Entendendo o atrito do rotor em máquinas rotativas
Definição: O que é atrito do rotor?
Atrito do rotor (também chamado de atrito ou contato rotor-estator) é uma condição na qual os componentes rotativos de uma máquina fazem contato intermitente ou contínuo com partes estacionárias, como vedações, alojamentos de rolamentos ou paredes da carcaça. Esse contato cria forças de atrito, gera calor e produz ruídos característicos. vibração Padrões que podem rapidamente escalar para uma falha catastrófica se não forem abordados imediatamente.
O atrito do rotor é particularmente perigoso porque o contato pode criar um ciclo de feedback positivo: a vibração causa atrito, o atrito gera calor, o calor causa arco térmico, A curvatura térmica aumenta a vibração, o que causa um atrito mais severo. Essa espiral pode destruir uma máquina em minutos se não for interrompida.
Tipos de atrito do rotor
1. Esfregar levemente (contato intermitente)
- Contato breve e ocasional durante os ciclos de deflexão máxima.
- Pode ocorrer apenas em determinadas velocidades ou condições de operação.
- Produz picos de vibração erráticos e intermitentes.
- Frequentemente em clareiras de selos ou labirintos
- Pode ser tolerado por um curto período, mas indica um problema que requer correção.
2. Fricção parcial (contato leve contínuo)
- Contato contínuo, mas com força de fricção leve
- O rotor mantém a rotação enquanto raspa uma superfície estacionária.
- Gera vibração contínua subsíncrona ou síncrona
- Produz calor e detritos de desgaste.
- Se não for corrigido, pode evoluir para assadura grave.
3. Atrito intenso (contato anular total)
- O rotor entra em contato com o estator em toda a sua circunferência ou em grande parte dela.
- Forças de atrito muito elevadas
- Aumento rápido da temperatura (centenas de graus em minutos)
- Vibração severa, frequentemente caótica.
- Pode levar ao travamento do rotor ou a uma falha catastrófica.
- Requer desligamento de emergência imediato
Locais comuns para esfregar
- Selos do Labirinto: Folgas apertadas tornam comum o atrito entre as vedações.
- Rolamentos de retenção: Rolamentos de emergência projetados para suportar o eixo durante eventos severos.
- Retentores do Pistão de Balanceamento: Em compressores e bombas de múltiplos estágios
- Diafragmas intermediários: Em turbinas
- Caixa de mancal: Casos graves em que o eixo entra em contato com a tampa do rolamento
- Mangas de eixo: Mangas protetoras nos locais de vedação
Causas do atrito do rotor
Vibração excessiva
- Forte desequilíbrio causando grande deflexão do eixo
- Desalinhamento criando movimento do eixo
- Operando em velocidade crítica com amplificação ressonante
- Instabilidade do rotor (batida de óleo, redemoinho de vapor)
Espaço insuficiente
- Montagem inadequada resultando em folga radial insuficiente.
- A expansão térmica reduz as folgas durante o aquecimento.
- Desgaste do rolamento permitindo movimento excessivo do eixo
- O assentamento da fundação aproxima as partes estacionárias do rotor.
Eventos transitórios
- Ultrapassagem da velocidade crítica durante a partida/desaceleração.
- Alterações de carga que causam deflexão repentina do eixo
- Eventos de viagem ou paradas de emergência
- Condições de excesso de velocidade
Assinaturas de vibração do atrito do rotor
Padrões característicos
- Componentes subsíncronos: Frequências abaixo de 1× (frequentemente 1/2×, 1/3×, 1/4×) do giro retrógrado durante a fricção
- Harmônicos múltiplos: 1×, 2×, 3×, 4× devido a forças de atrito não lineares
- Comportamento errático: Mudanças repentinas em amplitude e frequência
- Ruído de banda larga: Componentes aleatórios de alta frequência provenientes de atrito e impactos.
- Instabilidade de fase: ângulos de fase variam erraticamente
Características do Espectro
- Numerosos picos em ordens fracionárias e múltiplas.
- Nível de ruído elevado devido a impactos aleatórios
- O espectro muda de forma rápida e imprevisível.
- Gráficos de cachoeiras Mostrar componentes de frequência que aparecem e desaparecem.
