Avarias em rolamentos de turbinas eólicas
M 135
(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
18
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
20
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.
M