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Análise de falhas em eixos e engrenagens

Análise de falha

www.sew.com.br

SEW EURODRIVE BRASIL Ltda. Av. Amâncio Gaiolli, 152 (Rod. Presidente Dutra – Km 208). CNPJ: 50.981.018/0001-90- Inscrição Estadual: 336.680.779.113 Fone: (+55 11)2489-9455 Fax: (11) 2480-4618

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[2010]

Antonio Luiz Alves

SEW EURODRIVE BRASIL LTDA.

[23 de Março de 2011]

[INTRODUÇÃO]

Informações Técnicas de Falhas

O capítulo “Falha em eixos” teve as ilustrações gráficas e informações técnicas retiradas da apostila de estudo “Elementos Finitos” (FATEC).

O capítulo “Falha em engrenagens” teve as

ilustrações gráficas e morfológicas (estudos das causas de quebras) e algumas das informações técnico usado nesta biografia embasadas no Livro Francês “ASPECT DES DENTURES D’ENDRENAGE” escrito por LOUIS FAURE pela editora CETIM.

As fotos ilustradas nesta edição são casos reais de

quebra ocorridas e registradas em nosso cotidiano de Service.

O texto final e exemplos característicos de falha e/ou similaridades foram baseados nas experiências de campo e conhecimento de causas durante um longo período de trabalho que engloba também os relatórios de falhas e estudos sobre as falhas encontradas.

Muito destes estudos de causa foram concluídos com

auxílio do nosso laboratório de ensaio metalográfico e com o conhecimento de causas e efeitos decorrentes de cargas e impactos imposto aos equipamentos.

As conclusões são resultados da investigação, por processos eliminatórios, com foco na reincidência de falhas e dos depoimentos dos usuários final do produto.

Para a conclusão de causas são necessárias evidências

claras das ocorrências, (conteúdo de informações) para chegar à causa raiz dos problemas.


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Principais causas e pontos de falha:

Eixos (oscilação da tensão);

Engrenagens;

Rolamentos;

Retentores;

Lubrificantes;

Choques mecânico.

Valores das curvas e tensão:

I = Sobrecarga

I II = Resistência à fadiga

III = Resistência infinita à fadiga.

10° 10² 10

4 10

6

Curva I – Sobrecarga Na sobrecarga a quebra do eixo pode ocorrer a qualquer momento;

Curva II – Resistência à fadiga No intervalo finito da fadiga, (forças), pode ocorrer a falha depois de um número limitado de variação da carga.

Curva III – Resistência infinita à fadiga Na gama infinita da fadiga, (força), a amostra passa por um número infinito de variação de carga.

Descrição de falha e suas possíveis causas.

Nív

el d

e

ten

sã

o

Número de ciclos

Curva de direção SN

Linha de Danos


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Se o carregamento for maior do que o número de limite de ciclos de tensão ng, um componente do redutor deve ser especificado com a resistência à fadiga infinita.

Na literatura técnica específica mostram números limite de ciclos de tensão ng para:

1. Flanco do dente: ng = 5x107 2. Raiz do dente: ng = 3x106 3. Eixo: ng = 1x107

Análise de falhas em eixos;

A análise de falhas tem duas finalidades:

Identificar a causa da falha, para que sejam tomadas ações corretivas, com objetivo na eliminação de sua repetição;

Alertar o usuário a respeito do que poderá ocorrer se a máquina for utilizada de modo inadequado.

Para que a análise possa ser bem feita, não basta examinar a peça que esta apresentando a falhas é preciso de fato, fazer um levantamento de como a falha ocorreu e por quanto tempo o acionamento foi operado.

Falhas em eixos:

Flexão bidirecional:

Efeito de entalhe limitado

Flexão rotativa

Concentração de tensão moderad

Flexão rotativa:

Concentração de tensão elevada

Flexão unidirecional:

Concentração se tensão moderada

Flexão unidirecional:

Concentração de tensão elevada


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Figura 01 - Quebra do eixo por flexão rotativa elevada

Notamos nas fotos acima, vários sinais, porém a constatação final é uma só, vimos várias formas de fadiga que evidenciam flexão rotativa com tensão elevada.

As flexões rotativas são originadas por diversos fatores de fácil identificação, por exemplo, força radial superior a admissível, deslocamento do sistema de transmissão, tensão das correntes e/ou correias e ainda travamento no sistema acionado.

Os exemplos citados acima são denominados por varias formas:

1. Flexão bidirecional. 2. Flexão rotativa moderada e/ou elevada. 3. Flexão unidirecional moderada e/ou elevada.

Todas estas constatações são oriundas de flexo-torção, originada pela fadiga do material.

