DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE MONITORAMENTO DA BANCADA DE ENSAIOS DE ROLETES DE CORREIA TRANSPORTADORA DE MINÉRIO

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1 Grupo: Dinâmica de Rotores DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE MONITORAMENTO DA BANCADA DE ENSAIOS DE ROLETES DE CORREIA TRANSPORTADORA DE MINÉRIO Marina Machado Loures 1 Professor Leonardo Antônio Borges Tôrres 2 Professor Marco Túlio Corrêa de Faria 3 1 Universidade Federal de Minas Estudante do Curso de Engenharia de Controle e Automação mloures@cpdee.ufmg.br 2 Universidade Federal de Minas Departamento de Engenharia Eletrônica torres@cpdee.ufmg.br 3 Universidade Federal de Minas Departamento de Engenharia Mecânica mtfaria@demec.ufmg.br Resumo. Os roletes consistem em elemento-chave em sistemas de transportadoras de correia para mineração. Entretanto, dados confiáveis acerca da resistência mecânica e vida útil de roletes dessas correias não estão disponíveis em catálogos técnicos e nem na vasta literatura técnica sobre o assunto. Com o intuito de levantar dados sobre vida útil e resistência de roletes utilizados em transportadores de minério via correia transportadora, a empresa Samarco Mineração S/A, associada ao Grupo de Dinâmica de Rotores do Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG, vem trabalhando no desenvolvimento de um projeto de bancada de ensaios de roletes. Essa bancada permite a realização de ensaios em roletes de diferentes comprimentos sob variadas condições de carregamento e velocidade. A bancada pode ser dividida em quatro grandes subsistemas suporte; conjunto mecânico; acionamento; monitoramento. O presente trabalho trata do desenvolvimento de um sistema de monitoramento da bancada projetada, ou seja, da integração entre instrumentos de medição das variáveis do processo, devidamente especificados, e o monitoramento remoto do processo. A atuação no sistema ocorrerá de forma otimizada, por meio de computador instalado remotamente em relação à bancada. Esse sistema permitirá a obtenção de algumas características associadas ao comportamento dos roletes, tais como temperatura e vibração, em condições adversas de operação. Palavras-chave: Correia transportadora, roletes, monitoramento 1. INTRODUÇÃO O minério de ferro é um recurso abundante em todo o mundo, sendo o Brasil detentor da quinta maior jazida, com 8,3% do total mundial de reservas (Andrade et al. [1]). Na Samarco Mineração S/A, 70% do minério de ferro proveniente das lavras é transportado por meio de um sistema de correias transportadoras, de nove quilômetros de extensão, para as Usinas de Beneficiamento [2]. A utilização deste sistema reduz os custos operacionais para a empresa, o que permite que estes sejam menores do que de outras mineradoras, que utilizam principalmente caminhões como meio de transporte de minério. Entretanto, segundo engenheiros da Samarco, os custos com manutenção têm se mostrado elevados, devido ao desconhecimento da vida útil dos roletes, o que impossibilita a otimização do planejamento da troca dos mesmos. Para solucionar este problema, a equipe do Departamento de Manutenção da Samarco contratou, junto ao Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG, um projeto de desenvolvimento de uma bancada de ensaios de roletes de correias transportadoras de minério, para a determinação precisa da vida útil dos roletes de seus quatro fornecedores. O projeto mecânico da bancada foi desenvolvido por integrantes do Grupo de Dinâmica dos Rotores do Departamento de Engenharia Mecânica - UFMG. Este artigo apresenta a descrição do projeto do Sistema de Monitoramento da Bancada de Ensaio de Roletes. Assim, por meio da medição contínua e monitoramento das variáveis do processo, objetiva-se criar um procedimento que automatize o processo de teste de roletes e conseqüentemente otimize o processo de manutenção dos rolamentos dos roletes. 2. OBJETIVOS O objetivo deste projeto é o desenvolvimento do Sistema de Monitoramento da Bancada de Ensaio de Roletes de Correias Transportadoras de Minério de Ferro, projetada e montada pelo Grupo de Dinâmica dos Rotores. Algumas atividades previstas no desenvolvimento desse projeto consistem na especificação e na instalação da instrumentação necessária para monitoramento contínuo da bancada, além do desenvolvimento de um sistema de aquisição

