6 minutes reading time (1278 words)

Estudo de Elementos Finitos aplicado a Ind. Alimentícia soluciona problema crônico em Ventilador Classe A

Elementos-finitos

Em uma indústria alimentícia do Estado de São Paulo, um Ventilador de Gás de processo apresentava um problema crônico de vibração elevada, aquecimento e quebra no rolamento de um dos mancais em função de superaquecimento e fusão do rolamento no eixo.

Um Estudo de Engenharia com aplicação do Método de Elementos Finitos foi realizado encontrando a causa raiz e definindo as ações de correção para normalização de operação do equipamento. O método permite diagnosticar problemas estruturais por meio da obtenção de deslocamentos, deformações e tensões aplicadas ao equipamento.

Dados do Ventilador 

​Ventilador: ​Centrífugo ​Pressão: ​916 mmca a 540m; 1622 mmca a NDM 20ºC 
​Fabricante: ​Bernauer ​Vazão: ​8000 m3/h
​Tipo:​VBR 602/1120​Temperatura:​115ºC
​Construção:​V4​Portência e Acionamento​75CV
​Rotaqção:​2309 RPM​Rolamentos LA e LOA:​22 222 EAKE4C3

INTRODUÇÃO 

O equipamento apresentava problema de aquecimento e quebra no mancal do LA. Após a manutenção com a troca do rolamento, o equipamento opera normalmente sem vibração e aquecimento por um período de aproximadamente 2 semanas, após esse período ocorre aumento na vibração e aquecimento do mancal. Uma grave ocorrência ocorreu devido a superaquecimento do mancal, provocando a quebra do rolamento e consequentemente a fusão do anel interno do rolamento com o eixo.

ESTUDO DO CONTEXTO 

 O ventilador de alta pressão em análise faz parte do processo produtivo do BCAA (elementos para composição alimentar). Conforme fluxograma simplificado se verifica que o ventilador é classificado como equipamento "Classe A".

Nesta fase do processo o BCAA passa pela secagem a qual ocorre no interior do Secador. Para este caso é circulado nitrogênio devido sua característica de ser um gás inerte.

O ventilador exerce pressão positiva ao gás que é injetado no trocador de calor, o gás recebe carga térmica controlada elevando sua temperatura para ser injetado no Secador. Esta injeção de nitrogênio aquecido é realizada na parte inferior do Secador, abaixo da linha da câmara de secagem do BCAA, fazendo com que o gás passe por entre o BCAA.

Acima da linha da câmara de secagem a pressão é negativa devido ao ventilador exercer pressão de exaustão dos gases. Esta pressão de sucção é exercida no ciclone e sequencialmente ao secador, captando os gases acima da linha da câmara de secagem.

O Ciclone possui a função de separar o pó contido no N2 proveniente do secador. Como o ciclone não possui eficiência de 100%, uma carga de 3,5 Kg/h de pó não é retida pelo ciclone e chega ao ventilador. Este pó incrusta na superfície do rotor e causa desbalanceamento, confirmado por analise de vibração; porem para evitar o acumulo de pó, foi projetado originalmente (fluxograma de processo) um aspersor para jato d'água no interior do ventilador para limpeza do rotor, o qual não foi instalado e a limpeza é realizada manualmente a cada parada de produção com abertura da voluta do ventilador.
Todo o conjunto formado por Ventilador; Mancais LOA e LA, Eixo, Polias Motora / Movida e motor de acionamento, estão montados sobre uma base metálica que faz parte do projeto do Fabricante. Este conjunto está sobre coxins, fixos em uma mesa metálica, que é apoiada sobre quatro pequenos pilares e fixos sobre bases retangulares de concreto.

Figura 2: Fluxograma esquemático do processo de secagem do BCAA
NECESSIDADES PARA ANÁLISE DE FALHA

 Levantamentos de dados e sequencias de teste e inspeções

- Verificar curva do ventilador, ponto de trabalho.
- Verificar características construtivas em função do projeto básico.
- Avaliação nas condições de trabalho.
- Análise de Vibração.
- Análise de Elementos Finitos (FEA).

 Análise de Vibração

Através da análise de vibração no conjunto, identificamos que a principal vibração era na frequência de rotação do ventilador (1x RPM – 34,95 Hz) e seus harmônicos.

Pela concepção de projeto o ventilador trabalha com o rotor em balanço e devido ao fluxo de processo, o nitrogênio bombeado chega ao rotor do ventilador com uma carga de 0,15 Kg/h de pó de produto processado, o qual não está sendo retido pelo ciclone devido ineficiência.

Este pó do processo acumula sobre o rotor provocando seu desbalanceamento.

