Entendendo o Sistema Rotor-Mancal
A sistema rotor-mancal é o conjunto mecânico completo e integrado composto por um elemento rotativo rotor (um eixo com os seus componentes associados), os rolamentos que limitam o seu movimento e suportam as suas cargas, e a estrutura fixa — caixas, pedestais, estrutura e fundação — que liga os rolamentos ao solo. Em dinâmica do rotor toda esta cadeia é analisada como uma única entidade, uma vez que o comportamento dinâmico de cada parte influencia o comportamento de todas as outras.
Em vez de estudar o rotor isoladamente, uma análise dinâmica adequada do rotor trata o sistema como uma rede mecânica acoplada. As propriedades do rotor (massa, rigidez, amortecimento), as características dos rolamentos (rigidez, amortecimento, folgas) e as propriedades da estrutura de suporte (flexibilidade, amortecimento) interagem entre si para determinar o comportamento da máquina velocidades críticas, its vibração resposta, e a sua estabilidade. Basta alterar um elemento para que os outros reajam.
1. Componentes do sistema
O Conjunto do Rotor
A parte rotativa do sistema, composta por:
- Haste: o principal elemento rotativo, responsável pela maior parte da rigidez à flexão.
- Discos e rodas: impulsores, rodas de turbina, acoplamentos e polias que aumentam a massa e a inércia.
- Massa distribuída: rotores do tipo tambor, ou a massa do próprio eixo.
- Acoplamentos: as ligações ao equipamento motor ou ao equipamento acionado.
O caráter dinâmico do rotor é determinado pela distribuição da sua massa ao longo do eixo, pela rigidez à flexão do eixo (que depende do diâmetro, do comprimento e do material), e pelos seus momentos de inércia polar e diametral (que determinam o efeito giroscópico), e o seu amortecimento interno, que é normalmente reduzido. Se o eixo se comporta como um rotor rígido ou um rotor flexível no seu intervalo de funcionamento decorre diretamente dessas propriedades.
Rolamentos
Os elementos da interface que suportam o rotor e permitem a rotação dividem-se em três grandes categorias:
- Rolamentos de elementos rolantes: rolamentos de esferas e de rolos.
- Rolamentos de película de fluido: mancais de deslizamento, rolamentos de almofada basculante e mancais de encosto.
- Rolamentos magnéticos: suspensão eletromagnética ativa.
O que importa, do ponto de vista dinâmico, é a rigidez de cada rolamento (resistência à deformação sob carga, em N/m ou lbf/pol.), a sua amortecimento (dissipação de energia, em N·s/m), a reduzida massa das suas peças móveis, as suas dimensões radiais e axiais clearances (que determinam a rigidez e introduzem a não linearidade) e — o que é fundamental para os tipos de película de fluido — uma forte dependência da velocidade: a rigidez e o amortecimento de um mancal de deslizamento variam significativamente com a velocidade de funcionamento.
Estrutura de suporte
Os elementos de fundação fixos incluem o caixas de rolamentos e pedestais, a placa de base ou estrutura que os liga, a fundação de betão ou aço que transfere as cargas para o solo e quaisquer elementos de isolamento — molas, almofadas ou suportes — utilizados para controlar a vibração. O suporte confere rigidez adicional (por vezes comparável à do próprio rotor, outras vezes inferior), amortecimento através do material e das juntas, e massa que altera as frequências naturais do sistema global. Onde isso rigidez da fundação se for inadequada, pode determinar o comportamento da máquina.
2. Por que razão a análise ao nível do sistema é essencial
Comportamento acoplado
A característica distintiva do sistema é que cada componente interage com os demais:
- Deflexão do rotor exerce forças sobre os rolamentos.
- Deflexão do rolamento altera as condições de apoio do rotor.
- Flexibilidade de suporte permite que os rolamentos se movam, reduzindo a rigidez aparente dos rolamentos.
- Vibração da fundação é transmitida de volta ao rotor através dos rolamentos.
Frequências Naturais do Sistema
O frequências naturais fazem parte do sistema completo, e não de uma parte específica:
- Os rolamentos macios com um rotor rígido resultam em velocidades críticas mais baixas.
- Os rolamentos rígidos com um rotor flexível proporcionam velocidades críticas mais elevadas.
- Uma base flexível pode reduzir as velocidades críticas, mesmo quando os rolamentos são rígidos.
- A frequência natural do sistema nunca corresponde simplesmente à frequência natural do rotor por si só.
Mapeia a forma como estas frequências variam com a velocidade é exatamente o que um Diagrama de Campbell serve para, e cada cruzamento corresponde a um forma modal do sistema montado.
3. Métodos de análise
Modelos simplificados
Para o trabalho preliminar, os engenheiros recorrem a modelos reduzidos:
- Viga simplesmente apoiada: o rotor como uma viga apoiada em suportes rígidos, desconsiderando a flexibilidade dos rolamentos e da fundação.
- Rotor de Jeffcott: uma massa concentrada num eixo flexível com suportes elásticos — o modelo clássico de ensino que inclui a rigidez dos rolamentos.
