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Walter dos Santos Sousa / 0102104301

2º Semestre/2005

Walter dos Santos Sousa / 0102104301

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Colegiado do Curso de Engenharia Mecânica para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. Orientador (a): Prof. Dr. Newton Sure Soeiro

2º Semestre/2005 i Walter dos Santos Sousa / 0102104301

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico pela Universidade Federal do Pará. Submetido à banca examinadora do Colegiado constituída pelos MEMBROS:

_ Prof. Dr. Newton Sure Soeiro (Orientador)

_ Prof. Dr. Alexandre Luiz Amarante Mesquita (Membro)

_ Prof. M. Eng. Mauro José Guerreiro Veloso (Membro)

_ Eng. Paulo Thadeo Andrade Silva (Convidado Externo)

Julgado em: _ / _ /

Conceito: _

Primeiramente, agradeço a Deus por todas as oportunidades que são colocadas em minha vida, sendo que esta, de estar me formando, é apenas mais uma de muitas outras bênçãos recebidas por ele.

A meus pais, Deuzarina dos Santos Sousa e Raimundo Lúcio Silva Sousa, que sempre me deram apoio em meus estudos e a toda a minha família que estiveram ao meu lado nos momentos mais difíceis.

Ao Prof. Dr. Newton Sure Soeiro, que me deu toda a orientação necessária para o desenvolvimento deste trabalho com bastante atenção e paciência, procurando sempre esclarecer todas as minhas dúvidas.

Aos engenheiros Paulo Thadeo Andrade Silva, Norberto Bramatti, Antenor Neves dos

Santos Filho, Anderson José Costa Sena, José Marcelo Araújo do Vale e aos demais colaboradores da Eletronorte que facilitaram a o desenvolvimento deste trabalho viabilizando os equipamentos da referida empresa para todos os testes experimentais.

Aos companheiros do Grupo de Vibrações e Acústica (GVA) e do Programa de

Educação Tutorial (PET) do curso de Engenharia Mecânica pela amizade e pelo auxílio prestado sempre que precisei.

Ao Prof. Dr. Antonio Luciano Seabra Moreira, Tutor do Grupo PET de Engenharia

Mecânica, pela orientação acadêmica em minhas atividades desde o início de minha graduação.

À banca examinadora, pelo convite aceito na apreciação deste trabalho. Finalmente, a todos aqueles que ajudaram de alguma forma no desenvolvimento deste trabalho e que, infelizmente, eu não escrevi seus nomes.

SIMBOLOGIAviii
LISTA DE FIGURASix
LISTA DE TABELASxi
RESUMOxii
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO1
1.1 – APRESENTAÇÃO1
1.2 – JUSTIFICATIVA2
1.3 – OBJETIVOS2
1.3.1 – Objetivo Geral2
1.3.2 – Objetivos Específicos3
1.4 – METODOLOGIA UTILIZADA3
1.5 – ESTRUTURA DO TRABALHO4
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA6
2.1 – INTRODUÇÃO6
E BALANCEAMENTO6
2.3 – INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL E LABVIEW9
2.4 – ADMINISTRAÇÃO DE BANCO DE DADOS9
2.5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS10

SUMÁRIO 2.2 – TÉCNICAS DE IDENTIFICAÇÃO DE DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS

BALANCEAMENTO ROTATIVO1
3.1 – INTRODUÇÃO1
3.2 – DEFINIÇÃO DE DESBALANCEAMENTO1
3.3 – TIPOS DE DESBALANCEAMENTO13
3.3.1 – Desbalanceamento Estático (Static Unbalance)13
3.3.2 – Binário de Desbalanceamento (Couple Unbalance)14
3.3.3 – Desbalanceamento Quase-Estático (Quasi-Static Unbalance)16
3.3.4 – Desbalanceamento Dinâmico (Dynamic Unbalance)17
3.4 – VIBRAÇÃO EM ROTORES DESBALANCEADOS18
3.5 – CAUSAS DO DESBALANCEAMENTO19
3.6 – ROTORES RÍGIDOS E ROTORES FLEXÍVEIS20
3.7 – TIPOS DE BALANCEAMENTO21
3.7.1 – Balanceamento em um Plano ou Balanceamento Estático2
3.7.1.1 – Determinação dos Coeficientes de Influência23
Analítico24
3.7.1.3 – Balanceamento Estático – Método Gráfico26
3.7.2 – Balanceamento Simultâneo em dois Planos ou Balanceamento Dinâmico28
3.7.3 – Balanceamento em Vários Planos32
3.7.3.1 – Balanceamento Considerando o Número de Planos Igual ao de Mancais3
35

