Verificação da Pré-Carga dos Parafusos da Coroa de Giro

A coroa de giro (slewing bearing) é o componente central que liga a base à plataforma giratória do guindaste de convés — tem de suportar as forças axiais, radiais e o momento de tombamento gerados pela lança e pela carga, garantindo simultaneamente uma rotação suave de 360°. As dezenas de parafusos de alta resistência que fixam a coroa de giro à base e à plataforma constituem o elo mais crítico de toda a cadeia de transmissão de forças: se a pré-carga for insuficiente, a coroa de giro desenvolve folgas sob a ação do momento de tombamento, e a carga de impacto acelera o desgaste das pistas de rolamento; se a pré-carga for excessiva, os parafusos entram em cedência quando a carga de trabalho é sobreposta, podendo ocorrer fratura diferida.

O método de verificação da pré-carga em três etapas segue a norma VDI 2230 (cálculo de sistemas de parafusos de alta resistência). As condições de carga para a seleção da coroa de giro referem-se às combinações de funcionamento do mecanismo de giro definidas na norma ISO 4301.

Este artigo aplica a metodologia da norma VDI 2230 (cálculo de sistemas de ligação aparafusada de alta resistência) a uma coroa de giro de um guindaste de convés de 30t·m, apresentando o procedimento completo de verificação da pré-carga dos parafusos.

Primeira etapa: força de aperto mínima — evitar a separação das superfícies de contacto

A função primordial de uma ligação aparafusada é garantir que as superfícies de contacto entre as peças unidas (anel interno da coroa de giro e flange da base; anel externo e flange da plataforma) não se separem sob carga de trabalho. Se ocorrer separação, toda a carga do momento de tombamento passa a ser suportada pelos parafusos do lado tracionado (em vez de ser transmitida pela distribuição de pressão nas superfícies de contacto), e a tensão de trabalho dos parafusos aumenta 3 a 5 vezes, levando rapidamente à fratura por fadiga.

A força de aperto mínima F_Kerf é calculada pela fórmula: F_Kerf = M_T / (n × r_eff), em que M_T é o momento de tombamento, n é o número de parafusos do lado tracionado (normalmente 1/3 do total, correspondente a um arco de 1/3 do círculo de distribuição) e r_eff é o raio efetivo do círculo de distribuição dos parafusos. No exemplo do guindaste de convés de 30t·m: momento de tombamento máximo M_T = 680 kN·m (incluindo fator de carga dinâmica de 1,3), diâmetro do círculo de distribuição da coroa de giro D = 1200 mm, r_eff = D/2 = 600 mm, número total de parafusos n_total = 36, lado tracionado n = 12. Cálculo: F_Kerf = 680/(12×0,6) = 94,4 kN. Ou seja, cada parafuso do lado tracionado deve fornecer pelo menos 94,4 kN de força de aperto para manter as superfícies de contacto unidas.

Para cobrir as diferenças de rugosidade das superfícies, os erros de estimativa da carga e a relaxação por fluência a longo prazo, introduz-se um fator de segurança S_A = 1,4 (de acordo com a VDI 2230, para ligações de coroa de giro sujeitas a momento de tombamento, S_A ≥ 1,3). Assim, a força de aperto mínima de projeto é F_M_min = F_Kerf × S_A = 94,4 × 1,4 ≈ 132 kN.

Segunda etapa: distribuição da carga de trabalho — força adicional nos parafusos

Após a aplicação da pré-carga, os parafusos e as peças unidas formam um sistema elástico em paralelo. Quando o momento de tombamento externo atua sobre a coroa de giro, a força axial adicional F_SA suportada pelos parafusos do lado tracionado não é igual à força total gerada pelo momento de tombamento, mas é distribuída proporcionalmente à rigidez elástica dos parafusos e à rigidez elástica das peças unidas — é o conceito de fator de carga Φ (load factor) da norma VDI 2230.

