Entendendo as Trincas no Eixo de Máquinas Rotativas

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Definição: O que é uma fissura no eixo?

A rachadura no eixo Uma trinca é uma fratura ou descontinuidade em um eixo rotativo que se desenvolve devido à fadiga, concentração de tensão ou defeitos do material. As trincas normalmente se iniciam na superfície e se propagam para dentro, perpendicularmente à direção da tensão de tração máxima. Em máquinas rotativas, as trincas em eixos são extremamente perigosas porque podem progredir de uma pequena falha indetectável para uma fratura completa do eixo em questão de horas ou dias, podendo causar falhas catastróficas no equipamento.

Rachaduras no eixo produzem características distintas vibração assinaturas, particularmente um componente característico de 2× (duas vezes por revolução) que aparece à medida que a trinca se desenvolve. Detecção precoce através de análise de vibração É fundamental para evitar a falha completa do eixo e os riscos de segurança associados.

Causas comuns de rachaduras em eixos

1. Fadiga por tensões cíclicas

A causa mais comum, particularmente em máquinas rotativas:

• Fadiga por flexão: Um eixo rotativo com rigidez ou cargas desiguais cria tensão de flexão cíclica.
• Fadiga torsional: Torque oscilante em eixos de transmissão de potência
• Fadiga de alto ciclo: Milhões de ciclos de estresse se acumulam ao longo de anos de operação.
• Concentração de estresse: Chavetas, furos, filetes e descontinuidades geométricas concentram a tensão.

2. Condições de Operação

• Excessivo Desequilíbrio: Altas forças centrífugas criam tensão de flexão
• Desalinhamento: Momentos de flexão resultantes de desalinhamento aceleram a fadiga.
• Operação de ressonância: Operando em ou perto de velocidades críticas cria deflexões elevadas
• Sobrecarga: Operando além dos limites de projeto
• Estresse térmico: Ciclos rápidos de aquecimento/resfriamento ou gradientes térmicos

3. Defeitos de Material e Fabricação

• Conteúdo da embalagem: Escória, vazios ou material estranho no material do eixo
• Tratamento térmico inadequado: Endurecimento ou revenimento inadequados
• Defeitos de usinagem: Marcas de ferramentas, sulcos ou arranhões que criam pontos de concentração de tensão
• Corrosão por pite: A corrosão superficial cria pontos de iniciação de trincas
• Preocupação: Em interfaces de encaixe por pressão ou ranhuras de chaveta

4. Eventos Operacionais

• Eventos de excesso de velocidade: Excesso de velocidade emergencial ou acidental que gera alto nível de estresse.
• Assaduras severas: O contato gera calor e concentração de tensão local.
• Carga de impacto: Sobrecargas repentinas devido a perturbações no processo ou choques mecânicos
• Reparos anteriores: Soldagem ou usinagem que introduzem tensões residuais

Sintomas de vibração de um eixo trincado

O componente característico 2×

A principal característica vibratória de um eixo trincado é uma vibração proeminente. 2× (segundo harmônico) componente:

Por que ocorre o desenvolvimento de vibração dupla?

• Uma fenda abre e fecha duas vezes por revolução à medida que o eixo gira.
• Quando a fissura está sob compressão (parte inferior da rotação), a rigidez é maior.
• Quando a fissura está sob tensão (topo da rotação), ela se abre e a rigidez diminui.
• Essa variação de rigidez de duas vezes por revolução cria uma força 2× maior.
• A amplitude aumenta em 2 vezes à medida que a trinca se propaga e a assimetria de rigidez cresce.

Indicadores de vibração adicionais

• 1× Alterações: Aumento gradual na vibração de 1× devido à alteração da rigidez e à curvatura residual.
• Harmônicos superiores: 3×, 4× podem aparecer à medida que a gravidade da fissura aumenta.
• Deslocamentos de fase: Alterações no ângulo de fase durante a partida/desaceleração ou em diferentes velocidades.
• Comportamento dependente da velocidade: A vibração pode variar de forma não linear com a velocidade.
• Sensibilidade à temperatura: A vibração pode estar correlacionada com a expansão térmica, causando abertura/fechamento de fissuras.

