As máquinas de papel estão entre as instalações de processo contínuo mais exigentes da indústria britânica. Uma única linha de produção em uma fábrica nos arredores de Sheffield ou Sunderland pode se estender por mais de cem metros, da extremidade úmida à bobinadeira, integrando seções de formação, seções de prensagem, cilindros de secagem, rolos de calandragem e sistemas de bobinagem em um único sistema mecânico precisamente coreografado. Cada segmento opera a uma velocidade ligeiramente diferente — uma estratégia de projeto intencional que mantém a tensão da folha de papel e evita rupturas dispendiosas — e, no entanto, cada eixo da linha deve fornecer torque de forma confiável, 24 horas por dia, em níveis de umidade que corroeriam componentes comuns em poucas semanas.
Os acoplamentos de engrenagem conquistaram seu lugar central nesse desafio. Comparados aos acoplamentos rígidos ou às variantes de mandíbulas flexíveis, eles oferecem a combinação exclusiva de alta densidade de torque, compensação de desalinhamento angular e paralelo e folga axial que os projetistas de máquinas de papel exigem. Quando um cilindro de secagem se expande termicamente na temperatura de operação, ou quando o assentamento da fundação causa pequenas variações no eixo central ao longo de meses de uso, um acoplamento de engrenagem absorve esses movimentos sem transmitir cargas de reação prejudiciais de volta para as caixas de engrenagens e rolamentos. O resultado são intervalos de manutenção mais longos, vibração reduzida e o tipo de tempo de atividade do qual os gerentes de fábricas em Birmingham, Leeds e em todo o norte da Inglaterra dependem para atingir as metas de produção.
Princípio de funcionamento dos acoplamentos tipo engrenagem
Engajamento em malha
Um acoplamento de engrenagens consiste em dois cubos externos, cada um com um conjunto de dentes externos em forma de evolvente, que se encaixam em uma luva interna com dentes internos correspondentes. O torque é transmitido através dos flancos dos dentes por cisalhamento, distribuindo a carga por toda a largura da face. Como os dentes externos são abaulados — ligeiramente em forma de barril ao longo de seu comprimento — o conjunto tolera um desalinhamento angular de até 1,5° por conjunto de engrenagens sem carga nas bordas, mantendo ainda o contato total da face no círculo primitivo. Essa geometria é a razão fundamental pela qual os acoplamentos de engrenagens podem transmitir torques muito altos, acomodando simultaneamente o desalinhamento do eixo que destruiria uma conexão rígida.
Circuito de Lubrificação
Os dentes das engrenagens em contato geram calor por fricção e, nas condições de uma fábrica de papel, esse calor, combinado com a contaminação por umidade, acelera o desgaste, a menos que seja gerenciado adequadamente. Os acoplamentos de engrenagens modernos para aplicações de processo contínuo são lubrificados com graxa, com vedações labirínticas ou tampas de extremidade com anéis de vedação que mantêm o lubrificante dentro e a pasta de papel fora. As variantes de alta velocidade — adequadas para seções de máquinas de papel que operam a 2000 m/min ou mais — podem usar lubrificação por circulação de óleo integrada ao suprimento principal da caixa de engrenagens. O projeto de lubrificação determina diretamente os intervalos de lubrificação, que em uma fábrica de papel no Reino Unido normalmente coincidem com as janelas de manutenção programadas a cada seis a doze meses, minimizando os custos de paradas não planejadas.
Flutuação Axial e Compensação Térmica
As seções de secagem das máquinas de papel operam em temperaturas elevadas, e os cilindros de aço se expandem axialmente à medida que aquecem. Sem um acoplamento que acomode o movimento axial, as forças nas extremidades do eixo aumentam rapidamente, sobrecarregando os mancais de encosto e causando falhas prematuras na caixa de engrenagens. A luva interna de um acoplamento de engrenagem pode deslizar livremente ao longo dos dentes do cubo, proporcionando uma folga axial tipicamente na faixa de 5 a 25 mm, dependendo do tamanho do acoplamento, mantendo a transmissão total do torque. Essa ação deslizante não requer ajustes externos e é totalmente autogerenciável, tornando os acoplamentos de engrenagem a solução preferida tanto na construção de novas máquinas em fábricas britânicas quanto em programas de modernização de equipamentos mais antigos originalmente equipados com conexões flangeadas rígidas.
