'EDUFU - Editora da Universidade Federal de Uberlandia'
Abstract
This thesis focuses specifically on issues related to smart rotors, i.e., those
which are able of monitoring their dynamic behavior, analyze their response and
propose solutions with a certain degree of autonomy so that safe operation is
ensured even in the presence of faults that may compromise either the rotors safety
or efficiency.
In general terms, this work encompasses rotating machines with nonlinear
characteristics. More specifically, it is interested on nonlinearities associated with
rotors that have time-varying parameters, such as cracked shafts and systems with
electromagnetic actuators (EMA). The electromagnetic actuators introduce forces
that are inversely proportional to the squared gap value. In this sense, three most
significant issues are addressed in the present work, as described in the following.
The first issue is related to the identification of time-varying parameters, through
the expansion of the system input and output signals together with the expansion of
the physical parameters of the system, in series of orthogonal functions, thus
allowing the identification of the unknown parameters of the system. Both constant
and varying parameters can be identified. A cracked shaft was considered as a
varying parameters system and the proposed methodology was applied to determine
the crack parameters. For this aim, a crack model was developed, enabling the
complete simulation of the structure by using the finite element technique.
The second case studied was the possible application of an electromagnetic
actuator (EMA) for the purpose of maintaining the crack closed by controlling the
fatigue process of a rotating shaft. The crack dynamics behavior is mainly influenced by the moments caused on the crack s surface. These moments can be determined
through the variation of the angular displacements in the nodes at the ends of the
cracked element. It was observed through the simulations that the use of EMA allows
modifying several dynamics characteristics of the rotation system, such as critical
speed, amplitude of vibration, etc. As a result of changes in the angular
displacement, it was verified the possibility of using EMA to keep the crack closed
along the rotation of the shaft. It follows a methodology for self-correction of the
problem created by the presence of the crack (self-healing scheme).
The third and last topic is related to the unbalance identification through the use
of inverse problems techniques. For this, the rotating machine model must be known
(or have been previously identified). Thus, a methodology based on a heuristic
optimization technique was used aiming at balancing the system for the linear case
(without the electromagnetic actuators) as well as for the system containing
electromagnetic actuators that insert nonlinearity. It should be noted that classic
techniques of balancing cannot solve such problem since they assume a linear
relation between the excitation (unbalance) and the response (vibration) of the rotor.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoDoutor em Engenharia MecânicaEsta tese procura enfocar problemas relacionados a rotores inteligentes, ou
seja, aqueles que são capazes de monitorar seu comportamento dinâmico, analisálo,
propor soluções com certa autonomia e garantir seu funcionamento mesmo
quando do aparecimento de falhas que podem comprometer seu comportamento
seguro ou sua eficiência.
Este trabalho, de maneira geral, está inserido no contexto da dinâmica de
máquinas rotativas com características não-lineares. Mais especificamente,
interessa-se a não-linearidades causadas por rotores que apresentam parâmetros
variantes no tempo, como é o caso dos eixos trincados, e de sistemas com
atuadores eletromagnéticos (AEM) que introduzem forças que são funções inversas
do quadrado do deslocamento. Neste sentido, três assuntos mais significativos
foram abordados, conforme abaixo especificado.
O primeiro assunto está relacionado com a identificação de parâmetros
variantes no tempo, através da expansão dos sinais de entrada e saída do sistema,
além da expansão, também, dos parâmetros físicos do sistema em séries de
funções ortogonais, permitindo, desta forma, a identificação dos parâmetros
desconhecidos do sistema rotativo, tanto daqueles que são constantes como
daqueles que variam com o tempo. Assim, um eixo contendo uma trinca foi
considerado como um sistema de parâmetros variantes, ao qual se aplicou a
metodologia proposta para identificação destes parâmetros. Para tanto, uma modelagem para a trinca foi desenvolvida, possibilitando a simulação completa da
estrutura a partir do método dos elementos finitos.
O segundo caso estudado foi sobre a possível aplicação de um atuador
eletromagnético (AEM) com a finalidade de manter a trinca fechada, controlando
assim o processo de fadiga de um eixo rotativo. O comportamento dinâmico da
trinca é, principalmente, influenciado pelos momentos causados em sua superfície.
Esses momentos podem ser determinados através da variação entre os
deslocamentos angulares nos nós da extremidade do elemento com a trinca.
Observou-se, através de simulações feitas que, a utilização dos AEM permite
modificar várias características da dinâmica do sistema rotativo, tais como
velocidades críticas, amplitude dos deslocamentos, dentre outras. Como
conseqüência das alterações do deslocamento angular, verificou-se a possibilidade
de utilização dos AEM para manter a fissura fechada. Resulta uma metodologia para
auto- correção do problema criado pela presença da trinca (self healing).
O terceiro e último tópico abordado está relacionado com a identificação do
desbalanceamento através da utilização de técnicas de problemas inversos. Para
isso, o modelo da máquina rotativa tem que ser conhecido (ou ter sido previamente
identificado). Assim, foi utilizada uma metodologia baseada numa técnica heurística
de otimização, buscando o balanceamento do sistema tanto para o caso linear (sem
os atuadores eletromagnéticos) como do sistema contendo atuadores
eletromagnéticos que introduzem não-linearidades. Deve-se salientar que as
técnicas clássicas de balanceamento não podem resolver este tipo de problema,
uma vez que partem do princípio da linearidade entre a excitação
(desbalanceamento) e a resposta (vibração) do rotor, característica esta que não é
verificada nos sistemas não-lineares
