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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
Programa de Pós-Graduação em Metrologia Científica e Industrial
Pedro Moritz Penteado
DESENVOLVIMENTO DE UMA BANCADA DE
ENSAIO DE FADIGA POR IMPACTO EM
VÁLVULAS DE COMPRESSORES DE
REFRIGERAÇÃO
Dissertação submetida à Universidade Federal de Santa Catarina
para obtenção do grau de Mestre em Metrologia
Orientador: Carlos Alberto Flesch, Dr.Eng.
Florianópolis, setembro de 2009
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DESENVOLVIMENTO DE UMA BANCADA DE
ENSAIO DE FADIGA POR IMPACTO EM
VÁLVULAS DE COMPRESSORES DE
REFRIGERAÇÃO
Pedro Moritz Penteado
Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
“MESTRE EM METROLOGIA”
e aprovada na sua forma final pelo
Programa de Pós-Graduação em Metrologia Científica e Industrial
______________________________________
Prof. Carlos Alberto Flesch, Dr.Eng.
ORIENTADOR
______________________________________
Prof. Armando Albertazzi Gonçalves Júnior, Dr. Eng.
COORDENADOR DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
BANCA EXAMINADORA:
________________________________________
Prof. Marco Antônio Martins Cavaco, Ph.D
________________________________________
Prof. Arcanjo Lenzi, Ph.D
________________________________________
Prof. César José Deschamps, Ph.D
________________________________________
Eng. Marco Aurélio de Oliveira, M.Sc
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AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, Carlos Eduardo e Maria Odete, aos meus irmãos, Clara
e Fernando, e à minha namorada, Ana Paula, pelo carinho, paciência e total apoio.
Ao meu orientador, Prof. Carlos Alberto Flesch, pela competência,
confiança e importante orientação prestada desde 2006.
Aos colegas de laboratório, que de alguma forma contribuíram para o
presente trabalho.
Aos colaboradores da Embraco, pela orientação técnica e apoio. Em
especial ao Marco Aurélio, André, Rodrigo e Marcelo, pela importante colaboração.
À Whirpool e à FINEP, pelo financiamento do trabalho e pela
oportunidade.
RESUMO
Compressores de refrigeração são projetados para apresentar alta eficiência
termodinâmica, alta confiabilidade e baixos níveis de ruído. Essas características
são fortemente dependentes do comportamento das válvulas de sucção e descarga.
Devido às elevadas cargas mecânicas aplicadas às válvulas, seu projeto exige
especial atenção. Entre os possíveis modos de falha, a fadiga de impacto –
caracterizada por repetidos impactos da válvula contra o seu assento – é a mais
crítica no que concerne à ocorrência e à dificuldade de prevenção.
Desenvolveu-se no presente trabalho uma bancada integralmente
automatizada de ensaio de fadiga por impacto de válvulas de sucção, que controla a
intensidade do impacto e a freqüência do movimento, permitindo a quebra da válvula
sob condições controladas. O número de ciclos suportados é utilizado como
indicativo da resistência à fadiga de impacto da válvula analisada.
Resultou um recurso experimental passível de ser utilizado na determinação
das propriedades de resistência à fadiga de impacto, que permite a realização de
ensaios de conformidade e comparações entre diferentes modelos de válvulas. O
sistema desenvolvido gerou uma importante ferramenta de auxílio à pesquisa e
desenvolvimento de novos projetos de válvulas para compressores de refrigeração,
suprindo uma significativa carência do setor. Este trabalho representa uma inovação
tecnológica, por não existirem no mercado sistemas que possibilitem a realização de
ensaios de válvulas utilizadas em compressores de refrigeração.
ABSTRACT
Refrigeration compressors are designed to provide high thermodynamic
efficiency, high reliability and low noise levels. These characteristics are strongly
dependent on the behavior of suction and discharge valves. Due to high mechanical
loads applied to the valves, their design require special attention. Among the possible
failure modes, the impact fatigue - characterized by repeated impacts of the valve
against its seat - is the most critical regarding occurrence and difficulty of prevention.
In this work a fully automated test bench for the impact fatigue of suction
valves was developed, which controls the intensity of the impact and frequency of
movement, allowing one to analyze the valve failure under controlled conditions. The
number of cycles incurred is used to estimate the impact fatigue strength of the
tested valve.
An experimental feature that can be used in determining the properties of
impact fatigue strength, enabling the completion of conformance testing and
comparison of different valve models was developed. The present work has
generated an important tool to aid research and development of new valve designs
for refrigeration compressors, supplying a significant shortage in this industry. The
developed system represents a technological innovation, as there are not
commercial systems that enable the testing of valves used in refrigeration
compressors.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Compressor alternativo hermético e seus principais componentes
[5]
... 20
Figura 2 - Funcionamento do circuito de refrigeração .......................................... 21
Figura 3 - Funcionamento das válvulas automáticas de compressores ................ 22
Figura 4 - Diagrama pressão-ângulo de manivela ideal ....................................... 23
Figura 5 - Diagrama pressão-volume ideal ........................................................... 23
Figura 6 - Diagrama pressão-volume real ............................................................ 24
Figura 7 - Aproximação do diagrama pressão-volume na região de descarga ..... 24
Figura 8 - Funcionamento das válvulas tipo palheta ............................................ 25
Figura 9 - Algumas variações de válvulas tipo palheta
[13]
..................................... 25
Figura 10 - Principais tensões sofridas pela válvula a cada ciclo ......................... 31
Figura 11 - Locais de concentração de deformação devido à flexão .................... 32
Figura 12 - Exemplo de válvula danificada devido à fadiga de impacto ................ 33
Figura 13 - Resultados da análise por elementos finitos considerando o “efeito
chicote”
[26]
............................................................................................................ 35
Figura 14 - Comparação entre o diagrama pressão-volume para uma válvula sem
falha (em negrito) e uma válvula perfurada
[41]
...................................................... 38
Figura 15 - Comparação entre o diagrama de pressão pelo tempo para uma válvula
sem falha (em negrito) e uma válvula perfurada
[41]
.............................................. 38
Figura 16 - Relação entre a resistência à fadiga de impacto e a capacidade de
amortecimento
[22]
................................................................................................. 42
Figura 17 - Relação entre a velocidade de impacto e a tensão na superfície da
válvula para diferentes espessuras
[39]
.................................................................. 43
Figura 18 - Relação entre a espessura da válvula e a resistência à tração
[43]
...... 44
Figura 19 - Relação entre a espessura da válvula e a resistência à flexão
[43]
...... 44
Figura 20 - Tamboreamento de peças ................................................................. 46
Figura 21 - Relação entre as tensões residuais e a resistência à fadiga de impacto
[20]
............................................................................................................................. 47
Figura 22 - Relação entre a velocidade e a tensão de impacto da válvula
[39]
....... 51
Figura 23 – Relação entre a velocidade e a força de impacto
[27]
.......................... 52
Figura 24 - Funcionamento da bancada experimental.......................................... 69
Figura 25 - Sistema de medição de deslocamento eddy adquirido....................... 71
Figura 26 - Controlador e sensor do sistema de medição de fibra óptica ............. 72
Figura 27 - Acelerômetro piezorresistivo Endevco modelo 71 .............................. 73
Figura 28 - Transdutor de pressão Endevco 8530B-200 ...................................... 73
Figura 29 - Fixação do motor elétrico ................................................................... 75
Figura 30 - Discos com perfurações ..................................................................... 76
Figura 31 - Sistema de discos perfurados montado ............................................. 77
Figura 32 - Ligação entre o motor e os eixos dos discos perfurados .................... 77
Figura 33 - Vista explodida do mecanismo de ajuste de defasagem angular entre os
discos
[55]
............................................................................................................... 78
Figura 34 - Guias para alinhamento dos componentes fixados aos eixos ............ 79
Figura 35 - Fixação central e conjuntos de válvulas ............................................ 79
Figura 36 - Montagem dos reservatórios de ar comprimido ................................. 80
Figura 37 - Reservatório de ar comprimido .......................................................... 81
Figura 38 - Fixação do sensor eddy ..................................................................... 81
Figura 39 - Vista de seção do funcionamento do sensor eddy ............................. 82
Figura 40 - Gabarito para montagem do sensor eddy .......................................... 82
Figura 41 - Fixação do sensor de fibra óptica ...................................................... 83
Figura 42 - Aproximação da montagem do sensor de fibra óptica ........................ 84
Figura 43 - Sistema de posicionamento da câmera digital ................................... 84
Figura 44 - Montagem da câmera digital na bancada experimental ..................... 85
Figura 45 - Anel de Leds para iluminação da válvula ........................................... 86
Figura 46 - Cilindro cônico e vista de seção da montagem do conjunto de válvula87
Figura 47 - Vista explodida do conjunto de válvula .............................................. 87
Figura 48 - Tubos para o direcionamento dos pulsos de ar comprimido .............. 88
Figura 49 - Dispositivo para contagem do número de impactos ........................... 89
Figura 50 - Bancada de ensaio de fadiga de impacto de válvulas projetada ........ 90
Figura 51 – Sinal gerado pelo dispositivo de contagem de número de ciclos ....... 91
Figura 52 – Sinal do circuito eletrônico para geração de onda quadrada a partir do
sinal de contagem do número de ciclos ............................................................... 91
Figura 53 - Diagrama esquemático do circuito pneumático .................................. 92
Figura 54 – Medições do software desenvolvido .................................................. 96
Figura 55 – Detecção do instante de impacto ...................................................... 98
Figura 56 - Controle da velocidade de impacto .................................................... 99
Figura 57 – Detecção de fratura da válvula ........................................................ 101
Figura 58 – Princípio de funcionamento da calibração do sistema de medição de
deslocamento baseado em fibra óptica .............................................................. 104
Figura 59 - Princípio de funcionamento da calibração do sistema de medição de
deslocamento baseado em correntes de ed dy ................................................... 105
Figura 60 – Mecanismo para o acoplamento entre o motor de passo e a mesa
micrométrica ...................................................................................................... 106
Figura 61 – Projeto mecânico da bancada de calibração desenvolvida ............. 107
Figura 62 - Software de medição desenvolvido .................................................. 109
Figura 63 – Velocidade de impacto da válvula em função da frequência de excitação
........................................................................................................................... 111
Figura 64 – Torção da válvula para diferentes frequências de excitação ........... 112
Figura 65 - Velocidade de impacto da válvula em função da pressão da válvula
proporcional ....................................................................................................... 113
Figura 66 – Curvas características de resposta para os sistemas fibra óptica e
correntes de eddy .............................................................................................. 115
Figura 67 – Curva de erros devido a não-linearidade do sistema de medição de
deslocamento de fibra óptica ............................................................................. 116
Figura 68 - Curva de erros devido a não-linearidade do sistema de medição de
deslocamento de correntes de eddy .................................................................. 116
Figura 69 – Detecção do instante de impacto da válvula ................................... 119
Figura 70 – Vista aproximada da detecção do instante de impacto da válvula ... 119
Figura 71 - Gráfico de controle da velocidade de impacto da válvula ................. 121
Figura 72 – Software de detecção de quebra de válvula .................................... 123
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Comparação entre os sistemas de medição de deslocamento
considerados........................................................................................................ 66
Tabela 2 - Cálculo da repetitividade dos sistemas de medição de deslocamento
correntes de eddy e fibra óptica ......................................................................... 117
Tabela 3 - Resultados do controle da velocidade de impacto............................. 120
SUMÁRIO
RESUMO ............................................................................................................... 4
ABSTRACT ........................................................................................................... 5
LISTA DE ILUSTRAÇÕES .................................................................................... 6
LISTA DE TABELAS ........................................................................................... 10
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................. 14
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO .................................................................................. 14
1.2 OBJETIVO DA DISSERTAÇÃO ..................................................................... 16
1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ................................................................. 17
2 VÁLVULAS EM COMPRESSORES DE REFRIGERAÇÃO .............................. 19
2.1 COMPRESSORES HERMÉTICOS E SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO ....... 19
2.2 FUNCIONAMENTO DAS VÁLVULAS EM COMPRESSORES DE
REFRIGERAÇÃO ................................................................................................ 21
2.3 INFLUÊNCIA DAS VÁLVULAS NO COMPORTAMENTO DE COMPRESSORES
DE REFRIGERAÇÃO .......................................................................................... 25
2.4 FRATURA E FADIGA DE VÁLVULAS EM COMPRESSORES DE
REFRIGERAÇÃO ................................................................................................ 30
2.4.1 Fadiga por flexão ........................................................................................ 31
2.4.2 Fadiga por impacto ..................................................................................... 33
2.4.3 Efeito da quebra de válvula em compressores ............................................ 37
2.5 PROJETO DE VÁLVULAS DE COMPRESSORES PARA A GARANTIA DA
CONFIABILIDADE ............................................................................................... 39
2.5.1 Resistência à tração .................................................................................... 40
2.5.2 Capacidade de amortecimento .................................................................... 41
2.5.3 Espessura ................................................................................................... 43
2.5.4 Frequência natural ...................................................................................... 44
2.5.5 Acabamento superficial e imperfeições internas.......................................... 45
2.5.6 Tensões residuais ....................................................................................... 46
2.5.7 Comparação entre válvulas de aço carbono e aço inoxidável ..................... 47
3 REVISÃO DO ESTADO DA ARTE NA IDENTIFICAÇÃO EXPERIMENTAL DE
QUEBRA DE VÁLVULAS ................................................................................... 49
3. 1 DETERMINAÇÃO DA GRANDEZA A SER UTILIZADA COMO INDICATIVO DA
INTENSIDADE DE IMPACTO .............................................................................. 49
3.2 BANCADAS EXPERIMENTAIS DE ENSAIO DE VÁLVULAS ........................ 53
4 PROPOSTA DE ABORDAGEM PARA DESENVOLVIMENTO DE UMA
BANCADA DE ENSAIO DE VÁLVULAS ............................................................ 56
4.1 OBTENÇÃO DA VELOCIDADE DE IMPACTO .............................................. 56
4.2 DEFINIÇÃO DE REQUISITOS DA BANCADA DE ENSAIO DE VÁLVULAS.. 57
4.2.1 Dados a serem gerados .............................................................................. 57
4.2.2 Detecção do instante de impacto ................................................................ 57
4.2.3 Controle da velocidade de impacto ............................................................. 58
4.2.4 Detecção de quebra de válvula ................................................................... 58
4.2.5 Contagem do número de ciclos ................................................................... 59
4.2.6 Requisitos metrológicos e operacionais ...................................................... 59
4.3 MEDIÇÃO DE DESLOCAMENTO .................................................................. 60
4.3.1 Requisitos do sistema de medição de deloscamento .................................. 60
4.3.2 Sistemas de medição de deslocamento considerados ................................ 61
4.3.2.1 Sistema de correntes de eddy ...................................................................... 62
4.3.2.2 Sistema capacitivo ....................................................................................... 63
4.3.2.3 Vibrômetro laser doppler .............................................................................. 63
4.3.2.4 Sistema de fibra óptica ................................................................................. 64
4.3.2.5 Laser interferométrico .................................................................................. 65
4.3.2.6 Tabela comparativa ..................................................................................... 66
5 DESENVOLVIMENTO DA BANCADA EXPERIMENTAL DE ENSAIO DE
VÁLVULAS.......................................................................................................... 68
5.1 DESENVOLVIMENTO DA ESTRUTURA FÍSICA ........................................... 68
5.1.1 Funcionamento da bancada experimental ................................................... 68
5.1.2 Componentes utilizados .............................................................................. 70
5.1.3 Projeto mecânico ........................................................................................ 74
5.1.5 Circuito para contagem do número de ciclos e geração de trigger para a
câmera ................................................................................................................. 90
5.1.4 Circuito pneumático..................................................................................... 92
5.1.6 Placas de aquisição de dados ..................................................................... 93
5.2 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE ........................................................ 95
5.2.1 Visão geral do software desenvolvido ......................................................... 95
5.2.2 Detecção do instante de impacto ................................................................ 97
5.2.3 Controle da velocidade de impacto ............................................................. 99
5.2.4 Contagem do número de ciclos ................................................................. 100
5.2.5 Detecção de quebra da válvula ................................................................. 100
6 DESENVOLVIMENTO DE UMA BANCADA PARA CALIBRAÇÃO DE
TRANSDUTORES DE DESLOCAMENTO ........................................................ 103
6.1 DESENVOLVIMENTO DA ESTRUTURA FÍSICA ......................................... 103
6.1.1 Funcionamento da bancada ...................................................................... 103
6.1.2 Componentes utilizados ............................................................................ 105
6.1.3 Projeto mecânico ...................................................................................... 106
6.1.4 Acionamento do motor de passo ............................................................... 107
6.2 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE ...................................................... 108
7 RESULTADOS OBTIDOS .............................................................................. 110
7.1 FUNCIONAMENTO DA BANCADA DE ENSAIO ......................................... 110
7.2 LEVANTAMENTO DAS INCERTEZAS DOS SISTEMAS DE MEDIÇÃO DE
DESLOCAMENTO ............................................................................................. 114
7.3 DETECÇÃO DO INSTANTE DE IMPACTO ................................................. 118
7.4 CONTROLE DA VELOCIDADE DE IMPACTO ............................................ 120
7.5 CONTAGEM DO NÚMERO DE CICLOS ..................................................... 121
7.6 DETECÇÃO DE QUEBRA DE VÁLVULA..................................................... 122
7.7 DADOS GERADOS PELA BANCADA DE ENSAIO ..................................... 124
8 CONCLUSÕES E PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS ................ 126
8.1 CONCLUSÕES ACERCA DOS RESULTADOS OBTIDOS .......................... 126
8.2 PERSPECTIVAS DE UTILIZAÇÃO PARA PROJETOS DE VÁLVULAS ...... 129
8.3 OPORTUNIDADES FUTURAS .................................................................... 131
REFERÊNCIAS ................................................................................................. 132
APÊNDICE I....................................................................................................... 139
APÊNDICE II...................................................................................................... 146
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
1.1 – CONTEXTUALIZAÇÃO
Os compressores de refrigeração desenvolvidos atualmente devem atender
requisitos muito rigorosos de desempenho, confiabilidade e ruído. Entre os diversos
componentes dos compressores, as válvulas de sucção e descarga destacam-se por
exercerem grande influência no comportamento do compressor.
