Balanceamento de ventiladores industriais através do posicionamento ótimo das placas de desgastes

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1 01 a 03 de Junho de Fortaleza - Ceará Balanceamento de ventiladores industriais através do posicionamento ótimo das placas de desgastes André Gustavo Resende Lima (UFSJ) - Prof.: Dr. Jorge Nei Brito (UFSJ) - Resumo. Um dos problemas críticos de desbalanceamento apresenta-se nos ventiladores industriais de grande porte. O desbalanceamento implica na destruição dos mancais, danos nas fundações e vibração excessiva em algumas máquinas da planta industrial. Neste trabalho, apresenta-se uma metodologia para o posicionamento "ótimo" das placas de desgastes nos rotores dos ventiladores industriais, permitindo que o nível de desbalanceamento fique dentro dos limites toleráveis por normas técnicas. Isto possibilita à equipe de manutenção proceder a troca das placas de desgastes de forma mais rápida, ao mesmo tempo em que realizará o balanceamento do rotor. Este procedimento é possível através do programa Balance Service, desenvolvido em linguagem C ++ Builder, orientado a objeto. Para realizar o balanceamento, deve ser fornecido ao programa o número de placas e seus respectivos pesos. Inicialmente, o programa calcula o nível de desbalanceamento para a seqüência inicial. Em seguida, fornece a melhor seqüência para o posicionamento das placas e seu respectivo nível de desbalanceamento. Tem-se, também, a opção de refinar o balanceamento através de uma massa de correção. Essa metodologia foi comprovada através testes experimentais, utilizando-se a técnica de análise de vibração. Os sinais foram coletados através do coletor/analisador de dados UltraSpec Palavras-chave: Desbalanceamento; Placas de desgastes; Ventiladores industriais. 1 - INTRODUÇÃO Com o avanço tecnológico, em todas as áreas, a engenharia passou a ter altos níveis de desenvolvimento em equipamentos e técnicas de acompanhamento de seu desempenho no campo, Brito (00). Paralelamente às técnicas de projeto, fabricação, controle, entre outras, tem-se as técnicas de balanceamento que são responsáveis pelas sutilezas nos requisitos de montagens e manutenção de máquinas de alto desempenho. A boa qualidade do balanceamento assegura vibrações mínimas das peças móveis, especialmente dos rotores. Isto implica em níveis mais baixos de esforços dinâmicos, principalmente sobre os mancais, Brito (00). Como resultado geral, além do desempenho superior, as máquinas balanceadas exigem menor número de paradas para manutenção. Este fato, sob todos os pontos de vistas, é de grande vantagem econômica, justificando plenamente os investimentos necessários para o balanceamento das máquinas, Almeilda (1994). Segundo Hartog (1989) desde a fase de concepção do projeto de uma máquina, devem-se considerar seu balanceamento reduzindo, significativamente, suas fontes de desbalanceamento. Desta forma, busca-se determinar a locação dos pontos de balanceamento, facilitando as correções com um mínimo de tempo. Apesar de todas as precauções, sempre existirá algum desbalanceamento. Ele provocará vibrações, que tendem a deteriorar as estruturas de suporte, rotores, mancais, etc. Um dos problemas críticos de desbalanceamento apresenta-se nos ventiladores industriais de grande porte, Figura (1). O desbalanceamento implica, além dos itens já citados, na destruição dos mancais, danos nas fundações e vibração excessiva em algumas máquinas da planta industrial.

2 01 a 03 de Junho de Fortaleza - Ceará Figura 1 - Rotor de um ventilador industrial. Os rotores dos ventiladores industriais, de aproximadamente seis metros de diâmetro, possuem de 5 a 11 hélices. Em cada hélice, coloca-se uma placa de desgaste. As placas de desgastes são substituídas, pelo menos, duas vezes por ano e pesam, aproximadamente, 50 kg cada. As placas são entregues para montagem com significativa variação de pesos e, conseqüentemente, provocam o desbalanceamento do ventilador. Para agilizar a manutenção, evita-se de fazer o balanceamento dinâmico em campo. Isto significa que, se as placas de desgastes forem posicionadas corretamente, ter-se-á o balanceamento estático do ventilador. Isto é possível através do posicionamento "ótimo" das placas de desgastes nos rotores dos ventiladores industriais. Atualmente, o balanceamento do rotor dos ventiladores industriais é realizado a partir da distribuição das hélices. Procura-se colocar, distante 180º, as placas de desgaste de igual peso de forma a distribuí-las uniformemente. Quando se tem número ímpar de hélices, este procedimento torna-se ainda mais difícil. Neste caso, o procedimento é realizado quase que empiricamente. Em termos estatísticos, pode-se estimar em 1, em 1050, a possibilidade de acerto de uma distribuição adequada ao balanceamento. As forças geradas no desbalanceamento, mesmo que pequenas, aumentam em muito o trabalho das partes da máquina. Isto ocasionará, no mínimo, uma redução de sua vida útil. O balanceamento é o toque final de todo bom projeto, indispensável ao bom funcionamento das máquinas rotativas, Thonson (1978). - METODOLOGIA UTILIZADA Um rotor é considerado rígido quando ele não se deforma na velocidade de operação. Na Figura, tem-se um rotor rígido desbalanceado. Centro de massa = do centro de rotação Massa desbalanceadora Centro do rotor Centro de massa Rotação Figura - Rotor Rígido desbalanceado.