CAPÍTULO 3 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA SOBRE A TÉCNICA DE 3.7.1.2 – Balanceamento Estático Utilizando os Coeficientes de Influência – Método 3.7.3.2 – Balanceamento Considerando o Número de Planos Maior que o de Mancais 3.7.3.3 – Balanceamento Considerando o Número de Planos Menor que o de Mancais ......................................................................................................................................38

3.8 – ESTIMATIVA DE MASSA DE TESTE39
3.9 – CONSIDERAÇÕES FINAIS40
CAPÍTULO 4 – INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL41
4.1 – INTRODUÇÃO41
4.2 – DESCRIÇÃO DE UM INSTRUMENTO VIRTUAL41
4.3 – COMPOSIÇÃO DE UM INSTRUMENTO VIRTUAL42
REAIS43
4.5 – INTERFACES DE INSTRUMENTAÇÃO46
4.5.1 – A Interface GPIB (IEEE-488)46
4.5.2 – Interfaceamento de Sensores e Atuadores Analógicos48
4.5.2 – Componentes de Interfaceamento de Instrumentos (Instrument Drivers)49
4.6 – INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL COM LABVIEW49
4.7 – CONSIDERAÇÕES FINAIS51

vi 4.4 – COMPARACÃO ENTRE INTRUMENTOS VIRTUAIS E INSTRUMENTOS

A ELABORAÇÃO DO SISTEMA APLICATIVO52
5.1 – INTRODUÇÃO52
5.2 – DESCRIÇÃO DOS SOFTWARES UTILIZADOS52
5.3 – DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE AQUISIÇÃO53
5.4 – DESENVOLVIMENTO DOS VIs DE COLETA E DE BALANCEAMENTO5
DE BALANCEAMENTO ROTATIVO59
5.5.1 – Divisão de Massa de Teste59
5.5.2 – Soma de Massas60
5.5.3 – Estimativa de Massa de Teste60
AMOSTRAS62
ALARME VISUAIS62
5.8 – DESENVOLVIMENTO DOS VIs GERADORES DE RELATÓRIOS65
5.9 – DESENVOLVIMENTO DA INTERFACE COM O USUÁRIO67
5.1 – REALIZAÇÃO DE TESTES EM BANCADA DE VIBRAÇÕES74
5.1.1 – Teste do Sistema de Aquisição de Dados74
75
5.12 – CRIAÇÃO DO EXECUTÁVEL DO SISTEMA APLICATIVO7
5.13 – CONSIDERAÇÕES FINAIS80

CAPÍTULO 5 – DESCRIÇÃO DOS PROCEDIMENTOS IMPLEMENTADOS PARA 5.5 – DESENVOLVIMENTO DE FERRAMENTAS ADICIONAIS PARA O PROCESSO 5.6 – DESENVOLVIMENTO DE UM VI PARA O CÁLCULO DO NÚMERO DE 5.7 – DESENVOLVIMENTO DE UMA CARTA DE SEVERIDADE E NÍVEIS DE 5.10 – DISPOSIÇÃO DAS FERRAMENTAS ADICIONAIS NA BARRA DE MENU...73 5.1.2 – Ensaios de Balanceamento Rotativo Utilizando o Sistema Aplicativo Proposto

PARA O BALANCEAMENTO ROTATIVO81
6.1 – INTRODUÇÃO81
6.2 – DESCRIÇÃO GERAL DO SISTEMA APLICATIVO81
APLICATIVO82
6.3.1 – Balanceamento Estático82
6.3.2 – Balanceamento Dinâmico86

CAPÍTULO 6 – UTILIZAÇÃO DO SISTEMA APLICATIVO E RECOMENDAÇÕES 6.3 – PROCEDIMENTO PARA O BALANCEAMENTO ROTATIVO COM O SISTEMA 6.3.3 – Balanceamento em Vários Planos........................................................................89 vii

