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FALHA POR FADIGA EM PARAFUSO

Postado em 8 de novembro de 2019 por

FALHA POR FADIGA EM PARAFUSO

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Esse artigo tem como objetivo fazer um resumo de trabalho que fizemos sobre a investigação de falha de um parafuso prisioneiro responsável por fixar um motovibrador em um Silo de Grãos.

Figura 1 – Imagem da falha com os parafusos destacados.

As falhas que ocorreram nos parafusos se caracterizam por fadiga, como pode ser observado na imagem abaixo:

Figura 2 – Região da falha do parafuso (falha por fadiga).

Uma instalação similar a que apresentou falha é mostrada abaixo:

Figura 3 – Instalação similar com motoredutor instalado na tremonha de um silo.

A vida de fadiga do parafuso foi investigada, levando em consideração o ciclo de tensão atuante, tendo como parâmetro as tensões máximas e mínimas existentes nas regiões de concentração de tensão durante a operação do equipamento.

A maioria dos componentes mecânicos estão submetidos a carregamentos cíclicos que estão sujeitos a falha por fadiga. A definição de fadiga segundo a norma ASTM é a seguinte:

“Processo progressivo e localizado de modificações estruturais permanentes ocorridas em   um   material   submetido   a   condições   que   produzam tensões   e deformações cíclicas que pode culminar em trincas ou fratura após um certo número de ciclos.”

As curvas de fadiga dos componentes, são levantadas através de ensaios mecânicos considerando determinados materiais, amplitude e tipo de carregamento, correlacionando a tensão ou deformação com o número de ciclos até a falha ou iniciação de trinca do corpo de prova.

Figura 4 – Curva de fadiga S-N.

Para a análise em questão, as amplitudes de tensão foram obtidas a partir das análises de elementos finitos, para posterior cálculo da vida e coeficiente de segurança.

A geometria utilizada para a análise de elementos finitos é mostrada abaixo:

Figura 5 – Geometria utilizada na análise de elementos finitos.

As análises foram realizadas considerando as principais forças atuantes durante o ciclo de operação do motovibrador, sendo analisado vários ângulos de atuação da força de impacto, assim como vários torques aplicados nos parafusos. Essas condições são sumarizadas abaixo:

Pré Carga:

A pré carga é relativa ao torque aplicado nos parafusos. Foram analisadas 04 condições de torque, sendo elas de 0%, 25%, 50% e 100% do torque ideal para o parafuso original.

Figura 6 – Pré carga nos parafusos.

Força de Impacto:

A força de impacto é relativa à força centrífuga gerada pela massa desbalanceadora do motovibrador, considerando um fator de amplificação dinâmica que é afetado pelo local de instalação. Essa força foi aplicada em 08 steps da análise, de acordo com as imagens abaixo:

Figura 7 – Forças de impacto em cada step da análise.

Peso:

O peso foi considerado em todas as iterações, sendo aplicado na direção vertical, considerando a inclinação da tremonha do silo:

Figura 8 – Peso do motovibrador.

Torque:

O torque foi considerado em todas as iterações.

Figura 9 – Torque do motovibrador.

Os resultados mostram que a condição em que não é aplicado torque ao parafuso (0% pré carga), existe uma maior amplitude de tensão contribuindo para um menor coeficiente de segurança de fadiga.

Figura 10 – Condição de 0% de pré carga – vista ISO com coeficiente de segurança menor que 01.

O torque no parafuso faz com haja melhor fixação do pé do motor, fazendo com que o deslocamento da base seja reduzido. Em uma condição sem torque, o deslocamento é maior fazendo com que o parafuso seja mais solicitado em um movimento de flexão.

As regiões das maiores tensões são condizentes com a falha encontrada no parafuso, sendo localizada no plano de cisalhamento entre a chapa e pé do motor.

Figura 11 – Região da falha do parafuso.

De acordo com os resultados obtidos na análise de elementos finitos, existem 02 principais fatores que contribuíram para a falha:

  • Baixa resistência mecânica do parafuso (material SAE 1015);
  • Baixo torque aplicado no parafuso;

As seguintes modificações foram propostas para a resolução do problema:

  • Adição de Viga L soldada a tremonha;
  • Chapa acima da Viga L;
  • Parafuso 5/8’’ Grau 5;

Figura 12 – Vista isométrica da base.

As especificações do parafuso utilizada são detalhadas:

Os resultados de fadiga da nova proposta atendem os requisitos de segurança, não havendo falha por fadiga, podendo ser utilizado para a fixação do motovibrador.

Figura 13 – Vista ISO do local onde o coeficiente de segurança é menor que 1.

Baseado nos resultados obtidos nas análises, é proposto um torque para aplicação no parafuso adotado.

Recomendações importantes:

  • Utilizar torquímetro para aplicar o torque;
  • Utilizar parafusos e porcas novas (não reutilizar de outras aplicações);
  • Aplicar óleo fino no parafuso e porca antes de realizar o aperto;
  • Limpar a região da união parafusada (chapas em contato, parafusos, porca etc.);
  • Utilizar porca auto-travante;
  • Utilizar arruelas tanto na cabeça do parafuso quanto na porca;
  • Não utilizar parafuso com rosca no corpo inteiro;

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