O que causa a quebra do eixo da bomba de engrenagem do pistão?

        Depois que um fabricante de telhados usou grandes bombas de engrenagem interna para fornecer fluxo betuminoso por anos, várias bombas apresentaram várias falhas no eixo. Essas falhas no eixo eram raras no passado e foram levadas ao conhecimento do fornecedor da bomba. Essas bombas normalmente operam a 100 galões por minuto (gpm) com pressões de descarga abaixo de 100 libras por polegada quadrada (psi). O sistema usa um circuito de aquecimento de óleo térmico para manter o fluxo betuminoso em uma alta temperatura proprietária para reduzir a viscosidade do produto a um nível suficiente para garantir um fluxo suave e reduzir o acúmulo de fluxo betuminoso sólido nas paredes.
       As bombas são alimentadas por um motor de 30 cavalos de potência (hp), 1750 rotações por minuto (rpm) e uma caixa de engrenagens que reduz a velocidade da bomba para 100 rpm a um fluxo de produto de 100 gpm.
       Essas bombas são usadas para transferir o fluxo betuminoso dos tanques de armazenamento na planta de destilação para a aplicação final do fluxo betuminoso na linha de produção.
        As mesmas bombas têm sido usadas neste local por mais de 20 anos. Como regra, essas bombas têm uma vida útil muito maior em tais condições, e tal falha nunca foi vista no passado. Notavelmente, a empresa usou duas versões do mesmo tamanho de bomba para duas aplicações diferentes. Uma é considerada uma bomba suave para aplicação de fluxo de asfalto, e a outra é considerada uma bomba de enchimento duro para enchimento de asfalto. As bombas rígidas têm rotores e eixos de aço endurecido para reduzir o desgaste de abrasivos em asfalto preenchido.
        Quando o fornecedor da bomba percebeu o problema com o eixo quebrado, o número de bombas com falha foi de 6 em cerca de 12 meses. Há 18 bombas no total nesta aplicação. Nos últimos anos, o número médio de falhas de bomba no mesmo período foi de um. Algumas bombas tinham um eixo quebrado e a conexão eixo/rotor foi cortada, enquanto outras tinham o eixo girando dentro do rotor e o parafuso de fixação que deveria segurar o rotor e o eixo intactos foi cortado.
        O eixo de cisalhamento está em uma bomba rígida, e o eixo girando dentro do rotor está em uma bomba macia. A falha foi analisada e os seguintes resultados foram identificados e resolvidos conforme as instruções.
        Os fornecedores e fabricantes de bombas analisam cuidadosamente bombas com eixos quebrados ou rotativos. O eixo e o parafuso de fixação foram submetidos a verificações dimensionais e análise metalúrgica. Ambos atendem aos requisitos do fabricante. Após a bomba ser queimada para remover o piche endurecido residual, o desgaste anormal na bomba indicou que a pressão de descarga excessiva desviou o eixo e fez com que o rotor colidisse com a carcaça da bomba no lado da sucção (veja as figuras 2 e 3).
        Há sinais de desgaste no lado de sucção do invólucro, onde o rotor é pressionado contra a parede do invólucro. O lado de sucção da placa da cabeça também mostra sinais de desgaste e o rotor está flexionando para dentro da cabeça. Outros sinais de desgaste em buchas, polias intermediárias e crescentes também apontam para sobrepressão e subsequente flexão e deflexão do eixo. Quando o rotor pressiona contra o corpo e a cabeça, o torque excessivo pode fazer com que o eixo dentro do rotor quebre ou gire, cortando o parafuso de fixação.
        De acordo com o fabricante, “A sobrepressão subsequente fez com que o eixo se dobrasse, o que por sua vez causou desgaste do corpo, desgaste da cabeça e, finalmente, falha do conjunto rotor/eixo”. Como resultado da análise, mudanças foram feitas no projeto das bombas pelo fabricante e uma análise dos procedimentos para a operação dos processos na instalação foi realizada.