As válvulas, apesar de apresentarem funcionamento simples, abrindo e
fechando devido às diferenças de pressões do gás refrigerante em sua superfície,
são componentes críticos para a eficiência termodinâmica dos compressores de
refrigeração. Suas propriedades mecânicas, tais como rigidez, frequência natural,
espessura e resistência à tração, determinam seu comportamento dinâmico. Assim,
pequenas variações no projeto das válvulas podem resultar em diferenças
significativas no desempenho do compressor e, consequentemente, na eficiência do
sistema de refrigeração. O projetista deve, portanto, procurar desenvolver válvulas
que apresentem a maior eficiência possível, gerando o máximo de potência útil a
cada ciclo de compressão.
A busca pelo máximo desempenho por meio das válvulas pode, porém,
comprometer a confiabilidade do compressor. Válvulas são reconhecidas por serem
os componentes que sofrem as maiores cargas mecânicas em um compressor e
respondem por um número considerável de falhas. Devido às suas características,
as válvulas de sucção são muito mais susceptíveis a serem danificadas do que as
válvulas de descarga, cujo deslocamento é menor.
A quebra de válvula – de sucção ou descarga – tem consequências graves
para o funcionamento dos compressores, causando inicialmente a diminuição no
desempenho. À medida que mais ciclos são realizados, a falha existente na válvula
tende a se propagar com facilidade, o que frequentemente exigirá a substituição do
compressor danificado.
15
Os principais modos de falha de válvulas possíveis são a fadiga de flexão e
de impacto, sendo o último considerado o mais crítico. Isso é explicado pela maior
dificuldade de se prever e evitar falhas causadas pelo impacto repetitivo da válvula
contra o seu assento, além das grandes dificuldades experimentais enfrentadas para
a determinação da intensidade de impacto resultante para cada novo projeto de
válvula em compressores instrumentados.
As medições de intensidade de impacto realizadas em compressores
instrumentados frequentemente não permitem a obtenção de resultados conclusivos,
pois as intensidades verificadas são normalmente baixas. Dessa maneira, os
procedimentos experimentais utilizados não geram dados que possibilitem explicar o
fenômeno causador das quebras que ocorrem em compressores aplicados a
sistemas de refrigeração. Além disso, a alta complexidade do fenômeno do impacto,
cujas principais características são a curta duração e a imprevisibilidade das cargas
aplicadas à válvula a cada ciclo, é apontada como responsável pela inexistência de
métodos computacionais que gerem resultados confiáveis relativos às propriedades
de fadiga de impacto das válvulas.
As válvulas de sucção e descarga também exercem grande influência no
ruído, e são consideradas dentre as maiores contribuintes do ruído total gerado pelo
compressor. As vibrações ocasionadas pelo impacto da válvula contra seu assento
ou batente é transmitida em sua maioria via estrutura sólida para o exterior da
carcaça do compressor.
As três principais características do compressor que sofrem influência da
válvula – desempenho, confiabilidade e ruído – devem ser necessariamente
aprimoradas levando-se em consideração o efeito que a melhoria de uma das
características causa nas demais. Melhorias no desempenho do compressor são
frequentemente obtidas por meio de novos projetos de válvulas. As alterações de
projeto que resultam em melhorias no desempenho, porém, podem ser facilmente
responsáveis por prejudicar a resistência estrutural da válvula, impactando
negativamente na confiabilidade do compressor.
Devidos aos motivos discutidos, apesar do funcionamento simples e do baixo
custo de produção, as válvulas merecem especial atenção na fase de projeto e
desenvolvimento de um compressor. O projetista deve conciliar as diversas
propriedades mecânicas das válvulas, de forma que seu projeto tenha influência
positiva sobre os vários parâmetros do compressor dependentes das características
16
das válvulas. Um projeto de válvulas adequado garante a alta confiabilidade do
compressor, assim como bom desempenho e baixo nível de ruído.
Um levantamento feito junto à empresa líder no mercado mundial de
compressores de refrigeração verificou que é realizada grande quantidade de
ensaios que comprovam a adequabilidade das novas válvulas projetadas em termos
de eficiência, ruído e resistência à fadiga de flexão, gerando resultados que
apresentam grande confiabilidade metrológica. A confirmação da confiabilidade da
válvula, porém, não é satisfatoriamente realizada para as propriedades de
resistência à fadiga de impacto, apesar de esse modo de falha ser considerado um
fator crítico para o tempo de vida do compressor.
1.2 – OBJETIVO DA DISSERTAÇÃO
O presente trabalho busca suprir a carência descrita no item 1.1, gerando
uma ferramenta que permita a determinação da resistência à fadiga das válvulas de
sucção de compressores de refrigeração. Objetiva-se o desenvolvimento de uma
bancada experimental que realize ensaios de fadiga de impacto, possibilitando a
determinação, de forma prática, rápida e confiável, das propriedades de resistência
à fadiga de impacto das válvulas testadas.
O conceito básico de funcionamento da bancada experimental consiste no
controle da intensidade do impacto a ser suportado pela válvula durante o ensaio,
em valores acima do seu limite de fadiga, ocasionando propositalmente sua quebra.
A relação obtida entre a intensidade de impacto e o número de ciclos suportados
pela válvula até a ocorrência da falha determina a sua resistência à fadiga de
impacto. O escopo do estudo realizado inclui:
estudo relativos ao funcionamento e propriedades das válvulas de
compressores de refrigeração;
revisão bibliográfica de trabalhos desenvolvidos no passado;
determinação do modo de operação da bancada experimental;
17
determinação da grandeza a ser utilizada como indicativo da
intensidade de impacto;
seleção e aquisição dos sistemas de medição a serem utilizados na
bancada;
projeto mecânico completo de uma bancada experimental;
desenvolvimento de software para aquisição e controle de dados
relativos à bancada experimental;
análise das incertezas dos principais sistemas de medição utilizados.
O sistema desenvolvido deve gerar uma ferramenta de grande utilidade no
apoio à pesquisa e desenvolvimento de novos projetos de válvulas e alterações dos
modelos já utilizados em compressores de refrigeração. Pretende-se, com esse
trabalho, que os dados gerados durante os ensaios sejam utilizados na análise de
conformidade de resistência das válvulas testadas, por meio do estabelecimento de
valores limites de intensidade de impacto. Esses valores são empregados como
referência para novos projetos. Outro emprego do sistema desenvolvido é para a
comparação entre diferentes modelos de válvulas de sucção.
O presente trabalho representa uma inovação tecnológica, já que não existe
no mercado sistemas que possibilitem a realização de ensaios de fadiga de impacto
de válvulas de sucção utilizadas em compressores de refrigeração.
1.3 – ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
O presente documento está dividido em oito capítulos. No capítulo dois é
apresentada uma revisão bibliográfica do funcionamento das válvulas em
compressores de refrigeração, focando nas suas propriedades de resistência à
fadiga. O capítulo três apresenta uma discussão sobre a grandeza a ser utilizada
como indicativo da intensidade de impacto das válvulas, além de uma revisão
bibliográfica de trabalhos de ensaio de fadiga de impacto de válvulas realizados
anteriormente. No capítulo quatro são apresentados os requisitos a serem atendidos
pelo sistema desenvolvido, e um estudo sobre os possíveis métodos de medição de
18
deslocamento sem contato. O capítulo cinco discute o desenvolvimento da estrutura
física da bancada de ensaio de válvulas e do software de controle e aquisição de
dados. O capítulo seis apresenta detalhes relativos ao desenvolvimento da bancada
de calibração dos sistemas de medição de deslocamento, enquanto o capítulo sete
apresenta os resultados obtidos no presente trabalho. O capítulo oito apresenta as
conclusões observadas e propostas para trabalhos futuros.
19
CAPÍTULO 2 – VÁLVULAS EM
COMPRESSORES DE REFRIGERAÇÃO
2.1 – COMPRESSORES HERMÉTICOS E O CIRCUITO DE
REFRIGERAÇÃO
O compressor é responsável pela circulação do fluido no sistema de
refrigeração e é considerado o seu principal componente. Os compressores podem
ser classificados conforme seu aspecto construtivo; por exemplo: recíprocos
alternativos ou rotativos, podendo ainda os compressores alternativos serem
classificados em abertos, semi-herméticos e herméticos
[1][2]
.
No mercado de compressores, os alternativos herméticos são os mais
empregados atualmente
[3]
e utilizam um motor e uma unidade compressora interna à
carcaça de aço, que é soldada hermeticamente após a montagem dos
componentes
[1]
. Os motores utilizados nesses compressores são motores de
indução assíncronos monofásicos
[4]
. As conexões externas tipicamente utilizadas
são os terminais de descarga, sucção (para a saída e entrada do fluido refrigerante)
e processo, e os terminais elétricos para a alimentação do motor. Na figura 1 são
mostrados o compressor alternativo hermético e seus principais componentes.
20
Figura 1: Compressor alternativo hermético e seus principais componentes
[5]
Os sistemas de refrigeração têm a função de resfriar determinado ambiente
de forma controlada
[6]
. A diminuição da temperatura é obtida por meio do ciclo
termodinâmico, que faz com que o calor seja extraído do ambiente a ser refrigerado
e enviado para o ambiente externo.
No circuito de refrigeração existem basicamente quatro componentes:
compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador
[4][7]
. Nele circula
um fluido refrigerante, que em sua forma líquida é conduzido através do dispositivo
de expansão, sendo ali submetido a uma brusca queda de pressão. Em seguida o
fluido circula pelo evaporador, o que causa a absorção do calor do ar ambiente a ser
refrigerado e o fluido vaporiza-se. Deixando o evaporador na forma de vapor, o fluido
é succionado pelo compressor. A passagem pelo compressor resulta no aumento da
pressão do fluido e, conseqüentemente, da sua temperatura. Em seguida o fluido é
conduzido para o condensador, que transfere calor ao ambiente externo,
acarretando na transformação do fluido para sua forma líquida, completando o
ciclo
[8]
. O funcionamento do circuito de refrigeração pode ser visualizado na figura 2.
21
Figura 2: Funcionamento do circuito de refrigeração
2.2 - FUNCIONAMENTO DAS VÁLVULAS EM COMPRESSORES
DE REFRIGERAÇÃO
Válvulas de sucção e descarga estão entre os componentes mais críticos
para o funcionamento do compressor de refrigeração, influenciando fortemente a
eficiência do sistema e tendo grande importância em sua confiabilidade
[9][10][11][12]
. A
influência da válvula nessas importantes características do compressor ocorre
devido ao escoamento crítico do gás refrigerante e da carga mecânica elevada
sofrida durante o ciclo de compressão. As válvulas utilizadas nos compressores de
refrigeração são do tipo automáticas, que abrem e fecham com a diferença de
pressão entre o cilindro e a câmara de sucção e descarga
[13]
.
