alinhamento de acoplamentos, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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ALINHAMENTO DE

ACOPLAMENTOS

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Objectivos

• Identificar os principais benefícios do alinhamento
• Identificar os diferentes tipos de desalinhamento
• A utilização do comparador

O QUE É O ALINHAMENTO?

O alinhamento de veios em máquinas acopladas é um dos aspectos mais importantes na instalação de máquinas. Ao contrario do que algumas pessoas pensam, os acoplamentos flexíveis não compensam desalinhamentos severos.

O desalinhamento pode ser definido como sendo a não coincidência entre o eixo de simetria de dois veios colineares. Existem, no entanto, determinados casos em que é necessário existir um pequeno desalinhamento para lubrificação de dentes num acoplamento de engrenagem. No entanto, é importante ter os veios de máquinas acopladas a funcionar muito perto das condições de serviço da temperatura e carga.

PORQUÊ ALINHAR?

Um alinhamento apropriado irá eliminar forças nos componentes na máquina desalinhada.

Eliminando estas forças teremos:

• Redução do nível de vibração e ruído
• Minimizar folgas no acoplamento
• Eliminar a possibilidade de falha no veio devido a fadiga

Sintomas vibratórios do desalinhamento:

• Componentes 1x e 2x RPM na direcção radial (horizontal e vertical)
• Componente 1xRPM na direcção axial
• Medições de fase com 180º de diferença entre apoios da máquina

ANTES

Secção I Introdução ao Alinhamento

REDUÇÃO DE CUSTOS

A redução do consumo de energia eléctrica pode ser medida antes do alinhamento e após o alinhamento. É aconselhável que se proceda ao cálculo do factor de potência.

Este caso histórico foi recolhido de um artigo intitulado “Desalinhamento: Alterando as regras”, escrito por Dan Nower, em Maio de 1994 para a revista Reliability magazine.

O motor tem 125 cv, acoplado por um acoplamento de engrenagem com uma pressão de descarga de 8.5 psig.

Parâmetro Desalinhado Alinhado Conclusões Fase 3/7 0/7 Bom indicador Temperatura acoplamento

127 120 Pouca diferença

Temperatura veio 160 149 Alguma diferença Corrente motor (A) 145 139 Cerca de 4% O factor de potência foi estimado como sendo de 0.

TIPOS DE DESALINHAMENTO

O desalinhamento pode ser classificado como sendo angular ou paralelo. A figura seguinte mostra exemplos dos dois tipos de desalinhamento. O desalinhamento angular ocorre quando o eixo de rotação de dois veios forma um ângulo. O desalinhamento paralelo ocorre quando o eixo de rotação entre os dois veios é paralelo. Na grande maioria dos casos o desalinhamento é uma combinação do desalinhamento angular e paralelo.

Paralelo

Angular

Combinado

FLEXÃO DO VEIO DEVIDO A DESALINHAMENTO

Já vimos que existem 3 tipos de desalinhamento: angular, paralelo e combinado. Para além destes pode existir um desalinhamento nas chumaceiras. O eixo de rotação de dois veios pode estar alinhado, no entanto, as chumaceiras podem estar desalinhadas. As chumaceiras podem estar desalinhadas se não estiverem centradas no mesmo eixo, devido a problemas de pata coxa, bases empenadas ou devido à expansão térmica.

Tudo o que é necessário é um acoplamento flexível? NÃO!!!

Alguns acoplamentos podem suportar por longos períodos de funcionamento desalinhamentos severos, no entanto, alguns componentes mecânicos não suportam esse mesmo desalinhamento. A função principal de um acoplamento é transmitir potência entre uma máquina e outra, enquanto compensa pequenos desalinhamentos, deflexão do veio ou variações de temperatura. As forças criadas pelo desalinhamento são passadas para os componentes mecânicos, originando falhas prematuras.

A UTILIZAÇÃO DO COMPARADOR

O comparador é um instrumento mecânico de precisão que mede a posição relativa do veio. Basicamente, o comparador consiste num invólucro contendo diversos componentes mecânicos de precisão, uma face com marcas de 0.01mm cada, um ponteiro e um êmbolo de encosto ao veio. As marcas existentes na face do comparador podem ler a partir do zero em ambas as direcções (figura 1) , ou ler na direcção dos ponteiros do relógio a partir do zero (figura 2).

O êmbolo pode ser colocado tanto à por baixo do indicador como atrás deste. Quando o êmbolo é pressionado o ponteiro roda na direcção dos ponteiros do relógio e quando este deixa de sofrer pressão o ponteiro roda no sentido contrário aos ponteiros do relógio.

