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Apostila de Balanceamento
Tipologia: Notas de estudo
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Walter dos Santos Sousa / 0102104301
2º Semestre/
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Walter dos Santos Sousa / 0102104301
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Colegiado do Curso de Engenharia Mecânica para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. Orientador (a): Prof. Dr. Newton Sure Soeiro
2º Semestre/
iv
Primeiramente, agradeço a Deus por todas as oportunidades que são colocadas em minha vida, sendo que esta, de estar me formando, é apenas mais uma de muitas outras bênçãos recebidas por ele. A meus pais, Deuzarina dos Santos Sousa e Raimundo Lúcio Silva Sousa, que sempre me deram apoio em meus estudos e a toda a minha família que estiveram ao meu lado nos momentos mais difíceis. Ao Prof. Dr. Newton Sure Soeiro, que me deu toda a orientação necessária para o desenvolvimento deste trabalho com bastante atenção e paciência, procurando sempre esclarecer todas as minhas dúvidas. Aos engenheiros Paulo Thadeo Andrade Silva, Norberto Bramatti, Antenor Neves dos Santos Filho, Anderson José Costa Sena, José Marcelo Araújo do Vale e aos demais colaboradores da Eletronorte que facilitaram a o desenvolvimento deste trabalho viabilizando os equipamentos da referida empresa para todos os testes experimentais. Aos companheiros do Grupo de Vibrações e Acústica (GVA) e do Programa de Educação Tutorial (PET) do curso de Engenharia Mecânica pela amizade e pelo auxílio prestado sempre que precisei. Ao Prof. Dr. Antonio Luciano Seabra Moreira, Tutor do Grupo PET de Engenharia Mecânica, pela orientação acadêmica em minhas atividades desde o início de minha graduação. À banca examinadora, pelo convite aceito na apreciação deste trabalho. Finalmente, a todos aqueles que ajudaram de alguma forma no desenvolvimento deste trabalho e que, infelizmente, eu não escrevi seus nomes.
SIMBOLOGIA ......................................................................................................................viii LISTA DE FIGURAS..............................................................................................................ix LISTA DE TABELAS .............................................................................................................xi
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6.4.1 – Realização de Balanceamento Onde o Número de Planos é Diferente ao de Mancais............................................................................................................................. 6.4.2 – Adição de Massas no Rotor.................................................................................. 6.4.3 – Configuração do Filtro ......................................................................................... 6.4.4 – Coleta de Dados de Amplitude de Vibração e Fase ............................................. 6.4.5 – Refino de Balanceamento..................................................................................... 6.5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................................
CAPÍTULO 7 – CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.... 7.1 – RESULTADOS E CONCLUSÕES ............................................................................ 7.2 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.......................................................
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...............................................................................
ANEXO 1 – RESUMO SOBRE A TEORIA DE TECNOLOGIA DE FILTROS DIGITAIS.............................................................................................................................. ANEXO 2 – CÁLCULO PARA A DIVISÃO DE MASSA NO PLANO DE BALANCEAMENTO ROTATIVO....................................................................................
viii
F cent Força centrífuga
m Massa e Excentricidade ω Velocidade angular em radianos por segundo Um Desbalanceamento médio → U Desbalanceamento complexo r Raio do rotor l Distância entre planos → V Vibração complexa Vij Amplitude de vibração Fij Ângulo de fase
→ Coeficiente de influência Mc Massa de correção R Raio de posição de massa no rotor mt Massa de teste P Peso do rotor em kg rpm Rotação do rotor em ciclos por minuto Ur Desbalanceamento residual permissível em μ m (ISO 1940)
x
Figura 39: Modelo do relatório gráfico de sinais gerado pelo sistema aplicativo em Microsoft Word ......................................................................................................................................... Figura 40: Modelo do relatório de balanceamento gerado pelo sistema aplicativo em Microsoft Word ........................................................................................................................ Figura 41: Tela inicial do sistema ............................................................................................ Figura 42: Tela mostrando a guia “Controles e Indicadores” do sistema aplicativo................ Figura 43: Tela mostrando a guia “Gráficos (Amplitude x Tempo)” do sistema aplicativo.... Figura 44: Tela mostrando a guia “Gráficos (Amplitude x Freqüência)” do sistema aplicativo e o filtro .................................................................................................................................... Figura 45: Tela mostrando a guia “Visualização de Dados Para Correção” do sistema aplicativo .................................................................................................................................. Figura 46: Tela mostrando o VI de refino de balanceamento .................................................. Figura 47: Visualização da disposição das ferramentas adicionais na barra de menu ............. Figura 48: Montagem dos acessórios para a aquisição de dados ............................................. Figura 49: Gerador de sinais utilizado para comparação de valores com o sistema aplicativo Figura 50: Rotor Kit utilizado para o ensaio de vibrações com o sistema aplicativo............... Figura 51: Posição dos sensores no Rotor Kit.......................................................................... Figura 52: Visualização dos canais utilizados para o ensaio de balanceamento ...................... Figura 53: Visualização completa dos instrumentos utilizados e montados para a realização dos testes do sistema aplicativo................................................................................................ Figura 54: Criação do executável do sistema aplicativo .......................................................... Figura 55: Localização do arquivo de instalação do sistema aplicativo no Windows Explorer .................................................................................................................................................. Figura 56: Procedimento de instalação do sistema aplicativo.................................................. figura 57: Localização do sistema aplicativo dentro do diretório “Programas” no menu “Iniciar” .................................................................................................................................... Figura 58: Campo “Coleta de Dados” ao salvar os dados da volta original............................. Figura 59: Campo “Coleta de Dados” ao mudar o mostrador para “1ª Parada” para salvar os dados depois da adição da massa de teste................................................................................. Figura 60: Visualização dos dados para correção em um plano no sistema aplicativo............ Figura 61: Divisão de massa no balanceamento estático ......................................................... Figura 62: Relatório gráfico após o balanceamento estático.................................................... Figura 63: Visualização dos dados para correção em dois planos no sistema aplicativo......... Figura 64: Divisão de massa de correção no Plano 1 ............................................................... Figura 65: Divisão de massa de correção no Plano 2 ............................................................... Figura 66: Relatórios gráficos dos respectivos mancais após o balanceamento dinâmico ...... Figura 67: Exemplo da relação entre o número de mancais e dados aquisitados (em vermelho) e entre o número de planos e o número de etapas de coleta de dados (em azul)...................... Figura 68: Mensagem exibida quando o número de mancais for superior ao de planos de balanceamento .......................................................................................................................... Figura 69: Tela de aviso quando os valores salvos forem próximos aos da volta original ...... Figura A1: A resposta em freqüência de um filtro Butterworth passa-baixa de primeira ordem ................................................................................................................................................ Figura A2: Filtros passa-baixas Butterworth de ordens 1 a 5 ................................................ Figura A3: Exemplo de um filtro passa-baixas Butterworth de segunda ordem.................... Figura A4: A resposta em frequência de um filtro Chebyshev passa-baixas do tipo I de quarta ordem ...................................................................................................................................... Figura A5: A resposta em freqüência de um filtro passa-baixa elíptico de quarta ordem ..... Figura A6: Comparação gráfica entre filtros.......................................................................... Figura A7: Representação em coordenadas polares dos vetores de massa ............................
Capítulo 1 – Introdução (^) 1
O estudo de defeitos em máquinas rotativas ocupa uma posição destacada no contexto de máquinas e estruturas, tendo em vista a grande quantidade de fenômenos típicos na operação desses equipamentos. A existência de um componente rotativo apoiado em mancais e transmitindo potência cria uma família de problemas que são encontrados nas mais diversas máquinas: sejam compressores, turbinas, bombas, centrífugas, motores, máquinas de grande porte como em uma usina hidroelétrica, etc. Um desses problemas é o desbalanceamento rotativo em função de erros de distribuição de massa ao longo do eixo. No mercado existem diversos instrumentos que realizam o balanceamento de rotores. No entanto, muitas vezes se torna inviável a aquisição de tais equipamentos devido o alto custo dos mesmos. Por isso, é possível se fazer um estudo no sentido de verificar a viabilidade da implementação de sistemas que poderiam substituir tais equipamentos. Atualmente, o uso de computadores com softwares especializados está cada vez mais presente em processos laboratoriais e industriais, em virtude da sua relativa facilidade de programação, operação e da excelente precisão fornecida por resultados oriundos de cálculos que seriam muito demorados de serem feitos manualmente ou seriam praticamente impossíveis de serem resolvidos pelo homem. Com o advento do aumento da tecnologia dos computadores pessoais (processamento mais rápido, maior memória, definições gráficas, etc.), a expansão da Internet e avanços em tecnologia de redes, houve também um aumento na utilização de sistemas programáveis que tendem substituir parcialmente os métodos convencionais de análise de dados em equipamentos. Neste sentido, a instrumentação virtual vem crescendo bastante. A utilização de sistemas aplicativos para a realização de determinadas tarefas de monitoramento e controle de equipamentos está cada vez mais presente no cotidiano.
