Introdução: sintomas da parada de emergência
Durante a inspeção programada do acionamento da misturadora na linha de mistura química foi identificado um folgado crítico no eixo de saída do redutor. O acompanhamento sonoro da operação do mecanismo mudou para um estalo metálico com frequência que correlaciona com a rotação do eixo (1450 rpm). O controle termográfico mostrou um aumento localizado de temperatura na zona de conexão eixo-alojamento até 85 °C, enquanto o nominal é de 45 °C. A desmontagem do conjunto revelou o corte completo da chaveta prismática e um considerável desgaste do entalhe da chaveta no eixo. Como acionamento foi utilizado um motor elétrico com aparelhagem de partida regulada, especificamente contator e relés interface do tipo Telemecanique KXA 04PM42, que garantiam cargas cíclicas reversíveis.
Visão do componente e condições de operação
Junta de chaveta é utilizada para transmitir o momento torsor do eixo para a porca do disco de trabalho ou polia, através da fixação nos sulcos do eixo e da peça instalada. A junta está localizada no eixo rápido/intermediário do redutor com momento torsor nominal de 320 Nm.
Parâmetros do ambiente de trabalho
- Temperatura de operação: de -10 °C a +65 °C (considerando o aquecimento do motor).
- Ciclicidade de carga: modo reversível, até 120 acionamentos por hora.
- Material do eixo: aço 40Х (DSTU 4543 / EN 1.7045), dureza 28-32 HRC.
- Material da chave: aço 45 (DSTU 1050 / EN 1.0503), resistência à tração temporária $\sigma_v = 600$ MPa.
Documentos de falha (inspeção e medição)
Visão visual e instrumental do nó defeituoso forneceu os seguintes dados:
- A chaveta está dividida em duas partes no corte transversal ao longo da linha de corte, na superfície de fratura observam-se claramente traços de falha por fadiga — zona de fadiga desenvolvida (pista) e zona de falha final rápida (aproximadamente 30% da área).
- Medição com micrômetro do diâmetro do eixo na zona de montagem mostrou ovalidade de 0,04 mm, acima do desvio permitido de 0,012 mm (conforme ISO 286).
- Entalhe de chaveta do eixo quebrado na largura: dimensão nominal de 12 mm aumentou para 12,35 mm.
- Análise de vibração antes da falha detectou aumento de picos de velocidade de vibração no intervalo de 1X e 2X frequências de rotação até 7,8 mm/s (conforme ISO 10816-3, estado "Proibição de operação").
Investigação das Causas Raiz
Para determinar a cadeia de eventos que levou à falha, foi aplicado o método de árvore de falhas (Fault Tree Analysis) e a análise segundo a metodologia 5 Porquês (5 Whys).
Cadeia de análise 5 Por quê:
1. Por que ocorreu o corte da arruela? — Devido a sobrecarga por forças de corte.
2. Por que as forças excederam as calculadas? — Forças de impacto surgiram devido ao folga no conjunto.
3. Por que houve folga? — A montagem da porca no eixo tinha um excesso de folga em vez de um tensionamento garantido (montagem com folga H7/h6 em vez de montagem transitória P7/h6).
4. Por que foi utilizada a montagem incorreta? — Não foram respeitados os tolerâncias de processamento mecânico durante a reparação anterior e as exigências do padrão ISO 286.
5. Por que isso não foi detectado a tempo? — Houve omissão no controle regulamentar do estado do fixador e da medição da vibração.
