possuem

propulso diesel-eltrica e as que possuem propulso puramente eltrica.

Segundo Connor (1), [...] as modernas locomotivas diesel produzem

apenas 35% da potncia de uma locomotiva eltrica de igual peso. Contudo, os altos

custos de implantao e manuteno de um sistema ferrovirio eletrificado inibem,

na maioria das vezes, a adoo de locomotivas eltricas como material de trao.

Existem ainda as locomotivas adaptadas, tambm chamadas slug, que

possuem motores de trao eltrica, mas no possuem geradores a diesel. So

feitas para trabalhar em conjunto com outras locomotivas convencionais que

fornecem a energia necessria para seu funcionamento (2).

2.2.2 Veculos leves sobre trilhos

Os Veculos Leves sobre Trilhos (VLT) so mais leves que os trens

convencionais, projetados para o transporte de passageiros e muito raramente para

o transporte de cargas. Normalmente operam entre bairros, em pequenas cidades

ou mesmo em grandes centros urbanos, interligados com outros modais de

transporte pblico.

Os VLTs trafegam nas ruas, em corredores exclusivamente dedicados a

eles ou ainda compartilhando espao com carros e nibus. A grande maioria dos

sistemas que utilizam VLT dispensa o uso de plataformas para embarque e

desembarque. O passageiro simplesmente entra da calada para o trem. Essa

28

uma das caractersticas que possibilitam a integrao com outras formas de

transporte pblico e o uso simultneo das ruas.

Em grandes cidades o VLT faz um percurso tipicamente mas no

obrigatoriamente turstico. Os VLTs so uma evoluo do bonde e encontram-se em

expanso em vrias cidades de todo o mundo, j que possuem grandes vantagens

com relao aos nibus, entre as quais destaca-se a menor poluio (tanto sonora

quanto atmosfrica) e a prioridade no trnsito.

Vantagens:

A maior vantagem dos VLTs modernos mais social do que tcnica. Em muitos pases os VLTs no sofrem com o problema de imagem

que afeta os nibus. Ao contrrio a maioria das pessoas associam

VLTs com uma imagem positiva. Diferentemente dos nibus, os VLTs

tendem a ser populares para uma gama maior de usurios, incluindo

aqueles com maior poder aquisitivo e que normalmente evitam nibus.

Esse alto nvel de aceitao pblica significa maior utilizao e maior

presso para investimentos em infraestrutura e expanso das malhas

de VLTs.

O investimento inicial, embora alto, menor que o investimento necessrio para construo de linhas subterrneas de metr. Um

quilmetro de linha de VLT geralmente custa um tero do investimento

para um quilmetro de metr subterrneo, j que nenhuma perfurao

necessria. Apenas as vias pblicas devem ser adaptadas para

receber os trilhos e os cabos de alimentao.

As linhas de VLT podem ser subterrneas como as linhas de metr. Mesmo as linhas de metr de superfcie so mais caras,

especialmente aquelas que utilizam terceiro trilho para alimentao.

Os sistemas de VLT necessitam menos energia que os sistemas de metr. Iluminao, ventilao, escadas rolantes, etc, consomem

energia e em alguns casos, podem at superar o prprio consumo dos

trens.

Os VLTs podem se adaptar ao nmero de passageiros acrescentando carros nos horrios de pico, assim como removendo carros nos

29

horrios de vale. Para tal, no so necessrios operadores adicionais

como ocorre com motoristas de nibus, por exemplo.

Em geral, a capacidade de transporte dos VLTs maior que a dos nibus.

Sistemas elevados requerem urbanismos especiais com avenidas largas e construes que permitam integrar as estaes.

Ao contrrio dos nibus com motor a combusto, os VLTs no emitem gases poluentes na atmosfera e a poluio sonora geralmente

menor.

Os espaos necessrios para passagem dos VLTs so geralmente menores que para nibus. Isso economiza espao valioso nas cidades

com alta densidade populacional e/ou vias estreitas.

Como operam sobre trilhos, os VLTs impem mais respeito no trnsito em relao aos demais veculos. Em condies de trnsito pesado ou

em cruzamentos, a probabilidade dos motoristas bloquearem a

passagem dos VLTs bem menor. Isso leva a menores atrasos. Como

regra, especialmente em cidades europias, os VLTs sempre tm a

preferncia no trnsito.

O conforto dos passageiros normalmente superior aos nibus devido operao controlada de acelerao, frenagem e insero em curvas.

Desvantagens:

O custo inicial maior que para nibus, da a razo para a preferncia deste ltimo em pequenas cidades.