Materiais principais utilizados na fabricação de acoplamentos de engrenagem
A seleção de materiais é fundamental para o desempenho de qualquer acoplamento de engrenagens. Em ambientes de fábricas de papel — onde a combinação de alta umidade, produtos químicos alcalinos utilizados na fabricação de papel, condensado de vapor e vibração mecânica atacam os componentes simultaneamente — a escolha de materiais genéricos rapidamente se mostra inadequada. A Ever Power aplica uma abordagem estruturada para a especificação de materiais com base nas condições de operação, nos requisitos de torque e na seção específica da máquina de papel em questão.
Os corpos dos cubos destinados a acionamentos de seção de secagem padrão são usinados em aço-liga de médio carbono, tipicamente 42CrMo4 ou seu equivalente britânico EN19. Essa liga oferece limites de escoamento na faixa de 700 a 850 MPa após tratamento térmico adequado, proporcionando a resistência da raiz do dente necessária para suportar picos de torque durante a aceleração da máquina sem deformação plástica. Quando a resistência à corrosão é prioritária — por exemplo, na seção de conformação da extremidade úmida, onde jatos de pasta de papel saturam o ambiente — podem ser especificados aços inoxidáveis como 17-4PH ou 316L, aceitando-se uma pequena redução na capacidade de torque absoluto em troca de uma vida útil significativamente maior e menor frequência de inspeção.
As camisas internas, que suportam as maiores tensões de contato na interface dos dentes, são cementadas e endurecidas superficialmente para atingir valores de dureza superficial de 58–62 HRC, com uma profundidade de camada endurecida de 0,8–1,5 mm que preserva um núcleo resistente e dúctil sob a superfície endurecida. Esse perfil de dureza gradual resiste à fadiga por pite — o dano superficial progressivo causado por ciclos repetidos de tensão de contato Hertziana — que é o principal modo de desgaste em acoplamentos de engrenagens operando acima de 500 rpm. Os componentes de vedação são moldados em compostos de fluoroelastômero ou NBR selecionados por sua resistência à degradação por graxa e à exposição ao vapor, com classificações de temperatura de operação que excedem confortavelmente as temperaturas de 100–120 °C das coifas de secagem comuns em fábricas de papel no Reino Unido.
Vantagens do produto
Alta densidade de torque
O engrenamento dos dentes da engrenagem distribui a carga por toda a largura da face, permitindo classificações de torque muitas vezes maiores por unidade de massa do que acoplamentos de garras ou discos de diâmetro equivalente — algo crucial em acionamentos principais de máquinas de papel, onde o espaço é limitado e as demandas de torque são severas.
Tolerância de desalinhamento triplo
Desalinhamento angular de até 1,5° por engrenamento, compensação de deslocamento paralelo e flutuação axial são tratados simultaneamente sem gerar cargas radiais significativas nos rolamentos conectados — uma capacidade que nenhum acoplamento rígido pode oferecer e que apenas algumas alternativas flexíveis conseguem igualar em níveis de torque comparáveis.
Confiabilidade em operação contínua
Em fábricas de papel, os acoplamentos de engrenagens com manutenção adequada geralmente atingem uma vida útil superior a cinco anos entre revisões. A ausência de elementos elastoméricos que se degradam com o tempo significa que não há queda de desempenho relacionada ao envelhecimento — o acoplamento se comporta da mesma forma no 1500º dia como no primeiro dia, desde que o cronograma de lubrificação seja mantido.
Operação balanceada de alta velocidade
Para seções de máquinas de papel que operam acima de 1500 m/min, os acoplamentos de engrenagem balanceados dinamicamente reduzem o desbalanceamento residual para G2.5 ou melhor (ISO 1940), mantendo os níveis de vibração dentro dos limites que protegem os rolos de precisão, os rolamentos e as estruturas da armação. O balanceamento dinâmico é realizado no acoplamento completo montado, incluindo cubos e bucha, nas instalações de usinagem de precisão da Ever Power.