A figura 3 explica o funcionamento das válvulas. Com o recuo do pistão em
relação ao topo do cilindro (figura 3.b), a pressão no cilindro (Pc) torna-se inferior à
pressão da câmara de sucção (Ps). Isso faz com que a válvula de sucção abra,
permitindo a passagem de gás refrigerante para o interior do cilindro. O pistão
continua a recuar até que a pressão do cilindro seja equivalente à pressão da
22
câmara de sucção, fazendo com que a válvula de sucção seja fechada devido à sua
força elástica. O processo se repete de maneira similar para a válvula de descarga,
completando o ciclo de compressão. As válvulas de descarga da grande maioria
dos compressores se localizam no topo do cilindro, mesmo local onde a maioria das
válvulas de sucção está localizada em compressores de pequeno e médio portes
[13]
.
Quando ambas as válvulas são localizadas no topo do cilindro, o cabeçote deve
possuir divisões para permitir a separação dos vapores de sucção e descarga, o que
é mostrado na figura 3.
Figura 3: Funcionamento das válvulas automáticas de compressores
A válvula de sucção ideal permite a passagem do gás refrigerante
imediatamente após a pressão na câmara de sucção se tornar superior à do cilindro.
A abertura da válvula de descarga ideal é realizada imediatamente após a pressão
no interior do cilindro se tornar superior à pressão da câmara de descarga. Isto faz
com que uma maior massa de gás refrigerante entre no cilindro e seja comprimida a
cada ciclo do compressor.
Na condição ideal, não existem perdas termodinâmicas devido ao
funcionamento das válvulas. O gráfico da figura 4 apresenta o diagrama pressão-
ângulo de manivela para a situação ideal. O excêntrico é um mecanismo que
converte o movimento rotacional do motor do compressor no movimento linear do
pistão. As pressões de sucção e descarga são representadas por Ps e Pd,
respectivamente. A figura 5 mostra o diagrama pressão-volume relativo à condição
ideal.
23
Figura 4: Diagrama pressão-ângulo de manivela ideal
Figura 5: Diagrama pressão-volume ideal
Na situação real, são observadas perdas nas válvulas de sucção e descarga.
As válvulas apresentam uma força elástica e de colamento que se opõe ao
movimento de abertura da válvula, sendo necessário um valor mínimo de diferença
de pressões entre a câmara de sucção/descarga e o cilindro para que a válvula se
abra, permitindo a passagem de gás refrigerante. Isto resulta em perdas
termodinâmicas devido às válvulas, já que a energia utilizada para a sua abertura
não é totalmente convertida em potência de refrigeração útil.
O diagrama pressão-volume da figura 6 mostra uma medição real do ciclo de
compressão de um compressor instrumentado. As áreas em amarelo representam
as perdas termodinâmicas devido a não idealidade das válvulas de sucção e
descarga e as perdas pela não idealidade de escoamento do fluxo de gás nos
orifícios. A área em azul corresponde à potência útil produzida, e a soma das áreas
24
amarelas e azul equivale a potência termodinâmica consumida pelo compressor a
cada ciclo. A figura 7 mostra uma aproximação do diagrama para facilitar a
visualização das perdas dinâmicas devido à válvula de descarga.
Figura 6: Diagrama pressão-volume real
Figura 7: Aproximação do diagrama pressão-volume na região de descarga
Os projetos de válvulas automáticas utilizados em compressores de
refrigeração podem ser categorizados em três tipos básicos
[13]
:
Válvulas tipo “Poppet”, que foram um dos primeiros tipos utilizados em
compressores de refrigeração, sendo uma válvula de utilização limitada
para poucas aplicações de baixa velocidade;
Válvulas tipo placa de anel, que consistem em um assento, uma ou
mais placas anelares, várias molas e um retentor;
Válvulas tipo palheta, que são fabricadas com chapas de aço de baixa
espessura onde uma das extremidades é engastada e a extremidade
livre se desloca em relação ao seu assento, permitindo a passagem de
25
gás refrigerante quando aberta e vedando quando fechada. A figura 8
mostra o funcionamento desse tipo de válvula, nas situações onde a
válvula permite a passagem do gás refrigerante e onde a válvula evita
o vazamento do gás. Esse tipo de válvula é utilizado na grande maioria
dos compressores de refrigeração herméticos e é o foco de estudo
dessa dissertação. Algumas variações de válvulas tipo palheta podem
ser visualizadas na figura 9.
Figura 8: Funcionamento das válvulas tipo palheta
Figura 9: Algumas variações de válvulas tipo palheta
[13]
2.3 - INFLUÊNCIA DAS VÁLVULAS NO COMPORTAMENTO DE
COMPRESSORES DE REFRIGERAÇÃO
As válvulas de sucção e descarga têm grande influência no desempenho, na
confiabilidade e no ruído do compressor
[9][10]
.
O projeto das válvulas é uma das considerações mais importantes no projeto
de um compressor por apresentar um grande impacto nas eficiências volumétricas e
de compressão. Um projeto mal-sucedido das válvulas pode acarretar com que
26
pouca potência útil seja gerada em um ciclo de compressão, influenciando
negativamente na capacidade de refrigeração e o COP. O COP (coeficient of
performance) é uma medida adimensional, obtida pela razão entre a capacidade de
refrigeração (W) pela potência elétrica consumida (W).
A equação 1 mostra as componentes da potência total consumida pelo
compressor. As perdas termodinâmicas representam um importante componente
para a eficiência atingida pelo compressor, sendo verificadas também perdas
elétricas e mecânicas.
Potência
total
= Potência
útil
+ Perdas
elétricas
+ Perdas
mecânicas
+ Perdas
termodinâmicas
(1)
A eficiência termodinâmica do compressor é influenciada pelas propriedades
mecânicas e estáticas da válvula, que determinam seu movimento sob certas forças
dinâmicas de fluidos, conseqüentemente o escoamento de gás na fase de abertura e
o preenchimento de gás refrigerante no cilindro
[10]
.
O projeto da válvula exerce grande influência na confiabilidade do sistema.
Nenhuma parte dentro da carcaça hermética de um compressor é acessível, assim
qualquer falha de maior gravidade resulta na substituição de todo o compressor. As
válvulas são fortemente tensionadas e sujeitas à fadiga, e devem ser projetadas
para durar por toda a vida estimada do compressor
[10]
.
As válvulas também têm grande influência no ruído gerado. As vibrações
vindas da interação da válvula com seu assento, batente, com a camada de óleo e
gás refrigerante são transmitidas via estrutura sólida ou gasosa para o exterior da
carcaça do compressor
[10]
. O fluxo pulsante de gás refrigerante, devido à
intermitência de seu escoamento, é outro fator que determina fortemente a
quantidade de ruído gerada pelo compressor, sendo influenciado diretamente pelas
válvulas
[9]
.
O batente é um componente que limita o deslocamento da válvula, impedindo
que a abertura da válvula seja maior do que a necessária. Quando existente, o
impacto da válvula no batente é mostrado como uma fonte dominante de ruído em
um compressor
[14]
. O impacto da válvula no batente faz com que esse vibre em sua
frequência natural fundamental, sendo a vibração transferida para a carcaça onde o
ruído é irradiado para o ambiente
[14]
.
As características de escoamento e perdas por fricção geradas pelo vapor do
gás refrigerante enquanto esse escoa pelas válvulas e pelos canais existentes no
27
compressor são principalmente funções de sua velocidade. À medida que a
velocidade do vapor passando pelas válvulas aumenta, as eficiências volumétricas e
de compressão diminuem. Dessa maneira, os orifícios das válvulas são projetados
para serem os maiores possíveis dentro de uma área igual ao do diâmetro do
cilindro. Os orifícios de passagem das válvulas também são projetados para serem
curtos e retos para reduzir as perdas por fricção que ocorrem quando os fluidos
mudam de direção abruptamente. Outra característica buscada no projeto de uma
válvula é que o volume morto existente quando o pistão se encontra no ponto morto
superior seja minimizado.
A maioria das válvulas é produzida por estampagem
[15]
e, para vedar
apropriadamente, as válvulas devem atender a padrões de acabamento superficial e
planeza muito rigorosos
[11]
. O vazamento nas válvulas de sucção e descarga tem
como conseqüência a diminuição na eficiência do compressor e deve ser evitado.
O vazamento na válvula de sucção pode ser separado nas seguintes etapas:
durante o evento de expansão, o gás vazando do cilindro para a
câmara de sucção não influencia a capacidade do compressor, já que
todo o gás que retorna será retomado imediatamente após,
complementando o gás normalmente recebido da câmara de
sucção
[16]
;
durante a etapa de admissão de gás, a válvula de sucção está aberta e
por definição não pode estar vazando
[16]
;
durante a compressão e a descarga, todo gás que vaze para a câmara
de sucção reduz a massa de gás no cilindro e, dessa maneira, a
capacidade do compressor
[16]
.
O vazamento pela válvula de descarga pode ser separado nas seguintes
etapas:
qualquer partícula de gás que vaze através da válvula de descarga
durante a expansão e admissão fará falta na câmara de descarga, e
será excedente no cilindro, já que ocupa o lugar de outra partícula de
gás que de outra maneira teria vindo da câmara de sucção.
Conseqüentemente, vazamento através da válvula de descarga
durante a expansão e admissão reduz a capacidade do compressor
[16]
;
28
durante a compressão, qualquer partícula de gás vazando da válvula
de descarga será imediatamente recomprimida e descarregada
rapidamente após, e, apesar de causar o aumento no consumo de
energia, não reduz a capacidade do compressor
[16]
,.
De maneira geral, durante a primeira metade da revolução do excêntrico (fase
de expansão e admissão), é o vazamento através da válvula de descarga que reduz
a eficiência do ciclo de compressão. Durante a segunda metade da revolução do
excêntrico (fase de compressão), o vazamento através da válvula de sucção é o
responsável pela redução da capacidade de refrigeração do compressor
[16]
.
A dinâmica da válvula é um fator importantíssimo para se projetar um
compressor com grande eficiência. As válvulas são fabricadas com materiais de
baixa massa e projetadas para ter uma pequena abertura máxima, para que possam
abrir rapidamente para sua posição de escoamento máximo. O fechamento rápido
evita o refluxo de gás refrigerante, e é outra característica buscada no projeto de
válvulas. Para facilitar o rápido fechamento das válvulas, a maioria das válvulas de
descarga e algumas válvulas de sucção são carregadas por mola. A velocidade de
movimento atingida pela válvula é dependente da sua rigidez e da sua massa e sua
frequência natural é uma característica de grande importância na dinâmica
resultante, influenciando em sua abertura máxima, tempo de abertura, vibração e
resistência à fadiga
[17]
.
Em um projeto de um conjunto de válvulas, várias características são
buscadas para o desenvolvimento de um compressor com alta eficiência, alta
confiabilidade e baixo nível de ruído. Entre as características, podem ser
destacadas:
resposta rápida (para abertura e fechamento);
vazão elevada de gás refrigerante;
baixas perdas por fricção viscosa do gás refrigerante;
pulsação reduzida;
alta restrição ao refluxo;
redução do volume morto no cilindro provocado pelas válvulas;
redução na transferência de calor;
alta resistência à fadiga.
29
No desenvolvimento ou aprimoramento de um conjunto de válvulas, o
projetista conta com um grande número de ferramentas experimentais e métodos de
simulação computacional que podem ser utilizados para verificar algumas das
características buscadas no projeto de válvula. Entre as características analisadas
em projetos de válvulas, pode-se citar:
área efetiva de escoamento em função do deslocamento da válvula;
área efetiva de força em função do deslocamento da válvula;
vazão de massa de gás refrigerante;
distribuição de pressão na válvula;
movimento da válvula sob diferentes condições de pressão;
velocidade de impacto da válvula sob diferentes condições de pressão;
análise de tensões na válvula sob diferentes condições de pressão.
Para obter as características desejadas para o comportamento da válvula
várias propriedades mecânicas são consideradas, entre elas: constante elástica,
dureza, resistência à tração, planeza, acabamento superficial, tolerâncias
dimensionais, resistência à corrosão, tensões residuais, resistência à fratura,
resistência à abrasão, dureza do assento, capacidade de amortecimento, índice de
austenita retida, composição química e grau de relaxamento da tensão residual.
Fadiga é um dos principais limitantes para o projetista no desenvolvimento de
um conjunto de válvulas que gere melhorias na eficiência do compressor
[18]
. Para se
obter uma válvula com resposta mais rápida, é possível projetar uma válvula com
menor massa e menor frequência natural, porém essas medidas tendem a resultar
em uma válvula com menor resistência à fadiga
[19]
. De maneira similar, melhorias na
eficiência do compressor podem ser realizadas aumentando-se a abertura da válvula
ou utilizando-se válvulas mais finas, diminuindo assim as perdas mecânicas. Essas
medidas aumentam as tensões de flexão e de impacto respectivamente
[20]
.
O objetivo dessa dissertação é o desenvolvimento de uma ferramenta para
analisar a resistência à fadiga devido ao impacto da válvula contra o seu assento,
que representa o principal limitante no desenvolvimento de válvulas mais eficientes.
Um meio de quantificar a importância das válvulas no funcionamento do compressor
é a contagem do número de artigos referentes às válvulas em relação ao número
total de artigos, publicados na Conferência Internacional da Purdue. Entre os anos
30
de 1972 e 2008, 1864 artigos foram publicados, dentre os quais 253 tratavam de
assuntos relacionados às válvulas, representando 13,6% do total.
No apêndice I, é apresentada uma revisão de conceitos em fratura e fadiga de
materiais, que será tratado no item 2.4 especificamente para válvulas de
compressores.
2.4 - FRATURA E FADIGA DE VÁLVULAS DE COMPRESSORES
DE REFRIGERAÇÃO
A confiabilidade pode ser apontada como a maior prioridade na fabricação
compressores de refrigeração
[12]
. Entre todos os componentes existentes no
compressor, as válvulas de sucção e descarga são os que sofrem a maior carga
mecânica
[12][18][20][21]
e são portanto componentes críticos na confiabilidade do
compressor
[11][22]
. Devido às altas tensões aplicadas durante seu funcionamento, as
válvulas são os componentes com o maior número de falhas em compressores
[17][23]
e exigem atenção especial em seu desenvolvimento e fabricação para não
comprometer o tempo de vida de compressores de refrigeração
[11][12]
. De acordo
com estudos industriais, as falhas de válvulas representam um número superior a
40% das interrupções não programadas para compressores de grande porte
[17]
. É
possível dizer portanto que a durabilidade do compressor é determinada
principalmente pela resistência à fadiga do sistema de válvula e das tensões
aplicadas em seu funcionamento
[18]
.
Segundo Cohen
[9]
, o compressor em um sistema de refrigeração pode ser
comparado ao coração humano, e a similaridade é ainda maior quando as válvulas
são consideradas em ambos os sistemas. Assim como as válvulas do coração, a
falha na válvula do compressor pode causar a perda da vida, obrigando sua
substituição
[9]
.
