A eficiência energética no transporte ferroviário só é possível devido às baixas perdas de energia no contato de rolamento entre as superfícies duras da roda e do trilho, que se tocam apenas em uma pequena área de contato. Tipicamente, essa região apresenta uma forma próxima à de uma elipse e uma área equivalente à de um círculo de 13 mm de diâmetro.
Em decorrência disso, elevadas tensões são observadas no contato (que podem facilmente chegar a 3000 MPa) e vários fenômenos indesejados ocorrem. A depender de uma gama de fatores, como a geometria no contato, o traçado da ferrovia, o peso sobre os rodeiros e a ocorrência de deslizamentos, as tensões no contato apresentam diferentes magnitudes e variações. As diferentes distribuições de tensão no contato, associadas a fatores tribológicos e metalúrgicos, resultarão em diferentes mecanismos de degradação, que alteram a geometria, as propriedades mecânicas e causam a remoção de material do par roda-trilho.
Os defeitos em rodas ferroviárias podem comprometer a dinâmica do veículo, aumentar ainda mais as forças no contato, as vibrações e a resistência ao rolamento. Como consequência, maiores custos de manutenção são gerados pela redução da vida de rodas e trilhos, além do aumento no consumo de combustível e prejuízo à segurança. Em casos extremos, os defeitos em rodas podem provocar o descarrilamento e graves acidentes.
Os componentes de um rodeiro envolvem o eixo, o par de rodas e, dependendo de sua aplicação, as engrenagens, o disco de freio, os mancais de rolamentos, entre outros. O rodeiro pode ser identificado pela marcação individual de seus componentes e/ou pelo conjunto formado com os símbolos representativos de seus componentes.
O processo de marcação a ser adotado fica a critério do usuário. O rodeiro é o conjunto formado por um eixo e duas rodas devidamente ajustadas a ele e seus componentes (ver figura abaixo). As partes da roda incluem o friso, pista de rolamento, aro, disco, cubo, lado interno e lado externo da roda (conferir figura abaixo). A bitola externa (Be) é a distância entre os pontos de bitola das rodas do rodeiro e bitola interna (Bi) é a distância entre as faces internas do aro das rodas de um rodeiro.
Quanto à manutenção, o aquecimento da roda em campo provoca a dilatação no seu aro, o qual, ao longo do tempo, promove a inversão da tensão de compressão para tração nas rodas que, durante a fabricação, sofrem tempera diferencial na pista de rolamento. Este efeito é cumulativo, fazendo com que a tensão de compressão diminua cada vez que a roda se aquece durante o processo de frenagem.
A total inversão da tensão de compressão muda o estado de tensão da roda para tração, a qual, estando tensionada, pode fraturar a qualquer momento. A fratura de uma roda com inversão de tensão ocorre de forma radial, chegando muitas vezes até o seu cubo, diminuindo a resistência ao escoamento do aço, podendo favorecer a deformação plástica do material da roda.
A esferoidização é um fenômeno que ocorre quando um aço é mantido em temperatura abaixo de 727 °C, durante um tempo superior a 30 min. Nesse caso, ocorre uma mudança de microestrutura perlítica (lamelas) em microestrutura esferoidizada. As consequências imediatas da esferoidização são a diminuição da dureza, da resistência mecânica e do limite de escoamento, podendo acelerar os defeitos nas rodas.
Quando se tem temperaturas iguais ou superiores a 727 ºC, ocorre a transformação de fase, com a formação, após brusco resfriamento, de um microconstituinte chamado martensita, que não se é obtido nos processos de fabricação e é extremamente frágil e pouco resistente à deformação. A martensita pode ocorrer pontualmente, como, por exemplo, quando a roda desliza sobre o trilho, porém a martensita é o ponto de partida para a geração de trincas.
O efeito de aquecimento nunca acontece isoladamente, sendo fortemente afetado pelas tensões a que a roda está sujeita. Os sensores de medição de temperatura de rodas em campo normalmente medem a temperatura na face externa do aro, porém, na região da pista de rolamento, esta temperatura é mais alta.
Normalmente se colocam sensores de temperatura em pontos críticos do traçado ferroviário, como em final de descida de serra, porém as rodas podem sofrer aquecimento em qualquer local da ferrovia, como, por exemplo, o aquecimento oriundo de alguma falha no sistema de freio, gerando travamento.
