Introdução: Sintomas de recusa e antecedentes da investigação
Em uma das empresas de construção de máquinas pesadas na Ucrânia, durante uma inspeção programada do acionamento principal de um moinho tecnológico, foram registrados um nível crítico de vibração e um aumento de ruído de fundo (saliência tonal na frequência de engate dos dentes). A análise do espectrograma de vibração mostrou o aparecimento de bandas laterais ao redor da frequência de engate das engrenagens, o que indica modulação de carga e presença de defeitos locais nas superfícies de trabalho das engrenagens e dentes da roda. A parada do equipamento e o exame endoscópico revelaram corrosão e lascamento das superfícies de trabalho dos dentes da engrenagem cilíndrica. Uma investigação detalhada de engenharia de análise de causa raiz (RCA) foi conduzida para evitar a falha acidental do conjunto do inversor alimentado pelo conversor de frequência Telemecanique ATV66U72N4G.
Visão geral dos componentes e condições operacionais
O trem de engrenagens funciona como parte de um acionamento reforçado com potência nominal de 160 kW a uma velocidade de 1480 rpm do eixo de alta velocidade. A relação de transmissão é i = 5,4. O material das rodas é liga de aço 18KHT (18CrMnTi) com cimentação e endurecimento a uma dureza de 58-62 HRC. As condições de operação correspondem a um modo de operação severo com picos de carga cíclicos excedendo o valor nominal em 160%. A caixa de câmbio está integrada ao sistema de controle do motor baseado no inversor Telemecanique ATV66U72N4G, que proporciona partida suave e controle de velocidade.
Parâmetros operacionais do nó:
- A temperatura de trabalho do lubrificante no cárter: 68-75 °C (no máximo permitido 85 °C).
- Classe de pureza do lubrificante para ISO 4406: 18/16/13 (condição real antes do acidente correspondia a 20/18/15).
- Tipo de lubrificante: Óleo sintético para engrenagens ISO VG 220 à base de polialfaolefinas (PAO) com pacote de aditivos antigripantes (EP).
- Vida útil do projeto (MTBF): 50.000 horas. O tempo real até a falha foi de 21.400 horas.
Provas de falha e resultados de medição
O controle visual e metrológico revelou os seguintes defeitos:
- Pitting (camp): Microcrateras com profundidade de até 0,4 mm e área de cobertura superior a 25% da superfície de trabalho dos dentes foram formadas nas áreas próximas à linha do pólo e na área da base do dente da engrenagem motriz.
- Lascamento: Em três dentes da roda motriz foram arrancados pedaços da camada superficial de metal com profundidade de até 1,5 mm e área de até 12 mm². As bordas dos cavacos apresentam caráter de fadiga.
- Medição dos pontos de contato: o teste de pintura mostrou contato marginal. A mancha ocupa apenas 45% do comprimento do dente em vez dos 85% normativos de acordo com os requisitos do DSTU GOST 1643:2004.
- Diagnóstico de vibração: O valor quadrático médio (RMS) da velocidade de vibração na faixa de 10-1000 Hz atingiu 7,8 mm/s (o valor limite de acordo com ISO 10816-3 para fundações rígidas de classe II é 4,5 mm/s).
Análise sistemática de causa raiz (Ishikawa e 5 porquês)
Um diagrama de Ishikawa foi construído para determinar a origem da falha (fatores: material, lubrificante, instalação/alinhamento, cargas operacionais). A aplicação do método dos “5 Porquês” permitiu estabelecer a sequência de eventos:
- Por que ocorreu o pite? Devido ao excesso de tensões de contato acima do limite de resistência de contato da camada cimentada.
- Por que as tensões de contato excederam as calculadas? Devido à distribuição desigual da carga ao longo do comprimento do dente.
- Por que a carga foi distribuída de forma desigual? Por causa do erro angular do paralelismo dos eixos do eixo (desalinhamento da engrenagem em relação ao motor em 0,18 mm por 100 mm de comprimento).
- Por que ocorreu o desalinhamento dos eixos? Devido às deformações térmicas da estrutura e ao afrouxamento dos chumbadores durante os ciclos anteriores de partidas de alto torque.
- Por que o processo de destruição foi acelerado? A contaminação do lubrificante com partículas sólidas e uma diminuição na viscosidade durante o superaquecimento causaram uma quebra hidrodinâmica do filme lubrificante (o coeficiente da espessura do filme lubrificante λ < 1,2).
As causas raízes são identificadas
De acordo com os resultados da investigação, foram identificados três motivos principais com diferentes probabilidades de impacto:
- Desalinhamento dos eixos (Desalinhamento) - 55% de probabilidade. O deslocamento angular dos eixos levou a uma concentração de carga nas bordas dos dentes, o que causou um excesso local de tensões de contato de mais de 1450 MPa (com 1200 MPa permitidos).
- Degradação e contaminação do lubrificante - 30% de probabilidade. Violações da periodicidade de filtração e entrada de partículas abrasivas levaram ao desgaste abrasivo e aceleração de microfissuras.
