AnÁlise de defeitos em sistemas mecÂnicos rotativos
Clastow
Clastow27 de Outubro de 2015

AnÁlise de defeitos em sistemas mecÂnicos rotativos

PDF (3 MB)
130 páginas
580Número de visitas
Descrição
Análise de defeitos em sistemas mecânicos rotativos
20pontos
Pontos de download necessários para baixar
este documento
baixar o documento
Pré-visualização3 páginas / 130
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 130 pages
baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 130 pages
baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 130 pages
baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 130 pages
baixar o documento
capa-a.PDF

ANÁLISE DE DEFEITOS EM SISTEMAS MECÂNICOS ROTATIVOS A PARTIR

DA MONITORAÇÃO DE VIBRAÇÕES

Maurício Sanches Garcia

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS

PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM

ENGENHARIA MECÂNICA.

Aprovada por: Prof. Marcelo Amorim Savi, D.Sc. Prof. Moysés Zindeluk, D.Sc. Prof. Pedro Manuel Calas Lopes Pacheco, D.Sc. Prof. Sylvio José Ribeiro de Oliveira, Dr. Ing.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

JUNHO DE 2005

ii

GARCIA, MAURICIO SANCHES

Análise de Defeitos em Sistemas Mecânicos

Rotativos a partir da Monitoração de Vibrações [Rio

de Janeiro] 2005

X, 119 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,

Engenharia Mecânica, 2005)

Tese – Universidade Federal do Rio de Janeiro,

COPPE

1. Vibração Mecânica

2. Normas Técnicas

3. Caos

I. COPPE/UFRJ II. Título (Série)

iii

À minha Esposa Maria Marta.

Aos meus Filhos Thiago, Lucas e Daniel,

como exemplo de dedicação e perseverança.

iv

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador, Professor Marcelo Amorim Savi, que pacientemente, orientou e

direcionou minha pesquisa, não permitindo que eu perdesse o foco deste trabalho, pelas suas

cuidadosas revisões, inclusive durante o seu período de férias, pelas frutíferas reuniões de

trabalho e por sua valiosa amizade.

Ao Professor Sylvio José Ribeiro de Oliveira, por seus ensinamentos, por seus

conselhos, pela forma amigável que sempre me incentivou e encorajou nesta caminhada.

Ao Professor Moysés Zindeluk, pelos livros e artigos que me emprestou ao longo

destes anos e por suas aulas, que ficaram gravadas na minha lembrança.

Ao Professor Ripper, pelas conversas, aconselhamentos e pelo material didático que

gentilmente me emprestou e pelos ensinamentos que me deu.

Ao Doutorando Pedro Lisboa, por ter me apresentado aos mestres da Mecânica e aos

amigos do Laboratório, pelos incontáveis auxílios e conselhos.

Ao Engenheiro e Mestre Celso Di Domênico, pelas informações fornecidas, pela sua

disponibilidade incondicional em me auxiliar, inclusive tomando medidas em Laboratório e por

sempre ter me motivado e encorajado nesta jornada.

Ao Engenheiro Anderson Pessoa de Souza, por sua ajuda nas medições do aparato

experimental no Laboratório.

Ao amigo do Laboratório de Acústica e Vibrações, Miguel Michalski pelo auxílio e

colaboração na bancada de teste de rotores. Ao amigo Guilherme que tornou viável a

utilização do pacote TISEAN, como ferramenta de análise não-linear, por sua paciência e

amizade.

Aos Professores de todas as disciplinas que tive o prazer de cursar, desde o primeiro

período de 2003, especialmente o professor Belchior (do Programa de Engenharia Naval e

Oceânica), pelos preciosos ensinamentos que me providenciaram.

Ao Professor Pedro Manuel Calas Lopes Pacheco (CEFET/RJ), por ter aceitado o

convite para fazer parte da banca examinadora.

Às senhoras Vera, Maysa, ao senhor Renato e demais funcionários da Secretaria do

Programa de Engenharia Mecânica, pelo apoio administrativo e por um atendimento

invariavelmente com bom humor.

v

Aos amigos do Arsenal de Marinha do Rio de Janeiro, que “seguraram a barra”

enquanto eu estava cursando na COPPE, principalmente, aos oficiais engenheiros, Expedito,

Carlos Alexandre e Miracca, por todo apoio dado, pelos grupos de estudo e por terem me

ajudado “a entrar no trem-bala, a 200 Km/h”, após 16 anos de formado em engenharia.

Ao engenheiro Décio, por seu apoio, incentivo, e por sua amizade

Aos meus chefes imediatos do Arsenal de Marinha do Rio de Janeiro, pelo suporte

administrativo e apoio incondicional.

À minha mulher, Maria Marta, por sempre ter me apoiado em todas as minhas

iniciativas e por nunca ter reclamado dos meus momentos de nervosismo e ausência. Aos

meus filhos, Lucas, Thiago e Daniel, pelos ditados, pelo carinho, e pela compreensão que

papai tinha que estudar....

A minha mãe Neide, que sempre teve uma palavra de conforto e otimismo, mesmo nas

situações mais difíceis. Ao meu pai Mauro, que me apresentou à Engenharia Mecânica

quando ainda era criança, me levando à fábrica onde trabalhava, nos sábados e me dando o

meu primeiro emprego, em engenharia, em 1984.

A todos os que, direta ou indiretamente, contribuíram de alguma forma para que eu

chegasse até aqui, e que posso estar esquecendo, mas que nem por isso deixaram de “colocar

um tijolo no muro”.

