Avarias em rolamentos de turbinas eólicas

Avarias em rolamentos de turbinas eólicas

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(partículas de desgaste ou outras), assim como, lubrifica e preenche vedantes tipo labirinto. Quando o lubrificante falha numa destas funções, inicia-se um processo de avaria, que num estado avançado resulta em danos críticos

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Beatriz Graça1, Ramiro Martins2 e Jorge Seabra3 1,2 INEGI – Instituto Engenharia Mecânica e Gestão Industrial, Porto, Portugal 3 FEUP – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal

coluna de tribologia

que levam a reparações e tempos de inatividade dispendiosos para um parque eólico. Existem inúmeras causas para a falha de um lubrificante, incluindo: •

quantidade de lubrificante (excesso ou défice);

•

viscosidade inadequada;

•

aditivação inadequada;

•

degradação do lubrificante devido a serviço prolongado;

•

temperaturas excessivas;

• contaminação; •

uso de massa quando as condições exigem o uso de um óleo;

INTRODUÇÃO

•

lubrificante incorreto para a aplicação específica.

Dados estatísticos mostram que os maiores tempos de paragem por problemas em turbinas eólicas estão relacio-

Quando o desgaste excessivo nos elementos rolantes,

nados com avarias nos rolamentos. Análises recentes reali-

anéis e gaiolas ocorre, resulta um sobreaquecimento e sub-

zadas pelo National Renewable Energy Laboratory (NREL),

sequente falha catastrófica. Além disso, se um rolamento

nos Estados Unidos, chegam á conclusão que a maior par-

estiver sujeito a uma lubrificação insuficiente ou se o lubri-

te (76%) das avarias de caixas multiplicadoras têm início

ficante tiver perdido suas propriedades lubrificantes, não

nos rolamentos [1]. Desta forma, os rolamentos assumem-

será possível gerar uma película de óleo com capacidade

-se como componentes críticos e vitais no funcionamento

de carga suficiente. O resultado é o contacto metal-metal

de uma turbina eólica.

entre elementos rolantes e pistas de rolamento, levando a

O seu funcionamento contínuo e em condições de carga

danos na superfície. Cinco dos modos de danos superficiais

severas e muito variáveis fazem com que frequentemente

mais frequentes em rolamentos de turbinas eólicas estão

operem com uma lubrificação intermitente. Todas as for-

resumidos nos parágrafos seguintes.

ças geradas pelo vento influenciam diretamente a operação dos rolamentos. Elevadas forças dinâmicas com picos

1.1. Corrosão por contacto e falso “Brinelling”

extremos e cargas mínimas, mudanças bruscas de carga e

Como referenciado por alguns autores [3], a corrosão por

elevadas variações de temperatura, impõem importantes

contacto (fretting) é um problema comum em sistemas de

solicitações ao lubrificante no interior de um rolamento. Os

coroa quando os rolamentos e engrenagens não rodam e

efeitos causados nas pistas dos rolamentos em resultado

ficam sujeitos a vibrações transmitidas pela estrutura em

de uma exposição prolongada a vibrações, assim como, o

resultado de cargas de vento e/ou pequenos movimentos

risco de passagem de corrente elétrica através deles, repre-

do sistema de controlo, denominado “dither“. Nestas con-

sentam um outro grande desafio no estudo tribológico de

dições, o lubrificante é espremido entre os contactos e o

rolamentos, para a resolução destes incidentes.

movimento relativo das superfícies é demasiado pequeno para o lubrificante entrar novamente no contacto. As películas de óxidos que normalmente protegem as superfícies

1. DESGASTE DE ROLAMENTOS

de aço são removidas, permitindo o contacto metal-metal

Sabe-se que pelo menos 60% das avarias prematuras em

e causando adesão nas rugosidades superficiais. A corro-

rolamentos ocorrem na sequência de uma lubrificação

são por contacto começa com um período de incubação

inadequada [2]. Assim, atribui-se ao lubrificante uma fun-

durante o qual o mecanismo de desgaste é uma suave ade-

ção vital no desempenho e vida útil dos rolamentos. Um

são e as partículas geradas são essencialmente magnetite

lubrificante corretamente selecionado para responder a

(Fe3O4). Designa-se por falso brinelling, o dano superficial

condições de operação específicas, formará uma película

que ocorre durante este período de incubação. Se as partí-

separando as superfícies que estão em carga e sujeitas a

culas de desgaste se acumulam em quantidades suficientes

atrito, protegendo-as contra o desgaste. Além disso, o lu-

para impedir que o lubrificante chegue ao contacto, então

brificante atua também como dissipador de calor, retira e

o mecanismo de desgaste passa a uma adesão severa que

transporta do contacto todas as partículas contaminantes

rompe a camada de óxidos naturais, formando-se adesão

contaminantes e a realização dos intervalos de lubrificação especificados, contribuem para definir a fiabilidade global do rolamento. É fundamental que as principais funções do lubrificante num rolamento se mantenham e dessa forma poder garantir: •

separação das superfícies de contacto, evitando atrito e desgaste devido ao contacto metal-metal;

