Seminário VIII__Controle_de_Vibração

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CONTROLE DE VIBRAÇÕES EM EQUIPAMENTOS DA MINERAÇÃO
José Renato Azevedo Guimarães1
Rafael Silva Costa2
RESUMO
O presente trabalho de pesquisa proposto consiste em estudo conceitual em livros, artigos, revistas, sites, normas etc, de um sistema de vibração utilizado em equipamentos na área de mineração, bem como dimensionamento estrutural da mola a ser empregada, especificação de matérias a ser utilizados, a simulação de resistência estrutural do mesma e análise de dados obtidos utilizado por software de engenharia aplicados nos processos de pré-fabricação, interpretar os resultados gerados, que foram essenciais para implantação do sistema amortecido. Fundamentar-se no material de estudo, embasamento nos autores, conceitos normativos, catálogos e elaboração do projeto da mola elaborado, possibilitou introduzir os dados no programa de engenharia, onde permitiu-se simular os esforços o desempenho da mola mesmo antes de fabricar e utilizá-lo. 
Palavras-chave: Mola. Amortecedor. Equipamento. Vibração. Análise Estrutural.
1. INTRODUÇÃO
No meio industrial possuem diversas fontes de excitação que geram efeitos dinâmicos cada vez mais frequentes, sejam eles por causas naturais ou humanas, muitas das vezes por operações inadequada, danos estruturais, fadiga e repotenciamento para sistema mal dimensionado. Desta maneira o sistema de amortecimento entra como parte da solução.
As vibrações são consideradas como problemas “fantasmas” nas indústrias. Isso porque, sem a análise preditiva das vibrações mecânicas, fica difícil detectar alguma alteração. E, quando os sinais emitidos são negligenciados, podem resultar em sérios danos para os ativos. Inclusive, a quebra e colapso total, ocasionando a parada das atividades.
A vibração de um equipamento em operação é admissível desde que esse efeito não seja acima dos padrões admissíveis, fazendo com que o equipamento não venha ter perdas de produtividade ou até danos estruturais.
Segundo o Eng. Thiago Roberto, especialista em elementos de fixação da JW Engenharia, em Minas Gerais, “vibração é uma característica intrínseca da operação de alguns equipamentos e, caso não seja devidamente tratada, pode gerar quebras e colocar a segurança de operadores em risco.
Existem as fontes de vibração que podem ser solucionadas com ajustes mecânicos, como o desbalanceamento de motores, mas por outro lado, temos vibrações que são inerentes ao funcionamento do equipamento, como compressores de ar, ventiladores e prensas hidráulicas, e em alguns casos onde a vibração é desejada, como peneiras vibratórias. As vibrações podem também gerar ruídos estruturais.
Conforme o site Rubber Plástic (2021), a vibração de um equipamento ou máquina, quando não isolado, propaga-se pela base, danificando as estruturas, reduzindo a vida útil do equipamento e prejudicando a saúde das pessoas e animais.
Desta forma, os sistemas de amortecimento visam preservar o equipamento para seja possível prolongar sua vida útil, ter produtividade e confiabilidade. Assim abordaremos o sistema de amortecimento em equipamentos da mineração, que podemos destacar exemplos como peneira de vibração e britador.
O presente trabalho de pesquisa procura trazer uma solução para um sistema de amortecimento, baseado nas disciplinas já estudadas; resistência de materiais e elementos de máquinas que podem ser identificados através do dimensionamento e a análise de engenharia através do software “Autodesk Inventor” que realiza análise estrutural da mola antes da fabricação.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A Vibração é definida como movimentos mecânicos que se repetem, regular ou irregularmente, depois de um intervalo de tempo. Como exemplo, o movimento de um pêndulo ou da corda de um violão são exemplos de vibrações existentes no mundo real. Para a engenharia, esses movimentos ocorrem, na maioria das vezes, em elementos de máquinas e nas estruturas, quando submetidas a ações dinâmicas.
Bem como nos assegura Rao (2008), pode se dizer que sistema vibratório é um sistema dinâmico que ocorre excitações na entrada, bem como estende-se até a saída, onde está atrelada a caminho a percorrer, onde determinará o seu tempo, haja visto que exclusivamente das condições iniciais e excitações externas.
