Este artigo circulou no início dos anos 2000 e apresenta os resultados da segunda fase de ensaio feita por pesquisadores americanos através de um Centro de Manutenção e Confiabilidade. A fase um desta pesquisa determinou que não há diminuição mensurável na eficiência motora correlacionada a desalinhamento do motor quando os acoplamentos testados foram operados dentro da recomendação do fabricante, contudo o objetivo dessa segunda fase da pesquisa foi determinar a relação entre o alinhamento do eixo do motor, a carga sofrida no rolamento e a vida útil prevista com valor de desalinhamento acima do recomendado.
Os resultados desses testes mostram que quantidades relativamente pequenas de desalinhamento do eixo podem ter um impacto significativo na vida operacional de um rolamento.
A magnitude da redução da vida útil do rolamento varia com o tipo de acoplamento, capacidade de carga e dimensões do motor. Os resultados desta pesquisa mostram que, em alguns casos, até 50% por cento da vida útil esperada do rolamento pode ser perdida com um desalinhamento de apenas 5 mil (0,127 mm). A redução na vida útil esperada do rolamento para todas as condições de alinhamento dentro das faixas recomendadas pelo fabricante são fornecidas para cada um dos quatro tipos de acoplamentos avaliados.
(link do artigo original inglês está na página inicial - http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.36.952 ).
Estudo da sobrecarga aplicada em Rolamento devido o Desalinhamento de Eixo de Motor
1. Estudo Mostra Que o
Desalinhamento de Eixos Reduz
a Vida dos Rolamentos
Este artigo é de autoria de:
J. Wesley Hines, Stephen Jesse, e Andrew Edmondson,
da Universidade do Tennessee, e Dan &ower, da
Sistemas Computacionais, Inc.
Tradução:
- Engº Jânio Barbosa
- Engº André Luiz de Pádua Pereira
E-Mail dos tradutores: vibra@atlanticpost.com
O arquivo traduzido pode ser obtido no site:
www.vibra.dynamiczone.com
O arquivo original pode ser obtido no site:
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.36.952
http://www.mt-online.com
2. Desalinhamentos de eixo em quantidades relativamente
pequenas podem ter um impacto significativo na vida
operacional dos rolamentos. Pesquisa do Centro de
Manutenção e Confiabilidade conclui que, em alguns casos,
um desalinhamento paralelo de 5 milésimos de polegada
pode reduzir em até 50 por cento, a expetativa de vida dos
rolamentos.
Steven Jesse e Wes Hines
trabalham com testes de
equipamentos no laboratório da
Universidade do Tennessee e do
Centro de Confiabilidade e
Manutenção.
A Indústria investe tempo e dinheiro significativos na
execução de alinhamentos de precisão nos equipamentos
rotativos. Tal despesa baseia-se em duas suposições: O
desalinhamento causa uma diminuição na eficiência do
motor, e os equipamentos desalinhados são mais propensos a
falhas, devido ao aumento de cargas nos rolamentos, selos, e
3. acoplamentos. O Centro de Manutenção e Confiabilidade, da
Universidade de Tennessee, Knoxville, investigou ambas as
suposições. A fase um desta pesquisa determinou não existir
nenhuma diminuição mensurável em eficiência do motor,
correlacionada ao desalinhamento do mesmo, quando os
acoplamentos testados são operados dentro dos limites
recomendados pelo fabricante. A fase dois, relatada neste
artigo, determinou a relação entre o alinhamento do motor, a
carga nos mancais de rolamentos, e a expetativa de vida dos
rolamentos.
É consenso geral, que o adequado alinhamento é crítico à
vida da máquina. O desgaste ou falha do acoplamento, falhas
nos rolamentos, empenamento de eixos ou rotores, além dos
danos ao alojamento dos rolamentos, são todos resultados
comuns de um alinhamento deficiente. Sabemos também,
que a carga nos componentes mecânicos, tais como os
rolamentos, selos e acoplamentos, diminui com a melhoria
do alinhamento. Estas cargas reduzidas resultam em menor
ruído e vibração, menores temperaturas operacionais, menor
desgaste dos sistemas mecânicos e reduzido tempo de
4. manutenção devido a quebra. Todos estes fatores resultam
em um período de vida operacional mais longo e mais
confiável do equipamento.