A velocidade mdia menor que a dos metrs, o que de certa forma compensada por uma freqncia maior de paradas.

As velocidades so comparveis desde que sejam utilizadas grandes extenses de linha reservadas apenas para o trfego de VLT, fora das

ruas.

Capacidade de transporte menor que a dos metrs. As vias de VLT podem ser perigosas para ciclistas e para carros

estacionados. Estes problemas podem ser evitados com a construo

das vias e das plataformas no meio das ruas.

30

A infra-estrutura necessria ocupa espao urbano na superfcie e gera a necessidade de modificaes no fluxo do trfego.

Rodas de ao provocam mais rudos que pneus, especialmente nas curvas.

Os VLTs podem ser classificados de diversas maneiras. De acordo com

Glitz (3), As diversas vertentes provenientes dos primeiros bondes variam mais na

aplicao que em sua capacidade de transporte.

2.2.3 Metr

Metr definido como um modo ferrovirio para o transporte de

passageiros em reas urbanas o qual projetado e construdo com a finalidade de

transportar grandes volumes de pessoas de forma rpida e segura, em trens-

unidade formados por vrios carros. Opera normalmente com rodas de ao sobre

trilhos, embora alguns sistemas empreguem pneus. As vias so absolutamente

exclusivas, impedindo qualquer tipo de acesso, exceto claro para manuteno.

Plataformas altas e portas largas so utilizadas para se obter segurana e rpido

embarque e desembarque. Os carros possuem propulso prpria com motores

eltricos para obter rpidas aceleraes e desaceleraes, evitando ainda emisso

de gases txicos em tneis. Se qualquer uma dessas caractersticas for eliminada ou

modificada para um dado sistema, haver sempre a dvida de que se trata ou no

de um sistema de metr. Uma vez que cada sistema de metr , de alguma forma,

diferente uns dos outros visando atender as necessidades e condies locais,

muitas vezes preciso uma avaliao cuidadosa para classific-los.

Metr um tipo de trem urbano, sendo que uma de suas principais

diferenas o fato de ser tipicamente, mas no exclusivamente, subterrneo e

dedicado ao transporte de passageiros em redes relativamente densas e com

grande integrao com os demais meios de transportes, apesar de serem

construdos independentemente.

O termo metr se tornou genrico no uso popular, porm essa

denominao vem do nome original do Metropolitan Line of London, de 1863. o

modo capaz de executar a maior quantidade de servio, carregando pessoas em

31

massa de forma rpida e eficiente para a escala das grandes cidades. Nada

impedindo porm sua expanso a municpios e provncias prximas. um meio de

transporte ferrovirio simples mas efetivo desde quando foi institudo h pouco mais

de 100 anos atrs. Por muito tempo, as melhorias tcnicas foram graduais e muitas

vezes marginais. Apenas nas ltimas duas dcadas que melhorias significativas tm

sido feitas, mas essas mudanas no afetam o carter bsico do servio observado

pelos usurios exceto, talvez, a incluso de ar condicionado nos trens. Os avanos

tcnicos recentes tm focado principalmente questes de eficincia e segurana

(alimentao, freio, trao, sistemas de controle, etc), para uma operao

automtica e para melhorar ainda mais essa caracterstica de trens de grande

capacidade com paradas freqentes e que se movem rapidamente entre estaes.

Infelizmente, esses benefcios so conseguidos a um custo considervel.

Como o volume de passageiros que um trem de metr pode carregar

geralmente alto, um sistema de metr freqentemente visto como a espinha dorsal

do transporte pblico nas grandes cidades. Em vrias cidades do mundo os

passageiros iniciam suas jornadas em VLTs, nibus ou trens de subrbio com

destino aos grandes centros urbanos, passando pelo metr e suas estaes para

evitar o congestionamento das ruas da cidade (4).

Segundo Grieco (5), Apesar dos trens de metr serem parecidos com os

de subrbio, eles se diferenciam pelas altas densidades de passageiros no sistema,

aceleraes e desaceleraes, curtas distncias entre estaes e carregamento no

pendular.

2.2.3.1 Tipos de construo

Os sistemas de metr podem ser subterrneos, de superfcie ou em vias

elevadas no sendo raro, inclusive, a existncia de sistemas com mais de um tipo de

construo em diferentes trechos.

Subterrneo Sistema NATM - New Austrian Tunnelling Method ou tneis

austracos ou ainda tneis de minerao.

32

Trincheiras ou VCA - Valas a Cu Aberto, tambm denominado sistema destrutivo, exige remoo de interferncias externas, tais

como: gua, luz e outras.

Mecanizado, ou por mquinas tuneladoras - TBM - Tunnel Boring Machines.

