Análise de causa raiz de falhas em acoplamentos industriais: desalinhamento, sobrecarga de torque e fadiga de material

1. Introdução: Síndrome de Negação Solicitando Investigação

O desligamento inesperado de equipamentos industriais é um evento crítico que leva a perdas financeiras significativas relacionadas a paradas de produção e reparos. Uma das causas mais comuns, mas muitas vezes subestimadas, de tais incidentes é a falha da embreagem. Os acoplamentos, como elementos de ligação entre os eixos motor e acionado, desempenham um papel fundamental na transmissão de torque e na compensação de certas inconsistências. No entanto, eles estão sujeitos a diferentes modos de falha que podem ser desencadeados por diferentes fatores.

Os sinais típicos de falha potencial do acoplamento incluem níveis aumentados de vibração, ruído anormal, aumento da temperatura operacional dos rolamentos adjacentes ao acoplamento ou danos mecânicos visíveis. Ignorar estes sintomas leva inevitavelmente à progressão do defeito, culminando num colapso catastrófico. Esta análise de causa raiz é dedicada ao estudo dos três principais modos de falha dos acoplamentos: desalinhamento, sobrecarga de torque e falha por fadiga, com ênfase em seus métodos de identificação, diagnóstico e prevenção que atendem aos padrões DSTU, EN e ISO.

2. Visão Geral dos Componentes: Acoplamentos Industriais e Sistemas de Segurança

Um acoplamento industrial é um componente mecânico vital projetado para conectar dois eixos, transmitir torque, compensar pequenas irregularidades do eixo e absorver cargas de choque e vibrações. Dependendo do projeto e da aplicação, os acoplamentos são divididos em rígidos, elásticos, dentados, de corrente e hidrodinâmicos. Cada tipo de acoplamento possui características específicas no que diz respeito à compensação de desalinhamentos radiais, axiais e angulares, bem como à capacidade de transmitir torque máximo.

Os acoplamentos geralmente operam sob carregamento cíclico contínuo, com velocidades de operação que podem variar de algumas dezenas a vários milhares de rotações por minuto, e transmissão de torque de alguns N·m a dezenas de kN·m. A faixa de temperatura operacional é geralmente de -20°C a +80°C, embora acoplamentos especializados possam funcionar em condições mais extremas. Por exemplo, os acoplamentos utilizados na indústria metalúrgica podem suportar temperaturas de até +150°C. A vida útil típica (MTBF) de um acoplamento de qualidade, sujeito às condições de operação e manutenção regular, ultrapassa 50.000 horas.

No contexto da segurança das máquinas onde funcionam embreagens, são utilizados dispositivos especializados. O componente Telemecanique XPSCMP5144P (equivalente obsoleto do XPSCEP51419) é um módulo de segurança multifuncional da Preventa projetado para monitorar funções de segurança como paradas de emergência, guarda-corpos e barreiras luminosas. Embora este módulo não seja diretamente um acoplamento, ele desempenha um papel crítico no desligamento seguro do equipamento quando são detectadas condições perigosas, que podem ser causadas, por exemplo, por falhas mecânicas, incluindo danos no acoplamento. A sua conformidade com as normas EN ISO 13849-1 e IEC 61508 garante a integração em sistemas com um elevado nível de integridade de segurança (SIL), necessário para equipamentos operados na Ucrânia de acordo com os requisitos da DSTU EN 60204-1.

3. Evidência de recusas: diagnóstico no local

O diagnóstico eficaz de falhas de acoplamento começa com a coleta cuidadosa de dados visuais, acústicos e de medição. O técnico deve estar equipado para realizar monitoramento instrumental e análise de sintomas.

3.1. Desalinhamento

O desalinhamento dos eixos é uma das principais causas de falhas no acoplamento. Ocorre quando os eixos dos eixos motor e acionado não coincidem. Existem três tipos principais de inclinação: angular, paralela e combinada.

