Título: Balanceamento Dinâmico de Rotores Rígidos Utilizando os Sinais de Vibração dos Mancais de Suporte
Título alternativo: Dynamic Balancing of Rigid Rotors Using the Vibration Signals from Support Bearings
Autoria de: Marcelo Nunes de Padua
Orientação de: Henrique Leandro Silveira
Presidente da banca: Henrique Leandro Silveira
Primeiro membro da banca: Belisario Nina Huallpa
Segundo membro da banca: Wander Gustavo Rocha Vieira
Palavras-chaves: Máquinas Rotativas, Desbalanceamento Residual, Vibrações, Modelagem Dinâmica, Bancada de Testes
Data da defesa: 13/07/2023
Semestre letivo da defesa: 2023-1
Data da versão final: 19/07/2023
Data da publicação: 19/07/2023
Referência: Padua, M. N. d. Balanceamento Dinâmico de Rotores Rígidos Utilizando os Sinais de Vibração dos Mancais de Suporte. 2023. 59 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica Bacharelado)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2023.
Resumo: O desbalanceamento de rotores é um dos principais problemas encontrados na indústria mecânica, pois causa redução da vida útil e desgaste precoce dos equipamentos envolvidos no sistema. Dentre os métodos existentes, o balanceamento pode ser realizado utilizando o método vetorial que consiste em correlacionar os efeitos de vibração transmitidos aos mancais em três operações. Para aplicá-lo são necessários equipamentos e transdutores, os quais podem naturalmente originar distorções nos sinais em termos de ruído. Dessa forma, este artigo tem como finalidade analisar de forma teórica o erro causado nos parâmetros do desbalanceamento quando aplicado ruído nas medições, além de elaborar uma bancada de testes para que seja possível analisar qualitativamente e observar experimentalmente o desbalanceamento dinâmico que ocorre em rotores rígidos. O objeto de estudo teórico descrito é um rotor rígido desbalanceado dinamicamente com três pontos de excentricidade de massa. O método pode ser aplicado quando são obtidas as forças de reação dinâmicas do sistema ou sinais proporcionais à força, tais como aceleração, velocidade ou deslocamento nos mancais de suporte. Para conseguir tais parâmetros foi utilizado o método de Newton-Euler para a construção do modelo dinâmico do rotor. A partir das reações dinâmicas atuantes nos mancais, o método vetorial foi aplicado com o objetivo de encontrar as massas e ângulos de correção teóricos do rotor intencionalmente desbalanceado que, posteriormente, foram utilizados como referência para serem calculados os erros relativos de cada parâmetro de correção. O ruído foi aplicado em cada força de reação do mancal a fim de simular medições reais no sistema, encontrando o erro relativo médio para cada porcentagem de ruído. Em seguida, foram comparados o desbalanceamento residual e o desbalanceamento permissível estabelecido pela norma ISO 1940-1 com o intuito de verificar a quantidade de ruído máximo para cada grau de qualidade de balanceamento. Posteriormente, foi projetada e construída uma bancada de testes representativa do sistema em estudo neste trabalho. A bancada possui um eixo rígido que é apoiado em dois mancais, um rotor axialmente longo que pode ser adicionado um desbalanceamento de forma controlada e dois discos delgados que permitem que sejam inseridas as massas de correção. Os resultados teóricos obtidos indicaram coerência com os resultados esperados, uma vez que ao serem inseridos os parâmetros de correção sem a presença de ruído, as reações em ambos os mancais se tornaram constantes, balanceando o rotor e validando o método vetorial. Também foi identificado que existe uma relação de linearidade entre o erro e o ruído de cada parâmetro. Foi concluído que as massas de correção impactam de forma mais significativa o desbalanceamento do que os ângulos de correção, indicando ser um parâmetro mais sensível. Foi depreendido que para se alcançar resultados mais precisos de balanceamento, deve-se assegurar que o ruído de medição seja extremamente baixo. Finalmente, foi verificado que a bancada de testes possibilita realizar, de forma qualitativa, a investigação experimental do desbalanceamento em um rotor aplicando pequenas massas de teste, embora não seja possível comparar que situação é mais crítica configurações que apresentam respostas semelhantes.
Abstract: Rotor unbalance is one of the primary problems encountered in the mechanical industry, as it leads to reduced equipment lifespan and premature wear in the system. Among the existing methods, balancing can be performed using the vectorial method, which involves correlating the vibration effects transmitted to the bearings in three operations. To apply this method, equipment and transducers are required, which can naturally introduce signal distortions in terms of noise. Therefore, the purpose of this article is to theoretically analyze the error caused in the unbalance parameters when noise is applied to the measurements, as well as to develop a test rig to qualitatively analyze and experimentally observe the dynamic unbalance occurring in rigid rotors. The theoretical study object described is a dynamically unbalanced rigid rotor with three points of mass eccentricity. The method can be applied when obtaining the dynamic reaction forces of the system or signals proportional to the force, such as acceleration, velocity, or displacement at the support bearings. The Newton-Euler method was used to construct the rotors dynamic model and obtain these parameters. Based on the dynamic reactions acting on the bearings, the vectorial method was applied to determine the theoretical masses and correction angles of the intentionally unbalanced rotor, which were later used as reference values to calculate the relative errors of each correction parameter. Noise was applied to each bearing reaction force to simulate real measurements in the system, and the average relative error was determined for each noise percentage. Subsequently, the residual unbalance and the allowable unbalance established by ISO 1940-1 were compared to determine the maximum noise level for each balance quality grade. Furthermore, a representative test rig of the system under study was designed and constructed in this work. The rig consists of a rigid shaft supported by two bearings, an axially long rotor that can have controlled unbalance added, and two thin disks for inserting correction masses. The theoretical results obtained showed consistency with the expected outcomes, as the correction parameters, when inserted without noise, resulted in constant reactions in both bearings, balancing the rotor and validating the vectorial method. It was also identified that there is a linear relationship between the error and the noise of each parameter. It was concluded that the correction masses have a more significant impact on unbalance than the correction angles, indicating their greater sensitivity. It was inferred that to achieve more accurate balancing results, measurement noise must be extremely low. Finally, it was verified that the test rig allows for qualitative experimental investigation of unbalance in a rotor by applying small test masses, although it is not possible to compare which situation is more critical for configurations that exhibit similar responses.
URI: sip.prg.ufla.br/publico/trabalhos_conclusao_curso/acessar_tcc_por_curso/
engenharia_mecanica/20231201720868
URI alternaviva: sem URI do Repositório Institucional da UFLA até o momento.
Curso: G032 - ENGENHARIA MECÂNICA (BACHARELADO)
Nome da editora: Universidade Federal de Lavras
Sigla da editora: UFLA
País da editora: Brasil
Gênero textual: Trabalho de Conclusão de Curso
Nome da língua do conteúdo: Português
Código da língua do conteúdo: por
Licença de acesso: Acesso aberto
Nome da licença: Licença do Repositório Institucional da Universidade Federal de Lavras
URI da licença: repositorio.ufla.br
Termos da licença: Acesso aos termos da licença em repositorio.ufla.br
Detentores dos direitos autorais: Marcelo Nunes de Padua e Universidade Federal de Lavras
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