O fator de carga Φ = δ_P / (δ_S + δ_P), em que δ_S é a flexibilidade elástica do parafuso (mm/N) e δ_P é a flexibilidade elástica das peças unidas. Para um parafuso de alta resistência M30 (grau 10.9): flexibilidade do parafuso δ_S = (L_1/A_1 + L_2/A_2 + ...)/E, calculada por segmentos de comprimento e área da secção transversal; para um parafuso normalizado M30×200 mm, δ_S ≈ 2,5×10⁻⁶ mm/N. A flexibilidade elástica das peças unidas δ_P é calculada pelo modelo do cone de deformação da VDI 2230: o semiângulo do cone φ é normalmente de 30° a 45° (para ligações aço-aço, 30°). Para um anel de coroa de giro com flange de 30 mm de espessura, δ_P ≈ 0,8×10⁻⁶ mm/N. Portanto, o fator de carga Φ = 0,8/(2,5+0,8) ≈ 0,24 — isto significa que apenas 24% da carga axial externa é transmitida aos parafusos como carga adicional; os restantes 76% são equilibrados pela redução da pressão nas superfícies de contacto. Esta é a principal vantagem do projeto de ligações aparafusadas: a carga de fadiga efetivamente suportada pelos parafusos é muito inferior à carga externa, o que proporciona uma vida útil à fadiga extremamente elevada.

A força total de trabalho do parafuso é F_S_max = F_M + Φ×F_A, em que F_M é a pré-carga de montagem (força de aperto mínima de projeto 132 kN × coeficiente de pré-carga α_A = 1,6 ≈ 211 kN; α_A cobre a dispersão dos coeficientes de atrito e a precisão da ferramenta de aperto), e F_A é a carga axial externa (sob M_T = 680 kN·m, a força axial no parafuso mais afastado do lado tracionado é F_A = M_T×r_max/Σr², com r_max = 600 mm; Σr² ≈ 36×0,6²×coeficiente de distribuição uniforme = 12,96 m²; F_A = 680×0,6/12,96 ≈ 31,5 kN). Assim, F_S_max = 211 + 0,24×31,5 ≈ 219 kN.

Terceira etapa: verificação da resistência à fadiga — resistir a milhões de ciclos

Os parafusos da coroa de giro de um guindaste de convés estão sujeitos a uma típica carga de fadiga pulsante — a carga nos parafusos é máxima durante operações com capacidade de elevação máxima e mínima (próxima da pré-carga) durante a rotação em vazio. A amplitude de tensão de fadiga é σ_a = (F_S_max - F_M) / (2×A_S) = 0,24×31,5×10³/(2×561) ≈ 6,7 MPa, em que A_S = 561 mm² é a área da secção resistente do parafuso M30.

De acordo com a norma VDI 2230, a amplitude de tensão limite de fadiga para um parafuso M30 de grau 10.9 com rosca laminada após tratamento térmico (rolled after heat treatment é ainda melhor) é σ_ASV = 50–60 MPa (dependendo do estado da superfície e do processo de fabrico da rosca). O fator de segurança S_D = σ_ASV/σ_a = 55/6,7 ≈ 8,2 — muito superior ao valor mínimo S_D ≥ 1,2 exigido pela VDI 2230, o que indica uma margem de segurança à fadiga extremamente elevada em condições normais de funcionamento.

No entanto, é importante notar: os cálculos acima assumem que a pré-carga de montagem é controlada com precisão no valor de projeto. Na prática, se o pessoal de manutenção apertar os parafusos com uma chave dinamométrica comum (a pré-carga pode ser apenas 50% a 70% do valor de projeto), ou se a corrosão em ambiente marinho alterar o coeficiente de atrito das roscas, a pré-carga real desviar-se-á significativamente do valor de projeto — esta é a causa mais comum de falha por fadiga dos parafusos da coroa de giro. Por conseguinte, o controlo preciso da pré-carga (com tensores hidráulicos ou medidores ultrassónicos de força) é mais crítico do que a própria escolha da classe de resistência dos parafusos.

