Quebra em Rolamentos - 04 Dicas para Investigação da Falha

Rolamentos são amplamente utilizados em diversos projetos de engenharia, sendo um item primordial no funcionamento de equipamentos. A quebra deste componente, na maioria das vezes, causa sérios problemas, interrompendo a função principal do equipamento, exigindo que a troca seja realizada, acarretando em hora de máquina parada como também aumento de custo para as empresas.

Neste artigo, daremos 04 dicas primordiais para que você possa analisar a falha deste componente, e tomar ações para que esta falha não ocorra mais.

Antes do início do trabalho de investigação da falha, é necessário conhecer o tipo de rolamento da aplicação. As principais classificações dos rolamentos podem ser divididas em:

• Rolamentos de Esferas:
  • Radiais de Esferas
  • Axiais de Esferas
• Rolamentos de Rolos
  • Radiais de Rolos
  • Axiais de Rolos

Para identificar qual é o modelo de rolamento de sua aplicação, basta identificar o código do rolamento e entrar no site do fabricante do mesmo. Todas as informações técnicas serão disponibilizadas.

As 4 dicas fornecidas abaixo, garantem um checklist de verificação de seu equipamento verificando a correta seleção dos rolamentos, em outras palavras, realizando as 4 dicas fornecidas, você garante que se rolamento será bem selecionado para sua aplicação.

1. Verificação das Forças Atuantes

As forças atuantes devem ser conhecidas corretamente, pois influenciam diretamente na vida do rolamento. Rupturas devido ao limite de escoamento e falhas por fadiga estão diretamente relacionadas a forças excessivas atuantes.

Encontrar as forças atuantes em seu equipamento pode não ser a tarefa mais simples que exista. É necessário realizar um diagrama de forças identificando todas as cargas atuantes, para que as forças de reação sejam calculadas e utilizadas para a seleção do rolamento.

Para casos mais complicados, onde não se sabe ao certo as forças atuantes no equipamento, o ideal é que seja realizado medições em campo, ou simulações pelo método dos elementos finitos, considerando os efeitos de choques, vibração e outros parâmetros que muitas vezes são desconhecidos em um primeiro momento.

Outro ponto importante, é identificar se a força é constante ou existe variação durante o ciclo de operação do equipamento. Cargas que não são constantes devem ser levadas em consideração pois a vida do rolamento é influenciada diretamente por este parâmetro.

Ensaios de extensômetria (strain gauge) ou instalação de células de carga, podem ser consideradas para a obtenção das forças de reação atuante durante o funcionamento do equipamento.

Figura 1 - instalação de extensômetros para identificar as forças atuantes no mancal

Esse tipo de instrumentação fornece resultados fiéis com relação a operação do equipamento, fazendo com que se possa obter dados precisos para estimar a vida do rolamento.

As simulações de Elementos Finitos podem ser realizadas considerando o funcionamento de equipamentos complexos, onde se deseja conhecer as tensões e forças de reação no equipamento como um todo.

Figura 2 - análise de elementos finitos utilizada em conjunto com o ensaio de extensometria

Para as simulações de elementos finitos, é necessário possuir a geometria da peça analisada, como também as forças principais de atuação no equipamento.

Com base nas forças de reação, é necessário calcular a vida do rolamento de acordo com a norma ISO 281:2007

Em diversos casos, as cargas calculadas teoricamente são menores que as cargas reais pois não consideram o efeito de vibração e choque, o que acaba subdimensionando a aplicação. O cálculo exige completo conhecimento das forças atuantes, como engrenagens, peso próprio, forças de pistões hidráulicos, etc...

A carga dinâmica equivalente do rolamento é calculada com base nas forças de reação encontradas na aplicação. Basicamente é a carga hipotética, considerando as forças radiais e axiais que será utilizada para o cálculo da vida do rolamento.

Geralmente, rolamentos radiais recebem esforços radiais e axiais , considerando a resultante constante em valor e direção, a carga dinâmica equivalente, pode ser obtida por:

Os valores de X e Y são encontrados nos catálogos dos produtos.

Para rolamentos axiais que suportam cargas puramente axiais, como por exemplo rolamentos axiais de esferas e rolamentos axiais de rolos cilíndricos, a equação pode ser simplificada por:

Com todos os parâmetros acima conhecido, é possível calcular a vida nominal básica do rolamento, e ter conhecimento no número de ciclos de operação com segurança (sem ocorrência de falhas).

Se a rotação do rolamento for constante, a vida nominal pode ser expressa em horas, como mostra a equação abaixo:

1. Verificação da Montagem

A montagem correta do rolamento é essencial para garantir o correto funcionamento do equipamento. Separamos os principais erros existentes durante o processo de montagem:

• Tolerâncias de montagem – todos os rolamentos possuem tabelas especificando as tolerâncias de montagem das peças envolvidas. Atender esse requisito é fundamental para que não haja força ou folga excessiva de contato entre os componentes.
• Ferramentas inadequadas – batidas ou choques excessivos nos rolamentos durante sua montagem pode danificar seus componentes internos, gerando problemas futuros na vida do rolamento. Não utilize martelo ou outras ferramentas que exerçam impacto excessivo no rolamento.
• O aquecimento localizado do rolamento com maçarico por exemplo, pode deteriorar as propriedades do material do rolamento, fazendo com que sejam criadas regiões frágeis susceptíveis a falha. O aquecimento indutivo é o mais indicado para aquecer o rolamento de forma uniforme e controlada.

