O último artigo publicado no Blog da Kot abordou conceitos como: ODS, acelerometria, análise modal e ressonância.

Introdução

A necessidade de moinhos em diversos processos de mineração é evidente para os profissionais da área, principalmente para os sistemas de moagem.  O presente artigo irá apresentar um dos casos de sucesso da Kot Engenharia contemplando a análise dinâmica em um desses equipamentos, o moinho de bolas.

Esse modelo de moinho é formado por um corpo cilíndrico que possui diversas esferas em seu interior, geralmente de aço ou ferro fundido, que são as responsáveis pela moagem do minério. Esse processo ocorre devido ao movimento dessas esferas, que são elevadas devido à força centrífuga de rotação do cilindro até determinado ponto, em que elas então caem sobre as outras que ainda se encontram na porção inferior. Dessa forma, quando um material (nesse caso, o minério) é adicionado ao conjunto, as forças envolvidas na rolagem e queda das esferas resultam na sua fragmentação, como exemplificado pelas esferas vermelhas no Gif 1.

Em função da natureza dinâmica da operação, anomalias nas estruturas de suporte desses equipamentos são recorrentes e geralmente se manifestam por meio de vibração excessiva, fissuras/trincas e falhas recorrentes dos chumbadores ou componentes mecânicos. A insuficiência de rigidez e resistência das estruturas de suporte dos mancais (Ex.: vigas, pilaretes e blocos de concreto) pode ser um dos fatores responsáveis pelas não conformidades mencionadas, sendo agravado por erros na construção dos elementos de ligação (Ex.: chapas de base, chumbadores e armaduras de reforço) e por desvios de montagem do pacote mecânico.

Tendo em vista os problemas citados, a Kot Engenharia considera essencial a análise estrutural dinâmica desse tipo de equipamento, processo que permite estudar o comportamento do conjunto (estrutura, equipamento e fundação) para os variados cenários operacionais (Ex.: moinho vazio, cheio, alterações de velocidade, etc.). Como resultado, passam a ser previstos e reduzidos os fatores associados à ocorrência de vibrações excessivas, fadiga, entre outras falhas estruturais que implicam em paradas e reparos recorrentes.

Descrição do case

Um moinho de bolas utilizado na moagem de minério apresentava histórico de anomalias nas peças de concreto, localizadas abaixo dos mancais de suporte do eixo do pinhão de acionamento. A fissuração excessiva e o desplacamento das peças de concreto foram, a princípio, justificadas pelo comportamento dinâmico inadequado do conjunto. Com o intuito de diagnosticar e solucionar efetivamente as ocorrências, a Kot Engenharia segmentou a campanha de investigação nas seguintes etapas:

• Análise estrutural do conjunto;
• Medições in loco, tratamento dos dados e classificação da vibração em operação;
• Inspeção visual das anomalias estruturais.

A seguir são apresentadas visões gerais de cada uma das etapas e, por fim, a conclusão e solução proposta a partir da investigação.

Análise estrutural

Como já mencionado, nesse tipo de equipamento a análise estrutural dinâmica apresenta-se como poderosa ferramenta de engenharia. Para isso, foi utilizado o método dos elementos finitos (MEF) para realização desta etapa. As seguintes condições foram adotadas para a análise:

• Modelagem da estrutura de concreto armado que suporta o equipamento;
• Consideração da interação solo-estrutura;
• Consideração da interação entre estrutura e o equipamento;
• Definição dos parâmetros de excitação estrutural, isso é, a determinação dos níveis de vibração decorrentes da catarata no interior do moinho em operação.

Um software específico de elementos finitos foi utilizado para elaboração do modelo estrutural da base do moinho, em que foram dispostos elementos sólidos (tridimensionais) para melhor representação do estado de tensões no material, como apresentado na Figura 1.

Para avaliar a interação do solo com a estrutura é necessário levar em consideração as propriedades mecânicas do solo e a geometria da base do equipamento. Como resultado dessa análise concluiu-se que, além da deformação da base do moinho, proveniente da excitação, a movimentação devido à influência dessa interação (solo-estrutura) na resposta transiente da estrutura de concreto também é relevante.

A etapa seguinte envolve o cálculo dos carregamentos, quando são definidas a massa estrutural, a massa dos equipamentos mecânicos e as cargas dinâmicas, provenientes da catarata formada no interior do moinho. Nesse sentido, cabe notar que as cargas oriundas da reação de catarata são variáveis no tempo, devido à sua natureza aleatória. Isso resulta em uma excitação dinâmica da base do moinho, já que o fluxo de material em queda é alterado o tempo todo, mesmo com a rotação constante do equipamento.

Com isso em mente, as propriedades e as cargas envolvidas no processo de queda do material foram calculadas em software desenvolvido pela Kot Engenharia, que utiliza do conceito de funcionamento do moinho de bolas. Adicionalmente, os resultados obtidos também foram avaliados com base em resultados experimentais já obtidos pela Kot em análises anteriores.

