Análise de falhas em cabos de aço de pontes rolantes e fatores que afetam sua vida útil.

Cabos de aço são um dos componentes de elevação mais utilizados. Oferecem alta capacidade de carga, boa flexibilidade, movimento suave e baixo ruído. Quase todas as pontes rolantes utilizam cabos de aço para transportar cargas. Se um cabo de aço se romper repentinamente devido a uma falha, as consequências podem ser graves. A análise de falhas em cabos de aço é, portanto, importante tanto por razões de segurança quanto econômicas. Este artigo analisa os diversos fatores que causam falhas em cabos de aço de pontes rolantes, visando auxiliar na extensão de sua vida útil.

1. Resistência e alongamento do cabo de aço da ponte rolante

Por projeto, a resistência máxima à ruptura de um cabo de aço é inferior à resistência total do feixe de seus fios. Isso está relacionado à construção do cabo e à qualidade de todos os fios que o compõem. Ao projetar um cabo de aço, todos os fatores de carga devem ser considerados, incluindo cargas adicionais, aceleração, desaceleração, velocidade do cabo e outros fatores. O número, o arranjo estrutural e o método de instalação das polias e do tambor também devem ser considerados, juntamente com as condições que causam corrosão e desgaste, e o comprimento do cabo.

Os fios de um cabo de aço são geralmente feitos de aço estrutural carbono de alta qualidade, com um teor de carbono de 0,5% a 0,8%. O módulo de elasticidade do cabo de aço é de aproximadamente 1,6×10⁵ N/mm². Este módulo mede a extensão em que os fios podem se alongar sob carga.

Quando um cabo de aço é submetido a uma carga, seus fios se movem uns em relação aos outros, ajustando suas posições para atingir um estado estável que corresponda à carga aplicada. Isso produz dois tipos de alongamento. Quando um cabo de aço suporta uma carga pela primeira vez, os fios se rearranjam ligeiramente, produzindo um alongamento permanente, conhecido como alongamento estrutural. Ao mesmo tempo, ocorre também um alongamento recuperável, conhecido como alongamento elástico. O alongamento estrutural depende, em certa medida, da magnitude da carga aplicada.

Quanto menor o diâmetro dos fios em um cabo, menor o momento fletor necessário para dobrá-los e maior a flexibilidade do cabo. Cabos de aço com mais fios e cabos de aço com alma de fibra geralmente apresentam melhor flexibilidade. Cabos de aço totalmente metálicos, com menos fios, têm menor flexibilidade, embora os primeiros geralmente apresentem maior alongamento do que os últimos. Maior flexibilidade proporciona melhor resistência à ruptura.

2. Polias para ponte rolante

A dimensão da polia principal é geralmente expressa utilizando o diâmetro da polia na parte inferior da ranhura da corda mais o diâmetro do cabo de aço como diâmetro mínimo de enrolamento. Como o polia de guindaste À medida que a distância entre os fios diminui, as tensões causadas pela flexão e pela pressão de contato entre o cabo de aço e a polia aumentam. Quanto maior a tensão de flexão, mais rapidamente os fios do cabo sofrem fadiga. O aumento da tensão de contato também acelera os danos ao cabo e o desgaste da polia.

À medida que a polia aumenta de tamanho, a pressão entre o cabo e a polia diminui, assim como o grau de flexão. Se a tensão de flexão for o único fator considerado, o diâmetro da polia para um cabo de aço de contato pontual 6×19 pode ser aumentado para 90 vezes o diâmetro do cabo para prolongar sua vida útil. No entanto, exceto em equipamentos especiais, polias com um diâmetro tão grande raramente são usadas na prática por dois motivos:

1. Uma polia tão grande é impraticável para a maioria dos equipamentos de elevação.
2. A flexão raramente é o único fator presente em qualquer condição de operação.

Na prática, muitos outros fatores afetam a vida útil do cabo além da flexão, incluindo tensão repetida, desgaste, martelamento, impacto, vibração, torção, velocidade de rotação, enrolamento incorreto do tambor, corrosão e manutenção insuficiente. Um ou mais desses fatores podem ter um efeito maior na vida útil do cabo do que o tamanho da polia.

O tamanho ideal da polia deve ser determinado considerando-se a segurança, a operação econômica e outros fatores em conjunto. No entanto, a alta pressão entre os fios nos pontos de contato do cabo, combinada com a alta tensão de flexão produzida quando o cabo passa por uma polia pequena, pode contribuir para danos e rupturas do cabo. Nessas condições desfavoráveis, as rupturas dos fios ocorrem frequentemente entre os pontos de contato de cordões adjacentes. Rupturas nesses locais são muitas vezes difíceis ou mesmo impossíveis de detectar por meio de inspeção externa.

Portanto, para equipamentos com outros requisitos de segurança rigorosos, devem ser selecionadas polias maiores para que o processo de dano da corda se desenvolva mais gradualmente e o dano ocorra na superfície da corda, onde é mais fácil de detectar e avaliar.

