Aperto dos parafusos do rolamento de giro versus chave dinamométrica: qual método proporciona pré-carga consistente para plataformas giratórias de escavadeiras de mineração?

Por que a consistência da pré-carga dos parafusos é importante para rolamentos de giro: o problema de carga desigual que ninguém vê até que o rolamento falhe.

Na Yining Hydraulic, projeto sistemas de acionamento de giro há quinze anos, e as juntas dos parafusos dos rolamentos de giro são onde vejo a maior discrepância entre a intenção da especificação e a execução em campo.O rolamento de giro de uma plataforma giratória de escavadeira de mineração de 200 toneladas é fixado por 40 a 60 parafusos de alta resistência (normalmente M42-M56, Classe 10.9 ou 12.9) dispostos em um padrão circular de 2 a 3 metros de diâmetro.Cada parafuso deve manter uma pré-carga especificada — tipicamente 60-70% da carga de prova do parafuso, correspondendo a 400-600 kN para um parafuso M48 Classe 10.9 — para evitar que a pista do rolamento se desprenda da superfície de montagem sob o momento de tombamento gerado quando a caçamba da escavadeira está totalmente carregada e estendida. Se a pré-carga for inconsistente, a pista do rolamento sofre pressão de contato irregular e se deforma localmente sob carga — criando uma condição chamada "brinelling", onde os elementos rolantes indentam a superfície da pista, iniciando o lascamento que progride até a falha completa do rolamento dentro de 2.000 a 5.000 horas de operação.

O problema da consistência da pré-carga: os métodos de chave dinamométrica aplicam torque à cabeça do parafuso ou à porca, e a relação entre o torque aplicado e a tensão resultante no parafuso depende do coeficiente de atrito em duas interfaces — o contato da rosca e o contato sob a cabeça (ou sob a porca).A relação torque-tensão é dada por: T = K × F × d, onde T é o torque aplicado, K é o fator de porca (tipicamente entre 0,15 e 0,22 para roscas de aço lubrificadas), F é a tensão resultante no parafuso e d é o diâmetro nominal do parafuso. O problema é que K não é uma constante — ele varia entre os parafusos dependendo do acabamento da superfície da rosca, da condição de lubrificação, se o parafuso já foi apertado anteriormente (roscas reutilizadas têm um valor de K maior porque as asperezas da superfície foram aplainadas) e se há detritos nas roscas.Uma estimativa razoável para a variação de K em condições de campo é de +/-15-25%, o que se traduz diretamente em uma variação de +/-15-25% na pré-carga do parafuso para o mesmo torque aplicado.Para um parafuso que requer uma pré-carga de 500 kN com um coeficiente de atrito (K) de 0,18 e diâmetro (d) de 48 mm: T = 0,18 × 500.000 × 0,048 = 4.320 Nm. Se o coeficiente de atrito (K) variar entre 0,15 e 0,22 ao longo do círculo do parafuso, o mesmo torque de 4.320 Nm produzirá pré-cargas que variam de 410 kN a 600 kN — uma diferença de 46% entre os parafusos mais soltos e os mais apertados. De acordo comVDI 2230Segundo padrões sistemáticos de cálculo de juntas aparafusadas, o aperto controlado por torque resulta em uma dispersão de pré-carga de +/-25-35%, mesmo em condições controladas de laboratório, e em condições de campo normalmente aumenta esse valor para +/-35-50%.

Tensionamento hidráulico de parafusos: como o alongamento direto elimina a variável de atrito.

O tensionamento hidráulico de parafusos elimina completamente a conversão de torque em tensão, aplicando uma pressão hidráulica conhecida a um tensionador que puxa diretamente o parafuso prisioneiro, esticando-o elasticamente.O tensionador consiste em um cilindro hidráulico com um extrator roscado que se aparafusa na extensão do parafuso (o parafuso deve ter um comprimento de rosca exposta acima da porca igual a pelo menos um diâmetro do parafuso para que o tensionador possa prendê-lo), uma ponte que se apoia contra a superfície da junta e um soquete que permite que a porca seja apertada manualmente após o parafuso ser esticado. A sequência de operação é a seguinte: o tensionador é instalado no parafuso, a pressão hidráulica é aplicada até o valor especificado (calculável a partir da área efetiva do pistão do tensionador), o parafuso se estica elasticamente (0,1-0,3 mm de alongamento para parafusos típicos de rolamentos de giro), a porca é apertada manualmente usando o soquete através do corpo do tensionador, a pressão hidráulica é liberada e o parafuso tenta retornar ao seu comprimento original — mas a porca o impede, criando a pré-carga especificada no parafuso.

