Principais causas e perigos de eixos desalinhados

O desalinhamento de eixos é considerado a segunda fonte de vibração mais prevalente após o desbalanceamento, o qual ocorre devido ao mau alinhamento entre peças correspondentes, como metades de acoplamento, eixos, polias, etc.

De maneira mais técnica, o desalinhamento pode ser definido como a condição quando a linha central geométrica de dois eixos acoplados não coincidem ao longo do eixo de rotação.

Esses desvios podem apresentar-se de três forma distintas:

• Desalinhamento paralelo ou radial;
• Desalinhamento angular ou axial;
• Desalinhamento combinado;

O desalinhamento paralelo ou radial acontece quando as linhas de centro dos eixos estão paralelamente afastadas.

Por outro lado, no caso de desalinhamentos angulares ou axiais, esse desvio é observado pelo ângulo formado entre as linhas de centro em um plano no espaço.

E o desalinhamento combinado, a mais comum das situações, ocorre justamente quando existem desvios paralelos e angulares em um mesmo conjunto de linhas de centro.

No caso de alinhamento de eixo, em geral, acoplamentos rígidos e flexíveis podem ser empregados.

Embora os acoplamentos flexíveis sejam preferíveis, por compensarem parte do desalinhamento, existem padrões geralmente aceitos para o desalinhamento do eixo com vários tipos de acoplamentos, de forma que é de extrema importância ter as linhas de eixo alinhadas o mais próximo possível.

ALINHAMENTO DE EIXOS E SUA IMPORTÂNCIA

Segundo pesquisa realizada com os participantes (em sua maioria profissionais de manutenção e confiabilidade) da International Maintenance Conference IMC-2012 sobre falhas mais recorrentes em máquinas, o desalinhamento se destaca em primeiro lugar ou, dentro da margem de incerteza da pesquisa, está no top 3.

Falhas em Máquinas

Enquanto isso, alguns estudos apontam que as paradas de máquinas nas indústrias brasileiras causadas por problemas relacionados ao alinhamento inadequado dos eixos chegam a mais de 50%.

Além disso, acredita-se que 90% das máquinas funcionam fora das tolerâncias recomendadas de alinhamento, o que pode levar a uma série de problemas de performance da máquina, custo e degradação de outros componentes.

PROBLEMAS OCASIONADOS PELO DESALINHAMENTO

• Com relação à performance:

Na condição de desalinhamento, o aumento de temperatura, ruído e vibração dissipam parte da energia que deveria ser convertida em trabalho, levando a uma redução direta da eficiência da máquina desalinhada.

• Com relação ao custo:

Existe um custo para produzir tal energia dissipada, o que pode impactar diretamente na energia consumida por um motor elétrico, por exemplo.

Durante a partida, o motor elétrico consome mais energia (devido seu estado de inércia) e o desalinhamento dificulta a entrada em regime de operação, aumentando, assim, o consumo de corrente e gerando problemas no dimensionamento dos dispositivos de proteção.

Além disso, o motor passa a consumir mais energia para realizar seu trabalho, o que gera um gasto maior na conta de energia elétrica.

O correto alinhamento pode reduzir o consumo de energia em até 15%, talvez até mais.

Considerando que consumo de potência de um motor elétrico AC trifásico é dado por:

E, agora, um motor de 25 HP nas seguintes condições: volts= 380 V, efi=90% e PF=0.9, com consumo de corrente antes do alinhamento de 36 A e, após o alinhamento, de 32 A operando 350 dias/ano (o que representa 8400 h), logo, 2.13 kW são consumidos devido ao desalinhamento.

Assumindo que o preço do kWh é igual a R$ 0,10, a economia anual gerada pela correção desse desalinhamento é de R$ 1.790,00.

• Com relação à degradação de outros componentes:

Infelizmente, os custos não estão restritos somente ao consumo de energia, a degradação em outros componentes gerada pelo desalinhamento pode levar a uma troca prematura de componentes:

• Rolamentos: elemento da máquina que mais sofre com o desalinhamento de um eixo, uma vez que recebe um esforço muito acima daquele para o qual foi projetado. Além do surgimento de cargas axiais que danificam, por exemplo, rolamentos de esferas, que, normalmente, não são projetados para receber cargas axiais.

• Vedações: os elementos vedantes não conseguem o contato ideal com o eixo, levando a vazamentos e contaminações. Isso causa um desgaste excessivo a uma determinada parte do elemento vedante, o que faz com que ele deixe de exercer sua função. Sabe-se que um eixo desalinhado pode causar uma redução de até 70% da vida útil de um retentor, por exemplo.