Características de inicialização/desaceleração

• O componente 2× apresenta comportamento incomum durante transientes.
• Pode apresentar dois picos em Diagrama de Bode (a 1/2 de cada velocidade crítica)
• As mudanças de fase do componente 1× podem diferir da resposta normal ao desequilíbrio.

Métodos de detecção

Monitoramento de vibração

Análise de Tendências

• Monitore a proporção 2X/1X ao longo do tempo.
• Um aumento gradual de 2× na amplitude é um sinal de alerta.
• Uma relação 2X/1X superior a 0,5 justifica investigação.
• Alterações repentinas no padrão de vibração são suspeitas.

Análise Espectral

• Regular FFT análise mostrando harmônicos
• Comparar os espectros de referência atuais com os históricos.
• Fique atento ao surgimento ou crescimento de um pico de 2×.

Análise Transitória

• Gráficos de cachoeiras durante a inicialização/desaceleração
• Diagramas de Bode mostrando amplitude e fase em função da velocidade.
• Comportamento incomum em trechos de velocidade crítica

Métodos sem vibração

1. Inspeção por Partículas Magnéticas (MPI)

• Detecta fissuras superficiais e próximas à superfície.
• Requer superfície de eixo acessível
• Alta confiabilidade na detecção de fissuras
• Parte das inspeções de manutenção de rotina

2. Teste ultrassônico (UT)

• Detecta fissuras internas e superficiais.
• É possível detectar rachaduras antes que elas causem sintomas de vibração.
• Requer equipamentos especializados e pessoal treinado.
• Recomendado para eixos críticos

3. Inspeção por Líquido Penetrante

• Método simples para detecção de fissuras superficiais
• Requer limpeza e preparação da superfície.
• Útil para áreas acessíveis durante interrupções de energia.

4. Teste de Correntes Parasitas

• Detecção de fissuras superficiais sem contato
• Bom para inspeção automatizada
• Eficaz em materiais não magnéticos e magnéticos

Resposta e ações corretivas

Ações imediatas após a detecção

1. Aumentar a frequência de monitoramento: De mensal a semanal ou diário
2. Reduzir a gravidade das operações: Reduza a velocidade ou a carga, se possível.
3. Plano de Encerramento: Agende o reparo ou a substituição assim que for seguro fazê-lo.
4. Realizar END (Ensaios Não Destrutivos): Confirme a presença de fissuras e avalie a sua gravidade.
5. Avaliação de risco: Determine se a operação contínua é segura.

Soluções de longo prazo

• Substituição do eixo: Solução mais confiável para rachaduras confirmadas
• Reparo (casos limitados): Algumas fissuras podem ser removidas por usinagem e preenchimento com solda (requer avaliação especializada).
• Análise da causa raiz: Identificar a causa da fissura para evitar que ela se repita.
• Modificações de design: Corrigir concentrações de tensão, melhorar a seleção de materiais, modificar as condições de operação.

Estratégias de Prevenção

Fase de projeto

• Elimine cantos vivos e concentrações de tensão.
• Use raios de filete generosos nas mudanças de diâmetro.
• Especifique os materiais adequados aos níveis de estresse e ao ambiente.
• Realizar análise de tensões por elementos finitos
• Aplicar tratamentos de superfície (jateamento com esferas, nitretação) para melhorar a resistência à fadiga.

Fase Operacional

• Mantenha um bom equilíbrio de qualidade para minimizar a tensão de flexão cíclica
• Garantir alinhamento preciso
• Evite operar em velocidades críticas.
• Prevenir eventos de excesso de velocidade
• Controle o estresse térmico por meio de aquecimento/resfriamento adequados.

Fase de Manutenção

• Inspeções regulares utilizando métodos END apropriados
• Programas de monitoramento de vibrações para detectar sintomas precoces.
• Balanceamento periódico para minimizar as tensões de fadiga.
• Prevenção da corrosão e manutenção do revestimento

Trincas em eixos representam uma das falhas potenciais mais graves em máquinas rotativas. A combinação do monitoramento de vibração (para detectar assinaturas características de vibração) e inspeção não destrutiva periódica oferece a melhor estratégia para a detecção precoce de trincas, permitindo a manutenção planejada antes que ocorra uma falha catastrófica.

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