3 01 a 03 de Junho de Fortaleza - Ceará Em um rotor desbalanceado, o eixo de rotação não coincide com um dos eixos de inércia (centro de massa, por exemplo). Com isto, aparecerá uma força centrípeta no local onde estiver a massa desbalanceadora. Também, sabe-se que, se uma massa se move em uma circunferência de raio R com velocidade escalar uniforme (considera-se que a rotação do motor seja constante), ela será acelerada na direção do centro da circunferência. Para provocar esta aceleração, a resultante das forças que atuam sobre a massa deve estar dirigida para o centro da circunferência. Portanto, tem-se que a força centrípeta que atua na massa colocado no rotor é dada pela Equação (1). F = m rw (1) Sabe-se que esta força centrípeta, juntamente com a força peso, provoca reações alternadas nos apoios, ou seja, vibrações. O processo de controle destas forças é conhecido como balanceamento, Halliday e Resnick (1994). Para se efetuar o balanceamento do rotor, basta que o centro de gravidade ou um dos eixos principais de inércia volte a coincidir com o eixo de rotação. Isto é possível quando todas as reações dos eixos X e Y, proveniente das resultantes que atuam no rotor, sejam anuladas ou minimizadas ao máximo entre si. Dessa forma o centro de gravidade ficará bem próximo do eixo de rotação. De acordo com a lei dos co-senos obtém-se assim o valor da resultante das massas localizadas no primeiro, segundo, terceiro e quarto quadrante; dada pela equação (), onde R é a força resultante, P a força peso, F a força centrípeta e β é o ângulo onde se encontra a massa. R = P + F - PFcosβ ().1 - Definição do melhor posicionamento das placas Calculadas as reações R x e R y, faz-se com que o somatório das reações se anule ou se minimizem ao máximo. Isto é possível quando as placas modificam-se de lugar até encontrar o menor valor possível. Este procedimento é realizado através de um algoritmo, desenvolvido em linguagem C ++ que retorna a vibração do motor antes e após o balanceamento, a posição que as placas devem ficar no rotor e a massa de correção devido ao desbalanceamento residual (quando necessário).. - Definição da massa de correção Com a resultante das forças que ainda atuam no rotor e com as placas já na melhor posição calculada, a massa de correção é definida como mostra a Equação (3). R = ( mg) + ( mrω ) - ( m r ω )( mg) cos(θ) (3) Isolando-se a massa na Equação (3) obtém-se a equação que retorna o valor da massa de correção. O ângulo θ é a posição, em graus, onde a massa deverá ficar, ou seja, a 180º em relação à massa desbalanceadora. 3 - ALGORITMO PARA LOCALIZAÇÃO DA MELHOR POSIÇÃO DAS MASSAS Na Figura (3), tem-se o algoritmo para localização da melhor posição das massas no rotor. O programa foi desenvolvido utilizando-se linguagem C ++ orientada a objeto.

4 01 a 03 de Junho de Fortaleza - Ceará Entrada de D ados Quantidade de placas de desgastes Rotação do motor Valores das massas das placas A lgoritim o utilizando a nova metodologia para calcular as reações Algoritimo para preenchimento da m atriz das reações Rx e Ry Algortimo que retorna o menor valor de Rxy V alor m uito alto! Não Sim Localização do centro de massa do rotor Contador Resposta da massa de correção Resposta da vibração Resposta da melhor posição das massas no rotor Figura 3 - Esquema do algoritmo usado. O programa Balance Service possui três partes distintas. Na primeira parte, entra-se com o valor da rotação do motor, com a quantidade de placas de desgastes e suas respectivas massas. Na segunda calcula-se as reações R x e R y que atuam no rotor devido a colocação das massas. Na terceira parte tem-se as respostas, ou seja: melhor posição para as massas de balanceamento; vibração do motor antes e depois de ser balanceado; a massa de correção e sua respectiva posição (caso haja necessidade de diminuir mais ainda a vibração). Nas Figuras (4) a (9), tem-se as telas da versão atual do programa. Na Figura (4), tem-se as opções de entrar com "Dados da Máquina", "Quantidade de Massas", "Balancear" e "Massa de Correção". Na Figura (5), tem-se as opções de entrar com a rotação em RPM ou Hz.