Existe, claramente, um custo associado com a precisão do
programa de manutenção de alinhamento. As despesas com
equipamentos de alinhamento, treinamento de pessoal,
trabalhos associados ao alinhamento, e o tempo de parada
dos equipamentos, estão todas associadas com um programa
destinado a assegurar o adequado alinhamento. Todos estes
custos necessitam a ser levados em conta contra qualquer
benefício esperado. Assim, é necessário predizer em reais
condições, e de uma maneira sistemática e científica, que
benefícios serão estes. Esta pesquisa experimentalmente
determinou a redução da expectativa de vida dos rolamentos
para diferentes condições de alinhamento.
Estes números podem ser usados em um modelo mais
sofisticado para calcular perdas financeiras devidas ao
desalinhamento de equipamentos.
5. Tabela 1. TIPOS DE ACOPLAMENTO E FAIXAS DE
TOLERÂNCIA DE ALINHAMENTOS EM ESTUDO
Tipos de
Acoplamento
Máximo
Desalinhamento
Paralelo
(Milésimos de
Polegada)
Máximo
Desalinhamento
Angular
(Milésimos de
Polegada/Polegada)
Grade (Grid) 12 11
Elastomérico
(Pneu)
70 40
Feixe de elos
(Link Pack)
26 8
Engrenagem 50 15
Metodologia
Os desalinhamentos de eixo podem ser divididos em dois
componentes: desalinhamento paralelo e desalinhamento
angular. O desalinhamento paralelo acontece quando as
linhas de centro de dois eixos são paralelas, mas não se
6. encontram no ponto de transferência de carga. O
desalinhamento angular acontece quando as linhas de centro
de dois eixos se cruzam no ponto de transferência de carga,
mas não são paralelos entre si. Freqüentemente o
desalinhamento real em equipamentos exibe uma
combinação de ambos os tipos de desalinhamento.
Os ensaios foram executados na do Laboratório de Máquinas
da Universidade de Engenharia do Tennessee, sendo
utilizado um motor assíncrono de indução de 60 hp em plena
carga, girando a aproximadamente 3562 rpm, acionando um
dinamômetro. Foram posicionados sensores de carga,
localizados tanto no mancal acoplado como no não
acoplado. A carga era medida a uma taxa de 6000 Hz
durante 5 segundos, por sete sensores de carga. Um sinal
tacométrico era medido na mesma taxa, no oitavo canal. Isto
resultava no registro de aproximadamente 100 pontos de
dados por revolução para aproximadamente 300 revoluções
para cada canal, para cada condição de desalinhamento.
7. O motor elétrico foi aparafusado a uma placa de aço fixada
ao solo sobre blocos polidos. As superfícies de contato lisas
e planas entre a placa intermediária e a placa básica
facilitaram o movimento preciso do motor durante as
mudanças de alinhamento e também eliminaram pé-manco.
O alinhamento vertical do motor foi mantido constante a
menos de 1 milésimo de polegada paralelo e 0.1 milésimo de
polegada/polegada de desalinhamento angular. Todas as
mudanças de alinhamento durante os ensaios ocorreram no
plano horizontal. Foram feitas mudanças no alinhamento
enquanto o motor estava completamente carregado. Foram
usados tanto o método dos relógios comparadores, como o
do sistema de alinhamento de laser para monitorar a
condição do alinhamento.
Foram selecionados para o teste de alinhamento, quatro tipos
de acoplamento diferentes, os quais foram identificados
como sendo os mais comumente utilizados. (Tabela 1).
8. Fig. 1. A equação de equilíbrio de forças foi usada para
determinar a força e o momento (constante de mola) dos
acoplamentos flexíveis.
O caso de desalinhamento puro paralelo é ilustrado.
Medida de carga no rolamento
Foram considerados vários projetos de dispositivo de
medição de carga, incluindo a medição de tensão no eixo
rotativo, remontagem do motor sobre campânulas sensoras
de carga, rolamentos construídos com sensores embutidos,
tentando medir cargas nos pés do motor e extrapolando tais
medidas para dedução das forças aplicadas aos rolamentos.
9. Nenhuma destas opções pareceu cumprir satisfatoriamente as
exigências experimentais do projeto.