O ventilador possui uma entrada de água para spray de limpeza automática do rotor localizada no interior do caracol. Analisando o fluxograma do processo consta a existência deste sistema de limpeza automático, mas o mesmo não está instalada, sendo a limpeza do rotor realizada periodicamente com acesso pela abertura da tampa do caracol.

Na tendência abaixo podemos observar o aumento da vibração quando ocorre o acúmulo de material no rotor e após sua limpeza.
Medições realizadas com acúmulo excessivo de pó no rotor, portanto a condição mais crítica para o sistema, os níveis de vibração atingiram da faixa de 65 mm/s RMS.

Todas as coletas de vibração realizadas, utilizamos um fotosensor para o registro da Fase de vibração. Esses dados foram lançados no software de simulação por Elementos Finitos.
Análise de Elementos Finitos - FEA
Foram inseridos os dados de vibração e fase de cada ponto e direção, para simulação no software de FEA, desta forma conseguimos identificar os pontos com maior deflexão na chapa que sustenta os mancais.
Abaixo o modelo discreto do conjunto Ventilador

 A seguir apresentamos os gráficos com as amplitudes dos mancais na frequência de rotação do Ventilador (1x RPM - 34,9 Hz) simuladas no software de FEA.

Direção horizontal, amplitudes de 59,9 mm/s RMS no mancal LA e 59 mm/s RMS no mancal LOA.

Mancal LA
Mancal LOA

Direção vertical, amplitudes de 26,3 mm/s RMS no mancal LA e 13,5 mm/s RMS no mancal LOA.

Mancal LA
Mancal LOA
Direção axial, amplitudes de 35,0 mm/s RMS no mancal LA e 33,5 mm/s RMS no mancal LOA.
Mancal LA
Mancal LOA

Nas simulações de FEA podemos observar grande tensões na chapa que sustenta dos mancais LA e LOA.

Análise FEA

a-Na posição de fixação do mancal "LOA", verificamos que a chapa do cavalete apresenta compressão de média intensidade de 13,5 MPa.

b-Na posição de fixação do mancal "LA", verificamos que a chapa do cavalete apresenta tração de alta intensidade de 34,13 MPa.

c-Entre os mancais existe uma linha de inflexão onde próximo ao mancal "LA" ocorre alta compressão de 49,0 MPa e alta tração de 40,0 MPa.

Análise FEA

a- Na posição de fixação do mancal "LOA", verificamos que a máxima amplitude de vibração é de 16,0 mm/s e a mínima é de 3,7 mm/s.

b- Na posição de fixação do mancal "LA", verificamos que a máxima amplitude de vibração é de 24,5 mm/s e a mínima é de 16,0 mm/s.

c- Entre os mancais a amplitude é bem estável variando de 19,63 mm/s a máxima e 9,00 mm/s a mínima, estando estas amplitudes nas bordas do cavalete.

 Através das simulações realizadas podemos observar a falta de rigidez na chapa de sustentação dos mancais. Devido a essa falta de rigidez o rolamento LA que é livre para dilatar axialmente (mancal LOA é fixo axialmente), recebe toda carga axial, fazendo com que os roletes deste rolamento LA trabalhem fora da pista de rolagem, gerando grandes tensões localizadas. A lubrificação nesta região de pressão extrema, não consegue ser eficaz, gerando aquecimento e desgaste prematuro dos roletes e pistas do rolamento.

​Componente: ​Anel interno de rolamento autocompensador de rolos
Sintoma: ​Escamamento em apenas uma carreira
Causa:​Carga axial excessiva

SOLUÇÃO E CONCLUSÃO 

 A causa do aquecimento e quebra do rolamento LA do Ventilador, está relacionada a falta de rigidez da chapa de sustentação do mancal LA que sofre deformação considerável, enquanto que o mancal "LOA" esta praticamente estável. 

É necessário, portanto aumentar a rigidez na região próxima ao mancal LA.
A solução é instalar um reforço tipo viga "I" na parte inferior da chapa de apoio, no intervalo entre as chapas de reforço na posição do mancal "LA".

 ANÁLISE FEA DA SOLUÇÃO

A simulação do FEA após a instalação da viga ``I´´ na para aumentar a rigidez da chapa de sustentação dos mancais, mostra que tivemos uma redução significativa da sua deformação de 0,4mm para 0,1mm

 Desta forma o problema de aquecimento e quebra do rolamento lado LA não mais ocorreu.

EGF aumenta em 48% eficiência OEE e 20% da Produçã...
Estudo de Engenharia aplicado à Usina de Açúcar e ...

Posts Relacionados