PAULO MOHALLEM GUIMARÃES 1 ELIVANDRO EMILIO DE SOUZA 2 ANA LUÍSA GUIMARÃES TORRES 3 LEONARDO ROCHA DE QUEIROZ 4 RESUMO

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1 MELHORIAS APLICADAS EM UM CONJUNTO MECÂNICO DO ELEVADOR PENDURAL DE BOBINAS: ESTUDO DE CASO DAS ESTRATÉGIAS DESENVOLVIDAS PELA QUALICTEC MECÂNICA INDUSTRIAL LTDA. PAULO MOHALLEM GUIMARÃES 1 ELIVANDRO EMILIO DE SOUZA 2 ANA LUÍSA GUIMARÃES TORRES 3 LEONARDO ROCHA DE QUEIROZ 4 RESUMO O presente trabalho realiza um estudo das melhorias desenvolvidas em um conjunto mecânico do elevador pendural de bobinas, dando destaque à substituição do tipo de rolamento, bem como a análise da eficiência dessas melhorias. Tais estratégias foram desenvolvidas na empresa Qualictec Mecânica Industrial Ltda., esse tipo de conjunto está localizado no estágio final do processo de laminação, podendo ser encontrado no acabamento do trem de laminação. Palavras-chave: Estudo de anomalias; Rolamentos; Melhorias de projeto. 1 Professor Doutor, na Universidade Federal de Itajubá, Instituto de Engenharia Mecânica, departamento de Mecânica - Campus Itabira. Rua Irmã Ivone Drumond, Distrito Industrial II, Itabira MG Telefone (31) , CEP pauloguimaraes@unifei.edu.br 2 Engenheiro de Produção, Supervisor Técnico na empresa Qualictec Mecânica Industrial Ltda., Av. Alberto Lima, 2525, João Monlevade, MG, CEP elivandroemilio@gmail.com 3 Graduanda de Engenharia Mecânica na Universidade Federal de Itajubá UNIFEI, Campus Itabira. Estagiária na empresa Qualictec Mecânica Industrial Ltda., Av. Alberto Lima, 2525, João Monlevade, MG, CEP torres_alg@hotmail.com. 4 Graduando de Engenharia Mecânica na Universidade Federal de Itajubá UNIFEI, Campus Itabira. leonardoqueiroz@unifei.edu.br 33

2 IMPROVEMENTS APPLIED IN A MECHANICAL ASSEMBLY OF THE PENDING ELEVATOR OF COILS: A CASE STUDY OF THE STRATEGIES DEVELOPED BY QUALICTEC MECÂNICA INDUSTRIAL LTDA. ABSTRACT This paper carries out a study of the improvements developed in a mechanical assembly hanger lift coils, highlighting the replacement of the bearing type, as well as the analysis of the efficiency of these improvements. Such strategies have been developed in the company Qualictec Mechanical Industrial Ltda., this type of assembly is located at the end stage of the rolling process and can be found in the rolling mill finish. Keywords: Anomalies Study; Bearings; Design Improvements. 34

3 1 INTRODUÇÃO No cenário nacional, a produção siderúrgica e tudo que ela representa na cadeia mínero-metalúrgica é de suma importância. O processo de laminação na siderurgia ganha destaque, pois, agrega imenso valor ao aço acabado, ou seja, através deste processo, é possível tornar lingotes de aço em placas de perfis finos [1], e ao final do processo temos esses perfis finos enrolados em grandes bobinas de aço laminado. A diminuição de custos de operação e manutenção, pode ter um impacto significativo na produtividade industrial, dentro deste contexto ganha destaque o uso da manutenção preditiva, a qual visa reduzir os custos com manutenção e aumento da disponibilidade dos equipamentos, através de estudos e análises das condições atuais dos equipamentos [2]. As melhorias contínuas dos equipamentos garantem uma melhor eficiência na cadeia produtiva. Pensando nisso, a Qualictec Mecânica Industrial, através da aplicação do vasto conhecimento de seus funcionários, entra neste cenário como peça fundamental no desenvolvimento de tais melhorias. O conjunto mecânico objeto deste estudo, é utilizado apenas para movimentar as bobinas oriundas do estágio final do processo de laminação, tratado aqui como Sistema de Manuseio de Bobinas em Elevador de Pendurais. Este conjunto apresentava falhas (quebras) constantes, principalmente no rolamento, surgindo assim a necessidade de se fazer um estudo das anomalias apresentadas neste conjunto para que a partir daí, fosse possível a obtenção de dados que permitissem a realização dessas melhorias. 2 DESENVOLVIMENTO O dimensionamento bem executado de peças mecânicas em um projeto, é o coração do projeto, ou seja, todo o desempenho do conjunto depende das peças escolhidas para a sua composição. A escolha bem-feita dos rolamentos, garantem, visto que os mancais de rolamentos são responsáveis pela união entre partes fixas e móveis, uma eficiência no trabalho do conjunto e consequentemente no processo produtivo. Ao final do processo de laminação temos as bobinas prontas, e neste momento, precisam ser dispostas e armazenadas para posterior 35

