A IMPORTÂNCIA DE ALINHAMENTO ENTRE EIXOS Manutenção Preditiva Alinhamentos. Introdução

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2 Introdução As perguntas mais freqüentes formuladas por gerentes, engenheiros, supervisores, contratantes, profissionais da área, referentes ao alinhamento (ou desalinhamento) de eixos e sua importância na manutenção industrial de máquinas rotativas são discutidas a seguir. O que é, exatamente, alinhamento de eixos? Em termos bastante simples, desalinhamento de eixos ocorre quando as linhas de centro dos eixos de rotação de duas (ou mais) máquinas não estão em linha um com o outro. Por mais simples que isso possa parecer existe uma considerável confusão que é feita pelas pessoas que estão justamente iniciando o estudo dessa matéria, quando tentam definir precisamente a quantidade de desalinhamento que pode existir entre dois eixos ligados por acoplamentos rígidos ou flexíveis. Qual a precisão que um alinhamento deve ter? Como você mede o desalinhamento quando existem tantos tipos diferentes de projetos de acoplamentos? Onde o desalinhamento deve ser medido? O desalinhamento é medido em... mils, graus, milímetros de ofsete, arcosegundos, radianos? Quando o alinhamento deve ser medido... Quando as máquinas estão paradas ou quando elas estão rodando? Em termos mais precisos, o desalinhamento de eixos é o desvio da posição relativa do eixo de um eixo colinear de rotação medida nos pontos de transmissão de força (ou potência) quando o equipamento está rodando nas condições normais de operação. Para entender melhor esta definição, vamos dissecá-la em partes de modo a ilustrar claramente o que está envolvido. O desvio relativo à posição do eixo é calculado pela medida da diferença entre a linha de centro atual de rotação de um eixo e a linha de centro de rotação projetada do outro eixo. Figura 1 Condição típica de desalinhamento

3 Mostra uma situação típica de desalinhamento em um motor e uma bomba. Para um acoplamento flexível aceitar ambos, desalinhamentos paralelo e angular, deve haver pelo menos dois pontos onde o acoplamento possa ter flexibilidade ou acomodar a condição de desalinhamento. Pela projeção do eixo de rotação do motor em direção ao eixo da bomba e vice versa, há um desvio mensurável entre os eixos de rotação projetados de cada eixo e a linha de centro atual de cada eixo onde a potência está sendo transmitida através do acoplamento de um ponto flexível a outro. Desde que nós medimos o desalinhamento em dois planos diferentes vertical e horizontal, deverão existir quatro desvios que ocorrem em cada acoplamento. No exemplo mostrado, note que há um desvio horizontal e um desvio vertical no ponto de transmissão de potência, tanto no motor quanto na bomba. O objetivo da pessoa que está fazendo o alinhamento é posicionar as carcaças de tal modo que esses desvios estejam abaixo de certos valores de tolerâncias, ou toleráveis. Um guia para essas tolerâncias está mostrado na figura 2 que ajudará a estabelecer a meta para o pessoal que está executando o alinhamento. Figura 2 Guia de tolerância de alinhamento de eixos

4 A última parte da definição de alinhamento de eixos é provavelmente a mais difícil de se obter e usualmente um aspecto do alinhamento que é geralmente mais ignorado. Quando se dá partida nos equipamentos rotativos os eixos se movem para outra posição. A causa mais comum desse movimento é devido a variações de temperaturas que ocorrem nas carcaças das máquinas e daí esse movimento é comumente referido como alinhamento a frio e a quente. Essas variações de temperatura são causadas pela fricção nos mancais ou por variações térmicas que ocorrem líquidos e gases do processo. O movimento das máquinas pode também ser causado por reação ao processo de conectar uma tubulação ou contra-reação devida à rotação do rotor, algo parecido às forças que você experimenta quando tenta mover seu braço com um giroscópio girando em sua mão Qual é o objetivo de um alinhamento preciso? De modo simples, o objetivo do alinhamento de eixos é aumentar o período de operação de máquinas rotativas. Para atingir esse objetivo, os