Objectivos

• Distinguir os erros mais comuns durante o processo de alinhamento
• Identificar os 4 métodos de alinhamento e listar as vantagens e desvantagens de cada um deles
• Cálculo das correcções a efectuar no método de medida inversa das periferias

MÉTODOS DE ALINHAMENTO

O método de alinhamento mais antigo era executado recorrendo a uma régua e esquadro. Este método era aceitável se a máquina funcionasse a baixas rotações. Este método é um bom procedimento quando se inicia o processo de alinhamento. Depois de executar este primeiro procedimento, algo mais era necessário ser feito para continuar o processo de alinhamento. A utilização de apalpa folgas e comparadores é agora utilizado para se conseguir alinhamento de precisão. Quando usados de forma apropriada, estas ferramentas podem dar bons resultados.

Os erros mais comuns no alinhamento são:

• Erros na preparação do trabalho
• Travões dos indicadores danificados
• Omissão da “deflexão” das barras de suporte dos comparadores nos cálculos
• Erros na leitura dos comparadores e na interpretação dos dados
• Incorrecta movimentação da máquina

MÉTODO DA RÉGUA E ESQUADRO

Este método utiliza uma régua para determinar a posição paralela e um esquadro para obter a posição angular do veio.

Régua

Esquadro

Secção II Métodos de Alinhamento

Vantagens Desvantagens

1. Bom método para um alinhamento rápido
   1. Erros de alinhamento frequentes
2. Ferramentas simples e baratas 2. Apenas para ser utilizado como alinhamento rápido
   3. Utilizar apenas para veios com o mesmo diâmetro
   4. Método pouco preciso

MÉTODO CARA E PERIFERIA

Com este método a posição paralela é obtida tirando medidas no diâmetro exterior (periferia) enquanto que a posição angular é feita na face. Estas leituras são projectadas matematicamente e graficamente nas sapatas do motor (máquina móvel) para determinação das correções necessárias.

Vantagens Desvantagens

1. Pode ser utilizado quando apenas um dos veios pode ser rodado
   1. Erros de alinhamento frequentes
2. Bom método para distâncias curtas 2. Escorregamento do comparador axial pode introduzir erros de leitura
3. Fácil visualização das medidas 3. Deve ser calculado a “deflexão” das barras de suporte dos comparadores
   4. “Run out” no acoplamento afetará as leituras

1. Determinar a posição paralela: Pp= (Leitura + Deflexão) /

E = (0.032 + 0.004)/2 = 0. M= (0.005 + 0.004)/2 = 0.

Em papel geométrico marcam-se estas duas posições nos dois acoplamentos.

2. Calcular a posição da sapata dianteira
3. Calcular a posição da sapata traseira

Do desenho geométrico obtido, facilmente visualizamos que o motor se encontra 0.0023 mm baixo à frente e 0.016 baixo atrás.

  
 











((M-E) x B) +M = -0.

A

((M-E) x (B+C)) +M = -0.

A

  
 (^) 





 -0. Trás

MÉTODO DE ALINHAMENTO POR LASER

O sistema laser executa medidas da posição angular e paralela do veio através da emissão de um laser pelo transdutor (parte fixa) para o prisma (parte móvel).

Vantagens Desvantagens

1. Aumenta significativamente a precisão do alinhamento
   1. A precisão do alinhamento é afectada pela luz ambiente e pelas partículas suspensas no ar
2. Ideal para distâncias longas
3. Tempo para alinhamento é reduzido
4. A existência de “runout” no acoplamento não afectará as leituras
5. Não é necessário calcular a “deflexão”
6. O equipamento calcula o desalinhamento e as correcções a efectuar

Como é que queremos que a nossa máquina funcione?

Gaste dinheiro mais tarde ou então ...

Pague pouco dinheiro para o bom funcionamento da máquina.

TESTES ANTES DA PARAGEM DA MÁQUINA

Uma inspecção detalhada deve ser executada antes da ordem para paragem da máquina. Esta inspecção deve incluir o seguinte:

• Inspecção visual completa da máquina
• Medições de vibrações e de fase devem ser executas
• Consumos do motor (medição da voltagem, corrente e factor de potência) para posterior cálculo da eficiência

VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS

Um dos aspectos mais importantes na execução de alinhamento válidos é a existência de vibração proveniente de outras máquinas. Os equipamentos de alinhamento medem movimentos de grandeza extremamente pequena. Se as máquinas colocadas em redor da máquina a alinhar induzirem grandes vibrações podem tornar impossível conseguir leituras correctas com os métodos tradicionais. A boa noticia é que os sistemas de alinhamento a laser recente estão equipados com modos de leitura que permitem executar médias até se estabilizar o valor correcto.

Outra técnica bastante eficaz que pode ser aplicada e que valida as leituras do alinhamento no inicio dos trabalhos denomina-se por regra da validação. Esta regra compara as leituras obtidas em posições cardinais:

Fornece a possibilidade de se determinar a validação das leituras efectuadas antes de se iniciar o processo de movimento da máquina.

