Caso de Sucesso: Análise Estrutural de uma Máquina Recuperadora de Minério

Tempo de leitura: 4 minutos

A análise estrutural de máquinas de pátio pelo método dos elementos finitos (FEM) é uma ferramenta importante na promoção da integridade estrutural do ativo. Ela pode ser aplicada, por exemplo, para verificar eventuais falhas de projeto, investigar fenômenos não previstos/desconhecidos e fornecer suporte técnico para o planejamento de manutenções.

Para entender mais sobre esse método aplicado em máquinas de pátio de grande porte para manuseio de granéis, conheça um caso de sucesso da KOT Engenharia neste artigo. E, para rever os conceitos básicos de FEM, confira o artigo: Entenda o Método dos Elementos Finitos.

Análise estrutural de recuperadora de minério

A KOT realizou a validação estrutural, pelo método de elementos finitos, de uma recuperadora de roda de caçambas, com massa aproximada de 1.800 toneladas e capacidade de processo de aproximadamente 11.000 toneladas/hora. Ela é um dos ativos responsáveis pelo manuseio de minério de ferro (sinter e pellet feed) em uma planta de um cliente.

O trabalho de análise pelo método de elementos finitos inicia-se com a modelagem computacional do ativo em um software CAE (Computer Aided Engineering). No ambiente do software, é possível gerar um modelo tridimensional, reproduzindo a geometria do ativo com precisão. Três das quatro seções do modelo gerado da Recuperadora podem ser visualizadas nas Figuras 1 e 2.

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Figura 1: Modelo em elementos finitos da estrutura giratória e roda de caçambas.
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Figura 2: Modelo em elementos finitos do sistema de translação.

Máquinas de pátio desse tipo trabalham sob altas taxas de carga, oriundas do peso próprio do equipamento, cargas devidas ao vento, bem como dos carregamentos de operação. A análise utilizando o FEM permite discretizar e aplicar esses carregamentos sobre o arranjo estrutural do equipamento. A partir dos carregamentos aplicados, são elaboradas as análises estática, de fadiga, de flambagem, de ligações, de estabilidade e modal. Os resultados são interpretados conforme os critérios estabelecidos por normas.

Na análise estática da recuperadora em questão foram adotados critérios normativos específicos para os elementos sob diferentes envelopes de tensão e índices de utilização (IU) para cada combinação de carregamento. Na análise dos elementos de barra, não foram encontrados índices de utilização acima do admissível. Na análise dos elementos de casca, observou-se que, em determinadas regiões da contralança, foram obtidos IUs da estrutura que ultrapassam valores normativos , conforme Figura 3.

Figura 3: Plotagem dos índices de utilização da estrutura na análise estática.

Na análise de fadiga, foi utilizada a metodologia de avaliação normativa para uma vida útil de projeto e ciclos de carga definidos. Nesta etapa, foi considerado que o equipamento carregado com minério estava submetido a movimentações de operação, tais como basculamento, translação e rotação. Como resultado, observou-se regiões com máximos IUs dentro do admissível, na região do portal da máquina, conforme Figura 4.

Figura 4: Plotagem dos índices de utilização da estrutura na análise de fadiga.

Na análise de flambagem local das chapas principais da recuperadora de minério foram verificadas as solicitações admissíveis conforme os critérios estabelecidos. Estas regiões são tipicamente solicitadas por cargas compressivas, o que pode gerar o efeito de falha local elástica de determinados componentes. Nesta recuperadora, as regiões foram analisadas e verificadas considerando as tensões, parâmetros do material e condições de contorno. Os resultados encontrados estavam dentro do aceitável.

As ligações foram analisadas de acordo com critérios normativos preestabelecidos pelo método analítico. Ressalta-se a importância das verificações das ligações, tendo em vista os tipos de ligação existentes no equipamento, sejam rígidas, flexíveis ou pinadas. Os resultados calculados também estavam abaixo dos índices de utilização admissível. Algumas das ligações estão representadas na Figura 5.

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Figura 5: Ligações pinadas do equipamento.

Na análise modal, avaliou-se a possibilidade de ressonância da estrutura, considerando as fontes excitadoras, tais como vento e elementos rotativos do equipamento. Na análise, foram  verificadas as frequências de risco para diferentes modos de vibração natural do equipamento. Em um dos modos, identificou-se – com advertência – o risco de ressonância, oriundo de alguns elementos rotativos da correia transportadora do equipamento. Um dos modos de vibração natural do equipamento pode ser visualizado na Figura 6.