Um conceito de projeto final foi escolhido no qual uma
interface sensora (anel sensor) foi colocado no motor entre o
rolamento do eixo e a sua estrutura de suporte. Tal
configuração exigiu, porém, que algum espaço fosse criado
entre a pista externa do rolamento e a parte interna do
alojamento. Isto foi possível, pela substituição dos rolamento
originais do motor por outros com um diâmetro externo
menor.
Uma análise de elementos finitos foi usada para projetar os
anéis sensores e para ajuste do balanceamento entre a sua
resistência e sua sensibilidade de carga. A força induzida
pela tensão nos anéis sensores era convertida em sinais de
voltagem por Extensômetros Elétricos ("Strain Gages")
localizados em várias posições ao redor dos anéis sensores.
Os extensômetros elétricos foram montados em
configurações de ponte cheias com compensação de
temperatura localizadas em cada quadrante do anel sensor.
10. Foram registradas as voltagens dos extensômetros elétricos
nos anéis dos rolamentos do lado acoplado e não acoplado,
através de um quadro de aquisição de dados a 6000 Hz
durante 5 segundos, totalizando 100 amostras por revolução.
Os sensores de carga foram calibrados experimentalmente
para um alcance de cargas de 0 a aproximadamente 300
libras, obtendo-se uma sensibilidade de 1.5 libras, resultando
em um desempenho mais que aceitável.
Fig. 2a - Desalinhamento e
carga no rolamento
Figura 2b. Desalinhamento e
espectativa de vida do
rolamento
11. Fig 2. Gráficos tridimensionais de dados observados e
calculados
O desalinhamento Angular é dado em milésimo de
polegada/polegada e o paralelo (offset), em milésimos de
polegada
Procedimento experimental
Todas as mudanças no alinhamento foram feitas no plano
horizontal com o motor operando sob velocidade e condições
de plena carga. O sistema funcionou de 1 a 2 horas, de
forma que fossem atingidas as temperaturas operacionais
constantes. Para cada um dos quatro tipos de acoplamento,
as condições de desalinhamento foram variadas na seguinte
ordem:
1. desalinhamento paralelo puro, até o máximo positivo;
2. combinação de positivo paralelo e angularidade positiva;
3. desalinhamento angular puro, até máximo positivo;
4. combinação de negativo paralelo e angularidade positiva;
5. desalinhamento paralelo puro até o máximo negativo.
12. Para cada um destes casos, os dados eram coletados a
quatro ou cinco condições de alinhamento provisório,
uniformemente espaçadas, entre a condição alinhada e a
condição de desalinhamento máximo.
Fig. 3. Gráfico de contorno da probabilidade de vida do
rolamento para uma determinada condição de desalinhamento
(mesmos dados do gráfico de vida do rolamento da Fig. 2.)
O desalinhamento Angular é dado em milésimo de
polegada/polegada e o paralelo (offset), em milésimos de
polegada
Resumo dos resultados
Os dados foram coletados para os experimentos de
desalinhamento para todos os quatro tipos de acoplamento.
13. Então os dados foram analisados para determinar a mudança
na expectativa de vida do acoplamento com respeito à
condição de desalinhamento.
Os esforços medidos mostram que os acoplamentos podem
ser modelados com precisão, como uma combinação de
várias molas lineares e torsionais. Isto significa que qualquer
desalinhamento entre os dois eixos acoplados pode ser
considerado, ou um deslocamento linear ou um
deslocamento angular, e o acoplamento é uma mola que gera
uma força e um momento proporcionais a este deslocamento.
A relação: força ou momento induzida pelo acoplamento
dividida pelo deslocamento é a constante de mola "k" do
acoplamento:
Tanto o desalinhamento paralelo quanto desalinhamento
angular são mostrados como capazes de gerar uma
combinação de uma força transversal e um momento á ponta
acoplada do eixo. Então, há quatro constantes de mola,
necessárias para descrever o funcionando de um determinado
acoplamento:
14. ko,f – Constante de mola que relaciona a força ao
desalinhamento paralelo, lbf/milésimo de polegada,
ko,m – Constante de mola que relaciona o momento ao
desalinhamento paralelo, lbf-polegada/milésimo de
polegada,
ka,f –Constante de mola que relaciona a força ao
desalinhamento angular, lbf/(milésimo de polegada /10
polegadas)
ka,m –Constante de mola que relaciona o momento ao
desalinhamento angular, lbf-polegada/( milésimo de
polegada /10 polegadas)
Se estas quatro constantes forem conhecidas para um
acoplamento específico, podem ser calculadas as cargas
induzidas no rolamento em conseqüência do desalinhamento,
para qualquer tamanho de motor e para qualquer condição de
desalinhamento determinada.