5 componentes das máquinas que estão mais sujeitos à falhas devem trabalhar dentro dos seus limites de projeto. Desde que os componentes que estão mais sujeitos a falhas são os mancais, selos, acoplamentos e eixos, o alinhamento preciso das máquinas atingirá os seguintes resultados: Reduzir forças radiais e axiais excessivas sobre os mancais para garantir vida maior aos mancais e estabilidade ao rotor sob condições dinâmicas de operação. Minimizar o empeno de eixo do ponto de transmissão de potência no acoplamento ao mancal lado acoplamento. Minimizar o desgaste nos componentes do acoplamento. Reduzir as falhas nos selos mecânicos. Manter as folgas internas apropriadas no rotor. Eliminar a possibilidade de falha do eixo por fadiga cíclica. Menores níveis de vibração nas carcaças das máquinas, caixas de mancal, e rotores. (*) freqüentemente, pequenos valores de desalinhamento podem diminuir níveis de vibração em máquinas por isso precauções devem ser tomadas com relação a vibração e desalinhamento. Quais são os sintomas do desalinhamento? Desalinhamento não é fácil de detectar nas máquinas que estão rodando. As forças radiais transmitidas de eixo para eixo são tipicamente forças estáticas (isto é, uni direcionais) e são difíceis de medir externamente. Para nosso desapontamento, não existem analisadores ou sensores que possam ser instalados no lado externo das máquinas para medir o quanto de força está sendo aplicado aos mancais, eixos e acoplamentos. Consequentemente o que nós atualmente vemos são efeitos secundários dessas forças que são exibidos através dos seguintes sintomas: Falhas prematuras de mancal, selo, eixo e acoplamento. Vibração excessiva no sentido radial e axial. (*) testes tem demonstrado que diferentes projetos de acoplamentos mostram diferentes tipos de comportamento de vibração. Parece que a vibração é causada pela ação mecânica que ocorre no acoplamento quando ele roda. Altas temperatura de carcaça no e próximas aos mancais ou altas temperaturas de descarga do óleo. Vazamento excessivo de óleo nos retentores ou selos do mancal. Parafusos de fundação frouxos. Parafusos do acoplamento frouxos ou quebrados.

6 Alguns projetos de acoplamentos flexíveis rodam quentes sob condições de desalinhamento. Se é um tipo com elastômero, procure por pó de borracha dentro da proteção do acoplamento. Peças de equipamentos similares estão vibrando menos ou parecem ter uma maior vida em operação. Alto número de falhas em acoplamentos (não usual) ou desgaste rápido deles. Eixos quebram ou trincam no ou próximo do mancal (rolamento) ou cubo do acoplamento. Quantidade excessiva de graxa (ou óleo) no lado interno da proteção do acoplamento. O que acontece à máquina rotativa quando está desalinhada só um pouco, moderadamente ou por vezes severamente? O desenho mostrado na figura 3 ilustra o que acontece a uma máquina rotativa quando está desalinhada. Apesar da condição de desalinhamento mostrada aqui estar um tanto exagerada, ela tenta indicar qual o eixo da máquina rotativa sofrerá distorção (isto é empeno) quando cargas verticais ou laterais forem transferidas de eixo para eixo.

7 Figura 3 Distorção do eixo devido a desalinhamento excessivo Flexíveis fazem justamente aquilo para o qual eles foram projetados, eles flexionam para acomodar desalinhamentos leves. Mas os eixos são flexíveis também, e quando o desalinhamento torna-se mais severo, mais os eixos começam a flexionar também. Tenha em mente que os eixos não são permanentemente fletidos ou empenados, eles estão elasticamente curvados quanto eles são submetidos a rotação. Note também que o eixo da bomba, neste exemplo, está exercendo uma força para baixo sobre o mancal do lado interno do motor, enquanto ele tenta trazer o eixo do motor para estar em linha com a sua linha de centro de rotação. Por outro lado, o eixo do motor exerce uma força para cima no mancal interno da bomba desde que ele tenta trazer o eixo da bomba em linha com

8 sua linha de centro de rotação. Se as forças de eixo para eixo são bastante grandes, o vetor força pode estar para cima no mancal externo do motor e para baixo no mancal externo da bomba. Talvez a razão porque o desalinhamento de maquina possa não vibrar excessivamente é devido, em parte, ao fato que essas forças estão atuando na mesma direção. Forças de rotores desbalanceados, por exemplo, mudarão suas direções enquanto o ponto pesado esteja continuamente se movendo (em volta) quando o eixo gira, causando por isso vibração. Forças de desalinhamento de eixo não se movem (em volta); elas usualmente atual em uma única direção. A carta na figura 4 ilustra o tempo estimado para a falha de uma peça típica de equipamento rotativo baseado na variação das condições de alinhamento. O termo falha, aqui, implica uma degradação de qualquer componente crítico da máquina tal como os selos, mancais, acoplamento ou rotores. Os dados neste gráfico foram compilados de um grande número de histórico de casos onde o desalinhamento foi definido como sendo a causa raiz de falha da máquina. Figura 4 Tempo estimado para falha de maquinas rotativas