4 distribuição. Na retirada das bobinas é que entra em funcionamento o elevador de pendural, onde o objeto de estudo desse trabalho está acoplado. Este conjunto mecânico apresenta além de outras estruturas, um sistema de mancais de rolamentos. A figura 1 mostra em detalhes um laminador de tiras a quente, onde podemos observar ao final, uma bobinadeira, responsável por enrolar as lâminas de aço em bobinas. Figura 1 Laminador de tiras a quente. Fonte: Apresentação da ArcelorMittal [4]. A partir deste ponto, após passar pela bobinadeira, o elevador de pendural executa os movimentos necessários para a disposição das bobinas. Segundo Fujimoto (2010) [2], os sistemas de mancais de rolamentos são os mais sensíveis e suscetíveis a falhas em conjuntos mecânicos de máquinas rotativas. Quando uma empresa opta pela utilização da manutenção preditiva, ela consegue através do monitoramento dos equipamentos e da análise das informações, detectar o desenvolvimento de um defeito. Essas análises permitem um diagnóstico sobre a natureza do defeito, a localização, o tamanho e o tempo para que a falha aconteça. Em manutenção mecânica a falha de um equipamento é dada quando ele deixa de cumprir sua função. Os equipamentos rotativos apresentam um comportamento vibratório, qualquer mecanismo que afete este comportamento pode acarretar falhas [5]. Os rolamentos são constituídos por quatro elementos 36

5 (anéis interno e externo, esferas e gaiola), que quando colocados em movimento, cada elemento gera uma frequência em resposta ao movimento, assim as quatro frequências naturais (fn) são definidas como: frequência do anel externo, frequência do anel interno, frequência da gaiola e frequência dos corpos rolantes. Estas frequências dependem da geometria do rolamento, do número de corpos rolantes e da velocidade de rotação do rolamento [11]. Quando uma falha ocorre antes do fim da vida útil de um rolamento, as causas podem ser diversas, como por exemplo, erros de instalação, ausência de lubrificação, sobrecargas, dentre outras [2]. Os mecanismos de falhas em mancais de rolamentos podem ser tratados de forma quantitativa, ou seja, é possível estimar as causas mais comuns e em que proporção elas ocorrem de acordo com suas origens [6]. O quadro 1 a seguir, mostra essas proporções em percentuais de ocorrências. Quadro 1- Causas de falhas em mancais de rolamentos e seu percentual de ocorrência. Abrasão 25% Arranhadura Escorregamento Desgaste 51% Fadiga 18% Escamamento Descascamento Corrosão 8% Pitting Por contato Elétrica Oxidação Deformação 14% Esmagamento Impressões Sobrecarga 49% Quebras Trincas 12% 12% Fraturas Trincas Defeito de gaiolas Aquecimento 11% Superaquecimento Fonte: Sheite, 1992 [6]. A escolha correta do tipo de rolamento a ser utilizado em um conjunto mecânico, deve levar em consideração algumas características apresentadas por cada tipo de rolamento, assim como a função especifica dos mesmos. É possível se calcular automaticamente o tipo de rolamento através de aplicativos da própria empresa fabricante, como é o caso da SKF, ela possui o SKF Bearing Calculator. Essa seleção também pode ser feita por um memorial de cálculo, o que é mais usual, onde conhecer as forças que atuarão sobre esses rolamentos é um dos pontos fundamentais. Segundo a SKF (1997) [7], os diferentes tipos de rolamentos possuem aplicabilidades especificas segundo as forças as quais eles são 37

6 submetidos, podendo suportar cargas axiais, radiais ou combinadas, onde os rolamentos de esferas suportam cargas baixas e médias, e os rolamentos de rolos são recomendados para suportar cargas mais pesadas. Para entender melhor os tipos de solicitações que atuarão sobre os rolamentos, Melconian (2013) [8] define como carga radial aquela que atua na direção dos raios do rolamento, carga axial como aquela que atual na direção do eixo longitudinal do rolamento e cargas combinadas aquelas em que atuam em ambas as direções, radial e axial simultaneamente, no rolamento. As figuras 3a e 3b a seguir mostram alguns exemplos de tipos de rolamentos. Figura 3a Tipos de rolamentos. Fonte: Dimarol Rolamentos [9]. 38

