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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Análise de modelo numérico de acoplamento de disco flexível
Title Alternative: Analysis of numerical model of flexible disc coupling
Author: Tuckmantel, Felipe Wenzel da Silva, 1984-
Advisor: Dedini, Katia Lucchesi Cavalca, 1963-
Abstract: Resumo: Desalinhamento é considerado a falha com a segunda maior incidência de ocorrência em máquinas rotativas, precedida pelo desbalanceamento. Acoplamentos são componentes mecânicos cuja função é, além de transmitir torque, acomodar pequenos desalinhamentos não intencionais entre os eixos. Se os acoplamentos forem projetados apropriadamente, podem diminuir a sensibilidade relativa ao desalinhamento que existe entre os componentes acoplados. Quando acoplamentos operam submetidos a desalinhamentos, forças e momentos de restituição são gerados, e introduzidos no rotor. A caracterização de acoplamentos desalinhados por coeficientes de rigidez, gerando forças e momentos com harmônicas adotadas a priori é comum em trabalhos no tema. Vibrações no dobro da velocidade de rotação são largamente aceitas como assinatura de desalinhamentos e empregadas no diagnóstico de falhas. Alternativamente, pesquisas têm sido empreendidas com a utilização dos esforços de reação nos acoplamentos, medidos em bancadas de teste experimentais. O presente trabalho propõe como abordagem a utilização do Método dos Elementos Finitos com o objetivo de caracterizar o acoplamento de disco, sendo o disco metálico descrito matematicamente pelo equilíbrio de cascas com material linear e elástico. As forças e momentos de restituição gerados durante a deformação elástica do acoplamento desalinhado, variando com o ângulo de rotação própria do eixo motor, são incluídos no vetor de forças nas posições de fixação entre o acoplamento e os eixos acoplados. Assim, o desalinhamento é considerado na resposta em regime permanente do sistema rotativo, e o espectro direcional de vibrações revela sua influência pela análise das harmônicas de frequência que surgem devido à ocorrência desta falha. Desalinhamentos angulares geram harmônicas de alta ordem, as quais são perceptíveis principalmente nas vibrações do disco, distinguindos e até a sétima harmônica para rotação subsíncrona igual a um quarto da frequência natural. Uma característica relevante indicando a presença de desalinhamentos, e verificada nas respostas simuladas, liga-se ao surgimento no espectro direcional de componentes de frequência harmônica com precessão retrógrada tendo amplitudes similares às componentes de precessão direta. A frequência síncrona surge como dominante para as configurações simuladas, e a contribuição das demais harmônicas depende tanto da velocidade de rotação do eixo quanto da amplitude do desalinhamento imposto, de forma que o diagnóstico de falhas para este tipo de acoplamento baseando-se somente na componente 2x pode ser inadequado. Por fim, desalinhamento é introduzido em uma bancada de testes, e respostas teóricas para desalinhamento angular originam o mesmo padrão no espectro, ao passo que o desalinhamento paralelo apresentou apenas frequência harmônica síncrona. A principal vantagem da abordagem proposta é a possibilidade de aplicação para diferentes geometrias de disco, em que a natureza dos esforços e as harmônicas induzidas na resposta do rotor são inerentes ao acoplamento caracterizado, sendo promissora para utilização em técnicas de diagnóstico de falhas baseadas em modelos

Abstract: Misalignment is considered the fault with the second most common occurrence in rotating machines, preceded by unbalance. Couplings are mechanical components which function is accommodating small unintentional misalignments between the shafts, in addition to the transmitted torque. If the couplings are designed properly, they may decrease the misalignment sensitivity that exists between the coupled components. When couplings operate under misalignment, forces and moments of restitution are generated, and introduced on the rotor. Characterization of misaligned couplings through stiffness coefficients, generating forces and moments with harmonics adopted a priori is common in works on the theme. Vibrations at twice the speed of rotation are widely accepted as signatures of misalignments and used for fault diagnosis. Alternatively, researches have been developed using reaction efforts on couplings, measured on experimental test benches. The present work proposes as an approach the use of the Finite Element Method in order to characterize the disc coupling, in which the metallic disc is mathematically described through the equilibrium of shells with linear and elastic material. Restitution forces and moments generated during elastic deformation of misaligned coupling, varying with the spin rotation angle of the driving shaft, are included into the forces vector at the positions of fixation between the coupling and coupled shafts. Thus, misalignment is considered in the steady state response of the rotating system, and the full spectrum of vibrations reveals for its influence through analysis of harmonic frequencies arising due to this fault occurrence. Angular misalignments cause higher order harmonics, which are mainly noticeable at disc vibrations, distinguishing up to the seventh harmonic for the subsynchronous rotation speed equals to one quarter of the natural frequency. A relevant feature indicating the presence of misalignments, and verified in simulated responses, is related to the arising of harmonic frequency components in full spectrum with backward whirl showing similar amplitudes to the forward whirl components. Synchronous frequency arises as dominant for the simulated configurations, and the contribution of other harmonics depends on the rotation speed of the shaft as well as the amplitude of imposed misalignment, in a way that fault misalignment for this type of misalignment only based on the component 2x may be inadequate. Finally, misalignment is introduced in a test rig, and theoretical responses for angular misalignment originate the same spectrum pattern, whereas parallel misalignment showed harmonic synchronous frequency only. The main advantage of the proposed approach is the possibility of application for different disc geometries, in which the nature of their reactions and the harmonics induced in the rotor response are inherent in the characterized coupling, being promising for use in model based fault diagnosis techniques
Subject: Rotores - Dinâmica
Falha de sistema (Engenharia)
Acoplamentos
Cascas (Engenharia)
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: TUCKMANTEL, Felipe Wenzel da Silva. Análise de modelo numérico de acoplamento de disco flexível. 2018. 1 recurso online (210 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/331107>. Acesso em: 3 set. 2018.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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