A diferença entre uma quebra por fadiga oriunda de tempo de uso e fadiga forçada conhecida como sobrecarga, força de tensão da fratura, também conhecida como tensão de flexão moderada ou tensão de flexão elevada é visual. A quebra por tensão de flexão elevada mostra a zona (área) da fratura com craqueamento (rugosidade) destacada, ao passo que a quebra por tensão de flexão moderada, fadiga por tempo de uso na área da fratura tem menor craqueamento, zona de rugosidade.

Nas páginas seguintes mostramos alguns exemplos de falhas e alguns fatores que evidenciam claramente o modo de falha e pode contribuir para uma quebra por flexo-torção.

Concentrador de tensão

Zona Lisa

Zona de fratura

Zona Rugosa

Marcas de praia


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Características de falhas em eixos

Falhas por fadiga (flexão de torque) flexo-torção.

Possíveis causas:

Desalinhamento de montagem; Carga em balanço muito alta devido a uma relação

desfavorável entre o Ø ext./int. e relação de inércia alta. Carga radial elevada. Passo do pinhão muito pequeno. Corrente/Correia de transmissão com tensão elevada.

As possíveis causas de falhas mencionadas acima

muitas vezes é iniciada ainda quando montados aos elementos de transmissão entre máquinas e acionamento.

Figura 02 – Falha do eixo por fadiga

Características de fraturas em eixos;

Fadiga por torção brusca (tração pura) Figura 03 – Falha do eixo por torção brusca


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Possíveis causas Aceleração e desaceleração elevadas (Ex.: comutação entre polaridades). Inércia desfavorável com partida e parada brusca.

Características de falhas em rotores Fadiga do eixo do rotor.

Prováveis causas: Rotor com raio de concordância errado; Passo dos dentes em relação à engrenagem não coincide; Elevado número de partidas e paradas com elevada inércia; Diâmetro do alojamento do pinhão reduzido indeferiu com o fs.

Figura 04 – Quebra do eixo rotor

Para construção de máquinas rotativas será necessário um bom projeto e para um bom projeto

será necessário um bom planejamento:

Planejamento do projeto de balanço de carga;

Muito dos defeitos atípicos são previsto e eliminado num projeto. Defeitos (falhas) previstos e eliminados na construção da máquina:

Quando não prevemos os esforços das cargas radiais, cargas em balanço e inércia acoplados

diretamente ao eixo, provavelmente ocorre quebras com características como os exemplos mostrados acima. Outros exemplos de quebra com características de fadigas são os excesso de cargas conhecido como sobrecarga, estas são provocada por uma desatenção por parte do usuário ou por desconhecimento da aplicação, capacidade de carga da máquina.


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Exemplo de forças:

As forças são distribuídas conforme exemplos acima são considerados nos projetos, qualquer carga

maior que o especificado gera força de reação, também conhecida como força de resistência. As forças de reação e/ou resistência não consideradas geram fadigas e/ou quebras também

conhecida como fadiga forçada. As quebras por fadigas se diferem uma da outra, fadiga de trabalho por tempo de uso e, fadiga forçada como podemos notar no exemplo cima e exemplos simplificados.

Solução em Movimento

94

o

Zara

D

fMF

.2000.

Força Radial (Fra

)

Fax Fz

Frad

F2yF1y

FQ

FA

F1x

[N]

Do = diâmetro primitivo do elemento de transmissão


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Montagem do elemento de transmissão:

Análise de falhas em engrenagens; Principais características de falhas encontradas em engrenagens: Desgaste por interferência;

Desgaste por abrasão;

Quebra por sobrecarga;

Contaminação do lubrificante;

Desgaste por fadiga;

Escamamento;

Trinca superficial;

Fuga de corrente elétrica;

Quebra de filme de lubrificante;

Quebra por vibração;

Pitting.


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Desgaste por interferência:

É provocado por um contato inadequado entre as engrenagens, no qual a carga total está concentrada sobre o flanco do dente e na ponta do dente da engrenagem (motora) impulsionadora, devido erro no ajuste e/ou deslocamento entre mancais.

Desgastes por abrasão:

São provocados por contaminação do lubrificante por umidade e/ou particulados sólidos.


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Quebra por sobrecarga:

Resultados de sobrecargas estáticas, choques e travamentos.