7 Figura 3b Tipos de rolamentos. Fonte: Dimarol Rolamentos [9]. 2.1 Solução técnica do problema Entender o funcionamento do conjunto mecânico dentro da indústria, foi um dos primeiros passos levados em consideração para o estudo das anomalias do projeto primário, pois, se houve uma falha no conjunto, era preciso buscar a causa, para então poder realizar as melhorias necessárias. Para estudo das anomalias do projeto, foram utilizados os desenhos técnicos do equipamento, assim como visitas técnicas foram realizadas pelos funcionários da Qualictec Mecânica Industrial, os quais puderam observar e extrair informações minuciosas sobre o funcionamento do equipamento. Os principais dados coletados foram que o conjunto trabalha com carga excessiva de aproximadamente 3,5t, baixa rotação de 1:25.63% de 1200rpm, e recebia cargas radiais e axiais com motor trifásico 40cv, 1200rpm, carcada, 200m, 60hz, 380v. Após a coleta desses dados, podemos observar alguns detalhes através da figura 4, onde está sendo mostrado o equipamento completo, e em detalhe o objeto deste estudo, mostrando a atuação das forças no conjunto. 39

8 Figura 4 Elevador pendural de bobinas com detalhe referente aos conjuntos de roda dentada. Fonte: Qualictec Mecânica Industrial. O estudo das forças atuantes em um conjunto mecânico, tem enorme interesse prático porque o seu controle permite aumentar a eficiência de máquinas e equipamentos, diminuindo o desgaste das partes móveis desses equipamentos, esse tipo de estudo levou ao desenvolvimento de uma ciência denominada tribologia, que se ocupa do estudo da interação entre superfícies submetidas a cargas ou movimentos relativos [11]. 40

9 Essas forças atuantes geram vibrações, as quais ocorrem nos rolamentos na medida em que os elementos girantes entram e saem da região de carga, mesmo em rolamentos sem defeitos. A região de carregamento está diretamente relacionada com a geometria do rolamento, o tipo de material utilizado na confecção de seus elementos, o tipo de montagem, a espessura, a folga e o lubrificante [12]. Para investigar falhas em rolamentos são utilizadas diversas técnicas, sendo uma das principais a análise de vibrações, onde temos a técnica do envelope, que tem por objetivo monitorar as alterações no nível de vibrações na banda de ressonância da estrutura, através destes mecanismos pode-se dizer com precisão o tipo de falha ocorrida no rolamento [12]. Com posse dos dados de funcionamento, começou-se então o estudo do projeto do conjunto. Ao analisar os desenhos, os profissionais da Qualictec perceberam que foi dimensionado para o projeto o uso de um rolamento rígido de uma carreira de esfera SKF 6020 Ø100/150/24, indicado para suportar forças radiais, os rolamentos radiais acomodam cargas que são predominantemente perpendiculares em relação ao eixo. A figura 5 a seguir mostra o desenho desse tipo de rolamento segundo catálogo SKF. Figura 5 Rolamento rígido de uma carreira de esferas. Fonte: SKF (2015) [10]. Os dados das dimensões principais do rolamento antigo, como capacidades de carga limite, carga de fadiga, velocidade de referência, velocidade limite, e a designação do rolamento utilizado podem ser observados da figura 6 abaixo: 41

10 Figura 6: Detalhes dimensionais do rolamento. Fonte: SKF (2015) [10]. O projeto primário do conjunto estava mal dimensionado, visto o tipo de carga ao qual era submetido, e a intensidade dessa carga, assim os rolamentos antigos estavam submetidos a uma carga excessiva a qual não podia suportar. Um estudo do dimensionamento do conjunto foi elaborado segundo as normas técnicas, partindo do pressuposto que um novo tipo de rolamento deveria ser calculado. Novos desenhos foram elaborados pela Qualictec com as mudanças necessárias em todo o conjunto. Após esses cálculos, foi dimensionado um novo tipo de rolamento, o rolamento de rolos cônicos SKF Ø100/150/32, os rolamentos de rolos cônicos têm pistas de anel interno e externo cônicas e rolos cônicos. Eles são desenvolvidos e ideais para suportar cargas combinadas, ou seja, cargas axiais e radiais atuando. Para prolongar a vida útil em caso de desalinhamento ou condições de carga pesada, os rolamentos de rolos cônicos SKF têm pistas abauladas, ou seja, um perfil ideal para prevenir picos de tensão nas extremidades dos rolos. Este perfil foi desenvolvido para otimizar a distribuição de carga ao longo dos rolos [10]. As figuras 7 e 8 mostram em detalhes o perfil do rolamento de rolos cônicos. 42