Ao Senhor Deus, sem o qual nada seria possível, por ter colocado em meu caminho

pessoas boas, que tanto contribuíram para o meu crescimento pessoal e profissional.

vi

Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a

obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

ANÁLISE DE DEFEITOS EM SISTEMAS MECÂNICOS ROTATIVOS A PARTIR DA

MONITORAÇÃO DE VIBRAÇÕES

Maurício Sanches Garcia

Junho /2005

Orientador: Marcelo Amorim Savi

Programa: Engenharia Mecânica

A monitoração de processos industriais e equipamentos é uma parte essencial da

manutenção, estando diretamente relacionada com as indústrias mais competitivas. A

monitoração da vibração tem sido largamente utilizada em diferentes situações e, em especial,

na monitoração de máquinas rotativas.

O presente trabalho analisa os sinais obtidos de um rotor em um aparato experimental,

preparado para simular quatro situações:1 - Máquina nova; 2 - Máquina nova desbalanceada;

3 –Máquina com vida média; 4 – Máquina necessitando de reparo imediato. Basicamente,

cada condição é caracterizada por uma massa desbalanceada e, também, por diferentes

folgas dadas no mancal de rolamento. A monitoração da vibração é aplicada a estas

situações, estabelecendo assinatura própria no domínio do tempo e da freqüência. Além

disso, com o objetivo de utilizar ferramentas não-lineares para identificar sinais característicos,

os Expoentes de Lyapunov são empregados para avaliar a presença de caos nos sinais

vii

experimentais. Posteriormente, os conceitos apresentados são aplicados na monitoração da

vibração de um diesel gerador em um navio da Marinha do Brasil.

viii

Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for

the degree of Master of Science (M.Sc.)

ANALYSIS OF ROTOR DYNAMICS DEFECTS USING VIBRATION BASED

MONITORING

Maurício Sanches Garcia

June /2005

Advisor: Marcelo Amorim Savi

Department: Mechanical Engineering

The monitoring of industrial processes and equipments is an essential part of

maintenance, being directly related to more competitive manufacturing. The vibration based

technology has been largely employed in different situation and, in special, in monitoring of

rotating machinery.

This work analyzes signals of a rotor dynamics experimental apparatus, simulating four

situations: 1– New machine; 2 – New machine, unbalanced; 3 – Middle age machine; 4 –

Machine with severe problem. Basically, each of these conditions is characterized by

unbalanced mass and also different gaps on ball bearings. Vibration based monitoring is

applied to these situations, establishing proper signatures in frequency and time domain.

Moreover, in order to use nonlinear tools to identify signature characteristics, Lyapunov

exponents are employed in order to evaluate the presence of chaos in the signals. After, the

concepts showed are applied on vibration based monitoring of a diesel-motor of a Brazilian

Navy ship.

viii

ÍNDICE

Capítulo 1 –Introdução

1.1 Objetivos do Trabalho........................................................................................ 04

1.2 Desenvolvimento da análise da dinâmica de rotores............................................. 06

1.2.1 O fenômeno do desbalanceamento............................................................09

1.2.2 Efeito da folga em mancais........................................................................10

1.2.3 Caos em mancais de rolamento.................................................................11

1.3 Apresentação dos Capítulos ............................................................................... 12

Capítulo 2 – Normas Técnicas

2.1 Normas Técnicas aplicáveis................................................................................ 14

2.2 Definições dos termos adotados ......................................................................... 18

2.3 Orientação para avaliação da severidade da vibração.......................................... 19

2.3.1 Tipos de bases utilizadas durante os testes de máquinas................................ 20

2.3.2 Pontos de medição ..................................................................................... 21

2.3.3 Condições operacionais durante o teste ...................................................... 23

2.4 Escala para avaliação da intensidade da vibração................................................ 23

2.5 Critérios para avaliação de tipos específicos de máquinas.................................... 25

2.6 Avaliação das faixas........................................................................................... 28

2.7 Comentário sobre monitoração de vibração em maquinas...................... ...... 28

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

3.1 Aparato experimental ......................................................................................... 30

3.2 Simulação dos defeitos....................................................................................... 35

3.2.1 Operação de desgaste............................................................................... 35

3.3 Identificação dos parâmetros........................................................................... 37

ix

3.3.1 Freqüências Naturais do sistema ............................................................38

3.3.2 Freqüências características de defeitos em rolamento ............................ 39

3.4 Análise dos resultados........................................................................................ 40

3.4.1 Situação 1 – Máquina nova........................................................................41

3.4.2 Situação 2 – Máquina nova desbalanceada....................... ...................... 49

3.4.3 Situação 3 – Máquina com vida média.....................................................55

3.4.4 Situação 4 – Máquina precisando de reparo imediato..............................61

3.5 Evolução e detecção da vibração causada por rolamento................................69

Capítulo 4 – Análise dos Resultados de Laboratório

4.1 Critérios de Avaliação recomendados pelas Normas Aplicáveis ........................... 71

4.2 Aplicação das Normas Técnicas........................................................................73

Capítulo 5 – Caos nos Resultados Experimentais

5.1 Considerações sobre os Expoentes de Lyapunov................................................ 75

5.2 Aplicando o Expoente para um sinal experimental..........................................77

5.2.1 Situação 1 – Máquina nova........................................................................78

5.2.2 Situação 2 – Máquina nova desbalanceada............................................... 80

5.2.3 Situação 3 – Máquina com vida média..................................................... 81

5.2.4 Situação 4 – Máquina precisando de reparo imediato............................. 83

5.3 Considerações sobre os resultados....................................................................84

Capítulo 6 – Monitoração como Ferramenta de Manutenção

6.1 Parâmetros utilizados na monitoração ................................................................. 86

6.2 Diagnóstico das avarias através da monitoração das vibrações ............................ 87

x

Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões

7.1 Sugestões........................................................................................................... 94

