Guia de Engenharia para Cálculos de Polias de Transportadores de Correia em Mineração

Visão geral das funções das polias de transportador

As polias de transporte são componentes operacionais fundamentais em um sistema de transportador de correia. Dependendo de sua localização e integração ao sistema, elas realizam operações essenciais, incluindo o acionamento da correia, a manutenção da tensão estrutural da correia e a alteração da direção linear da correia transportadora.

Esses componentes são classificados, de maneira geral, em polias motrizes, polias tensionadoras, polias motorizadas, polias de curva e polias de amortecimento. Para evitar riscos operacionais e otimizar o desempenho, a superfície ou “invólucro” de uma polia é configurada com um dos três acabamentos principais:

• Acabamento em aço liso (sem revestimento): Utilizado principalmente em sistemas de baixa potência que operam em ambientes secos e controlados, com umidade mínima.
• Acabamento do revestimento de borracha: Utilizado em ambientes úmidos ou molhados onde é necessária uma alta transmissão de potência. Esse acabamento evita o deslizamento da correia, proporcionando um alto coeficiente de atrito.
• Acabamento em borracha moldada: Oferece durabilidade máxima e resistência ao deslizamento em operações de alta exigência.

Classificações técnicas e construção do sistema

As polias de transportador são projetadas para se adequarem a zonas funcionais específicas ao longo do circuito do transportador. Os principais tipos industriais são detalhados a seguir:

1. Polias motorizadas (tambores elétricos)

Uma polia motorizada integra o motor elétrico, o redutor mecânico de alta velocidade e o invólucro da polia motriz em um único compartimento vedado. Esse projeto compacto atua simultaneamente como fonte de energia e como rolo direcional para a correia transportadora.

Devido ao seu layout interno totalmente fechado, o conjunto apresenta uma estrutura compacta, baixo peso total, alto desempenho de vedação e procedimentos de instalação simplificados.

2. Polias de acionamento padrão

A polia motriz é o principal componente que transfere o torque mecânico do sistema de acionamento do motor para a correia transportadora em movimento. Para evitar o deslizamento, essas polias possuem uma camada de revestimento de borracha fundida ou poliuretano, usinada com padrões de ranhuras especializados, que auxiliam na remoção de sujeira, água e material solto.

3. Polias de curvatura e de restrição

• Polias de curvatura: Essas unidades redirecionam o laço da correia de retorno para formar um circuito fechado contínuo, servindo frequentemente como polia de cauda ou integrando-se diretamente aos sistemas de tensão por gravidade. As polias que entram em contato com o lado limpo e não operacional da correia costumam utilizar revestimento de borracha lisa. Como a borracha é flexível e possui baixa condutividade térmica, ela impede que o carvão ou o minério úmido congelem na carcaça durante o inverno, reduzindo os erros de alinhamento da correia e o desgaste estrutural.
• Polias de ponta: Elas têm estrutura idêntica à das polias curvas, mas apresentam um diâmetro menor. São instaladas próximas à polia motriz para aumentar mecanicamente o ângulo de envolvimento do contato.

4. Polias especializadas para descarga de escória

Projetada especificamente para sistemas de manuseio de materiais propensos ao acúmulo de detritos. O corpo da polia possui ranhuras axiais paralelas.

Quando materiais a granel dispersos entram no trajeto da correia de retorno e chegam à interface da polia, eles caem por essas ranhuras axiais para o interior do tambor. O interior da polia contém uma estrutura de cone duplo que é mais larga no centro e se estreita em direção às extremidades. O material interno desliza ao longo dessas superfícies cônicas e sai pelas aberturas de descarga nas extremidades da polia, impedindo que detritos danifiquem a correia.

5. Polias magnéticas

As polias magnéticas possuem um núcleo integrado, que pode ser permanente ou eletromagnético. Elas são utilizadas para separar minérios de ferro magnéticos da rocha estéril após a britagem, remover contaminantes de ferro das linhas de processamento de argila cerâmica e extrair fragmentos de ferro do carvão ou da areia de fundição, a fim de proteger os equipamentos a jusante.

Matriz comparativa de polias

A matriz a seguir resume as aplicações operacionais, os acabamentos de superfície e as principais características das polias industriais padrão:

Princípios de projeto técnico e critérios antiderrapantes

Para que uma correia transportadora funcione de maneira confiável, a força motriz mecânica deve superar a resistência estrutural do circuito por meio do atrito de interface. Se esse atrito for insuficiente, a polia motriz gira dentro de uma correia parada, causando grave desgaste por atrito térmico ou incêndios no sistema.

