Transmissoes Turbinas Eolicas-Mussato

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Análise Tribológica de uma transmissão de turbina de energia eólica
Alguns tipos de transmissões eólicas
Introdução
Para se determinar os problemas inerentes ao desgaste pelo uso de um equipamento como uma caixa de
transmissão de uma torre de energia eólica, usam-se os métodos GRC (Gearbox Reliability Collaborative) e CM
(Condition Monitoring). Trata-se de métodos padronizados para se avaliar a influência de grandezas físicas
como Vibrações e Forças, e de análises não destrutivas como a Diagnose do lubrificante utilizado na
transmissão.
Este artigo propõe uma análise completa e sequencial de como se fazer a avaliação do desgaste do
equipamento, de maneira a obter os melhores resultados de ganhos com a redução do custo de manutenção
do mesmo, haja vista os valores altos de investimentos que justificam manter o aparelho sob controle e
observação constantemente, evitando-se trocas prematuras e paradas de serviço.
A análise do lubrificante utilizado, bem como novas técnicas de predição de falhas nas transmissões de energia
eólica, são discutidas e analisadas neste trabalho, afim de não somente concluir sobre a eficiência dos métodos
utilizados como também propor e alertar aos especialistas e profissionais da área, sobre o panorama real de
uso dos equipamentos e das tendências em métodos de predição de falhas e novas tecnologias para com este
objetivo.

Números sobre paradas de manutenção
“Através destes números o profissional de manutenção ou engenheiro responsável, pode planejar as
intervenções de parada do equipamento para sanar os problemas graves, bem como ter consciência dos
‘fusíveis’ do sistema no tocante a criticidade de manutenção e valor agregado da parte em destaque”
População
analisada de
27 mil turbinas !

Critérios para medição dos esforços e falhas
Pode-se visualizar os dispositivos e ajustes para a medição dos eforços de tensão dos componentes críticos à
fadiga como o eixo principal da transmissão, mostrado acima. A importância em se determinar os valores
máximos de tensões para ruptura e fadiga do componente residem no fato de se determinar desta maneira as
manutenções preventivas do equipamento, com o objetivo de se agir com medidas de contenção antes da
danificação do componente, haja vista seu alto valor agregado a funcionalidade e eficiência do equipamento.
“Através da análise do óleo lubrificante pode-se prever o ponto de parada do equipamento para manutenção,
através do levantamento do tamanho e quantidade de particulado de ferro e da morfologia das partículas
encontradas no óleo. Esta é uma técnica de manutenção preditiva que se torna fundamental para o ciclo de
vida de um equipamento de altíssimo valor agregado como uma transmissão de energia eólica”
Visualização da instrumentação necessária (strain gage) para se avaliar preditivamente o início de formação de
crateras sub-superficiais (micropitting) no componente de importância fundamental na eficiência do
equipamento, o Rolamento.

As formas de medições apresentadas acima são as chamadas ‘Análises individuais de componentes’ e
requerem equipamentos e instrumentações específicas para serem realizadas. Em geral são necessárias
avaliações individuais de componentes, para se estabelecer uma relação com os resultados das análises não
destrutivas realizadas nas manutenções preventivas dos equipamentos, como a análise de óleo lubrificante por
exemplo. Para estas análises não são necessários bancos de teste. Estes devem ser feitos com o intuito de se
avaliar a confiabilidade do equipamento como um todo. São as chamadas análises de bancos de teste
(Gearbox Reliability Collaborative) que pode ser visualizada a seguir:
Das falhas e variáveis que se podem obter de um banco de testes como este, destacam-se:
1. Análise de ondas de tensão
2. Análise de vibrações
3. Monitoramento de sujidade ou particulado do óleo lubrificante
4. Monitoramento das condições de lubrificação
,Como as duas primeiras análises acima
dependem totalmente do banco de testes
equipado com dinamômetro e, portanto uma
análise de alto custo laboratorial, este trabalho
enfatiza e concentra-se, nos benefícios das duas
últimas análises, que não dependem de um banco
de testes, e que podem com grande assertividade,
fornecer dados importantes para tomadas de
decisões sobre a manutenção e estado de uso do
equipamento ‘torre de energia eólica com
transmissão por engrenagens’.
Dinamômetro NREL 16913
Estação de filtragem da transmissão, com
sensores para monitoramento da sujidade
do óleo

