Análise da causa da trinca na solda entre a alma e o eixo do tambor da ponte rolante

Esta análise de trincas na solda do tambor de um guindaste examina um caso em que um guindaste de longa vida útil desenvolveu trincas na solda entre a chapa da alma do tambor e o eixo do tambor. Embora o dano visível pareça ser um problema localizado de fadiga do metal, as causas subjacentes podem envolver projeto estrutural, procedimento de soldagem, condição do material, transferência de tensões, qualidade de fabricação e montagem e condições de operação.

1. Relação entre o tambor, a placa de alma, o cubo e o eixo do guindaste

Em equipamentos de elevação, o tambor é um componente de transmissão fundamental usado para enrolar o cabo de aço e levantar ou puxar a carga. A carcaça do tambor suporta o cabo de aço, enquanto placas de reforço são geralmente dispostas em ambas as extremidades da carcaça para conectá-la ao cubo ou eixo.

Em uma estrutura comum, o cubo é soldado ao centro da chapa da alma. O cubo é então conectado ao eixo do tambor por uma chaveta, e o eixo é suportado por rolamentos. Neste caso, a chapa da alma é soldada diretamente ao eixo do tambor, e o eixo do tambor é um eixo longo.

A placa de reforço, portanto, não é apenas uma placa de conexão. Ela também transmite torque e força radial entre o casco do tambor e o eixo do tambor. Referências gerais sobre falhas em tambores frequentemente mencionam trincas por fadiga como uma condição para substituição; este caso analisa mais especificamente por que as trincas podem começar ao redor da solda entre a placa de reforço e o eixo.

2. Por que a rachadura aparece perto do lado do eixo do tambor?

Do ponto de vista mecânico, a chapa da alma do tambor é uma chapa fina sujeita a torção, flexão, tração-compressão e cisalhamento no plano. Próximo ao eixo do tambor, diversas condições desfavoráveis podem ocorrer simultaneamente: uma mudança repentina na seção transversal, influência da solda e carregamento cíclico.

2.1 Concentração de tensão devido a uma mudança repentina de seção

Na área próxima ao eixo do tambor, a estrutura passa de um eixo relativamente espesso para uma chapa de alma mais fina. Para posicionamento axial e soldagem, um ressalto no eixo é frequentemente posicionado na altura correspondente da chapa de alma. Se o raio de transição for muito pequeno ou a transição não for suave, pode ocorrer concentração de tensões.

Defeitos de solda, como mordeduras e penetração incompleta, também podem se tornar fontes de iniciação de trincas.

2.2 Carga de tensão cíclica e impacto

Quando o tambor está em funcionamento, a força de tração gerada pelo enrolamento do cabo de aço é transferida através da carcaça do tambor para a placa de reforço e, em seguida, para o eixo do tambor. Cada ação de enrolamento e elevação aplica cargas repetidas a essa área, o que pode resultar em fadiga de baixo ciclo combinada com cargas de impacto localizadas.

2.3 Tensão Residual de Soldagem

Quando a chapa da alma e o eixo do tambor são soldados, a área da solda sofre alta temperatura local e contração por resfriamento. Se a estrutura soldada não for totalmente recozida ou aliviada de tensões após a soldagem, tensões residuais de tração permanecem ao redor da solda. Quando essa tensão residual de tração se sobrepõe à carga de operação, a probabilidade de início de trincas aumenta.

3. Processo de desenvolvimento da fissura na placa da teia

O desenvolvimento da fissura pode ser observado em três estágios.

A primeira etapa é a iniciação. Na raiz da solda ou no raio de transição, defeitos microscópicos podem se tornar fontes de trincas sob a ação combinada da tensão residual de soldagem e da tensão de trabalho.

A segunda etapa é a propagação. Durante cada operação de içamento, a carga segue o mesmo caminho de transferência e a tensão máxima se repete. A trinca se propaga gradualmente ao longo do contorno de grão do material. A superfície de fratura pode apresentar características radiais ou em forma de concha.

