Recuperadoras de ponte são ativos críticos no manuseio de granéis, operando sob combinações complexas de cargas estáticas, dinâmicas e ambientais. Por meio da Análise por Elementos Finitos (MEF) e de avaliações mecânicas avançadas, este estudo diagnosticou pontos de sobretensão nas chapas e conexões, além de riscos de ressonância no sistema de translação. O diagnóstico detalhado permitiu propor reforços estruturais e readequações nos sistemas de frenagem e acionamento, garantindo a integridade e a segurança operacional do equipamento.
Veja como a engenharia identificou e corrigiu falhas críticas na recuperadora.

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.

Figura 1: Modelo em elementos finitos da recuperadora. FONTE: Acervo Kot.

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.

Figura 2: Elementos de barra e de casca no modelo da recuperadora. FONTE: Acervo Kot.

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. Assim sendo, após o modelo ser gerado os carregamentos atuantes na estrutura são identificados e agrupados em combinações de cargas.

Assim, 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. Em seguida, 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.

Na sequência, 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.

Figura 3: Índices de utilização dos elementos de barra na análise estática. FONTE: Acervo Kot.

De modo semelhante, 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).

Figura 4: Índices de utilização da ponte na análise estática. FONTE: Acervo Kot.

Figura 5: Índices de utilização do suporte do esticador na análise estática. FONTE: Acervo Kot.

Posteriormente, 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.

Figura 6: Índices de utilização da ponte na análise de fadiga. FONTE: Acervo Kot.

Figura 7: Índices de utilização do suporte do esticador na análise de fadiga. FONTE: Acervo Kot.

Além disso, 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.

Ademais, 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.

Figura 8: Índices de utilização da estrutura na análise de ligações. FONTE: Acervo Kot.

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.

Figura 9: Modo de vibração natural avaliado. FONTE: Acervo Kot.

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.

Dessa forma, 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.

Figura 10: Modelo do transportador de correia. FONTE: Acervo Kot.

Incialmente, 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. Além disso, 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.

Conforme observado, na 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. Por outro lado, 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

Diante do exposto, portanto, percebe-se 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 mais informações!

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

FAQ

1. QUAIS FORAM AS PRINCIPAIS NÃO CONFORMIDADES ESTRUTURAIS IDENTIFICADAS NA RECUPERADORA?

As simulações computacionais por MEF apontaram Índices de Utilização (IUs) acima dos limites normativos em pontos críticos do equipamento:

• Elementos de Barra: Sobretensão na parte traseira do ancinho durante as operações de recuperação;

• Elementos de Casca: Tensões excessivas nas nervuras da viga da ponte e no suporte do esticador do carro de translação, tanto na análise estática quanto na verificação de fadiga;

• Ligações: Insuficiência de capacidade nas ligações dos contraventamentos tubulares da ponte, especialmente sob a ação severa de ventos de tormenta.

2. COMO A ANÁLISE MODAL REVELOU O RISCO DE RESSONÂNCIA NA ESTRUTURA DA MÁQUINA?

A análise modal avaliou a proximidade entre as frequências naturais da estrutura e as frequências de excitação geradas pelo impacto do material nos roletes do transportador. O estudo identificou que um dos modos de vibração natural do equipamento — caracterizado pela torção da ponte e dos carros em torno do eixo longitudinal — apresentava grande risco de ressonância. Nessas condições, as velocidades de vibração ultrapassariam os limites admissíveis por norma, podendo causar fadiga precoce e instabilidade operacional.

3. QUAIS FALHAS FORAM ENCONTRADAS NA AVALIAÇÃO MECÂNICA DO TRANSPORTADOR DE CORREIA E DA FRENAGEM?

A verificação analítica e numérica dos sistemas mecânicos revelou três divergências operacionais relevantes:

• Escorregamento da Correia: Durante a frenagem com o transportador carregado, a tensão no lado frouxo do tambor de acionamento ficava abaixo do mínimo normativo, favorecendo o deslizamento da correia;

• Deflexão de Eixos: Os eixos dos roletes de retorno apresentaram deformações por flexão superiores aos limites permissíveis pelos fabricantes;

• Capacidade de Frenagem: O torque do sistema de translação da máquina mostrou-se insuficiente para contê-la em determinados cenários, com risco de derrapagem das rodas motrizes sobre os trilhos.

4. QUAIS SOLUÇÕES DE ENGENHARIA FORAM RECOMENDADAS PARA ADEQUAR A MÁQUINA ÀS NORMAS?

Para restaurar a segurança operacional da recuperadora, foram propostas intervenções direcionadas:

• Reforços Estruturais: Aplicação de talas e reforços metálicos na traseira do ancinho, nas nervuras da ponte e nos suportes do esticador do acionamento;

• Ajustes nos Sistemas de Tração: Aumento da massa de contrapeso do transportador para manter a tensão correta da correia no tambor motriz durante a frenagem;

• Proteção Contra Ventos: Verificação e instalação de sistemas mecânicos trava-trilho para mitigar o deslocamento descontrolado da máquina em episódios de vento de tempestade.