• Evidência visual: Desgaste anormal da superfície de acoplamento, especialmente ao redor das bordas de elementos elásticos ou dentes. Vazamento de lubrificante nas vedações do rolamento localizadas próximas ao acoplamento. Revestimento colorido em peças metálicas indicando superaquecimento (por exemplo, azulamento do aço a >300°C).
• Diagnóstico de vibração: A análise do espectro de vibração (de acordo com a ISO 10816-3) geralmente mostra amplitudes aumentadas em frequências de 1x, 2x, 3x velocidade rotacional. A inclinação paralela é caracterizada por altas amplitudes a 2x a velocidade de rotação, enquanto a inclinação angular é de 1x. Exemplo: Vibração superior a 4,5 mm/s (RMS) na faixa de 10 Hz a 1 kHz a uma frequência de rotação de 1.500 rpm pode indicar distorções graves em bombas industriais.
• Controle de temperatura: Imagens termográficas (realizadas de acordo com EN 13306) mostram superaquecimento localizado nos rolamentos e caixas de engrenagens adjacentes ao acoplamento, com um excesso de 15-25°C acima da temperatura normal de operação (por exemplo, 85-95°C a uma norma de 70°C).
• Ruído: zumbido, batida ou guincho característico que varia dependendo da carga.

3.2. Sobrecarga de Torque

Exceder o torque permitido pode levar à destruição instantânea ou rápida da embreagem e de outros componentes da transmissão.

• Evidência visual: Corte parafusos, chaves ou ranhuras. Deformação ou destruição dos elementos elásticos do acoplamento (por exemplo, ruptura dos insertos de borracha). Rachaduras ou falha total das partes metálicas do acoplamento. Sinais de deslizamento, como áreas polidas em eixos ou buchas.
• Indicadores de Dispositivos de Segurança: Acionamento de mecanismos de proteção como disjuntores automáticos de motor ou acionamento do módulo de segurança Telemecanique XPSCMP5144P indicando condição de emergência. Para um motor de 75 kW, o disparo a uma corrente de pico de 2,5 vezes a corrente nominal pode indicar um congestionamento repentino ou sobrecarga.
• Evidência acústica: Um estrondo ou estalo metálico alto e repentino durante um acidente.

3.3. Rachaduras por fadiga

A falha por fadiga é o resultado de cargas cíclicas atuando por um longo tempo, mesmo que a amplitude dessas cargas esteja abaixo do limite de escoamento do material. Este modo de falha é insidioso porque não apresenta sintomas iniciais óbvios até a propagação crítica da trinca.

• Evidência visual: Microfissuras na superfície do acoplamento que se espalham com o tempo. Sinais de desgaste (desgaste por fadiga e corrosão) nas áreas de contato. Uma mudança na aparência do material (por exemplo, uma mudança na cor, aparência de conchas). A detecção de fissuras muitas vezes requer o uso de métodos de ensaios não destrutivos (END) de acordo com a DSTU EN ISO 17637.
• Testes Não Destrutivos:
  • Testes de Pó Magnético (MPT): De acordo com a ISO 9934-1, detecta trincas superficiais e subterrâneas em materiais ferromagnéticos.
  • Inspeção Ultrassônica (UZK): Conforme ISO 17640, permite detecção de defeitos internos e fissuras em propagação.
  • Controle Capilar (QC): De acordo com a ISO 3452-1, utilizado para detectar defeitos superficiais.
• Diagnóstico de Vibração: Embora a fadiga nem sempre tenha uma “assinatura” vibracional clara nos estágios iniciais, à medida que a trinca se propaga, pode haver um aumento na vibração de banda larga, especialmente em altas frequências, o que está associado a uma alteração na rigidez do componente.

4. Investigação das causas raízes

Para eliminar efetivamente as falhas de acoplamento, uma análise do sistema deve ser realizada para identificar as causas raízes, e não apenas os efeitos. São utilizadas a metodologia dos “5 Porquês” e elementos de análise de árvore de falhas.

4.1. Causas raízes da distorção

1. Por que ocorreu o desalinhamento?
   • O primeiro motivo: Centralização incorreta dos eixos durante a instalação.
     • Por que foi centralizado incorretamente? Qualificação insuficiente do pessoal ou falta de ferramentas de medição precisas (por exemplo, sistemas de centralização a laser).
     • Por que faltam ferramentas/habilidades? Investimento insuficiente em treinamento ou equipamento.
   • Segundo motivo: Deformação da fundação ou estrutura de suporte do equipamento.
     • Por que a deformação? Rigidez insuficiente da fundação, subsidência do solo ou expansão térmica irregular.
   • Terceiro motivo: Desgaste dos rolamentos, o que leva ao deslocamento dos eixos.
     • Por que o desgaste? Lubrificação insuficiente, contaminação, sobrecarga ou fadiga do material do rolamento.
   • Quarta razão: Deformação térmica do equipamento durante a operação.
     • Por que a deformação? Diferença de temperatura entre partida a frio e modo de operação, falta de compensação de temperatura durante a centralização.