A terceira etapa é a fratura. Quando a seção efetiva restante não é mais suficiente para suportar a carga, pode ocorrer uma fratura frágil repentina, possivelmente acompanhada pelo rompimento da chapa da alma ou pela separação do eixo do tambor.

4. Causas comuns de fissuras na solda entre a alma e o eixo do tambor da ponte rolante

4.1 Fatores de Projeto Estrutural

Se a transição entre a chapa da alma e o cubo ou eixo do tambor não utilizar um raio adequado, a tensão pode mudar abruptamente. Se a espessura da chapa da alma for insuficiente, a margem de resistência à fadiga também pode ser inadequada. Uma localização de solda mal escolhida pode aumentar ainda mais o risco, especialmente se a solda estiver em uma zona de alta tensão em vez de uma área de baixa tensão.

4.2 Fatores de Qualidade da Soldagem

Os defeitos comuns em soldas incluem penetração incompleta, inclusão de escória, porosidade, mordedura e cicatrizes de solda. Se ensaios não destrutivos, como ultrassom ou radiografia, não forem realizados após a soldagem, defeitos ocultos podem permanecer na estrutura por um longo período.

Parâmetros de soldagem não otimizados e alívio de tensões pós-soldagem insuficiente também podem aumentar o risco. Para estruturas de tambor de grande porte, o tratamento térmico para alívio de tensões pode ser difícil de realizar. O alívio de tensões por vibração também pode ser difícil de aplicar completamente, e o envelhecimento natural ou outros tratamentos de envelhecimento podem ser afetados pelos requisitos do cronograma do projeto.

4.3 Cargas operacionais além das condições de projeto

A sobrecarga prolongada além da carga nominal pode aumentar o risco de fadiga da estrutura. Partidas e paradas frequentes durante o içamento podem gerar grandes cargas de impacto. Se o cabo de aço estiver disposto incorretamente no tambor, a distribuição da força no tambor torna-se irregular e a tensão local pode ser muito maior do que o valor de projeto.

4.4 Erros de fabricação e montagem

Se o encaixe entre o furo interno da placa da alma e o eixo for muito apertado ou muito folgado, a tensão local inicial pode se tornar irregular. A tensão de montagem que não foi totalmente liberada pode posteriormente se combinar com a tensão de operação.

4.5 Corrosão e fatores ambientais

Quando o tambor é exposto a um ambiente úmido ou corrosivo por um longo período, a área da solda fica mais propensa à corrosão. Áreas corroídas também são locais comuns para o início de microfissuras.

5. Inspeção, Reparo e Medidas de Prevenção

Para equipamentos existentes, podem ser realizados testes regulares por partículas magnéticas ou ultrassom ao redor da solda entre a chapa de reforço e o eixo do tambor. Caso sejam encontradas trincas, a chapa de reforço deve ser reparada por soldagem ou substituída imediatamente, e o arranjo do cabo de aço deve ser verificado para evitar cargas excêntricas.

Para o projeto ou fabricação de novos tambores de guindaste, o raio de transição deve ser otimizado e a posição da solda deve ser definida de forma a evitar, tanto quanto possível, a área de máxima tensão. O procedimento de soldagem deve ser rigorosamente controlado. Soldagem multipasse e soldagem simétrica podem ser utilizadas para reduzir a tensão residual, e o envelhecimento por vibração ou o envelhecimento natural podem ser aplicados de acordo com as condições reais.

Para a gestão operacional, deve-se evitar sobrecargas prolongadas e partidas e paradas frequentes. O arranjo dos cabos de aço deve seguir os requisitos aplicáveis e os cabos desgastados devem ser substituídos regularmente.

A fissuração da solda do tambor do guindaste geralmente não é causada por um único fator. Uma análise detalhada da estrutura, soldagem, carga, montagem e ambiente ajuda a esclarecer a origem da fissura e a selecionar medidas corretivas adequadas às condições reais do local.

Cindy

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