11 Figura 7 Vista isométrica e detalhe do perfil dos rolamentos métricos de uma carreira de rolos cônicos. Fonte: SKF (2015) [10]. Figura 8 Vista do corte longitudinal do rolamento métrico de uma carreira de rolos cônicos. Fonte: SKF (2015) [10]. Os dados das dimensões principais do novo rolamento, capacidades de carga limite, carga de fadiga, velocidade de referência, velocidade limite, e a designação do rolamento utilizado podem ser observados da figura 9 abaixo, através da qual podemos validar o novo dimensionamento, visto que este tipo de rolamento poderá suportar as cargas que o conjunto mecânico é submetido: Figura 9: Detalhes dimensionais do novo rolamento. 43

12 Fonte: SKF (2015) [10]. Após todos esses cálculos, os ajustes no restante do conjunto foram elaborados, foram feitos apenas ajustes e não substituições, pois, o equipamento suportava perfeitamente o novo rolamento. CONCLUSÃO O presente trabalho abordou como escolher o rolamento adequado para uma determinada função, levando-se em consideração a carga instalada, além de evidenciar as vantagens da prática da manutenção preditiva em linhas de produção, entender todo o processo e saber quais as análises devem ser realizadas, podem prevenir falhas. Também foram apresentadas as vantagens e desvantagens entre os tipos de rolamento nomeados e a vida útil de acordo com cada tipo de aplicação, além de seu dimensionamento. Tais informações permitem avaliar os diversos tipos de aplicações e a importância que esse mecanismo possui no perfeito funcionamento das máquinas. Por exemplo, ocorrendo qualquer tipo de irregularidade no rolamento, será comprometido o perfeito funcionamento da máquina, ocasionando grandes prejuízos para uma linha de produção. Desta forma, fica evidente o quanto é importante que o projetista conheça detalhes das necessidades do equipamento, ou seja, quais as cargas que serão aplicadas ao conjunto, assim como é de fundamental importância saber dimensionar de forma correta cada parte do conjunto. 44

13 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA [1] SALVIO, F.E.C., Produção Sustentável do Aço no Brasil. Iniciação Científica, XVI Jornada Científica CETEM, Universidade Federal do Rio de Janeiro, [2] FUJIMOTO, R.Y. Diagnóstico Automático de Defeitos em Rolamentos Baseados em Lógica Fuzzy f. Dissertação (Mestrado) - Universidade de São Paulo Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Mecânica, São Paulo, [3] ABAL Associação Brasileira do Alumínio. Laminaçao. Disponível em: < Acessado em: 27 mai [4] ARCELORMITTAL, Apresentação realizada na 8ª reunião do GTI Respira Vitória Disponível em: < Acessado em: 31 mai [5] MENNA, A.R. Detecção de falhas em mancais de rolamento por análise de vibrações em banda larga: um caso prático de aplicação em uma população de equipamentos rotativos f. Dissertação - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Programa de pós-graduação em Engenharia Mecânica, Porto Alegre, Brasil, [6] SHEITE, W. Better Bearing Vibration Analysis Hidrocarbon Process. pp 57-94, EUA, [7] SKF, Manual SKF de Manutenção de Rolamentos. São Paulo, Brasil, [8] MELCONIAN, S. Elementos de Máquinas. São Paulo: Érica, [9] DIMAROL, Rolamentos. Disponível em: < Acessado em: 31mai [10] SKF, Catálogo de Rolamento de Esferas. São Paulo, Brasil, Disponível em: < 45

14 BR%20-%20Rolling%20bearings_tcm_ pdf>. Acessado em: 31 mai [11] ANDRADE-NETO, A. V. Atrito de escorregamento e atrito de rolamento: Análise de situações simples. Universidade Estadual de Feira de Santana, Departamento de Física. Campus Universitário. Feira de Santana, BA, Brasil, [12] ALEGRANZI, S. B. Construção e adequação de uma bancada de ensaios para investigação de técnicas não destrutivas de detecção de falhas incipientes em rolamentos. Dissertação Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. Porto Alegre, Brasil,