Introdução

A análise estrutural pelo método dos elementos finitos (MEF) é um recurso amplamente empregado na avaliação da integridade estrutural de ativos industriais. A título de exemplo, tal análise pode ser aplicada em máquinas de pátio para verificar a existência de não conformidades, eventuais falhas ou mesmo fenômenos desconhecidos.

Análise estrutural

A Kot realizou a validação estrutural de uma máquina recuperadora homogeneizadora pelo método dos elementos finitos (MEF). A recuperadora de minério de ferro, que possui capacidade de projeto de 1950 toneladas por hora, é do tipo ponte rolante e possui duas rodas de caçambas destinadas à recuperação de material.

A verificação estrutural iniciou-se com a elaboração de um modelo de elementos finitos da máquina em um software CAE (Computer Aided Engineering), reproduzindo com precisão a geometria do ativo. O modelo gerado pode ser visto a seguir, na Figura 1, apresentando os componentes do equipamento em diferentes cores.

Neste modelo, os componentes perfilados são representados como elementos de barra, enquanto aqueles formados por chapas são representados como elementos de casca, conforme ilustrado na Figura 2, logo abaixo.

Quando estão em operação, as máquinas de pátio trabalham com altas cargas provenientes do peso próprio do equipamento, da carga de material no transportador de correia, da carga de vento, da carga de incrustação, dentre outros. Com isso, após o modelo ser gerado os carregamentos atuantes na estrutura são identificados e agrupados em combinações de cargas.

Por intermédio do MEF, essas combinações são discretizadas e aplicadas sobre o arranjo do equipamento para verificação estrutural em diferentes condições de operação, conforme preconizado por norma. A partir disso, para a recuperadora em questão realizaram-se as análises estática, modal, de flambagem, de fadiga e de ligações, cujos resultados são interpretados segundo critérios normativos.

A análise estática da máquina foi realizada a partir dos esforços obtidos no modelo de elementos finitos. Foram consideradas tensões admissíveis, fatores de segurança e índices de utilização (IUs) específicos para cada componente da estrutura, em função das combinações de carregamento aplicadas e avaliadas. Na análise dos elementos de barra foram identificados índices de utilização acima do admissível na parte traseira do ancinho, como destacado na região D da Figura 3 a seguir.

Com relação à análise estática dos elementos de casca, são observados IUs acima do permissível nas nervuras da ponte (região A da Figura 4) e no suporte do esticador do carro de translação (região D da Figura 5).

Na análise de fadiga, adotou-se uma metodologia de avaliação normativa para a vida útil dos elementos de casca, que considera os concentradores de tensão existentes e as previsões do número de ciclos, da magnitude dos esforços e da variação de tensões em cada elemento. Como resultado, foram verificados IUs acima do admissível nos mesmos pontos acusados pela análise estática, como pode ser visto nas Figuras 6 e 7.

Na análise de flambagem local das chapas esbeltas, solicitadas principalmente por compressão, as tensões críticas foram calculadas. Para a recuperadora considerou-se o tipo de esforço atuante, as condições de contorno, os parâmetros geométricos, as propriedades do material, os valores de tensões atuantes, dentre outros fatores. Os resultados obtidos estavam dentro dos limites permissíveis para todos os casos de carregamento avaliados.

As ligações, comumente classificadas quanto à sua rigidez, também foram analisadas segundo as normas. Dessa forma, observou-se IUs acima do admissível nas ligações de alguns dos contraventamentos tubulares da ponte devido, principalmente, à atuação das cargas de vento de operação e de tormenta sobre a máquina (condição mais crítica para a estrutura). As tensões atuantes nas ligações (para a condição de atuação de vento de tormenta) podem ser observadas na Figura 8.

Na análise modal, verificou-se a possibilidade de ressonância da estrutura. Considerou-se a frequência de descarga de material nos roletes de impacto do transportador da ponte rolante como fonte de excitação. Sendo assim, identificou-se o risco de ressonância em um dos modos de vibração natural da estrutura (Figura 9), que é caracterizado pela rotação da ponte e dos carros de translação em torno do eixo longitudinal da máquina. Com isso, constatou-se que as velocidades de vibração poderiam ultrapassar os limites admissíveis por norma, resultado indesejável para o funcionamento adequado do equipamento.