Superfcie So mais indicadas para regies de baixa ocupao, vazios urbanos,

faixas previamente garantidas atravs de legislao, ou canteiros centrais de

avenidas com larguras adequadas. Dessa forma fica mais barata a obra evitando-se

grande volume de desapropriaes, principalmente junto s estaes, o que eleva

consideravelmente o custo final. Nesse caso h necessidade de terraplanar o

terreno e remover as interferncias superficiais.

Pode-se aproveitar leitos ferrovirios antigos para a implantao desse

tipo de servio, mas como sua converso cara, evita-se esse tipo de

aproveitamento.

Elevado Estrutura metlica Concreto Pr-moldado

2.2.4 Trens regionais e de subrbio

O modo ferrovirio tradicional ainda a forma mais eficiente de se

transportar grandes volumes de pessoas por distncias relativamente longas com

uma velocidade razovel. So os chamados trens regionais. Quando esses sistemas

operam tambm em escalas metropolitanas, eles so chamados de trens de

subrbio.

De fato, sua operao apenas ocorre entre lugares com concentrao

populacional que sejam suficientemente prximos e de certa forma alinhados, uma

33

vez que as estaes devem ser relativamente afastadas entre si e atrair um nmero

de usurios que justifique a parada do trem.

Esses trens costumam ser os mais pesados entre os veculos ferrovirios

e so tambm aqueles que necessitam da maior infra-estrutura. Costumam ser o

principal meio de ligar as cidades menores s maiores em vrios pases, mesmo

hoje em dia.

So normalmente menos geis, mais lentos e com um volume de

operaes menor que os metrs. Isso verdade principalmente pelo fato das vias

que operam no terem sido originalmente projetadas apenas para o transporte de

passageiros mas tambm de carga. Alm disso, a utilizao dessas vias para

transporte de passageiros visa oferecer conforto e confiabilidade para um pblico

que viaja no s a trabalho, mas tambm a passeio e portanto no est

necessariamente apressado (4).

2.2.5 Trens de alta velocidade

Alta velocidade um termo relativo. No h uma velocidade especfica

que defina um trem como de alta velocidade, porm usualmente so assim

considerados aqueles cuja velocidade supere os 200 km/h, (6) e (7).

So normalmente alimentados por locomotivas, porm o que os torna

especiais no apenas a sua aerodinmica, mas tambm sua forma de

acoplamento e articulao. Os carros no so simplesmente acoplados. Ao invs

disso, so unidos de forma semipermanente nas extremidades de dois carros

adjacentes atravs de um truque comum a ambos os carros (8). Ver Figura 1, na

seqncia.

34

Trens de alta velocidade:

Trens convencionais:

Suspenso secundria em vermelho

Figura 1: Exemplo de acoplamento em trens de grande velocidade (8)

Como esse tipo de trem projetado para ser muito leve, a reduo no

nmero de truques se torna possvel. Essa colocao do truque entre carros tambm

reduz os nveis de rudo interno, proporciona maior espao para instalao de

equipamentos sob estrado, um plano mais alto para a suspenso e melhora a

aerodinmica, devido ao pequeno espao entre carros e altura menor em relao

ao cho (8).

A articulao do trem tambm permite que carros adjacentes sejam

dinamicamente acoplados por amortecedores e possibilitem uma passagem

confortvel e silenciosa de passageiros de um carro para outro. A articulao nos

trens de alta velocidade uma importante caracterstica de segurana evitando que,

em uma coliso, o trem se dobre feito um canivete, o que mais comum nos trens

convencionais (8).

Um problema nos trens de alta velocidade o custo elevado que sempre

colocado em questo quando comparado com o investimento necessrio em

outros meios de transporte. Por outro lado, existem vrios benefcios que podem

justificar sua implementao (9):

So mais rpidos que as viagens de avio para as mesmas distncias devido conexo direta entre as reas centrais, eliminando a

necessidade de translados e tempos perdidos em check in;

No so necessrias reservas com antecedncia; Tempos de viagens precisos. No h atrasos por condies climticas; Segurana. Menor ndice de acidentes e fatalidades comparado com

carros ou mesmo com avies;

35

Reduo da poluio atmosfrica e sonora nas imediaes; Apesar de serem trens de alta velocidade o consumo de energia no

excessivamente maior;

2.2.5.1 Vias especiais

Em um sistema de alta velocidade as vias so fundamentais para o

desempenho adequado do sistema. Assim como em rodovias, existem restries de

velocidade as quais geralmente so bem inferiores s velocidades mximas dos

trens.

