A falha por fretting em tambores de transportadores de correia pode comprometer a integridade do componente e gerar impactos importantes na operação. Mas como esse mecanismo ocorre e quais fatores contribuem para sua evolução? Neste artigo, entenda os principais aspectos desse tipo de falha e como sua análise pode contribuir para decisões mais seguras e assertivas.

Introdução

Os tambores são componentes centrais de um transportador de correia. Eles tracionam e direcionam a correia e suportam esforços elevados e repetidos ao longo de toda a operação. Em sistemas de longa distância, que movimentam grandes volumes de material, um único tambor pode ser determinante para a continuidade da produção. A parada de um transportador crítico por falha de um tambor gera perdas expressivas.

Este artigo apresenta um case de sucesso da Kot Engenharia envolvendo a falha do eixo de um tambor em um transportador de correia de longa distância instalado em uma planta de mineração. A falha foi identificada em campo por um sensor de deslocamento axial, mesmo depois de o ativo ter passado por todas as verificações de projeto convencionais. Isso indicava que o mecanismo responsável pela falha não estava sendo capturado pelos critérios usuais de dimensionamento de tambores.

O objetivo do estudo foi determinar a causa raiz da falha e, a partir dela, verificar com segurança os tambores reprojetados para as posições afetadas.

Para acompanhar o texto, vale definir alguns termos. O anel de expansão é o elemento que conecta o cubo do tambor ao eixo por atrito, transmitindo o torque por meio de pressão de contato. O fretting é um tipo de dano que surge em interfaces sob pressão quando ocorrem microdeslizamentos entre as superfícies, e que pode reduzir de forma importante a vida em fadiga de um componente.

Metodologia empregada

A investigação combinou a caracterização da falha em campo com a análise computacional. A superfície de fratura do eixo foi examinada em nível macroscópico e microscópico, o que permitiu identificar marcas de contato e microtrincas na região de assentamento do anel de expansão. Essas evidências direcionaram a análise para a interface entre o anel e o eixo.

Em seguida, foram construídos modelos por elementos finitos, submetidos a dois regimes de carregamento. No regime permanente, os componentes foram avaliados quanto à fadiga. No transiente, foi conduzida a verificação dos componentes quanto à carga máxima. A Figura 1 apresenta a modelagem tridimensional do conjunto e o detalhe da interface entre o anel de expansão e o eixo.

Figura 1: Modelagem tridimensional do conjunto do tambor e detalhe da interface entre o anel de expansão e o eixo, região central da investigação. Fonte: Acervo Kot.

A verificação convencional foi ampla e cobriu todos os componentes do conjunto. Foram avaliados os rolamentos, as caixas de mancal e o anel de expansão, incluindo a protensão dos parafusos e a rigidez do disco. O eixo foi verificado à fadiga e o corpo do tambor foi analisado quanto ao escoamento. As soldas do corpo, tanto a emenda do cilindro quanto a ligação entre o disco e o cilindro, também foram verificadas à fadiga por elementos finitos, conforme mostra a Figura 2.

Figura 2: Regiões de solda do corpo do tambor consideradas na verificação de fadiga, com destaque para a emenda do cilindro e a ligação entre o disco e o cilindro. Fonte: Acervo Kot.

Além da verificação convencional, foi conduzida uma investigação dedicada ao risco de fretting na interface anel-eixo. O anel de expansão transmite carga por pressão de contato, e em regiões de baixa pressão localizada podem ocorrer microdeslizamentos entre as superfícies. A transição entre a zona de aderência e a zona de deslizamento funciona como um concentrador de tensões e, somada ao concentrador geométrico da borda do anel, favorece a nucleação de trincas por fadiga. A Figura 3 ilustra esse mecanismo, que não é contemplado pelos critérios convencionais de dimensionamento de tambores.

Figura 3: Mecanismo de fretting na interface anel-eixo. As zonas de microdeslizamento nas extremidades e a transição para a zona de aderência atuam como concentradores e favorecem a nucleação de trincas. Fonte: Acervo Kot.