Os principais modos de falha de válvulas de compressores são a fadiga por
flexão e a fadiga por impacto
[24][25][26][27][28]
.
Outra causa possível de fadiga de
válvulas, porém de ocorrência muito baixa, é a quebra devido à deformação estática.
31
A figura 10 mostra como ocorrem graficamente as tensões de flexão, impacto e
deformação estática sofridas pela válvula em seu movimento, sendo suportadas pela
válvula repetidamente. O termo fadiga se refere à iniciação e propagação de trincas
num material que é submetido a carregamento repetitivo
[29][30]
.
Figura 10: Principais tensões sofridas pela válvula a cada ciclo.
2.4.1 - Fadiga por flexão
A fadiga por flexão é gerada por tensões de flexão alternadas que ocorrem
durante o movimento de abertura e fechamento da válvula
[20][24][27]
e representa um
caso de fadiga convencional
[24]
. A existência dessas tensões alternadas pode levar à
redução de tensões compressivas residuais por relaxamento e, conseqüentemente,
a resistência à fadiga de flexão
[20]
.
A fadiga por flexão ocorre no local onde a tensão de flexão é mais intensa, o
que depende do projeto da válvula. A figura 11 exemplifica locais onde
provavelmente ocorrerão as maiores tensões de flexão devido ao movimento cíclico
da válvula mostrada. Além de suportar o maior nível de tensão de flexão, espera-se
uma maior probabilidade de falha nos locais demarcados por esses possuírem
menor largura do que o restante da estrutura da válvula, tendo portanto maior
32
fragilidade. Microscopicamente, as trincas provenientes da fadiga por flexão se
originam principalmente em defeitos superficiais como inclusões e pontos de
descontinuidades, tais como arranhões e entalhes, que atuam como concentradores
de tensão
[20][63]
. Na ocorrência de uma trinca na válvula como a mostrada na figura
11, ocorrerá a propagação e eventualmente uma das “pernas” da válvula sofrerá
fratura, inutilizando o compressor.
Figura 11: Locais de concentração de deformação devido à flexão
O modo de falha devido à fadiga por flexão é menos crítico que o de fadiga
por impacto e medidas para a prevenção desse tipo de falha são relativamente bem
compreendidos
[24]
. A quebra de válvula devido a flexão trata-se de um problema
gerenciável
[25][31]
durante o projeto de válvulas pelos seguintes motivos:
facilidade para realizar ensaios em máquinas de teste de fadiga
disponíveis comercialmente
[25][31]
;
disponibilidade de aços com alto limite de fadiga por flexão no mercado
[31]
;
falhas provenientes da fadiga por flexão podem ser evitadas na fase de
projeto da válvula, de modo que a tensão por flexão seja minimizada
[25][31]
.
Os métodos de análise computacional por elementos finitos permitem a
verificação das tensões a serem sofridas pelas válvulas durante o seu movimento,
gerando resultados muito confiáveis
[25][32]
. Em comparação com resultados
experimentais, os métodos computacionais geram erros inferiores a 5%, servindo
portanto como uma importante ferramenta na fase de projeto de novos conjuntos de
válvulas. Uma forma usual de medir a tensão de flexão sofrida pela válvula é
instalando-se extensômetros de dimensões reduzidas próximo ao local onde é
aplicado o maior nível de tensão a cada ciclo, sendo possível estimar as tensões
existentes em outros pontos da válvula a partir da medição em um único ponto.
33
2.4.2 - Fadiga por impacto
A fadiga por impacto é causada por repetidos impactos da válvula contra seu
assento
[24][25][26][27][31]
e caracterizada pela fratura de pequenos pedaços da sua
extremidade
[24][25][26][31][33][34]
, localizados próximos ao assento
[34]
. Esse tipo de fadiga
também pode ser causada por impactos da válvula contra seu o batente, quando
existente
[18][25][26]
. Quando a válvula sofre impacto, são induzidas tensões
compressivas na superfície de contato com o seu assento ou batente, que se
propagam pelo material da válvula como ondas de deformação elástica. Ao atingir a
superfície da válvula do lado oposto ao impacto, essas ondas se transformam em
tensões de tração. As interferências e superposições das ondas de tensão de tração
de diferentes pontos da superfície criam os picos de tensão que governam o início e
o crescimento das trincas de fadiga de impacto
[18]
. Um exemplo de válvula
danificada devido à fadiga de impacto é mostrado na figura 12.
Figura 12: Exemplo de válvula danificada devido à fadiga de impacto
A fadiga por impacto é um problema crítico na confiabilidade de
compressores de refrigeração e é reconhecido como o principal modo de falha de
válvulas, dentre os possíveis
[34][35]
. Evitar esse modo de falha é considerado muito
mais difícil do que a fadiga de flexão pelos seguintes motivos:
o fenômeno tem natureza complexa e não é tão bem conhecido como
a fadiga devido à flexão
[25][31]
;
não existem máquinas para testes de fadiga por impacto disponíveis
comercialmente aplicáveis a válvulas
[31]
;
o trabalho experimental de determinação da resistência da válvula ao
impacto não pode ser satisfatoriamente realizado em compressores, já
34
que existem poucas maneiras de se controlar o nível de intensidade de
impacto, pela dificuldade de instrumentação e devido ao processo lento
de ensaio (limitado pela frequência de funcionamento do
compressor)
[31]
;
não existem métodos computacionais por elementos finitos que
consigam gerar resultados confiáveis
[9][30][32][33]
e que sejam
abrangentes o suficiente para esclarecer os mecanismos das
deformações e tensões sofridas pelas válvulas no impacto
[27][32]
, devido
à duração extremamente curta dos pulsos de tensão de impacto e sua
natureza aleatória e complexa
[27][32][33]
;
impossibilidade de medir experimentalmente as tensões existentes na
extremidade da válvula
[9][30][33][35][36]
, tornando necessária a adoção de
uma grandeza indireta como indicativo da intensidade da tensão
sofrida pela válvula a cada impacto.
Os primeiros métodos de análise por elementos finitos não conseguiam
explicar a ocorrência da quebra de válvulas devido ao impacto, pois seus resultados
indicavam deformações muito aquém do limite do material da válvula
[26][37]
, mesmo
considerando a superposição das ondas refletidas, o que dobraria o valor das
tensões calculadas
[37]
. Nesses métodos era previsto o impacto colinear da válvula
contra o seu assento, que supõe que todos os pontos da válvula atingem o assento
no mesmo instante
[26]
. Esses métodos não geravam resultados satisfatórios e tinham
pouquíssima aplicabilidade
[27][32]
.
Os métodos subseqüentes sugeriram que o impacto oblíquo poderia ocorrer,
com os diferentes pontos da extremidade da válvula encostando o assento
progressivamente, a partir de sua base engastada até a extremidade livre
[26]
.
O
impacto oblíquo ocorre devido a vibrações de flexão e torção de alta frequência da
estrutura da válvula
[24][31]
e é de fundamental importância para a criação da falha por
fadiga de impacto
[26][31][38]
. Enquanto a válvula encosta progressivamente na placa
válvula plana a partir da base engastada até a extremidade livre, ocorre um aumento
de rigidez no corpo da válvula, o que resulta no “efeito chicote”
[26]
. O “efeito chicote”
causa aceleração da extremidade livre da válvula, tornando a velocidade de impacto
de sua extremidade muito superior à velocidade original de aproximação
[26][39]
.
35
O trabalho desenvolvido por McLaren
[26]
mostra os resultados obtidos quando
o “efeito chicote” é considerado na modelagem do impacto da válvula. Nos gráficos
da figura 13 são mostrados, respectivamente, o deslocamento e a velocidade de um
ponto localizado na extremidade da válvula analisada. Nos gráficos pode-se
visualizar que ocorre um grande aumento na velocidade da válvula em relação à
velocidade de aproximação original. O contato da ponta da válvula ocorreu em uma
velocidade de impacto de 10.4 m/s, um valor 30% maior do que a velocidade de
aproximação original de 8 m/s. A ponta da válvula desacelerou de 15 m/s para 10.4
m/s imediatamente antes do impacto no assento porque a rigidez da extremidade
livre da válvula resiste à curvatura gerada pelo “efeito chicote”
[26]
.
Figura 13: Resultados da análise por elementos finitos considerando o “efeito chicote”
[26]
A existência do “efeito chicote” e sua importância para explicar as quebras
causadas por fadiga de impacto foi comprovada experimentalmente por
Svensson
[31]
. O procedimento experimental desenvolvido consistia em ocasionar o
impacto de espécimes contra o assento com inclinações com ângulo e direção
controladas. O estudo possibilitou concluir que as tensões máximas devido ao
impacto são criadas na parte da válvula que durante cada ciclo faz o último contato
com o assento, comprovando o aspecto crítico da obliqüidade do impacto. As
fraturas primárias ocorrem na região em que se concentram os maiores níveis de
deformação na válvula, podendo ser localizadas fora do anel de contato, onde
nenhuma carga mecânica devido ao contato direto com o assento pode ser
esperada
[30]
.
Em impactos completamente elásticos, a duração do impacto é determinada
apenas pelo tempo necessário para que a onda de compressão, produzida no início
36
do impacto, quando a válvula atinge o assento, viaje pelo corpo da válvula na
direção do impacto (perpendicularmente à base), atinja a sua superfície livre, e
retorne para o ponto de impacto, no tempo em que a válvula deixa a superfície
[37]
.
A
velocidade de propagação da onda de deformação é a velocidade compressiva do
som para o material do qual a válvula é fabricada
[25][37]
, e não é função da velocidade
de impacto
[25]
. A duração das tensões de impacto de válvulas é afetada apenas pelo
material e a espessura da válvula
[25]
, sendo definida de acordo com a
equação 2
[25][37]
:
=
2

(2)
Onde:
- T é a duração do impacto;
- h é a espessura da válvula;
- Vcs é a velocidade compressiva do som no material.
Considerando a velocidade compressiva de propagação do som em uma
válvula fabricada em aço inoxidável (SS716) 5064 m/s
[37]
e a espessura de 0,15 mm,
o tempo esperado da duração do impacto pode ser calculado e o valor de
aproximadamente 59 ns é obtido, comprovando que o impacto de uma válvula de
compressor de refrigeração tem curtíssima duração.
O estágio de iniciação da trinca representa a principal etapa na vida de fadiga
da válvula
[30][33]
. A trinca começa próxima a área de impacto ou em uma zona entre a
área de impacto e a borda da válvula, que não entra em contato com o anel do
assento, devido ao dano localizado por impacto oblíquo
[20]
. A trinca primária se torna
um concentrador de tensões macroscópico e tem maior influência que qualquer
concentrador de tensões que já existe na válvula
[30]
devido a imperfeições
superficiais. Após a trinca ter sido iniciada o crescimento sucessivo é muito rápido e
acarreta a fratura final de maneira repentina
[30][33]
. A duração do estágio posterior à
trinca primária é responsável por apenas uma pequena parte do fenômeno da fadiga
da válvula
[30]
.
A trinca se propaga na direção longitudinal primeiro, mas logo se torna
instável, ou novas trincas são iniciadas, devido ao efeito das ondas Rayleigh. As
ondas Rayleigh são um tipo de onda sonora superficial que se propaga em materiais
37
sólidos em sua superfície livre, se propagando paralelamente a mesma. A
superposição de ondas Rayleigh originadas em diferentes pontos pode ocasionar a
superposição das ondas de tensão e gerar deformações muito altas na superfície da
válvula. A crescimento da trinca ocasionado a cada impacto é muito grande
segundo observações fractográficas realizadas por Dusil e Johansson
[30]
, sendo
estimando entre (10 a 100) µm por ciclo.
Outro tipo de fadiga possível, mas que acontece com frequência praticamente
insignificante é a fadiga por deformação estática da válvula. As diferenças nas
pressões entre a câmara de sucção/descarga e o cilindro do compressor causam a
deflexão da superfície da válvula, que pode fraturar caso a deformação exceda o
limite do material.
2.4.3 - Efeito da quebra de válvulas em compressores de refrigeração
A fadiga das válvulas de sucção ou descarga é catastrófica para o
compressor hermético e frequentemente a falha exigirá que o compressor seja
inteiramente substituído. A quebra na válvula influi diretamente na capacidade de
refrigeração do compressor, e por se tratar de um sistema hermeticamente soldado
não é possível realizar a troca apenas do conjunto de válvulas. Uma pequena trinca
na extremidade da válvula fragiliza completamente sua estrutura, danificando o seu
acabamento superficial e ocasionando pontos de concentração de tensões. Após a
iniciação de uma trinca, independente de sua dimensão, sua propagação é muito
rápida devido à diminuição da resistência mecânica da válvula. Nessa situação a
válvula perderá pedaços de sua extremidade em um tempo relativamente curto de
funcionamento do compressor.
O trabalho experimental realizado por Jankov
[41]
permitiu verificar os efeitos da
quebra de válvula de sucção no diagrama pressão-volume e nas pressões
resultantes no cilindro. O procedimento adotado consistiu em obter o diagrama
pressão-volume e valores de pressão pelo tempo utilizando uma válvula sem falhas
e compará-los com os resultados obtidos quando utilizada uma válvula
propositalmente perfurada com um furo de diâmetro conhecido. Na figura 14 é
38
possível visualizar a diferença obtida entre o diagrama pressão-volume de uma
válvula sem falha, em negrito, e o de uma válvula de sucção com um furo circular de
0,135 mm de diâmetro.
A figura 15 compara os resultados obtidos para o sinal de pressão em função
do tempo. O perfil notavelmente mais estreito verificado para a válvula com falha é
esperado já que o gás escapa pelo furo durante a compressão, reduzindo a pressão
no cilindro
[41]
. Além disso, a rigidez da válvula é alterada, influenciando em seus
tempos de abertura e fechamento. Os resultados obtidos no experimento
demonstram que a falha na válvula de sucção é um problema crítico para a
eficiência termodinâmica do compressor, que deverá diminuir continuamente, já que
a falha, após iniciada, se propaga com muita rapidez.
Figura 14: Comparação entre o diagrama pressão-volume para uma válvula sem falha (em negrito) e
uma válvula perfurada
[41]
Figura 15: Comparação entre o diagrama de pressão pelo tempo para uma válvula sem falha (em
negrito) e uma válvula perfurada
[41]
O aspecto crítico da ocorrência de falha de válvulas nos compressores de
refrigeração exige cuidado especial em seu projeto, além verificação das
características de desempenho e da resistência à fadiga resultantes. Os aspectos
mais importantes do projeto de válvulas para garantir a confiabilidade do compressor
são discutidos a seguir.
