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O que é atrito em máquinas rotativas? Contato por fricção

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Entendendo o atrito em máquinas rotativas

Definição: O que é fricção?

Fricção é o contato por atrito e o movimento de deslizamento relativo entre componentes rotativos e estacionários em máquinas. Este termo enfatiza o aspecto de atrito contínuo. contato rotor-estator, O atrito, que se distingue do contato leve e intermitente ou de impactos, gera forças de fricção, produz calor significativo através do trabalho de fricção e cria uma sensação distinta. vibração Padrões caracterizados por rotação retrógrada, componentes subsíncronos e efeitos térmicos.

O termo "atrito" é frequentemente usado como sinônimo de "atrito do rotor", embora o atrito às vezes enfatize os aspectos de fricção e térmicos do contato, enquanto o atrito do rotor pode incluir todas as formas de contato, incluindo raspagens leves ou impactos.

Mecânica do atrito por fricção

Modelo de Atrito de Coulomb

O atrito segue os princípios do atrito seco (atrito de Coulomb):

  • Força de atrito: F = µ × N, onde µ é o coeficiente de atrito e N é a força normal.
  • Direção: Opõe-se sempre ao movimento relativo entre superfícies.
  • Coeficientes típicos: Aço sobre aço µ ≈ 0,3-0,5; aço sobre material de vedação µ ≈ 0,2-0,4
  • Geração de calor: Todo o trabalho de fricção é convertido em calor.

Forças tangenciais e normais

Durante a fricção:

  • Força normal: Empurra radialmente para dentro no rotor
  • Força de atrito: Atua tangencialmente, opondo-se à rotação.
  • Força resultante: A combinação tende a desacelerar o rotor e desviá-lo para trás.
  • Aumento de torque: O atrito dissipa a potência, aumentando a necessidade de torque de acionamento.

Padrões de vibração característicos

Giro reverso

A característica mais distintiva da fricção é o movimento de rotação para trás (reverso):

  • A força de atrito cria uma componente tangencial que impulsiona o movimento orbital retrógrado.
  • Haste órbita gira no sentido oposto ao da rotação do eixo.
  • Frequência tipicamente subsíncrona (inferior a 1× a velocidade)
  • Frequências comuns: 0,5×, 0,33×, 0,25× (ordens fracionárias)
  • A forma da órbita costuma ser irregular ou distorcida.

Características do espectro

  • Picos subsíncronos: Múltiplos picos abaixo de 1×, frequentemente em harmônicos fracionários.
  • Componente síncrono: 1× pode aumentar devido às forças de atrito
  • Harmônicos superiores: 2×, 3×, 4× devido ao atrito não linear
  • Ruído de banda larga: Nível de ruído elevado em todo o espectro.
  • Espectro Instável: Os picos aparecem, desaparecem ou mudam de frequência.

Recursos de forma de onda de tempo

  • Eventos impulsivos ou picos quando o contato é iniciado
  • Recorte ou achatamento nos pontos de deflexão máxima.
  • Forma de onda irregular e não senoidal
  • Padrões de batimento de múltiplas frequências presentes

Efeitos térmicos do atrito

Geração de calor

O atrito converte energia mecânica em calor:

  • Avaliar: Potência dissipada = Força de atrito × Velocidade de deslizamento
  • Magnitude: Esfregar levemente: 10-100 watts; esfregar intensamente: quilowatts
  • Concentração: Calor concentrado em uma pequena área de contato
  • Aumento de temperatura: Em casos graves, as temperaturas locais podem ultrapassar os 500 °C.

Desenvolvimento do Arco Térmico

O circuito de retroalimentação calor-vibração:

  1. O atrito inicial gera calor em um dos lados do eixo.
  2. O aquecimento assimétrico cria arco térmico
  3. A curvatura térmica aumenta a deflexão do eixo.
  4. O aumento da deflexão causa um atrito mais severo.
  5. Mais atrito gera mais calor.
  6. O feedback positivo pode levar a um fracasso rápido.

Efeitos térmicos secundários

  • Aquecimento do rolamento: O calor é conduzido através do eixo até os rolamentos.
  • Degradação do petróleo: Temperaturas excessivas degradam o lubrificante.
  • Alterações materiais: Transformações de fase ou alterações metalúrgicas em zonas afetadas pelo calor.
  • Estresse térmico: Pode iniciar fissuras em regiões termicamente tensionadas.

Métodos de detecção

Monitoramento de vibração

  • Alarmes subsíncronos: Atenção para picos entre 0,3 e 0,5 vezes a velocidade de corrida.
  • Monitoramento de órbita: Análise automatizada de órbitas com detecção de rotação retrógrada
  • Alterações espectrais: Algoritmos para detecção do aparecimento repentino de múltiplos harmônicos
  • Recorte de forma de onda: Detecção de distorção não sinusoidal

Monitoramento de temperatura

  • Sensores de temperatura de rolamentos com alarmes de aumento rápido
  • Monitoramento da temperatura por infravermelho em seções expostas do eixo.
  • Monitoramento da diferença de temperatura (rolamento superior vs. rolamento inferior)
  • Alarmes de taxa de variação (ex.: > 5°C/minuto)

Indicadores adicionais

  • Aumento de torque: O consumo de energia aumenta devido ao atrito.
  • Flutuação de velocidade: Pequenas variações de velocidade devido à variação do torque de fricção
  • Emissão acústica: Som de alta frequência proveniente do contato
  • Inspeção visual: Desgaste, detritos, descoloração, danos visíveis

Ações de Resposta

Ações imediatas

  1. Reduzir a gravidade: Diminua a velocidade ou a carga, se for seguro fazê-lo.
  2. Acompanhe atentamente: Observação contínua de vibração e temperatura.
  3. Prepare-se para a paralisação: Tenha um sistema de desligamento de emergência pronto.
  4. Parada de emergência: Se houver aumento de vibração ou temperatura
  5. Permitir tempo de espera: Ligue o mecanismo de rotação ou permita o resfriamento natural antes da inspeção.

Investigação

  • Inspecione para verificar se há evidências físicas de contato.
  • Meça as folgas nos locais suspeitos de atrito.
  • Verifique se há curvatura térmica ou curvatura permanente do eixo.
  • Identificar a causa raiz (vibração excessiva, folga insuficiente, etc.)

Ações corretivas

  • Aumentar as folgas: Remova as áreas danificadas ou substitua os componentes.
  • Abordar a causa raiz: Balancear o rotor, corrigir o alinhamento, solucionar problemas nos rolamentos.
  • Substitua as peças danificadas: Retentores, componentes de rolamentos, seções de eixo conforme necessário
  • Verificar autorizações: Confirme se há folgas adequadas em todos os locais antes de reiniciar.

O atrito é uma das falhas mais graves relacionadas à vibração em máquinas rotativas. Seu potencial de rápida escalada por meio da retroalimentação térmica exige reconhecimento imediato, resposta rápida e correção completa para evitar falhas catastróficas em equipamentos críticos.

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