Procedimento para aplicação de ultra-som em engates rotativos
montados.
Resumo
O presente trabalho mostra o estudo desenvolvido para aplicação de ensaio não destrutivo em
engates rotativos montados no conjunto de choque e tração dos vagões da frota de minério da
Estrada de Ferro Carajás – EFC. Com o aumento do comprimento dos trens na EFC no ano de 2008
houve um acréscimo das ocorrências de fracionamento das composições por quebra do engate
rotativo, devido à fadiga por elevação dos esforços cíclicos atuantes nos componentes interferindo
em seu desempenho e reduzindo a vida útil. A principal motivação para a realização do presente
estudo reside no fato da inexistência de um procedimento que detectasse defeitos internos nos
engates montados nos vagões reduzindo assim o fracionamento de trens em operação. Além disso,
outros ganhos podem ser considerados como: redução do Trem Hora Parado e corretivas não
programadas. A metodologia utilizada foi definir a técnica de Ensaio não-destrutivo – END mais
adequado, sendo escolhido o ultra-som em função da detecção de defeitos ou descontinuidades
internas, nos mais variados tipos ou forma. Após a definição da técnica partiu-se para a análise da
geometria do engate e do modo de falha que é fratura por fadiga na região do furo. Fez-se então
confecção do bloco de referência para simulação de defeitos com dimensões conhecidas na região
de inspeção objetivando a definição do transdutor de melhor resposta. Foi realizado um Ensaio com
um engate trincado desmontado validando a eficácia do transdutor escolhido. A posteriore foi
desenvolvido um suporte prolongador para o transdutor de modo a permitir o acesso a área de
inspeção com o engate montado no vagão. Efetivamente, o teste de campo veio confirmar o modo
de falha analisado durante o desenvolvimento da técnica. Como resultado alcançado foi elaborado
um procedimento para execução do ensaio na detecção de defeitos nos engates montados
diminuindo o grau de incerteza da condição do componente gerando maior confiabilidade nas
operações dos trens.
1. Introdução
Trabalho de desenvolvimento de um procedimento de inspeção utilizando a técnica de ultra-som em
engates rotativos montados dos vagões GDT para redução de fracionamento dos trens por quebra de
engates.
A quantidade destes eventos tem aumentado ao longo dos últimos 03 anos, conforme gráfico 01, o
que levou a ações com o objetivo mitigação da ocorrência destas falhas.
O ensaio por ultra-som caracteriza-se num método não destrutivo que tem por objetivo a detecção
de defeitos ou descontinuidades
internas, presentes nos mais variados tipos ou forma de materiais ferrosos ou não ferrosos.
Tais defeitos são caracterizados pelo próprio processo de fabricação da peça ou componentes a ser
examinada como, por exemplo: bolhas de gás em fundidos, dupla laminação em laminados, microtrincas em forjados, escorias em uniões soldadas e muitos outros.
Gráfico 1: Evolução dos eventos de quebra de engate rotativo e fixo.
2. Desenvolvimento do Trabalho
2.1. Análise do Modo de falha e Geometria do Engate.
Analisando o modo de falha dos engates rotativos, chega-se a conclusão de ocorrência de fratura
por fadiga na região do furo. As falhas por fadiga sempre têm inicio com uma pequena trinca, que
pode estar presente no material desde sua manufatura ou desenvolver-se ao longo do tempo devido
às deformações cíclicas ao redor das concentrações de tensões.
Existem três estágios na falha por fadiga: início da trinca, propagação da trinca e ruptura repentina
devido ao crescimento instável da trinca. O primeiro estágio pode ter uma pequena duração, o
segundo estágio envolve o maior tempo da vida da peça e o terceiro e último estágio é instantâneo.
Quando a trinca microscópica se estabelece, os mecanismos de mecânica da fratura entram em
funcionamento. Desenvolve – se, assim, uma zona plástica na ponta da trinca, cada vez que uma
tensão de tração alonga a mesma, abrandando – se as tensões em suas pontas e reduzindo a
concentração de tensão efetiva. Quando a tensão de fadiga (ciclo de tensão) passa para um regime
de tensão de compressão ou para um valor nulo, a trinca fecha, o escoamento momentaneamente
cessa e a trinca torna – se pontiaguda, agora com um comprimento maior. Esse processo continua
enquanto a tensão está sendo aplicada de forma cíclica (variando de valores abaixo da tensão de
escoamento para valores acima da mesma, na ponta da trinca). Assim, o crescimento da trinca se
deve a tensões de tração.
A operação dos trens de minério, onde os engates rotativos são utilizados, geram estas tensões
cíclicas de tração, levando ao presente modo de falha.