As vias devem permitir que os trens trafeguem suavemente e com

segurana com velocidades da ordem de 250 a 320 km/h. Devem ainda ser longas o

suficiente para permitir a acelerao e desacelerao dos trens.

O maior problema da utilizao das vias existentes para trfego de trens

de alta velocidade a ao das foras centrfugas em funo da existncia de

curvas acentuadas (7).

Outro problema da utilizao das vias existentes que deve haver uma

coordenao entre os trens de alta velocidade e os trens convencionais, pois muito

facilmente os trens mais rpidos podem ficar travados pelos mais lentos, resultando

em atrasos e, conseqentemente, na perda dos benefcios dos trens de alta

velocidade.

A segurana tambm fundamental. Apesar dos trilhos serem

substitudos quando necessrio, as fundaes so as mesmas, o que significa que

aps chuvas pesadas, por exemplo, as vias podem ceder levemente causando

problemas perceptveis apenas em altas velocidades. Os cruzamentos em nvel

tambm so problemas para a segurana.

Por essas razes os trens de grande velocidade necessitam de vias

especiais. As principais caractersticas das vias especialmente destinadas a trens de

alta velocidade so:

Vias fechadas e exclusivas; Inexistncia de cruzamentos em nvel;

36

Fundaes em concreto; Grande distncia entre linhas paralelas; Curvas com raio menor que 5 km so evitadas; Inclinaes maiores que em vias convencionais; Estaes passantes so construdas com 4 vias; Tneis so evitados;

2.2.6 Trens pendulares

Os trens pendulares possuem um mecanismo que os inclina lateralmente

nas curvas permitindo que se alcance velocidades maiores nas vias convencionais

(6).

Os trens podem ser construdos de tal forma que as prprias foras

inerciais provoquem sua inclinao, comumente referenciados como trens

pendulares passivos. Podem tambm ser inclinados por mecanismos controlados

eletronicamente, sendo nesse caso chamados de trens pendulares ativos (7).

Apesar de no serem to rpidos quanto os trens de alta velocidade, os

trens pendulares so muito mais rpidos que os trens convencionais. Tm ainda a

vantagem de serem capazes de operar em vias existentes, reduzindo os tempos de

viagem e criando assim uma opo vivel aos trens de alta velocidade que

demandam um nvel de investimento muito alto (10). A Figura 2 mostra a inclinao

de um trem pendular no contorno de uma curva.

37

Figura 2: Inclinao do Trem Pendular no contorno de uma curva (7)

A primeira impresso de que no seja seguro contornar curvas em alta

velocidade e que esse o motivo principal para existncia dos trens pendulares.

Todavia, a velocidade na qual o trem se torna inseguro nas curvas, ou seja, a

velocidade capaz de produzir fora suficiente para empurrar o trem para fora da via

alta de forma que seria suficiente para que os passageiros ficassem presos em um

dos lados do trem sem se poder mover (7).

O problema justamente o desconforto causado pela ao da fora

centrfuga sobre o passageiro. Com o movimento pendular dos trens, o passageiro

no empurrado lateralmente mas sim contra o prprio acento, tendo a mesma

sensao provocada pela fora da gravidade.

A Figura 3 mostra um exemplo de trem com falha no sistema pendular em

alguns carros.

38

Figura 3: Carros 1 e 4 com falha no sistema pendular (7)

2.2.7 Outros tipos de veculos

Existem ainda outros tipos de veculos ferrovirios, que no sero

abordados neste trabalho. So eles:

Vages de carga Monotrilho Trens que operam por levitao magntica

2.3 PRINCIPAIS SISTEMAS DOS TRENS DE PASSAGEIROS

Os trens de passageiros so compostos por sistemas com funes

especficas, como propulso e frenagem que so fundamentais para o

funcionamento dos trens. Possuem sistemas voltados para a acessibilidade e o

conforto dos passageiros como portas e climatizao, alm dos sistemas voltados

para controle do trem, sinalizao de falhas e comunicao, entre outros.

39

Os trens modernos possuem diversos sistemas auxiliares tanto para o

conforto dos passageiros como para o controle do trem. Esses sistemas so

geralmente alimentados eletricamente, porm alguns requerem ar comprimido e, em

casos particulares, at mesmo gua, como por exemplo em trens equipados com

toalete. Como o trem uma unidade mvel independente, todos os sistemas

internos devem ser supridos por fontes locais, instaladas no prprio trem (11).

No APNDICE A so apresentadas algumas das caractersticas bsicas

dos principais sistemas empregados nos materiais rodantes atuais, em especial nos

trens de subrbio e metrs. Apesar disso, os demais tipos de veculo possuem

sistemas equivalentes, exceto, claro, pelas particularidades requeridas para cada

aplicao. Na Figura 4 apresentado um diagrama funcional com os principais

sistemas de um trem de passageiros e suas respectivas funes primrias.

