Vibrações excessivas em sistemas de acionamento de transportadores de grande porte (como carregadores de navios) reduzem drasticamente a vida útil dos componentes e ameaçam a segurança operacional. Neste estudo de caso, a Kot Engenharia investigou a base de acionamento de um transportador de lança utilizando a integração entre medições de campo (acelerômetros e câmeras de alta velocidade) e modelagem por Elementos Finitos (FEM). O diagnóstico identificou problemas de desbalanceamento e riscos de ressonância, fenômeno dinâmico que ocorre quando a frequência de excitação do sistema se iguala à sua frequência natural: Frequência de Excitação é aproximadamente igual à Frequência Natural.

A solução envolveu o projeto e a validação em campo de reforços estruturais para alterar a rigidez do conjunto, além de ensaios não destrutivos de soldagem.

Quer entender como essa análise integrada foi realizada e conferir os resultados práticos dessa intervenção? Continue a leitura do artigo abaixo!

Introdução

Sistemas de transporte de materiais a granel desempenham papel fundamental em diversos setores industriais, especialmente em operações portuárias, mineração e siderurgia. Nesse contexto, a vibração em transportadores industriais representa um dos principais desafios para a confiabilidade operacional. Esses sistemas são compostos por conjuntos mecânicos complexos, nos quais o acionamento, formado por motor, redutor, eixo e estrutura de suporte, exerce influência direta no desempenho e na integridade estrutural.

Todavia, falhas estruturais e mecânicas associadas a vibrações excessivas podem comprometer a integridade dos componentes, reduzir a vida útil do sistema e gerar paradas não programadas, impactando diretamente a produtividade.

Nesse sentido, torna-se imprescindível a aplicação de análises técnicas especializadas que permitam identificar as causas das vibrações e propor soluções eficazes.

Modelagem Estrutural e Representação do Sistema

A Kot foi solicitada para investigar a base de acionamento de um transportador de lança de um carregador de navios que apresentava vibrações significativas, comprometendo a confiabilidade operacional e representando um risco potencial à segurança. O objetivo era identificar a causa raiz do problema e fornecer informações técnicas consistentes para orientar as correções necessárias.

A avaliação do comportamento estrutural inicia-se com a construção de modelos numéricos representativos, frequentemente utilizando o método dos elementos finitos (FEM). Assim, essa técnica permite simular o comportamento da estrutura sob diferentes condições de carregamento, possibilitando a identificação de regiões críticas, conforme apresentado na Figura 1.

Figura 1 – Identificação das estruturas analisadas no modelo.

A modelagem considera os principais subconjuntos do sistema, incluindo base do acionamento, chassi, eixo e componentes associados. Elementos estruturais como chapas, vigas e conexões são representados de forma a capturar adequadamente a rigidez global do conjunto, conforme ilustrado na Figura 2.

Figura 2 – Identificação dos elementos utilizados no modelo.

Ademais, componentes rotativos críticos, como o eixo do tambor de acionamento, são modelados com maior nível de detalhamento, permitindo avaliar seu comportamento sob esforços combinados, conforme apresentado na Figura 3.

Figura 3 – Modelo do eixo do tambor de acionamento.

Medições em Campo e Análise de Vibração

A fim de garantir a confiabilidade dos modelos e compreender o comportamento real do sistema, foram realizadas medições em campo. Essas medições incluíram levantamentos dimensionais e aquisição de dados de vibração, utilizando acelerômetros e câmera de alta velocidade para análise dinâmica, além de ensaios não destrutivos como ultrassom e líquido penetrante para verificação da integridade estrutural, conforme apresentado na Figura 4.

Figura 4 – Equipamentos utilizados na medição de vibração.

A análise dos sinais no domínio do tempo e da frequência permite identificar padrões característicos de falhas, como desbalanceamento, desalinhamento ou excitações externas. Em muitos casos, observa-se a presença de picos de vibração associados à rotação do sistema, conforme ilustrado na Figura 5.

Figura 5 – Velocidade de vibração no domínio da frequência.

Da mesma forma, diferentes pontos da estrutura são monitorados para verificar como as vibrações se propagam, permitindo identificar regiões mais suscetíveis a amplificações dinâmicas, conforme apresentado na Figura 6.

Figura 6 – Frequência de vibração medida no chassi.