A precisão da pré-carga no tensionamento hidráulico é de +/-5-10%, em comparação com +/-25-35% para métodos com chave dinamométrica.A precisão decorre do fato de a tensão do parafuso ser controlada pela pressão hidráulica, que é medida e regulada com uma precisão de +/-1-2% pelo manômetro ou transdutor da bomba de tensionamento. O módulo de elasticidade do parafuso (módulo de Young, 207 GPa para aço-liga) é consistente dentro de +/-2% para parafusos do mesmo lote de tratamento térmico. A única variável é o comprimento efetivo de aperto (o comprimento do parafuso entre a porca e a primeira rosca engatada), que varia em +/-3-5% dependendo da profundidade de engate da rosca e do comprimento de aperto do parafuso.O erro residual na pré-carga tensionada provém de duas fontes:(1) relaxamento do parafuso após a liberação da tensão (a junta se comprime quando o tensionador é removido, reduzindo a tensão do parafuso em 5-10% — compensado pela aplicação de uma sobretensão de 5-10% durante a passada de tensionamento), e (2) interação entre parafusos adjacentes (tensionar o parafuso nº 2 reduz a tensão no parafuso nº 1 em 10-15% porque a tensão do parafuso nº 2 comprime ainda mais a junta, relaxando o parafuso nº 1 — resolvido com 3-4 passadas de tensionamento). PorASME PCC-1De acordo com as diretrizes de montagem de juntas aparafusadas, o tensionamento hidráulico é o método preferido para juntas aparafusadas de grande diâmetro que exigem precisão de pré-carga de +/-10% ou melhor.

Passes de Tensão: O Protocolo de 3-4 Passes que Ninguém Quer Fazer, mas Todos Precisam

Uma única passada de tensionamento — onde cada parafuso é tensionado uma vez ao redor do círculo — produz variações de pré-carga de 30 a 50%, porque cada parafuso tensionado subsequente comprime a junta e relaxa os parafusos tensionados anteriormente.O mecanismo: quando o parafuso nº 1 é tensionado a 500 kN, ele comprime a junta localmente ao redor do parafuso nº 1. Quando o parafuso nº 2 (adjacente ao parafuso nº 1) é tensionado, a compressão adicional da junta na área entre os parafusos nº 1 e nº 2 faz com que a espessura da junta na zona de fixação do parafuso nº 1 diminua ligeiramente — reduzindo a tensão do parafuso nº 1 em aproximadamente 10-15%. À medida que o tensionamento progride ao redor do círculo, cada parafuso perde tensão progressivamente, e o primeiro parafuso tensionado perde mais tensão — normalmente terminando com 50-60% de sua tensão inicial após todos os parafusos no círculo terem sido tensionados.

O protocolo correto de tensionamento consiste em 3 a 4 passagens ao redor do círculo dos parafusos, sendo a primeira passagem aplicada a 50-60% da tensão final para assentar a junta, e as passagens subsequentes aplicadas a 100% da tensão final.Etapa 1: tensione todos os parafusos a 60% da pré-carga final (por exemplo, 300 kN para uma especificação de 500 kN) — isso assenta parcialmente a junta e reduz o efeito de relaxamento nas etapas subsequentes. Etapa 2: tensione todos os parafusos a 100% da pré-carga final (500 kN). Etapa 3: tensione novamente todos os parafusos a 100% da pré-carga final — esta etapa normalmente recupera de 10 a 15% da tensão nos parafusos da primeira metade que relaxaram durante a etapa 2, e o efeito de relaxamento na etapa 3 é reduzido para 3 a 5% porque a junta agora está totalmente assentada. Etapa 4 (opcional, mas recomendada para juntas críticas): tensione novamente a 100% e verifique se nenhum parafuso perde mais de 5% da tensão entre o tensionamento e a medição de verificação (usando um medidor ultrassônico de alongamento de parafusos, se disponível).Hidráulica YiningNossos procedimentos de instalação de acionamentos de giro incluem um protocolo obrigatório de tensionamento de 4 passagens para todas as juntas de parafusos dos rolamentos de giro em equipamentos de mineração, e fornecemos a bomba de tensionamento, o tensionador e a documentação do procedimento com cada entrega de acionamento de giro.