40

Figura 4: Diagrama funcional de um trem de passageiros

TREM

ALIMENTAO

TRAO

FREIO MECNICO

Captar energia eltrica da rede

Locomover e frear eletricamente o trem

Frear mecanicamente o trem

SUPRIMENTO ELTRICO

SUPRIMENTO DE AR

PORTAS

Fornecer energia eltrica baixa tenso CA e CC para os demais sistemas

Fornecer ar comprimido para os sistemas pneumticos

Permitir a entrada/sada dos passageiros

TRUQUE / SUSPENSO

ACOPLAMENTO

Prover suporte, amortecimento, e guia

Permitir acoplamento entre carros e entre trens

ILUMINAO

Iluminar interior dos carros e Iluminar / sinalizar parte externa do trem (faris)

VENTILAO / CLIMATIZAO

Ventilar e/ou refrigerar e/ou aquecer salo de passageiros e cabine

COMUNICAO VISUAL E SONORA

Estabelecer comunicao entre cabine e passageiro

VIGILNCIA

Verificar presena e atuao do operador

ANUNCIADOR DE FALHAS

Indicar / registrar falhas dos sistemas

SISTEMA FUNO PRINCIPAL

41

3 GERENCIAMENTO DE CDMS

O projeto de trens de passageiros uma atividade complexa que envolve

uma grande coordenao das aes tcnicas e administrativas de uma empresa e

consome uma grande quantidade de recursos em um processo de engenharia

simultnea integrando o desenvolvimento, a fabricao e a assistncia tcnica. Essa

abordagem faz com que sejam considerados, desde as etapas iniciais do projeto,

todos os elementos do seu ciclo de vida (12).

Um dos aspectos que fazem parte desse processo de engenharia

simultnea a engenharia de Confiabilidade, Disponibilidade, Mantenabilidade e

Segurana (CDMS), que intrinsecamente ligada com as demais reas de

desenvolvimento (12).

3.1 POLTICA CORPORATIVA E PROGRAMAS INTEGRADOS

Segundo OConnor (13), ...Um programa realmente efetivo de

confiabilidade pode existir apenas em uma organizao onde o alcance de altos

ndices de confiabilidade reconhecido como parte da estratgia corporativa e

recebe o apoio da alta direo.... Isso explica o porqu de alguns segmentos

darem mais importncia aos assuntos de CDMS do que outros.

OConnor (13) diz ainda que ...as diretrizes e os cuidados com qualidade

e confiabilidade devem comear no topo da hierarquia e se disseminar por todos os

nveis onde a confiabilidade possa ser afetada.... Portanto, mesmo nas empresas

onde CDMS efetivamente reconhecido como fundamental, se no houver o devido

comprometimento das pessoas que compem a chamada alta administrao, pouco

se poder fazer.

Os esforos de CDMS devem sempre ser tratados como parte integral do

desenvolvimento do produto e no apenas como uma atividade paralela e

desconexa do restante do desenvolvimento.

42

Em empresas com estrutura de gerenciamento matricial, o gerente de

projeto responsvel pela alocao dos recursos necessrios entre as diversas

reas de desenvolvimento. Tambm responsabilidade do gerente de projeto o

controle dos riscos reportados pelas diversas reas do desenvolvimento e a tomada

de decises apoiado pelas respectivas equipes tcnicas. Em funo disso,

fundamental que o mesmo tenha conhecimento das etapas principais do programa

de CDMS, de que forma elas esto relacionadas com o restante do desenvolvimento

e quais os possveis efeitos que tal programa pode causar ao projeto, sejam eles

positivos ou negativos.

Um programa integrado de CDMS deve, acima de tudo, ser organizado e

disciplinado. Enquanto o trabalho de desenvolvimento geralmente mais efetivo

quando no existem muitas restries de regras e burocracia que limitam a

criatividade, os esforos de CDMS devem ser direcionados de forma a estimular a

utilizao de solues padronizadas e consagradas, cuja confiabilidade j tenha sido

comprovada em uso. Esse controle pode ser obtido atravs da implementao de

banco de dados, manuais, procedimentos e verificaes de projeto, por exemplo.

Deve-se garantir atravs de procedimentos obrigatrios que as anlises

de projeto, verificaes, testes funcionais, anlise e correo de falhas sejam

corretamente conduzidas, uma vez que qualquer descuido pode resultar em reduo

da confiabilidade final do produto.

