Introdução

A britagem é um conjunto de operações realizadas para fragmentação de blocos de minério de diversos tamanhos, podendo ser segmentado em etapas, como primária e secundária. As máquinas mais utilizadas durante a britagem são os britadores, que possuem diversos tipos, como giratório, de mandíbulas, de impacto e o de rolos.

Nesse sentido, o presente artigo aborda um dos cases de sucesso da Kot, em que a análise de falha do eixo acionado de um britador de rolos (a Figura 1 mostra o eixo fraturado) foi realizada. Além disso, o sistema em questão é composto por um conjunto de 9 rotores, cada um formado por três dentes e o eixo, por sua vez, é acionado por um sistema de motor elétrico conectado a um acoplamento hidrodinâmico.

Figura 1: Eixo fraturado do britador.

Visando determinar as causas da falha, a Kot realizou a avaliação estrutural do eixo, utilizando inspeções visuais, análises laboratoriais e análises computacionais pelo Método dos Elementos Finitos (MEF).

Metodologia empregada

A atividade foi iniciada com a realização de as built do eixo do britador, por meio do escaneamento 3D da estrutura fraturada, bem como o levantamento dimensional. O modelo do eixo escaneado pode ser visto na Figura 2.

Figura 2: Escaneamento 3D do eixo fraturado. FONTE: Acervo Kot.

Em seguida, o modelo de elementos finitos foi gerado em software específico. Para a geração da malha, utilizou-se uma combinação de elementos sólidos tetraédricos e hexaédricos de segunda ordem. Nesse contexto, a região de falha do eixo foi modelada com maior refinamento de malha, visando a obtenção de uma melhor relação de custo computacional e precisão para o cálculo do campo de tensões atuantes. A Figura 3 apresenta o modelo elaborado em elementos finitos.

Figura 3: Modelo em elementos finitos do eixo do britador. FONTE: Acervo Kot.

Da mesma forma, a determinação correta da discretização do meio contínuo, a aplicação das condições de contorno também é crucial para a obtenção de resultados fidedignos à realidade do objeto simulado, ainda mais em uma análise de falha. Para isso restrições foram aplicadas no modelo para a representação do contato do eixo com os mancais radiais e do contato da parte estriada com o redutor do sistema de acionamento. Os carregamentos gerados no contato dos dentes com o material a ser britado foram aplicados como cargas remotas para contabilização dos momentos fletores e torsores.

Além disso, foram simuladas diversas condições operacionais a fim de a cobrir a maior gama de esforços atuantes durante um giro do eixo, bem como contabilizar os diversos ciclos de carga que o equipamento é exposto durante sua vida útil. Dessa maneira, a variação de posições dos dentes e magnitudes de carregamento consideradas permite a realização de uma análise de fadiga com o espectro de carga mais próximo da realidade. A Figura 4 ilustra as condições de contorno para uma das situações de operação simuladas.

Figura 4: Condições de contorno e carregamentos aplicados no modelo computacional. FONTE: Acervo Kot.

Resultados

Após a construção do modelo computacional, foram realizadas análises estáticas por meio do Método dos Elementos Finitos. De modo geral, para todas as situações, incluindo o torque máximo (veja Figura 5), a estrutura do eixo apresenta fator de segurança superior ao considerado adequado para o tipo de aplicação), indicando que a estrutura resiste aos esforços estáticos atuantes.

Figura 5: Resultados da análise estática a partir do método dos elementos finitos. FONTE: Acervo Kot.

Posteriormente, a segunda etapa da análise de falha foi a verificação de fadiga do eixo. A partir do histórico de corrente do motor registrado pelo sistema de automação, realizou-se a contagem dos ciclos de carga através da metodologia rainflow, preconizada em normativos internacionais.

Nesse cenário, em função do modo de operação do britador, é gerado um estado multiaxial de tensão não reversível, sendo necessária a utilização de uma metodologia de análise de fadiga especifica. O diagrama S-N clássico indica um patamar constante após 10⁶ ciclos, porém, segundo uma norma internacional, aços em componentes sujeitos a um elevado número de ciclos não possuem tal patamar. Por conseguinte, foi realizada a alteração do coeficiente angular da curva S-N após 10⁶ ciclos para se refletir tal comportamento, como pode ser visto na Figura 7. Com base na curva S-N e no número de ciclos a que o eixo esteve submetido antes de sua falha, também foi obtido um fator de segurança superior ao recomendado, indicando que a falha por fadiga do eixo não era esperada.