APLICATIVO90
Mancais91
6.4.2 – Adição de Massas no Rotor92
6.4.3 – Configuração do Filtro93
6.4.4 – Coleta de Dados de Amplitude de Vibração e Fase93
6.4.5 – Refino de Balanceamento94
6.5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS95
CAPÍTULO 7 – CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS97
7.1 – RESULTADOS E CONCLUSÕES97
7.2 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS98
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS100

6.4 – RECOMENDAÇÕES PARA BALANCEAMENTO ROTATIVO COM O SISTEMA 6.4.1 – Realização de Balanceamento Onde o Número de Planos é Diferente ao de

DIGITAIS103

ANEXO 1 – RESUMO SOBRE A TEORIA DE TECNOLOGIA DE FILTROS ANEXO 2 – CÁLCULO PARA A DIVISÃO DE MASSA NO PLANO DE BALANCEAMENTO ROTATIVO....................................................................................114 viii centF Força centrífuga m Massa e Excentricidade ω Velocidade angular em radianos por segundo

Um Desbalanceamento médio

→ U Desbalanceamento complexo r Raio do rotor l Distância entre planos

→ V Vibração complexa

Vij Amplitude de vibração Fij Ângulo de fase α→ Coeficiente de influência

Mc Massa de correção R Raio de posição de massa no rotor mt Massa de teste P Peso do rotor em kg rpm Rotação do rotor em ciclos por minuto

Ur Desbalanceamento residual permissível em mμ (ISO 1940)

Figura 1: Efeito da força centrífuga no rotor12
Figura 2: Exemplo de desbalanceamento estático14
componente externo15
Figura 4: Binário de desbalanceamento16
acoplado17
balanceamento estático deslocados de ângulo diferente de 180º18
com um binário de desbalanceamento (desbalanceamento dinâmico)19
Figura 8: Representação coreográfica do efeito da flexibilidade do rotor20
Figura 9: Representação gráfica dos sinais de vibração e fase2
Figura 10: Representação do rotor e dos mancais23
Figura 1: Representação das amplitudes de vibração – balanceamento estático25
Figura 12: Representação gráfica do balanceamento estático27
Figura 13: Representação das amplitudes de vibração – Balanceamento dinâmico29
mancais3
mancais36
mancais38
blocos43
Figura 18: Modelo de instrumentos de (a) medida e (b) comando4
Figura 19: Estrutura de um instrumento virtual45
Figura 20: Conector GPIB e sinais correspondentes47
Figura 21: Configuração de redes de instrumentos com GPIB48
Figura 2: Tela de abertura do LabVIEW 7 Express50
Figura 23: Visualização dos VIs de aquisição e dos canais53
Figura 24: Visualização do sistema completo de aquisição de dados54
Figura 25: Localização do banco de dados no sistema5
Figura 26: Visualização dos VIs de armazenamento em banco de dados56
Figura 27: Esquema para a visualização dos valores gravados no banco de dados57
Figura 28: Diagrama para o cálculo dos coeficientes de influência58
Figura 29: Diagrama para o cálculo das massas de correção58
Figura 30: VI de divisão de massa59
Figura 31: VI de soma de massas60
Figura 32: VI de estimativa de massa de teste em função da vibração inicial61
Figura 3: VI de estimativa de massa de teste em função da rotação61
Figura 34: VI de estimativa de massa de teste em função do desbalanceamento residual61
Figura 35: VI de cálculo de número de amostras62
Figura 36: Visualização dos indicadores de severidade e dos alertas visuais63
Figura 37: Visualização da legenda de severidade63

LISTA DE FIGURAS Figura 3: a) Binário de desbalanceamento; b) Binário de desbalanceamento causado por Figura 5: a) Desbalanceamento quase-estático; b) Binário de desbalanceamento combinado com balanceamento estático; c) Desb. quase-estático causado por componente externo Figura 6: a) Desbalanceamento dinâmico; b) Binário de desbalanceamento combinado com Figura 7: a) Vibração causada por um desbalanceamento estático; b) Vibração de um rotor Figura 14: Representação das amplitudes de vibração em um balanceamento com 4 planos e 4 Figura 15: Representação das amplitudes de vibração em um balanceamento com 3 planos e 2 Figura 16: Representação das amplitudes de vibração em um balanceamento com 2 planos e 3 Figura 17: Interface conceitual do instrumento virtual - (a) Painel frontal e (b) Diagrama de Figura 38: Visualização da carta de severidade proposta pela IRD.........................................64

