COMO MEDIR A EFETIVIDADE DE TORQUE - Colunas de Prensa

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Introdução

Como já dito em alguns de nossos artigos, a aplicação do torque correto nos elementos de fixação durante o aperto possui influência direta nas tensões e principalmente em sua vida útil. Para explicar um pouco melhor sobre esse assunto, será mostrado nesse artigo um estudo feito pela equipe da ENSUS para a realização de um trabalho de verificação do aperto das porcas nas colunas de uma prensa.

A prensa analisada neste artigo pode ser vista na imagem abaixo:

Figura 1 – Modelo da prensa analisada no artigo.

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Podemos dividir a prensa em partes, e são elas:

• Mesa superior;
• Porcas e Contra Porcas;
• Mesa móvel;
• Pistão;
• Camisa;
• Colunas;
• Mesa inferior;

Figura 2 - Detalhe das partes da prensa.

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Figura 3 - Detalhe das partes da prensa.

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Motivação do estudo

O trabalho descrito acima surgiu a partir da necessidade de entender as trincas que estavam surgindo nas colunas da prensa, mais precisamente no primeiro filete de rosca da coluna.

Figura 4 - Região da trinca encontrada localizada no 1º filete engastado.

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Figura 5 - Região trincada.

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Essas trincas geram uma grande parada dentro da Indústria, ocasionando custos excessivos de manutenção e perda de produção, além claro, de trazer riscos para aqueles que trabalham próximos ao equipamento.

Devido ao tamanho do equipamento, torna-se inviável desmontar completamente a coluna para consertá-la ou até mesmo fazer uma coluna nova. Para resolver esse problema foi então necessário adotar o procedimento mostrado na imagem abaixo, onde é cortado um pedaço da coluna e um “postiço” é posicionado e soldado no seu lugar.

Figura 6 - Postiço e porca para solda na coluna e seu posicionamento.

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Por que as trincas nos filetes de rosca ocorrem?

Para entender por que as falhas nas roscas ocorrem, é necessário entender as forças atuantes durante o ciclo de operação do equipamento, pois elas são as responsáveis por causar as deformações das colunas.

A força total de prensagem é resultante da pressão do óleo que atua dentro da camisa levantando os pistões, menos as forças relativas aos pesos dos pistões, mesa móvel, bandejas e massa do produto prensado no processo.

Resumindo:

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Para manter o sistema em equilíbrio as oito colunas devem dividir a força total de prensagem entre elas, dessa maneira, chega-se à conclusão que cada coluna suporta aproximadamente 8.925kN.

As forças atuantes nas colunas, em teoria, são puramente axiais, portanto, o tipo de tensão que age nelas é do tipo Normal, ao longo de todo o comprimento.

Após essa análise chega-se à conclusão de que as tensões máximas e mínimas atuantes nas colunas são basicamente em dois momentos:

1. Durante o repouso (tensão mínima)
2. Durante a prensagem (tensão máxima)

Essa diferença de tensão presente durante os ciclos de prensagem e repouso acaba possibilitando fadiga da coluna, e, devido a rosca ser um concentrador de tensão, ela acaba sofrendo mais que o restante. A imagem abaixo mostra uma simulação feita da região da união entre rosca e porca do equipamento, a fim de mostrar a concentração de tensão e explicar o surgimento da trinca.

Figura 7 - Vista geral das tensões durante o ciclo de prensagem.

• Tensão na coluna – 127MPa
• Tensão no filete de rosca – 410MPa

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Como pode ser observado as tensões no filete são bem maiores que no restante das colunas devido a concentração de tensão já comentada acima.

O efeito de tensão máxima e mínima possibilita a ocorrência de fadiga e por este motivo a aplicação do torque nas porcas é tão importante.

• As tensões na região do filete de rosca são impactadas em 02 momentos. O primeiro é durante a montagem, quando o torque é aplicado. O segundo é durante a prensagem quando as colunas são submetidas aos esforços calculados acima.
• Caso o torque seja baixo (inferior ao valor necessário) a amplitude de tensão será elevada, contribuindo para a ocorrência da falha por fadiga;
• Quando o torque é adequado, as tensões nos filetes de rosca são maiores na primeira etapa, porém a amplitude de tensão é reduzida contribuindo beneficamente para a prevenção de falha por fadiga.