Apêndice A – Identificação das Freqüências Características de

defeitos no

rolamento...................................................................................100

Apêndice B – Descrição do

equipamento...........................................107

Referências

Bibliográficas..................................................................115

1

Capítulo 1 – Introdução

A manutenção ainda encontra um espaço representativo nos custos das grandes

corporações industriais e por este motivo é tema de constante pesquisa para melhorar a

sua eficiência e minimizar sua participação neste quadro, agregando tecnologia de ponta

à sua área de atuação. Por definição, manutenção é “o ato ou efeito de manter” ou “o

dispêndio com a conservação de alguma coisa”. Existem diversas estratégias no

gerenciamento da manutenção que dependem do grau de importância dos equipamentos

dentro da linha de produção e dos custos envolvidos, tanto na execução dos serviços de

manutenção como na substituição dos equipamentos. Pode-se afirmar que atualmente

são quatro as práticas de manutenção: a reativa ou à demanda, a preventiva, a preditiva

e a proativa ou “manutenção otimizada”. Existem algumas divergências conceituais na

definição de cada um dos tipos citados, entretanto pode-se dizer de uma maneira geral,

que a manutenção preditiva é a que atualmente possui maior enfoque.

O objetivo da manutenção preditiva é eliminar as falhas nos equipamentos através

da monitoração das condições de operação destas máquinas, detectar os problemas

ainda numa fase incipiente, prever qual a vida útil remanescente e programar os reparos

necessários, antes que a falha cause uma interrupção do funcionamento da máquina.

Existem vários parâmetros que podem ser monitorados: geração de calor,

avaliação de performance, análise dos lubrificantes, redução dimensional de superfícies

de contato, dentre outras. No entanto, a técnica mais difundida é a monitoração da

vibração.

Na monitoração das condições de uma máquina, a maior atenção é geralmente

dada para a monitoração das condições dos mancais, por serem os componentes mais

comuns, possuírem uma vida de trabalho finita e falharem por fadiga [1]. Com

freqüência, os mancais estão sujeitos a abusos e falham mais freqüentemente que outros

componentes.

Os dois tipos de mancais mais usados nos equipamentos industriais são os

mancais de rolamento e os de deslizamento. Como regra geral, os mancais de

deslizamento apresentam menores níveis de vibração, que os mancais de rolamento. O

principal mecanismo de ruído e vibração para um mancal de rolamento é o processo de

impacto entre os elementos rolantes e as pistas do mancal. Por outro lado, o mecanismo

principal de ruído e vibração para os mancais de deslizamento é o atrito que ocorre

Capítulo 1 – Introdução

2

quando a lubrificação é inadequada ou imprópria. Nesta situação o filme de óleo do

mancal pode se romper produzindo uma excitação conhecida como “stick – slip”, o que

envolve o contato metal com metal de curta duração.

O mancal de rolamento é possivelmente o tipo mais comum utilizado na indústria.

O seu emprego é de grande importância no desenvolvimento das máquinas rotativas e

sua falha resulta na paralisação dos equipamentos. Deste modo a monitoração dos

mancais de rolamentos está continuamente sendo pesquisada e desenvolvida.

Os problemas associados com a monitoração de rolamentos estão diretamente

associados à complexidade da máquina que eles suportam. Por exemplo, enquanto a

monitoração de turbogeradores e de motores elétricos é relativamente fácil, as condições

de monitoração de mancais de eixos principais de turbinas de aviação requerem

procedimentos mais sofisticados de processamento de sinal [1].

Os profissionais da área tecnológica reconhecem a importância dos rolamentos

para a indústria moderna, porém poucos são os que percebem a magnitude dos gastos

com a compra, substituição e armazenamento de rolamentos. De acordo com uma

grande indústria química, a manutenção é o maior custo controlável em uma planta

industrial se igualando, em certos casos, aos lucros líquidos anuais de operação [2].

Por outro lado, os rolamentos contribuem com mais de um quarto das falhas em

equipamentos mecânicos. Isto os coloca no primeiro lugar em importância dentre todos

os itens controláveis dos serviços de manutenção [2]. Isso sem citar o caso de Navios

Sonda de petróleo que possuem diversos equipamentos que utilizam rolamentos e cujo

custo do dia parado chega a duzentos e cinqüenta mil dólares [3].

Dentre todos os parâmetros que se podem monitorar nos equipamentos industriais,

sem dúvida os sinais de vibração são os mais usuais. Este fato se deve ao grande

número de máquinas rotativas e aos elevados índices de retorno que este tipo de

monitoração alcança. A aplicação sistemática de programas de monitoração de

vibrações em máquinas rotativas pode gerar, em grandes plantas, um retorno dez a

cinqüenta vezes o montante investido no primeiro ano de operação [2].

De modo geral, os sinais de vibração são adquiridos através de um acelerômetro

colocado junto ao mancal da máquina. Este sinal é lido e tratado analógica ou

digitalmente para posteriormente ser comparado com parâmetros preestabelecidos.

Existem várias técnicas de apresentação de sinal, dentre as quais a análise do espectro

de vibração é a mais utilizada. O problema deste tipo de análise consiste no

Capítulo 1 – Introdução

3

estabelecimento de parâmetros significativos e confiáveis para a criação de critérios de

diagnóstico. Neste contexto as Normas Técnicas aplicáveis no campo dos fenômenos

vibratórios estabelecem as condições adequadas de funcionamento, na ausência de

recomendações específicas do fabricante do equipamento para avaliação da

performance. Por exemplo, os programas comerciais (“softwares”) baseados em análise

de sinais de vibração, não são nada mais que rotinas que retiram dos sinais adquiridos

de componentes de máquinas, determinadas grandezas que, ao serem comparadas com

um banco de dados com valores padronizados, geralmente dentro dos limites

estabelecidos pelas Normas Técnicas, retornam uma mensagem de “status” ou alarme

ao usuário.