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Contaminação do lubrificante:

Pode ser ocasionado pela contaminação do lubrificante por água, sendo que a detecção rápida da contaminação evita a ocorrência de falha em maiores proporções;

Danos ocasionados por temperatura elevada do óleo, acarretando na diminuição de viscosidade do lubrificante com perda de suas propriedades químicas e físicas. O ponto de desgaste é ocasionado pela quebra de filme de óleo.

.


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Desgaste por fadigas:

É ainda caracterizado pela perda de material. Ocorre geralmente em velocidades baixas e com altas cargas, este processo também é chamado fadiga.

A fadiga ocorre primeiramente na região de carga, (diâmetro primitivo) se estendendo para o corpo e extensão dos dentes do par engrenado.

Escamamento:

Falha no tratamento térmico consiste em pequenas crateras distribuídas ao longo dos dentes com desprendimento único das cavidades, não evidenciando fadiga e conservando as partes não cavitadas como novas.


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Trincas superficiais:

Provocadas por excesso de vibração, carga ou lubrificação deficiente, as marcas se concentram em formas de ondas no sentido longitudinal dos dentes.

Fuga de corrente e/ou eletricidade estática:

São riscos com seguimentos múltiplos na altura dos dentes sem ondulação no sentido longitudinal. Este processo de defeito é comum quando não ha um aterramento adequado no sistema ou

concentração de eletricidade estática. Para resolver esta questão deve se aterrar adequadamente e/ou utilizar luva ou anodo de sacrifício.


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Quebra de filme de lubrificante:

A quebra do filme de óleo ocorre quando o óleo não é adequado para a aplicação ou quando ocorre perda das propriedades químicas.

Exemplo: falta de aditivo EP, contaminação ou viscosidade baixa.

O desgaste de engrenagens por quebra de filme de óleo ocorre inicialmente no diâmetro primitivo. O rompimento da película de proteção ocasiona riscos no sentido longitudinal dos dentes podendo ocorrer também o arrancamento de material no sentido de baixo para cima (dentro para fora) na altura do dente, devido à contaminação do óleo, baixa viscosidade e/ou falta do aditivo EP.


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A presença dessas estrias ou riscos reflete na existência de pressões relativamente altas, afetando pontualmente os flancos dos dentes. As passagens da engrenagem sobre a área de maior pressão provocam desprendimentos de pequenos particulados metálicos tornando ásperos e elevam as rugosidades das laterais dos dentes quando a lubrificação é deficiente. As combinações de pequenos partículados existentes são impressas nas laterais dos dentes do par engrenado resultando na criação de cavidades em forma de estrias, que por sua vez, produz riscos profundos sobre os conjuntos envolvidos.

A formação dessas estrias pode ser visto como uma fase preliminar ao detectar inicialmente a formação. Estas estrias geralmente levam ao desgaste dos dentes com intensidade maior em áreas onde existe uma maior pressão. Para evitar o desgaste e estabilizar a evolução destas faixas dos desgastes é necessário melhorar a distribuição da carga, e/ou aumentar a viscosidade do lubrificante e melhorar a filtragem. Com esta ação inibe-se a evolução (criação) de novas estrias (riscos) com profundidades maiores, e estabilizando os já existentes tornando uma vida útil maior ao par engrenado.

Quebra por vibração no sistema:

A quebra por vibração ocorre em estagio avançado de falha, onde apresenta uma característica

semelhante à quebra por falha de tratamento térmico. Para separarmos os defeitos, a investigação tem que ser minuciosa, sendo por vibração a constatação apresenta sinais dos dois lados dos dentes com destaque maior do lado de trabalho evidenciando intermitência.

Áreas de fraturas bruscas

Áreas de fissuras progressivas


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Os defeitos ocasionados por vibração iniciam com pequenas e múltiplas trincas nos flancos dos dentes, normalmente encontradas como pequenos escamamento nos cantos dos dentes.

Este evento é atribuído como força externa inerente da aplicação, também conhecida como choques mecânicos contínuos. Isto ocorre por múltiplas falhas como falta de rigidez na base, desalinhamento, desbalanceamento, intermitência na aceleração e desaceleração e também por conflitos de velocidades/cargas.

Os sinais de quebra por vibração têm características bem definidas, quando isso ocorre à evolução do defeito são encontrada em ambas as faces dos dentes, considerando a rotação num único sentido.

Mesmo quando há sentido de giro horário e anti-horário os sinais de vibração são característicos, onde podemos notar que a fratura não se inicia como ruptura brusca. Os sinais deste evento em estagio avançado tende a desprender material por esmagamento sem o sinal (zona) de direção.

