Publicação

Análise de fiabilidade em caixa de engrenagens de aerogerador, por meio do detalhamento das normas AGMA

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Engrenagens são elementos essenciais na engenharia mecânica, usadas em máquinas para transmissão de potência, como nas caixas de engrenagens de aerogeradores. Do mesmo modo, a geração de energia de maneira renovável, a partir de fonte eólica, tem se tornado essencial ao redor do mundo. Apesar da engrenagem ser um elemento mecânico amplamente utilizado, há pouca informação atualizada e disponível sobre seu equacionamento no Sistema Internacional para o cálculo à fadiga, tanto para análise de tensão ao contato e consequente avaliação da resistência a picada na superfície do dente da engrenagem, quanto para análise da tensão à flexão, e assim, a avaliação da resistência à fratura na região do cordão raiz do dente. O presente trabalho detalha a norma ANSI/AGMA 2101-D04 (2016) e, a partir desta, desenvolve algoritmos matemáticos que facilitam o processo de análise de fadiga em engrenagens de dentes retos, proporcionando a fácil observação das etapas a serem seguidas para se obter a tensão de contato e de flexão, tal como os fatores de segurança dessas duas abordagens. Além disso, complementa a dita norma com informações de literaturas consolidadas de Projeto de Máquinas, proporcionando um material didático e intuitivo que possa auxiliar no projeto de engrenagens. Para compreensão dos algoritmos matemáticos que clarificam a norma citada, e levando em consideração que o sistema de transmissão tem grande influência na confiabilidade do aerogerador, foi desenvolvido um estudo de caso com a análise de fadiga em um par de engrenagens, em que, devido ao difícil acesso aos parques eólicos, foi proposto uma cadeia cinemática para compor a caixa de engrenagens de uma turbina eólica de 2,5 MW de potência. Pôde-se inferir que os algoritmos em conjunto com os materiais acrescentados ao conteúdo da norma, facilitaram e enriqueceram a análise de fadiga. Ademais, pode-se concluir que a norma ANSI/AGMA 2101-D04 (2016) é muito completa e eficaz no que se trata de cálculos de fadiga em engrenagens, com o seu auxílio foi possível validar o dimensionamento da cadeia cinemática proposta para compor o aerogerador da fabricante Nordex, dimensionamento que resulta numa dureza Brinell necessária e que pode ser obtida com tratamentos térmicos segundo a norma ANSI/AGMA 2004-C08. Com a norma ANSI/AGMA 9005-F16, pode-se obter as características do lubrificante e o método de lubrificação que garantem o funcionamento eficiente da caixa de engrenagens. Duas conclusões sobre o fator de distribuição de carga utilizado pela norma são as seguintes, primeiramente pede-se que a engrenagem satisfaça a relação ≤2, o que não acontece no dimensionamento proposto, porém, se diminuíssemos a largura de face b, a fim de satisfazer a relação, seria necessário apenas um aumento de dureza Brinell para realizar essa otimização. Também para esse fator é considerado o coroamento nos dentes da engrenagem, característica que diminui a tensão de contato, porém o coroamento envolve altos custos com maquinabilidade, portanto deve ser analisado com cuidado pelos projetistas. Um ponto interessante é que para alguns fatores, a norma não propõe recomendações, como para o fator de sobrecarga , e o fator de tamanho , o que nem sempre é viável pois demanda de experiencia do projetista, em contrapartida, isso se torna um ponto positivo quando o projetista tem certa experiencia, dando autonomia para o profissional fazer escolhas a partir da sua aplicação específica.
Autores principais:	Silva, Matheus Henrique da
Assunto:	ANSI/AGMA 2101-D04 Engrenagens de dentes retos Caixa de engrenagens Análise de fadiga Aerogerador Energia eólica
Ano:	2021
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Instituto Politécnico de Bragança
Idioma:	português
Origem:	Biblioteca Digital do IPB

Descrição
Resumo:	Engrenagens são elementos essenciais na engenharia mecânica, usadas em máquinas para transmissão de potência, como nas caixas de engrenagens de aerogeradores. Do mesmo modo, a geração de energia de maneira renovável, a partir de fonte eólica, tem se tornado essencial ao redor do mundo. Apesar da engrenagem ser um elemento mecânico amplamente utilizado, há pouca informação atualizada e disponível sobre seu equacionamento no Sistema Internacional para o cálculo à fadiga, tanto para análise de tensão ao contato e consequente avaliação da resistência a picada na superfície do dente da engrenagem, quanto para análise da tensão à flexão, e assim, a avaliação da resistência à fratura na região do cordão raiz do dente. O presente trabalho detalha a norma ANSI/AGMA 2101-D04 (2016) e, a partir desta, desenvolve algoritmos matemáticos que facilitam o processo de análise de fadiga em engrenagens de dentes retos, proporcionando a fácil observação das etapas a serem seguidas para se obter a tensão de contato e de flexão, tal como os fatores de segurança dessas duas abordagens. Além disso, complementa a dita norma com informações de literaturas consolidadas de Projeto de Máquinas, proporcionando um material didático e intuitivo que possa auxiliar no projeto de engrenagens. Para compreensão dos algoritmos matemáticos que clarificam a norma citada, e levando em consideração que o sistema de transmissão tem grande influência na confiabilidade do aerogerador, foi desenvolvido um estudo de caso com a análise de fadiga em um par de engrenagens, em que, devido ao difícil acesso aos parques eólicos, foi proposto uma cadeia cinemática para compor a caixa de engrenagens de uma turbina eólica de 2,5 MW de potência. Pôde-se inferir que os algoritmos em conjunto com os materiais acrescentados ao conteúdo da norma, facilitaram e enriqueceram a análise de fadiga. Ademais, pode-se concluir que a norma ANSI/AGMA 2101-D04 (2016) é muito completa e eficaz no que se trata de cálculos de fadiga em engrenagens, com o seu auxílio foi possível validar o dimensionamento da cadeia cinemática proposta para compor o aerogerador da fabricante Nordex, dimensionamento que resulta numa dureza Brinell necessária e que pode ser obtida com tratamentos térmicos segundo a norma ANSI/AGMA 2004-C08. Com a norma ANSI/AGMA 9005-F16, pode-se obter as características do lubrificante e o método de lubrificação que garantem o funcionamento eficiente da caixa de engrenagens. Duas conclusões sobre o fator de distribuição de carga utilizado pela norma são as seguintes, primeiramente pede-se que a engrenagem satisfaça a relação ≤2, o que não acontece no dimensionamento proposto, porém, se diminuíssemos a largura de face b, a fim de satisfazer a relação, seria necessário apenas um aumento de dureza Brinell para realizar essa otimização. Também para esse fator é considerado o coroamento nos dentes da engrenagem, característica que diminui a tensão de contato, porém o coroamento envolve altos custos com maquinabilidade, portanto deve ser analisado com cuidado pelos projetistas. Um ponto interessante é que para alguns fatores, a norma não propõe recomendações, como para o fator de sobrecarga , e o fator de tamanho , o que nem sempre é viável pois demanda de experiencia do projetista, em contrapartida, isso se torna um ponto positivo quando o projetista tem certa experiencia, dando autonomia para o profissional fazer escolhas a partir da sua aplicação específica.