Outro conceito importante a respeito da vibração depende da continuação do estímulo de excitação sendo dessa forma definido como vibração livre e vibração forçada.
Vibrações livre é aquela produzida por uma perturbação inicial que ocorre apenas no início do movimento vibratório, não persistindo durante esse movimento. Um pêndulo simples, depois de deslocado de sua posição de equilíbrio, permanece em movimento oscilatório sem influência desse posicionamento inicial. (SANTOS, 2020, P. 21).
Segundo Santos (2020 p. 21) sobre vibrações forçada:
Vibrações forçada é provocada por um efeito externo que persiste durante o tempo em que o movimento vibratório existir. O movimento de um rotor desbalanceado é um exemplo típico de uma vibração forçada, pois, enquanto o rotor está girando a vibração está acontecendo.
O comportamento da vibração pode apresentar um decaimento no decorrer do tempo, sendo assim, a vibração amortecida é aquela em que possui uma queda de energia com o transcorrer do tempo de forma que a amplitude da vibração diminua progressivamente. (SANTOS, 2020, p, 21).
Segundo Santos (2020), A vibração não amortecida é aquela em que a energia vibratória não vai se dissipa, assim esse movimento vibratório se mantém ao longo do decorrer do tempo. A vibração não amortecida sempre ocorrera em sistema ideais, pois em sistemas reais sempre acontecera dissipação de energia. Em muitos casos o amortecimento é tão pequeno que é possível desprezá-lo, pois os níveis vibratórios diminuem muito pouco durante o tempo de observação e a análise do problema se torna uma análise de vibração não amortecida.
As molas são elementos de máquinas que têm a função de armazenar energia, assim como absorver ou amortecer choques e vibrações. Possuem também a capacidade de sofrer grandes deformações voltando ao seu estado inicial. Estes elementos flexíveis têm a característica de transmitir potência através de distâncias relativamente grandes, substituindo engrenagens, eixos, mancais ou dispositivos similares de transmissão de potência. (CRUZ, 2020, P. 135).
 
FIGURA 1 – SINAL DE UM SISTEMA AMORTECIDO COMPARADO COM UM SISTEMA NÃO AMORTECIDO.
FONTE: < https://docplayer.com.br/docs-images/66/55503856/images/6-0.jpg >. Acesso em: 25/11/2020.
Conforme Santos (2020, p, 22), sobre vibração linear:
Quando um sistema vibratório possui uma correlação proporcional entre a resposta na sua saída e um sinal de entrada podemos dizer que o sistema apresenta uma vibração linear (a força de uma mola é proporcional ao seu deslocamento, a força do amortecimento de um sistema é proporcional à velocidade e a força de massa inercial é proporcional à aceleração). 
Vibração não linear é aquela em que um ou mais componentes do sistema não se comporta linearmente, ou seja, sem uma relação linear com a saída associada (podem assumir relações quadráticas, cúbicas, logarítmicas, exponenciais, senoidais etc.). (SANTOS, 2020, p, 22).
Já o que diz a revista Eae Máquinas (2021), normalmente os sistemas de amortecimento de vibração trabalham de forma a reduzir as vibrações e ruídos geradas pelo sistema e a sua eficácia é medida por distribuir, que é a força transmitida pela máquina ao solo ou base.
Quando o comportamento do sistema vibracional possui uma determinada previsibilidade, podemos classificar a vibração resultante como determinística. Essa previsibilidade ocorre em qualquer instante de tempo. Vibração aleatória ou não determinística é aquela em que não é possível prever o que irá acontecer no movimento vibratório. (SANTOS, 2020, P. 23).
Santos (2020) que o sinal de vibração será percebido como sendo um sinal que se repete no ao longo do tempo, sendo definido como sinal harmônico. Como exemplo podemos verificar o funcionamento de um dispositivo chamado mecanismo de Scotch Yoke, esse mecanismo,ao funcionar, desenvolve um movimento oscilatório senoidal.