Deve-se ainda evitar a tendncia natural de se reduzir a rigorosidade das

anlises, como por exemplo no atribuindo a devida relevncia a uma falha, em

funo de presses por prazo ou dificuldades tcnicas que geralmente aparecem no

decorrer do projeto. Esse tipo de comportamento apenas adia a manifestao do

problema. preciso que fique claro para todos os envolvidos que uma das principais

atribuies da engenharia de CDMS justamente identificar eventuais problemas

em potencial no desenvolvimento do projeto.

A maneira mais efetiva para se assegurar a no ocorrncia de desvios

que possam comprometer a CDMS de um projeto atravs da excelncia de um

plano de confiabilidade e da implantao de procedimentos padro, com definies

claras de responsabilidades. A efetividade desse processo deve ser checada atravs

de auditorias peridicas.

43

3.2 CICLO DE VIDA DO PROJETO

O ciclo de vida do projeto uma sucesso de fases, cada uma contendo

tarefas especficas e cobrindo a vida total do desenvolvimento do sistema desde sua

concepo inicial at a retirada de operao e disposio final no seu descarte. O

ciclo de vida prov uma estrutura para planejar, administrar, controlar e monitorar

todos os aspectos de um sistema, inclusive CDMS, medida que o projeto progride

pelas fases, de forma a entregar o produto certo dentro dos parmetros de

qualidade, custo e tempo de entrega acordados. O conceito de ciclo de vida

fundamental na implementao de um projeto ferrovirio. De acordo com a norma

IEC 62278 (14), a representao apropriada para o ciclo de vida do projeto est

representada na Figura 5, e as principais tarefas a serem cumpridas para cada fase

do ciclo de vida esto na Tabela 1.

Nessa representao em V do ciclo de vida, o lado esquerdo

geralmente chamado de desenvolvimento e um processo de refinamento

culminando com a fabricao dos componentes do sistema. O lado direito

relacionado com a montagem, instalao, recepo e operao do sistema como um

todo. A representao de V" assume que as atividades de aceitao so

intrinsecamente ligadas ao desenvolvimento das atividades na medida em que o que

de fato projetado deva ser finalmente verificado em relao aos requisitos.

A Figura 6 mostra tarefas de verificao e validao dentro do ciclo de

vida. O objetivo da verificao demonstrar que, para entradas especficas, as

sadas de cada fase satisfazem, sob todos os aspectos, as exigncias daquela fase.

O objetivo da validao demonstrar que o sistema sob considerao, em qualquer

passo de seu desenvolvimento e depois de sua instalao, satisfaz as exigncias

especificadas.

44

Figura 5: Ciclo de vida do projeto

Conceito Monitoramento do desempenho

Validao do sistema e

comissionamento

Definio do sistema e condies de aplicao

Anlise de risco

Requisitos do sistema

Diviso dos requisitos dos sistemas

Projeto e Implementao

Fabricao

Instalao

Modificaes e re-trabalhos

Aceitao do sistema

Operao e manuteno

Descarte

12

13

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

14

45 Tabela 1: Tarefas relacionadas ao projeto (continua)

FASE DO CICLO

DE VIDA

TAREFAS RELACIONADAS AO PROJETO

1

Conceito

Estabelecer escopo e propsito do projeto ferrovirio; Definir conceito do projeto ferrovirio; Elaborao de anlises financeiras e estudos de viabilidade; Estabelecer responsabilidades;

2

Definio do sistema e condies

de aplicao

Estabelecer o perfil da misso do sistema; Preparar a descrio do sistema; Identificar tarefas de operao e manuteno; Identificar condies operacionais; Identificar condies de manuteno; Identificar influncia das restries de infra-estrutura existentes;

3

Anlise de risco

Elaborar anlise dos riscos tcnicos e financeiros relacionada ao

projeto

4


Elaborar anlise dos requisitos; Especificar o sistema (requisitos gerais); Especificar o ambiente; Definir a demonstrao do sistema e os critrios de aceitao

(requisitos gerais); Estabelecer o plano de validao; Estabelecer os requisitos de qualidade, de gerenciamento e de

organizao; Implementar procedimento de controle de modificaes;

5

Diviso dos requisitos dos

sistemas

Especificar requisitos dos subsistemas e componentes; Definir critrio de aceitao de subsistemas e componentes;

6

Projeto e Implementao

Elaborar planejamento; Elaborar projeto e desenvolvimento; Efetuar anlises do projeto e testes; Efetuar verificao do projeto; Efetuar implementao e validao; Planejar suporte logstico;

7

Fabricao

Elaborar planejamento da produo; Produo; Produo e teste de sub-montagens; Preparar documentao; Realizar treinamentos;