2 de dados dos instrumentos, de forma a tornar possível que o monitoramento seja realizado remotamente. 3. DESCRIÇÃO DA BANCADA DE ENSAIO DE ROLETES O sistema consiste em uma bancada de ensaios para a análise de resistência mecânica determinação da vida útil de roletes de correias transportadoras de minério. Ela foi projetada por dois alunos da Engenharia Mecânica, bolsistas do Grupo de Dinâmica dos Rotores, sob supervisão do professor Marco Túlio. A bancada, apresentada na Fig. 1, é constituída de quatro roletes e quatro rolos de carga, sendo que os roletes se encontram na região inferior da bancada e os quatro rolos encontram-se na parte superior. Os rolos de carga são acionados por motores e induzem o movimento rotacional nos roletes por atrito. De acordo com informação fornecida pelos engenheiros de manutenção da empresa Samarco, os roletes têm vida útil média de 30 meses, operando em condições normais de carga e velocidade. Portanto, a realização de testes de vida útil em roletes em condições normais torna-se uma tarefa bastante morosa e praticamente inviável. Para reduzir o tempo de ensaios de roletes, a bancada projetada permite operar esses roletes em velocidades de rotação e em cargas bem mais elevadas do que aquelas normalmente experimentadas em campo. A seleção de amostras e a determinação das condições de velocidade e carga para os testes serão baseadas em teoria de confiabilidade. Por questões de segurança e saúde ocupacional, a bancada encontra-se instalada no interior de um contêiner, afastado das instalações do Grupo de Dinâmica de Rotores. 4. DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE MONITORAMENTO DA BANCADA DE ENSAIO DE ROLETES 4.1 Sistema de Monitoramento Figura 1 - Bancada de Ensaio de Roletes. Na Fig. 2, observa-se o suporte de mancal no qual o eixo do rolete gira. Figura 2 - Suporte do Mancal de Roletes. Fonte: Grupo de Dinâmica dos Rotores. Para a simulação do ambiente real de uma correia transportadora, os rolos de carga são revestidos com material polimérico, similar ao utilizado em correias transportadoras. Além disso, um sistema de gotejamento de solução de água com pó de minério é implantado na bancada na tentativa de reproduzir as condições ambientais em campo. Pretende-se monitorar continuamente a vibração, a temperatura, a velocidade e o número de ciclos de quatro roletes simultaneamente. Constatada a falha, o rolete será substituído para a realização de um novo teste. A falha do rolete será avaliada por meio de variáveis indicadoras da condição mecânica do rolete, que são vibração e temperatura. O sistema de aquisição de dados é composto por vinte sensores, sendo: oito acelerômetros, oito sensores de temperatura e quatro sensores de posição; por duas placas de aquisição de dados e por dois computadores. Como visto na Fig. 3, os sinais dos sensores serão aquisitados por duas placas de aquisição de dados (que estarão instaladas no computador existente no contêiner), responsáveis pela aquisição e conversão destes sinais analógicos em sinais digitais. Esta informação será enviada via TCP/IP para o computador presente na sala do Grupo de Dinâmica dos Rotores, e o usuário poderá monitorar remotamente o funcionamento do sistema. O usuário também poderá verificar se a velocidade de todos os motores encontrase no mesmo patamar e, caso necessário, atuar no inversor de freqüência do eixo desejado para alterá-la. Na seqüência, são apresentados os equipamentos e dispositivos especificados para o monitoramento, bem como a Infra-Estrutura Computacional necessária para que o sistema possa ser monitorado remotamente. 4.2 Instrumentação para Monitoramento de Falhas em Roletes Os roletes são cilindros metálicos montados sobre eixos circulares fixos, por meio de mancais de rolamentos. Muitas vezes, a falha dos roletes está associada à falha em seus rolamentos. Os principais sentidos humanos utilizados em procedimentos de

