Análise numérico-experimental de suportes viscoelásticos para controle de vibrações em máquinas rotativas

Abstract

Resumo: A demanda crescente por maior eficiência energética no setor industrial exige análises cada vez mais detalhadas e precisas em dinâmica de rotores e, em alguns casos, projeto de controle de vibrações em máquinas rotativas para reduzir esse efeito até níveis aceitáveis. Ao longo das últimas décadas, diversas técnicas de controle de vibrações vêm sendo desenvolvidas com a finalidade de fornecer elevada eficiência energética com segurança e confiabilidade. Entre elas, com o intuito de introduzir amortecimento nos mancais e fornecer uma rigidez adequada, encontra-se a utilização de suportes viscoelásticos (SVEs). Estes dispositivos, que fazem parte dos mancais, possuem elementos viscoelásticos (MVE) com elevada capacidade de dissipação de energia vibratória. Embora os SVEs sejam uma solução simples e de baixo custo associado, sua utilização como solução para vibrações em máquinas rotativas ainda não está consolidada, pois a metodologia de projeto ótimo de SVEs ainda está em fase de desenvolvimento e validação experimental. O objetivo deste trabalho é complementar a metodologia de projeto ótimo de SVEs, desenvolvida pelo grupo GVIBS/UFPR para sistemas rotativos sujeitos a excitações do tipo desbalanceamento, ao propor configurações de dispositivos que possuam rigidez translacional que possibilite suportar rotores sem que haja grandes níveis de deflexão no mancai. O comportamento dinâmico do sistema rotativo é modelado utilizando o método dos elementos finitos (MEF). Para o MVE é utilizado o modelo constitutivo de quatro parâmetros baseado em derivadas fracionárias, o qual permite considerar o efeito da temperatura e da frequência de excitação, fatores que influenciam bastante o comportamento desses materiais. Para a realização do projeto ótimo é utilizado o conceito de parâmetros equivalentes generalizados (PEG), os quais permitem descrever a equação de movimento do sistema rotor-SVEs em função das coordenadas generalizadas do sistema primário, apenas. O sistema primário é modelado considerando um rotor simples com uma rigidez constante e conhecida, e o suporte é introduzido via PEGs. Técnicas de otimização não linear são aplicadas para projetar o SVE que garanta a menor amplitude de resposta ao desbalanceamento ao sistema composto. Diversas simulações numéricas em rotores com o comportamento dinâmico conhecido permitem mostrar os resultados das metodologias propostas e a eficácia dos SVEs na redução de vibrações em sistemas rotativos. Uma montagem experimental é realizada para validar a metodologia proposta e consolidar essa técnica como uma solução viável para problemas de vibrações em máquinas rotativas.

Abstract: The increasing demand for greater energy efficiency in the industrial sector requires increasingly detailed and accurate analyses in rotor dynamics and, in some cases, vibration control design in rotating machinery to reduce this effect to acceptable levels. Over the past decades, various vibration control techniques have been developed with the aim of providing high energy efficiency with safety and reliability. Among them, in order to introduce damping in the bearings and provide adequate stiffness, the use of viscoelastic supports (VESs) is found. These devices, which are part of the bearings, have viscoelastic elements (VEs) with high capacity for dissipating vibrational energy. Although VESs are a simple and low-cost solution, their use as a solution for vibrations in rotating machinery is not yet consolidated, as the optimal design methodology for VESs is still under development and experimental validation. The objective of this work is to complement the optimal design methodology for VESs, developed by the GVIBS/UFPR group, for rotating systems subjected to unbalance excitations, by proposing device configurations that have translational stiffness capable of supporting rotors without significant deflection in the bearing. The dynamic behavior of the rotating system is modeled using the finite element method (FEM). The constitutive model of the VEs is based on a four-parameter model with fractional derivatives, which allows considering the effect of temperature and excitation frequency, factors that greatly influence the behavior of these materials. The concept of generalized equivalent parameters (GEPs) is used for the optimal design, which allows describing the equation of motion of the rotor- VES system in terms of the generalized coordinates of the primary system only. The primary system is modeled considering a simple rotor with a constant and known stiffness, and the support is introduced via GEPs. Nonlinear optimization techniques are applied to design the VES that guarantees the lowest response amplitude to unbalance in the composite system. Several numerical simulations on rotors with known dynamic behavior demonstrate the results of the proposed methodologies and the effectiveness of VESs in reducing vibrations in rotating systems. An experimental setup is performed to validate the proposed methodology and consolidate this technique as a viable solution for vibration problems in rotating machinery.