Compreensão do atrito em máquinas rotativas
Fricção é o contacto por fricção e o movimento de deslizamento relativo entre componentes rotativos e estacionários de uma máquina. O termo enfatiza o aspeto de fricção contínua de contato rotor-estator, distinguindo-o do contacto ligeiro e intermitente ou dos impactos isolados que também podem ocorrer. A fricção gera forças de fricção, liberta um calor significativo através do trabalho de fricção e produz uma vibração assinatura dominada por um turbilhão para trás, subsíncrono componentes e efeitos térmicos. É uma das falhas mais perigosas que uma máquina rotativa pode desenvolver, porque pode evoluir para uma avaria em poucos minutos.
“Fricção” e “fricção do rotor” são frequentemente utilizadas como sinónimos. Na prática, a fricção tende a realçar o lado da fricção e térmico do contacto, enquanto a fricção do rotor é o termo mais amplo que abrange todas as formas de contacto — desde uma ligeira raspagem até impactos fortes.
1. A mecânica de fricção da fricção
Modelo de Atrito de Coulomb
A fricção obedece aos princípios do atrito seco (Coulomb):
- Força de fricção: F = μ × N, em que μ é o coeficiente de atrito e N é a força normal que pressiona as superfícies uma contra a outra.
- Direção: a força de atrito opõe-se sempre ao movimento relativo entre as superfícies em contacto.
- Coeficientes típicos: aço sobre aço μ ≈ 0,3-0,5; aço sobre material de vedação μ ≈ 0,2-0,4.
- Geração de calor: essencialmente todo o trabalho de fricção é convertido em calor no contacto.
Forças tangenciais e normais
Durante o contacto, dois componentes de força actuam sobre o rotor:
- Força normal: empurra radialmente para dentro o rotor no ponto de fricção.
- Força de fricção: actua tangencialmente, opondo-se à rotação.
- Força resultante: a combinação tende a abrandar o rotor e a desviá-lo para trás, contra o sentido da rotação.
- Aumento do binário: o atrito dissipa a potência, aumentando o binário de acionamento que a máquina tem de fornecer.
2. Padrões de vibração caraterísticos
Giro reverso
A caraterística mais distintiva da fricção é o retrocesso (reverso) precessão:
- A força de atrito cria uma componente tangencial que impulsiona o movimento orbital para trás.
- O eixo órbita traços opostos à direção de rotação do veio.
- A frequência do turbilhão é normalmente sub-síncrona - menos de 1× a velocidade de funcionamento.
- As frequências comuns aparecem em ordens fracionárias: 0.5×, 0.33×, 0.25×.
- A forma da órbita é frequentemente irregular ou visivelmente distorcida.
Características do espetro
- Picos subsíncronos: picos múltiplos abaixo de 1×, frequentemente em harmónicos fraccionários.
- Componente síncrono: o 1× síncrono O pico pode subir à medida que as forças de fricção o aumentam.
- Harmónicos superiores: 2×, 3×, 4× harmónicos surgem devido à não linearidade do atrito intermitente.
- Ruído de banda larga: o nível de ruído em toda a espetro sobe.
- Espetro instável: Os picos aparecem e desaparecem ou mudam de frequência de uma medição para outra.
Características da forma de onda temporal
- Eventos impulsivos ou picos de cada vez que se inicia o contacto, visíveis no forma de onda temporal.
- Corte ou achatamento nas deflexões máximas, onde o estator limita fisicamente o curso.
- Forma geral irregular, não sinusoidal.
- Padrões de batida produzidos pela coexistência de várias frequências.
3. Efeitos térmicos da fricção
Geração de calor
O atrito converte a energia mecânica diretamente em calor:
- Taxa: a potência dissipada é igual à força de atrito × velocidade de deslizamento.
- Magnitude: uma fricção ligeira pode libertar 10-100 watts; uma fricção forte, quilowatts.
- Concentração: esse calor é descarregado numa área de contacto muito pequena.
- Aumento da temperatura: as temperaturas locais da superfície podem exceder 500 °C em casos graves.
Desenvolvimento da curvatura térmica
O perigo da fricção reside num ciclo de feedback calor-vibração:
- A fricção inicial deposita calor num dos lados do eixo.