Figura 1: Engate Rotativo quebrado
A região onde há ocorrência do surgimento de trincas e posterior fratura foi delimitada conforme
mostrado na figura 2.
Esta região é chamada de olhal do engate, com o mesmo montado no vagão, não há possibilidade de
realizar inspeção com outro tipo de ensaio não destrutivo.
Figura 2: Região de surgimento de trincas por fadiga.
2.2. Confecção do bloco de referência.
Para obtenção de resultados satisfatórios nos teste com aplicação do ultra-som, havia a necessidade
de um bloco de referência, ou seja, um engate cortado na região da cauda (um ocorrem as quebras),
com a confecção de um furo para simular uma trinca.
Figura 3: Confecção do Bloco de referência.
2.3. Ensaio com o bloco de referência.
Os seguintes parâmetros foram definidos utilizando o bloco de referencia:



Área e escala de varredura
Tipo do transdutor
Ganho – Amplitude do sinal na tela ou amplificação do sinal recebido do cristal
Sendo levado em consideração para a escolha do transdutor:
•
•
•
•
Ângulo de incidência do feixe sônico
Freqüência
Resolução
Melhor propagação do som na peça
Figura 4: Utilização de bloco de referencia para determinação dos parâmetros.
O transdutor de melhor resposta, utilizando um instrumento modelo USM35 da GE foi o MWB 45
graus com freqüência de 4 Mhz (Miniatura).
Figura 5: Utilização do transdutor de melhor
2.4. Ensaio com o engate trincado
Para testes em campo com o transdutor definido através do bloco de referencia, foi solicitada a área
de manutenção de vagões um engate trincado desmontado, inspecionado através do ensaio de
partícula magnética.
O teste com o transdutor de 45 graus foi aprovado, sendo possível a detecção do comprimento e a
profundidade da trinca.
Figura 6: Teste em engate rotativo trincado
2.5. Confecção de um prolongador
Para aplicação do ensaio com o engate rotativo montado no vagão, foi necessária a confecção de um
prolongador, permitindo acesso à região a ser inspecionada.
Figura 7: Prolongador para aplicação do ensaio com o engate montado.
2.6. Testes em Campo
Para elaboração do procedimento e comprovação da eficácia da técnica, foram realizadas inspeções
durante a manutenção de vagões GDT na oficina da EFC.
O procedimento de inspeção é iniciado com o deslocamento do engate rotativo montado para os
lados (esquerdo ou direito), preparação da superfície a ser inspecionada (lixar a e limpar superfície),
aplicação de acoplante metil celulose, utilização do cabeçote com feixe sônico angular (45 graus
4Mhz. Miniatura), verificação de sinal de defeito (Eco) na tela do instrumento.
Figura 8: Inspeção durante a manutenção dos vagões na oficina
Figura 9: Detalhe da área de varredura do ensaio.
A trinca foi encontrada no olha do engate rotativo, através de sinal de defeito (Eco) na tela do
instrumento, comprovando a região onde ocorre a falha.
Figura 10: Sinal de defeito (Eco) na tela do instrumento.
Para visualização e comprovação da trinca encontrada, foi realizado o corte na seção do olhal do
engate, sendo encontrada a trinca detectada através do ensaio.
Figura 11: Corte de seção do engate.
Figura 12: Detalhe da trinca utilizando liquido penetrante.
Durante a elaboração do procedimento foram inspecionados 06 vagões, sendo encontradas trincas
em 03 vagões.
3. Conclusões e Recomendações Finais
O Objetivo deste trabalho foi aplicar a técnica de ensaio não destrutível por ultra-som em engates
rotativos montados, devido o modo de falha já estudado e as condições de montagem do
componente no vagão, o desenvolvimento do procedimento conseguiu corresponder às expectativas.
O ensaio de ultrassom aplicado nos moldes descritos neste documento é capaz de detectar falhas na
região do olhal do pino do engate, de modo que sua aplicação tem grande potencial na redução de
fracionamento dos trens de minério por quebras do engate rotativo.
Visto a ser um dados inédito, desenvolver os limites de criticidade da falha é parte integrante do
trabalho e ocorre durante a aplicação da técnica na rotina de manutenção dos vagões de minério.
Constata-se também que o procedimento é aplicável à haste rígida em caráter de investigação
preventiva mesmo que não haja histórico de quebras das mesmas.
Assim, este ensaio pode ser utilizado na inspeção de engates ferroviários montados na tração de
modo a detectar trincas.
4. Bibliografia
[1] Norton, Roberto L., Projeto de Máquinas: Uma abordagem Integrada. Porto Alegre. Bookman
2004.
[2] Rodrigues, K. P. Estratégia de utilização do ensaio ultrassom em engates rotativos montados.
Documento Técnico 3134 02/10/09, VALE/DIID/GEDFT.