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Figura 6: Um dos modos de vibração do ativo.

Por fim, foram indicados pontos de atenção e a necessidade de inspeções durante a manutenção do ativo. Apesar de alguns índices de utilização estarem acima do admissível, não foi necessário propor reforços para a estrutura.

Ao solucionar problemas de engenharia pelo método de elementos finitos é necessário conhecer as normas que estabelecem os critérios adequados para cada tipo de análise, bem como definir de forma adequada as condições de contorno, restrições, massa e posição de componentes não modelados. Além disso, é preciso mensurar e analisar as tensões às quais o equipamento está submetido ao longo da sua vida útil. Por meio desse método de cálculo, é promovido o desenvolvimento e a avaliação com alta confiabilidade principalmente quanto à perspectiva da integridade estrutural do ativo.

Entre em contato com o time de especialistas da KOT!

Aender Ferreira

Técnico em Mecânica pelo CEFET-MG, Engenheiro Mecânico/Aeronáutico pela UFMG e Mestre em projetos mecânicos pela mesma universidade. Antes da graduação, teve experiências nos setores de mineração, manutenção, projeto, engenharia experimental e indústria automotiva. Como Engenheiro, iniciou sua carreira em montadora aeronáutica realizando atividades de cálculo para fadiga em componentes e estruturas aeronáuticas. Posteriormente foi convidado a compor o corpo Diretor da KOT Engenharia, atuando no setor comercial da empresa, exercendo o cargo há quase 15 anos.

Comments (5)

  • Carlos Eduardo Reply

    Belo trabalho! Objetivo e conclusivo.
    Eu tenho uma dúvida a respeito da característica construtiva da máquina (sei que não foi desenvolvida por vocês). Logo abaixo do carro, têm-se em uma extremidade a viga equalizadora (acima do conjunto de translação) e nas outras duas extremidades, temos ligação por parafusos. Fiquei com a impressão que a função da viga equalizadora perde o sentido quando se tem nos outros apoios ligação por parafusos, ao meu ver (posso estar enganado), faria mais sentido do ponto de vista construtivo, ter em um dos apoios uma rótula com movimento radial e na outra, ligação por parafuso, pois assim o sistema de translação conseguiria permitir pequenas variações do caminho de rolamento. Neste modelo construído, não consegui identificar a função da viga equalizadora de fato. Se puder esclarecer, serei grato.

    8 de setembro de 2021 at 15:06
    • KOT ENGENHARIA
      KOT ENGENHARIA Reply

      Prezado Carlos Eduardo, agradecemos por seu comentário!

      A forma construtiva desta recuperadora é comumente empregada em máquinas de pátio. Em todos os três apoios do portal, são adotados pinos de articulação, inclusive naqueles em que há flanges parafusados. Combinando-se tais pinos com os existentes no sistema de translação, a parte inferior da máquina tem comportamento isostático e torna-se possível equalizar as cargas nas rodas, bem como absorver irregularidades do caminho de rolamento.

      Em algumas máquinas, são utilizadas rótulas esféricas nos pinos de articulação para que, através de lubrificação permanente, seja minimizada a possibilidade de travamento dos pinos ao longo de sua vida útil em função da presença de minério ou ocorrência de corrosão.

      Esperamos ter respondido à sua dúvida e nos colocamos à disposição para novos esclarecimentos!

      18 de outubro de 2021 at 13:26
  • KOT ENGENHARIA
    KOT ENGENHARIA Reply

    Prezados Eduardo e Mauro, a equipe da KOT Engenharia agradece seu contato e espera continuar gerando conteúdos de seu interesse!

    São utilizados softwares próprios em nossas análises numéricas, além de softwares comerciais como Ansys e Nastran. Em breve haverá um novo artigo a respeito das aplicações de cada um. Continuem acompanhando as publicações deste blog!

    25 de março de 2021 at 10:33
  • Eduardo Seabra Guedes Reply

    Considero um ótimo trabalho técnico e objetivo, de grande importância para uso e manutenção de equipamentos de tamanha envergadura. Parabéns à kot Engenharia e toda sua equipe profissional !
    Desejo sucesso grandes realizações !

    18 de março de 2021 at 14:53
  • Mauro Silva, Engº Reply

    Adorei o artigo, é minha área favorita de atuação. Passarei a acompanhar as postagens da KOT.
    Gostaria de saber qual o software utilizado para estas análises. Eu tenho uma licença própria em meu escritório para estes casos

    18 de março de 2021 at 10:48

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