Entendendo as Trincas no Eixo de Máquinas Rotativas
A rachadura no eixo é uma fratura ou descontinuidade num veio rotativo que se desenvolve devido à fadiga, à concentração de tensões ou a uma falha do material. As fissuras começam quase sempre na superfície e propagam-se para dentro, avançando perpendicularmente à direção da tensão máxima de tração. Nas máquinas rotativas, estão entre os defeitos mais perigosos de todos, porque uma fenda pode passar de uma linha de cabelo indetetável para uma fratura completa do veio numa questão de horas ou dias, com potencial para uma falha catastrófica e com risco de vida. A graça salvadora é que uma fissura em desenvolvimento trai-se a si própria no vibração sinal - mais carateristicamente através de um componente ascendente 2× (duas vezes por revolução) - tão disciplinado análise de vibração oferece uma verdadeira hipótese de o apanhar antes que ele se solte.
1. Definição: O que é uma fissura no veio?
Mecanicamente, uma fenda é uma região onde o veio perdeu a sua continuidade e, por conseguinte, a sua rigidez. À medida que o veio roda, a fenda abre e fecha alternadamente sob a tensão de flexão oscilante, e esta “respiração” faz com que a rigidez do veio varie com a posição angular. Esta assimetria é a raiz dos sinais de diagnóstico discutidos abaixo, e é o que separa uma fissura transversal verdadeira de uma fissura permanente. arco de eixo ou um simples desequilíbrio. O fenómeno mais amplo, quando a fenda progrediu o suficiente para alterar o comportamento de todo o rotor, é por vezes tratado sob o título de rotor rachado.
2. Causas comuns de fissuras nos veios
Fadiga por tensões cíclicas
A causa dominante nas máquinas rotativas, a fadiga acumula danos num ciclo de tensão de cada vez:
- Fadiga por flexão: um veio rotativo com rigidez irregular ou cargas descentradas sofre uma tensão de flexão cíclica totalmente invertida.
- Fadiga por torção: binário oscilante em accionamentos de veios de transmissão de potência vibração torcional e fadiga.
- Fadiga de alto ciclo: milhões de ciclos acumulam-se ao longo dos anos, pelo que mesmo tensões modestas podem eventualmente dar origem a uma fissura.
- Concentração de tensões: ranhuras de chaveta, furos transversais, filetes e outras descontinuidades geométricas aumentam localmente a tensão e são os locais habituais de iniciação.
Condições de funcionamento
- Desequilíbrio excessivo: a elevada força centrífuga aumenta a tensão de flexão cíclica.
- Desalinhamento: os momentos flectores de desalinhamento acelerar a fadiga.
- Operação de ressonância: a funcionar num ou perto de um velocidade crítica produz grandes deflexões e tensões.
- Sobrecarga: que funcionam para além dos limites previstos no projeto.
- Stress térmico: aquecimento ou arrefecimento rápido e gradientes térmicos acentuados, que também podem produzir uma arco térmico.
Defeitos de material e de fabrico
- Inclusões materiais: escória, vazios ou matérias estranhas no material do veio.
- Tratamento térmico incorreto: endurecimento ou têmpera inadequados.
- Defeitos de maquinagem: marcas de ferramentas, goivas ou arranhões que actuam como factores de tensão.
- Corrosão por picadas: poços de superfície que servem como locais de iniciação de fissuras.
- Preocupação: em interfaces de encaixe por pressão ou ranhuras de chaveta, onde o micro-movimento danifica a superfície.
Eventos operacionais
- Eventos de excesso de velocidade: emergência ou excesso de velocidade acidental que imponha tensões elevadas.
- Esfregões graves: fricção do rotor O contato gera calor e concentração de tensão local.
- Carga de impacto: Sobrecargas repentinas devido a perturbações no processo ou choques mecânicos
- Reparações anteriores: soldadura ou maquinagem que deixa tensões residuais.
3. Sintomas de vibração de um veio fendido
A componente 2× caraterística
A assinatura caraterística de uma fissura transversal do veio é uma proeminente 2× (segundo-harmónico) e vale a pena compreender com exatidão o mecanismo que lhe está subjacente:
- Quando o eixo gira, a fenda abre-se e fecha-se duas vezes por rotação.
- Quando a fenda está do lado da compressão (mais abaixo na rotação), fecha-se e o veio fica mais rígido.
- Quando oscila para o lado da tensão (superior na rotação), abre-se e o veio fica mais flexível.
- Esta oscilação da rigidez duas vezes por revolução é, ela própria, uma função forçadora 2×.
- A amplitude 2× cresce à medida que a fenda se aprofunda e a assimetria de rigidez aumenta - razão pela qual a tendência é tão importante como o nível absoluto.
Indicadores de vibração adicionais
- 1× mudanças: um aumento gradual da componente 1× à medida que se altera a rigidez e se desenvolve um arco residual.
- Harmónicos superiores: 3× e 4× podem aparecer à medida que a gravidade aumenta.
- Mudanças de fase: a fase muda durante o arranque ou a desaceleração e a diferentes velocidades.
- Comportamento dependente da velocidade: a vibração pode variar de forma não linear com a velocidade.