Avaliação dos lubrificantes abordados no uso das transmissões
Tecnologia do óleo base Grau de viscosidade Referência genérica
PAO Sintética ISO 320 PAO Ref.
PAO Sintética ISO 320 PAO Alt.
PAG Sintética ISO 320 PAG
Ester Sintético ISO 320 Ester
PFPE ISO 220 PFPE
Para que as análises das amostras de lubrificante das transmissões tivessem relevância estatística, foram
medidas 4 transmissões, sendo 3 amostragens de cada uma, portanto 12 amostragens igualmente espaçadas
em 6 meses para as respectivas coletas.
O ensaio de morfologia das partículas
encontradas no lubrificante indicam
presença resíduos de sujeira orgânica
e desprendimento metálico proveniente
de desgaste por atrito.
O ensaio para determinação de
formação de espuma indicou
precipitação em função de deficiência
no respiro e exposição a tempo de uso
acima do previsto.

Os resultados dos testes de análise de óleo foram confrontados com os ensaios de visualização microscópica
da superfície dos dentes das engrenagens da transmissão. É importante salientar que o estado de erosão
metálica causada pelo fenômeno de pitting nos flancos dos dentes, não é atributo de um lubrificante ineficiente
ou fora da especificação, mas de uma condição de lubrificação que deve ser melhorada e adequada para com
as condições de severidade do equipamento, fato que contribui para o avanço das pesquisas no sentido de
encontrar uma tecnologia de lubrificação que aumente a expectativa de vida útil dos equipamentos ou torres
eólicas, reduzindo assim diretamente os custos com geração de energia elétrica e aumentando a rentabilidade
das companhias concessionárias desta tecnologia sustentável de energia.
Todo ensaio ou teste deve reproduzir-se de acordo com uma norma ou padrão. Para tanto, o quadro abaixo
mostra cada um dos ensaios e respectivas normas vigentes, que devem ser enunciadas em um reporte oficial
quando da análise dos componentes da transmissão.
Padronização industrial e ferramentas de análise para
lubrificantes de transmissões de turbinas eólicas
01 GL Wind 2005 “Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines”
02 ANSI/AGMA 6006/A03
“Standard for Design and Specification of Gearboxes for Wind
Turbines
03 KissSoft Software Release 04/2010
04 ISSO 6336-1 &-2 “Calculation of Load Capacity of Spur and Helical Gears”
05 ISSO/CD TR 15144-1
“Calculation of micro-pitting load capacity of cylindrical spur and
helical gears”
06 DIN/ISSO 281-4 “Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life”
07 DIN IEC 61400-4 (Draft) “Design requirements for Wins Turbine Gearboxes”
08 ISSO 81400 Part of IEC 61400 Series
09 AGMA 9005-E02 Industrial Gear Lubrication
10 DIN 51517-1
Lubricants – Lubricating Oils-Part 1: Lubricating oils C; Minimum
Requeriments
11 ISSO 12925-1 “Specification for Lubricants for enclosed gear systems”
Na página seguinte há um panorama dos
desgastes de flancos dos dentes das
engrenagens (região abaixo do Diâmetro
primitivo) e que pode ser diretamente associada
ao tipo de lubrificante utilizado. As profundidades
de erosão dos flancos analisados chegam a
0,0450 mm e, portanto, bastante severas.
Ilustração dos tipos de controle de flancos de dentes
de engrenagens

Micrografia da região do flanco dos dentes
(Abaixo do diâmetro primitivo)
Pode-se observar que todos os tipos de lubrificantes tiveram sua atuação limitada no tocante à formação de
pitting ou erosão superficial dos flancos dos dentes das engrenagens da transmissão. Este fato se deve a
severidade de uso, com exposição ao ambiente salino, particulado em suspensão, vibração, defeitos no
sistema de lubrificação e por fim de problemas relativos aos materiais (aços) e seus tratamentos térmicos de
endurecimento. Observa-se que a PAO Refer apresenta um desempenho superior aos demais lubrificantes e
torna-se, portanto, motivo de estudo para com sua composição química.
No final deste trabalho apresentar-se-á uma conclusão em relação à proposição tecnológica e de métodos para
se aumentar a durabilidade do acabamento superficial dos flancos dos dentes das engrenagens da
transmissão eólica. Proposição esta que deve ser atenciosamente realizada para um equipamento novo, de
modo a dar a devida proteção ao componente ‘engrenagem’ antes do fenômeno de erosão superficial ocorrer.