Os valores obtidos de programas computacionais devem ser muito bem ajustados,

tanto em amplitude quanto em freqüência para que não existam alarmes falsos, nem

falhas não detectadas. As freqüências características de falhas em rolamentos não

dependem apenas do conhecimento da rotação da máquina, uma vez que carregamentos

indevidos e o próprio desgaste dos rolamentos alteram a posição dos picos no espectro,

podendo induzir falsos diagnósticos. Além disso, o posicionamento dos acelerômetros,

orientações e distância do rolamento, sua fixação e as características de

transmissibilidade das máquinas introduzem distorções que também podem conduzir a

diagnósticos errados [4]. Neste sentido, as Normas Técnicas aplicáveis aos fenômenos

vibratórios vem corroborar recomendações quanto à fixação, posicionamento dos

acelerômetros e orientações quanto às direções das tomadas de medidas a fim de

minimizar os erros de diagnóstico por falhas de sistematização dos procedimentos de

tomadas de medidas. Destes fatos vem à necessidade de conhecer e interpretar as

Normas Técnicas aplicáveis.

Em suma, saber diagnosticar com precisão o estado do rolamento em máquinas

rotativas, dizer qual o tipo de falha que está se desenvolvendo e qual sua vida

remanescente é, atualmente, uma atividade que pode gerar economias consideráveis

para a indústria em geral.

Em linhas gerais, pode-se dizer que os defeitos em sistemas do tipo eixo-rotor-

mancal estão associados às não-linearidades. A folga no mancal proporciona uma

descontinuidade na rigidez. A relação entre carga e deslocamento, associada ao

problema, também possui características não-lineares, sendo diferente no processo de

carga e descarga.

Capítulo 1 – Introdução

4

Outra característica não-linear tem sua causa em deformações permanentes

devidas a irregularidades nas superfícies dos mancais.

A distribuição das deformações permanentes entre os elementos rolantes e o anel

do mancal é tal que, de modo geral, um terço ocorrem na esfera e dois terços no anel.

Antes de uma fratura se desenvolver em um dos corpos, a deformação permanente terá

assumido proporções consideráveis, e a monitoração das vibrações se tornará uma

poderosa ferramenta na manutenção preditiva.

1.1 Objetivos do trabalho

A análise de vibração é uma ferramenta poderosa de diagnóstico de problemas em

máquinas. Existem muitas maneiras de se obterem os dados de vibração e apresentá-los

para detectar e identificar os problemas específicos em máquinas rotativas.

De acordo com GEITNER E BLOCH [5], o procedimento de obter e apresentar

as amplitudes de vibração para todas as freqüências presentes, talvez seja a mais útil de

todas as técnicas de análise. Estima-se que 85% dos problemas que ocorrem em

máquinas rotativas possam ser identificados a partir da análise no domínio da

freqüência. Segundo VANCE [6], as freqüências presentes no sinal de vibração medido

constituem algumas das informações mais úteis obtidas para diagnosticar problemas da

dinâmica da rotação.

O desbalanceamento, o desalinhamento e a presença de mancais defeituosos são

as principais causas de vibrações indesejadas em rotores [6], de modo que grandes

amplitudes de vibração síncrona, isto é, na mesma freqüência que a rotação do eixo,

geralmente indicam um problema de desbalanceamento do rotor. O estado de

desbalanceamento ocorre quando o centro de massa de um sistema rotativo não coincide

com o centro geométrico. Porém, nem toda excitação do eixo é síncrona. Na realidade,

os problemas mais destrutivos da dinâmica da rotação envolvem movimentos não-

síncronos [5]. A instabilidade na dinâmica da rotação trata quase que exclusivamente de

excitações não-síncronas. Aliás, esta é uma característica da instabilidade em

turbomáquinas, pela excitação do sistema rotor-mancal em freqüências diferentes que a

velocidade de rotação do rotor. As causas da instabilidade na dinâmica da rotação não

estão associadas ao desbalanceamento do rotor, mas geralmente estão associadas com a

não-linearidade existente no mancal de rolamento.

Capítulo 1 – Introdução

5

A palavra instabilidade implica que o movimento pode tender a crescer

ilimitadamente e, de fato, isto ocorre algumas vezes com conseqüências destrutivas para

o equipamento. Por outro lado, excitações não-síncronas do rotor com amplitudes

aceitáveis (não destrutiva) são freqüentemente observadas e aceitas em turbomáquinas,

e podem permanecer por muito tempo na operação normal do equipamento. Estes casos

precisam ser continuamente monitorados pois uma pequena mudança nas condições de

operação ou folga da máquina pode desestabilizar o sistema e produzir um rápido

crescimento na amplitude de vibração.

Segundo THOMSON [7], os procedimentos analíticos para o tratamento das

equações diferenciais não-lineares são complicados e requerem um estudo matemático

mais profundo. Existem poucas soluções exatas conhecidas e grande parte do progresso

no conhecimento de sistemas não-lineares, (em sistemas não-lineares o relacionamento

entre a causa e o efeito não é proporcional), veio de aproximações, soluções gráficas e

simulações numéricas. A análise de sistemas não-lineares é um campo relativamente

novo em aplicações industriais e, em função disto, novas ferramentas de análise da

vibração devem ser desenvolvidas e empregadas.

