Simulação e Análise de Vibrações em Engrenagens para Controlo de Condição

Abstract

As engrenagens são dos mecanismos mais utilizados na transmissão de potência ou mo- vimento rotativo e desempenham um papel fundamental no funcionamento dos equi- pamentos que integram. A prevenção de avarias destes órgãos de máquinas passa pela aplicação de estratégias de manutenção preventiva, onde se destaca a manutenção condi- cionada, que tem em conta a monitorização de indicadores da condição dos equipamentos. A vibrometria é uma forma não intrusiva de monitorizar a condição dos equipamentos, pelo que é uma ferramenta relevante na manutenção condicionada. Todos os mecanismos têm uma vibração característica que é alterada se o mecanismo estiver apresentar alguma anomalia. Nas engrenagens, uma das principais fontes de excitação interna é a variação da ri- gidez do engrenamento. A presença de defeitos nos dentes das engrenagens leva à dimi- nuição da rigidez do engrenamento. Com o intuito de estudar o mecanismo de vibração de engrenagens, implementou-se um modelo de simulação numérica do comportamento de engrenagens cilíndricas de dentes retos. A variação da rigidez do engrenamento foi avaliada e introduzida no modelo como um dos seus parâmetros. Dois tipos de defeitos foram introduzidos no modelo: dentes partidos e destes lascados. Da simulação resul- taram sinais teóricos que foram analisados na ótica da manutenção condicionada para diagnóstico de avarias. Da análise aos sinais gerados, mostra-se que na presença de um dente partido surge um impacto de maior amplitude em cada ciclo de rotação da roda e o aparecimento de bandas laterais, relativas à frequência de rotação da roda, no espetro de frequências do sinal. O efeito de um dente lascado não aparece tão evidente nos sinais no domínio do tempo e no respectivo espetro de frequência. Ainda assim, a análise de sinais residuais permitiu detetar e localizar o dente defeituoso. O trabalho apresentado tem por base o desenvolvimento de modelos para simulação de engrenagens com a possibilidade de serem introduzidos diversos tipos de defeitos nos dentes. Este é um tema com significativo interesse industrial.

Gears are one of the most used mechanisms in the transmission of power or rotary move- ment and play a fundamental role in the operation of the equipment they integrate. The prevention of breakdowns in these machinery parts involves the application of preventive maintenance strategies, in which conditioned maintenance stands out, which takes into account the monitoring of indicators of the condition of the equipment. Vibrometry is a non-intrusive way of monitoring the condition of equipment, so it is a relevant tool in conditioned maintenance. All mechanisms have a characteristic vibration that is changed if the mechanism is abnormal. In gears, one of the main sources of internal excitation is the variation in gear mesh- ing stiffness. The presence of defects in the gear teeth leads to a decrease in the meshing stifness. In order to study the mechanism of gear vibration, it was implemented a numer- ical simulation model of the behavior of spur gears. The meshing stiffness variation was evaluated and introduced into the model as one of its parameters. Two types of defects were introduced in the model: broken teeth and chipped teeth. The simulation resulted in theoretical signals that were analyzed from the point of view of conditioned maintenance for fault diagnosis. From the analysis of the generated signals, it is shown that in the presence of a broken tooth there is an impact of greater amplitude in each cycle of rotation of the wheel and the appearance of side bands, related to the frequency of rotation of the wheel, in the frequency spectrum of the signal. The effect of a chipped tooth is not as evident in the signals in the time domain and in the respective frequency spectrum. Even so, the analysis of residual signs made it possible to detect and locate the defective tooth. The work presented is based on the development of models for simulating gears with the possibility of introducing different types of defects in the teeth. This is a topic of significant industrial interest.