Facilidade de manutenção
Os designs de manga bipartida permitem que o acoplamento seja desmontado sem a necessidade de movimentar as máquinas conectadas — uma vantagem significativa quando os acionamentos são integrados em longos conjuntos de máquinas, onde a remoção de uma caixa de engrenagens ou motor exigiria extensos andaimes e equipamentos de içamento. Os pontos de lubrificação podem ser posicionados de forma a permitir a lubrificação sem a remoção do acoplamento, reduzindo ainda mais o tempo e o custo de manutenção em fábricas de papel do Reino Unido que operam com equipes de manutenção enxutas.
Resistência à umidade e à corrosão
Os designs de vedação em labirinto, combinados com tratamentos de superfície resistentes à corrosão — incluindo fosfato de zinco com revestimento superior de epóxi ou construção totalmente em aço inoxidável — garantem que o ambiente úmido de uma linha de fabricação de papel não comprometa a integridade do acoplamento. As superfícies externas também podem ser protegidas com revestimentos especiais compatíveis com os produtos químicos de limpeza usados durante as trocas de bobinas e lavagens da máquina.
Tabela de parâmetros técnicos e de desempenho
Cenários de Aplicação Industrial
Cenário de aplicação 1: Seção de formação de máquinas de papel
A seção de formação é onde a folha de papel começa a ser produzida — uma suspensão diluída de fibras é ejetada em alta velocidade sobre uma tela metálica em movimento, com a água escorrendo rapidamente sob vácuo e gravidade, deixando uma folha nascente. A tela Fourdrinier ou a tela dupla se move na velocidade da máquina, acionada por uma caixa de engrenagens e um sistema de acoplamento que deve manter uma sincronização precisa da velocidade com a entrada da caixa de entrada. Qualquer folga torsional no acoplamento introduz variação de velocidade que se traduz diretamente em inconsistências na gramatura do papel acabado — um defeito de qualidade que os produtores de papel tissue e as fábricas de papel fino do Reino Unido não podem aceitar.
Os acoplamentos de engrenagem utilizados em aplicações de conformação de perfis são normalmente dimensionados para motores com potência entre 55 e 315 kW, com torques de acoplamento selecionados para fornecer um fator de serviço de pelo menos 1,5 em relação ao torque nominal de acionamento. O ambiente úmido de conformação exige que o acoplamento resista ao impacto de jatos de água e aos agentes de limpeza agressivos utilizados durante a troca de arame. A Ever Power fornece acoplamentos de engrenagem para conformação de perfis com componentes de aço inoxidável e vedações de fluoroelastômero como padrão para essa aplicação, com opções de graxa com nitrogênio que mantêm a viscosidade mesmo quando ocorre contaminação ocasional por água na folga da vedação durante os procedimentos de lavagem entre as produções.
Cenário de aplicação 2: Acionamentos de rolos da seção de prensa
Após a seção de formação drenar a água livre da folha, a seção de prensagem extrai mecanicamente a umidade adicional, passando o papel entre pares de cilindros de prensagem submetidos a pressões de até 1200 kN/m. Esses cilindros são os componentes rotativos mais pesados em uma máquina de papel, às vezes ultrapassando 20 toneladas cada, e as caixas de engrenagens e acoplamentos que os acionam devem suportar os maiores torques do conjunto da máquina. As configurações de prensagem com zona de contato estendida, agora comuns em fábricas modernas do Reino Unido, aumentam ainda mais as demandas de torque nos componentes de acionamento, já que a geometria de zona de contato mais longa exige cargas maiores nos cilindros para atingir a mesma secura.
