Estudo de caso: Otimização da montagem e desmontagem de rolamentos utilizando a tecnologia de aquecimento por indução
Resumo executivo
Este estudo de caso examina como a fábrica da Volvo Construction Equipment em Eskilstuna, Suécia, implementou um sistema de aquecimento por indução para otimizar os seus processos de montagem e desmontagem de rolamentos. A transição dos métodos tradicionais de aquecimento por chama para a tecnologia de indução de precisão resultou numa redução de 68% no tempo de montagem, numa poupança de energia de 42% e praticamente eliminou os danos nos rolamentos durante a instalação. O projeto alcançou o ROI em 9,3 meses e melhorou significativamente os indicadores de qualidade da produção.
Antecedentes
Perfil da empresa
A Volvo Construction Equipment (Volvo CE) produz componentes de maquinaria pesada que requerem ajustes precisos dos rolamentos para um desempenho e durabilidade óptimos. As suas instalações em Eskilstuna são especializadas em conjuntos de transmissão para carregadoras de rodas e camiões articulados.
Desafio
Antes da implementação, a Volvo CE utilizava os seguintes métodos de instalação de rolamentos:
- Aquecimento por chama de gás para rolamentos de grandes dimensões
- Banhos de óleo para rolamentos médios
- Prensagem mecânica para componentes mais pequenos
Estes métodos apresentavam vários desafios:
- Aquecimento inconsistente que leva a variações dimensionais
- Riscos para a segurança no local de trabalho devido a chamas abertas e óleo quente
- Preocupações ambientais decorrentes da eliminação de petróleo
- Danos frequentes nos rolamentos durante a instalação
- Ciclos de aquecimento prolongados com impacto no fluxo de produção
Implementação do sistema de aquecimento por indução
Seleção e especificações do sistema
Depois de avaliar vários fornecedores, a Volvo CE selecionou um sistema EFD Induction MINAC 18/25 com as seguintes especificações:
Tabela 1: Especificações do sistema de aquecimento por indução
| Parâmetro | Especificação | Notas |
|---|---|---|
| Modelo | MINAC 18/25 | Aquecedor de indução móvel |
| Potência de saída | 18 kW | Frequência variável |
| Tensão de entrada | 400V, trifásico | Compatível com o fornecimento de fábrica |
| Gama de frequências | 10-40 kHz | Optimizado automaticamente |
| Ciclo de trabalho | 100% @ 18 kW | Capacidade de funcionamento contínuo |
| Sistema de arrefecimento | Arrefecimento por água | Refrigerador de circuito fechado |
| Interface de controlo | PLC com ecrã tátil | Controlo da temperatura e do tempo |
| Gama de temperaturas | 20-350°C | Controlo de precisão ±3°C |
| Serpentinas de aquecimento | 5 intercambiáveis | Dimensionado para a gama de rolamentos |
| Monitorização da temperatura | Pirómetro de infravermelhos | Medição sem contacto |
Implementação do processo
A aplicação centrou-se em rolamentos utilizados em conjuntos de caixas de velocidades com as seguintes caraterísticas:
Tabela 2: Especificações de rolamentos na aplicação
| Tipo de rolamento | Diâmetro interior (mm) | Diâmetro exterior (mm) | Peso (kg) | Ajuste de interferência (μm) | Expansão necessária (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Rolo Cilíndrico | 110 | 170 | 4.2 | 40-60 | 0.12-0.18 |
| Rolo esférico | 150 | 225 | 8.7 | 50-75 | 0.15-0.23 |
| Contacto angular | 85 | 130 | 2.1 | 30-45 | 0.09-0.14 |
| Rolo cónico | 120 | 180 | 5.3 | 45-65 | 0.14-0.20 |
| Esfera de ranhura profunda | 95 | 145 | 2.8 | 25-40 | 0.08-0.12 |
Recolha e análise de dados
Análise do perfil de aquecimento
Os engenheiros desenvolveram perfis de aquecimento optimizados para cada tipo de rolamento:
Tabela 3: Perfis de aquecimento optimizados
| Tipo de rolamento | Temp. alvo (°C) | Taxa de rampa (°C/s) | Tempo de retenção (s) | Ciclo total (s) | Definição da potência (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Rolo Cilíndrico | 120 | 4.0 | 15 | 45 | 65 |
| Rolo esférico | 130 | 3.5 | 25 | 62 | 80 |
| Contacto angular | 110 | 4.5 | 10 | 35 | 55 |
| Rolo cónico | 125 | 3.8 | 20 | 53 | 70 |
| Esfera de ranhura profunda | 105 | 5.0 | 8 | 29 | 50 |
Análise comparativa de processos
Foi efectuada uma comparação direta entre os métodos tradicionais e aquecimento por indução:
Tabela 4: Resultados da comparação de processos
| Métrica | Aquecimento por chama | Banho de óleo | Aquecimento por indução | Melhoria vs. Chama | Melhoramento vs. Banho de óleo |
|---|---|---|---|---|---|
| Tempo médio de aquecimento (min) | 12.5 | 18.2 | 4.0 | 68% | 78% |
| Variação de temperatura (°C) | ±15 | ±8 | ±3 | 80% | 63% |
| Consumo de energia (kWh/rolamento) | 3.8 | 5.2 | 2.2 | 42% | 58% |
| Taxa de danos na chumaceira (%) | 4.2% | 2.1% | 0.3% | 93% | 86% |