FIGURA 2 – MECANISMO DE SCOTCH YOKE GERANDO UM MOVIMENTO HARMÔNICO
FONTE:<https://slideplayer.com.br/13844044/85/images/slide_19.jpg>. Acesso em: 14/11/2021.
3. MATERIAIS E MÉTODOS 
Como parte desse trabalho de pesquisa em desenvolvimento relacionados a sistemas de amortecimento em equipamentos de mineração, realizou-se o estudo para embasamento normativos e posterior elaboração de um projeto de uma mola, qual foi possível dimensionar as cotas. Diâmetro externo D1 = 110mm e comprimento de mola livre L = 500mm, bem como outros dados, conforme na figura 3 abaixo.
FIGURA 3– PROJETO DA MOLA DIMENSIONADA, COM FATOR DE SEGURANÇA 1,2.
 
FONTE: ARQUIVO PESSOAL, 2022.
Para o modelo proposto foi utilizado o fio de aço classe 1 de aço carbono, pois os aços para molas são bem semelhantes com de aços comuns comerciais, porem sua diferença é que esses aços para molas apresentam maiores teores de carbono e manganês e além disso necessitam de um maior cuidado e mais números de operações para sua fabricação. Tendo suas principais características físicas exigidas que são alto limite de elasticidade e alto limite de fadiga, onde o limite de elasticidade é possível conseguir através de estudos e cuidados nos tratamentos mecânicos e térmicos, já o alto limite de fadiga pode ser adquirido através de uma obtenção de uma superfície perfeita, tanto quanto possível isenta de irregularidades como rugosidade, pequenas fissuras, riscos das matrizes na trefilação etc.
No modelo proposto neste trabalho também possibilitou realizar o cálculo de resistência da mola, onde simulou-se os esforços estruturais sofridos durante a sua análise através do software “inventor”.
Estabeleceu-se uma força de trabalho F = 500N, comprimindo a mola de comprimento inicial L = 500mm à comprimento final L9 = 195,4mm. Pode-se destacar a tensão de torção de tração máxima foi de ult = 1545 MPa, tensão de torção admitida = 772,5 Mpa e módulo de elasticidade de G = 7860 kg/m³, conforme figura 4 abaixo.
FIGURA 4– CÁLCULO DE RESISTÊNCIA DA MOLA.
FONTE: ARQUIVO PESSOAL, 2022.
Através do diagrama de um amortecedor dinâmico de vibração (figura 5 abaixo), é possível observar o comportamento geral do sistema de vibração ocorrido. 
 FIGURA 5 – DIAGRAMA DE UM AMORTECEDOR DINÂMICO DE VIBRAÇÃO GERAL.
FONTE: ARQUIVO PESSOAL, 2022.
Na figura 6 abaixo, segue os dados obtidos através dos ensaios simulados pelo software, onde o relatório gerado pelo programa resultou em uma mola a ser construída com volume de 646137mm³ e massa de 5kg e demais informações a serem analisadas.
FIGURA 6 – RELATÓRIO DE ANÁLISE DA MOLA.
FONTE: ARQUIVO PESSOAL, 2022.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Por meio deste estudo foi possível verificar as variáveis de um sistema de massa mola, bem como a avaliação das cargas e forças atuantes neste sistema, como também o correto dimensionamento estrutural, baseado em referências normativas e resultados das pesquisas obtidas neste estudo.
Com tudo os resultados obtidos mostraram que a mola a ser construída possuem uma resistência satisfatória, que pode ser utilizada em equipamentos com uma taxa de vibração limitado a uma tração máxima de 1545 Mpa e um modo de elasticidade em corte de 78500 MPa. Isso mostra que a mesma pode ser empregada em diversos sistema de amortecimentos em equipamentos da mineração. 
Assim como estudamos na disciplina de práticas de vibrações podemos ver que o sistema massa-mola consiste em um objeto que possua uma massa m, conectado a uma superfície fixa através de uma mola, que possua uma constante k, onde podemos calcular a força exercida na mola com a seguinte equação Fmola=-k.x, pois k é a constante de amortecimento (N/m), e x deslocamento (m).