Para eliminar completamente o deslizamento, o projeto do sistema deve satisfazer a relação fundamental de atrito de Euler:

$$F_{max} \le F_2 \cdot e^{\mu\theta}$$

Onde:

• $F_{max}$ = Tensão máxima da correia no lado mais apertado antes que ocorra deslizamento ($\text{N}$)
• $F_2$ = Tensão de folga no lado solto proporcionada pelo sistema de tensionamento ($\text{N}$)
• $e$ = Base do logaritmo natural ($ ≈ 2,718$)
• $\mu$ = Coeficiente de atrito entre o revestimento do corpo da polia e o substrato da correia (adimensional)
• $\theta$ = Ângulo de envolvimento da correia em torno da polia motriz ($\text{rad}$)

Para manter uma margem operacional segura, os engenheiros devem otimizar três parâmetros específicos de projeto:

1. Otimização do ângulo de envolvimento do contato ($\theta$)

Quando as restrições de layout limitam o atrito de acionamento, as polias de compensação são posicionadas de forma a aumentar o ângulo de envolvimento da correia em torno da polia motriz. O ângulo de envolvimento padrão exigido para aplicações industriais de acionamento varia entre $200^\circ \text{ e } 240^\circ$ ($3,49 \text{ a } 4,19 \text{ rad}$).

2. Seleção do coeficiente de atrito ($\mu$)

A escolha do acabamento da superfície da polia determina diretamente a força de tração disponível. A tabela abaixo apresenta os coeficientes de atrito padrão para projetos industriais em diversas condições ambientais:

3. Orientação estrutural das ranhuras em forma de chevron

O revestimento com ranhuras em forma de chevron ou espinha de peixe apresenta uma direção operacional específica e é restrito a transportadores unidirecionais.

Durante a instalação, a ponta em forma de chevron deve estar voltada na mesma direção do deslocamento da correia. Essa orientação gera uma componente de força axial voltada para fora ao longo da face da polia, o que tensiona a correia para fora, em direção às bordas, e força a lama, a poeira e a água a saírem pelas ranhuras.

Se instalado ao contrário, as forças resultantes empurram os detritos em direção ao eixo central da correia, causando uma folga em forma de cavidade sob a linha central da correia, o que reduz a tração e provoca erros de alinhamento. Para transportadores reversíveis, deve-se utilizar, em vez disso, um revestimento com padrão em losango.

Fórmulas e cálculos de engenharia técnica

Ao determinar a distribuição de carga nas polias e os limites de tração, os engenheiros utilizam relações empíricas para calcular a tensão mínima no lado frouxo necessária para transmitir potência sem deslizamento.

1. Força motriz transmissível (Relação de Euler)

A força motriz líquida ($F_U$) que uma polia pode transmitir à correia é definida pelo diferencial de tensão entre os lados tensionado e frouxo:

$$F_U = F_1 – F_2$$

Para garantir um funcionamento sem deslizamento sob o torque máximo do motor, a tensão mínima necessária no lado frouxo ($F_{2,min}$) é calculada utilizando a seguinte fórmula:

$$F_{2,min} \ge F_U \cdot \frac{1}{e^{\mu\theta} – 1}$$

Onde:

• $F_{2,min}$ = Tensão mínima necessária no lado de folga da estrutura ($\text{N}$)
• $F_U$ = Força motriz periférica líquida necessária para mover a carga ($\text{N}$)
• $\mu$ = Coeficiente de atrito com base na escolha do revestimento da polia (por exemplo, $0,35$ para borracha úmida padrão)
• $\theta$ = Ângulo total de enrolamento ($\text{rad}$)

2. Cálculo da carga resultante no eixo da polia

A força vetorial total ($F_R$) que atua sobre o eixo da polia e os mancais devido à tensão da correia é determinada por meio da relação geométrica de enrolamento:

$$F_R = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 + 2F_1F_2\cos(\pi – \theta)}$$

Para disposições radiais simplificadas, nas quais as tensões apertadas e frouxas são aproximadamente paralelas (como, por exemplo, uma configuração padrão de curva de cauda $180^\circ$), essa relação se simplifica para:

$$F_R ≈ F_1 + F_2$$

Onde:

• $F_R$ = Força radial resultante total que atua sobre o conjunto da polia ($\text{N}$)
• $F_1$ = Tensão da correia de entrada no lado mais apertado ($\text{N}$)
• $F_2$ = Tensão da correia de saída no lado frouxo ($\text{N}$)
• $\theta$ = Ângulo de enrolamento da polia ($\text{rad}$)

Referências e fontes de dados

• [1] Manual dos Engenheiros Mecânicos, Coeficientes de atrito e critérios de projeto para conjuntos de máquinas de manuseio de materiais a granel, Industrial Systems Press.