O fato de a roda sempre estar rodando em apenas um local em relação à pista de rolamento provoca um aumento da tensão de contato, que é agravado ainda mais pelo aquecimento da roda. Todo contato roda/trilho gera tensões nas superfícies. A falta de perfis apropriados de trilho e roda leva a um aumento das tensões de contato.
Por isso, são necessárias inspeções periódicas dos rodeiros e, sendo detectado algum defeito, os rodeiros devem ser enviados para manutenção. Os desgastes da roda podem gerar os seguintes defeitos críticos: friso falso na pista de rolamento; espessura do aro reduzida (roda em serviço por muito tempo no final de vida); e contato roda/trilho na região do friso (roda em serviço por muito tempo).
A NBR 5565 de 07/2022 – Rodeiro ferroviário – Classificação, montagem e manutenção estabelece a classificação, os parâmetros e as condições para montagem e manutenção de rodeiros com eixo maciço para veículo metroferroviário. A segurança do tráfego é obtida apenas a partir da livre passagem dos rodeiros pelos aparelhos de mudança de via (AMV) instalados na via. Para tanto, a definição dos parâmetros dimensionais de um rodeiro é feita de forma compatível com a NBR 15810, atendendo à interrelação de medição dos pontos de bitola entre os dois sistemas (70/10 mm na roda e 14 mm abaixo do topo do boleto dos trilhos).
O não atendimento a este preceito pode implicar na utilização de rodeiros que provoquem impactos ou esforços indesejáveis no contato roda/trilho, quando da passagem dos rodeiros pelo cruzamento do AMV, causando a degradação acelerada do material rodante, do cruzamento, das fixações do trilho e da placa de apoio, do dormente e do assentamento da via, podendo, inclusive, acarretar o descarrilamento do rodeiro em questão.
O rodeiro é classificado em função do tipo de bitola interna, conforme a seguir: rodeiro de bitola métrica (M): 1.000 mm; o rodeiro de bitola normal (N): 1.435 mm; e o rodeiro de bitola larga (L): 1.600 mm. Para o procedimento de montagem, o eixamento das rodas (operação de montagem das rodas no eixo) deve ser feito a frio, em prensa hidráulica dotada de manômetro e registrador gráfico. A prensa deve permitir um eixamento progressivo e controlado, de modo a não deformar os componentes e não danificar as partes usinadas.
O centro do eixo deve ser marcado com tinta apropriada ou sobre pintura de alvaiade. Esta marcação serve como referência para o controle da bitola interna do rodeiro. O gabarito para marcação não pode causar danos ao eixo, como sulcos, amassamentos, etc.
No eixamento das rodas e da engrenagem, deve-se verificar o alinhamento dos componentes do rodeiro com o pistão da prensa hidráulica. Todo eixamento deve ser acompanhado de registro gráfico. Durante o eixamento, as mangas do eixo devem estar protegidas contra impactos e riscos.
Todo rodeiro montado deve ter rodas de mesmo número teipe que é a medida usual que determina o comprimento da circunferência de uma roda, medido na superfície de rolamento. O acabamento das superfícies de contato deve ter os seguintes valores de rugosidade média (parâmetro Ra): sede da roda, no eixo: 0,4 µm a 3,2 µm; furo da roda: 1,6 µm a 6,4 µm; sede do rolamento (manga do eixo): 0,4 µm a 1,6 µm; sede da engrenagem, no eixo: 0,4 µm a 3,2 µm; furo da engrenagem: 1,6 µm a 3,2 µm.
Para eixamento de rodas e engrenagens, devem ser utilizadas pastas de montagem específicas para este fim, como, por exemplo, os materiais à base de óleo de linhaça ou bissulfeto de molibdênio. Os valores para a bitola interna do rodeiro de veículos de bitola estreita (1,000 m) e de bitola larga (1,600 m) e de carros metroviários da bitola-padrão (1,435 m) são especificados na tabela abaixo, com suas respectivas tolerâncias. Em casos de operações de tráfego mútuo ou direito de passagem, o valor da bitola interna do rodeiro deve ser estabelecido pela concessionária ou proprietária da via permanente.
Para a montagem dos mancais de rolamentos tipo cartucho, deve-se limpar as mangas do eixo, na área de assentamento do anel traseiro do cartucho e aplicar, uniformemente, uma camada de anticorrosivo/selador isento de chumbo, na área superior do raio da manga e no canto do raio. Revestir a manga do eixo com uma camada moderada de óleo mineral SAE 40 a 50, limpo e isento de chumbo. Este revestimento deve lubrificar a manga do eixo ou assentamento durante a montagem.