Para classificar o regime de deslizamento e quantificar o dano associado, a Kot Engenharia desenvolveu uma metodologia proprietária de avaliação da fadiga por fretting. A abordagem apoia-se em simulação avançada, com recursos de análise não linear e validação com falhas reais observadas em campo, o que confere confiança aos seus resultados. Essa metodologia parte de uma premissa verificada por experiência prática com dezenas de tambores observados: acoplamentos por pressão e contato nestes equipamentos estarão sempre sujeitos a microdeslizamentos. Embora a prevenção total do deslizamento seja o cenário ideal, ela se mostra uma solução irreal para as elevadas cargas operacionais observadas em tambores críticos.

A necessidade de recorrer fortemente aos dados históricos surge de uma lacuna prática: as normas e os critérios clássicos de falha mais recentes não conseguem reproduzir com precisão as ocorrências observadas nesses ativos. Além disso, a literatura técnica ainda apresenta divergências significativas quanto aos critérios de falha de fadiga por fretting. Esse cenário se agrava ao tratarmos de tambores de transportadores, que são equipamentos submetidos a altíssimas ciclagens, ultrapassando facilmente a marca de 10⁶ ciclos em meses de operação. Para casos críticos de tamanha magnitude, a base teórica disponível na literatura mostrou-se pouco robusta.

Diante disso, o banco de dados de falhas da Kot e a experiência técnica no mecanismo de falha tornaram-se os pilares da metodologia. A análise dessas informações buscou mapear os parâmetros que levam à nucleação e propagação de uma trinca por fretting. Isso permitiu diferenciar uma condição crítica daquelas em que o microdeslizamento ainda permite uma operação segura do componente.

Resultados

A verificação convencional indicou que os tambores atendiam aos critérios clássicos, com fatores de segurança adequados para rolamentos, mancais, anel de expansão, soldas, eixo e escoamento do corpo. Isoladamente, portanto, essa etapa aprovaria os projetos. No entanto, estas verificações não explicavam a falha observada em campo, o que reforçou a necessidade de investigar um mecanismo adicional.

A análise dedicada ao fretting identificou a interface anel-eixo como a região determinante. A localização e a natureza da fratura registrada no ativo que falhou, com marcas de contato e microtrincas próximas ao assentamento do anel, mostraram-se coerentes com a previsão. A metodologia proprietária reproduziu o comportamento observado, o que validou o diagnóstico da causa raiz.

Com o mecanismo compreendido, a Kot aplicou a metodologia desenvolvida à verificação dos tambores reprojetados por diferentes fabricantes, contemplando dezenas de posições distintas. Isso permitiu distinguir os projetos efetivamente seguros daqueles com indicação de risco de fretting, fornecendo ao cliente um critério objetivo para aceitar ou recusar cada proposta. O resultado foi a padronização da verificação entre fornecedores e a redução do risco de recorrência da falha em um sistema crítico para a produção.

Um ponto relevante do estudo foi correlação entre a previsão da metodologia e a falha real observada em campo. Ao mapear o resultado da avaliação de fretting sobre a superfície do tambor que falhou, a investigação apontou a região de maior criticidade no eixo, a qual coincidiu com a posição em que a trinca se desenvolveu no eixo. A mesma correlação foi verificada posteriormente também em um segundo tambor, de projeto diferente, que também apresentou trinca na região prevista.

A comparação dos valores máximos ao longo do comprimento de contato do anel evidenciou, as circunferências em que ocorreram as nucleações de trinca, o que reforça a consistência do diagnóstico. A evolução da deformação na interface entre o eixo e o anel de expansão ao longo dos ciclos também foi caracterizada. Essa correspondência entre o previsto e o observado deu robustez ao critério aplicado na verificação dos tambores reprojetados. As Figuras 4, 5 e 6 mostram alguns dos resultados obtidos.