O objetivo desta dissertação é discutir a detecção e o diagnóstico de falhas em

sistemas mecânicos rotativos através da análise espectral, com o estudo das variações na

amplitude dos sinais característicos de falhas introduzidas pela variação da condição do

rotor e pela folga do rolamento. Estes defeitos simulam o desgaste de funcionamento

usual em máquinas rotativas, apresentando os fenômenos vibratórios que ocorrem no

funcionamento de rotores apoiados em mancais de rolamento. Neste contexto,

simulam-se os defeitos mais comuns encontrados na dinâmica da rotação, a saber: o

desbalanceamento e a folga excessiva do mancal de rolamento. A dissertação mantém o

foco nos defeitos mais comuns que ocorrem em rotores de aplicação industrial, após

pesquisa de campo em grandes empresas da área.

Em linhas gerais, procede-se uma análise de sinais obtidos em bancada de teste de

rotores no Laboratório de Acústica e Vibrações da COPPE/UFRJ (LAVI), identificando

e caracterizando fenômenos vibratórios, com a utilização das ferramentas usuais de

análise de vibração. Esta análise baseia-se em normas técnicas pertinentes. Além disso,

com objetivo de melhor compreender as não-linearidades oriundas da utilização dos

mancais de rolamento com folga excessiva apresentam-se novas ferramentas de análise

Capítulo 1 – Introdução

6

de sinais de vibração, como os Expoentes de Lyapunov. Por fim, visando comprovar os

procedimentos de análise discutidos, eles são aplicados em um caso real ocorrido em

um motor gerador de um navio da Marinha do Brasil, envolvendo os defeitos simulados

no LAVI.

A bancada de teste foi desenvolvida no projeto final de graduação do Miguel

Michalski e Marcus Vinicius Diniz Abrantes, e posteriormente utilizada para a Tese de

Mestrado do Miguel Michalski. Outras pesquisas também foram, anteriormente,

desenvolvidas no LAVI, nesta área, como a de Charles Selassiel Silva de Matos em seu

“Estudos de efeitos dinâmicos induzidos por folga em mancais de rolamento em um

rotor vertical”.

O diagnóstico rápido do defeito e a análise confiável das causas são exigências do

mercado atual e há ainda muito neste campo a ser desenvolvido, pois envolve os

alicerces da indústria moderna, a alta utilização dos meios de produção aliada aos

baixos custos de manutenção, no qual máquinas como compressores, turbinas, motores

elétricos, bombas centrífugas e, após a crise energética de 2000-2001, motores

geradores são cada vez mais utilizados no processo produtivo.

1.2 Desenvolvimento da análise da dinâmica de rotores

A utilização de diversos equipamentos como compressores, bombas, motores,

turbinas e, consequentemente, a utilização de mancais cresceu bastante a partir de

meados do século 19. Acompanhando o aumento da velocidade de rotação das

máquinas, o interesse no desenvolvimento da teoria de mancais cresceu

consideravelmente [8]. Os usuários destas máquinas deparavam-se com grandes

amplitudes de vibrações em certas condições de carga e de velocidade, as quais

transmitiam grandes forças para a fundação e as partes componentes do sistema.

Em 1924, NEWKIRK [8] foi o primeiro a verificar um exemplo de instabilidade

em mancais de deslizamento. Ele demonstrou que dentro de certas combinações de

carga e velocidade, o centro do mancal não permanece fixo como previsto pela equação

de Reynolds para o estado de equilíbrio, mas gira nas redondezas da posição de

equilíbrio a uma velocidade, de aproximadamente, igual à metade da velocidade de

rotação. Este fenômeno foi chamado de “oil whirl”, que poderia ser traduzido como

turbilhonamento (bamboleio).

Capítulo 1 – Introdução

7

A fim de possibilitar a observação destes fenômenos vibracionais, MUSZYNKA

[9] utilizou um rotor simétrico apoiado em mancais de deslizamento. Este modelo

permitiu a obtenção de soluções analíticas e conclusões de como os diversos parâmetros

do sistema rotor-mancal afetam o comportamento dinâmico. Para tal, o rotor levemente

carregado e desbalanceado era suportado por mancais cilíndricos completamente

lubrificados. Nesta situação, os seguintes fenômenos foram observados: quando o rotor

inicia o seu movimento aumentando vagarosamente a velocidade, são observadas

vibrações síncronas causadas pelas forças de inércia do desbalanceamento do rotor. Em

baixas rotações, estas vibrações são estáveis e não trazem maiores conseqüências. Em

altas rotações, geralmente abaixo da primeira velocidade crítica do rotor, o

desbalanceamento não é a única vibração presente. Neste caso, pode-se verificar o “oil

whirl”, com a freqüência próxima à metade do valor da velocidade de rotação do rotor.

As amplitudes de vibração do “oil whirl” são, usualmente, maiores que as do

desbalanceamento. Entretanto, o turbilhonamento é limitado pela folga do mancal e as

forças não-lineares do fluido. A velocidade crítica pode ser definida como “a velocidade

na qual a resposta síncrona ao desbalanceamento é máxima”, isto é, quando uma

freqüência natural é excitada pelo desbalanceamento do rotor girando na velocidade de

rotação do eixo, a velocidade do eixo que coincide com a freqüência natural é chamada

de velocidade crítica.

Quando a velocidade de rotação do rotor atinge a primeira freqüência natural, o

turbilhonamento desaparece e é substituído pelo aumento da vibração síncrona

(desbalanceamento). Cada sistema rotor mancal tem um número discreto de freqüências

naturais de vibração. Associado a cada freqüência natural existe um modo de vibração,

que pode ser entendido como a deflexão do rotor no instante de máxima tensão durante

a vibração.

Neste exemplo, a força de amortecimento radial do fluido é a força dominante no

mancal, onde as forças de inércia são desprezíveis. Nos mancais de deslizamento onde

segundo SHIGLEY [10], ocorrem as lubrificações hidrodinâmica e hidrostática, a

mudança da geometria altera os coeficientes de rigidez e amortecimento do mancal. O

rotor é induzido a se movimentar acompanhando o fluido, de maneira a balancear os

fluxos de óleo internos ao mancal.