- O aquecimento assimétrico dobra o eixo numa arco térmico.
- O arco térmico aumenta a deflexão do eixo.
- Uma maior deflexão conduz a uma fricção mais grave.
- Mais fricção gera ainda mais calor.
- Este feedback positivo pode levar a uma falha rápida e descontrolada.
Uma vez que cada volta deste ciclo aprofunda a seguinte, a fricção é considerada como uma forma de vibração autoexcitada e uma via para a instabilidade do rotor.
Efeitos térmicos secundários
- Aquecimento da chumaceira: o calor é conduzido ao longo do eixo para os rolamentos.
- Degradação do óleo: temperaturas excessivas degradam o lubrificante.
- Alterações materiais: Transformações de fase ou alterações metalúrgicas em zonas afetadas pelo calor.
- Stress térmico: pode iniciar fissuras nas regiões sujeitas a tensões térmicas.
4. Deteção de fricção no terreno
Monitorização de vibração
- Alarmes subsíncronos: alerta sobre picos a 0,3-0,5 × velocidade de rotação.
- Monitorização da órbita: a análise automática da órbita assinala o aparecimento de um turbilhão invertido.
- Alterações espectrais: Os algoritmos detectam a chegada súbita de múltiplos harmónicos.
- Recorte de forma de onda: deteção da distorção não sinusoidal que o contacto produz.
É exatamente para reconhecer estes padrões que serve um analisador portátil. Trabalhando nos próprios rolamentos da máquina à velocidade de funcionamento, um instrumento de dois canais como o Balanset-1A capta a forma de onda temporal e a amplitude e fase de 1×, para que um técnico possa ver o recorte impulsivo e a energia de ordem fraccionada que marcam uma fricção e, em seguida, verificar se o desequilíbrio residual ou desalinhamento é a causa subjacente antes de qualquer desmontagem.
Monitorização da temperatura
- Rolamento sensores de temperatura com alarmes de subida rápida.
- Monitoramento da temperatura por infravermelho em seções expostas do eixo.
- Monitorização diferencial de temperatura - topo versus fundo de um rolamento.
- Alarmes de taxa de variação, por exemplo, superior a 5 °C por minuto.
Indicadores adicionais
- Aumento do binário: o consumo de energia aumenta à medida que a fricção carrega o acionamento.
- Flutuação de velocidade: pequenas variações de velocidade devido à variação do binário de atrito.
- Emissão acústica: som de alta frequência do contacto, detetável por emissão acústica sensores.
- Inspeção visual: detritos de desgaste, descoloração e ranhuras visíveis.
5. Responder a uma fricção
Ações imediatas
- Reduzir a gravidade: diminuir a velocidade ou a carga se for seguro fazê-lo.
- Acompanhar de perto: vigiar continuamente a vibração e a temperatura.
- Preparar o encerramento: ter uma emergência encerramento pronto.
- Paragem de emergência: desarmar a máquina se a vibração ou a temperatura estiverem a aumentar.
- Permitir o arrefecimento: fazer funcionar o dispositivo de rotação ou permitir o arrefecimento natural antes da inspeção, para que um arco térmico possa relaxar.
Investigação
- Verificar se existem provas físicas de contacto.
- Medir as folgas nos locais suspeitos de fricção.
- Verificar se há arco térmico ou permanente arco de eixo.
- Identificar a causa principal - vibração excessiva, folga insuficiente, etc.
Ações corretivas
- Aumentar as folgas: maquinar as zonas danificadas ou substituir os componentes.
- Abordar a causa principal: equilibrar o rotor, corrigir o alinhamento, resolver o problema do rolamento que permitiu o contacto.
- Substituir as peças danificadas: vedantes, componentes de rolamentos e secções do veio, se necessário.
- Verificar as folgas: confirmar a existência de folga adequada em todos os locais antes de reiniciar.
A fricção é uma das falhas mais graves relacionadas com a vibração em máquinas rotativas. A sua capacidade de se agravar rapidamente através do feedback térmico exige um reconhecimento imediato, uma resposta rápida e disciplinada e uma correção rigorosa - porque a alternativa, em equipamento crítico, é uma falha catastrófica.