Resumo dos modos de falha dos componentes da transmissão
Componentes da Transmissão Modos de falha
Carcaça da caixa de transmissão Fratura
Suspensão Desgaste, Avarias
Braço de torque Desgaste, Avarias
Sistema de lubrificação
Perda de lubrificante, contaminação, degradação, falha do
sistema e bomba de óleo, filtragem saturada, irrigação
prejudicada
Portador planetário Lubrificação
Rolamento do planetário Erosão superficial (pitting), lubrificação
Engrenagem planetária Erosão superficial (pitting), lubrificação
Engrenagem interna ou anelar Erosão superficial (pitting), lubrificação, fratura
Engrenagem solar Erosão superficial (pitting), lubrificação
Eixo do planetário (entrada) Trinca, desgaste
Engrenagem do eixo paralelo Erosão superficial (pitting), lubrificação
Rolamento do eixo paralelo Erosão superficial (pitting), lubrificação
Pinhão do eixo paralelo Erosão superficial (pitting), lubrificação
Eixo paralelo Trinca, desgaste
Eixo de saída Trinca, deformação permanente
Pinhão de saída
Desgaste por abrasão (Scuffing)
Engrenagem de saída
Desgaste por abrasão (Scuffing)
Pinhão Solar
Desgaste por corrosão (Fretting)
Engrenagem Planetária
Desgaste por corrosão (Fretting)
Foto
S/E
Influência da
Lubrificação!

Partindo-se deste quadro de falhas muito bem claro e definido, podem-se estabelecer planos de ações no
tocante a ‘revestimentos metálicos’ nas partes onde ocorre desgaste, trinca, fratura e deformação, e
‘tratamentos termoquímicos’ nos componentes com denteado interno e externo. Os revestimentos metálicos
podem ser aplicados pelo processo de Aspersão Térmica, com camadas espessas que podem agregar rigidez
aos eixos e carcaça que apresentam deterioração prematura.
Revestimento metálico
‘Aspersão Térmica’
Tratamento Termoquímico
‘Nitretação’
Pista interna Rolamento HSS-C
Super-aquecimento leve
Pista interna Rolamento ISS-A
Corrosão de contato leve
Espaçador de pista de Rolamento
ISS-B/C
Dano severo de montagemve
Pista de Rolamento PLC-A
Severa Corrosão por vibraçãove
Foto
S/E
Lubrificação eficiente
‘Irrigação e especificação’
1
2
3