Word6
Microsoft Word67
Figura 41: Tela inicial do sistema68
Figura 42: Tela mostrando a guia “Controles e Indicadores” do sistema aplicativo69
Figura 43: Tela mostrando a guia “Gráficos (Amplitude x Tempo)” do sistema aplicativo70
e o filtro71
aplicativo72
Figura 46: Tela mostrando o VI de refino de balanceamento73
Figura 47: Visualização da disposição das ferramentas adicionais na barra de menu73
Figura 48: Montagem dos acessórios para a aquisição de dados74
Figura 50: Rotor Kit utilizado para o ensaio de vibrações com o sistema aplicativo76
Figura 51: Posição dos sensores no Rotor Kit76
Figura 52: Visualização dos canais utilizados para o ensaio de balanceamento76
dos testes do sistema aplicativo7
Figura 54: Criação do executável do sistema aplicativo78
78
Figura 56: Procedimento de instalação do sistema aplicativo79
“Iniciar”79
Figura 58: Campo “Coleta de Dados” ao salvar os dados da volta original83
dados depois da adição da massa de teste83
Figura 60: Visualização dos dados para correção em um plano no sistema aplicativo84
Figura 61: Divisão de massa no balanceamento estático84
Figura 62: Relatório gráfico após o balanceamento estático85
Figura 63: Visualização dos dados para correção em dois planos no sistema aplicativo87
Figura 64: Divisão de massa de correção no Plano 187
Figura 65: Divisão de massa de correção no Plano 28
Figura 6: Relatórios gráficos dos respectivos mancais após o balanceamento dinâmico89
e entre o número de planos e o número de etapas de coleta de dados (em azul)90
balanceamento92
Figura 69: Tela de aviso quando os valores salvos forem próximos aos da volta original93
105
Figura A2: Filtros passa-baixas Butterworth de ordens 1 a 5105
Figura A3: Exemplo de um filtro passa-baixas Butterworth de segunda ordem106
ordem109
Figura A5: A resposta em freqüência de um filtro passa-baixa elíptico de quarta ordem112
Figura A6: Comparação gráfica entre filtros113

Figura 39: Modelo do relatório gráfico de sinais gerado pelo sistema aplicativo em Microsoft Figura 40: Modelo do relatório de balanceamento gerado pelo sistema aplicativo em Figura 4: Tela mostrando a guia “Gráficos (Amplitude x Freqüência)” do sistema aplicativo Figura 45: Tela mostrando a guia “Visualização de Dados Para Correção” do sistema Figura 49: Gerador de sinais utilizado para comparação de valores com o sistema aplicativo75 Figura 53: Visualização completa dos instrumentos utilizados e montados para a realização Figura 5: Localização do arquivo de instalação do sistema aplicativo no Windows Explorer figura 57: Localização do sistema aplicativo dentro do diretório “Programas” no menu Figura 59: Campo “Coleta de Dados” ao mudar o mostrador para “1ª Parada” para salvar os Figura 67: Exemplo da relação entre o número de mancais e dados aquisitados (em vermelho) Figura 68: Mensagem exibida quando o número de mancais for superior ao de planos de Figura A1: A resposta em freqüência de um filtro Butterworth passa-baixa de primeira ordem Figura A4: A resposta em frequência de um filtro Chebyshev passa-baixas do tipo I de quarta Figura A7: Representação em coordenadas polares dos vetores de massa............................114

Tabela 1: Tabela representativa de coleta de dados para balanceamento estático25
Tabela 2: Tabela representativa de coleta de dados para balanceamento dinâmico29
mancais34
mancais36

LISTA DE TABELAS Tabela 3: Tabela representativa de coleta de dados para um balanceamento com 4 planos e 4 Tabela 4: Tabela representativa de coleta de dados para um balanceamento com 3 planos e 2 Tabela 5: Tabela representativa de coleta de dados para um balanceamento com 2 planos e 3 mancais. ....................................................................................................................................39 xii