Ainda considerando mancais de deslizamento, KUMAR e MISHARA [11]

verificaram a estabilidade de mancais hidrodinâmicos sob o efeito do desgaste para

Capítulo 1 – Introdução

8

quatro relações de comprimento e diâmetro. Concluíram, primeiramente, que a

estabilidade diminui com o crescimento do desgaste até um dado valor. Se o desgaste

continuar a crescer além deste valor, é observada uma melhora na estabilidade. E ainda

que a estabilidade de mancais desgastados é sempre menor do que a de mancais bons

em baixas cargas, porém em altas cargas os mancais desgastados, com o parâmetro de

profundidade de desgaste maior que determinados valores, possuem maior estabilidade

que os mancais não desgastados e a estabilidade do rotor é alcançada.

De acordo com ZHOU E SHI [12] em seu estudo sobre o controle das vibrações

em máquinas rotativas, no modelo de Jeffcott, modelo que consiste de um disco

desbalanceado montado no meio de um eixo flexível de massa desprezível, apoiado nas

extremidades por dois mancais rigidamente suportados, o rotor foi modelado como um

disco rígido suportado por um eixo elástico, sem massa, que foi montado em mancais

rígidos. Este modelo é equivalente a um eixo rígido suportado por mancais elásticos. A

evolução deste modelo em relação ao modelo anterior (modelo do rotor planar), é que

no modelo de Jeffcott, o movimento do rotor é descrito pelo movimento do corpo rígido

em vez do movimento da partícula. Apesar do modelo de Jeffcott ser de um único corpo

rígido, ele pode mostrar os fenômenos básicos do movimento do rotor, incluindo a

precessão direta e retrógrada do rotor sobre a ação de forças desbalanceadas,

velocidades críticas, efeito giroscópio, entre outros.

Em 1972, RUHL e BOOKER [8] usaram o método dos elementos finitos para

estudar as características dinâmicas de uma turbina. Neste modelo, a energia cinética e a

flexão elástica foram consideradas. Os efeitos de inércia, giroscópio, a deformação

cisalhante, o torque axial, a carga axial e o amortecimento interno foram desprezados.

Diversos estudos foram realizados, até que em 1998, LALANNE e FERRARIS [13]

apresentaram, de modo didático, as equações do movimento para um rotor flexível com

a utilização de matrizes de coeficientes de massa, amortecimento e rigidez. As

dimensões destas matrizes são determinadas pelos números de módulos do modelo. Para

sistemas complexos, a ordem do sistema de matrizes é muito grande. Segundo WEBER

[14], a descrição matemática dos movimentos e dos fenômenos ligados à operação de

máquinas rotativas pode levar a modelos com um número muito grande de graus de

liberdade, como ocorre quando se usa a técnica de elementos finitos.

Outro método importante na análise da dinâmica de rotores é o método da matriz

de transferência. Este método foi primeiramente empregado na área de vibrações

Capítulo 1 – Introdução

9

torcionais. Em 1974 ORCUTT e LUND [15] apresentaram procedimentos para a

utilização deste método para a análise dinâmica de rotores. A vantagem deste método é

que ele não requer o armazenamento e a manipulação de um sistema de grande ordem.

O método de matrizes de transferência utiliza uma técnica progressiva de resolução: ele

começa com as condições de contorno de um lado do sistema e sucessivamente caminha

através da estrutura para o outro lado. A solução deve satisfazer todas as condições de

contorno em todos os pontos de contorno. A desvantagem deste método é a dificuldade

de estendê-lo para o domínio do tempo e para a análise não-linear.

Em linhas gerais, os trabalhos mencionados analisam sistemas lineares e, portanto,

utilizam equações diferenciais ordinárias que são linearizadas na vizinhança de um

ponto de operação, geralmente considerando-se a velocidade de rotação constante.

Poucas análises têm levado em consideração o regime transiente da velocidade na

dinâmica do rotor. O primeiro estudo na resposta transiente de rotores possivelmente foi

feito por LEWIS [16] em 1932, usando um método gráfico. Lewis apresentou uma

solução aproximada para o problema de movimentar um sistema, que tinha um único

grau de liberdade e amortecimento linear, da sua velocidade crítica até o repouso a uma

aceleração uniforme. CHILDS [17] desenvolveu um modelo para corpos flexíveis

girantes, tentando separar o movimento do corpo rígido e do corpo flexível, porém não

houve novos trabalhos de pesquisa envolvendo esta sistemática. Em 1988 SUBBIAH e

RIEGGER [18] apresentaram um método que combina o método de elementos finitos

com o método de matrizes de transferência para análise dinâmica transiente, superando

as dificuldades computacionais. Esta é mais uma técnica computacional do que uma

ferramenta de análise.

1.2.1 O fenômeno do desbalanceamento

O rotor desbalanceado não só causa vibrações, como também transmite forças

rotacionais para os mancais e para a estrutura de suporte. As forças transmitidas podem,

se acima de determinados valores, causar avarias ao equipamento e encurtar o seu ciclo

operacional. Todos os rotores possuem desbalanceamento residual adquirido durante o

processo de fabricação, devido às tolerâncias das máquinas de usinagem, ou ainda,

devido à não-homogeneidade do material. Assim, o balanceamento dos rotores garante

o seu perfeito funcionamento.