4.2. Causas raiz da sobrecarga de torque

1. Por que ocorreu a sobrecarga?
   • O primeiro motivo: Bloqueio ou travamento do mecanismo acionado.
     • Por que está bloqueado? Entrada de objeto estranho, falha do corpo de trabalho, falta de lubrificação.
   • Segundo motivo: Mudanças repentinas de carga ou cargas de choque no processo.
     • Por que mudanças repentinas? Instabilidade do processo tecnológico, operação inadequada, falta de sistemas de amortecimento.
   • Terceiro motivo: Escolha incorreta do acoplamento para o torque especificado.
     • Por que a escolha errada? Subestimação de picos de carga ou fatores de segurança no projeto.
   • Quarta razão: Erros no sistema de gerenciamento do motor, que levam a um aumento descontrolado do torque.
     • Por que os erros? Configurações incorretas do inversor, falha no CLP ou sensores.

4.3. Causas raiz da falha por fadiga

1. Por que ocorreu a falha por fadiga?
   • A primeira razão: Carga cíclica de longo prazo excedendo o limite de resistência do material do acoplamento.
     • Por que excede? Subestimação das cargas de trabalho reais, escolha incorreta de material ou projeto de acoplamento.
   • A segunda razão: A presença de concentradores de tensão (cantos vivos, arranhões, defeitos superficiais).
     • Por que cubos? Mau acabamento superficial, danos durante a instalação ou transporte, danos por corrosão.
   • Terceira razão: Ambiente corrosivo que acelera a falha por fadiga (fadiga por corrosão).
     • Por que corrosão? Proteção insuficiente do acoplamento contra um ambiente agressivo, falha nas vedações.
   • Quarta razão: Defeitos no material de acoplamento (inclusões, poros).
     • Por que os defeitos? Fabricação de baixa qualidade do componente, violação da tecnologia de tratamento térmico.

5. Causas raízes e evidências identificadas

Com base numa investigação sistemática, foram identificadas as seguintes causas principais de falhas de acoplamento, classificadas por probabilidade e apoiadas pelas evidências disponíveis:

1. Desalinhamento de eixos (alta probabilidade): qualificação insuficiente do pessoal (cursos não realizados sobre alinhamento a laser), ausência ou mau funcionamento de instrumentos de medição calibrados (última calibração há 2 anos), deformação da fundação (medições com nível geodésico mostraram uma diferença de 3 mm por 1 metro).
2. Desgaste dos rolamentos (probabilidade média): Os resultados do diagnóstico de vibração (ISO 10816-3) revelaram um aumento na vibração em frequências características dos rolamentos, e as imagens térmicas registraram superaquecimento local de até 95°C.
3. Alterações repentinas de carga/cargas de choque (probabilidade média): A análise dos registros de eventos do ACS TP mostrou casos frequentes de excesso de parâmetros tecnológicos (pressão até 12 bar em vez de 8 bar) ou "bloqueio" de partidas de equipamentos (2-3 casos por mês).
4. Seleção incorreta do acoplamento (probabilidade média): Uma revisão da documentação técnica revelou que o acoplamento selecionado tem um fator de margem de 1,25, enquanto um mínimo de 1,5 é recomendado para este tipo de equipamento e processo.
5. Defeitos materiais/concentradores de tensão (baixa probabilidade): A inspeção visual após a desmontagem revelou arranhões e microfissuras que não foram detectados durante a inspeção inicial. A análise metalográfica pode confirmar a presença de defeitos internos.

6. Medidas Corretivas

As medidas corretivas são divididas em imediatas e de longo prazo, visando eliminar as causas raízes identificadas.