Capítulo 1 – Introdução (^) 2
Considerando o exposto, o que se pode notar é que atualmente, para o monitoramento de equipamentos, não é necessário utilizar métodos tradicionais de coleta e análise de dados. Há pouco tempo atrás, para se fazer uma análise de vibração em uma determinada máquina, primeiramente, coletava-se os valores de vibração em um ponto com um analisador de vibrações, em seguida tratava-se o sinal e, depois de visualizar os resultados, procurava-se o diagnóstico. Do ponto de vista empresarial isso não era viável, pois caso houvesse muitos pontos a serem coletados poderia requerer muito tempo para a tomada de decisões. A preocupação com a manutenção de máquinas rotativas está cada vez mais presente em trabalhos publicados e teses apresentadas atualmente sobre o assunto. Isso pode significar que esta área realmente tem destaque no setor industrial e empresarial. A substituição dos métodos tradicionais de análise e coleta de sinais pela instrumentação virtual é a principal característica disso. Com a utilização da instrumentação virtual é possível o usuário desenvolver sistemas aplicativos para a execução de determinadas tarefas, visando facilitar, automatizar e acelerar processos que geralmente seriam muito demorados e muito caros do ponto de vista econômico. O desenvolvimento deste trabalho tem o intuito de dar continuidade nesse processo de melhoramento das atividades de manutenção, com o enfoque principal em falhas em máquinas rotativas causadas por desbalanceamento rotativo. Essa proposta é o início para o desenvolvimento de outros trabalhos que abrangem instrumentação virtual, visando melhorar processos de manutenção e facilitar a análise de vibrações e outros parâmetros em equipamentos.
1.3.1 – Objetivo Geral
O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema aplicativo programado em LabVIEW e Microsoft SQL Server para o balanceamento de rotores com a aquisição direta de dados, dispensando a utilização de inúmeros equipamentos de coleta e análise de sinais de vibração, utilizando somente um computador (ou laptop) com uma placa de
Capítulo 1 – Introdução (^) 4
Logo em seguida, foi necessário utilizar um software gerenciador de banco de dados para se realizar o armazenamento dos dados necessários para se efetuar o balanceamento. Nesse sentido, foi necessário estudar o software Microsoft SQL Server 2000, o qual foi escolhido devido a sua excelente interface com o LabVIEW. Depois de construído o sistema em plataforma LabVIEW com o gerenciador de banco de dados SQL Server 2000, foram desenvolvidas outras ferramentas para o auxílio ao balanceamento. Por exemplo, programas para a estimativa de massa de teste, divisão e soma de massas, geração de relatórios, etc. Por último, foi necessário realizar alguns testes para a validação do sistema. Estes testes foram realizados em uma bancada de vibrações a qual se comunicava via sensores de proximidade para um computador equipado com uma placa de aquisição de sinais que pertence a Eletronorte. Então, foi possível comparar os valores de vibração após a realização do procedimento de balanceamento com o sistema aplicativo e tirar algumas conclusões, as quais estão apresentadas no último capítulo deste trabalho.
O capítulo 2 aborda de maneira geral todo o conteúdo que serviu como referência para a elaboração deste trabalho. Neste capítulo de revisão bibliográfica é possível se ter uma visão ampla sobre os diversos trabalhos que abordam temas como balanceamento rotativo, instrumentação virtual e gerenciamento de banco de dados. No capítulo 3 é tratado de forma bem estrita os diversos conceitos e técnicas sobre balanceamento rotativo. São abordadas técnicas de balanceamento estático, balanceamento dinâmico e balanceamento em vários planos. Este último com variação do número de planos em relação ao número de mancais. O capítulo 4 aborda a questão da instrumentação virtual, bem como as tendências de crescimento dessa nova metodologia de programação visual aplicada a equipamentos industriais e laboratoriais. A descrição dos procedimentos é abordada no capítulo 5. Neste capítulo é feita uma abordagem detalhada da metodologia aplicada neste trabalho, descrevendo o que foi utilizado e feito para o desenvolvimento do sistema proposto.
Capítulo 1 – Introdução (^) 5
O procedimento da utilização do sistema para a realização de balanceamento de rotores está descrito no capítulo 6, onde são detalhados os procedimentos a serem seguidos pelo usuário para realizar o balanceamento em rotores rígidos e flexíveis. Neste mesmo capítulo, também, são fornecidas algumas recomendações para a utilização do sistema aplicativo e para o balanceamento rotativo com o mesmo. Finalmente, no capítulo 7 é feita a conclusão do trabalho juntamente com algumas recomendações para trabalhos futuros.
