Entendendo o Sistema Rotor-Mancal
Definição: O que é um sistema rotor-mancal?
A sistema rotor-mancal é o conjunto mecânico integrado completo que consiste em um mecanismo rotativo rotor (eixo com componentes acoplados), os mancais de apoio que restringem seu movimento e suportam as cargas, e a estrutura de suporte fixa (caixas de mancais, pedestais, estrutura e fundação) que conecta os mancais ao solo. Este sistema é analisado como um todo integrado em dinâmica do rotor Porque o comportamento dinâmico de cada componente influencia todos os outros.
Em vez de analisar o rotor isoladamente, uma análise dinâmica adequada do rotor trata o sistema rotor-mancal como um sistema mecânico acoplado, onde as propriedades do rotor (massa, rigidez, amortecimento), as características do mancal (rigidez, amortecimento, folgas) e as propriedades da estrutura de suporte (flexibilidade, amortecimento) interagem para determinar o comportamento dinâmico. velocidades críticas, vibração resposta e estabilidade.
Componentes do sistema rotor-mancal
1. Conjunto do rotor
Os componentes rotativos incluem:
- Haste: Elemento rotativo principal que proporciona rigidez
- Discos e rodas: Impulsores, rodas de turbina, acoplamentos, polias adicionam massa e inércia.
- Massa distribuída: Rotores tipo tambor ou a própria massa do eixo
- Acoplamentos: Conectar o rotor ao equipamento motorizado ou acionado
Características do rotor:
- Distribuição de massa ao longo do eixo
- Rigidez à flexão do eixo (função do diâmetro, comprimento e material)
- Momentos de inércia polar e diametral (que afetam os efeitos giroscópicos)
- Amortecimento interno (normalmente pequeno)
2. Rolamentos
Os elementos de interface que suportam o rotor e permitem a rotação:
Tipos de rolamentos
- Rolamentos de elementos rolantes: Rolamentos de esferas, rolamentos de rolos
- Rolamentos de filme fluido: Mancais de deslizamento, mancais de pastilhas oscilantes, mancais axiais
- Rolamentos magnéticos: Suspensão eletromagnética ativa
Características do rolamento
- Rigidez: Resistência à deflexão sob carga (N/m ou lbf/in)
- Amortecimento: Dissipação de energia no rolamento (N·s/m)
- Massa: Componentes móveis de rolamento (normalmente pequenos)
- Autorizações: Folga radial e axial que afetam a rigidez e a não linearidade.
- Dependência de velocidade: As propriedades dos mancais de película fluida mudam significativamente com a velocidade.
3. Estrutura de suporte
Os elementos de fundação estacionários:
- Caixas de mancais: Estrutura imediata ao redor dos rolamentos
- Pedestais: Suportes verticais elevando rolamentos
- Base/Estrutura: Estrutura horizontal que conecta pedestais
- Fundação: Estrutura de concreto ou aço que transfere cargas para o solo.
- Elementos de isolamento: Molas, almofadas ou suportes, caso seja utilizado isolamento de vibração.
A estrutura de apoio contribui para:
- Rigidez adicional (pode ser comparável ou inferior à rigidez do rotor)
- Amortecimento através das propriedades dos materiais e das juntas
- A massa afeta as frequências naturais do sistema como um todo.
Por que a análise em nível de sistema é essencial
Comportamento acoplado
Cada componente afeta os outros:
- Deflexão do rotor cria forças nos rolamentos
- Deflexão do rolamento alterações nas condições de suporte do rotor
- flexibilidade da estrutura de suporte Permite o movimento do rolamento, afetando a rigidez aparente do mesmo.
- Vibração da fundação A realimentação chega ao rotor através dos rolamentos.
Frequências Naturais do Sistema
As frequências naturais são propriedades do sistema completo, não de componentes individuais:
- Rolamentos macios + rotor rígido = velocidades críticas mais baixas
- Rolamentos rígidos + rotor flexível = velocidades críticas mais altas
- Fundações flexíveis podem reduzir velocidades críticas mesmo com rolamentos rígidos.