Figura 4: Parâmetro de dano. Fonte: Acervo Kot

Figura 5: Parâmetro de dano. Fonte: Acervo Kot

Figura 6: Parâmetro de dano máximo em uma mesma circunferência. Fonte: Acervo Kot

Conclusão

Este case mostra que os critérios convencionais de dimensionamento de tambores podem não prever o mecanismo de falha quando o fretting está envolvido. Além disso, evidencia a limitação das normas vigentes e da literatura técnica atual em lidar de maneira robusta com este mecanismo de falha, especialmente em equipamentos submetidos às altas cargas e ciclagens características destes ativos. Ao unir a evidência de campo, a verificação convencional ampla, a simulação avançada e uma metodologia proprietária de avaliação da fadiga por fretting, a Kot Engenharia entregou um diagnóstico confiável da causa raiz e uma verificação segura de ativos críticos, o que protegeu a produção do cliente e ampliou a confiança nos reprojetos.

A Kot reúne uma equipe especializada em integridade estrutural, simulação numérica e análise de falhas para desenvolver as melhores soluções de engenharia para os ativos de seus clientes. Para avaliar a integridade dos seus tambores e transportadores, entre em contato com a nossa equipe.

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Perguntas frequentes

Que verificações fazem parte da análise estrutural de um tambor?

Rolamentos, caixas de mancal, anel de expansão, eixo, soldas do corpo e escoamento da carcaça, avaliados sob cargas de fadiga e cargas estáticas. Em casos críticos, acrescenta-se a avaliação da fadiga por fretting na interface anel-eixo.

O que é um anel de expansão em um tambor de transportador?

É o elemento que fixa o cubo do tambor ao eixo por atrito, transmitindo o torque por meio da pressão de contato gerada quando o anel é apertado.

O que é fretting e por que ele é crítico em tambores?

É o dano gerado em interfaces sob pressão quando há microdeslizamentos entre as superfícies. Ele reduz a vida em fadiga e pode nuclear trincas em regiões que os cálculos convencionais consideram seguras.

Por que a verificação convencional de um tambor pode não prever esse tipo de falha?

Porque os critérios usuais não avaliam detalhadamente o mecanismo de dano por fretting na interface entre o anel de expansão e o eixo, que pode ser determinante na segurança do componente.

Como a Kot avalia esse mecanismo?

Por meio de uma metodologia própria, baseada em simulação numérica por elementos finitos e correlacionada com falhas reais de campo.

Não existem normas ou diretrizes na literatura para avaliar o fretting?

Até existem documentos técnicos robustos (como a diretriz FKM) e estudos recentes que propõem critérios de falha. No entanto, não há consenso global entre as diferentes abordagens propostas e os estudos da Kot não encontraram uma metodologia capaz de prever adequadamente os diversos casos de falha observados em campo. Isso ocorre, em grande parte, devido à altíssima carga e ciclagem a que esses componentes estão submetidos na prática, bem como particularidades dos tambores e da operação dos transportadores onde estão instalados. Para superar essa limitação, a Kot estudou os mecanismos que levam à nucleação de trincas por fretting e os correlacionou especificamente com as falhas validadas em campo.

Qual o benefício de verificar reprojetos com esse método?

Permite distinguir projetos realmente seguros daqueles apenas aparentemente adequados, padronizar a análise entre fabricantes e reduzir o risco de novas falhas em ativos críticos.

Para garantir a segurança, todo tambor deve passar por esta verificação ?

Componentes como anéis de expansão sempre possuem possibilidade de fretting, dependendo do projeto e operação. Em grande parte dos tambores, porém, algumas características construtivas e a adoção de modelos específicos de anel já oferecem uma margem segura para operação, a qual pode ser aferida com verificações mais simples. A metodologia proprietária Kot destaca-se como uma verificação detalhada adicional para os casos de componentes críticos em que o projeto do tambor e/ou as características operacionais do transportador não permitem uma avaliação precisa, por estas verificações simplificadas, para garantir uma operação segura.

É possível eliminar totalmente o microdeslizamento na interface eixo-anel?

Na prática, não. Em tambores submetidos a altas cargas, a prevenção total do deslizamento é irreal. O grande diferencial tecnológico não é tentar impedir o microdeslizamento a qualquer custo, mas sim utilizar bases de dados sólidas e análises avançadas para diferenciar as situações que não comprometem a operação daquelas que tendem a ocasionar falhas, viabilizando projetos robustos e seguros.