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica (^) 7
geral, um pouco sobre a ocorrência de vibração causada por desbalanceamento em rotores flexíveis. Ribas (1985) descreve o procedimento de balanceamento de rotores com a utilização de ferramentas como uma calculadora programável e um computador pessoal. Ele aborda o principal ponto proposto neste trabalho que é a utilização de programas para o auxílio em cálculos no que tange técnicas de balanceamento rotativo. O autor enfatiza que com a utilização de tais ferramentas é possível realizar uma redução do efeito vibratório nos equipamentos rotativos de maneira mais refinada, devido o grande grau de precisão de tais equipamentos. Em virtude da facilidade que tais ferramentas proporcionam, o autor aborda inclusive a utilidade dessas ferramentas na realização do balanceamento de rotores em diversos planos. A proposta de Eduardo (2003) é de realizar um estudo em falhas em equipamentos rotativos utilizando redes neurais. O trabalho proposto pelo autor é interessante no sentido de desenvolver uma metodologia que engloba procedimentos de diagnóstico em máquinas rotativas utilizando inteligência artificial, baseado em monitoramento via computador pessoal. Idehara (2003) procura em seu trabalho estudar ferramentas para análise de sinais de vibração e ruído provenientes de componentes rotativos operando em condições estacionárias ou não. Estas técnicas são classificadas como Métodos Seguidores de Ordem, ou Order Tracking. Analisam-se, comparativamente, três métodos: o Order Tracking Computacional, a Reamostragem Digital e a TVDFT, bem como a técnica da Matriz de Ortogonalidade, utilizada para corrigir a amplitude das ordens obtidas por este último método. Todos os procedimentos são analisados através de simulações numéricas em computador e dados experimentais. Mühle (2000) trata da tendência de novas máquinas de mandrilamento sendo que os diversos fabricantes de ferramentas desenvolveram cabeçotes de mandrilar munidos de sistemas de balanceamento e de regulagem de excentricidade. O autor aborda a influência do sistema de balanceamento sobre o processo mandrilamento, realizando diversos ensaios visando avaliar as condições e características dinâmicas da máquina-ferramenta a ser utilizada. Mais especificamente falando, são monitorados os níveis de vibração causados pelo desbalanceamento do fuso. Em sua tese, Santiago (2004) realizou um estudo baseado em uma metodologia para classificação de falhas em máquinas rotativas, chamada Wavelet Packet Neural Network (WPNN), a qual é fundamentada na teoria de transformada de Wavelet em conjunção com redes neurais artificiais. Neste estudo, os resultados obtidos mostram que a WPNN pode ser
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica (^) 8
utilizada satisfatoriamente como técnica alternativa de classificação e diagnóstico de falhas introduzidas em máquinas rotativas com alta eficiência. Tadeo (2003) desenvolveu um modelo através do método de elementos finitos do sistema rotor-acoplamento-mancal, considerando-se as modelagens simplificadas dos acoplamentos existentes. Foram feitas as funções de resposta de freqüência devido ao desbalanceamento residual experimentais dos sistemas para que finalmente fosse possível realizar ajustamentos entre as curvas experimentais, utilizando os modelos implementados através do método de Mínimos Quadrados Amortecido Não Linear. Na apostila elaborada por Ferreira (2003a) é abordado balanceamento de rotores rígidos em máquina de balancear de mancais flexíveis. Ele descreve sucintamente o balanceamento em dois planos de correção pelo método dos coeficientes de influência. Ferreira (2003b), em sua apostila que trata de Série de Fourier, faz uma breve revisão sobre séries de Fourier e sua aplicação em sistemas lineares. O autor relata em termos gerais que a Série de Fourier é apresentada em termos de parcelas em seno e cosseno e em termos de amplitude e fase. Dessa forma, é apresentada a expressão da Transformada Discreta de Fourier e são sugeridas as estratégias que levam a Transformada Rápida de Fourier (FFT), as quais são muito úteis para a análise de sistemas rotativos, para a análise de desbalanceamento e na detecção de outros defeitos. O trabalho desenvolvido por C. Matos, Rocha, W. Matos e Zindeluk (1997) diz respeito a um problema real surgido em uma planta industrial, onde uma folga mecânica no mancal superior de um motor de eixo vertical gerou uma instabilidade dinâmica excitando freqüências naturais do sistema de ordem subsíncrona. Este trabalho se divide em duas partes distintas, consistindo em uma parte prática realizada em um modelo experimental que tenta se aproximar da máquina real e outra de modelagem e simulação computacional do modelo experimental utilizando programas baseados no Método de Elementos Finitos. Crede e Harris (1991) abordam em termos gerais sobre técnicas de impactos e vibrações causados por defeitos inerentes dos projetos de máquinas, em virtude dos inevitáveis erros de construção de equipamentos mecânicos. O catálogo KARL SCHENCK AG (1993) trata em linhas gerais sobre a instrumentação para medição de vibração e o procedimento para a realização de balanceamento em equipamentos de caráter rotativo. As normas ISO 1940 (1973) e NBR 8008 (1983) tratam das exigências no que tange o procedimento de balanceamento de corpos rígidos rotativos e do desbalanceamento residual permissível. Essas normas também classificam os vários tipos de rotores representativos, os