Figura 7: Diagrama S-N para o eixo do britador. FONTE: Acervo Kot.

A fim de compreender melhor o que ocasionou a falha, foi realizada uma análise detalhada da superfície de fratura, que atestou a presença de diversas trincas próximas ao rasgo de chaveta, decorrentes de intervenções de manutenção realizadas previamente no eixo. A coalescência de tais trincas gerou uma macro trinca, que sofreu propagação por fadiga e comprometeu um percentual da seção transversal do eixo antes da falha. Diante disso, levantou-se a possibilidade de ocorrência de falha por sobrecarga durante a operação.

Com o intuito de entender qual a magnitude da carga que gerou a falha, foi realizada uma análise de Mecânica da Fratura Linear Elástica, em que uma trinca com dimensões semelhantes àquelas verificadas na superfície de fratura foi introduzida em um modelo computacional de elementos finitos. Com isso, permite-se calcular o Fator de Intensidade de Tensões (FIT) na frente da trinca e comparar tal parâmetro com a Tenacidade à Fratura (K_IC) do material.

Assim, com base nas simulações realizadas, observou-se que esforços equivalentes ao torque máximo do motor de acionamento eram capazes de fazer com que o FIT combinado para os modos de tração e torção se igualasse ao K_IC do material, culminando na fratura do eixo. A Figura 8 ilustra a distribuição do Fator de Intensidade de Tensões na frente da trinca inserida no modelo computacional.

Figura 8: Fator de Intensidade de Tensões obtido no modelo computacional. FONTE: Acervo Kot.

Conclusão

Em síntese, a partir das análises realizadas, conclui-se que o projeto do eixo era adequado para os esforços atuantes. Porém, devido à inclusão de defeitos advindos de intervenções de manutenção do eixo, foi gerada uma trinca que se propagou de forma estável por fadiga até que, durante um evento de sobrecarga, o material atingiu a tenacidade à fratura, culminando na ruptura frágil do eixo.

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FAQ

1. O dimensionamento original do eixo era adequado para as cargas de operação do britador?

Sim, as simulações computacionais estáticas e de fadiga demonstraram que o projeto do eixo era perfeitamente adequado para os esforços nominais de trabalho. Mesmo considerando os picos de torque do motor e o histórico de corrente registrado pela automação através da contagem de ciclos Rainflow, os fatores de segurança calculados permaneceram acima dos limites recomendados por normas internacionais. Isso comprovou que a ruptura não foi causada por erro de cálculo de projeto nem por subdimensionamento mecânico.

2. Quais foram as principais etapas metodológicas empregadas no diagnóstico da falha?

A investigação da causa raiz seguiu uma sequência técnica rigorosa para reconstruir a história da fratura:

• Levantamento As-Built por Escaneamento 3D: Captura precisa da geometria do eixo fraturado para geração de modelo tridimensional fiel à peça real;

• Modelagem por Elementos Finitos (MEF): Discretização com malha refinada na região de falha, simulação do contato nos mancais e aplicação de cargas remotas nos dentes;

• Análise Fractográfica e Mecânica da Fratura (LEFM): Inspeção visual da superfície de ruptura e introdução de trinca virtual no modelo computacional para determinar o Fator de Intensidade de Tensões (FIT).

 

3. Qual foi a causa raiz real que desencadeou a fratura catastrófica do eixo?

A falha teve origem em microtrincas geradas por intervenções prévias de manutenção nas proximidades do rasgo de chaveta. Com o trabalho contínuo do britador, essas trincas coalesceram em uma macrotrinca que se propagou de forma estável por fadiga, reduzindo gradualmente a seção resistente do metal. O colapso final ocorreu quando um evento de sobrecarga operacional elevou o Fator de Intensidade de Tensões ao limite da Tenacidade à Fratura (Kic) do material, provocando a ruptura frágil e repentina do componente.

4. Como a Mecânica da Fratura Linear Elástica (LEFM) comprovou o momento do colapso?

A aplicação da LEFM permitiu simular a interação entre o defeito físico existente e as tensões operacionais máximas:

• Inserção do Defeito no Modelo: Uma trinca com dimensões equivalentes às observadas na superfície de fratura real foi modelada na região do rasgo de chaveta;

• Cálculo do FIT Combinado: O modelo determinou o Fator de Intensidade de Tensões resultante da combinação dos modos de tração e torção atuantes;

• Comparação com a Tenacidade (Kic): Constatou-se que surtos de carga equivalentes ao torque máximo do motor faziam o FIT atingir o limite crítico do material, disparando a fratura instantânea.