Causas identificadas (lista classificada)
| № | Primeira causa | Probabilidade (%) | Provas e justificativas |
|---|---|---|---|
| 1 | Desvio dos limites de ajuste (intervalo livre no conjunto) | 55 | Análise microscópica da superfície do ranhura revelou traços de impacto microscópicos (fretting-corrosão), que são consequência do deslocamento axial e angular dos componentes. |
| 2 | Fadiga cíclica da fadiga do material da chave de emenda | 25 | Macroimagem da superfície de fratura mostra linhas de fadiga. Inversões de partida através dos contator KXA 04PM42 da Telemecanique criavam cargas alternadas acima da limite de resistência. |
| 3 | Dimensão insuficiente da chaveta ou seção enfraquecida | 15 | Cálculo de fadiga por esforço cortante e cisalhamento conforme DSTU 23360 (ISO 773) mostrou superação das tensões de contato em 35%. |
| 4 | Material de qualidade inferior da chave (falsificação) | 5 | Análise espectral mostrou desvio no teor de carbono na liga da arruela (0,32% em vez de 0,45%), o que reduziu a limite de alongamento. |
Ações corretivas e preventivas
- Reparação imediata (Curto prazo): Fabricação de um novo eixo com recuperação da geometria da cabeça até a classe de precisão h6. Fabricação de uma nova chaveta prismática de aço 40Х (tratada térmicamente até 35-40 HRC conforme EN 10083-3). Aplicação de uma folga de transição conforme ISO 286-1.
- Prevenção de longo prazo (Long-term): Transição para conexões sem parafusos (buchas de acoplamento do tipo Ringfeder) para unidades com modos de operação reversíveis. Implementação de monitoramento contínuo de vibração e estado térmico de unidades de rolamento e eixos.
Check-list diagnóstico rápido para pessoal técnico
Este checklist é destinado ao uso em tablet diretamente na linha de produção durante o inspecionamento mensal (Maintenance & Reliability):
- Verificar o estado da camada de laca e pintura e sinais de desgaste de ferrugem (pó vermelho) ao redor da matriz (sinal de corrosão por fretting).
- Medir o desalinhamento radial do eixo com um indicador do tipo relógio (tolerância não superior a 0,03 mm).
- Realizar controle vibratório do corpo do redutor (análise espectral nas frequências de desbalanceamento e desalinhamento).
- Verificar a temperatura do nó com um pirômetro sem contato (limite de alarme: >60 °C).
- Verificar o torque dos parafusos de fixação e fixação axial (se forem utilizados anéis axiais).
- Revisar o estado da equipamento de comutação, incluindo circuitos de potência e controle do acionamento Telemecanique KXA 04PM42, em relação à ausência de desbalanceamentos de fase.
- Verificar a ausência de sons anormais e ruídos durante o arranque e parada do equipamento.
- Fixar os resultados das medições no diário digital de manutenção (CMMS).
Estratégia de prevenção de falhas
Para atingir o índice de confiabilidade MTBF alvo acima de 25 000 horas é necessário cumprir os seguintes padrões:
- Intervalo de verificação dos momentos de aperto e folgas: a cada 1 000 horas de uso.
- Período de vibrodiagnóstico: mensalmente.
- Cumprimento dos padrões de montagem: ISO 286 (tolerâncias), DSTU 23360 (chavetas prismáticas).
- O uso exclusivo de peças de reposição e elementos de transmissão certificados. O completo catálogo de componentes padrão para reparação e modernização está disponível através de UNITEC-D E-Catalog.
Conclusão
Análise mostrou que a causa principal da falha do eixo de chave foi um complexo de fatores: não conformidade dos ajustes de montagem durante a manutenção anterior, que causou um jogo livre e microimpactos, bem como cargas cíclicas devido à operação do motor elétrico. O rigoroso cumprimento dos ajustes conforme ISO 286, o uso de aços de liga de qualidade e o monitoramento regular da vibração eliminam totalmente o risco de paradas de emergência nas empresas industriais ucranianas. Para seleção de componentes compatíveis e pedido de peças de reposição de qualidade, utilize UNITEC-D E-Catalog.
Referência Bibliográfica
- DSТU 23360-78 (ISO 773-69) Ligações com chavetas prismáticas. Dimensões.
- ISO 286-1:2010 Especificações geométricas de produto (GPS) - Sistema de código ISO para tolerâncias em dimensões lineares.
- DSТU EN 10083-3:2019 Aços para revenimento e normalização. Parte 3: Aços ligados.
- ISO 10816-3:2009 Vibração mecânica - Avaliação da vibração de máquinas por medições em partes não girantes.
- Guia de confiabilidade de máquinas e mecanismos de equipamentos industriais, ed. prof. M. I. Kovaly, Kiev, 2021.