Utilizar o dispositivo-guia para acoplar o rolamento, de acordo com a medida da manga do eixo, observando que as forças devem ser aplicadas no anel interno do rolamento, para evitar que haja danos ao rolamento. Posicionar o rodeiro na prensa de montagem de rolamentos, alinhar e centralizar o rolamento tipo cartucho em relação ao eixo e aplicar a força de montagem do rolamento.
O rolamento necessita de uma força de, aproximadamente, 10 t a 20 t (90 kN a 180 kN) para ser montado, devido à interferência de encaixe entre as circunferências da manga do eixo e do cone do rolamento. Após o rolamento parar de se movimentar, permitir que a força de montagem do rolamento.
O relatório de montagem do rodeiro deve conter no mínimo as seguintes informações: tipo de rodeiro, conforme as medidas da manga de eixo; gráfico da força de eixamento das rodas; número de série e fabricante do eixo; modelo, números de série e fabricante das rodas; número de identificação, classe e fabricante dos rolamentos; força de montagem das engrenagens, quando aplicada; força de assentamento dos rolamentos (força-pico); folga axial dos rolamentos; bitola interna; data do eixamento; e nome do responsável pela montagem.
Após a inspeção final da montagem do rodeiro, antes da estocagem ou expedição, o rodeiro deve ser protegido contra corrosão e choques mecânicos oriundos das operações de manuseio e transporte. Na movimentação de um rodeiro, devem-se evitar choques mecânicos. Recomenda-se que o tipo de proteção contra corrosão e choques mecânicos seja acordado entre o comprador e o fabricante.
No rodeiro, quando não estiver inclusa a montagem dos rolamentos de manga e a caixa de rolamentos, a manga deve ser protegida com produto antioxidante e contra choques mecânicos. Quando se tratar de rodeiro motor, esta proteção deve ser realizada em todo o eixo.
Há dois tipos de escamações em rodas ferroviárias: as que ocorrem em baixa temperatura (abaixo de 727 °C), chamada de shelling, e as que ocorrem em alta temperatura (acima de 727 °C), chamada de spalling. A separação entre alta e baixa temperaturas tem como parâmetro a temperatura de austenitização do aço, que ocorre a 727 °C.
O shelling tem origem no termo inglês shell (concha), pois sua forma lembra esta formação marinha. O shelling está normalmente associado à fadiga subsuperficial na pista de rolamento da roda, sendo identificado pela perda de uma parte do material da pista (arrancamento) por fadiga de contato e deformação plástica.
Esta fadiga gera trincas que se propagam de forma circunferencial paralela à pista de rolamento da roda à baixa temperatura. Estas trincas se originam a uma profundidade de 1 mm a 3 mm da superfície de rolamento e normalmente estão associadas a altas tensões de contato, com deformações plásticas do material da roda.
As cargas de impacto (choques) devidas a alguma ovalização na roda podem também ser consideradas um fator que contribui para formação das trincas subsuperficiais (shelling). Como o shelling está associado à deformação plástica, o corte da roda na região do defeito revela a deformação plástica no material com escoamento, ao contrário do spalling que, associado a dano térmico, revela a área termicamente afetada.
O spalling é caracterizado pelo processo de formação de trincas na pista de rolamento, as quais são nucleadas pelo deslizamento (escorregamento) da roda no trilho. Este é um defeito de origem termomecânica, que ocorre quando a roda desliza com intensidade sobre o trilho, elevando a temperatura. Uma grande energia de atrito é gerada instantaneamente, causando o aumento da temperatura superficial da roda, na região do deslizamento, acima da temperatura de austenitização (727 °C).
O aquecimento é seguido de um rápido resfriamento, resultando na formação de uma fina camada de martensita não revenida, a qual é extremamente dura e frágil. Esta camada de martensita se desprende da roda por pequenas fissuras, durante o contato da roda com o trilho. A espessura da camada de martensita varia de 0,1 mm a 0,5 mm, porém, em alguns casos, pode chegar a mais de 1,2 mm. Uma das causas mais comuns de escamação durante a frenagem é devida a problemas no sistema de freio ou nas sapatas que atuam na pista de rolamento da roda.