1. Introdução
Em uma das empresas de construção mecânica pesada na Ucrânia, durante a manutenção técnica programada do motor principal da linha tecnológica, foi registrado um ruído de alta frequência inusitado e uma vibração aumentada do redutor. A inspeção das superfícies internas com o uso de um endoscópio revelou um dano localizado nas superfícies de trabalho dos dentes da engrenagem e do pinhão. A causa principal da parada do equipamento foi o piting progressivo (corrosão pontual) seguido de transição para microesfoliação (spalling). A vida média até a falha (MTBF) para esse componente deveria ser de 45 000 horas, mas o estado de emergência surgiu já após 14 200 horas de operação. Isso exigiu a realização de uma investigação técnica profunda para identificar as causas raiz de acordo com os requisitos do padrão ISO 10816 e as metodologias de análise de falhas.
2. Visão geral do componente
O componente investigado é um redutor de alta precisão com engrenagem, no qual o elemento principal de transmissão de torque é o componente com o número de artigo FIBRO 2480.022.10000. Este componente opera sob condições de altas cargas cíclicas, garantindo a transmissão de potência dentro da cadeia cinemática de uma máquina-ferramenta ou complexo de processamento.
- Momento de torção nominal: até 2400 Nm
- Temperatura de operação do lubrificante: 65 °C – 85 °C (limite 95 °C)
- Material da engrenagem: Aço cementado 18ХГТ (ou equivalente 18CrNiMo7-6 conforme EN 10084), dureza da superfície 58-62 HRC, profundidade da camada cementada 1,2-1,6 mm.
- Velocidade de rotação: 1500 rpm (eixo de entrada)
Componente está localizado dentro de um corpo de fundição hermético com sistema de lubrificação por carter. O meio de trabalho prevê o uso de óleo sintético para redutor da classe ISO VG 220 baseado em polialfaoléfinas (PAO) com aditivos anti-escorregamento (EP).
3. Provas de falha
O visual demonstra a imagem clássica de desgaste da superfície. Em áreas da linha do polo e abaixo da raiz do dente, observam-se inúmeras pequenas cavidades (pitting) com diâmetro entre 0,5 e 2,0 mm e profundidade até 0,8 mm. Na face carregada dos dentes do componente FIBRO 2480.022.10000, identificou-se a fusão dessas cavidades em zonas contínuas de desintegração (spalling).
| Parâmetro de medição | Valores normativos (ISO / DIN) | Valor real no objeto |
|---|---|---|
| Vibração (SCA velocidade) | < 2,8 mm/s (ISO 10816-3) | 7.4 мм/с (frequências dominantes de engrenagem) |
| Classe de pureza do óleo | ISO 4406: 16/14/11 | ISO 4406: 20/18/15 (alto grau de contaminação por partículas sólidas) |
| Viscosidade do óleo a 40 °C | 220 мм²/с ± 10% | 185 мм²/с (destruição do selador e deslocamento) |
| Pintura de contato por dente | > 70% pela extensão e altura | < 35% (contato lateral de um lado) |
4. Estudo das Causas Raiz
Para determinar a cadeia de eventos que levou à falha prematura da FIBRO 2480.022.10000, foi aplicado o método "5 Porquês" (5 Whys) em conjunto com o diagrama de Ishikawa, focando nos quatro fatores principais: óleo, geometria/alinhoamento, materiais e ambiente de operação.
- Por que ocorre o pitinamento e o esfregamento? Devido ao excedente das tensões de contato na superfície do dente acima da resistência à fadiga de contato do material.
- Por que surgiram tensões de contato excessivas? Devido à distribuição desigual da carga ao longo do flanco do dente (contato de borda).
- Por que a carga foi distribuída de forma desigual? Devido à desalinhamento angular dos eixos (desvio de eixo) dentro de 0,15 mm por comprimento de 100 mm.
- Por que ocorreu o desalinhamento dos eixos? Devido às deformações térmicas do fundamento e à insuficiente precisão do alinhamento durante a montagem após a reparação anterior.
- Qual papel o óleo desempenhou? A viscosidade do fluido de trabalho caiu abaixo do mínimo crítico devido ao superaquecimento local, impossibilitando a formação de uma película de óleo de espessura mínima ($h_{min} > \sigma_1 + \sigma_2$), necessária conforme os padrões ISO 281 e AGMA 9005-E02.
5. Causas identificadas
Com base nos resultados do análise complexa, foram identificados três causas principais com diferentes probabilidades de contribuição para a falha:
- Desalinhamento angular e contato de borda (Probabilidade: 50%): Confirmado pelo método de pintura e análise de manchas de contato. A carga concentrava-se na borda do dente, onde as tensões superavam os valores calculados em 2,3 vezes.