Os esforços aplicados nos rolamentos do mancal acoplado e
nos rolamento do mancal não acoplado foram
15. experimentalmente determinados e uma simples equação de
equilíbrio de forças no sistema foi usada para determinar a
força e o momento (constante de mola) do acoplamento
flexível. Um diagrama deste equilíbrio de forças para o caso
de desalinhamento puro paralelo é mostrado na Fig. 1.
A mesma abordagem é usada para determinar as duas
constantes de mola para o desalinhamento angular. Neste
caso, as equações seriam mudadas de forma que ko,m e ko,f
seriam substituídos por ka,m e ka,f.
Expectativa de vida dos rolamentos
As informações até aqui apresentadas, relacionavam o
desalinhamento de eixo com a carga no rolamento. Uma
relação adicional pode ser desenvolvida para determinar a
vida do rolamento, em função da carga adicional produzida
pelo desalinhamento do eixo. Os fabricantes de rolamentos
fornecem valores de capacidade de carga (C), que podem ser
usados para calcular a vida (H) de um rolamento específico
que opera sob uma carga específica (L) e velocidade
16. rotacional V (rpm). A equação que relaciona capacidade,
carga e vida é:
Podem ser encontradas equações de probabilidade de vida de
rolamento mais complicadas, que utilizam vibrações e
massas mas as mesmas não são necessárias para este
problema. Uma relação entre a vida calculada de um
rolamento em um caso perfeitamente alinhado (com carga
La) e um caso desalinhado (com carga La + Lo) pode dar uma
descrição da redução de vida útil de um rolamento que opera
em condições de desalinhamento:
Este fator terá um valor positivo que é menor que ou igual a
1. O produto deste fator e a máxima vida do rolamento
calculada (sob condições perfeitamente alinhadas) dará uma
nova estimativa na vida do rolamento sob uma condição de
17. desalinhamento. Por exemplo, se o fator de vida restante
fosse calculado como sendo 0.6, então poder-se-ia esperar
que o rolamento durasse só 60 por cento do que duraria um
rolamento em uma condição alinhada. Em tal um caso, 40
por cento da vida operacional do rolamento teriam sido
perdidos devido ao desalinhamento. Este fator mostra, com
precisão, o impacto que o alinhamento inadequado pode ter
na vida do rolamento, bem como, na vida operacional
esperada dos equipamentos.
Acoplamento de Elos
(Link Coupling)
Acoplamento Elastomérico
(Elastomeric Coupling)
Acoplamento de Grade
(Grid Coupling)
Acoplamento de Engrenagem
(Gear Coupling)
18. Fig. 4. Gráficos de contorno refletidos sobre a linha de
alinhamento paralelo nulo mostram as regiões operacionais de
alinhamento para uma determinada probabilidade de vida de
rolamento para os quatro tipos de acoplamento testados. Cada
cor, representa uma espectativa de vida. A maior espectativa
de vida ocorre quando tanto o desalinhamento paralelo quanto
o angular são nulos.
(O desalinhamento Angular é dado em milésimo de
polegada/polegada e o paralelo [offset], em milésimos de
polegada )
Usando esta equação, as cargas medidas, e uma carga
inicial de 500 libras, podemos determinar o fator de vida
restante para diferentes condições de alinhamento.
Considerando que a condição de alinhamento é definida
através de duas variáveis, paralelo e angular, este é um
19. gráfico tridimensional. A Fig. 4a apresenta um gráfico das
medidas de carga em um acoplamento de elos (Link
Coupling). Os desalinhamentos angular e paralelo são
variados em cima dos eixos horizontais, e o eixo vertical
apresenta a carga no rolamento para um determinado
desalinhamento. Apenas aproximadamente 100 dos pontos
de dados mostrados neste gráfico foram diretamente
medidos; os restantes foram gerado por interpolação entre os
pontos conhecidos. A equação de fator de vida restante foi
então usada com os dados da Fig. 2a para determinar que
porcentagem de vida dos rolamentos pode ser esperada para
uma determinada condição de desalinhamento e plotado na
Fig. 2b.