1. Verificação da Lubrificação

Os rolamentos podem ser lubrificados por óleo e graxas, sendo que as principais funções desses agentes são:

• Diminuir o atrito entre as partes do rolamento;
• Manter a temperatura em níveis aceitáveis;
• Inibir o desgaste entre as peças em contato;
• Proteção do rolamento contra corrosão;

A escolha de lubrificantes e métodos de lubrificação para cada aplicação de rolamento é fator fundamental para garantir a durabilidade do mesmo. Com o decorrer o tempo, as propriedades dos lubrificante vão se deteriorando, como resultado do trabalho mecânico, envelhecendo e acumulando contaminações.

A graxa é muito utilizada em rolamentos, sendo responsável por aproximadamente 80% das aplicações, e apresenta vantagens sobre os óleos, principalmente na questão de reter com mais facilidade no arranjo dos rolamentos (principalmente em eixos inclinados e verticais), além de contribuída contra a vedação da umidade e contaminantes líquidos e sólidos. A quantidade de aplicação de graxa deve ser realizada corretamente, considerando que uma pequena quantidade gera problemas de atrito excessivo e quantidades excessivas faz com que a temperatura operacional do rolamento aumente rapidamente, especialmente quando é submetido a rotações altas.

Para aplicações em que ocorreu a falha de rolamentos, é indicado que seja realizado a análise do lubrificante, com a finalidade de identificar as condições de lubrificação com relação a aplicação do equipamento. As análises dos lubrificantes podem ser dividas em 04 grupos:

• Análise físico-quimica – tem como principal objetivo identificar a condição do lubrificante, por meio de análises identificando as propriedades de viscosidade cinemática, ponto de fulgor, quantidade de substâncias ácidas existentes e capacidade de proteção corrosiva do óleo lubrificante.
• Análise de Contaminação – tem como principal objetivo identificar a presença de substâncias externas que infiltram no sistema, como por exemplo desgaste das peças ou reações do próprio lubrificante. As principais análises realizadas têm como objetivo identificar a presença de água e insolúveis de pentano (partículas metálicos, óxidos oriundos da corrosão, material carbonizado da degradação do lubrificante e material resinoso oxidado).
• Espectrometria: tem como principal objetivo identificar todos os elementos químicos existentes no óleo lubrificante, com o intuito de obter informações sobre o desgaste do equipamento, contaminações externas e aditivos presentes.
• Ferrografia: podem ser realizados pelo exame analítico e quantitativo, onde a intenção é analisar as partículas de desgaste observando o tipo de desgaste como também a quantidade de partículas.

Para eventos onde a falha já ocorreu, as análises de espectrometria e ferrografia podem apresentar resultados incoerentes devido a ocorrência da falha ter gerado partículas de desgaste e quebra que acabam contaminando o lubrificante e influenciando nos laudos.

1. Verificação da Temperatura

Todo rolamento possui uma faixa de temperatura ideal de operação. Essas condições podem ser verificadas no catálogo do fabricante, e devem ser comparadas com resultados obtidos durante a operação do equipamento.

A temperatura pode ser verificada com pirômetros ou termopares, se atentando ao fato de medir o local mais próximo ou no próprio rolamento.

A investigação da temperatura de operação na maioria das vezes é a busca pelo efeito da falha. Por exemplo, em casos onde o lubrificante está inadequado para a aplicação, pode-se observar temperaturas elevadas de operação, porém a causa raiz da falha é o lubrificante inadequado.

Por ser uma medição fácil que fornece resultados valiosos, essa ação é indispensável na investigação da falha de quebra de rolamentos.

Muitas informações para guardar? Vamos resumir para você não esquecer esses conceitos!

1. Conheça todas as forças envolvidas no equipamento e verifique se a vida do rolamento é condizente com o tempo de falha. Se este for o caso, selecione outro modelo de rolamento para uma vida condizente com sua necessidade (ex. 5 anos, 10 anos, etc)
2. Verifique os procedimentos de montagem:
   • As tolerâncias das peças envolvidas estão dentro do especificado pelo fabricante do rolamento?
   • O rolamento sofreu choques ou impactos excessivos durante a montagem? Como foi aquecido o rolamento? Mesmo que essas 02 informações não respondam o porque da falha ocorrida, é uma boa prática para a prevenção nas próximas montagens;
3. Faça uma análise de lubrificação do óleo ou graxa existente no rolamento que falhou. Esta análise vai te fornecer informações sobre impurezas, contaminação e “vida” do óleo. Comece a pensar em um programa de troca de óleo para sua empresa, com certeza vai te render um ótimo custo benefício.
4. Meça a temperatura de operação do rolamento – se você não tiver acesso a esse dado pois a máquina de interesse está quebrada, procure fazer medições em aplicações similares. A operação do rolamento em temperaturas acima das especificações pelo fabricante geram falhas prematuras!

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