Capítulo 1 – Introdução

10

De acordo com SHIH e LEE [19], os dois principais métodos de balanceamento

empregados são: o método modal de balanceamento e o método dos coeficientes de

influência. A técnica do balanceamento modal foi desenvolvida por BISHOP [20], e

nela o modo da velocidade crítica do rotor deve ser conhecido, ou por medições

experimentais ou por modelagem matemática. A distribuição de massa também deve ser

determinada da geometria do rotor. A precisão do método depende do conhecimento

dos modos do rotor, que podem ser complexos para os modos maiores que a segunda

velocidade crítica. A técnica dos coeficientes de influência foi apresentada por

GOODMAN [21], em geral o método requer uma medição precisa do ângulo de fase

para produzir resultados aceitáveis.

Parece bastante claro que o melhor meio de balancear um rotor é primeiramente

descobrir a distribuição de massa desbalanceada e então adicionar massa a uma dada

distância radial do eixo de rotação para compensar a massa desbalanceada. Entretanto

devido às deficiências dos métodos para determinar a distribuição de massa

desbalanceada, por vezes, a melhor qualidade do balanceamento não é alcançada.

1.2.2 Efeito da folga em mancais

De acordo com KAEPENKO, WIERCIGROCH e CARTMELL [22], a presença

de folga excessiva em mancais invariavelmente causa severa não-linearidade.

Primeiramente, o fenômeno se apresenta na forma da descontinuidade da rigidez, que

pode conduzir a respostas complexas. Como uma primeira aproximação, o rotor com

folga excessiva no mancal pode ser considerado um oscilador não-linear. As simulações

experimentais mostram vibrações periódicas, síncronas e subsíncronas, bem como,

vibrações caóticas do rotor, acompanhadas por harmônicos elevados. O espectro para

movimento periódico apresenta picos localizados em freqüências discretas. Por outro

lado, o espectro para o movimento caótico não apresenta freqüências discretas, mas

apresenta uma faixa contínua, em uma faixa do espectro. Esse espectro é característico

do regime caótico. Os autores concluem que a resposta do sistema com folga no mancal

depende de parâmetros como amortecimento, rigidez e massa desbalanceada.

Em seu estudo sobre análise da estabilidade para rotores, KHADER [23]

pesquisou a estabilidade dinâmica de um sistema eixo-disco carregado por uma força

axial e torque. Apesar do modelo ser diferente do utilizado no desenvolvimento desta

Capítulo 1 – Introdução

11

dissertação, a sua conclusão é de interesse: o amortecimento rotacional no sistema tem

um efeito estabilizador maior do que o amortecimento translacional, e isto foi verificado

tanto para torques negativos como para positivos.

1.2.3 Caos em sistemas rotativos

O caos é uma das inúmeras possibilidades de um sistema não-linear. É a dinâmica

liberada da previsibilidade. Pode ser entendido como “o comportamento estocástico de

sistemas determinísticos”, ou ainda, “uma coleção de resultados abstratos e métodos

computacionais, a maior parte tendo uma abordagem geométrica, que são aplicáveis ao

estudo de equações diferenciais não lineares e mapeamentos” [24].

O movimento de um mancal de rolamento levemente carregado foi pesquisado por

MEVEL e GUYADER [25] com o objetivo de analisar os diferentes mecanismos

envolvidos na transição para o regime caótico. Através da variação de um parâmetro de

controle, diferentes rotas para o caos foram descritas. A mais conhecida é a rota

subharmônica, que é caracterizada pelo aumento do número de subharmônicos da

freqüência do movimento. A segunda rota é uma rota semiperiódica, caracterizada pela

concorrência entre a segunda ressonância do mancal e a freqüência de passagem das

bilhas. Isto resulta no crescimento do número de combinações das duas freqüências. A

ocorrência da perda de contato entre as bilhas e a pista foi relacionada com a existência

de caos.

Quando um mancal está sujeito à carga radial, as cargas das bilhas é função da

posição angular da gaiola, e a rigidez da montagem varia continuamente, o que provoca

um tipo de excitação, chamada de “varying compliance frequency”, que poder ser

entendida como vibrações devidas às variações de concordância do mancal, às

chamadas vibrações “V.C”. A teoria de Hertz fornece para o contato linear uma relação

quase linear entre força e deslocamento. MEVEL e GUYADER [25] observaram como

uma causa de não-linearidade, nesta relação, é a variação do número de elementos

rolantes na zona de carga.

A rota subharmônica está associada com a primeira velocidade crítica. Ela gera

um grande número de subharmônicos na freqüência de passagem das bilhas e é

característica da instabilidade em mancais de rolamento. A combinação entre os dois

elementos básicos, a saber, a freqüência de passagem das bilhas e a freqüência de

Capítulo 1 – Introdução

12

ressonância vertical, resulta no crescimento do número de combinações e finalmente

tende para o caos pela soma das ressonâncias.

TIWARI, et al [26] simularam um rotor desbalanceado suportado em uma

extremidade por mancal de rolamento, que teve sua folga interna modificada de 2,5 ? m

(SKF – tipo C2) para 20 ? m (SKF – tipo C5). A não-linearidade observada foi devida

tanto ao contato Hertziano como à folga radial interna, resultando no aparecimento de

subharmônicos e na soma e diferença da combinação das freqüências de rotação e da

variação de concordância. Segundo a referência [26], experimentalmente foi verificado

que o crescimento da folga radial interna aumenta a não-linearidade do sistema com o

aparecimento de muitos subharmônicos e super-harmônicos.

1.3 Apresentação dos Capítulos

Após uma introdução, o Capítulo 2 apresenta as Normas Técnicas aplicáveis à

vibração em equipamentos, comparando as principais Normas internacionais existentes,

apresentando os critérios para avaliação, as faixas de classificação de equipamentos, as

classes de vibração, as orientações para as medições e a definição dos termos utilizados.