3. Ranhuras para cabos de polias de ponte rolante

Para que um cabo de aço tenha o melhor desempenho, a ranhura da polia deve ter um diâmetro suficientemente grande para manter uma folga adequada ao redor do cabo. O diâmetro da ranhura não pode permanecer constante. Sua variação é influenciada principalmente pelo cabo de aço e, em grande medida, pelo material da polia e pela pressão aplicada sobre ela.

Como o sulco se desgasta continuamente, ele geralmente fica menor quando um cabo de aço se aproxima do fim de sua vida útil. Isso cria um problema: a cada instalação de um novo cabo de aço, o sulco precisaria ser refeito ou a polia substituída. Na prática, porém, refazer o sulco ou substituir a polia é antieconômico.

Quando uma ranhura é reusinada, a flange geralmente é reparada primeiro e, em seguida, o fundo da ranhura é cortado até o diâmetro apropriado. Se apenas o fundo da ranhura for cortado, o ângulo da garganta próximo ao fundo pode ficar muito pequeno para fornecer folga adequada, aumentando seriamente o desgaste do cabo de aço.

4. Pressão do cabo de aço da ponte rolante

Além da tensão de flexão produzida quando o cabo passa por uma polia, o cabo de aço é submetido à pressão radial causada pelo contato com a polia. Essa pressão produz tensão de cisalhamento no cabo, altera sua construção e afeta a taxa de desgaste da ranhura da polia. Portanto, a magnitude da pressão radial e a resistência ao desgaste do material da polia devem ser consideradas ao selecionar a construção mais adequada do cabo de aço.

5. Tambores para ponte rolante

O tambor de guindaste As dimensões, o perfil da ranhura e a pressão são semelhantes às condições discutidas acima para as polias.

Quando um tambor tem uma superfície lisa, a pressão radial real é relativamente alta porque o cabo de aço é suportado apenas de um lado e sua área periférica não tem suporte. Com esse tipo de tambor, tanto o cabo quanto o tambor sofrem desgaste mais severo do que com um tambor ranhurado, e o cabo é mais facilmente danificado pela pressão.

Quando a tensão de flexão é o principal fator que afeta a vida útil do cabo de aço, o diâmetro do tambor pode ser ligeiramente menor que o diâmetro da polia no sistema. Isso ocorre porque, durante o movimento em uma direção, o cabo se curva duas vezes sobre cada polia, mas apenas uma vez no tambor. O cabo se curva pela primeira vez ao se aproximar de uma polia e mudar de uma linha reta para a curvatura da polia. Ele se curva pela segunda vez quando se endireita novamente ao se afastar da polia.

Em alguns casos, o percurso da corda é curto. Quando parte da corda se move para frente e para trás no tambor sem passar por uma polia, o número de ciclos de flexão é reduzido e a falha progride mais lentamente.

Quando se utiliza um tambor ranhurado, um perfil de ranhura adequado ajuda a manter a corda enrolada na posição correta. Manter um espaçamento adequado entre as ranhuras é importante para que as voltas de corda adjacentes tenham folga suficiente, mas não excessiva. Isso ajuda a evitar que a corda que está sendo enrolada no tambor fique comprimida ou roce na corda já enrolada no tambor.

Para enrolamentos multicamadas, o espaçamento entre os centros das ranhuras deve ser suficiente para evitar que os cabos de aço se toquem no ângulo de inclinação máximo.

6. Outros fatores de falha

1. Corrosão: A corrosão é uma causa comum de falha em cabos de aço. A atmosfera corrosiva criada pelo ambiente operacional pode ter um efeito significativo na vida útil do cabo.
2. Carga de impacto e vibração: A aplicação de cargas de impacto em um cabo de aço e sua subsequente vibração produzem tensões de flexão elevadas e de alta frequência. O efeito da vibração é particularmente severo na extremidade do cabo e pode causar falha por fadiga.
3. Temperatura excessiva: Se um cabo de aço operar a uma temperatura excessivamente alta, ele poderá falhar devido à diminuição de sua resistência à tração.

A análise de falhas acima demonstra que a falha de cabos de aço em pontes rolantes geralmente resulta da combinação de múltiplos fatores. Em uma investigação de falha real, os fatores devem ser analisados de forma abrangente, sua importância relativa deve ser determinada e a causa primária da falha deve ser identificada para ajudar a prolongar a vida útil do cabo de aço.

Zora Zhao

Especialista em soluções de peças de ponte rolante/guindaste de pórtico/guindaste/guindaste

Com mais de 10 anos de experiência na indústria de exportação de guindastes no exterior, ajudou mais de 10.000 clientes com suas dúvidas e preocupações pré-vendas. Se você tiver alguma necessidade relacionada, não hesite em entrar em contato comigo!

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