Considerando o contexto atual no que tange procedimentos de monitoramento e diagnóstico de máquinas, existe uma grande tendência na utilização de técnicas que substituem os métodos tradicionais de coleta e análise de vários parâmetros, dando lugar ao desenvolvimento de sistemas baseados em linguagens de programação com conceitos de instrumentação virtual. No que diz respeito a máquinas rotativas, também é possível desenvolver um leque de programas que possam vir a auxiliar na manutenção desses equipamentos, tendo em vista que nestes são encontrados diversos defeitos como: desbalanceamento, defeitos em rolamentos, acoplamentos desalinhados, defeitos em engrenagens, etc. Por isso, considerando o exposto, o presente trabalho é uma proposta de desenvolvimento de um sistema aplicativo para a análise contínua de sinais de vibração em máquinas rotativas com um módulo de balanceamento de rotores em até quatro planos, podendo este substituir os métodos tradicionais de análise, monitoramento e diagnóstico de máquinas que apresentem defeito causado por desbalanceamento rotativo. A metodologia aplicada é baseada em conhecimentos de programação em linguagem “G” e instrumentação virtual. O software utilizado para o desenvolvimento do sistema principal de aquisição de dados e para o cálculo dos valores de correção é o LabVIEW em conjunto com o gerenciador de banco de dados SQL Server. Considerando algumas dificuldades apresentadas no que tange a correção de tais equipamentos rotativos, este trabalho também aborda algumas recomendações para o balanceamento rotativo com o sistema aplicativo proposto, para garantir a efetiva redução das amplitudes de vibração causadas por erros de distribuição de massa ao longo do eixo de rotação. Com o intuito de auxiliar na manutenção de tais equipamentos, também foram adicionadas diversas ferramentas que dão suporte ao procedimento de balanceamento e, também, de monitoramento de máquinas rotativas, inclusive com módulos de geração de relatórios gráficos e de balanceamento.

Palavras Chave: Balanceamento, Máquinas Rotativas, Instrumentação Virtual, LabVIEW, Monitoramento

Capítulo 1 – Introdução 1

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO

1.1 – APRESENTAÇÃO

O estudo de defeitos em máquinas rotativas ocupa uma posição destacada no contexto de máquinas e estruturas, tendo em vista a grande quantidade de fenômenos típicos na operação desses equipamentos. A existência de um componente rotativo apoiado em mancais e transmitindo potência cria uma família de problemas que são encontrados nas mais diversas máquinas: sejam compressores, turbinas, bombas, centrífugas, motores, máquinas de grande porte como em uma usina hidroelétrica, etc. Um desses problemas é o desbalanceamento rotativo em função de erros de distribuição de massa ao longo do eixo.

No mercado existem diversos instrumentos que realizam o balanceamento de rotores.

No entanto, muitas vezes se torna inviável a aquisição de tais equipamentos devido o alto custo dos mesmos. Por isso, é possível se fazer um estudo no sentido de verificar a viabilidade da implementação de sistemas que poderiam substituir tais equipamentos.

Atualmente, o uso de computadores com softwares especializados está cada vez mais presente em processos laboratoriais e industriais, em virtude da sua relativa facilidade de programação, operação e da excelente precisão fornecida por resultados oriundos de cálculos que seriam muito demorados de serem feitos manualmente ou seriam praticamente impossíveis de serem resolvidos pelo homem.

Com o advento do aumento da tecnologia dos computadores pessoais (processamento mais rápido, maior memória, definições gráficas, etc.), a expansão da Internet e avanços em tecnologia de redes, houve também um aumento na utilização de sistemas programáveis que tendem substituir parcialmente os métodos convencionais de análise de dados em equipamentos.

Neste sentido, a instrumentação virtual vem crescendo bastante. A utilização de sistemas aplicativos para a realização de determinadas tarefas de monitoramento e controle de equipamentos está cada vez mais presente no cotidiano.

Capítulo 1 – Introdução 2

1.2 – JUSTIFICATIVA

(Parte 1 de 7)

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