3 detecção de falhas de rolamentos são: audição e tato [3], como visto na Fig. 4. Deve-se também checar o processo de giro, fazendo o rolete girar lentamente, o que permite que seja verificado se o movimento é realizado com ou sem esforço, e se é uniforme ou desigual. número de ciclos necessários, com determinada carga e velocidade, para a ocorrência de falhas nos roletes. Assim, a instrumentação do Sistema de Monitoramento é composta por sensores de: vibração, temperatura e proximidade. Estes são especificados de forma a satisfazer alguns requisitos técnicos relevantes, tais como: precisão, linearidade, largura da banda de passagem, robustez ao ruído, entre outros. Os instrumentos de medição são instalados no suporte do mancal apresentado na Fig.2. A disposição dos instrumentos está apresentada na Fig. 5 e a forma como são instalados na bancada é mostrada na Fig. 6. A seguir são apresentadas as especificações dos instrumentos de medição. Figura 3 - Visão Geral do Sistema. Sensor de Proximidade Acelerômetro Sensor de Temperatura Figura 5 - Mancal Instrumentado Medição de Vibração Figura 4 - Variáveis observadas na detecção de falhas de rolamentos. Fonte: Telecurso A audição é utilizada para verificar se o som emitido enquanto o rolamento está girando é: Raspante, o que sugere que as pistas do rolamento estão sujas; Estrepitoso: o que indica que as pistas apresentam danos ou descascamento; Metálico: que é sinal de pequena folga ou falta de lubrificação. Outra variável que deve ser observada, além dos ruídos citados, é a temperatura. Esta deve ser verificada utilizando-se o tato. Caso a temperatura esteja mais alta que o normal observado, ou sofrendo variações, os problemas podem ser: Lubrificação deficiente ou em excesso; presença de sujeiras; excesso de carga; folga interna muito pequena; início de desgaste; entre outros. Com base nestes procedimentos, são especificados instrumentos de medição de vibração e temperatura para avaliar a condição dos roletes. Outro instrumento especificado é o sensor de proximidade, que será responsável pela contagem do O transmissor utilizado para medição de vibração é o acelerômetro piezoelétrico 333B50 da PCB Piezotronics. A Fig. 6 mostra o acelerômetro instalado na região superior do suporte de mancal. Assim, quando o acelerômetro estiver sujeito à aceleração do mancal, uma força será gerada, e ocasionará uma deformação no material piezoelétrico, gerando um sinal elétrico proporcional à vibração. As características do acelerômetro especificado podem ser observadas na Tabela Sensor de Temperatura O sensor utilizado para medição de temperatura será o termopar infravermelho da empresa Eurotron, denominado IRtec Rayomatic 12. Nesta aplicação se fez necessário um sensor infravermelho devido à necessidade de utilização de um instrumento sem contato. A Fig. 6 apresenta a instalação do sensor de temperatura na bancada. As características do sensor de temperatura podem ser observadas na Tabela 2. Como dito anteriormente, a entrada analógica da placa de aquisição de dados foi configurada para entradas de 5V, como a saída do sensor é em corrente, se fez necessário desenvolver um circuito de condicionamento de sinais para converter o sinal de

4 corrente em sinal de tensão, como visto na Fig. 8. O circuito também elimina ruídos. Sensor de Proximidade Tabela 2 - do Sensor de Temperatura IRtec Rayomatic 12. Saída de Corrente Tempo de Resposta Emissividade Repetitividade Dimensões 4 a 20 ma 150 ms Ajustável via software de 0,10 a 1,00 0,5ºC 24 V 15mm x 36 mm Acelerômetro Sensor de Temperatura Figura 6 - Instalação dos instrumentos de medição na bancada. Tabela 1 - do Acelerômetro 333B50. Sensitividade Faixa de Medição Faixa de Freqüência Corrente Constante de Excitação Impedância na Saída Dimensões Conector Elétrico 1000 mv/g 5g 0,5 a 3000 Hz 18 a 30 V 2 a 20 ma 500 ohm 17,3 mm x 11,4 mm Coaxial Figura 8 - Condicionamento dos sinais dos sensores de temperatura. A determinação do número de ciclos de rotação dos roletes é condição fundamental para a estimação precisa de sua vida útil. Este será um indicador importante do tempo médio de vida útil dos rolamentos. Além disto, o sensor de proximidade será utilizado para medição da velocidade dos roletes, sendo possível controlar a velocidade dos mesmos, afinal os inversores serão acionados remotamente por meio das placas de aquisição de dados. As características do sensor de proximidade especificado podem ser observadas na Tabela 3. Tabela 