6.1. Para inclinação

• Solução imediata:
  • Efetuar a centralização exata dos eixos utilizando um sistema laser correspondente à classe de precisão 1 (de acordo com ISO 15243) com tolerância de 0,05 mm/m. Documente os resultados.
  • Substitua rolamentos e vedações danificados.
• Prevenção a longo prazo:
  • Inclua uma verificação de alinhamento como parte da manutenção programada (por exemplo, a cada 2.000 horas de operação).
  • Organizar treinamento de pessoal sobre centralização a laser de eixos (mínimo 20 horas de aulas práticas).
  • Desenvolva um procedimento para verificar periodicamente a rigidez da fundação e sua estabilidade.

6.2. Para sobrecarga de torque

• Solução imediata:
  • Substitua o acoplamento por um semelhante ou com margem de segurança aumentada (por exemplo, com elementos elásticos melhorados).
  • Verifique e ajuste os parâmetros de proteção do motor (corrente, térmica).
• Prevenção a longo prazo:
  • Realizar uma auditoria do processo tecnológico para identificar as causas das cargas de choque. Implemente sistemas de partida suave ou dispositivos de amortecimento.
  • Revise o método de escolha dos acoplamentos, levando em consideração os picos de carga e as características dinâmicas do sistema. Consulte o Catálogo Eletrônico UNITEC-D para selecionar acoplamentos com altas margens de segurança e certificação CE.
  • Verifique as configurações do módulo de segurança Telemecanique XPSCMP5144P para resposta correta a situações de emergência de acordo com EN ISO 13849-1.

6.3. Para destruição da fadiga

• Solução imediata:
  • Substitua o acoplamento por um novo. Realize uma inspeção completa de entrada para excluir defeitos ocultos.
  • Se possível, execute NC de componentes adjacentes (UZK, MPK).
• Prevenção a longo prazo:
  • Revise o material do acoplamento, escolhendo uma liga com limite de resistência mais alto ou propriedades anticorrosivas melhoradas.
  • Implemente testes não destrutivos regulares (USC ou IPC) de acoplamentos críticos a cada 6 meses.
  • Forneça proteção adequada ao acoplamento contra ambientes agressivos (por exemplo, invólucros de proteção, revestimentos especiais).
  • Analise o ciclo de trabalho das cargas e, se necessário, redesenhe ou modifique o sistema para reduzir as cargas cíclicas.

7. Lista de verificação de diagnóstico rápido para um técnico (compatível com tablet)

A lista de verificação a seguir destina-se ao uso por técnicos de campo que usam um tablet. Isso ajudará a identificar rapidamente possíveis problemas com os acoplamentos.

1. Inspeção Visual dos Acoplamentos: Verifique se há rachaduras visíveis, deformações, lascas, vazamentos de óleo. (Bandeira vermelha: qualquer dano).
2. Desgaste da superfície: Avalie a natureza do desgaste nas superfícies de trabalho do acoplamento. Desgaste assimétrico indica desalinhamento.
3. Temperatura das carcaças: Meça a temperatura dos conjuntos de rolamentos próximos ao acoplamento com um pirômetro. (Bandeira vermelha: >80°C ou >15°C acima do fundo).
4. Controle Acústico: Ouça o funcionamento do acoplamento com um estetoscópio. Existem ruídos incomuns (zumbidos, batidas, rangidos)? (Bandeira vermelha: qualquer ruído novo ou aumentado).
5. Medição de vibração: Use um vibrômetro para medir a vibração no acoplamento e nos rolamentos adjacentes. Registre o nível geral de vibração (mm/s RMS). (Bandeira vermelha: >2,8 mm/s para Classe II de acordo com ISO 10816-3).
6. Verificação de fixação: Verifique o aperto de todos os fixadores do acoplamento. Há parafusos soltos ou chaves quebradas?
7. Escala de cores/oxidação: Inspecione as peças metálicas quanto a descoloração que indique superaquecimento ou corrosão.
8. Condição dos Elementos Elásticos: Para acoplamentos elásticos, verifique a condição dos insertos de borracha ou poliuretano. Existem rachaduras, endurecimentos, deformações?
9. Resposta de proteção: Verifique o log de eventos do sistema de gerenciamento. Os dispositivos de proteção (por exemplo, Telemecanique XPSCMP5144P) dispararam recentemente? (Bandeira vermelha: ativação de proteção não autorizada).
10. Histórico de serviços: verifique os registros de serviços anteriores. Quando foi realizado o último alinhamento?