 

Análise Estrutural e Verificação Normativa

Posteriormente, a partir dos modelos desenvolvidos, são realizadas análises estruturais considerando diferentes cenários operacionais, como regime permanente e condições transitórias de partida. Os resultados permitem avaliar os níveis de tensão e os índices de utilização dos elementos estruturais, de acordo com os critérios estabelecidos por normas técnicas, como a NBR 8800, conforme apresentado na Figura 7.

Figura 7 – Índices de utilização em elementos estruturais.

Bem como, são avaliadas as ligações estruturais, garantindo que conexões soldadas e parafusadas atendam aos requisitos de resistência e segurança.

Análise Modal e Fenômenos de Ressonância

A análise modal é uma etapa fundamental para compreender o comportamento dinâmico da estrutura. Por meio dela, são determinadas as frequências naturais e os modos de vibração do sistema. Quando essas frequências coincidem com frequências de excitação, pode ocorrer o fenômeno de ressonância, resultando em amplificação significativa das vibrações, conforme ilustrado na Figura 8.

Figura 8 – Modo de vibração natural da estrutura.

A identificação desse tipo de comportamento é essencial para direcionar ações corretivas, como alteração de rigidez estrutural ou modificação das condições operacionais.

Diagnóstico de Falhas Mecânicas

A integração entre medições em campo e análises numéricas permite identificar as causas raízes das vibrações. Um dos mecanismos frequentemente observados é o desbalanceamento de componentes rotativos, que pode estar associado a deformações permanentes ou condições operacionais severas, conforme ilustrado na Figura 9.

Figura 9 – Ilustração do desbalanceamento do eixo.

Por conseguinte, esse tipo de falha pode gerar esforços adicionais nos mancais e na estrutura de suporte, intensificando o problema ao longo do tempo. Ademais, condições como operação com torque elevado e acúmulo de material contribuem para o agravamento do cenário.

Proposição de Soluções Estruturais

Com base no diagnóstico realizado, foram propostas soluções técnicas voltadas à mitigação das vibrações e ao aumento da confiabilidade do sistema. Entre as principais estratégias, destaca-se o reforço estrutural de regiões críticas, visando aumentar a rigidez e melhorar a distribuição de esforços, conforme apresentado na Figura 10.

Figura 10 – Reforços estruturais propostos.

Essas intervenções foram projetadas de forma a atender aos critérios normativos e garantir desempenho adequado sob diferentes condições de operação. O detalhamento das soluções pode ser observado na Figura 11.

Figura 11 – Detalhamento dos reforços estruturais.

Por fim, foram recomendadas ações complementares, como substituição de componentes, ajustes operacionais e melhoria de sistemas auxiliares.

Como resultado, a implementação das soluções propostas tende a proporcionar redução significativa dos níveis de vibração, melhoria das condições estruturais e aumento da vida útil dos componentes.

Acompanhamento da Implementação em Campo

Além das análises numéricas, a validação das soluções em campo é uma etapa fundamental para garantir a efetividade das intervenções realizadas.

Dito isso, após a definição das soluções estruturais, foi realizado o acompanhamento técnico da instalação dos reforços no sistema de acionamento, com o objetivo de garantir a conformidade das atividades executadas em relação às diretrizes de projeto e às boas práticas de engenharia.

Nesse contexto, durante essa etapa, foram avaliados aspectos relacionados à montagem, soldagem e inspeção dos componentes estruturais, além das condições operacionais observadas em campo. Essa abordagem permitiu assegurar a qualidade da execução e a integridade das intervenções realizadas.

As regiões contempladas com a instalação dos reforços estruturais podem ser visualizadas na Figura 12, evidenciando os pontos críticos previamente identificados nas análises.

Figura 12 – Vista geral das regiões onde foram instalados os reforços estruturais.

Posteriormente, ao longo do acompanhamento, foram identificadas não conformidades pontuais associadas a práticas de execução, incluindo condições inadequadas de armazenamento de consumíveis de soldagem e a necessidade de ajustes durante a montagem. Tais ocorrências foram devidamente tratadas em campo, não comprometendo a qualidade final das estruturas após inspeções corretivas.