A deflexão dos cilindros sob carga pode atingir vários milímetros na face do cilindro, e essa deflexão se manifesta como desalinhamento angular do eixo nos pontos de conexão do acoplamento. Acoplamentos de engrenagem de alta resistência, dimensionados para acomodar desalinhamento angular, absorvem essa deflexão sem transmitir momentos de flexão para o eixo de saída da caixa de engrenagens, protegendo os rolamentos da caixa de engrenagens da carga cíclica que, de outra forma, reduziria drasticamente sua vida útil L10. Acoplamentos de seção de prensa em uma moderna fábrica de papelão em Sunderland ou em uma máquina de papel tissue em Bristol operam continuamente em altos níveis de torque por períodos de doze meses ou mais entre paradas programadas — um requisito de confiabilidade que poucos tipos de acoplamento, além do projeto de engrenagem, conseguem atender de forma confiável.
Cenário de aplicação 3: Seção de secagem — Calor e umidade
A seção de secagem é onde os acoplamentos de engrenagem enfrentam seu maior desafio térmico. Fileiras de cilindros de ferro fundido aquecidos a vapor — tipicamente com 1,5 a 1,8 metros de diâmetro — evaporam a umidade residual da folha de papel à medida que esta se desloca em um percurso em forma de S sobre suas superfícies. As temperaturas da superfície dos cilindros atingem 90–130 °C, e o sistema de gerenciamento de condensado dentro de cada cilindro opera com pressões de vapor de 3–8 bar. Todo o ambiente da coifa de secagem é quente e úmido, com condensação se formando em qualquer superfície que fique abaixo do ponto de orvalho durante as transições de produção ou paradas de fim de semana.
A expansão térmica dos cilindros do secador ao longo da direção da máquina — por vezes denominada expansão na direção da máquina — acumula-se num grupo de 30 a 60 cilindros, atingindo valores de 20 a 80 mm, dependendo da temperatura de operação e dos materiais de construção. Os acoplamentos de engrenagem em cada extremidade do sistema de acionamento acomodam essa expansão através da sua capacidade de flutuação axial, impedindo a acumulação de forças de compressão axial que, de outra forma, causariam a falha dos rolamentos de encosto e a paralisação da máquina. Para fábricas de papel na Escócia ou em toda a região industrial de Yorkshire, onde a continuidade da produção impacta diretamente a eficiência energética e as margens de rentabilidade, esta função de compensação térmica representa um benefício comercial tangível que justifica a especificação de acoplamentos de engrenagem em detrimento de alternativas mais simples e baratas.
Cenário de Aplicação 4: Precisão de Acionamento de Calandra em Pilha e Bobina
A calandragem aprimora a superfície do papel passando-o entre rolos de metal aquecidos e altamente polidos sob pressão controlada. A lisura e o brilho da superfície obtidos dependem criticamente da uniformidade da velocidade dos rolos — mesmo pequenas diferenças de velocidade entre os rolos em uma calandra de múltiplos pontos de contato causam marcas ou rugas na folha, tornando o rolo invendável para papéis gráficos revestidos. Em velocidades de máquina acima de 1200 m/min, os requisitos de precisão dinâmica no acoplamento tornam-se equivalentes aos de aplicações de máquinas-ferramenta de precisão, exigindo conjuntos balanceados, tolerâncias de fabricação rigorosas na geometria dos dentes e sistemas de vedação que impeçam a redistribuição da graxa sob força centrífuga de causar desequilíbrio subsequente durante a operação.
Os acionamentos de bobinadeira apresentam um desafio diferente: o diâmetro do carretel aumenta continuamente ao longo do ciclo de bobinagem, exigindo que o sistema de acionamento gerencie cargas de inércia em constante mudança, mantendo a tensão da bobina dentro de limites rigorosos. O acoplamento de engrenagem, nessa aplicação, deve transmitir o torque suavemente durante todo o ciclo de bobinagem — desde o momento da transferência, com diâmetro do carretel de 250 mm, até o carretel jumbo completo, com 2,5 a 3,0 metros — sem o choque ou vibração torsional que causaria rupturas da bobina no ponto de transferência. A Ever Power oferece acoplamentos de engrenagem com recursos opcionais de amortecimento torsional para acionamentos de bobinadeira, proporcionando a transmissão de potência suave que as máquinas de papel tissue e fino de alta velocidade do mercado do Reino Unido exigem de suas seções de bobinagem.