A Fig. 3 apresenta um gráfico de contorno da informação da
Fig. 2b. Os contornos localizam as linhas de probabilidade
de vida de percentual constante. Uma característica a
destacar neste gráfico é que não há nenhuma região fechada
especificando um alcance finito de operação, englobando um
alcance de probabilidade de vida específico. Por exemplo,
este mapa prediz a mesma probabilidade de vida (100 por
20. cento) para um rolamento que opera em um caso
perfeitamente alinhado como um operando com um
desalinhamento paralelo de +5 milésimos de polegada e uma
angularidade de +80 milésimos de polegada/10 polegadas.
Isto significa que para uma combinação específica de
rolamento e acoplamento, existem certas combinações de
desalinhamento angular e paralelo que produzem cargas
induzidas no rolamento devidas ao desalinhamento angular
que cancelam as cargas produzidas pelo desalinhamento
paralelo.
Pode não parecer prático o uso dos dados da Fig. 2 para
estabelecer os padrões de alinhamento das máquinas. Um
modo simples para usar aqueles dados é fazer um
espelhamento dos dados ao redor do ponto de
desalinhamento paralelo nulo. Isto serve criar claras regiões
operacionais sugeridas para equipamentos para um
determinado nível desejado de confiabilidade de rolamento.
A Fig. 4 mostra estas regiões operacionais para os quatro
diferentes tipos de acoplamentos utilizados nesta pesquisa.
21. Note que no gráfico de acoplamento tipo engrenagem na Fig.
4, as regiões não são tão lineares quanto nos outros
acoplamentos. Isto provavelmente é devido ao fato deste tipo
de acoplamento possuir dois planos de transferência de
força. Devido a isto, o acoplamento de engrenagem foi o
que forneceu resultados menos repetitivos.
Consideração a respeito do desalinhamento no plano
vertical
Todos os resultados obtidos neste estudo foram
exclusivamente determinados por exame dos efeitos de
desalinhamento no plano horizontal. Mas, explorando a
simetria radial em equipamentos rotativos, estes resultados
podem ser facilmente estendidos para abranger tanto os
desalinhamentos na direção vertical, quanto na combinação
de componentes horizontais/verticais. Isto é executado por
simples adição vetorial, conforme mostrado nas equações
seguintes:
22. Os valores combinados para os desalinhamentos paralelo e
angular destes cálculos podem ser utilizados para todos
cálculos apresentados de carga de rolamento e vida. Para que
a equação acima seja usada corretamente, os
desalinhamentos angulares devem ser dados em unidades de
comprimento/comprimento (por exemplo milésimos de
polegada por polegada) e não em unidades radiais como
graus ou radianos.
Conclusões
Os resultados desta pesquisa mostram, para os acoplamentos
usados neste experimento, que os desalinhamentos
moderados de eixo induzem cargas nos rolamentos em valor
grande o suficiente para produzir uma significativa redução
na vida dos rolamentos. Estes aumentos de carga resultam na
amplificação da vibração e das temperaturas dos rolamentos
e acoplamentos.
23. A adição de rolamentos dotados de medidores de carga em
motores comerciais, pode ser útil para sistemas de medição
"on-line", que passariam a detectar o desbalanceamento
rotacional e o desalinhamento. Isto poderia ajudar na
evolução das estratégias de manutenção periódicas para
manutenção baseadas na condição, podendo também ajudar
na diagnose de equipamentos problemático.
Esta pesquisa mostra que o desalinhamento angular tem um
impacto muito menor na expectativa de vida dos rolamentos
que o desalinhamento paralelo. De fato, o desalinhamento
angular pode representar um papel mais significativo na
redução da vida dos rolamentos do que este estudo sugere.
Isto é devido a dois pontos:
(1)- As forças axiais, que não foram medidas, podem reduzir
a vida do rolamento, e
(2)- O desalinhamento angular pode ser o fator principal na
redução da vida do acoplamento.
24. Nenhuma destas duas suposições foi estudada nesta
pesquisa.
