Moinhos de bolas operam sob severo regime dinâmico devido ao impacto contínuo do material e das esferas de moagem (efeito catarata), o que frequentemente gera vibrações elevadas e falhas em suas fundações. Neste case, a combinação entre a Análise por Elementos Finitos (MEF), considerando a interação solo-estrutura e cargas aleatórias de impacto, e medições de vibração em campo permitiu diagnosticar trincas e desplacamentos no concreto sob os mancais do pinhão. O estudo comprovou a adequação do projeto original e identificou falhas de execução no grauteamento como a causa raiz, orientando um projeto de recuperação estrutural definitivo.

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.

Gif 1: Regime de catarata em um moinho de bolas – FONTE: Acervo Kot.

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.

Figura 1: Modelo em elementos finitos do moinho – FONTE: Acervo Kot.

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.

Figura 2: Envelope de acelerações em X na estrutura [m/s²] – FONTE: Acervo Kot.

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.

Figura 3: Velocidade [mm/s] (esquerda) e espectro de frequência (direita) em um mancal – FONTE: Acervo Kot.

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. Somos, desde 1993, especialistas em desenvolver soluções de engenharia por meio da utilização de métodos computacionais, consulte nossa equipe e conheça nossos serviços.

Siga, também, nossas páginas no LinkedIn, Facebook e Instagram para continuar acompanhando nossos conteúdos.

FAQ

1. Como funciona o processo de moagem em um moinho de bolas e por que ele gera forças dinâmicas severas?

O moinho de bolas é composto por um corpo cilíndrico rotativo contendo esferas metálicas no seu interior. Durante a operação:

• Regime de Catarata: A força centrífuga eleva as esferas e o minério até uma altura limite, de onde eles caem continuamente sobre o material acumulado na porção inferior;

• Mecanismo de Fragmentação: A combinação de forças de rolagem e impactos diretos em queda promove a quebra do minério;

• Solicitação Dinâmica: Como o fluxo de material em queda varia no tempo de forma aleatória, a estrutura de suporte é submetida a uma excitação dinâmica constante, mesmo que a rotação do cilindro seja uniforme.

2. Quais foram as etapas adotadas para investigar as anomalias e falhas na base do equipamento?

Para isolar as causas do desplacamento e da fissuração do concreto sob os mancais do pinhão de acionamento, a campanha de investigação dividiu-se em três frentes complementares:

• Análise Estrutural Computacional (MEF): Simulação tridimensional do conjunto e da fundação para avaliar o comportamento dinâmico teórico;

• Medições de Vibração em Campo: Coleta de dados de acelerometria e processamento de sinal em operação real (as-is);

• Inspeção Visual Detalhada: Mapeamento físico das trincas, folgas e do estado de conservação do graute e elementos de fixação.

3. Como a Análise por Elementos Finitos (MEF) descartou problemas no projeto original da fundação?

A modelagem tridimensional computacional considerou a geometria da base de concreto com elementos sólidos, os níveis de ruído do efeito catarata e a interação solo-estrutura. Os resultados dos envelopes de velocidade e aceleração demonstraram que a fundação de concreto estava perfeitamente dimensionada para suportar os carregamentos dinâmicos de projeto. Com isso, confirmou-se que a estrutura projetada era dinamicamente estável e que a origem do problema não estava no dimensionamento conceitual, mas sim em desvios de montagem ou execução (as-built).

4. Como os níveis de vibração são classificados segundo as normas técnicas e o que foi encontrado nos mancais?

Os níveis de vibração medidos nos mancais são avaliados em faixas operacionais (zonas de severidade), definidas de acordo com a potência, porte do equipamento e rigidez da base:

• Zona A: Níveis característicos de máquinas novas recém-comissionadas;

• Zona B: Condição aceitável para operação contínua de longo prazo;

• Zona C: Níveis insatisfatórios para operação contínua, exigindo manutenção programada;

• Zona D: Níveis críticos de vibração com risco de danos iminentes, exigindo parada imediata.

No estudo de campo, identificou-se que enquanto parte dos mancais operava dentro dos limites normativos, outros apresentavam vibrações enquadradas nas zonas C e D, com frequências elevadas causadas por desalinhamentos e perda de rigidez local.

5. Qual foi a causa raiz diagnosticada para o surgimento das anomalias no concreto?

A inspeção visual alinhada às medições dinâmicas revelou que a causa principal das anomalias foi a execução deficiente do concreto/grauteamento localizado logo abaixo das chapas de base (soleplates) dos mancais. O graute de baixa qualidade ou mal preenchido sofreu degradação sob as cargas operacionais, reduzindo a rigidez local do assentamento. A perda de apoio gerou folgas, amplificou as vibrações nas frequências mais altas do espectro e acelerou o surgimento de fissuras e o desplacamento do bloco de concreto.

6. Quais soluções de engenharia foram implementadas para recuperar a base e estabilizar o moinho?

Com base no diagnóstico da causa raiz, foi desenvolvido um projeto executivo de recuperação estrutural direcionado:

• Recomposição das Ligações: Remoção do material degradado e refazimento do grauteamento sob as placas de base dos mancais do pinhão;

• Adição de Armaduras de Reforço: Inclusão de barras de aço estratégicas para garantir a aderência completa entre o concreto existente e o novo material, controlando o surgimento de microtrincas superiores;

• Adequação dos Chumbadores: Verificação e alinhamento dos elementos de ancoragem para eliminar folgas mecânicas no acionamento.