É de suma importância ao especialista em vibrações conhecer as Normas Técnicas, pois

estas fornecem referências, que como regra geral, devem ser utilizadas para evitar erros

na coleta e na interpretação dos dados obtidos. Através da sistematização dos

procedimentos procura-se evitar falhas comuns em medições de campo, economizando

tempo e dinheiro no processo de coleta dos dados. Além do que, na manutenção

moderna é grande a utilização de programas para a monitoração dos níveis de vibração

de máquinas e as Normas Técnicas fornecem parâmetros de análise da qualidade da

vibração para tipos diferentes de máquinas.

No Capítulo 3 são simuladas em laboratório, as condições mais usuais de avarias

em rotores, a saber: rotor desbalanceado, rotor desbalanceado com folga no mancal de

rolamento e uma situação limite, com um rotor desbalanceado com folga excessiva no

mancal de rolamento. A teoria relacionada aos mancais de rolamento é brevemente

comentada para explicar os fenômenos relacionados à variação de rigidez do mancal.

Ainda é mostrado o método utilizado para, a partir de um rolamento novo, simular o

desgaste de uso e o dispositivo utilizado para a verificação da folga radial. Estes

defeitos foram selecionados após uma pesquisa de campo, com grandes empresas da

Capítulo 1 – Introdução

13

área de rotores, para levantar as avarias mais comuns em rotores suportados por mancais

de rolamento. Neste caso, as ocorrências reais coincidiram com os defeitos apontados na

literatura consultada. Analisa-se a evolução da vibração causada por rolamentos

defeituosos, estabelecendo os estágios de acordo com a vida útil do rolamento. Para tal,

utilizam-se dos conceitos de detecção e diagnóstico das falhas atribuindo ao primeiro, a

caracterização do estado da falha do rolamento. Em suma, são objetivos deste capítulo

diagnosticar o estado de funcionamento de máquinas rotativas, que utilizam mancal de

rolamento como apoio, dizer qual o tipo de falha que está se desenvolvendo e qual sua

vida remanescente do rolamento.

No Capítulo 4, as Normas Técnicas são aplicadas aos resultados experimentais de

laboratório, enquadrando em faixas de qualidade.

No Capítulo 5 os resultados experimentais são verificados quanto à existência de

caos. Para tal, são levantados os Expoentes de Lyapunov, para cada uma das quatro

situações simuladas no aparato experimental.

No Capítulo 6, a monitoração é utilizada como ferramenta de manutenção, sendo

apresentados a evolução da vibração, sua análise e o reparo efetuado, à luz dos

conceitos utilizados nos capítulos anteriores. O equipamento selecionado é um motor

gerador marca Paxman de dezesseis cilindros, no qual monitoram-se as vibrações do

mancal de rolamento, do lado não acoplado ao motor. Este tipo de equipamento passou

a ser bastante utilizado nas indústrias de grande e médio porte, grandes centros

comerciais e até em condomínios, a partir da crise energética ocorrida no Brasil no

início do século XXI. Finalizando, no Capítulo 7, apresentam-se as conclusões do

trabalho e as sugestões de pesquisas futuras.

No Apêndice A são identificadas as freqüências características de defeitos em

rolamentos, apresentando a formulação apropriada. No Apêndice B apresenta-se o

motor gerador utilizado para a monitoração das vibrações, descrevendo as

características técnicas e funcionais.

Capítulo 2 – Normas Técnicas

Neste Capítulo, são apresentadas as Normas Técnicas aplicáveis ao fenômeno

vibratório. Os parâmetros, escopo, campo de aplicação, e os critérios para avaliação das

diversas Normas são comentados. São apresentadas definições, fórmulas comuns,

considerações físicas, orientações para a tomada de medidas, tudo sob a ótica da

monitoração da vibração.

2.1 Normas Técnicas Aplicáveis

Os níveis de vibração admissíveis para monitoração de máquinas rotativas têm

sido objeto de estudos por diversas comissões técnicas de diferentes países. Dentre eles

destaca-se a ISO 2372 [27] de novembro de 1974, a VDI 2056 [28] (Verein Deutscher

Ingenuere), Associação dos Engenheiros Alemães, de outubro de 1964, a BS 7854

(“British Standard”) [29] de 15 de maio de 1996, além das normas militares “Military

Standard”.

A ISO (“International Organization for Standardization”) é uma federação

mundial de institutos nacionais de padronização chamados de “ISO Member Bodies”.

O trabalho desenvolvido pela “International Standards” é suportado por Comitês

Técnicos e cada membro interessado em um assunto tem o direito de ser representado

no Comitê. Organizações Internacionais, governamentais e não governamentais, ligadas

à ISO também participam do trabalho. As minutas das “International Standards”

adotadas pelo comitê técnico são enviadas aos membros para aprovação, antes de sua

aceitação como “International Standards” pelo conselho da ISO. A Norma ISO 2372 foi

minutada pelo comitê técnico ISO/TC 108, vibração mecânica e choque, e aprovada

pelos membros de 15 países em junho de 1971. Nestas comissões, questionamentos têm

sido feitos, como quais os limites de vibração devem ser considerados convenientes

para determinado tipo de equipamento, ou seja, quais as exigências tecnicamente

necessárias, mas também viáveis do ponto de vista operacional e financeiro.

Estes questionamentos e outras considerações importantes como o campo de

aplicação, instrumentos de medição, forma de fixação do equipamento a ser testado em

sua base, ponto de medição, considerações operacionais durante o teste e escalas de

avaliação, são abordados de forma padronizada por diversas comissões que, em

essência, apresentam recomendações semelhantes, mudando apenas a forma de

14

comentários (0)
Até o momento nenhum comentário
Seja o primeiro a comentar!
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 130 pages
baixar o documento