Com o objetivo de validar a integridade das soldas executadas, foram realizados ensaios não destrutivos, com destaque para o ensaio por líquido penetrante, apresentado na Figura 13, que possibilitou a identificação de descontinuidades superficiais nas regiões inspecionadas.

Figura 13 – Ensaio por líquido penetrante.

Complementarmente, foram conduzidos ensaios por ultrassom, conforme ilustrado na Figura 14, permitindo a avaliação de descontinuidades internas e a verificação da qualidade volumétrica das soldas.

Figura 14 – Ensaio por ultrassom.

As descontinuidades identificadas durante o processo de inspeção foram devidamente tratadas e reavaliadas, garantindo a conformidade com os critérios técnicos aplicáveis e assegurando a confiabilidade das intervenções realizadas.

Conclusão

Em suma, a análise integrada de sistemas de acionamento, combinando modelagem estrutural, medições em campo e avaliações normativas, é fundamental para o diagnóstico preciso de problemas relacionados a vibrações.

De fato, os estudos demonstram que a identificação adequada das causas raízes permite a proposição de soluções eficientes, capazes de restaurar a integridade estrutural e garantir a operação segura dos equipamentos.

A experiência acumulada em projetos dessa natureza evidencia a importância de contar com equipes especializadas e metodologias consolidadas para lidar com desafios complexos da engenharia industrial.

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FAQ

1. Quais são os principais riscos da vibração excessiva em acionamentos de transportadores industriais?

A vibração severa em conjuntos de acionamento (motores, redutores e eixos) provoca fadiga acelerada nos materiais, folgas em conexões parafusadas, trincas em cordões de solda e desgaste prematuro de rolamentos e engrenagens. No limite, esses esforços dinâmicos podem causar a falha catastrófica da base estrutural, gerando paradas não programadas caras e colocando em risco a integridade física dos operadores.

2. Como o Método dos Elementos Finitos (FEM) ajuda no diagnóstico de vibrações?

O FEM permite construir um modelo matemático tridimensional altamente detalhado de toda a estrutura do acionamento (chassis, eixos, chapas e apoios). Com esse modelo, a engenharia consegue simular o comportamento dinâmico e estático sob diferentes condições operacionais (como a partida e o regime permanente), identificando com precisão as regiões que sofrem as maiores concentrações de tensão e onde a rigidez precisa ser aumentada.

3. O que é a análise modal e por que ela é importante para evitar a ressonância?

A análise modal é o estudo numérico utilizado para determinar as frequências naturais e os modos de vibração de uma estrutura. Ela é indispensável porque, se a frequência de rotação de um motor ou eixo (frequência de excitação) for muito próxima de uma das frequências naturais da estrutura, ocorre a ressonância. Esse fenômeno amplifica violentamente a amplitude das vibrações, mesmo que a força aplicada seja pequena.

4. Qual é o papel das medições de campo na validação dos modelos computacionais?

As medições em campo (usando acelerômetros, câmeras de alta velocidade e sensores) coletam os dados reais de vibração do equipamento em funcionamento. Esses dados de frequência e velocidade de vibração são confrontados com as respostas do modelo tridimensional (FEM). Esse processo de calibração garante que as simulações computacionais representem com exatidão o comportamento físico real da máquina antes de propor qualquer alteração estrutural.

5. Quais soluções estruturais são aplicadas para mitigar a vibração nesses sistemas?

A principal estratégia consiste no desenvolvimento de reforços estruturais (como a adição de contraventamentos, enrijecedores e alteração de perfis metálicos). O objetivo é modificar a rigidez global da base de acionamento para “afastar” suas frequências naturais das frequências de operação dos componentes rotativos, eliminando a ressonância e distribuindo melhor as tensões nas conexões de acordo com normas como a NBR 8800.

6. Por que os ensaios de Ultrassom (US) e Líquido Penetrante (LP) são realizados após as reformas em campo?

Após a instalação física dos reforços projetados, é vital garantir que as novas soldas não possuam defeitos. O ensaio por Líquido Penetrante (LP) é rápido e altamente sensível para detectar descontinuidades abertas à superfície (como trincas superficiais e porosidades). Já o ensaio por Ultrassom (US) avalia o interior do cordão de solda, identificando falhas volumétricas internas (como falta de fusão ou inclusão de escória), assegurando a confiabilidade total da intervenção técnica.