Exemplos de valores correctos e incorrectos

Algumas origens de valores incorrectos podem ser:

• Leitura incorrecta dos comparadores (incluindo troca de sinais)
• Comparadores colocados muito altos ou muito baixos
• Folgas nos rolamentos
• Irregularidades na superfície
• Sapatas soltas

No entanto, são de esperar pequenos desvios da regra da validação. Se esta diferença for maior que 10 % é possível que o veio esteja com folga excessiva.

Se o erro for superior a 20% então a causa deve ser determinada. Se a regra da validação não for verificada pode complicar ou impossibilitar o processo de alinhamento.

Superior + Inferior = Esquerda + Direita

    

    

Tipicamente, todas as leituras vão dar valores negativos e as leituras horizontais serão iguais.

Depois da determinação da deflexão do veio temos de subtrair esta leitura às leituras obtidas para determinação do desalinhamento.

Na grande maioria das aplicações a determinação da deflexão apenas irá alterar os valores de desalinhamento na vertical, pelo que é comum apenas medirmos a deflexão nesta direcção.

Leitura – Deflexão = Desalinhamento

Leitura Deflexão Desalinhamento

Superior

Esquerda Direita

Inferior

Superior

Esquerda Direita

Inferior

Superior

Esquerda Direita

Inferior

PREPARAÇÃO DA BASE

As fundações da máquina devem ser “tratadas” e as sapatas propriamente maquinadas, limpas e preparadas para a instalação da máquina a ser alinhada. A área circundante às sapatas deve estar limpa, incluindo o topo das sapatas. Se a base de apoio não estiver plana, pode acontecer o caso em que tenham de ser modificadas antes do alinhamento. Verificar as fundações, parafusos, sapatas etc, para fissuras ou outros defeitos. É preferível executar a limpeza da base e das sapatas antes da máquina ser colocada na base.

Garantir que as superfícies indicadas com as setas estejam limpas e livres de corrosão e rebarba.

IRREGULARIDADES NO VEIO

O técnico encarregue de executar o alinhamento deve em primeiro lugar inspeccionar todos os componentes rotativos e verificar a existência de folgas. Inspeccionar o acoplamento para folgas, fissuras e lubrificação. Medir com o comparador irregularidades no acoplamento e em ambos os veios.

voltagem nos sensores com a máquina fria e posteriormente quando a máquina estabiliza na sua condição de funcionamento normal. A diferença entre as duas medidas é proporcional ao movimento relativo da máquina. Através desta diferença podemos calcular o movimento nas sapatas da máquina.

Barras com comparadores

Este método permite calcular a expansão térmica horizontal e vertical e consiste na colocação de um par de longos micrometros em cada um dos lados dos rolamentos estendidos até à base da máquina. Os comparadores são colocados a zero, com a máquina a frio, registando-se o ângulo entre cada barra e o chão. A máquina é então inicializada até estabilizar na sua condição de funcionamento normal. O novo comprimento de cada barra é registada assim cimo o ângulo entre a barra e o chão. Estas figuras são utilizadas para calcular a expansão térmica horizontal e vertical.

A fotografia seguinte mostra um par de barras montadas numa bomba.

Temperatura

A técnica do perfil de temperatura calcula a variação da posição vertical da linha de eixos devido a variações de temperatura. Este método apenas determina a expansão térmica vertical. A elevação colocada por de baixo das sapatas serve de referência para as medições verticais. Como a direcção horizontal não é calculada, logo, não existe referencia horizontal. Esta técnica é adequada para máquinas de potência menor que 500 CV.

Esta técnica utiliza a fórmula de expansão linear :

E= Altura x Variação Temperatura x Coeficiente Expansão Térmica

Material Coefic. dilataçãoC  Aço 0.000011

Ferro fund. 0.000009

Aluminio 0.000023

Bronze 0.000018

-1 

Recomenda-se que se execute um mínimo de quatro leituras em cada perfil. As leituras de temperatura a frio são executadas ao mesmo tempo que as leituras de alinhamento, enquanto que as leituras da temperatura a quente são executadas quando a máquina estabiliza na sua condição de funcionamento normal.

Temperatura - Exemplo

Material = Aluminio Comprimento, H = 432 mm C = 0.

Temperatura em funcionamento = 42.2 ºC Temperatura parada= 21.8 ºC

E= 432 x (42.2 – 21.8) x 0.000023 = 0.20 mm

PATA COXA

Pata coxa ocorre quando uma ou mais sapatas da máquina não se encontram no mesmo plano das outras. Esta condição terá como consequência a distorção da base. Esta distorção pode provocar uma falha nos rolamentos. Outra consequência muito vulgar da pata coxa é a dificuldade acrescida na execução de um alinhamento de precisão.

H = 432mm 

E= Altura x Variação Temperatura x Coeficiente Expansão Térmica

      

   ^ ^     

      

EXEMPLO