39
2.5 - Projeto de válvulas de compressores para a garantia da
confiabilidade
Em anos recentes, considerações ambientais e econômicas levaram a
alterações nas condições de serviço e demandas por eficiências superiores aos
compressores
[20][22]
. Os projetistas de compressores têm a ambição cada vez maior
de aumentar o seu desempenho, resultando em um aumento das cargas mecânicas
aplicadas às válvulas
[12][28][42]
. Os materiais utilizados na fabricação de válvulas são
considerados atualmente um fator limitante em novos projetos de compressores, já
que o aprimoramento na eficiência dos compressores requer válvulas com
resistência à fadiga cada vez maiores
[20][22]
.
A necessidade de otimizar, tanto o desempenho quanto a confiabilidade dos
compressores
[12]
, requer um grande cuidado por parte do projetista, já que o
aumento da eficiência freqüentemente causa a diminuição na confiabilidade.
Para não comprometer a confiabilidade do compressor, alta resistência a
cargas repetidas de flexão e de impacto são requisitos básicos para as válvulas de
sucção e descarga
[11][20][22]
. A capacidade de suportar fadiga do material da válvula é
de extrema importância
[11][27][28]
, sendo a resistência ao impacto apontada como o
aspecto mais crítico entre os possíveis modos de falha
[25][34][35]
. Os causadores das
falhas dos materiais de válvulas podem ter diversas origens, podendo ser
classificados em cinco grupos principais: defeitos no material; projeto e fabricação;
montagem indevida; efeitos do ambiente de utilização e sobrecarga da válvula. A
seguir são listados os principais causadores de falhas em cada categoria citada
[43]
:
Defeitos no material: defeitos de laminação, arranhões superficiais
rugosos, não-homogeneidades estruturais, resistência à tração
insuficiente.
Projeto e fabricação: ranhuras e furos estreitos, defeitos na borda
devido à estampagem, danificação na superfície devido ao
tamboreamento excessivo.
40
Montagem indevida: posicionamento impreciso da válvula em seu
assento, falhas no encaixe da válvula.
Efeitos do ambiente: elementos corrosivos, partículas estranhas,
marcas de desgaste excessivas, lubrificação indevida.
Sobrecarga: flutuação da válvula, múltiplos impactos devido às
pulsações de gás, superaquecimento.
O projeto de um conjunto de válvulas deve prever e evitar esses tipos de falha
para garantir sua confiabilidade e, conseqüentemente, a do compressor. Em vários
casos os problemas de falha de válvula podem ser resolvidos por projeto de válvula
adequados, melhorias na fabricação de válvulas, seleção de material, tratamento do
material utilizado ou modificação nas condições de operação do compressor
[18][30]
,
considerando especialmente a velocidade e o deslocamento resultante da válvula
[18]
.
Para se fabricar uma válvula com baixa probabilidade de falha, o projetista deve
considerar diversas características mecânicas do material, podendo-se citar:
resistência à tração, ductibilidade, capacidade de amortecimento, espessura,
frequência natural, acabamento superficial, existência imperfeições internas e
tensões residuais. A seguir, as principais propriedades mecânicas que influenciam
na resistência à fadiga da válvula são comentadas.
2.5.1 - Resistência à tração
A resistência à tração de um material é determinada em um ensaio de tração,
na qual um corpo de prova, geralmente com formas e dimensões padronizadas é
submetido a um esforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços são
aplicados na direção axial do corpo de prova, sendo medidas as deformações
resultantes no material e a carga aplicada
[44]
.
Os trabalhos experimentais realizados por Svenzon
[31]
e Aurén
[22]
concluíram
que não existe efeito significativo entre o aumento da resistência à tração com o
aumento da resistência à fadiga de impacto. Em seus ensaios, Svenzon utilizou
válvulas com resistência à tração em uma faixa entre (1600 a 2500) MPa. Em
relação à resistência à fadiga de flexão, é considerado que essa se torne maior com
41
o aumento da resistência à tração em uma relação aproximadamente linear até um
valor crítico
[22]
.
Acredita-se que o aumento da resistência à tração aumenta a sensibilidade
aos efeitos dos concentradores de tensão na superfície e no interior do
material
[20][22]
. Aços de alta resistência apresentam geralmente baixa ductibilidade
[22]
que decresce ainda mais com o aumento da resistência à tração
[20][22]
.
Conseqüentemente, isso aumenta a concentração de tensões localizada ao redor
dos defeitos, o que pode neutralizar ou exceder a contribuição da resistência à
tração
[20][22]
para as resistências de fadiga de impacto e flexão. A alta ductibilidade é
considerada, portanto, uma propriedade importante para se obter alta resistência à
fadiga
[20]
. Uma forma de se aumentar a ductibilidade do material da válvula é com o
uso da distribuição de austenita retida em sua matriz martensítica, que, por se tratar
de um constituinte microestrutural mole, tem habilidade de absorver deformações
plásticas
[42]
.
2.5.2 - Capacidade de amortecimento
Amortecimento pode ser descrito como a capacidade do material de absorver
energia por algum mecanismo interno de fricção
[42]
. Quando ocorre o impacto na
válvula, as ondas de tensão se propagam através do material e a amplitude da
tensão decresce gradualmente
[18][20][22]
. Um material sólido com boas características
de amortecimento absorve os picos de tensão induzida com maior eficiência do que
um material com propriedades de amortecimento ruins
[20][22][42]
. Em uma válvula
fabricada com um material com maior capacidade de amortecimento o risco de
iniciação e propagação de trincas é menor
[20][22]
, pois há um maior decaimento nas
ondas de tensão trativas e de cisalhamento causadas pela colisão da válvula contra
seu assento
[22]
.
Quando ondas de tensão propagam através de um material sólido, a
amplitude da tensão diminuirá gradualmente devido ao amortecimento, de acordo
com a equação 3
[22]
:
=
0


(3)
42
Onde:
- σ
o
e σ são as tensões inicial e amortecida;
- t é o tempo;
- A é a área de impacto;
- E é o módulo de elasticidade;
- ρ é a densidade do material;
- m é a massa de impacto.
Em aplicações de compressores, a capacidade de amortecimento do material
da válvula é considerada de grande importância por minimizar os danos do impacto
entre a válvula e o assento ou batente, resultando em uma maior resistência à fadiga
de impacto
[20][22][31][42]
. O trabalho experimental realizado por Aurén
[22]
mostra a
relação entre os índices relativos da resistência à fadiga de impacto em função da
capacidade de amortecimento de chapas finas de aço inoxidável, o que é mostrado
na figura 16.
Figura 16: Relação entre a resistência à fadiga de impacto e a capacidade de
amortecimento
[22]
43
2.5.3 – Espessura
Trabalhos de análise por elementos finitos e métodos analíticos para
determinação das tensões existentes na superfície das válvulas devido ao impacto
consideram que não existe relação entre a espessura da válvula e as tensões
causadas pelo impacto
[36][39]
. Portanto, aumentar a espessura da válvula não diminui
as tensões existentes em sua superfície e não resulta em uma melhor resistência à
fadiga de impacto
[36]
. O trabalho realizado por Tajima
[39]
utiliza uma bancada
experimental para medir a velocidade de impacto e um método de análise por
elementos finitos para estimar as tensões na extremidade da válvula causadas pelo
impacto. No gráfico da figura 17, os resultados para as válvulas de 0,305 mm e
0,381 mm são comparados, mostrando que não existe diferença significativa nas
tensões resultantes na superfície da válvula em função da sua espessura.
Figura 17: Relação entre a velocidade de impacto e a tensão na superfície da válvula para diferentes
espessuras
[39]
Com relação à resistência à tração da válvula, o padrão estabelecido é que a
diminuição da espessura resulta em uma maior resistência à tração. A razão dessa
relação é a maior facilidade de se estampar um material com menor espessura
[43]
,
permitindo a fabricação de válvulas com melhor acabamento superficial. O gráfico da
figura 18 mostra a relação entre a espessura da válvula e a resistência à tração
obtida, comprovando a dificuldade de se estampar materiais de válvula com maior
espessura. O aumento da espessura da válvula também é prejudicial ao limite de
resistência à fadiga de flexão, o que pode ser visualizado no gráfico da figura 19.
44
Figura 18: Relação entre a espessura da válvula e a resistência à tração
[43]
Figura 19: Relação entre a espessura da válvula e a resistência à flexão
[43]
A diminuição da espessura da válvula em excesso causa redução de sua
rigidez torcional, o que pode acarretar problemas de estabilidade do movimento da
válvula
[12]
. A existência de torção no movimento causa o impacto oblíquo da válvula
contra o seu assento e o efeito chicote, que conforme discutido no item 2.4.2, é
muito prejudicial à resistência à fadiga de impacto, torna-se mais pronunciado
[39]
.
2.5.4 - Frequência natural
A frequência natural é considerada uma importante propriedade mecânica da
válvula, por ter influência em seu comportamento dinâmico e em sua resistência à
fadiga. O aumento da frequência natural da válvula resulta na redução de sua
máxima abertura e no aumento da sua vibração e no tempo de abertura. Já a
45
diminuição da frequência natural resulta em uma válvula com características
opostas: abertura máxima maior; diminuição da vibração e do tempo de abertura
[17]
.
De maneira geral, quanto mais baixa a frequência natural da válvula, melhor será o
desempenho do compressor. Porém, a frequência natural demasiadamente baixa
poderá impactar na confiabilidade da válvula por gerar problemas devido a fadiga de
flexão e impacto
[19]
.
2.5.5 - Acabamento superficial e imperfeições internas
A qualidade do acabamento superficial da válvula e a existência de
imperfeições internas no material têm grande influência nas propriedades de fadiga
obtidas. As trincas devido à fadiga são funções dos defeitos que foram originados
durante a fabricação da chapa de aço e das características de operação da
válvula
[21][45]
. Esses defeitos são descontinuidades do material
[9][24]
, que podem ser
macroscópicos, como furos e ranhuras criados em projetos de válvulas mais
complexos
[21]
, ou microscópicos. Os defeitos microscópicos podem ter várias
origens: arranhões na superfície; marcas de estampagem; rebarbas; defeitos de
laminação; fendas de corrosão; deslocações de material e não-homogeneidades
estruturais diversas
[9][21]
.
Esses defeitos de superfície e volume do material são considerados
concentradores de tensão
[15][20][22][30][45]
e podem produzir grandes deformações em
sua vizinhança
[21][18]
, originados da interação das ondas de tensão causadas pelo
impacto com as descontinuidades da microestrutura do material da válvula
[24]
. A
deformação que ocorre devido ao impacto é portanto de natureza extremamente
localizada
[24]
, e os picos de tensão produzidos nos defeitos podem ter valor
suficientemente alto para causar deformação plástica e iniciar a trinca por fadiga
[21]
.
A natureza extremamente localizada das deformações causadas pelo impacto
provavelmente explica por que medições de dureza antes e depois da fadiga de
impacto falham em mostrar qualquer mudança significativa
[24]
. A falta de uma
deformação generalizada indica que o nível de tensão médio em decorrência do
impacto é baixo
[24]
, embora possa ter valor muito alto no local onde ocorreu a falha.
Observações fractográficas mostram claramente que a superfície e a borda da
46
válvula são expostas às mais altas tensões de impacto, enfatizando a importância do
acabamento superficial das válvulas
[33]
, especialmente ao processo de estampagem
do material
[21]
.
2.5.6 - Tensões residuais
A não-idealidade da estampagem da válvula ocasiona a existência de trincas,
rebarbas, arranhões e outras imperfeições que atuam como concentradores de
tensão em sua estrutura
[15]
. Para melhorar a qualidade superficial, eliminando ou
diminuindo os efeitos dessas descontinuidades, freqüentemente é realizado o
tamboreamento da superfície da válvula
[15][21]
. Esse processo de acabamento utiliza
a ação de fricção entre as peças e abrasivos específicos
[81]
, que agem sobre a
superfície da válvula retirando as rebarbas e suavizando sua borda
[15]
. A fricção
entre a válvula e o abrasivo pode ser obtida por meio do deslizamento causado pela
rotação de um tambor rotativo ou a ação de uma máquina vibratória
[81]
.
Normalmente o material abrasivo é composto de fragmentos de óxido de alumínio
com o tamanho do grão variando entre (2 a 10) mm
[15]
, sendo também utilizados
água e compostos químicos adequados para a realização do processo
[81]
. O
tamanho do grão do meio abrasivo deve ser escolhido de acordo com o formato,
tamanho e espessura da válvula. Idealmente os fragmentos abrasivos devem passar
por todos os furos e ranhuras estreitas expostos a carregamento dinâmico de
maneira a assegurar o tratamento apropriado da superfície da válvula
[15]
. A figura 20
ilustra o processo de tamboreamento.
Figura 20: Tamboreamento de peças
47
Outra contribuição do tamboreamento é influenciar diretamente nas tensões
residuais da superfície da válvula
[20][28]
. As tensões residuais compressivas
introduzidas pelo tamboreamento aumentam consideravelmente as resistência à
fadiga da válvula
[28][42]
, tendo efeito inclusive na resistência à fadiga de impacto. O
tamboreamento bem executado provoca uma distribuição homogênea das tensões
residuais, influenciando nos efeitos das descontinuidades existentes na superfície da
válvula, reconhecidos como controladores primários da confiabilidade estrutural da
válvula. A relação entre as tensões residuais da superfície da válvula, que têm valor
negativo, e a resistência à fadiga de impacto podem ser visualizadas na figura 21.
Figura 21: Relação entre as tensões residuais e a resistência à fadiga de impacto
[20]
2.5.7 - Comparação entre válvulas de aço carbono e aço inoxidável
As mudanças nas condições de serviço em compressores, que ocorreram em
anos recentes devido à utilização de novos refrigerantes e lubrificantes e o aumento
das cargas mecânicas suportadas pelas válvulas vêm causando a substituição das
válvulas de aço carbono por válvulas de aço inoxidável
[28]
. A seleção do material
para a fabricação é determinada pelas condições de operação das válvulas do
compressor
[46]
. As vantagens da utilização de válvulas de aço inoxidável em relação
às resistências de tração, flexão e impacto, influência da temperatura e fadiga de
corrosão são discutidas a seguir.
As válvulas de aço inoxidável têm propriedades mecânicas que as tornam
superiores em termos de resistência às fadigas de tração, flexão e impacto
[46]
. Essas
48
propriedades são particularmente benéficas quando as válvulas são expostas a altas
cargas de flexão e impacto em serviço. Observações em válvulas que falharam
mostram que as áreas de deformação plástica localizadas na região das trincas são
muito maiores em válvulas de aço inoxidável, o que resulta no retardo do estágio
inicial da quebra
[33]
.
As propriedades mecânicas do aço carbono podem ser afetadas por um
mínimo aumento na temperatura, e em baixas temperaturas o material tem maior
fragilidade que o aço inoxidável
[46]
. O aço inoxidável é recomendado, portanto, em
aplicações nas quais a temperatura pode ser um fator crítico.