- Desvantagens do tratamento térmico da camada cimentada — 15% de probabilidade. Redução local da profundidade da camada endurecida efetiva em dentes individuais abaixo dos 1,2 mm normativos de acordo com os requisitos da EN ISO 6336.
Medidas corretivas e preventivas
Para eliminar os defeitos identificados e evitar falhas repetidas, foi desenvolvido um conjunto de medidas:
- Eliminação imediata: Foi realizada a desmontagem do redutor. O par de engrenagens danificado foi substituído por novos componentes originais de classe de precisão 6 de acordo com DSTU GOST 1643:2004.
- Alinhamento: O alinhamento a laser dos eixos do motor e da caixa de engrenagens foi realizado usando sistemas de alta precisão. A tolerância para o paralelismo dos eixos é reduzida ao nível inferior a 0,03 mm por 100 mm de comprimento. Os chumbadores foram substituídos por outros mais resistentes (classe de resistência 10.9) por meio de aperto dinamométrico.
- Modernização do sistema de lubrificação: Foi instalada uma estação adicional de filtração de lubrificação com finura de filtração de 5 mícrons e um sensor de umidade. O tipo de lubrificante foi substituído por um análogo sintético com maior índice de viscosidade.
- Configurações do acionamento elétrico: Nos parâmetros do conversor de frequência Telemecanique ATV66U72N4G, o tempo de aceleração e frenagem (rampa em forma de S) foi otimizado para minimizar os momentos dinâmicos de choque no engate.
Cartão de diagnóstico expresso para engenheiros de campo
A Tabela 1 contém um algoritmo para verificação rápida do estado da caixa de câmbio diretamente na oficina por meio de equipamento portátil.
| Etapa | Parâmetro de validação | Ferramenta/Método | Valor normativo | Sinal diagnóstico de desvio |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Vibração corporal | Analisador de vibrações (espectro FFT) | RMS < 4,5 mm/s (ISO 10816-3) | Picos na frequência de engajamento com bandas laterais |
| 2 | Temperatura do rolamento/cárter | Pirômetro / Termovisor | < 80 °C | Superaquecimento local na área dos mancais de apoio |
| 3 | Condição de lubrificação | Amostragem/Análise laboratorial | ISO 4406: 16/18/13 | Presença de pó metálico, água > 500 ppm |
| 4 | Mancha de contato com o dente | Pintura de controle | Pelo menos 85% de comprimento | Contato de borda ou ponto |
| 5 | Folga na embreagem | Indicador de tipo de relógio | De acordo com o passaporte da caixa de câmbio | Um aumento na folga lateral em 30% do normal |
| 6 | Integridade das superfícies dentárias | Endoscópio industrial | Superfície lisa sem cavidades | A presença de microcrateras, corrosão |
| 7 | Posição de instalação dos eixos | Sistema de centralização a laser | Erro <0,05mm | Deslocamento do eixo acima das tolerâncias do fabricante |
| 8 | Ruído de fundo da unidade | Medidor de nível de som acústico | < 85 dB(A) a uma distância de 1 m | Gritos de metal, zumbidos irregulares |
Estratégia para prevenir falhas
Para garantir o funcionamento ininterrupto de unidades críticas nas empresas de metalurgia ferrosa e não ferrosa e na indústria mineira da Ucrânia, é necessário implementar a seguinte estratégia de manutenção:
- Monitoramento de condições: Medição contínua de vibração pelo método de pulsos de choque (energia de pico) para detectar defeitos de rolamentos e engrenagens nos estágios iniciais (em particular de acordo com o padrão ISO 13373).
- Análise de lubrificantes: Realização de uma análise espectrométrica do óleo a cada 1.000 horas de operação para controlar a concentração de produtos de desgaste de ferro, cromo e silício.
- Substituições regulatórias: Substituição obrigatória de vedações, elementos filtrantes e revisão de acoplamentos a cada 12.000 horas conforme recomendações dos fabricantes de equipamentos industriais.
Conclusão
A análise das causas raízes confirmou que a corrosão e lascamento dos dentes se devem à complexa influência do desalinhamento angular dos eixos do eixo e à violação da pureza do lubrificante. O cumprimento estrito das normas de alinhamento conforme EN ISO 10816, o controle de qualidade dos lubrificantes e o correto ajuste dos conversores de frequência permitem prolongar a vida útil das engrenagens até os indicadores nominais de MTBF. Para uma seleção de peças sobressalentes certificadas, componentes de acionamento e ferramentas de automação, consulte a linha na página do catálogo eletrônico UNITEC-D.
Referências normativas e literatura
- ISO 6336: Cálculo da capacidade de carga de engrenagens retas e helicoidais.
- ДСТУ ГОСТ 1643:2004: Передачі зубчасті циліндрові. Допуски.
- ISO 10816-3: Vibração mecânica — Avaliação da vibração da máquina por meio de medições em peças não rotativas.
- ISO 4406: Potência do fluido hidráulico — Fluidos — Método para codificação do nível de contaminação por partículas sólidas.
- PT ISO 13373: Monitoramento de condições e diagnóstico de máquinas — Monitoramento de condições de vibração.
