Detection and control of transverse cracks on rotating machines

Autor: Leandro de Souza Leão
Přispěvatelé: Cavalini Jr, Aldemir Aparecido, Steffen Júnior, Valder, Oliveira, Leopoldo Pisanelli Rodrigues de, Souza, Francisco José de, Daniel, Gregory Bregion
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFU
Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
instacron:UFU
DOI: 10.14393/ufu.te.2019.2515
Popis: CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Esta tese considera detecção e controle de uma trinca transversal em máquinas rotativas. Os objetivos deste estudo envolvem a obtenção e o ajuste de um modelo matemático que represente o comportamento dinâmico de uma máquina rotativa real, a aplicação numérica e experimental de um método de detecção de falhas baseado no sinal de vibração do rotor e de um método de controle ativo de trincas que reduza os níveis dos super-harmônicos 2X e 3X excitados pela presença da trinca no espectro de frequência do rotor. A novidade desta tese está no fato de se realizar detecção e controle de trinca em um único projeto de pesquisa. Além disso, o controle ativo de trincas ainda é um assunto novo nesta área. A modelagem matemática do rotor utiliza o método dos Elementos Finitos (FE) e considera elementos de viga de Timoshenko, com seção circular e raio constates. O comportamento dinâmico da trinca transversal é modelado pelo modelo de Mayes, que considera abertura e fechamento da trinca de maneira progressiva. Mecânica da fratura linear é aplicada, a fim de relacionar a profundidade da trinca com o aumento da flexibilidade do eixo. O observador de estado modal (MSO) foi utilizado nesta tese quando do estudo do problema de detecção de trincas. Já para o controle ativo da trinca, a técnica de controle PID foi aplicada. Os resultados evidenciam a possibilidade de se diagnosticar uma trinca e diminuir seus efeitos (através do controle ativo) sobre uma máquina rotativa em operação. Desta forma, manutenções que exigem a parada da máquina podem ser realizadas com menor frequência e, mesmo assim, a segurança da máquina rotativa é garantida. In this dissertation, crack detection and crack control of rotating machinery are addressed. The objectives of this study involves building and validating a numerical model capable of simulating the dynamic behavior of a real rotating machine. Numerical and experimental results for crack detection based on the shaft vibration signals are obtained. Besides, numerical and experimental results from an active control method, capable of suppressing 2X and 3X super-harmonics are obtained, excited by the crack presence. The innovation of this thesis lays on the fact of merging crack detection and crack control techniques in one single study. It is worth mentioning that the subject of crack control is quite new in the literature. The rotor is modeled by the finite element (FE) method, considering Timoshenko beam elements with circular cross section and constant radius. The Mayes model is addressed for simulating the breathing behavior of a transverse crack in a progressive way. The linear fracture mechanics theory is applied to correlate the crack depth with the corresponding additional shaft flexibility. The so-called modal state observer (MSO) technique was chosen to verify the existence of a transverse crack on a rotating machine. Moreover, the PID active control technique was addressed to perform crack control, suppressing crack signatures over the rotor frequency spectrum. Both numerical and experimental results highlight the possibility of detecting the existence of a crack and also how to decrease its effects (through active control) of an operating rotating machine. In this way, inspections requiring full stop of the machine can be performed less often while keeping the rotating machine safety. Tese (Doutorado)
Databáze: OpenAIRE
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