Com relação à fadiga por corrosão, mesmo uma pequena quantidade de
elementos corrosivos ou umidade pode ter um efeito negativo na confiabilidade da
válvula, afetando principalmente válvulas de aço carbono. Para se evitar a fadiga
devido à corrosão, é preferível a utilização de válvulas de aço inoxidável
[46]
.
Apesar da natureza simples do funcionamento da válvula, diversas
características devem ser consideradas para se obter um compressor com bom
desempenho e confiabilidade aceitável. O projeto de válvulas é uma importantíssima
etapa no desenvolvimento de compressores e, portanto, merece especial atenção.
O presente capítulo apresentou uma visão geral da importância das válvulas
no funcionamento dos compressores e das causas de falha das mesmas,
destacando-se a fadiga causada por impacto. No capítulo seguinte serão analisadas
formas de identificação experimental da fadiga oriunda de impacto.
49
CAPÍTULO 3 – IDENTIFICAÇÃO
EXPERIMENTAL DE FADIGA DE IMPACTO DE
VÁLVULAS
3.1 – DETERMINAÇÃO DA GRANDEZA A SER UTILIZADA
COMO INDICATIVO DA INTENSIDADE DE IMPACTO
Para o desenvolvimento de uma bancada de ensaio de fadiga de impacto de
válvulas, a primeira investigação a ser realizada é a determinação da grandeza a ser
utilizada como indicativo da intensidade de impacto da válvula contra seu assento.
Quando se realiza um ensaio de fadiga de impacto é de crucial importância medir,
de alguma forma, a intensidade de impacto
[38]
. A intensidade de impacto é a
grandeza mais importante para os ensaios a serem realizados, pois sua magnitude
será o principal determinante dos resultados obtidos da resistência à fadiga de
impacto da válvula testada.
A avaliação de uma curva tensão – número de ciclos (S-N), o principal
indicativo da resistência da válvula a ser gerado pela bancada de ensaios, requer a
determinação da tensão de impacto ou algum parâmetro alternativo que pode ser
relacionado à tensão
[38]
. Nessa investigação as medições de várias grandezas foram
consideradas, como a deformação da superfície da válvula, a aceleração, a força e a
velocidade de impacto da válvula contra seu assento. A viabilidade e a
representatividade de cada medição são discutidas a seguir.
A grandeza que governa a ocorrência das rachaduras que causam a falha é a
deformação sofrida pela válvula, gerada pelas tensões ocasionadas pelo impacto da
válvula contra o seu assento. Essa seria, idealmente, a grandeza a ser mensurada.
Porém, a natureza das tensões de impacto torna a medição muito difícil ou
impossível
[30][33][35][36]
.
50
A obtenção das tensões de impacto que governam a falha da válvula com a
utilização de extensômetros instalados na sua superfície representa uma enorme
dificuldade experimental
[30][33][36]
. A determinação das tensões é praticamente
impossível, devido ao histórico de cargas complexo e aleatório
[33][35]
; à duração
extremamente curta dos pulsos de tensão; aos efeitos transientes dinâmicos e às
interferências de tensões sofrida pela válvula a cada impacto
[33]
. A curtíssima
duração dos pulsos de tensão ocasionados pelo impacto da válvula, de cerca de 60
ns, requereria a utilização de um sistema de medição com altíssima frequência de
resposta
[36]
, não existindo atualmente no mercado um transdutor com resposta
dinâmica alta o suficiente.
Outro motivo que não possibilita a utilização de extensômetros nas
proximidades da borda da válvula, onde acontecem as maiores tensões, é a
natureza extremamente localizada dos picos de deformação
[24]
. Seria necessária a
instalação de extensômetros microscópicos, caso contrário o baixo valor médio das
deformações existentes na superfície da válvula
[24][33]
impediria a detecção dos picos
de tensão. Além disso, não se sabe, a princípio, a direção das deformações
ocasionadas pelo impacto, o que dificulta ou impossibilita a instrumentação. As altas
acelerações da extremidade da válvula durante o seu movimento é outro fator que
traria complicações experimentais, dificultando a fixação dos extensômetros e a
passagem e fixação dos cabos.
Quando uma válvula atinge o assento, tensões compressivas são induzidas
na área de impacto. Essas tensões são transformadas em tensões trativas e de
cisalhamento, que se propagam como ondas elásticas em alta velocidade através da
válvula. A tensão transformada inicial é definida pela equação 4
[18][22]
:
𝜎
0
= 𝑣
0
𝐸𝜌 (4)
Onde:
- σ
o
é a tensão inicial;
- 𝑣
0
é a velocidade de impacto;
- E é o módulo de elasticidade;
- ρ é a densidade do material.
A equação para a inicialização de ondas de tensão elásticas em materiais
sólidos mostra que as tensões na superfície da válvula causada pelo impacto são
51
função das propriedades do material e são linearmente proporcionais à velocidade
com que a válvula atinge o assento
[18][34][38]
.
A relação entre a velocidade de impacto e a velocidade do som no material da
válvula é uma medida de deformação, sendo definida pela equação 5
[37]
:
𝜀 =
𝑣
𝑜
𝑣
𝑠
(5)
Onde:
- ε é a deformação;
- 𝑣
𝑜
é a velocidade de impacto;
- 𝑣
𝑠
é a velocidade do som no material da válvula.
A medição da velocidade, portanto, geraria um indicativo confiável das
tensões de impacto ou deformação na superfície da válvula, importantes grandezas
de interesse nos ensaios de fadiga de válvulas. A relação linear entre as tensões de
impacto e a velocidade de impacto da válvula pode ser visualizada no gráfico da
figura 22.
Figura 22: Relação entre a velocidade e a tensão de impacto da válvula
[39]
O trabalho realizado por Bae, Suk, Ma e Im
[27]
concluiu, por meio de um
modelo teórico, que a força de impacto também é uma grandeza linearmente
proporcional à velocidade de impacto. Essa relação foi confirmada
experimentalmente pelos autores, que utilizaram um sensor de proximidade para
medir o deslocamento da válvula e uma célula de carga para medir a força de
impacto, que recebe a energia de impacto da válvula por meio do assento. Os dados
obtidos nesse experimento podem ser visualizados no gráfico da figura 23.
52
Figura 23: Relação entre a velocidade e a força de impacto
[27]
A medição da aceleração de impacto não é considerada uma boa alternativa
para a medição da intensidade de impacto por vários autores. A obtenção da
aceleração com o uso de um acelerômetro piezoelétrico, por exemplo, é dependente
da massa e da espessura da válvula
[34][38]
. Para uma mesma velocidade de impacto,
uma válvula com maior massa geraria uma aceleração máxima superior a uma
válvula de menor massa. As equações que definem as tensões geradas na válvula
devido ao impacto são função apenas da velocidade e das propriedades do material,
e não da massa e espessura da válvula
[34][38]
.
A velocidade é, portanto, a medida mais adequada da intensidade de
impacto
[34][36][38]
por vários motivos citados a seguir. A velocidade pode ser
determinada por meio de transdutores de deslocamento
[36]
, existindo no mercado
uma grande variedade de sistemas com alta frequência de resposta, diferentes
dimensões e diferentes tecnologias de transdução sem contato. Diferentemente da
força e aceleração de impacto, a velocidade não depende da massa e espessura da
válvula, o que alteraria a relação com as tensões de impacto para cada modelo
diferente de válvula. O principal motivo da utilização da velocidade como indicativo
da intensidade de impacto é a relação linear com as tensões induzidas na válvula
devido ao impacto, que são as causadoras das deformações que ocasionam a falha
da válvula.
De acordo com os aspectos teóricos e práticos discutidos na presente seção,
a velocidade foi escolhida como o indicativo da intensidade de impacto para as
medições e controle da bancada de ensaio de fadiga de impacto de válvulas, cujo
desenvolvimento é relatado no presente trabalho.
53
3.2 – BANCADAS EXPERIMENTAIS DE ENSAIO DE VÁLVULAS
Devido ao problema crítico de fadiga de impacto de válvulas de compressores
herméticos, diversas bancadas experimentais foram desenvolvidas para a obtenção
de dados de resistência à fadiga de impacto de materiais de válvulas. Os trabalhos
realizados por Svenzon
[31]
, Dusil e Johansson
[33]
, Futakawa e Namura
[47]
e Libralato
e Contarini
[40]
foram estudados na etapa inicial do desenvolvimento dos trabalhos
aqui relatados.
Como característica em comum, as bancadas experimentais desenvolvidas
utilizam pulsos de ar comprido de curta duração para realizar o movimento da
válvula. Os sistemas utilizam duas saídas de jatos de ar comprimido, uma para
realizar a abertura, e outra para forçar o fechamento da válvula. O pulso de ar
comprimido responsável pelo fechamento possibilita atingir velocidades muito
superiores às normalmente verificadas em compressores, permitindo forçar a quebra
da válvula em condições controladas. Segundo Libralato e Contarini
[40]
, o uso de um
segundo pulso de ar comprimido forçando a válvula a fechar é útil para fazer a
válvula oscilar em uma frequência maior que a frequência natural, o que favorece o
aumento das velocidades de impacto.
A velocidade ou a aceleração da válvula são obtidas para a realização dos
testes, sendo mantidas em valores constantes durante todo o ensaio. Controlando-
se a velocidade ou a aceleração em valores fixos, verifica-se o momento em que a
válvula quebra devido ao impacto. Nesse instante é obtido o número de impactos
que a válvula testada suportou até ocorrer a fratura. A relação entre a intensidade de
impacto do ensaio e o número de impactos até a ocorrência de falha é considerada
um indicativo da resistência à fadiga de impacto da válvula. Caso diferentes válvulas
sejam testadas realizando-se os ensaios com a mesma intensidade de impacto, é
possível comparar os limites de fadiga obtidos e determinar qual a válvula menos
sujeita à falha
[24]
.
A maioria das bancadas experimentais desenvolvidas, com exceção da
bancada desenvolvida por Libralato e Contarini
[40]
, utilizavam espécimes de forma e
dimensões padronizadas ao invés de válvulas reais aplicadas em compressores de
refrigeração. Os ensaios realizados nessa bancada têm a finalidade de obter apenas
54
o limite de fadiga do material da válvula, não permitindo a verificação dos resultados
de fadiga para diferentes projetos de válvula.
Outra característica que diferencia as bancadas experimentais desenvolvidas
da aplicação real no compressor é a ausência de óleo e gás refrigerante. Esses
elementos alteram as tensões induzidas na válvula pelo impacto. A presença de
uma camada de óleo no assento da válvula, por exemplo, absorve parte da energia
de impacto, desacelerando a válvula
[40]
.
Os testes são realizados em ambientes secos e não corrosivos. A
temperatura utilizada para os ensaios é a temperatura ambiente, circunstância
diferente do que ocorre na situação real de utilização do compressor. O fato dos
ensaios não serem realizados na temperatura de utilização das válvulas em
compressores não é considerado um problema para os autores, pois não são
esperadas alterações nas propriedades de fadiga da válvula nessas condições
[31][43]
.
Apesar das diferenças operacionais citadas, o aspecto das fraturas criadas
devido à fadiga de impacto nas bancadas experimentais é muito semelhante às
verificadas em válvulas de compressores que falharam
[31]
, evidenciando a
representatividade dos resultados obtidos. A utilização de bancadas experimentais
permite o emprego de sistemas de medição superiores, devido à maior facilidade de
acesso, o controle da intensidade de impacto em diferentes níveis e a realização dos
ensaios em uma frequência muito superior à de funcionamento dos compressores.
Essas características tornam as bancadas experimentais importantíssimas
ferramentas de determinação do limite de fadiga das válvulas de compressores de
refrigeração.
O sistema de pulsos de ar comprimido alternados, sendo um responsável pela
abertura e outro por forçar o fechamento da válvula, se mostrou adequado para
realizar o movimento da válvula de acordo com os artigos publicados sobre as
bancadas experimentais desenvolvidas no passado. Por permitir a excitação da
válvula em alta frequência, por possibilitar atingir altas velocidades de impacto e por
realizar ensaios muito representativos em relação aos resultados de fadiga de
impacto, decidiu-se pela utilização, no trabalho aqui relatado, do sistema de pulsos
de ar comprimido alternados.
No presente capítulo foram discutidos os motivos da escolha da grandeza a
ser utilizada como indicativo da intensidade de impacto e as principais
características das bancadas de ensaio de válvulas desenvolvidas anteriormente. No
55
próximo capítulo serão discutidos detalhes relativos à proposta de abordagem para o
desenvolvimento de uma bancada de ensaio de fadiga por impacto de válvulas.
56
CAPÍTULO 4 – PROPOSTA DE ABORDAGEM
PARA DESENVOLVIMENTO DE UMA
BANCADA DE ENSAIO DE VÁLVULAS
Na análise realizada no capítulo 3 definiu-se que o movimento da válvula
seria realizado com o uso de pulsos alternados de ar comprimido, gerados com
intensidade suficiente para abrir a válvula testada e fechá-la em seguida,
possibilitando atingir altas velocidades de impacto.
No presente capítulo são discutidos detalhes sobre os requisitos para o
desenvolvimento da bancada experimental: método para a obtenção da velocidade
da válvula; dados a serem gerados pelos ensaios; detecção do instante de impacto;
controle da velocidade de impacto; detecção de quebra da válvula; contagem do
número de ciclos; sistemas de medição de deslocamento considerados.
4.1 – OBTENÇÃO DA VELOCIDADE DE IMPACTO
A velocidade deve ser obtida por meio da derivação do sinal de deslocamento
da válvula. A derivada representa a taxa de variação de uma função e a velocidade
representa a taxa de variação do deslocamento de um corpo em função do tempo.
Medindo-se o deslocamento da válvula durante o seu movimento, é possível
obter sua velocidade durante a abertura e o fechamento da válvula. Para se obter a
velocidade com que a válvula impacta contra o seu assento - a velocidade de
impacto - é necessário utilizar um método para a detecção do instante de impacto. A
velocidade instantânea da válvula no momento em que o impacto for detectado é
definida como a velocidade de impacto da válvula.
57
4.2 – DEFINIÇÃO DE REQUISITOS DA BANCADA DE ENSAIO
DE VÁLVULAS
4.2.1 – Dados a serem gerados
O principal resultado que a bancada deve gerar é o número de ciclos
suportados pela válvula testada para uma determinada velocidade de impacto até
que ocorra a fratura. Realizando ensaios em diferentes níveis de velocidades de
impacto, pode-se obter uma curva S-N, conforme discutido no apêndice I. A curva S-
N permite verificar a resistência do material da válvula para diferentes velocidades
de impacto e é muito útil para a comparação entre diferentes projetos e materiais de
válvulas. A obtenção da curva S-N exige, portanto, a medição e o controle da
velocidade de impacto e a contagem do número de ciclos realizados pela válvula
durante o ensaio.