É uma convicção comum, que um acoplamento flexível que
opera em estado de desalinhado angular induzirá uma carga
axial oscilatória nos eixos acoplados. Esta convicção é
substanciada através de experiências práticas de
desalinhamento angular em equipamentos rotativos, o qual é
diagnosticado comumente pela detecção de excessiva
vibração axial. Os sensores de carga de rolamento, usados
neste projeto de pesquisa, não puderam detectar este
carregamento axial (apenas cargas transaxial dos rolamentos
foram medidas nesta pesquisa), não sendo portanto medidas
as cargas oscilatórias de escoramento dos rolamentos.
Suspeita-se que apenas a medição do carregamento
transaxial não seja suficiente para descrever completamente
os impactos degradantes que o desalinhamento angular causa
aos rolamentos. É provável que desalinhamento angular
possa diminuir ainda mais a vida do rolamento, pela indução
25. de uma carga adicional na direção axial. Os resultados neste
projeto que estima o impacto adverso que o desalinhamento
angular causa a vida do rolamento deveria ser considerado
como uma estimativa mínima.
O efeito do desalinhamento angular nos acoplamentos seria o
acréscimo de forças no acoplamento. Estas forças são de
natureza oscilatória, devido à compressão e expansão
sucessiva dos materiais do acoplamento. Estas forças
oscilatórias crescem com o aumento do desalinhamento
angular e aceleram as falhas por fadiga dos componentes do
acoplamento. Então, isso sugere que o desalinhamento
paralelo carrega desnecessariamente e degrada os
rolamentos, enquanto o desalinhamento angular degrada
principalmente o acoplamento.
Regras gerais
Os resultados deste estudo podem ser condensados, podendo
mais adiante virem a ser generalizados, por um conjunto
conveniente de regras.
26. A Tabela 2 mostra a quantidade de desalinhamento paralelo
que pode ser tolerado para permanecer dentro de certas
regiões da máxima probabilidade de vida possível.
Tais magnitudes toleráveis de desalinhamento paralelo
podem então ser padronizadas em função do máximo
desalinhamento paralelo especificado pelo fabricante do
acoplamento.
TABELA 2. REGRAS PARA DESALI&HAME&TO
PARALELO E PARA AVIDA DOS ROLAME&TOS DO
LADO ACOPLADO
Máximo desalinhamento paralelo
(medida direta e percentual esperado
para a vida máximo do rolamento)
Tipo do
acoplamen
to
90%
probabilid
ade de
vida
80%
probabilid
ade de
vida
50%
probabilid
ade de
vida
Máximo
desalinhame
nto paralelo
recomendado
pelo
fabricante do
acoplamento
De Elos 3 5 20 26 milésimos
27. milésimos
(12% do
máximo)
milésimos
(19% do
máximo)
milésimos
(77% do
máximo)
Elastoméri
co
8
milésimos
(11% do
máximo)
21milésim
os
(30% do
máximo)
70
milésimos
(100% do
máximo)
70 milésimos
De Grade 1
milésimos
(8% do
máximo)
2
milésimos
(17% do
máximo)
5
milésimos
(42% do
máximo)
12 milésimos
De
Engrenage
m
5
milésimos
(10% do
máximo)
10
milésimos
(20% do
máximo)
35
milésimos
(70% do
máximo)
50 milésimos
28. Usando a média dos valores de desalinhamento paralelo,
para várias probabilidades de vida, pode-se então afirmar
que, para os acoplamentos usados neste estudo, de uma
maneira genérica, que:
- 1. Se o motor possui um desalinhamento paralelo de 10%
do limite máximo permitido pelo fabricante do
acoplamento, pode-se esperar uma redução de 10% na
expectativa de vida do rolamento localizado no Lado
Acoplado;
- 2. Se o motor possui um desalinhamento paralelo de 20%
do limite máximo permitido pelo fabricante do
acoplamento, pode-se esperar uma redução de 20% na
expectativa de vida do rolamento localizado no Lado
Acoplado;
- Se o motor possui um desalinhamento paralelo de 70% do
limite máximo permitido pelo fabricante do acoplamento,
pode-se esperar uma redução de 50% na expectativa de
vida do rolamento localizado no Lado Acoplado;