Visualização da redução de custos com manutenção
Operador Vida útil
estimada
(Anos)
Custo com
impostos e
serviços
(Euros)
Danos detectados
(Unidades)
Custos não
planejados/ reparos
planejados
(Euros)
Redução
de custos
(Euros)
Eolic1 5 150,000 3 Transmissões 405,000/101,250
303,750
em 5 anos
Eolic2 5 1300,000
12 Transmissões
40 Geradores
4620,000/1155,000
3465,000
em 5 anos
Eolic3 3 472,000
20 Transmissões
1 Rolamento do gerador
1 Rolamento principal
2811,000/702,750
2108,250
em 3 anos
1 Euro = 3.47 BRL
Preconização de Lubrificação baseada no relatório MSC&Co.
As novas aplicações tecnológicas oriundas do
mundo moderno demandam inovações no campo
da engenharia de superfície, materiais e
lubrificantes, que sugerem mudança de
concepção. Isso significa fazer a mesma função
com princípios totalmente diferentes e eficientes.
Neste campo surgem as ‘Surfactant molecules’,
ou moléculas com princípios ativos oriundos da
nanotecnologia. Esta concepção prevê a adsorção
das partículas de desgaste às moléculas de ação
de proteção metálica, ou seja, a molécula com
função protetiva ‘alimenta-se da energia de
atrito’ gerada pelo contato metálico, influenciado
pelo deslizamento superficial, pressão de contato e
consequente temperatura de operação. Além
disso, há um segundo fator extraordinário no
comportamento das moléculas nanomanufaturas
chamado ‘Self-Assembly’, ou seja, o arranjo
atômico da ordem de 50nm (nanômetros) trabalha
de forma inteligente no tocante ao posicionamento
de cada partícula da solução fluida, apresentando
memória de posição e fazendo com que a camada
protetiva se auto-ajuste frente ao caos da
operação em ocorrência. Este fenômeno chama-se
SAM (Self-Assembly-Monolayer) e somente é
possível ocorrer quando há presença de
metamateriais, ou seja, moléculas fabricadas no
conceito da nanotecnologia e portanto de tamanho
ínfimo da ordem de 10
-9
m (metros), ou 0,000.000.00X
mm (milímetros). Esta camada diferenciada protege a
superfície não somente a desgaste por abrasão e
adesão, mas também quanto a corrosão metálica.
Propõe-se, portanto o uso de metamateriais à
lubrificação crítica ou limítrofe, onde toda a capacidade
lubrificante é necessária para aumentar a vida útil de
equipamentos de alto valor agregado e sobretudo, que
demandam funcionamento intenso, dada a dificuldade
de manutenção e consequências da suspensão dos
serviços para a população e meio ambiente.
.

Sumário dos benefícios e proposições tecnológicas para a
manutenção das transmissões de turbinas eólicas
Objeto de Estudo – Trem de força de uma transmissão
1 – Da origem dos defeitos
1.1-Cargas não previstas
1.2-Projeto subdimensionado
1.3-Concepção prática inadequada
1.4-Ciclo de testes insuficiente/inadequado
2 – Dos picos de carregamento ou forças
2.1-Desalinhamento entre portador planetário
e engrenagem interna anelar em função da folga
operacional do rolamento do planetário
2.2-Desbalanceamento do compartilhamento
de carga entre os rolamentos do planetário e as
engrenagens do portador, a favor e contra o vento
2.3-Deflexão do pino do planetário e portador
com existência de folga radial
3 – Das análises no banco de testes GRC
(Gearbox Reliability Collaborative)
3.1-Causas simples podem levar a danos
complexos
3.2-Melhorias operacionais e de manutenção
são necessárias para reduzir as perdas de
lubrificante por vazamento
3.3-Atenção especial na montagem é
necessária para evitar danos ao equipamento
4 – Da eficiência e importância da lubrificação
4.1-O custo da análise de lubrificante frente
ao custo da reposição do equipamento é
extremamente significativo. Implemantar análise por
amostragem sistematicamente
4.2-A análise morfológica e de tamanho de
partículas é extremamente importante para a
detecção dos modos de falha da transmissão e
devem estar conectadas com as análises dos
bancos de testes e da análise individual dos
componentes, como já visto no início deste trabalho
4.3-A demanda de severidade de uso deste
equipamento vai além do uso de lubrificantes full
synthetic como PAO e afins. Deve-se propor a
inclusão combinada de novos conceitos como a
nanotecnologia aplicada à lubrificação de
equipamentos novos e com pouco uso, para
prolongar a vida útil (Vide tópico sobre
metamateriais)
4.4-Deve-se otimizar o projeto com
engenharia reversa de forma a mitigar os
vazamentos oriundos de desalinhamento de
componentes ou de avarias causadas na operação e
até na montagem do equipamento, haja vista a
dificuldade de manutenção causada por localidade e
ambiente severo de operação
5 – Sumário das proposições importantes
5.1-Transmissões de turbinas eólicas podem
falhar por inúmeros e não previsíveis motivos. É
urgente estudar os modos de falha
sistematicamente, de modo a implementar melhorias
significativas na vida útil do equipamento,
considerando manutenção, lubrificação, projeto,
transporte e montagem das mesmas
5.2-As técnicas e métodos usados e
aprovados para um nicho de aplicação, podem falhar
em outra aplicação. Há que catalogar cada detalhe
da operação com este tipo de equipamento para
obter sucessos progressivos na redução do custo
com geração de energia com este importante
equipamento

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