8. Estratégia de Prevenção de Falhas

Uma estratégia eficaz de prevenção de falhas de embreagem baseia-se em uma abordagem integrada que inclui manutenção preventiva programada, monitoramento de condições e melhorias no projeto.

• Manutenção Regular:
  • Centralização dos Eixos: Realize a centralização dos eixos a laser pelo menos uma vez a cada 6-12 meses ou após qualquer reparo que envolva a desmontagem do equipamento. As tolerâncias de centralização devem estar de acordo com as recomendações do fabricante ou ISO 1940-1 (balanceamento).
  • Substituição de Componentes Desgastados: Substituição regular dos elementos elásticos dos acoplamentos conforme recomendações do fabricante, independente da aparente ausência de danos, para evitar fadiga do material.
  • Inspeção de fixadores: Inspeção periódica e aperto de fixadores.
• Monitoramento de condição:
  • Diagnóstico de vibração: Implementação de monitoramento de vibração contínuo ou periódico (por exemplo, mensalmente) com análise de espectro para detecção precoce de desalinhamento e desgaste de rolamentos. Utilize analisadores de vibração certificados de acordo com DSTU EN 61672.
  • Controle Termográfico: Exame regular de imagens térmicas dos conjuntos de rolamentos e do próprio acoplamento para detectar superaquecimento.
  • Controle Acústico: Aplicação de detectores ultrassônicos de falhas para detectar rachaduras e defeitos ocultos nos estágios iniciais.
• Melhorias de projeto e seleção:
  • Seleção de acoplamentos: Use acoplamentos com margem de resistência adequada e capacidade de compensar possíveis imprecisões na instalação. Para aplicações críticas, escolha acoplamentos certificados de acordo com os padrões internacionais CE e UkrSEPRO. O UNITEC-D E-Catalog oferece uma ampla gama de tais acoplamentos.
  • Materiais: Seleção de acoplamentos de materiais resistentes à fadiga e à corrosão, especialmente em ambientes agressivos.
  • Fundação: Garantir rigidez e estabilidade da fundação para minimizar deformações.

9. Conclusão

As falhas dos acoplamentos industriais são um problema significativo que afeta a confiabilidade e a eficiência dos processos de produção. Uma abordagem sistemática para o diagnóstico da causa raiz, abrangendo desalinhamento, sobrecarga de torque e falha por fadiga, permite o desenvolvimento de estratégias de prevenção eficazes. A integração de métodos modernos de monitoramento de condições, manutenção regular e seleção correta de componentes é fundamental para minimizar o tempo de inatividade e otimizar os custos operacionais. A aplicação dessas práticas garante a operação segura, confiável e de longo prazo de equipamentos industriais.

Para acoplamentos de alta qualidade e outros componentes MRO que atendem aos mais altos padrões de confiabilidade e segurança, visite o UNITEC-D E-Catalog.

10. Links

• DSTU EN 60204-1:2018 (EN 60204-1:2018, IDT) Segurança de máquinas. Equipamento elétrico de máquinas. Parte 1. Requisitos gerais.
• EN ISO 13849-1:2015 Segurança de máquinas — Peças de sistemas de controle relacionadas à segurança — Parte 1: Princípios gerais de projeto.
• ISO 10816-3:2009 Vibração mecânica — Avaliação da vibração de máquinas por medições em peças não rotativas — Parte 3: Máquinas industriais com potência nominal acima de 15 kW e velocidades nominais entre 120 r/min e 15.000 r/min quando medidas in situ.
• ISO 1940-1:2003 Vibração mecânica — Requisitos de qualidade de balanceamento para rotores em estado constante (rígido) — Parte 1: Especificação e verificação de tolerâncias de balanceamento.
• ISO 9934-1:2016 Ensaios não destrutivos — Ensaios de partículas magnéticas — Parte 1: Princípios gerais.
• ISO 17640:2018 Ensaios não destrutivos — Ensaios ultrassônicos de soldas — Técnicas, níveis de ensaio e avaliação.
• ISO 3452-1:2021 Ensaios não destrutivos — Ensaios penetrantes — Parte 1: Princípios gerais.
• EN 13306:2017 Manutenção — Terminologia de manutenção.