| Horas de trabalho (por 100 rolamentos) | 25 | 30 | 12 | 52% | 60% |
| Tempo de configuração/troca (min) | 35 | 45 | 8 | 77% | 82% |
Análise do impacto na qualidade
A implementação melhorou significativamente as métricas de qualidade da montagem:
Tabela 5: Métricas de qualidade antes e depois da implementação
| Métrica de qualidade | Antes da implementação | Após a implementação | Melhoria |
|---|---|---|---|
| Precisão dimensional Desvio (μm) | 22 | 7 | 68% |
| Deslocação da chumaceira (μm) | 18 | 6 | 67% |
| Falhas precoces de rolamentos (por 1000) | 5.8 | 1.2 | 79% |
| Taxa de retrabalho de montagem (%) | 3.2% | 0.7% | 78% |
| Rendimento à primeira passagem (%) | 94.3% | 99.1% | 5.1% |
Análise do ROI
Quadro 6: Análise do impacto financeiro
| Fator custo/benefício | Valor anual (USD) |
|---|---|
| Investimento em equipamento | $87,500 (uma única vez) |
| Instalação e formação | $12,300 (uma única vez) |
| Redução dos custos de energia | $18,400 |
| Poupança de custos de mão de obra | $42,600 |
| Redução de refugo/trabalho | $31,200 |
| Custos de manutenção | $4,800 |
| Benefício anual líquido | $87,400 |
| Período de retorno do investimento | 9,3 meses |
| ROI a 5 anos | 432% |
Pormenores de implementação técnica
Otimização do design da bobina
Foram concebidas bobinas personalizadas para diferentes famílias de rolamentos:
Tabela 7: Especificações de conceção da bobina
| Tipo de bobina | Diâmetro interior (mm) | Comprimento (mm) | Voltas | Bitola do fio (mm) | Alcance do rolamento do alvo (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Tipo A | 180 | 50 | 6 | 8 | 140-190 OD |
| Tipo B | 230 | 60 | 8 | 10 | 190-240 OD |
| Tipo C | 140 | 40 | 5 | 6 | 110-150 OD |
| Tipo D | 290 | 75 | 10 | 12 | 240-300 OD |
| Universal (ajustável) | 180-320 | 60 | 8 | 10 | Urgência/especialidade |
Parâmetros de controlo da temperatura
O sistema utilizou algoritmos avançados de controlo da temperatura:
Quadro 8: Parâmetros de controlo da temperatura
| Parâmetro de controlo | Definição | Função |
|---|---|---|
| Banda proporcional PID | 12% | Sensibilidade da resposta |
| Tempo integral do PID | 0.8s | Taxa de correção de erros |
| Tempo derivativo do PID | 0.15s | Resposta à taxa de variação |
| Limitação de potência | 85% | Evita o sobreaquecimento |
| Taxa de amostragem da temperatura | 10 Hz | Frequência de medição |
| Distância do pirómetro | 150 mm | Posição de medição óptima |
| Definição da emissividade | 0.82 | Calibrado para aço para rolamentos |
| Limiar de alarme de temperatura | +15°C | Proteção contra sobreaquecimento |
| Precisão do controlo | ±3°C | Dentro da gama operacional |
Otimização do processo de desmontagem
O sistema também foi utilizado para a remoção de rolamentos com estes parâmetros:
Tabela 9: Parâmetros do processo de desmontagem
| Tipo de rolamento | Temp. alvo (°C) | Tempo de ciclo (s) | Definição da potência (%) | Necessidade de ferramentas especiais |
|---|---|---|---|---|
| Rolo Cilíndrico | 130 | 50 | 75 | Placa de extração |
| Rolo esférico | 140 | 70 | 85 | Extrator hidráulico |
| Contacto angular | 120 | 40 | 65 | Extrator standard |
| Rolo cónico | 135 | 60 | 80 | Adaptadores cónicos |
| Esfera de ranhura profunda | 115 | 35 | 60 | Extrator standard |
Lições aprendidas e melhores práticas
- Monitorização da temperatura: A medição por infravermelhos sem contacto revelou-se mais fiável do que os termopares de contacto.
- Design da bobina: As bobinas específicas para rolamentos melhoraram a eficiência em relação aos modelos universais.
- Formação de operadores: A formação abrangente reduziu a variação do processo em 67%.
- Manuseamento de materiais: Os acessórios personalizados reduziram o manuseamento dos rolamentos e melhoraram a segurança.
- Documentação do processo: Instruções de trabalho pormenorizadas com guias visuais melhoram a coerência.
Conclusão
A implementação de tecnologia de aquecimento por indução nas instalações da Volvo CE em Eskilstuna transformaram os seus processos de montagem e desmontagem de rolamentos. O controlo preciso da temperatura, a redução dos tempos de ciclo e o aumento da segurança resultaram em melhorias significativas na qualidade e na redução de custos. Desde então, a tecnologia foi implementada em várias instalações da Volvo CE em todo o mundo, com resultados positivos semelhantes.
Os dados demonstram claramente que a tecnologia de aquecimento por indução oferece um desempenho superior para a instalação e remoção de rolamentos em comparação com os métodos tradicionais, com melhorias quantificáveis no controlo do processo, na eficiência energética e na qualidade do produto.