Para avaliação dos resultados desta análise dinâmica foram obtidos os envelopes de velocidades e acelerações da estrutura no regime de operação, com um exemplo sendo apresentado a seguir, na Figura 2. A utilização dos envelopes é uma técnica de processamento de sinal que possibilita a detecção de falhas em estágios mais iniciais, principalmente de problemas mecânicos, como folgas e desapertos.

Com base na avaliação desses dados, obtidos pela análise estrutural, concluiu-se que as bases do moinho estavam adequadas dinamicamente. Isso eliminou a dinâmica da base como possível causa para os problemas observados na estrutura de concreto, que suportam os mancais do eixo do pinhão de acionamento. Essa conclusão é particularmente válida quando considerada a condição de projeto, isto é, de que a estrutura foi construída e montada em atendimento à todas as definições de projeto. Sendo assim, tornou-se necessária a investigação da estrutura em condição ‘as is’.

Medições de vibração e inspeção estrutural

O próximo passo foi o cálculo dos níveis de vibração nas bases do moinho que, como verificado pela inspeção estrutural, apresentavam condição crítica devido à fissuração inadequada e ao desplacamento do concreto sob a placa de base (soleplate) dos mancais. Esses mancais suportam o eixo de acionamento do moinho, e a qualidade inadequada do concreto (devido a desvios construtivos) era tida como uma das possíveis causas de vibrações excessivas no sistema de acionamento.

Vale destacar que a vibração é inerente ao processo e a sua classificação como “excessiva” é realizada a partir de prescrições normativas.

Nesse sentido, os níveis de vibração normativamente admissíveis variam em função da classe do equipamento, que é definida pela potência, tipo e porte, além da flexibilidade da base em que o equipamento está instalado. Além disso, os limites de vibração aplicados são baseados em cargas dinâmicas nos rolamentos. Assim, os valores de velocidade e deslocamento são classificados em zonas, que definem a condição de operação do ativo:

• Zona A: Vibração característica de máquinas novas;
• Zona B: Níveis de vibração aceitáveis para operação de longo prazo;
• Zona C: Máquinas que apresentam vibração nessa zona são consideradas insatisfatórias para operação em longo prazo e devem passar por manutenção programada;
• Zona D: Valores de vibração elevados e que causam danos aos equipamentos. Deve-se realizar manutenção imediata.

Logo a seguir, na Figura 3 (esquerda), temos um exemplo da medição de velocidade nos mancais do sistema de acionamento do moinho. Ao lado direito, é apresentado um espectro de frequências, que consiste na descrição de uma determinada variável no domínio da frequência, possibilitando o resumo dos sinais de vibração associados às diversas frequências que ocorrem simultaneamente. Todos os níveis de vibração foram medidos em pontos padronizados, de acordo com a norma de referência.

Com esses resultados, as vibrações obtidas foram comparadas aos níveis admissíveis do equipamento, avaliando a conformidade da base do moinho em relação às normas vigentes. Também foram analisados os modos de vibração das bases e das colunas, buscando identificar alguma possível relação com as não conformidades observadas.

Por fim, o tratamento dos dados coletados concluiu que os níveis de vibração medidos em parte dos mancais apresentavam valores acima dos admissíveis por norma, condição que requeria ações corretivas. Nessas mesmas bases, e somente nelas, a inspeção visual evidenciou danos no graute, sob as chapas de base dos mancais. Essas evidências permitiram concluir a relevância de alguns fatores, entre eles, a execução (construção) deficiente do concreto sob as chapas de base das ligações dos mancais.

Conclusão

Foi possível identificar que alguns mancais apresentavam níveis de vibrações abaixo dos valores admissíveis por norma, enquanto outros já se encontravam em um estado que requeria manutenção imediata. A inspeção visual evidenciou danos no concreto sob as bases dos mancais, sendo essas anomalias atribuídas à construção deficiente do concreto que, sob condições operacionais de carregamento, apresentava falha. Como resultado, a redução de rigidez implicou na elevação dos níveis de vibração do conjunto. Também foi apontada uma possível contribuição dos chumbadores.

Essa condição deficiente apresentava influência preponderante nas frequências mais altas do espectro, amplificando as vibrações devido aos desalinhamentos mecânicos do sistema.

Com base nestas conclusões, a Kot elaborou o projeto de recuperação da base do pinhão. Foi necessária a recuperação estrutural das ligações de base e das peças de concreto que suportavam os mancais. As armaduras de reforço foram definidas para assegurar a interação completa entre os materiais que constituíam a base e para reduzir a fissuração na parte superior da mesma. Com isso, a base passou a apresentar desempenho estrutural satisfatório, com níveis de vibrações reduzidos de forma contundente após a recuperação, não apresentando mais os problemas anteriormente mencionados durante o funcionamento do equipamento.

Caso tenha necessidade de soluções em análises estruturais, modal e dinâmica, a KOT possui profissionais qualificados e equipamentos específicos para contribuir com a integridade estrutural de seu ativo. Estamos aqui, desde 1993 impulsionando os resultados dos nossos clientes. Consulte nosso time de especialistas para saber mais!

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