Caso de sucesso do cliente: Fábrica de Papel e Embalagens de Sunderland
No final de 2023, uma fábrica de papel tissue e embalagens nos arredores de Sunderland concluiu uma grande modernização de capacidade, com a instalação de uma nova formadora de dupla tela operando a uma velocidade de projeto de 1800 m/min. A equipe do projeto enfrentou um desafio específico na seção de secagem: os acoplamentos de engrenagem existentes, do fornecedor anterior, apresentaram falhas recorrentes de vedação em menos de doze meses após a instalação, atribuídas à geometria inadequada do labirinto, que permitia a entrada de condensado de vapor no reservatório de graxa durante os ciclos de resfriamento nas paradas de fim de semana. Com as repetidas substituições de rolamentos aumentando os custos de manutenção e causando perdas de produção não planejadas, o gerente de engenharia da fábrica iniciou uma análise comparativa de preços. acoplamento de engrenagem fornecedores antes da reinicialização da máquina.
A Ever Power foi contatada por meio da consultoria de engenharia parceira da usina no Reino Unido. Após analisar os desenhos de instalação, as condições de operação e a documentação do histórico de falhas, a equipe de engenharia de aplicação da Ever Power propôs uma série de acoplamentos de substituição projetados especificamente para essa finalidade, incorporando uma vedação labiríntica de três estágios com um sulco de drenagem central, uma cavidade de graxa preenchida com nitrogênio e graxa de complexo de lítio com classificação de 130 °C, e um retentor de manga de aço inoxidável para evitar corrosão galvânica na interface aço-ferro fundido. A proposta incluiu referências cruzadas dimensionais com as dimensões do eixo de saída da caixa de engrenagens e do munhão do rolo existentes, confirmando a intercambialidade direta sem qualquer modificação nas máquinas conectadas.
O programa de substituição abrangeu vinte e quatro posições de acoplamento da seção de secagem, instaladas durante uma parada programada de oito dias para manutenção. Uma análise de vibração subsequente, realizada três meses após a instalação, confirmou que os níveis de desbalanceamento residual em todas as posições de acoplamento estavam dentro das tolerâncias G2.5, e a amostragem da graxa realizada a cada seis meses não apresentou evidências de contaminação por água ou degradação. Ao completar doze meses da instalação, a fábrica não registrou nenhuma intervenção de manutenção relacionada aos acoplamentos — uma reversão completa do padrão de falhas anterior, que havia gerado quatro paradas não planejadas no ano anterior. O gerente de manutenção estimou que a perda de produção evitada, por si só, representou um retorno superior a três vezes o custo do programa de substituição dos acoplamentos, antes de considerar a redução do estoque de peças de reposição e a economia com mão de obra de manutenção.
“Os acoplamentos da seção de secagem da Ever Power transformaram completamente nosso perfil de manutenção. Passamos de quatro paradas não planejadas em um ano para zero em doze meses. O design de vedação em três estágios é genuinamente superior a qualquer outro que tenhamos testado nesta máquina — e a intercambialidade dimensional significou que pudemos trocar todas as vinte e quatro posições dentro do nosso prazo de oito dias sem nenhuma complicação inesperada.”
“O suporte técnico da Ever Power antes da realização do pedido foi excepcionalmente completo. O engenheiro de aplicações analisou nosso histórico de falhas, identificou a causa raiz — que nosso fornecedor anterior nunca havia investigado adequadamente — e propôs uma solução de engenharia específica, em vez de simplesmente oferecer um produto padrão. Esse nível de envolvimento é raro por parte de um fabricante de acoplamentos e nos transmitiu genuína confiança na especificação.”
“Os níveis de vibração na nossa seção de secagem diminuíram consideravelmente desde a instalação dos acoplamentos Ever Power. Nossa equipe de monitoramento de condição registrou uma redução sustentada nos valores RMS da velocidade dos rolamentos da secadora em todo o grupo, exatamente o que esperávamos de um conjunto de acoplamentos balanceados G2.5. Na amostra de graxa coletada após seis meses, não havia qualquer contaminação — exatamente o resultado que o projeto da vedação prometeu e entregou.”
Perguntas frequentes
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