        O fabricante da bomba alega uma pressão máxima de entrega de 150 psi para esta bomba, devido em parte ao tamanho do eixo e à subsequente relação comprimento/diâmetro (L/D) do eixo. Qualquer pressão acima de 150 psi pode fazer com que o eixo dobre e desvie, como visto na quebra do objeto.
        Os procedimentos operacionais padrão da unidade compensam uma pressão de descarga máxima permitida de 150 psi, e cuidados foram tomados para manter a temperatura e a viscosidade do fluxo betuminoso para que a pressão de descarga não exceda esse limite. De fato, conforme a equipe de manutenção da instalação mais tarde reuniu informações sobre o processo, a pressão raramente excedeu 100 psi.
        No entanto, também deve ser considerado se medidas de economia de energia podem fazer com que a pressão de descarga exceda a pressão de descarga máxima permitida da bomba. Durante paradas da planta, como fins de semana, a temperatura do fluxo betuminoso mantida pelo circuito de aquecimento de óleo térmico é reduzida para economizar energia. Após investigação, foi determinado que o tempo de inicialização necessário para levar o betume a uma temperatura e viscosidade aceitáveis ​​não poderia ser aumentado para compensar o desligamento mais frio do fim de semana. Então, após um desligamento de fim de semana, o asfalto pode estar muito frio e muito viscoso na inicialização, com a pressão de descarga da bomba acima do limite de 150 psi. Não houve registros de temperatura e pressão durante essas inicializações ou falhas da bomba, então essa suposição foi feita.
        Com esses fatores em mente, o fabricante tomou medidas para resolver o problema da deflexão do eixo da bomba enquanto a equipe de manutenção da instalação se concentrou em resolver o problema dos procedimentos operacionais padrão. Cada grupo toma medidas para eliminar mais falhas no eixo.
        O fabricante da bomba modificou o design da bomba para incluir um eixo maior. O diâmetro do eixo aumentou em 40%.
        Este eixo mais grosso ajuda a reduzir a deflexão do eixo em 66%, reduzindo o desgaste prematuro e a chance de falha do conjunto rotor/eixo. Eixos maiores aumentam a taxa de deflexão do eixo L/D e aumentam a pressão de descarga máxima permitida para 200 psi.
        Essa mudança de design mais tarde se tornou o padrão para bombas desse tamanho em todos os produtos futuros do fabricante. O diâmetro do eixo no lado de acionamento da bomba não mudou, então os equipamentos de transmissão de energia existentes, como polias e acoplamentos, ainda são aplicáveis ​​à bomba.
        Os fornecedores de bombas colocam equipamentos de monitoramento de processo em bombas de fluxo de betume para medir a temperatura do circuito de processo, pressão de descarga e corrente do motor. A equipe de manutenção do local registrou eletronicamente a cada dois segundos e realizou monitoramento visual três vezes ao dia durante três meses.
        A equipe de manutenção da instalação revisou os procedimentos operacionais padrão especificamente relacionados aos procedimentos de desligamento e inicialização do loop de temperatura de fluxo de betume. Inicialmente, as mudanças foram feitas para evitar uma situação de partida a frio.
       Ao analisar os padrões de desgaste da bomba para determinar se ela estava com sobrepressão, a equipe conseguiu se concentrar no motivo da alta pressão estar ocorrendo e quais medidas podem ser tomadas para evitar futuras falhas no eixo e tempo de inatividade desnecessário.
        A equipe de gerenciamento da planta estudou cuidadosamente a temperatura e a viscosidade do produto sob condições operacionais, durante o tempo de inatividade e durante a inicialização. Eles determinaram que mudanças nos procedimentos operacionais poderiam ser ajustadas para evitar condições de partida a frio que poderiam aumentar a viscosidade do fluxo betuminoso e causar altos picos de pressão. Os fabricantes de bombas concordam que eixos maiores podem ser usados ​​em bombas desse tamanho e que menos deflexão do eixo e pressões mais altas podem ser alcançadas. O design agora é uma oferta padrão para o fabricante.
       Ao analisar a causa raiz da falha, uma equipe de mantenedores de instalações, fabricantes de bombas e fornecedores de bombas trabalhou para reduzir as falhas de bombas devido a fraturas do eixo.