- Degradacao e contaminaçao do óleo (Probabilidade: 30%): Análise de amostras de óleo mostrou a presença de produtos de desgaste (pó de ferro e pó de aço) e redução da espessura da película hidrodinâmica ($EHD$), causando contato metálico de superfícies rugosas.
- Não conformidade dos parâmetros de montagem (Probabilidade: 20%): Desvio em relação aos limites de perpendicularidade dos locais de montagem das suportes de rolamento durante a montagem do conjunto.
6. Ações corretivas
Para eliminar os defeitos identificados e prevenir novas falhas, foi desenvolvido um complexo de medidas imediatas e de longo prazo:
Atenção: A operação de equipamento com vibração acima de 7,0 mm/s é proibida de acordo com as normas de segurança industrial da Ucrânia (NPAOP 0.00-1.81-18). É necessária a substituição imediata do componente danificado.
- Reparação urgente: Desmontagem do redutor, limpeza completa do corpo, substituição do elemento dentado danificado por um componente original do catálogo UNITEC-D, respeitando as tolerâncias conforme DIN 3962 (grau de precisão não inferior a 6).
- Alinhamento e ajuste: Alinhamento laser de eixos com respeito à tolerância de paralelismo $\le 0.02$ mm e desalinhamento angular $\le 0.05$ mm/m.
- Otimização do óleo lubrificante: Transição para óleo sintético de alta qualidade ISO VG 220 com pacote melhorado de aditivos EP e instalação de sistema de filtragem de ar duplo estágio (classe de pureza não inferior a ISO 4406 17/15/12).
7. Cartão de diagnóstico rápido para técnicos
Esta tabela de checklist foi desenvolvida para engenheiros de campo e pode ser utilizada diretamente na oficina com o uso de um tablet:
- Inspeção visual do carter: Verificar a presença de ferrugem, avaliar o nível e a cor do óleo através da janela de inspeção.
- Medição de vibração: Medir os valores nos suportes dos rolamentos em três direções mutuamente perpendiculares ($V_{RMS}$).
- Termometria: Medir a temperatura do corpo na zona de engate com um pirômetro (norma até 85 °C).
- Análise do espectro de frequência: Buscar harmônicas da frequência de engrenagem ($GMF$) e bandas laterais da frequência de rotação.
- Análise de óleo: Retirar amostra da parte inferior do dreno para análise laboratorial quanto à presença de partículas ferromagnéticas ($Fe$ > 100 ppm — alerta).
- Verificação do sapato: Limpar ou substituir o filtro de ar do sapato para evitar acúmulo de poeira.
- Controle de aperto dos parafusos: Verificar os momentos de aperto dos parafusos de fixação do redutor à estrutura de acordo com o manual técnico.
- Endoscopia de engate: Inspecionar pelo menos 4 dentes ao redor na presença de microfissuras, pitinagem ou desgaste.
8. Estratégia de Prevenção
Para garantir o funcionamento contínuo do equipamento industrial nas empresas ucranianas é necessário implementar a seguinte estratégia de manutenção técnica:
- Monitoramento de condição (PdM): Instalação de sensores fixos de vibração e controle contínuo de análise espectral de pulsos de impacto ($ shock\ pulses $).
- Regulamento de lubrificação: Realização de análise laboratorial do óleo a cada 2000 horas de funcionamento ou uma vez a cada 6 meses. Substituição completa do óleo sintético a cada 8000–10000 horas.
- Auditoria de alinhamento: Verificação programada de alinhamento do motor a cada 12 meses após a conclusão do ciclo de oscilações térmicas sazonais no depósito.
9. Conclusão
Saída prematura de engrenagens com desgaste por pitting e escorregamento sempre é consequência de um impacto combinado de desvios mecânicos (desalinhamento) e piora das condições de lubrificação. O rigoroso cumprimento dos regulamentos de montagem, controle vibracional regular e uso de peças de reposição certificadas permitem evitar paradas de emergência e atingir o recurso projetado do equipamento. A seleção de componentes de qualidade para substituição está disponível em UNITEC-D E-Catalog.
10. Referência
- ISO 10816-3: Vibração mecânica — Avaliação da vibração da máquina por meio de medições em partes não girantes.
- ISO 281: Rolamentos — Cargas dinâmicas de capacidade e vida nominal.
- DIN 3962: Tolerâncias para dentes de engrenagens cilíndricas.
- AGMA 9005-E02: Lubrificação de Engrenagens Industriais.
- EN 10084: Aços de endurecimento por case — Condições técnicas de entrega.