Formação de Pitting:

A ocorrência de “pitting” leve na região do diâmetro primitivo pode ser sinal de uma acomodação das irregularidades superficiais dos dentes. Pequenos desalinhamentos podem causar ”pitting” na região mais carregada do dente, que normalmente distribui os esforços e não progride.

Por outro lado, ocorrência de “pitting” na região do “dedendum” (abaixo do diâmetro primitivo) da engrenagem motriz indica que a engrenagem está sobrecarregada.

Essa região normalmente concentra todo o dano por fadiga superficial em virtude de ser a região mais carregada do dente e ter movimento de deslizamento em sentido contrario ao do rolamento, o que leva as forças devidas ao atrito a facilitar a formação de trincas de fadiga.

Uma sobrecarga dos dentes pode também causar uma forma mais acentuada de “pitting”, conhecida como “spalling”. As principais diferenças são o maior tamanho e o formato mais irregular das cavidades.


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Morfologia:

A morfologia são sinais importantes para um bom diagnóstico de falha.

Este tipo de falha ocorre quando uma influência de quebra de fluxo, na passagem dos dentes

causado por uma excessiva carga transmitida. Em geral, os dentes se encontram sob o efeito de carga ou sobrecarga de transferência de malha, ponto perto do topo. Nesta área, os dentes são mais finos, onde a geração de tensão local é maior. Os dentes salientes são literalmente esmagados ou cortados em ambos, (pinhão e engrenagem) com fratura de origem por fadiga. As reincidências de quebra de fluxo em um único ponto criam micros trincas até o rompimento total dos dentes com marcas, sinais definidos das causas da fratura. Todas essas falhas são caracterizadas por fatores significativos, tensão geral da ruptura é inerente da quebra de fluxo e sobrecarga de transferência.

Linhas de direção

Zona de direção

Zona de fissura progressivo

Zona final de fratura brusca

Área interna do dente apresentando falha no material, área com coagulação.


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Morfologia:

Sinais importantes para um bom diagnóstico

Zona de fratura brusca

Linhas de Direção

Zona de direção

Zona de craqueamento progressiva


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Morfologia:

Sinais importantes para um bom diagnóstico

Linhas radiais

Linhas de direção Início da

fratura

Área de fratura brusca final

Início da fratura

Área de craqueamento progressiva


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Morfologia:

Sinais importante para um bom diagnóstico.

Fratura dos dentes devido à concentração de micros trincas localizada em uma das extremidades do dente, quebra de fluxo, carga excessiva.

Área de retirada

Seguimento do plano de craqueamento

Área de fratura final

Início

Início

Linha inicial Linhas com direção frontal

Área de craqueamento progressiva


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Morfologia:

Sinais importante para um bom diagnóstico;

Muitas vezes as constatações são prematuras, não teve uma verificação completa para uma identificação conclusiva das causas. Para uma investigação de causas é necessários à identificação dos pontos de danos, muitos defeitos vêm acompanhado de varias características e, é preciso separar cada uma das características. Quebra de fluxo, pico de choques mecânico, carga intermitente com picos elevados de sobrecarga.

Picos nos inícios dos dentes

Área de fratura brusca

Área de fratura final

Início Área de craqueamento progressiva

Início da fratura

Área ampla com concentração de esforços

A deformação plástica é oriunda da passagem

de um pedaço de

dente


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Morfologia:

Estudos da estrutura do material com localização dos pontos de fadigas e indicação das origens de todas as marcas encontradas no inicio da fratura e com concentração da tensão.

Para efetuar o estudo é necessário analise laboratorial onde permite identificar as macas encontradas e ainda aplica um ensaio metalografico com verificação das propriedades do material.

Este processo permite a verificação da qualidade e profundidade do tratamento térmico, porem os ensaios são realizados em medição da dureza em diversos pontos e muitas vezes serão realizadas uma destruição do material, (chamado ensaios destrutivos).

Analise técnica do estudo estrutural (Morfologia):

a) Quebras de "nervuras" ou dúctil (fratura dúctil)


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As interrupções são formações de “micro nervuras”, que são puramente fraturas dúcteis são caracterizadas por uma distorção do dente quebrado. A falha mostra uma presença de “lábios” ou deslocamento de material que é o resultado de avanço rápido excessivo.