8

Instalao

Montar sistema; Instalar sistema;

46 Tabela 1: Tarefas relacionadas ao projeto (concluso)

9

Validao do

sistema e comissionamento

Comissionamento; Executar operao comprobatria; Efetuar treinamentos;

10

Aceitao do sistema

Elaborar procedimentos baseados nos critrios de aceitao; Coletar evidncias para aceitao; Entrada em servio do sistema; Continuao da operao comprobatria (quando apropriado);

11

Operao e manuteno

Operao de longo prazo do sistema; Manuteno; Treinamentos;

12

Monitoramento do desempenho

Coletar dados estatsticos do desempenho operacional; Analisar e avaliar dados;

13

Modificaes e re-trabalhos

Implementar procedimentos de solicitao de modificao; Implementar procedimentos de modificaes e re-trabalhos;

14

Descarte

Planejar e efetuar retirada de operao e descarte;

47

Figura 6: Verificao e validao

3.3 CDMS NO DOMNIO FERROVIRIO

A norma IEC 62278 (14), baseada na norma EN 50126 (15) e pode ser

considerada a principal norma internacional de CDMS para projetos ferrovirios.

Essa norma apresenta as definies dos elementos de CDMS e suas relaes,

define um mtodo de gerenciamento de CDMS dentro de um projeto, baseado no

ciclo de vida dos sistemas ferrovirios e nas atividades em cada etapa do ciclo de

vida, alm de definir um processo sistemtico para especificao dos requisitos de

CDMS e demonstrao de que tais requisitos so alcanveis.

Porm essa norma no define metas de CDMS, requisitos e/ou solues

para problemas especficos na ferrovia. Tambm no define regras e/ou ferramentas

para assegurar o cumprimento com os parmetros de CDMS.

Validao do sistema e comissionamento


Diviso dos requisitos dos sistemas

Aceitao do sistema

VALIDAO

Legenda:

- Verificaes dentro da prpria fase

- Verificaes e tomada de deciso para seguir de uma fase para outra - Validao do sistema em relao s especificaes (fases distintas)

48 CDMS so caractersticas de operao do sistema por um longo perodo

e so obtidas pela aplicao de conceitos consagrados de engenharia, mtodos,

ferramentas e tcnicas durante o ciclo de vida do sistema.

CDMS de um sistema podem ser caracterizadas como a capacidade,

avaliada em termos qualitativos e quantitativos, de funcionar conforme as

especificaes e estar disponvel para operao de forma segura.

O objetivo de um sistema ferrovirio alcanar um determinado nvel de

trfego sobre os trilhos em um dado tempo, de forma segura. CDMS no domnio

ferrovirio descreve a confiana de que o sistema possa garantir o atendimento a

essa meta. Por isso, tem uma forte e clara influncia na qualidade do servio

prestado ao usurio.

De acordo com a norma IEC 62278 (14), a qualidade do servio prestado

tambm influenciada por outros fatores relacionados com a funcionalidade e

desempenho, como por exemplo a freqncia e regularidade do servio, alm do

preo.

O inter-relacionamento dos elementos de CDMS para aplicao ferroviria

representado na Figura 7.

Figura 7: Inter-relacionamento dos elementos de CDMS

CDMS NO DOMNIO FERROVIRIO

SEGURANA DISPONIBILIDADE

CONFIABILIDADE E MANTENABILIDADE

OPERAO E

MANUTENO

49 Todas as falhas ocorridas em um sistema afetam negativamente a

confiabilidade do mesmo, porm apenas algumas falhas muito especficas afetam

negativamente tanto a confiabilidade quanto a segurana do sistema, conforme

mostrado na Figura 8.

SISTEMA FERROVIRIO

ESTADOS FUNCIONAIS

Modos de Falha /

Estados de Falha Modos de falhade segurana

Afetam aConfiabilidade

Afetam aSegurana

Figura 8: Efeitos das falhas em um sistema ferrovirio

CDMS em um sistema ferrovirio so afetadas por 3 fatores: internos ao

sistema em qualquer fase do seu ciclo de vida (Condies do Sistema); externos

impostos ao sistema durante a operao (Condies Operacionais); e fatores

externos impostos ao sistema durante as atividades de manuteno (Condies de

Manuteno), havendo interao entre os mesmos.

3.4 ATIVIDADES EM CADA FASE

A norma IEC 62278 (14), define os objetivos, os requisitos, as entradas e

as sadas relacionadas com CDMS em cada etapa do ciclo de vida do projeto. Na

Tabela 2 constam as principais tarefas relacionadas com CDM e na Tabela 3

constam as principais tarefas relacionadas com a segurana.