4.2.2 - Detecção do instante de impacto
A colisão da válvula contra seu assento deve ser detectada a cada impacto
para que a velocidade da válvula seja obtida nesse exato instante. Devido ao efeito
chicote, a velocidade de impacto sofre enorme variação na proximidade do
impacto
[26]
, tornando necessária a utilização de um método para detecção de
impacto com altíssima resposta dinâmica. Qualquer atraso proveniente do método
de detecção de impacto causaria um erro muito significativo em relação à velocidade
real de impacto, devido a sua enorme variação nesse momento.
É necessário o desenvolvimento de um sistema que detecte o impacto para
todas as velocidades de ensaio e que deixe de detectar poucos, ou se possível,
nenhum impacto.
58
4.2.3 - Controle da velocidade de impacto
Para os dados da resistência à fadiga de impacto serem representativos, a
velocidade média do ensaio deve ser mantida, durante todo o ensaio, com um erro
mínimo em relação à velocidade que se deseja controlar. Caso haja diferença entre
as velocidades médias de impacto de diferentes ensaios, é de se esperar que esse
erro em relação à referência cause uma diferença na obtenção do número de
impactos suportado pela válvula até a ocorrência da fratura. A variação dos
resultados obtidos seria proveniente também da variação da condição de operação,
e não somente da variação da resistência à fadiga de diferentes válvulas.
Outro fator que pode ser decisivo nos resultados dos ensaios é a variação da
velocidade de impacto durante os testes. Com uma grande dispersão dos valores de
velocidade de impacto, a válvula provavelmente impactaria com velocidades muito
superiores à velocidade de controle e esses impactos seriam os causadores
primários das fraturas verificadas. É necessário manter, portanto, o menor erro
possível entre a velocidade de impacto e a velocidade de controle e uma mínima
variação da velocidade durante o ensaio. Dessa maneira, a representatividade dos
ensaios não será prejudicada pelo controle inadequado da velocidade de impacto.
4.2.4 - Detecção de quebra de válvula
A válvula deve ser monitorada durante todo o ensaio. A ocorrência da fratura
causada pelo impacto deve ser detectada automaticamente para que seja contado o
número de ciclos que a válvula suportou até falhar. Um sistema de detecção de
quebra deve possibilitar a determinação do instante em que a válvula fraturou com
baixa incerteza. Um erro muito grande em relação ao real momento de ocorrência de
falha acarretaria a leitura errada do número de ciclos, prejudicando a obtenção de
um importante resultado para os ensaios de fadiga de impacto.
A principal dificuldade para o sistema de detecção de quebra da válvula é que
esse deve ser capaz de acusar a ocorrência da fratura mesmo com a válvula se
59
movimentando em altíssima frequência e alcançando sua abertura máxima. Além
disto, a detecção deve ser realizada sem a interrupção do ensaio de fadiga.
4.2.5 - Contagem do número de impactos
O número de impactos deve ser adquirido continuamente durante o ensaio.
No instante em que o sistema de detecção de quebra de válvula acusa a existência
de fratura, o número de impactos deve ser obtido com incerteza aceitável para ser
utilizado como indicativo da resistência à fadiga de impacto da válvula testada. O
sistema de contagem de impactos desenvolvido deve funcionar para toda faixa de
frequência de operação da válvula.
O número de impactos que a válvula suportou antes de falhar é um
importante resultado no ensaio, sendo utilizado para traçar a curva S-N, onde o
número de impactos pertence ao eixo das abscissas. A contagem do número de
impactos serve também para interromper um teste, quando o número for superior a
um determinado limite estabelecido.
4.2.6 – Requisitos operacionais
Os ensaios devem ser realizados com a mínima necessidade de interferência
do operador. A bancada experimental não pode exigir uma instrumentação
complicada e deve possibilitar a troca da válvula sem muita dificuldade, para que o
tempo de preparação entre ensaios seja mínimo.
Para garantir a representatividade dos resultados obtidos, alguns requisitos e
características de ensaio foram definidos:
a válvula deve ser movimentada de maneira similar à verificada em
compressores de refrigeração;
60
o conjunto da válvula deve ser montado conforme é realizado nos
compressores, para que as propriedades mecânicas da válvula sejam
mantidas;
Também definiu-se que os ensaios podem ser realizados na temperatura
ambiente e sem a utilização de óleo lubrificante e gás refrigerante.
4.3 – MEDIÇÃO DE DESLOCAMENTO
4.3.1 - Requisitos do sistema de medição de deslocamento
Para seleção correta do sistema de medição a ser utilizado, alguns requisitos
metrológicos e operacionais devem ser estabelecidos. A seleção de um sistema de
medição de deslocamento adequado exige considerações dos aspectos relativos à
frequência de resposta; contato do sensor; sensibilidade ao material da válvula;
local, incerteza e faixa de medição; e obstrução dos pulsos de ar comprimido.
Devido à curtíssima duração do fenômeno do impacto, é imprescindível que o
sistema de medição para caracterizá-lo tenha uma alta frequência de resposta. A
alta frequência de corte é um requisito do sistema de medição de deslocamento para
que esse seja sensível a qualquer oscilação e variação do movimento da válvula. A
atenuação ou atraso desse sinal causaria uma grande divergência entre a
velocidade medida e a velocidade de impacto real.
As medições de deslocamento devem ser obrigatoriamente sem contato do
sensor com a válvula. A utilização de um sensor de contato alteraria certamente o
movimento das válvulas, que são componentes de pequena dimensão e massa. O
sistema de medição deve ter boa sensibilidade ao movimento da válvula, que é um
componente metálico, fabricado de aço carbono ou aço inoxidável, e altamente liso e
reflexivo.
O deslocamento deve ser medido próximo à área de impacto da válvula, ou
seja, em um local vizinho a sua borda. Quanto mais próximo à região de impacto,
61
maior a representatividade da medição realizada, já que a velocidade da válvula no
instante do impacto é a grandeza de interesse.
A faixa de medição não é um requisito crítico para o sistema de medição. A
medição do deslocamento deve ser realizada na faixa próxima ao impacto
obrigatoriamente com baixa incerteza. Porém, não é necessário que a medição com
baixa incerteza seja realizada durante todo o movimento da válvula testada, já que a
grandeza de interesse é a velocidade no momento do impacto, quando a válvula
está próxima ao seu assento. Em medições em compressores, por exemplo, o
impacto só é considerado em uma faixa dentro de 0,2 mm
1
.
Para permitir que a válvula entre em movimento com os pulsos de ar
comprimido, é necessário que o transdutor de deslocamento obstrua os jatos de ar o
mínimo possível. Caso o transdutor ocupe um espaço considerável da área de
acesso aos pulsos de ar da válvula, tanto para a abertura quanto para o fechamento,
não seria possível atingir as altas velocidades que ocasionam a fadiga de impacto.
Por se localizar próximo à região de impacto, o canal de sucção da placa válvula é o
local ideal para a medição do deslocamento da válvula. Esse canal tem dimensões
muito reduzidas, podendo ter espaço disponível de apenas 3 mm para a instalação
do transdutor.
4.3.2 – Sistemas de medição de deslocamento considerados
Para a seleção do sistema de medição de deslocamento a ser utilizado na
bancada experimental, cinco princípios de funcionamento de transdução foram
considerados:
sistema de correntes de eddy;
sistema capacitivo;
vibrômetro laser Doppler;
sistema de fibra óptica;
laser interferométrico.
1
Valor considerado dentro da faixa de impacto pelos técnicos do Laboratório Mecânico da empresa parceira
62
A seguir são discutidas as vantagens e desvantagens de cada sistema,
incluindo suas principais características metrológicas e detalhes da forma de
utilização imaginada para cada sistema.
4.3.2.1 – Sistema de correntes de eddy
A medição com o uso de sistemas que utilizam correntes de eddy é realizada
sem contato, exigindo que o sensor seja posicionado próximo ao objeto a ser
medido. Esse tipo de sistema indutivo tem sensibilidade a qualquer material
condutor de eletricidade
[48]
, no qual são geradas correntes de eddy que interagem
com o campo magnético criado pela bobina do sensor. A interação entre os campos
magnéticos altera o campo da bobina proporcionalmente à distância entre o sensor
e o objeto.
Sistemas de alta frequência de resposta que utilizam esse princípio de
transdução estão disponíveis comercialmente. A faixa de medição é dependente
principalmente do diâmetro do sensor. De maneira geral, quanto maior o diâmetro do
sensor, maior a faixa de medição linear. Para sensores sem blindagem, o que
resulta em um menor diâmetro, o objeto a ser medido deve ter idealmente três vezes
o diâmetro do sensor
[49]
.
Utilizando-se transdutores com faixa de medição reduzida, seu diâmetro seria
pequeno e o sensor poderia ser instalado próximo ao local de impacto da válvula. A
montagem realizada dessa maneira não causaria uma grande obstrução dos pulsos
de ar comprimido utilizados para realizar o movimento da válvula. Esse tipo de
transdutor exige a obtenção da característica de resposta para cada montagem
específica.
63
4.3.2.2 – Sistema capacitivo
Os sistemas capacitivos podem medir sem contato o deslocamento de objetos
eletricamente condutores. Grande parte dos sistemas capacitivos utiliza o sistema
de placas paralelas, no qual os dois eletrodos são formados pelo sensor e pelo
objeto cujo deslocamento é medido
[50]
. A capacitância do transdutor é proporcional
ao deslocamento do objeto, sendo medida com o uso do seu sistema de
condicionamento de sinal.
A frequência de resposta é um aspecto negativo na utilização de transdutores
capacitivos, já que a maioria dos sistemas não têm resposta dinâmica rápida o
suficiente para medir as oscilações e a variação do deslocamento da válvula que
ocorrem no momento do impacto.
Outro aspecto negativo é o diâmetro relativamente grande dos sensores
capacitivos, mesmo para pequenas faixas de medição. O sensor CS02 da empresa
Micro-Epsilon, por exemplo, tem faixa de medição de apenas 0,2 mm e diâmetro de
6 mm. Já o sensor HPC-40, da empresa Capacitec, tem faixa de medição de 0,5 mm
e diâmetro de 4,75 mm. Esses sensores, apesar de serem os de menor diâmetro
comercializados por essas empresas, não poderiam ser utilizados próximos à região
de impacto, já que a instalação no canal de sucção causaria a obstrução dos pulsos
de ar comprimido. O grande diâmetro do sensor capacitivo faz com que o valor
médio do deslocamento de uma grande área da válvula seja medido, e como
conseqüência, a velocidade da ponta da válvula será subestimada
[38]
.
Assim como o sistema indutivo que utiliza correntes de eddy, o sistema
capacitivo requer a obtenção da característica de resposta do transdutor para cada
montagem específica.
4.3.2.3 – Vibrômetro laser Doppler
O vibrômetro laser Doppler é um instrumento que mede as vibrações de uma
superfície sólida em movimento utilizando o efeito Doppler em uma onda de luz
dispersa. A velocidade e/ou o deslocamento são medidos sem contato ao longo do
64
eixo óptico do sistema
[10]
. Alguns vibrômetros têm altíssima frequência de resposta,
permitindo medir qualquer variação de alta frequência do movimento da válvula. A
maioria dos vibrômetros mede diretamente a velocidade, não necessitando derivar o
sinal de deslocamento para se obter a velocidade de impacto.
Os vibrômetros podem medir em uma faixa de deslocamento relativamente
grande e podem ser utilizados afastados do objeto de medição. O local de medição
pode ser facilmente escolhido apontando-se o ponto visível de laser em qualquer
posição da superfície da válvula. Outras vantagens são a boa resolução e o fato de
não ser necessário realizar um procedimento de calibração para se obter a
característica de resposta para cada objeto e montagem específicos.
Porém, os vibrômetros laser Doppler são sistemas de custo extremamente
elevado, na faixa de dezenas de milhares de reais. Além disso, esses sistemas
necessitam de uma superfície difusa para realizar as medições. A superfície
extremamente polida e reflexiva das válvulas não gera bons resultados na utilização
de vibrômetros, sendo necessária a realização de um tratamento para aumentar sua
rugosidade e mudar o comportamento para uma superfície difusiva
[10]
.
Durante uma avaliação utilizando um vibrômetro laser Doppler na bancada
experimental, foi necessário aplicar uma tinta spray especial no local de medição da
válvula para se gerar uma melhor resposta do sinal de medição. A presença da tinta
pode ser considerada um fator negativo por dificultar a detecção de fratura no ponto
de medição.
4.3.2.4 – Sistema de fibra óptica
Esse tipo de sistema utiliza fibras de vidro agrupadas para transmitir luz e
receber a luz refletida pela superfície do objeto medido. A intensidade da luz refletida
é proporcional à distância entre a ponta do sensor e o objeto medido
[51]
. Esse tipo de
princípio de transdução pode ter alta frequência de resposta, a medição é realizada
sem contato e resulta em uma excelente sensibilidade ao material da válvula. A
superfície lisa e extremamente reflexiva da válvula é ideal para os sistemas de
medição de deslocamento por fibra óptica.
65
Normalmente, a faixa de medição dos sistemas de fibra óptica é muito
reduzida e os sensores têm pequena dimensão, com diâmetros a partir de 0,5 mm.
Dessa maneira, os sensores podem ser facilmente instalados no canal de sucção,
próximos ao local de impacto, e a obstrução dos pulsos de ar comprimido é mínima.
4.3.2.5 – Sistema de triangulação a laser
Os sistemas de triangulação utilizam o laser como fonte luminosa devido a
sua alta intensidade e por ser extremamente concentrado, o que gera um ponto de
luz de pequeno diâmetro na superfície do objeto a ser medido. A reflexão da luz
transmitida para o objeto é focalizada por lentes ópticas em um dispositivo sensível
à luz, chamado receptor. A variação de posição do objeto medido ocasiona a
variação da posição do ponto de luz refletido ao receptor
[52]
. O circuito de
condicionamento do sistema detecta a posição do ponto de luz e gera um sinal de
saída proporcional ao deslocamento do objeto medido.
A medição de deslocamento por sistemas de triangulação a laser é realizada
sem contato e o transdutor deve ser fixado a uma distância especificada do objeto
para funcionar corretamente. Não há necessidade de obtenção da característica de
resposta para cada montagem e material específico, já que uma resposta linear é
esperada em função da posição do objeto medido.
