Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14866
metadata.dc.type: Dissertação
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Contribuição ao Estudo de Máquinas Rotativas na presença de Não-Linearidades
Other Titles: Contribution to the Study of Rotating Machines containing nonlinearities
metadata.dc.creator: Morais, Tobias Souza
metadata.dc.contributor.advisor1: Steffen Júnior, Valder
metadata.dc.contributor.referee1: Santos, Marcelo Braga dos
metadata.dc.contributor.referee2: Dedini, Kátia Lucchesi Cavalca
metadata.dc.contributor.referee3: Zachariadis, Demetrio Cornilios
metadata.dc.contributor.referee4: Mahfoudh, Jarir
metadata.dc.description.resumo: Esta 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.
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.
Keywords: Rotores - Dinâmica
Rotores inteligentes
Rotores não-lineares
Desbalanceamento
Trincas em rotores
Atuadores eletromagnéticos
Diagnóstico de falhas em máquinas rotativas
Identificação de parâmetros variantes no tempo
Smart rotors
Nonlinear rotors
Balancing
Cracks in rotors
Electromagnetic actuators
Fault diagnosis in rotating machines
Identification of time varying parameters
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Citation: MORAIS, Tobias Souza. Contribution to the Study of Rotating Machines containing nonlinearities. 2010. 173 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2010.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14866
Issue Date: 29-Jul-2010
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Engenharia Mecânica

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Diss Tobias.pdf5.52 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.