9 devido aos vários graus de desalinhamento do eixo menores níveis de vibração nas carcaças das máquinas, caixas de mancal, e rotores. (*) freqüentemente, pequenos valores de desalinhamento podem diminuir níveis de vibração em máquinas por isso precauções devem ser tomadas com relação a vibração e desalinhamento. Quanto tempo leva cada passo do procedimento de alinhamento? São oito os passos básicos para o trabalho total de alinhamento: 1. Preparação ferramentas, pessoas, treinamento 2. Obter informações relevantes sobre as máquinas a serem alinhadas. São necessárias ferramentas especiais para medir o alinhamento ou reposicionamento das máquinas? As máquinas se movem da posição off-line para condições de operação? Se sim, quanto e... você tem que desalinhá-las propositalmente de modo que elas se movam para a posição de alinhamento quando estiverem em operação normal? 3. Antes de você começar o trabalho em uma máquina lembre-se... Segurança em primeiro lugar! Identifique e desligue a máquina. 4. Verificações preliminares: runout, pé manco (soft foot), acoplamento está OK?, mancais OK?, fundação OK?, base (skid) OK?. A tubulação está forçando a máquina? 5. Meça a posição dos eixos. Eles estão dentro das tolerâncias de alinhamento aceitáveis? 6. Decida quem necessita ser movida (qual a maneira e quanto) e então fisicamente reposicione a(s) máquina(s) verticalmente, lateralmente e axialmente. Depois que você tiver feito um movimento, volte ao passo 5 e verifique para ver se as máquinas realmente foram movimentadas do modo que você esperava que fossem. 7. Instale o acoplamento e verifique se o equipamento acionado roda livre. Instale a proteção do acoplamento. 8. Rode a máquina e faça as verificações necessárias. Quanto tempo leva para alinhar uma máquina? O gráfico da figura 5 mostra o tempo médio total que leva para fazer os passos de 2 a 8. O passo 1 não está no gráfico desde que procurar todas as ferramentas necessárias e treinar todos que estão envolvidos pode levar um tempo considerável. Como pode se ver, os dois maiores tempos consumidos nas tarefas de alinhamento são: executar as verificações de integridade mecânica e movimentar as máquinas para alinhar os eixos. Não é de todo incomum para um alinhamento preciso levar de 3 a 8 horas, assumindo que tudo esteja certinho!

10 Figura 5 Tempo estimado para executar os passos de alinhamento Como eu posso reduzir o tempo total para alinhar apropriadamente? Em primeiro lugar, as pessoas que são alinhadores de máquinas devem conhecer o que eles estão fazendo e ter uma meta para alcançar. Eles também necessitam acessar todas as ferramentas necessárias para executar o trabalho e as ferramentas devem estar funcionando perfeitamente. Se sua empresa comprou um sistema de medição de alinhamento caro que permanece trancado em um armário, ele não valerá nada se não puder ser usado quando necessitarem dele. É também importante ter um sistema de alinhamento que possa lhe fornecer, com alternativa de movimento, soluções quando reposicionar as máquinas. A chave para o sucesso no alinhamento de máquinas vem da habilidade de se chegar a solução que é possível realizar e minimiza os movimentos requeridos no pé. Cálculos apurados do movimento necessário no pé da máquina são desnecessários se você não pode mover a máquina a quantidade que o sistema de alinhamento está lhe pedindo. Qual a freqüência que o alinhamento deve ser verificado? Como mencionado previamente máquinas rotativas podem mover imediatamente depois de dada a partidas. Isso ocorre rapidamente e o(s) eixo(s) adotam como que uma posição permanente após a estabilização da

11 condição térmica ou do processo ser estabilizada (qualquer coisa entre 2 horas e 1 semana dependendo do caso). Entretanto há variações mais vagarosas e mais sutis que ocorrem em longos períodos de tempo. As máquinas mudarão vagarosamente a sua posição do mesmo modo que a sua entrada de garagem fica saliente ou a fundação do seu prédio trinca. A acomodação do solo sob a maquina pode causar movimento de toda a fundação. Tanto quanto as fundações se movam vagarosamente, as tubulações conectadas exercerão esforços sobre os equipamentos causando modificações no alinhamento. Variações sazonais de temperatura causarão variações também no concreto, base metálica, tubulações e dutos seja expandindo-os ou contraindo-os. É recomendável que em equipamentos recém instalados (novos) seja feita verificação quanto a mudanças no alinhamento de 3 a 6 meses após a entrada em operação. Baseado no que for encontrado durante a primeira ou segunda verificação do alinhamento, adeqüe a sua inspeção para o melhor ajuste para do trem de máquinas. Em média, alinhamento de eixos em todos os equipamentos deveria ser verificado, digamos, anualmente. Não fique constrangido ao ler isso pois você não é a única pessoa que não tem feito verificações nas suas máquinas desde que foram instaladas. Quanto dinheiro eu deveria gastar em ferramentas e treinamento? Eu suponho que uma boa regra é investir 1% do custo de substituição total de todas as suas máquinas rotativas em ferramentas e treinamento em alinhamento como um valor base anual. Por exemplo, se você tem 20 trens de máquinas na sua planta valendo US$5000,00 cada (total US$ ,00) então você deveria investir US$ 1.000,00 em alinhamento todo ano. Esses gastos deveriam cobrir ferramentas e treinamento e não tempo e materiais necessários para serviços de alinhamento. Como eu posso saber se as empresas terceirizadas estão fazendo alinhamento de modo apropriado? Inclua algumas cláusulas no seu contrato que exijam o fornecer a você os dados iniciais de alinhamento, situações de pé-manco (soft-foot) e as correções efetuadas, runnout lidos nos eixos e cubos, dados de alinhamento final, o quanto as máquinas foram movidas, e a tolerância final de alinhamento. Não se sinta satisfeito com respostas do tipo... Nós usamos relógio comparador ou Nós usamos um laser. Relógios comparadores e lasers não movem máquinas; as pessoas o fazem.