Por fim, a partir dos resultados obtidos por meio da análise estrutural MEF da máquina, foram levantados alguns pontos de atenção. Uma inspeção seria necessária para investigar as condições do ativo, a fim de determinar a necessidade ou não de ações corretivas.

Em função do risco de falha na parte traseira do ancinho, nas nervuras da viga transversal de sustentação da ponte e no suporte do esticador da corrente de acionamento da roda de caçambas, foram propostos reforços para adequação da estrutura da recuperadora aos critérios normativos, mediante correção das não conformidades encontradas.

Análise mecânica

A análise mecânica é empregada para verificar o funcionamento operacional de componentes mecânicos, sendo também relevante ao projeto de máquinas em virtude do dimensionamento dos sistemas a partir de cálculos analíticos e numéricos.

Nesse sentido, a Kot realizou a verificação mecânica do transportador de correia da recuperadora homogeneizadora de minério de ferro. O modelo utilizado na análise pode ser visto a seguir, na Figura 10.

Na análise, a capacidade do transportador em questão foi verificada com o objetivo de avaliar a possibilidade de transbordamento de material durante sua operação. Verificou-se, em seguida, se a respectiva correia suportava as solicitações que lhe eram impostas, mediante a sua tensão de ruptura. Outros parâmetros relativos à correia também foram avaliados nessa etapa, como distância de transição, curvas verticais, flapping, dentre outros.

Ademais, analisou-se a potência requerida, a fim de avaliar se o sistema de acionamento do transportador de correia possui condições de atender a capacidade de projeto, isto é, se possui a potência necessária. Ainda com relação ao sistema de acionamento, verificou-se o dimensionamento dos seus componentes mecânicos, como motores, acoplamentos, redutores, freios, contra-recuos, a partir dos catálogos dos respectivos fabricantes e considerando a maior potência requerida e/ou instalada. Além do sistema de acionamento da transportador, o dimensionamento dos roletes e dos eixos dos tambores também foi verificado.

De acordo com a análise do transportador de correia da ponte rolante, observou-se que, durante a frenagem com carregamento de minério, o valor da tensão no lado frouxo do tambor de acionamento é menor que o valor da tensão mínima admissível. De acordo com a norma, isso pode culminar no escorregamento da correia em relação ao tambor de acionamento. Já nos eixos dos roletes de retorno, observou-se uma deflexão superior aos limites admissíveis estabelecidos pelo fabricante e por norma, sendo, portanto, considerados não conformes.

Além do transportador de correia, a roda de caçambas e os sistemas de translação da máquina, do carro e do basculamento do ancinho também foram analisados. Como resultado, o momento de frenagem do sistema de translação da máquina, em certos casos, é insuficiente para pará-la, além das rodas motrizes de translação não serem capazes de transmitir a força de frenagem sem apresentar deslizamento com o trilho. Ademais, o fator de serviço mecânico do redutor da roda de caçambas é inferior ao mínimo recomendado pelo fabricante. Não foram identificadas não conformidades nos sistemas de translação do carro e do basculamento do ancinho.

Por fim, a partir dos resultados obtidos por meio da análise mecânica, recomendou-se aumentar o contrapeso atual e verificar em campo se há sistema trava-trilho para auxiliar a frenagem durante a ação de vento de tormenta. Caso não houvesse, recomendou-se a instalação deste dispositivo como medida corretiva.

Conclusão

Percebe-se, portanto, que ao recorrer ao método dos elementos finitos para a análise estrutural de máquinas de pátio, tem-se uma avaliação de alta confiabilidade quanto à perspectiva estrutural do ativo. Desse modo, por meio dessa metodologia é necessário conhecer as condições de contorno, massa e posição de componentes não modelados, restrições, dentre outros fatores. Ademais, é importante conhecer a magnitude e os tipos de esforços previstos ao equipamento durante sua vida útil, bem como as normas que preconizam cada tipo de análise.

De modo semelhante, ao recorrer à análise mecânica, obtém-se uma maior assertividade quanto ao funcionamento operacional das máquinas. Isso também se estende à avaliação das condições dos seus componentes mecânicos e ao dimensionamento dos respectivos sistemas.

A Kot conta com profissionais capacitados para entender e avaliar as melhores soluções para os desafios de engenharia presentes no dia a dia da indústria, assim como para análises estruturais e mecânicas de máquinas de pátio. Consulte nossa equipe para maiores informações!

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