- Frequência natural do sistema ≠ frequência natural do rotor isoladamente
Métodos de análise
Modelos simplificados
Para análise preliminar:
- Viga simplesmente apoiada: Rotor como viga com suportes rígidos (desconsidera a flexibilidade do apoio e da fundação)
- Rotor de Jeffcott: Massa concentrada em eixo flexível com suportes de mola (inclui rigidez do rolamento)
- Método da Matriz de Transferência: Abordagem clássica para rotores multidisco
Modelos avançados
Para uma análise precisa de máquinas reais:
- Análise de Elementos Finitos (FEA): Modelo detalhado do rotor com elementos de mola para os mancais.
- Modelos de rolamentos: Rigidez e amortecimento não lineares de mancais em função da velocidade, carga e temperatura.
- Flexibilidade da Fundação: Análise de Elementos Finitos (FEA) ou modelo modal da estrutura de suporte
- Análise acoplada: Sistema completo, incluindo todos os efeitos interativos.
Parâmetros-chave do sistema
Contribuições de rigidez
A rigidez total do sistema é uma combinação em série:
- 1/ktotal = 1/krotor + 1/kconsequência + 1/kfundação
- O elemento mais macio domina a rigidez geral.
- Caso comum: a flexibilidade da fundação reduz a rigidez do sistema a um nível inferior à rigidez do rotor isoladamente.
Contribuições de amortecimento
- Amortecimento do rolamento: Geralmente a fonte dominante (especialmente em mancais de película fluida)
- Amortecimento da fundação: Amortecimento estrutural e de materiais em suportes
- Amortecimento interno do rotor: Normalmente muito pequeno, geralmente negligenciado
- Amortecimento total: Soma dos elementos de amortecimento paralelos
Implicações práticas
Para projeto de máquinas
- Não é possível projetar o rotor isoladamente dos mancais e da fundação.
- A seleção dos rolamentos afeta as velocidades críticas alcançáveis.
- A rigidez da fundação deve ser adequada para suportar o rotor.
- A otimização do sistema requer a consideração simultânea de todos os elementos.
Para equilibrar
- Coeficientes de influência representar a resposta completa do sistema
- Balanceamento de campo leva em consideração automaticamente as características do sistema instalado.
- O balanceamento em diferentes rolamentos/suportes pode não se traduzir perfeitamente em condições de instalação.
- Alterações no sistema (desgaste dos rolamentos, assentamento da fundação) alteram a resposta do balanceamento.
Para resolução de problemas
- Problemas de vibração podem ter origem no rotor, nos rolamentos ou na fundação.
- É preciso considerar o sistema completo ao diagnosticar problemas.
- Alterações em um componente afetam o comportamento geral.
- Exemplo: A deterioração da fundação pode reduzir as velocidades críticas.
Configurações comuns do sistema
Configuração simples entre mancais
- Rotor suportado por dois rolamentos nas extremidades
- Configuração industrial mais comum
- Sistema mais simples para análise
- Padrão balanceamento de dois planos abordagem
Configuração de rotor em balanço
- O rotor se estende. além do suporte de carga
- Cargas de apoio mais elevadas devido ao braço de alavanca
- Mais sensível ao desequilíbrio
- Comum em ventiladores, bombas e alguns motores.
Sistemas de múltiplos rolamentos
- Três ou mais rolamentos suportando um único rotor
- Distribuição de carga mais complexa
- O alinhamento entre os rolamentos é crucial.
- Comum em grandes turbinas, geradores e bobinas de máquinas de papel.
Sistemas de múltiplos rotores acoplados
- Múltiplos rotores conectados por acoplamentos (conjuntos motor-bomba, conjuntos turbina-gerador)
- Cada rotor possui seus próprios rolamentos, mas os sistemas são acoplados dinamicamente.
- Configuração mais complexa para análise
- Desalinhamento O acoplamento cria forças de interação
Compreender máquinas rotativas como sistemas integrados de rotor e mancais, em vez de componentes isolados, é fundamental para o projeto, análise e resolução de problemas eficazes. A perspectiva sistêmica explica muitos fenômenos de vibração e orienta as ações corretivas adequadas para uma operação confiável e eficiente.
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