Preparação dos parafusos: os três fatores que transformam um procedimento de tensionamento perfeito em uma junta defeituosa.

Mesmo com tensionamento hidráulico, três fatores de preparação dos parafusos podem reduzir a pré-carga real para 50-70% do valor especificado, e todos os três são comumente negligenciados durante a instalação em campo.Fator um: lubrificação da rosca — as roscas do parafuso e a superfície de apoio da porca devem ser lubrificadas com o lubrificante especificado (normalmente pasta de dissulfeto de molibdênio, composto antiaderente ou o lubrificante recomendado pelo fabricante do parafuso) para garantir um atrito consistente da rosca durante o tensionamento. Roscas secas ou lubrificadas com um lubrificante diferente do especificado alteram o coeficiente de atrito e a resistência ao desaperto da porca, fazendo com que ela se desenrosque parcialmente durante a liberação da tensão. Fator dois: comprimento de aperto do parafuso — a haste sem rosca do parafuso, entre a cabeça e a primeira rosca engatada, deve ter pelo menos 3 a 4 vezes o diâmetro do parafuso para que ele se estique elasticamente com a taxa de mola correta. Um parafuso com um comprimento de aperto inferior a 2 vezes o diâmetro tem uma taxa de mola muito alta, o que significa que requer mais força de tensionamento para o mesmo alongamento e é mais sensível ao relaxamento. Fator três: planicidade da superfície de junção — as superfícies de montagem sob a cabeça do parafuso e a porca devem ser planas dentro de 0,1 mm no diâmetro de apoio. Uma superfície não plana causa tensão de flexão no parafuso, além da tensão de tração, reduzindo a pré-carga efetiva e a vida útil à fadiga do parafuso em 30 a 50%.

Verificação após o tensionamento: a pré-carga do parafuso pode ser verificada medindo o alongamento do parafuso com um medidor ultrassônico de parafusos (método pulso-eco, medindo o tempo de percurso de ida e volta de um pulso ultrassônico ao longo do comprimento do parafuso).A medição do alongamento antes e depois do tensionamento fornece a deformação real do parafuso, que, multiplicada pela área da seção transversal do parafuso e pelo módulo de Young, fornece a pré-carga real. Este é o único método de medição direta da pré-carga de parafusos instalados — a medição do torque (verificação do torque de desaperto) não se correlaciona com a pré-carga após o parafuso ter sido tensionado, porque o atrito estático (torque de desaperto) é maior que o atrito dinâmico durante o aperto.Hidráulica YiningRecomendamos a verificação ultrassônica do alongamento dos parafusos dos rolamentos de giro em escavadeiras de mineração com diâmetros de plataforma giratória superiores a 2,5 metros, onde a pré-carga inconsistente causa carregamento desigual na pista do rolamento, o que não pode ser detectado até que a falha do rolamento comece. Veja também nosso guia sobreIntegração e montagem da caixa de engrenagens de giroPara obter orientações adicionais sobre juntas aparafusadas.

Referências externas: Cálculo de juntas aparafusadas VDI 2230 · Juntas aparafusadas ASME PCC-1 · Classificação DNV · Sistemas hidráulicos ISO 4413 · SAE Internacional · Normas AGMA · Regras da ABS

Uma última precaução, baseada em quinze anos de experiência com comissionamento de sistemas de giro: nunca reutilize os parafusos dos rolamentos de giro após sua remoção. Parafusos submetidos à pré-carga máxima sofrem deformação plástica nas primeiras roscas engatadas, e o reaperto de um parafuso usado produz uma pré-carga imprevisível — tipicamente 15 a 25% menor do que a de um parafuso novo para a mesma pressão de tensionamento — porque a zona de deformação plástica aumentou o comprimento efetivo de aperto.

Para especificações de parafusos de rolamento de giro, recomendações de equipamentos de tensionamento ou verificação de projeto de juntas de parafusos personalizadas, entre em contato com nossa equipe de engenharia na Yining Hydraulic — temos a documentação de equipamentos e procedimentos de tensionamento pronta para o seu modelo específico de acionamento de giro.