Proteção contra afrouxamento e corrosão em ambiente marinho

Os parafusos da Coroa de giro em ambiente marinho enfrentam dois desafios adicionais: relaxamento por vibração e corrosão galvânica. A vibração estrutural do casco (10~200Hz) e o Micromovimento de Rotação da Coroa de giro provocam uma Descida gradual da Pré-Carga dos parafusos — mesmo com uma montagem inicial correta, a perda de Pré-Carga pode atingir 15%~25% após 6~12 meses. As medidas corretivas incluem: ① utilização de Arruela de Pressão cónica (Norma DIN 2093) para compensar a perda de Pré-Carga (recuperação elástica ≥0,5mm); ② aplicação de Loctite 243 ou Loctite 2701 como Selante de rosca (resistência média, resistente a óleo e água do mar, desmontável); ③ marcação de linhas de Posicionamento na cabeça do parafuso e na face da porca (marcação com tinta) para permitir a inspeção visual de qualquer Rotação que indique afrouxamento.

A corrosão galvânica ocorre quando a diferença de potencial eletroquímico entre o parafuso (Aço Liga de alta resistência) e o anel da Coroa de giro (normalmente 42CrMo4 ou C45E temperado) é impulsionada pelo eletrólito da água do mar. Embora ambos sejam aço, a diferença no Grau de resistência (parafusos classe 10.9 contêm Cr/Mo, com potencial mais negativo) pode ainda gerar corrosão galvânica ligeira. Medidas de proteção: revestimento Dacromet na superfície do parafuso (camadas de zinco-alumínio, Teste de névoa salina ≥1000h sem ferrugem vermelha), ou revestimento Geomet superior (sem crómio, ecológico, com melhor Resistência à Corrosão); aplicação de Graxa resistente à água do mar no interior dos furos (como Molykote P-40 ou Klüberplex AG 11-462); aplicação de Selante nas faces de união da flange para impedir a penetração de água do mar nos furos dos parafusos.

Seleção da Coroa de giro e restrições de layout dos parafusos

A seleção da Coroa de giro não depende apenas do cálculo de capacidade de carga, mas está intimamente ligada ao layout dos parafusos. O diâmetro do círculo de furação, o número de parafusos e a Especificação dos parafusos estão inter-relacionados — o espaçamento entre furos (Pitch) deve ser ≥3d (d = diâmetro nominal do parafuso) para garantir espaço adequado para a chave de aperto; a distância do centro do furo à borda do anel interno ou externo (Edge Distance) deve ser ≥1,5d para evitar rasgamento do material. Para parafusos M30, o espaçamento mínimo entre furos = 90mm e a distância mínima à borda = 45mm. Se a largura do Anel Externo da Coroa de giro selecionada não for suficiente para acomodar o número necessário de parafusos M30, será necessário fazer uma Atualização para M36 ou um Modelo maior de Coroa de giro (anéis mais largos), ou alternativamente utilizar parafusos classe 12.9 para reduzir a quantidade necessária — ambas as opções implicam aumento de custos e prazos de entrega mais longos.

Outra restrição frequentemente ignorada é a acessibilidade de montagem dos parafusos no Anel Interno (ligação à base) e no Anel Externo (ligação à plataforma giratória). Os parafusos do Anel Externo são normalmente inseridos por cima com a porca apertada por baixo, oferecendo espaço de trabalho relativamente folgado; já os parafusos do Anel Interno estão rodeados pela pista de rolamento da Coroa de giro e pela base da Lança, com espaço extremamente limitado (por vezes apenas 200~300mm de altura), impossibilitando a inserção de um tensor Hidráulico Padrão. A solução passa por prever canais de acesso na fase de projeto — abertura de furos ovais na flange da base para permitir a entrada do tensor, ou a utilização de tensores ultrafinos (como a série Tentec SX, com apenas 85mm de altura). Se a acessibilidade de montagem não for considerada na fase de projeto, a instalação em obra torna-se extremamente difícil, podendo mesmo exigir corte e soldadura de reforço na flange — algo inaceitável em projetos sujeitos a classificação naval.

Perguntas Frequentes

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