Vibrações e acoplamentos dentados
Vibrações e acoplamentos dentados
Neste artigo fala-se de vibrações e acoplamentos dentados. Refere-se nomedamente a influência de um acoplamento dentado no comportamento vibratório de uma máquina quando ocorre um desalinhamento.
Desalinhamento – a influência nas vibrações do acoplamento
O tipo de acoplamento instalado numa linha de veios, define o que é um desalinhamento fora das tolerâncias, no acoplamento.
Figura – Diversos tipos de acoplamento
Um acoplamento é um componente mecânico que liga dois veios, para transmitir potência. Os acoplamentos introduzem alguma flexibilidade na transmissão mecânica, proporcionando tolerância ao desalinhamento.
Como resultado, esta flexibilidade de acoplamento pode reduzir o desgaste das chumaceiras, a vibração do equipamento e outros problemas mecânicos devido ao desalinhamento.
Vibraçoes e acoplamentos dentados – Funções do acoplamento
As principais funções dos acoplamentos são:
- Transmissão de potência;
- Absorção do desalinhamento;
- Absorção de vibrações para proteção de componentes;
- Evitar a transferência de calor para o lado acionado.
Leva um tempo considerável a alinhar o veio de um motor com o veio de acionado com alta precisão. Se os veios de dois veios estiverem desalinhados, é repetidamente aplicada uma força extra às partes em rotação, à medida que giram, o que causa vibração e ruído e, frequentemente, provoca o aparecimento de fendas de fadiga, que podem causar a rutura dos veios.
Além disso, embora as mesmas peças sejam utilizadas para fabricar unidades, podem existir erros como a precisão de maquinação, pelo que é muito difícil montar cada unidade com precisão, pois as dimensões são diferentes umas para outras. Assim sendo, deve ser utilizado um acoplamento para absorver os erros de montagem.
O acoplamento tem o papel de transmitir potência de forma dinâmica e precisa, mesmo que exista um desalinhamento (excentricidade/ ângulo, deslocamento axial, etc.) entre os dois veios.
O acoplamento dentado
Os acoplamentos dentados funcionam como uma engrenagem. Ou seja, transmitem o binário por meio de cubos com dentes.
Devido ao engrenamento, estes acoplamentos são indicados para a transmissão de grandes binário e acomodam desalinhamentos em todas as direções, axial, paralelo e angular.
Usam-se quando há altas velocidades e grandes binários, com um longo tempo de vida útil.
Conforme sua aplicação, o acoplamento de engrenagem necessita de lubrificação mecânica periódica. Se feita corretamente, a vida útil deste acoplamento dura por anos.
Vibraçoes e acoplamentos dentados – A absorção do desalinhamento por um acoplamento dentado
Um acoplamento dentado, quando imobilizado parece ser um órgão que pela sua construção é capaz de absorver grandes desalinhamentos.
Figura – Dentes num acoplamento dentado.
Efetivamente, é o que acontece quando a máquina está imobilizada. Todavia quando a máquina está a funcionar a potência transmitida pelo acoplamento conjuntamente com a força de atrito vão reduzir drasticamente essa mobilidade relativa e, a partir de um determinado valor de potência transmitida, o conjunto vai ficar completamente bloqueado. Assim existindo um desalinhamento, este pode ser completamente absorvido pelo acoplamento com a máquina a funcionar com uma carga reduzida, e já não o ser, quando a máquina está a plena carga. Conforme as condições de carga da máquina, esta pode apresentar, ou não, sintomas vibratórios de desalinhamento.
A variação de condições de carga de uma máquina com este tipo de acoplamento, é assim um teste a efetuar, para determinar se existe desalinhamento no acoplamento.
Vibrações e acoplamentos dentados – Exemplo – Comportamento vibratório de um ventilador desalinhado, com um acoplamento dentado, durante a paragem
Na figura a seguir apresentada, pode-se ver a forma de onda de longa duração de um ventilador, com um acoplamento dentado, durante a sua paragem.
Figura – Forma de onda de longa duração de um ventilador, com um acoplamento dentado, durante a sua paragem
Notem-se os fenómenos que procederam o início da paragem:
- O registo do ar de entrada é fechado gerando uma depressão na entrada do ventilador;
- A potência pedida ao motor para rodar o ventilador é reduzida;
- O acoplamento dentado desbloqueia e absorve o desalinhamento;
- As forças e consequentes vibrações geradas pelo desalinhamento desaparecem.
- Inicia-se a paragem
A seguir pode-se ver um mapa espetral desta mesma paragem.
Figura – Mapa espetral das vibrações de um ventilador, com um acoplamento dentado, durante a sua paragem
Note-se a grande redução de nível de vibrações da componente a 1 x rpm, assim que a potência transmitida pelo acoplamento é reduzida e absorve o desalinhamento.
Exemplo – Análise de fase de motor/ventilador unidos por um acoplamento dentado, desalinhados
Na figura a seguir pode-se ver a amplitude (dentro de cada círculo) e a fase (assinalada por um risco em cada círculo) da componente à velocidade de rotação, medidas nas três direções, em todas as chumaceiras, numa máquina com um desalinhamento ao nível do acoplamento.
Figura – Amplitude e fase da vibração a 1 X RPM num ventilador com um desalinhamento no acoplamento.
Notem-se os seguintes aspetos:
- Diferença de fase de 180 graus nas medidas no motor na direção vertical
- Idem na horizontal
- Fase rigorosamente igual nas medidas na mesma direção nas chumaceiras de ambos os lados do acoplamento devido ao acoplamento estar bloqueado.
- Passando-se a mão na carcaça do motor conseguia-se sentir que vibrava mais nos estremos do motor que ao meio!
Nestas circunstâncias pode-se considerar que o acoplamento, do tipo dentado, se encontrava absolutamente bloqueado e fazia vibrar as duas chumaceiras mais próximas em bloco. Simultaneamente obrigava o motor a um movimento oscilatório.
Assim normalmente considera-se que diferenças de fase de 0 (nos acoplamentos dentados, quando bloqueados) ou 180 graus são sintomas de desalinhamento. A diferença de 0 graus significa que o acoplamento está bloqueado.
Exemplo – Variação de carga em alternador desalinhado com acoplamento dentado
Na figura a seguir podem-se ver dois espectros de frequência medidos no mesmo ponto de medida, numa chumaceira de um redutor de um grupo gerador, na direção axial, junto de um acoplamento dentado.
Os espectros foram medidos com poucos minutos de intervalo:
- um com o alternador com 3 MW
- o outro com 9 MW.
Figura – Espectros medidos num grupo turbogerador, na chumaceira do redutor junto de um acoplamento dentado, na direção axial, com o alternador com a carga de 3 MW (espectro de cima) e 9 MW (espectro de baixo).
Note-se a dimensão relativa das componentes a uma e duas vezes a velocidade de rotação no espectro de cima e no debaixo. No espectro de cima não surgem sintomas de desalinhamento enquanto no debaixo já isso se nota.
O acoplamento quando transmitia 3 MW de potência era flexível e absorvia o desalinhamento existente; o mesmo não ocorria quando transmitia 9 MW.
Nos acoplamentos dentados quando se degrada o estado dos dentes começa a surgir uma vibração à frequência de engrenamento (número de dentes do acoplamento vezes a velocidade de rotação). Assim neste tipo de acoplamentos é importante acompanhar esta frequência.