3 - do sensor de proximidade IM18-05BPS-ZW1. Consumo de Corrente Faixa de Medição 20 ma 5 mm 10 a 30 V O condicionamento dos sinais dos sensores de posição é composto por um divisor de tensão, pois a saída do sensor é proporcional à tensão de alimentação. Assim, alimenta-se o sensor com 15V, e a saída de 5V é obtida com o divisor de tensão, apresentado na Fig. 9. Figura 7 - Condicionamento dos sinais dos acelerômetros Sensor de Proximidade O sensor de proximidade especificado é o IM18-05BPS-ZW1 da Sick Instruments. Este é responsável pela contagem do número de ciclos Placa de Aquisição de Dados Para a escolha da Placa de Aquisição de Dados ideal para o sistema de monitoramento da bancada, o conhecimento do funcionamento dos sensores e da taxa de amostragem desejada torna-se necessário. São especificadas, assim, duas placas PCI A taxa de amostragem é programável até 250 mil amostras por segundo. E a placa possui canais com DMA (Acesso Direto à Memória), que possibilitará a leitura em tempo real dos sinais. A entrada analógica

5 de cada placa é um conversor analógico digital (ADC) de 16 bits, com 16 canais simples ou 8 canais diferenciais. As 8 entradas analógicas diferenciais de cada placa são utilizadas pelos 8 sensores de temperatura e de aceleração. automação do processo, o que possibilitará um monitoramento contínuo da bancada. As características do sistema serão levantadas no primeiro teste a ser realizado no processo. Figura 10 - Infra-Estrutura Computacional. Figura 9- Condicionamento dos sinais dos sensores de proximidade. É possível programar, via software, quatro tensões de entrada, são elas: 10V, 5V, 1V e 0,2V. Sendo a tensão máxima de 11V. Neste projeto será utilizado 5V, sendo necessários circuitos eletrônicos de condicionamento de sinais, como apresentados anteriormente. São utilizadas, ainda, as saídas analógicas para atuação nos inversores. Cada placa de aquisição possui 4 saídas analógicas independentes, cada uma implementada com um conversor DA de 16 bits. A velocidade máxima de atualização é 833 mil amostras por segundo, no máximo. Cada uma das placas possui 2 contadores/temporizados independentes de 32 bits, com clock base disponível de 80MHz. E o total de quatro contadores é utilizado para aquisição dos dados provenientes dos 4 sensores de posição. A placa de aquisição de dados especificada é compatível com as seguintes linguagens de programação: LabVIEW,.NET e Visual C++. Neste projeto, é utilizada a Linguagem de Programação LabVIEW 7.1. As interfaces gráficas aprovadas pelos engenheiros da Samarco podem ser vistas nas Fig. 11 e 12. A primeira é a interface principal, que apresenta ícones que dão acesso aos sinais de todos os sensores. Na segunda o usuário pode verificar o funcionamento de um dos 20 sensores, sendo que neste exemplo vê-se a simulação do funcionamento do acelerômetro 1 do rolete 1. Figura 11 Interface Principal do sistema com o usuário. 4.3 Infra-Estrutura Computacional O Sistema de Monitoramento é desenvolvido no LabVIEW 7.1 (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench), que se insere nas linguagens G, ferramenta de programação gráfica, utilizada na contrução de sistemas de aquisição de dados, instrumentação e controle [3]. Como visto na Fig. 10, o sistema de monitoramento é desenvolvido de forma a viabilizar a aquisição contínua de dados dos 20 sensores, a filtragem dos sinais de entrada, a análise dos sinais para detecção do momento da ocorrência da falha, a transmissão dos mesmos via TCP/IP para o computador localizado na sala do Grupo de Dinâmica dos Rotores e sua apresentação para o usuário. 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS O projeto da bancada de ensaios de roletes de correias transportadoras de minério é de extrema importância para a determinação do tempo médio de vida útil dos rolamentos dos roletes. Neste projeto, busca-se contribuir para a implementação da Figura 12 Funcionamento simulado de um dos acelerômetros. 6. REFERÊNCIAS [1] M. L. A. Andrade and J. R. M. Vieira and L. M. S. Cunha and R. S. Fulda, Minério de Ferro, Mineração e Metalurgia, Out. 1997, pp [2] Samarco Mineração S/A. Disponível em: < p>. Acesso em: 12 nov [3] TLELECURSO 2000 [4] Soluções Práticas de Instrumentação e Automação