- Método da matriz de transferência: o método manual tradicional para rotores de discos múltiplos.
Modelos avançados
Para uma análise precisa de máquinas reais:
- Análise por elementos finitos (FEA): um modelo detalhado do rotor com elementos elásticos que representam os rolamentos.
- Modelos de rolamentos: rigidez e amortecimento não lineares que variam em função da velocidade, da carga e da temperatura.
- Flexibilidade da fundação: um modelo de análise por elementos finitos (FEA) ou um modelo modal da estrutura de suporte.
- Análise conjunta: o sistema completo, incluindo todos os efeitos interativos.
4. Parâmetros-chave do sistema
Contribuições de rigidez
A rigidez total do sistema é uma combinação em série das rigidezes do rotor, do rolamento e da fundação:
1/ktotal = 1/krotor + 1/kconsequência + 1/kfundação
- O elemento mais flexível determina a rigidez global — tal como o elo mais fraco determina a resistência de uma corrente.
- Um caso comum na prática é a flexibilidade da fundação fazer com que a rigidez do sistema seja inferior à rigidez do rotor por si só.
Contribuições de amortecimento
- Amortecimento dos rolamentos: geralmente a fonte dominante, especialmente nos rolamentos de película de fluido.
- Amortecimento da fundação: amortecimento estrutural e do material nos suportes.
- Amortecimento interno do rotor: normalmente muito pequenas e, na maioria das vezes, ignoradas.
- Amortecimento total: a soma dos elementos de amortecimento paralelos.
5. Implicações práticas
Para projeto de máquinas
- Um rotor não pode ser projetado sem ter em conta os seus rolamentos e a sua base.
- A escolha dos rolamentos determina as velocidades críticas que podem ser atingidas.
- A rigidez da fundação deve ser adequada para suportar o rotor.
- Uma verdadeira otimização tem em conta todos os elementos em simultâneo.
Para equilibrar
- Coeficientes de influência captar a resposta do sistema completo, e não apenas do rotor.
- Equilíbrio de campo leva em consideração automaticamente as características do sistema instalado.
- O equilíbrio realizado numa bancada com um conjunto diferente de rolamentos e suportes pode não se transferir na perfeição para a máquina instalada.
- As alterações no sistema — desgaste dos rolamentos, assentamento da fundação — alteram a resposta de equilíbrio ao longo do tempo.
É precisamente por isso que a medição no local é tão valiosa. Um analisador portátil de dois canais, como o Conjunto de equilíbrio-1a equilibra o rotor nos seus próprios rolamentos, à velocidade de funcionamento, na sua base real — de modo que o amplitude-e-fase os dados que recolhe e os coeficientes de influência que calcula refletem o verdadeiro sistema rotor-rolamento em que a máquina funciona efetivamente, incluindo efeitos de suporte e térmicos que uma máquina de equilibrar nunca deteta. O desequilíbrio residual O que verifica, portanto, é a tensão residual com que o rotor irá funcionar em serviço.
Para solução de problemas
- Um problema de vibração pode ter origem no rotor, nos rolamentos ou na fundação.
- O diagnóstico deve ter em conta o sistema na sua totalidade, e não apenas uma peça suspeita.
- Uma alteração num único componente altera o comportamento do conjunto.
- Por exemplo, a deterioração das fundações pode reduzir as velocidades críticas de uma máquina para dentro da faixa de funcionamento.
6. Configurações comuns do sistema
Configuração simples entre mancais
- O rotor é suportado por dois rolamentos nas suas extremidades.
- A disposição industrial mais comum e a mais simples de analisar.
- Está em conformidade com a norma balanceamento de dois planos approach.
Configuração de rotor em balanço
- Um rotor em balanço ultrapassa o seu suporte de rolamentos.
- O braço de alavanca aumenta as cargas sobre o rolamento.
- É mais sensível ao desequilíbrio e mais propenso a um desequilíbrio no casal componente.
- É comum em ventiladores, bombas e alguns motores.
Sistemas de múltiplos rolamentos
- Um único rotor é suportado por três ou mais rolamentos.
- A distribuição da carga é mais complexa.
- O alinhamento entre os rolamentos torna-se fundamental.
- É comum em grandes turbinas, geradores e rolos de máquinas de fabrico de papel.
Sistemas de múltiplos rotores acoplados
- Vários rotores unidos por acoplamentos, como nos conjuntos motor-bomba e turbina-gerador.
- Cada rotor tem os seus próprios rolamentos, mas os sistemas estão acoplados dinamicamente.
- Esta é a configuração mais complexa de analisar.
- Desalinhamento num acoplamento gera forças de interação entre os rotores.
Encarar as máquinas rotativas como um sistema integrado de rotor e rolamentos — em vez de um conjunto de componentes isolados — é fundamental para um projeto, uma análise e uma resolução de problemas eficazes. A perspetiva ao nível do sistema explica muitos fenómenos de vibração que, isoladamente, não fazem sentido, e aponta o caminho para medidas corretivas que realmente funcionam, garantindo um funcionamento fiável e eficiente.