- Sensibilidade à temperatura: As leituras podem registar a expansão térmica à medida que abre ou fecha a fenda.
Comportamento no arranque e no coastdown
- O componente 2× comporta-se de forma invulgar durante os transientes.
- A Diagrama de Bode pode apresentar dois picos de ressonância, um a metade de cada velocidade crítica, à medida que a excitação 2× varre.
- A progressão de fase do componente 1× pode diferir acentuadamente de uma resposta de desequilíbrio normal.
4. Métodos de deteção
Monitorização de vibrações e medições no terreno
Dado que o alerta é espetral e progressivo, a medição regular é a primeira linha de defesa:
- Tendências: observar o rácio 2×/1× ao longo do tempo; uma subida constante é um aviso, e um rácio superior a cerca de 0,5 justifica uma investigação. Mudanças repentinas de padrão são igualmente suspeitas.
- Análise espetral: rotina FFT comparadas com um histórico linha de base, expor o surgimento ou crescimento de um pico 2×.
- Análise transiente: parcelas de cachoeira e os gráficos de Bode do arranque e da desaceleração revelam um comportamento invulgar nas passagens de velocidade crítica.
A captação da amplitude e da fase dos componentes 1× e 2× é exatamente a medição que um analisador portátil de dois canais torna rotineira. Com um instrumento com referência de fase como o Balanset-1A, Se um técnico puder registar os vectores 1× e 2× nas chumaceiras durante o funcionamento normal e em cada paragem, pode construir a tendência que distingue um 2× benigno de um que está a subir - a diferença entre uma paragem planeada e um naufrágio não planeado.
Métodos não vibratórios
Uma tendência de vibração suspeita deve ser sempre confirmada por ensaios não destrutivos:
- Inspeção por partículas magnéticas (MPI): detecta fissuras superficiais e próximas da superfície com elevada fiabilidade em veios ferromagnéticos acessíveis; um elemento básico das inspecções de rotina de paragem.
- Ensaio por ultra-sons (UT): detecta fissuras internas e superficiais e pode encontrá-las antes do aparecimento de qualquer sintoma de vibração; necessita de equipamento especializado e de pessoal treinado e é o método de eleição para veios críticos.
- Inspeção por penetração de corante: um método simples de fissuração da superfície que requer limpeza e preparação da superfície, útil para áreas acessíveis durante uma interrupção de serviço.
- Ensaios por correntes parasitas: deteção de fissuras superficiais sem contacto que se adequa à inspeção automatizada e funciona tanto em materiais magnéticos como não magnéticos.
5. Resposta e acções corretivas
Acções imediatas após a deteção
- Aumentar a frequência de controlo: passar de mensal para semanal ou diário.
- Reduzir a severidade do funcionamento: reduzir a velocidade ou a carga sempre que possível.
- Planear um encerramento: Agende o reparo ou a substituição assim que for seguro fazê-lo.
- Realizar END (Ensaios Não Destrutivos): confirmar a presença da fissura e avaliar diretamente a sua gravidade.
- Avaliação dos riscos: decidir formalmente se é seguro continuar a funcionar.
Soluções a longo prazo
- Substituição do veio: o remédio mais fiável para uma fissura confirmada.
- Reparação (casos limitados): algumas fissuras podem ser maquinadas e reconstruídas com soldadura, mas só depois de uma avaliação especializada.
- Análise das causas profundas: determinar a razão pela qual a fissura se formou para que não se repita.
- Alterações de conceção: aliviar as concentrações de tensão, melhorar a seleção de materiais ou alterar o regime de funcionamento.
6. Estratégias de prevenção
Fase de conceção
- Eliminar os cantos afiados e as concentrações de tensão.
- Utilizar raios de filete generosos nas mudanças de diâmetro.
- Especificar materiais adequados ao nível de tensão e ao ambiente.
- Efetuar análises de tensões por elementos finitos em geometria crítica.
- Aplicar tratamentos de superfície, como a granalhagem ou a nitruração, para aumentar a resistência à fadiga.
Fase operacional
- Manter bom equilíbrio de qualidade para minimizar as tensões de flexão cíclicas.
- Assegurar um alinhamento exato.
- Evitar o funcionamento contínuo a velocidades críticas.
- Prevenir eventos de excesso de velocidade.
- Controlar o stress térmico com procedimentos adequados de aquecimento e arrefecimento.
Fase de manutenção
- Inspecionar regularmente utilizando os métodos NDE adequados.
- Executar uma vibração tendência programa para detetar sintomas precoces.
- Reequilibrar periodicamente para manter baixas as tensões de fadiga - no local equilibragem no local torna isto prático sem retirar o rotor.
- Manter a proteção contra a corrosão e os revestimentos.
As fissuras nos veios representam um dos modos de falha mais graves em maquinaria rotativa, em que a consequência da falta de um é medida em bens destruídos e pessoas em perigo. A combinação é o que funciona: monitorização da vibração para assinalar a assinatura caraterística 2× numa fase precoce e exame não destrutivo periódico para confirmar e dimensionar o que a vibração apenas sugere. Em conjunto, permitem uma manutenção planeada e controlada - e evitam que um fio de cabelo silencioso se transforme numa fratura súbita e violenta.