A quebra do dente sobre a condição de fratura por tração mostra no lado de trabalho imperfeições no flanco dos dentes, micro lábios com ângulo de 45° com o eixo de carga. Geralmente é raro encontrar dente quebrado apenas dúctil, freqüentemente são encontrados na fácies, mesmo dente quebrado pelas partes de fratura dúctil e/ou fratura frágil, como mostram as figuras aqui representadas. É comum encontrar áreas de fratura idêntica ou pedaços originalmente (inicio ou final) trincas de fadiga, e/ou quebras causadas por qualquer passagem de objetos estranhos. Podemos citar como exemplo de fratura por tração bem simplificada e acredito que todos já viram. Comparamos um caminhão com carga e outro sem carga no mesmo solo, os dois partirão ao mesmo tempo, se você olhar os rastros ira encontrar diferença, o caminhão com carga deslocará o solo empurrando o material para o sentido contrario ao seu giro. Este deslocamento do solo terá um formato de flechas com ângulo de 45°, são material retirado de um local e depositado em outro. Isto ocorre também na mecânica, quando houver uma fratura ou desgastes por tração o efeito de deslocamento do material terá o formato de flechas com ângulos de 45° apontadas para o sentido do giro, (tração).

b) As interrupções de "grão" ou (fratura frágil);

Este tipo de ruptura é um rasgo no metal resultante diretamente de uma sobrecarga súbita e inesperada. As propriedades do material estão se deslocadas em função da temperatura de trabalhos e não há uma falta de coesão intragranular.

A face da fratura é granular, a aparência ramificada que poderia ajudar a definir o rumo do seu desenvolvimento, (origem do rumo é o início da fratura) encontra (maquiada), esmagada.

A fratura começa sempre em um defeito pré-existente, a estrutura metálica ou de perfil e a distorção de ruído ocorre com uma direção muito baixa.

Como no caso de fraturas dúcteis, é raro encontrar em dentes quebrados da engrenagem, a presença de fraturas de fácies frágil. Mais freqüentemente encontrados no caso de estouros ou rupturas, depois de uma fadiga, micro-trincas é a presença simultânea de fratura dúctil e frágil.

Entretanto, a falha pode ser o resultado de valor insuficiente à capacidade do material. Neste caso, a sobrecarga é de intolerância, especialmente se a temperatura de operação for próxima ou abaixo do intervalo da temperatura de transição, e/ou tratamento térmico em que foi submetida esta fora das condições normais.

c) Falha de "nervuras" ou semi-frágil (fratura semi-frágil);

A conhecida descrição, fratura semi-frágil tem poucas ou nenhuma deformação plástica, e sua fácies contém marcas com a aparência de “nervuras”, que pode identificar as áreas de inicialização. Essas divisas são formadas por uma alternância de zonas de fratura frágil, formados por clivagem ou descoesão intergranular que estão ligados ou separados por falhas de um local mais ou menos dúctil.


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Nas figuras anteriores vimos alguns exemplos de analises da estrutura do material, nelas representam características semelhantes com origem diferente. As falhas oriundas de quebra de dentes mais comum são chamadas de (fraturas dúctil), (fraturas frágil) e (fratura semi-frágil), deformação plástica entre outras, ambos com suas particularidades contendo as observações necessárias.

As análises acima denominadas como MORFOLOGIA são estudos técnicos do material, incluindo a área da quebra com fotos ampliadas microscopicamente, este feito nos permite chegar à causa raiz do defeito. No entanto um relatório de falhas sem este estudo é valido quando mencionado como semelhança, e/ou características, desta forma torna a constatação menos contundente e aceitável.

A detecção de defeitos deve ser minuciosa, para isto é necessário à identificação dos sinais (marcas) existentes. É comum encontrarmos várias marcas oriundas de fratura, comumente chamadas de marcas de praia, linhas de direção, área de craqueamento, zona de concentração de tensão e origem da fratura, etc., todos estes sinais são muito importante para uma detecção de defeitos, lembrando que todas as marcas, sinais independe da maleabilidade do material e tratamento térmico.

Vimos também mais acima detecção de falhas com origem de desgastes, cada uma desta constatação possui também sua particularidade embora as características sejam de desgastes, ou seja, perca de material. Os desgastes são comumente atribuídos como insuficiência de lubrificação, que consistem em contaminantes, oxidação por temperatura e/ou viscosidades não indicado para a aplicação.

Toda esta detecção leva ao desgaste de elementos rolantes e rotativos com perca de material, porem são necessário identificarmos o tipo de contaminantes, sendo identificados os tipos de contaminante a tomada de ação numa corretiva será conclusiva evitando a reincidência.

Importante: Na ausência de recursos de identificações através de laboratório, a detecção final de causas, deve constar no laudo como semelhança, aspecto e/ou características ao referenciar os defeitos eminentes, desta forma os laudos de constatação final apresenta maior embasamento.

Antonio Alves SEW Eurodrive Brasil Ltda. [email protected]

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