50 Tabela 2: Tarefas relacionadas com CDM (continua)

FASE DO CICLO DE VIDA

TAREFAS RELACIONADAS COM CDM

1

Conceito

Rever o desempenho de CDM previamente alcanado; Considerar as implicaes de CDM no projeto;

2

Definio do

sistema e condies de aplicao

Avaliar dados de retorno de experincias passadas com CDM; Efetuar anlise preliminar de CDM; Estabelecer a poltica de CDM; Identificar as condies de operao e manuteno; Identificar a influncia das restries de infra-estrutura existentes em

CDM;

3

Anlise de risco

Elaborar anlise de risco relacionada com o cumprimento dos requisitos de CDM;

4


Especificar requisitos de CDM do sistema; Definir critrio de aceitao de CDM; Definir estrutura funcional do sistema; Estabelecer programa de CDM; Estabelecer a forma de gerenciamento de CDM;

5

Diviso dos requisitos dos

sistemas

Alocao dos requisitos de CDM do sistema nos sub-sistemas, definindo requisitos e critrios de aceitao;

6

Projeto e

Implementao

Implementar programa de CDM atravs de revises de projeto, anlises, testes e avaliao de resultados;

Controlar a evoluo do programa de CDM, incluindo as interfaces com fornecedores;

7

Fabricao

Executar ensaios ambientais; Executar ensaios de melhoria de CDM; Iniciar um de Sistema de Registro de Falhas, Anlise e Aes

Corretivas (FRACAS);

8

Instalao

Iniciar treinamentos dos responsveis pela manuteno; Efetuar previses de sobressalentes e ferramentas especiais;

9

Validao do


Efetuar a demonstrao de CDM

10

Aceitao do

sistema

Avaliar a demonstrao de CDM

11

Operao e manuteno

Gerenciar estoques de sobressalentes e ferramentas especiais; Realizar manuteno Centrada em Confiabilidade;

51

Tabela 2: Tarefas relacionadas com CDM (concluso)

12

Monitoramento do

desempenho

Coletar, analisar, avaliar e utilizar estatsticas de desempenho e CDM;

13

Modificaes e re-

trabalhos

Considerar as implicaes de CDM em modificaes e retrabalhos;

14

Descarte

Sem atividades de CDM;

Tabela 3: Tarefas relacionadas segurana (continua)

FASE DO CICLO DE VIDA

TAREFAS RELACIONADAS COM SEGURANA

1

Conceito

Rever o desempenho de Segurana previamente alcanado; Considerar as implicaes de Segurana no projeto; Rever polticas e metas de Segurana;

2

Definio do sistema e condies

de aplicao

Avaliar dados de retorno de experincias passadas com Segurana; Efetuar Anlise Preliminar dos Perigos (PHA); Estabelecer plano de Segurana; Definir critrio de tolerncia ao risco; Identificar a influncia das restries de infra-estrutura existentes na

Segurana;

3

Anlise de risco

Efetuar anlises de perigo e de riscos segurana do sistema; Preparar um controle dos perigos; Efetuar avaliao de risco;

4


Especificar requisitos de Segurana do sistema; Definir critrio de aceitao de Segurana; Definir requisitos das funes relacionadas segurana; Estabelecer a forma de gerenciamento da Segurana;

5

Diviso dos

requisitos dos sistemas

Alocao dos requisitos de Segurana do sistema nos sub-sistemas, definindo requisitos e critrios de aceitao;

Atualizar plano de Segurana;

6

Projeto e

Implementao

Implementar programa de Segurana atravs de revises de projeto, anlises, testes e avaliao de resultados, registros e anlises dos perigos;

Controlar a evoluo do programa de CDM, incluindo as interfaces com fornecedores;

Justificar decises de projeto relacionadas com a segurana; Preparar arquivos com evidncias de segurana;

52 Tabela 3: Tarefas relacionadas segurana (concluso)

7

Fabricao

Implementar programa de Segurana atravs de revises de processo, anlises, testes e avaliao de resultados, registros e anlises dos perigos;

8

Instalao

Estabelecer um programa de instalao; Implementar programa de instalao;

9 Validao do


Estabelecer um plano de comissionamento; Implementar plano de comissionamento; Preparar a aplicao das medidas de segurana;

10

Aceitao do

sistema

Avaliar a aplicao das medidas de segurana;

11

Operao e manuteno

Realizar manuteno Centrada em Confiabilidade; Realizar monitoramento do desempenho de segurana e atualizao

dos arquiv

Dissertacao Alexandre Facini Dos Santos

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