• acomodação de velocidades de deslizamento da Figura 4. Micropitting.

superfície; • transmissão de vibrações de amortecimento normais e os picos de pressão transitórios;

1.5. Alterações da microestrutura As “White Etching Cracks” (WEC) são consideradas alterações microestruturais que podem levar à fissuração axial e picagem em rolamentos relativamente novos. Este é um

• dissipação e evacuação do calor gerado por atrito para fora do contacto; • remoção de contaminantes e partículas de desgaste do contacto.

dos modos de avaria em rolamentos de turbinas eólicas

coluna de tribologia

mais crítico e o menos compreendido. Embora não seja ex-

Encontrar o equilíbrio entre um ou vários óleos base que

clusivo à indústria eólica, constata-se ser muito mais pre-

fazem parte da formulação do lubrificante e o pacote de

dominante do que em outras aplicações. Existem várias

aditivos mais adequado é muito complexo, considerando

teorias sobre a causa das fissuras WEC, incluindo a fragiliza-

as diferentes condições tribológicas que podem surgir num

ção induzida pelo hidrogénio a partir da decomposição do

contacto e as interações triboquímicas potenciais entre os

lubrificante [4], induzida mecanicamente por condições de

próprios aditivos, com o óleo de base e com os materiais de

elevadas tensões e escorregamento [5], carga mecânica de

todos os elementos de suporte.

impacto [6] ou múltiplos fatores influenciadores, sem causa raiz identificada [7].

A análise de avarias de rolamentos é também complexa devido ao fato de coexistirem vários modos de falha e de um modo de falha poder iniciar outro. Assim, o primeiro passo para minimizar danos em rolamentos começa por evitar uma montagem incorreta (por exemplo, com desalinhamentos), contaminação, lubrificação inadequada (o tipo

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e/ou quantidade errada de lubrificante), bem como o mau manuseamento do rolamento.

Caso não aconteça a substituição atempada de um rolamento danificado, incorre-se num risco elevado de danos graves em outros componentes mecânicos e que darão lugar a avarias catastróficas e bastante dispendiosas num Figura 5. WEC observado num corte seccional de um anel interno

parque eólico.

atacado com ácido Nital.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Outra preocupação relacionada com danos na superfície

[1] Magats, Shalini, Wind Turbine Oil Trends and Best Practices, Monogra-

de um rolamento é a fadiga causada por partículas no

ph, Eric Bevenino, Industrial Lubricants & Solutions, North American

lubrificante [8]. As partículas de desgaste em suspensão num lubrificante e que entram no contacto causam deformações plásticas nas suas superfícies. Sendo a dureza das partículas de desgaste, igual ou superior às das superfícies

Lubricants. Chevron Texaco, USA, 2007.

[2] The Wind Energy Update, The Wind Energy Operations & Maintenance Report, London, UK, 2011.

[3] Kotzalas M. N. and Doll G. L., Tribological advancements for reliable

com que entram em contacto, podem causar abrasão, in-

wind turbine performance, Phil. Trans. R. Soc. A 368, 4829–4850, 2010.

dentação e, por vezes, impregnação - especialmente em

[4] Uyama H., and Yamada, H., White Structure Flaking in Rolling Bearings

metais mais macios como as gaiolas de bronze. A presença

for Wind Turbine Gearboxes, American Gear Manufacturers Association,

de partículas de desgastes, quer soltas, quer impregna-

ISBN: 978-1-61481-072-8, USA, September 2013.

das, conduzem sempre a interferências com a formação

[5] Evans, M. H., White structure flaking (WSF) in wind turbine gearbox bear-

do filme lubrificante entre os elementos rolantes. As par-

ings: effects of ‘butterflies’ and white etching cracks (WEC), Materials

tículas dúcteis causam indentações arredondadas e relativamente pouco profundas, enquanto as partículas frágeis, causam indentações profundas e inclinadas.

Conclui-se assim que a vida útil de um rolamento é fortemente influenciada pela lubrificação. Um lubrificante adequadamente selecionado, ou seja, que apresente capacidade de formar um filme lubrificante adequado, com um pacote equilibrado de aditivos, que seja limpo de

Science and Technology, pp. 3-22, 2012.

[6] Luyckx, J., Hammering Wear Impact fatigue Hypothesis WEC/irWEA failure mode on roller bearing, NREL – Gearbox Reliability Collaborative, USA, 2011.

[7] Holweger, W., Progresses in solving White etching crack phenoma,” NREL - Gearbox Reliability Collaborative, USA, 2014.

[8] Dwyer-Joyce, R. S., The life cycle of a debris particle. Tribology and Interface Engineering Series, 48, 681-690, 2005.

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