Análise de órbita
Órbita do eixo Os padrões durante o atrito são altamente distintos:
- Formas de órbita irregulares e distorcidas
- Cantos afiados ou áreas planas onde ocorre contato
- A forma da órbita muda conforme a intensidade do atrito varia.
- Frequentemente apresenta componentes de precessão reversa (para trás).
Consequências e Danos
Efeitos imediatos
- Aquecimento por fricção: O contato gera calor local intenso (podendo atingir temperaturas entre 300 e 600 °C).
- Arco Térmico: O aquecimento assimétrico causa curvatura do eixo, aumentando a intensidade do atrito.
- Vestir: Material removido das superfícies do eixo e do estator
- Geração de detritos: Partículas de desgaste contaminam rolamentos e vedações.
Dano Secundário
- Destruição do Selo: Os dentes do selo do labirinto estão desgastados ou quebrados.
- Sobrecarga do rolamento: Aumento das cargas e do aquecimento devido ao atrito
- Arco de eixo permanente: O aquecimento intenso pode causar deformação plástica.
- Pontuação do eixo: Sulcos desgastados na superfície do eixo
Falhas catastróficas
- Tombamento do poço: Travamento total devido ao atrito intenso
- Fratura da diáfise: A zona afetada pelo calor cria o início da fissura.
- Queda do rotor: A falha do rolamento devido ao superaquecimento permite que o rotor caia sobre os mancais de retenção ou a carcaça.
- Risco de incêndio: Detritos quentes ou faíscas podem inflamar materiais inflamáveis.
Detecção e Diagnóstico
Indicadores de análise de vibração
- Aparecimento repentino de múltiplos componentes subsíncronos
- Padrões de vibração erráticos e não repetíveis
- Aumentos acentuados no nível geral de vibração
- Alterações na vibração imediatamente após mudanças de velocidade
- Padrões orbitais incomuns com características nítidas
Evidência física
- Pó ou partículas metálicas nas caixas de rolamentos
- Marcas de desgaste visíveis ou riscos nas superfícies expostas do eixo.
- Componentes de vedação danificados ou desgastados
- A temperatura do rolamento aumenta.
- Sons audíveis de raspagem ou rangido
Resposta de emergência
Caso haja suspeita de atrito do rotor durante a operação:
- Avaliar a gravidade: Um leve atrito pode permitir um desligamento controlado; um atrito intenso requer parada de emergência imediata.
- Reduzir a velocidade: Se possível, diminua a velocidade gradualmente enquanto monitora a vibração.
- Monitorar temperaturas: O aumento da temperatura dos rolamentos indica uma piora nas condições.
- Desligamento de emergência: Se a vibração continuar aumentando ou as temperaturas subirem rapidamente
- Não reinicie: Até que as autorizações sejam verificadas e o local do atrito identificado.
- Documentar evento: Registre dados de vibração, temperaturas e velocidades para análise.
Prevenção e Mitigação
Medidas de Design
- Folgas radiais adequadas em todos os pontos de atrito potenciais.
- Considere a expansão térmica no dimensionamento das folgas.
- Utilize revestimentos resistentes à abrasão nas áreas de vedação para minimizar danos causados por atritos leves.
- Instale mancais de retenção para limitar a deflexão durante eventos severos.
Medidas Operacionais
- Mantenha um bom equilíbrio para minimizar a deflexão do eixo
- Garantir alinhamento preciso
- Siga os procedimentos adequados de aquecimento para controlar o crescimento térmico.
- Evite operar em velocidades críticas.
- Monitore continuamente a vibração em equipamentos críticos.
Monitoramento e Proteção
- Instale alarmes de vibração configurados abaixo dos níveis de limite de atrito.
- Monitore as temperaturas dos rolamentos e das vedações.
- Utilize sondas de proximidade para monitorar a posição e as folgas do eixo.
- Implementar desligamento automático em caso de vibração excessiva.
O atrito do rotor representa uma situação de emergência que exige atenção imediata. Compreender suas causas, reconhecer suas características de vibração e implementar medidas adequadas de prevenção e proteção são essenciais para a operação segura de máquinas rotativas, principalmente em equipamentos de alta velocidade ou com folgas reduzidas, como turbinas e compressores.
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