Dessa maneira, chegamos à conclusão que aplicar o torque correto previne as falhas ocorridas na coluna da prensa.

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Quais são as dificuldade de apertas as porcas da Prensa? Como isso é feito?

Aplicar torque em prensas não é uma tarefa fácil, devido a principalmente 03 fatores:

• Se tratando de uma porca e coluna de dimensões muito grande, a força necessária para atingir a pré carga correta é muito elevada. Para conseguir realizar tal atividade é necessário inserir vapor nas colunas para que elas se dilatem longitudinalmente, para que a porca “desencoste” da mesa e fique relativamente solta.
• As ferramentas utilizadas para o processo de aperto são “improvisadas”, não sendo fáceis de serem utilizadas (talhas, cabos de aço etc).
• Devido ao ambiente de operação do equipamento, na maioria das vezes as porcas acabam travando na coluna, dificultando ainda mais o processo de aperto.

De acordo com as informações acima, fica claro que aplicar ou corrigir os torques das colunas exige um planejamento grande e tempo suficiente para realização dessa atividade.

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Como verificar a efetividade do torque nas colunas da prensa?

Para verificar se o torque nas colunas é realmente efetivo utiliza-se da técnica de extensômetria, onde as deformações obtidas através dos sensores são comparadas com o histórico do equipamento. Os extensômetros são posicionados e colados na região das colunas (entre porca e contra porca), como mostra a figura abaixo.

Figura 8 - Local onde são instalados os extensômetros.

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Os extensômetros são instalados após a aplicação do torque, e, portanto, não medem a deformação referente a pré carga. Os resultados obtidos pelos sensores mostram a deformação da região entre porcas durante o ciclo de prensagem do equipamento.

Figura 9 - Extensômetro instalado na coluna da prensa.

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Os extensômetros foram nomeados seguindo o layout de instalação abaixo:

Figura 10 - Layout de instalação dos extensômetros.

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Os nomes adotados para cada um dos sensores são apresentados abaixo:

Após instalados os sensores são zerados e inicia-se a medição. O extensômetro mede então a diferença de tensão entre o ciclo de prensagem e repouso, através da diferença é que se verifica a real necessidade do aperto das porcas, pois, quanto maior a diferença, mais ele sofre com fadiga.

Os gráficos de cada uma das mesas podem ser vistos abaixo:

Figura 11 – Gráfico obtido dos extensômetros nas colunas (mesa inferior).

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Figura 12 - Gráfico obtido dos extensômetros nas colunas (mesa superior).

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A linha vermelha presente nos gráficos trata-se do valor máximo estipulado, tendo base o histórico do equipamento. Como pode ser visto algumas colunas apresentam valores elevados e um deles está até acima do limite admissível estipulado.

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Conclusão

Percebe-se que as colunas das extremidades (01 e 04) possuem maior amplitude de deformação durante o ciclo de prensagem, sendo prejudicial para a vida de fadiga da região da rosca.

É possível observar também que os extensômetros das colunas do centro não apresentam valores acima do limite admissível, no entanto, comparando com o histórico do equipamento, os valores da coluna (02LE) mostram um aumento considerável que deve ser analisado com cuidado.

Figura 13 - Gráfico de histórico do equipamento.

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Para que os valores comentados acima, voltem para uma condição normal de trabalho é necessário o aperto das porcas das colunas.

Devido à dificuldade de controlar o torque através de instrumentos adequados, é importante também ter um procedimento detalhado para controlar o ângulo de aperto das porcas, pois ele é quem define a efetividade do aperto.

Por fim, percebe-se que os ensaios de extensômetria proporcionam uma análise efetiva das condições de trabalho da prensa, e claro, a periodicidade desses ensaios é quem garante que não existirão novas trincas ou outros tipos de falhas.

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