5 01 a 03 de Junho de Fortaleza - Ceará Figura 4 - Tela principal do programa Balance Service Figura 5 - Tela para entrada de dados Na Figura (6), tem-se as opções de entrar com "Quantidade de Placas de Desgaste e suas respectivas massas em quilogramas ou gramas. Esta versão está implementada para até doze placas de desgastes, visando atender os casos reais das indústrias (ventiladores industriais). Figura 6 - Tela para entrada de dados

6 01 a 03 de Junho de Fortaleza - Ceará Na Figura (7), tem-se a tela do estado inicial da máquina. Mostra as reações R x e R y, a vibração da máquina e a posição do centro de massa. Figura 7 - Tela do estado inicial da máquina Na Figura (8), tem-se a tela do início do balanceamento. Mostra as melhores posições para colocação das massas (placas de desgaste) as forças residuais o novo nível de vibração e a nova posição do centro de massa. Figura 8 - Tela principal para o balanceamento

7 01 a 03 de Junho de Fortaleza - Ceará Finalmente, na Figura (9), tem-se o valor da massa de correção e sua respectiva posição. Figura 9 - Tela para a massa de correção 4 - RESULTADOS Realizou-se diversas simulações no Laboratório de Sistemas Dinâmicos (LASID), utilizando-se a metodologia para melhor posicionamento das placas de desgastes, onde os resultados obtidos foram plenamente satisfatórios. A seguir, apresenta-se uma das simulações feita com nove massas diferentes. Na Figura (10), tem-se a bancada experimental. As massas de desbalanceamento foram introduzidas nos discos, simulando o rotor do ventilador industrial. Figura 10 - Bancada de teste. Para coleta dos sinais de vibração, usou-se o equipamento UltraSpec Trata-se de um coletor e analisador de sinais da CSI, que digitaliza e memoriza os sinais e as informações neles contidas. Essas informações podem ser analisadas diretamente no próprio equipamento, ou então transferidas para o computador através do software de apoio UltraManager. Nesta opção, tem-se um ambiente mais confortável de trabalho, permitindo análises detalhadas, geração de relatórios técnicos e montagem dos bancos de dados, Brito (00). Colocou-se nove massas de pesos diferentes aleatoriamente eqüidistantes de 40º cada. Os valores das massas são: 1,45 g; 1,59 g; 1,96 g; 1,95 g; 1,0 g; 1,41 g; 1,44 g; 11,69 g; 13,15 g. Na Figura (11), tem-se o espectro de vibração do motor desbalanceado após a colocação aleatória das massa (simulação das placas de desgastes - A = 9,61 mm/s).

8 01 a 03 de Junho de Fortaleza - Ceará 10 BaSe - BANCADA DE TESTE ESMERIL -111 BALANCE SERVICE JOB ID: TEN/COR 09-OCT-77 00:00 8 PK VELOCITY IN MM/SEC FREQUENCY IN Hz ORDR: FREQ: SPEC: Figura 11 Espectro do motor desbalanceado com as massa aleatórias Na Figura (1), tem-se o novo espectro de vibração do motor com as massas colocadas nas suas melhores posições (A = 1,190 mm/s), utilizando-se a metodologia desenvolvida neste projeto. 10 BaSe - BANCADA DE TESTE ESMERIL - BALANCE SERVICE1 JOB ID: TEN/COR 6-SEP-85 00:00 8 PK VELOCITY IN MM/SEC FREQUENCY IN Hz ORDR: FREQ: SPEC: Figura 1 - Espectro do motor com as massas nas melhores posições Após inserir as nove massas aleatoriamente, o nível de vibração coletado foi de 9,61 mm/s Figura (11), o que já era esperado. Utilizando-se a metodologia desenvolvida neste projeto, reordenou-se as massas nas melhores posições, e o nível de vibração caiu para 1,190 mm/s, Figura (1), ou seja, houve uma redução significativa do nível de vibração. 5 - CONCLUSÃO Com esta nova metodologia haverá uma grande redução no tempo de troca das placas de desgastes dos ventiladores. Dessa forma, a equipe de manutenção terá condições de proceder a troca das placas de desgastes de forma mais precisa, ao mesmo tempo em que realizará o balanceamento do rotor.

9 01 a 03 de Junho de Fortaleza - Ceará 6 - AGRADECIMENTOS Os autores expressam sinceros agradecimentos a FAPEMIG (Fundação de Amparo a pesquisa do estado de Minas Gerais) e ao CREA-MG (Conselho Regional de Engenharia, Arquitetura e Agronomia de Minas Gerais). 7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Almeida, M. T., Góz, R. D. S., Curso de Vibrações em Motores. FUPAI, Itajubá, MG. Brito, J. N., 00. Desenvolvimento de um sistema inteligente híbrido para diagnóstico de falhas em motores de indução trifásicos. Campinas: Universidade Estadual de Campinas, 14p. Tese (Doutorado). CSI User s Manual, UltraSpec Balance. Computational Systems, Incorporated CSI User s Manual, UltraMar for Windows. Computational Systems, Incorporated. Hartog, J. P., Mechanical Vibrations - New York : Dover Publications, Inc. Halliday e Resnick, Fundamentos de Física, Vol.I - Mecânica. 3 a Edição. Editora LTC. Thonson, W. T., Teoria da Vibração com Aplicações. Rio de Janeiro: Interciência.

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