• Acoplamentos: o desalinhamento pode causar superaquecimento nos acoplamentos, levando ao ressecamento das partes de borracha (comumente utilizadas nesses elementos).

Na figura abaixo, temos a representação dos componentes com falhas mais recorrentes em máquinas.

SINTOMAS TÍPICOS DO DESALINHAMENTO

• Falha prematura de rolamento, vedação, eixo ou acoplamento;
• Vibração radial e axial excessiva;
• Alta temperatura da carcaça próxima aos rolamentos ou alta temperatura do óleo de descarga;
• Quantidade excessiva de vazamento de óleo nas vedações do mancal;
• Parafusos da fundação soltos (“falso apoio”).

FONTE DE DESALINHAMENTO

A causa de uma condição de desalinhamento nem sempre é óbvia. A análise de vibração pode revelar um problema de desalinhamento, mas não identifica necessariamente o motivo.

Capturar dados de alinhamento antes do equipamento ser removido ou desmontado, mesmo quando a manutenção é realizada por razões alheias ao alinhamento, pode, com o tempo, revelar causas ocultas de desalinhamento.

Verificar e registrar periodicamente as condições de alinhamento gera informações úteis sobre condições corrigíveis que, se abordadas, reduzirão falhas, aumentarão a produtividade e economizarão dinheiro.

Alguns especialistas também apontam para outros fatores (com relatos reais), como problemas de fundação (isto é, na interface entre os apoios da máquina e a base ou a fundação “flexível”) e problemas climáticos.

VIBRAÇÃO E TEMPERATURA A PARTIR DO DESALINHAMENTO

Geralmente, opta-se por medir nos mancais próximos ao acoplamento e nas direções radial e axial. A vibração causada pelo desalinhamento apresenta os seguintes sintomas:

• Análise contínua: a velocidade RMS (0-1kHz) tende a subir bastante, sendo um primeiro indício deste tipo de falha.
• Espectro: espera-se ver um pico 1X alto na direção axial devido ao desalinhamento angular (gap) e picos altos em 1X, 2X, 3X e até 4X ou 5X na direção radial devido ao desalinhamento paralelo (offset). Em geral, a velocidade é a melhor grandeza para analisar o desalinhamento.

Os picos podem ser mais altos na vertical em uma extremidade do componente (por exemplo, motor), mas mais altos na horizontal em outra extremidade do mesmo componente.

• Forma de onda: a forma de onda será uma combinação de 1X, 2X e, possivelmente, outras fontes e pode, portanto, incluir uma “oscilação” ou assumir o formato de “M” ou “W”.
• Fase: os componentes (por exemplo, motor e bomba) estarão fora de fase axialmente, devido ao desalinhamento angular. Ao comparar as leituras de fase vertical e horizontal, elas podem estar em fase ou 180° fora de fase. Leituras de fase verticais tomadas nos lados opostos do acoplamento (por exemplo, extremidade motora do motor e extremidade motora da bomba) estarão fora de fase.

O desalinhamento, mesmo com acoplamentos flexíveis, resulta em duas forças, axial e radial e, por consequência, em aumento de vibração nas direções axial e radial.

A vibração axial é geralmente o melhor indicador de desalinhamento.

Em geral, sempre que a amplitude axial da vibração for maior que uma metade da vibração radial mais alta (horizontal ou vertical), o desalinhamento deve ser suspeito como sendo a causa da vibração.

No entanto, o efeito do desalinhamento na assinatura de vibração é complexo e a cumplicidade pode ser resumida nas seguintes quatro regras gerais:

1. É impossível concluir que a causa do mau funcionamento do maquinário no mundo real seja o desalinhamento do eixo ao observar apenas um único espectro de vibração em uma condição de operação.
2. A gravidade do desalinhamento não pode ser detectada usando a análise de vibração. Em outras palavras, não há relação entre a quantidade de desalinhamento e o nível/amplitude de vibração.
3. A assinatura de vibração de máquinas rotativas desalinhadas será diferente com diferentes designs de acoplamento flexível ou rígido.
4. As características de vibração desalinhadas dos rotores das máquinas suportadas nos mancais deslizantes são tipicamente diferentes das características de vibração dos rotores das máquinas suportadas nos mancais do tipo anti-fricção.

• Temperatura: o aumento na temperatura próxima ao acoplamento é notória, o qual depende do nível de desalinhamento e o tipo de acoplamento utilizado. Em geral, o perfil temperatura ao longo do eixo acoplado assume um formato de “W”, onde os picos de temperatura ocorrem no acoplamento e nos mancais.

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Desenvolvido por:

Danilo Braga
Engenheiro de Vibração na Dynamox