Além dessa equação podemos utilizar a seguinte equação pra descobrir a constante de mola: 
Uma outra formula que pode ser utilizada pra calcular a força geral excedida pela mola é: 
Outra formula que poder ser utilizada é para calcular o diâmetro médio da mola:
 
Ainda podemos utilizar uma outra formula para o fator de correção de wahl:
 
Onde d=diâmetro do arame [mm], F 8=força de trabalho da mola totalmente carregada [MPa], D=diâmetro médio da mola [mm], H=deflexão de trabalho [mm], G=módulo de elasticidade do material da mola [MPa], n=número de espirais ativos [-], F 1=força de trabalho da mola com carga mínima [MPa], s=	deflexão da mola em geral [mm], Kw=fator de correção de Wahl [-], F 0=tensão inicial da mola [N], k	=constante da mola [N/pol], c= índice da mola [-].
Na figura 7, abaixo apresenta um dos ensaios realizado software “inventor” com a mola que foi projetada neste trabalho de pesquisa, na qual simulou-se os principais esforços gerado na mola durante sua funcionalidade no equipamento na mineração, seja um britador ou peneira vibratória.
FIGURA 7 – ENSAIO DE ESFORÇOS DA MOLA
FONTE: ARQUIVO PESSOAL, 2022.
5. CONCLUSÃO
O presente trabalho teve a finalidade de apresentar um projeto teórico de um sistema de massa mola, elaborado e realizado a partir de ensaios do desempenho de uma mola a ser aplicada em um equipamento na mineração. Os estudos de pesquisa teórica e ensaios virtuais em programas foi de grande valia, contribuindo para a execução deste trabalho, agregando conhecimento e experiência, mostrando o valor de uma análise com embasamento teórico.
Para a elaboração deste trabalho foi necessário aprofundar os conhecimentos nas disciplinas de elementos de máquinas, resistência dos materiais, normas aplicáveis e trabalho em equipe.
Portanto, entendemos que o sistema de amortecimento em equipamentos da mineração tem sido uma solução de controle em vibrações e ruídos. 
REFERÊNCIAS
CRUZ, Mikelly Chaves. Elementos de maquinas II. 1º edição. Indaial: Uniasselvi, 2020. Disponível em: < https://www.uniasselvi.com.br/extranet/layout/request/trilha/materiais/livro/livro.php?codigo=240144>. Acesso em: 03/12/2021. 
EAE Máquinas. Sistema De Amortecimento De Vibração. São Paulo, 2021. Disponível em:
<Https://www.eaemaq.com.br/dica-tecnica/sistema-de-amortecimento-de-vibracao/>. Acesso em: 05/12/2021.
GERDAU. Catálogos e Manuais. <https://www2.gerdau.com.br/catalogos-e-manuais>. Acesso em 05/12/2021.
HOLANDA, Ricardo Victoria de; ROSA, Roberto Canedo. Redução de vibração em uma viga bi-apoiada com neutralizador dinâmico de vibrações instalado. Disponível em: <https://revistas.ifg.edu.br/tecnia/article/download/72/13>. Acesso em: 05/12/2021.
RAO, Singiresu Su. Vibrações Mecânicas. 4º edição. Nova Jersey: Pearson Prentice Hall, 2008. Disponível em: <file:///C:/Users/Usu%C3%A1rio/Downloads/RAO_Vibracoes_Mecanicas.pdf >. Acesso em 14/11/2021.
RUBBER plasc. Amortecedores de Vibração: Amortecedores tradicional. Cajamar: Disponível em:<https://www.rubberplastic.com.br/amortecedores-de-vibracao/amortecedor-de-vibracao-tradicional.html>. Acesso em: 14/11/2021.
SANTOS, Chistian dos. Vibrações. 1º edição. Indaial: Uniasselvi, 2020. Disponível em: < https://www.uniasselvi.com.br/extranet/layout/request/trilha/materiais/livro/livro.php?codigo=241710>. Acesso em: 01/12/2021. 
1 Nome dos acadêmicos
2 Nome do Professor tutor externo
Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI – Engenharia Mecânica – Seminário Interdisciplinar VIII: (ENM04)