Devido à necessidade de um complexo processamento digital do sinal obtido,
esses sistemas normalmente têm frequência de resposta inadequada para medições
de alta dinâmica, como o fenômeno do impacto de válvulas. Além disso, as
medições não podem ser satisfatoriamente realizadas em materiais altamente
reflexivos
[53]
. Dessa maneira, o material da válvula não é ideal para a utilização dos
sistemas de triangulação a laser. Outras desvantagens são o custo elevado e suas
dimensões relativamente grandes em relação à válvula, o que resultaria na
obstrução dos pulsos de ar comprimido quando utilizados na bancada experimental.
66
4.3.2.6 – Comparação e seleção do sistema de medição
Para auxiliar a seleção do sistema de medição a ser utilizado na bancada
experimental, uma tabela comparativa foi criada para avaliar cada sistema
considerado em função de sua frequência de resposta, sensibilidade ao material da
válvula, necessidade de obtenção de curva de resposta, possibilidade de medição
no local de impacto, obstrução dos pulsos de ar comprimido e custo.
A avaliação de cada uma das características dos sistemas é realizada com
um, dois ou três pontos, sendo o total de pontos somados. Quanto maior a
pontuação de cada sistema considerado, maior é sua aptidão para ser utilizado na
bancada experimental de ensaio de fadiga de impacto de válvulas. A comparação
entre os sistemas é mostrada na tabela 1.
Tabela 1: Comparação entre os sistemas de medição de deslocamento considerados
Primeiramente, a avaliação dos cinco sistemas de medição considerados
permite excluir a possibilidade de utilização dos sistemas capacitivo e de
triangulação a laser, devido às suas características operacionais e metrológicas. Os
sistemas não foram selecionados por não terem capacidade de caracterizar
satisfatoriamente o impacto das válvulas testadas na bancada experimental.
Os sistemas que se mostraram adequados para a medição do impacto da
válvula foram o sistema de correntes de eddy, o vibrômetro laser Doppler e o
sistema de fibra óptica. Entre esses, o elevadíssimo custo de um vibrômetro de alta
frequência de resposta faz com que a possibilidade de sua utilização seja
descartada para essa etapa do projeto.
Como ambos os sistemas fibra óptica e correntes de eddy se mostraram
adequados para a caracterização do impacto de válvulas, decidiu-se pela aquisição
desses dois sistemas. Esses sistemas foram escolhidos principalmente devido à sua
Característica
Correntes de eddy Capacitivo Vibrômetria Fibra óptica Triangulação a laser
Frequência de resposta uu u uuu uu u
Sensibilidade ao material da válvula uuu uuu u uuu u
Necessidade de calibração u u uuu uu uuu
Possibilidade de medição no local do impacto uuu u uuu uuu uuu
Obstrução dos pulsos de ar comprimido uuu u uuu uuu u
Custo uuu uuu u uuu uu
Total 15 10 14 16 11
67
frequência de resposta adequada, à sua facilidade de instrumentação, por
permitirem a medição no local próximo ao impacto, e por serem adequados para a
medição de materiais utilizados para a fabricação de válvulas de compressores. Os
princípios de funcionamento dos sistemas de medição de deslocamento escolhidos
são apresentados no apêndice II.
No presente capítulo foram discutidos detalhes sobre os requisitos
operacionais e metrológicos da bancada experimental a ser desenvolvida e a
seleção dos sistemas de medição de deslocamento a serem utilizados. No capítulo 5
serão apresentados detalhes sobre o desenvolvimento da bancada de ensaio de
válvulas.
68
CAPÍTULO 5 – DESENVOLVIMENTO DA
BANCADA EXPERIMENTAL DE ENSAIO DE
VÁLVULAS
O desenvolvimento da bancada experimental de ensaio de válvulas pode ser
dividido em duas partes: estrutura física e software. A discussão realizada no
presente capítulo acerca da estrutura física da bancada experimental incluiu
funcionamento da bancada, projeto mecânico de seus diversos componentes,
circuito pneumático e sistema de aquisição de dados utilizado. Com relação ao
software desenvolvido, suas principais funcionalidades e dados gerados nos ensaios
são discutidos.
5.1 – DESENVOLVIMENTO DA ESTRUTURA FÍSICA
5.1.1 – Funcionamento da bancada experimental
Conforme mencionado no capítulo 3, o método de utilização de dois pulsos de
ar comprimido alternados para realizar o movimento da válvula foi escolhido, sendo
um pulso responsável pela abertura e outro pelo fechamento da válvula. Esse
método foi escolhido por possibilitar o controle da velocidade em valores elevados e
por ocasionar rachaduras nas válvulas com aspectos similares às observadas em
compressores que falharam
[31]
.
Para gerar os pulsos de ar comprimido alternados são utilizados dois discos
com perfurações circulares transversais na vizinhança da sua circunferência. Os
discos são fixados no mesmo eixo e, por meio do ajuste de um ângulo de
69
defasagem entre os furos dos discos, é possível fazer com que os pulsos de ar para
abrir e fechar a válvula sejam gerados alternadamente. A válvula e placa válvula são
fixadas entre os dois pulsos de ar comprimido.
Para gerar os pulsos, um reservatório permanece em contato com os discos,
permitindo a passagem do ar comprimido caso esteja em contato com uma
perfuração ou vedando a passagem do ar caso esteja em contato com a superfície
lisa do disco. A rotação dos discos é controlada por um motor conectado ao eixo.
Essa configuração é mostrada na figura 24.
Figura 24: Funcionamento da bancada experimental
O motor conectado ao eixo é responsável pela frequência do movimento da
válvula. Quando maior a frequência rotacional de operação do motor, mais alta será
a frequência de excitação da válvula. O valor da velocidade é obtido derivando-se o
sinal de medição do deslocamento da válvula, o que é realizado instalando-se um
transdutor de deslocamento próximo ao local onde ocorre o impacto. A velocidade
de impacto é controlada por meio da pressão de ar comprimido existente nos
volumes anteriores aos discos perfurados. Para monitorar a pressão, transdutores
de pressão são instalados em diferentes locais nos volumes de ar comprimido.
A detecção da quebra é realizada por uma câmera que monitora
continuamente a existência de fratura na superfície da válvula. Para realizar a
detecção do impacto, um acelerômetro de alta frequência de resposta é fixado na
placa válvula.
70
5.1.2 - Componentes utilizados
Com o objetivo de atender aos requisitos operacionais e metrológicos da
bancada de ensaio de fadiga de impacto de válvulas, diversos componentes foram
selecionados e adquiridos de acordo com suas especificações. Entre os
componentes utilizados na bancada, destacam-se: motor elétrico; sistema de
medição de deslocamento de correntes de eddy; sistema de medição de
deslocamento de fibra óptica; câmera digital; sistema de iluminação; acelerômetros e
transdutores de pressão. A seguir, a escolha de cada um desses componentes é
discutida.
O motor elétrico é responsável por controlar a frequência do movimento da
válvula testada na bancada experimental. Como a velocidade de impacto também é
função da frequência dos pulsos de ar comprimido alternados utilizados para excitar
a válvula, uma característica importante do motor é sua capacidade de manter uma
frequência rotacional estável durante todo o ensaio. Outra característica desejável
no motor elétrico é que permita atingir altas frequências rotacionais, o que possibilita
a realização de ensaios com menor duração. Após uma criteriosa pesquisa dos
motores comercialmente disponíveis, o motor brushless Maxon modelo EC 45 se
destacou devido às suas características.
Esse motor tem frequência rotacional nominal de 10500 rpm, torque contínuo
de 280 mNm e potência de 250 W. O motor brushless é alimentado por uma fonte de
tensão contínua de 48 V modelo MCE CMH-48-10 e utiliza o controlador Maxon
DEC 70/10. Esse controlador permite o controle da frequência rotacional, da
corrente ou da tensão de alimentação e utiliza uma frequência de chaveamento de
50 kHz. O controle é realizado por meio de um sinal analógico de (-10 a +10) V.
O sistema de medição de deslocamento eddy Micro-Epsilon eddyNCDT 3300
se destacou entre os sistemas pesquisados e foi adquirido, em conjunto com o
sensor EU05 da mesma empresa. As principais características do sistema são a alta
frequência de resposta, de 100 kHz; o baixo erro devido à não-linearidade e a boa
resolução, respectivamente de ±0,2% e 0,01% da faixa de medição; e o reduzido
diâmetro do sensor, de 2,5 mm. O sistema também apresenta baixa deriva térmica,
de ±0,015% (da faixa de medição) por °C e pode gerar sinal de saída em tensão ou
71
corrente. Um mostrador de LCD auxilia a leitura do sinal de medição e ajuste dos
diversos parâmetros. A faixa de medição é de 0,5 mm.
Devido as suas dimensões reduzidas, o sensor pode ser utilizado no canal de
sucção, próximo ao local de impacto da válvula. O condicionador de sinais e o
desenho técnico do sensor adquiridos são mostrados na figura 25.
Figura 25: Sistema de medição de deslocamento eddy adquirido
O sistema de medição de fibra óptica adquirido foi o modelo RC20 da
empresa Philtec. O transdutor apresenta altíssima frequência de resposta – de
350 kHz – e o diâmetro do sensor é extremamente reduzido, medindo apenas 0,8
mm. O seu pequeno diâmetro permite que a medição seja realizada muito próxima
ao local de impacto da válvula.
O sinal de medição do sistema sofre mínima alteração, caso haja inclinação
do objeto a ser medido, em uma faixa de ±10°. Isso é vantajoso na aplicação
prevista, pois a válvula sofre inclinação durante o seu movimento. Na proximidade
do local de impacto, porém, a válvula terá certamente uma inclinação inferior a
±10°, não prejudicando a incerteza da medição.
O circuito de condicionamento conta com um sistema de estabilização da
temperatura do circuito eletrônico, rejeição da luz ambiente e faixa de medição linear
de 0,4 mm. O condicionador de sinais e o sensor do sistema de medição de fibra
óptica são mostrados na figura 26.
72
Figura 26: Condicionador de sinais e sensor do sistema de medição de fibra óptica
A câmera digital é utilizada para monitorar a válvula e detectar o instante do
ensaio de fadiga em que ocorre a fratura. Decidiu-se pela aquisição de uma câmera
com transmissão de dados via interface IEEE 1394, conhecida como FireWire, que
apresenta alta velocidade de transmissão de dados e baixo custo. Entre as câmeras
digitais pesquisadas, a Point Grey Flea 2 FL2G13S2M-C foi adquirida por apresentar
as melhores características.
A câmera escolhida tem resolução máxima de 1296x964 pixels, velocidade de
transmissão de até 800 Mbit/s, tempo de exposição de no mínimo 20 ns e a
possibilidade de utilização de trigger. Entre as características citadas, destaca-se o
tempo de exposição de apenas 20 ns. O tempo de exposição é definido como o
tempo que o obturador da câmera digital leva para abrir e fechar, deixando passar a
luz a ser detectada para sensibilizar o CCD da câmera. Na aplicação da bancada de
ensaio de válvulas, o tempo de exposição utilizado é curtíssimo para que seja
gerada uma imagem estática e bem definida. A utilização de um tempo de exposição
inadequado poderia gerar uma imagem borrada, e a detecção da quebra da válvula
não seria possível.
Para capturar as imagens com um tempo de exposição reduzido é necessária
uma excelente iluminação da válvula. Para isso foram adquiridos Leds verdes de
alto brilho. Os Leds têm potência de 3 W e são verdes devido à melhor sensibilidade
da câmera escolhida para o comprimento de onda referente à luz verde. Os Leds
são alimentados por duas fontes de corrente contínua reguláveis, de 18 W de
potência e corrente máxima de 1 A. Também foram adquiridas as lentes Fujinon
HF25HA-1B, com distância focal de 25 mm e regulagem manual do foco e da
abertura.
73
A detecção do instante de impacto é realizada por meio de um acelerômetro
instalado na placa válvula. Dois acelerômetros piezorresistivos Endevco foram
adquiridos, sendo um do modelo 71-20K e outro do modelo 71-60K. Esses
acelerômetros apresentam uma altíssima frequência de ressonância, dimensões
muito reduzidas, massa de apenas 0,06 g e são específicos para medição de
choque. As características que se destacam nesses acelerômetros são as altíssimas
frequências de resposta. Para uma atenuação na amplitude do sinal de ± 1dB, as
frequências de resposta são 68 kHz para o modelo 71-20K, e 136 kHz para o
modelo 71-60K. Essa característica é importantíssima na aplicação destinada aos
acelerômetros, já que a ocorrência do impacto deve ser acusada instantaneamente
no sinal de medição. Na figura 27 o acelerômetro Endevco adquirido, de apenas
6,35 mm de comprimento, 3,25 mm de largura e 1,85 mm de altura, é comparado em
tamanho com o de uma moeda.
Figura 27: Acelerômetro piezorresistivo Endevco modelo 71
Para medir as pressões existentes nos volumes que armazenam o ar
comprimido antes da geração dos pulsos que movimentam a válvula, foram obtidos
dois transdutores de pressão piezorresistivos Endevco 8530B-200. Entre as
principais características, os transdutores apresentam altíssima frequência de
ressonância, de 750 kHz, e faixa de medição de (0 a 14) bar. O transdutor é
mostrado na figura 28.
Figura 28: Transdutor de pressão Endevco 8530B-200
74
Os acelerômetros e os transdutores de pressão adquiridos operam por meio
do mesmo princípio de funcionamento. Nesses transdutores é utilizada uma ponte
completa ativa de extensômetros semicondutores, que são excitados por uma
tensão contínua de 10 V e, de acordo com o sinal medido, alteram sua resistência
ôhmica e, conseqüentemente, o sinal de saída do sistema. Para realizar o
condicionamento dos transdutores é utilizado um amplificador Endevco modelo 136
de três canais.
5.1.3 – Projeto Mecânico
Para realizar os ensaios de fadiga de impacto de válvulas, foi realizado um
projeto mecânico completo de uma bancada experimental. O projeto prevê a
utilização de todos os componentes adquiridos, incluindo os sistemas de medição de
deslocamento de fibra óptica e de correntes de eddy. O projeto das peças e seu
desenho técnico foi realizado com o auxílio do software Dassault Systèmes
SolidWorks
[54]
. A seguir, são discutidos os principais detalhes do projeto, incluindo a
fixação do motor, os discos com perfurações, os eixos e acoplamentos, a fixação
central, os volumes de ar comprimido, fixação dos sensores e câmera, entre outros.
O motor elétrico é montado a uma altura fixa em relação à base da bancada
experimental, sendo encaixado em um furo deslizante e preso com parafusos. Duas
mãos francesas são utilizadas para aumentar a rigidez da peça de fixação e reduzir
as vibrações. A peça de fixação é presa à base com o uso de parafusos, podendo se
mover longitudinalmente para eventuais ajustes. Um dissipador de calor de alumínio
foi projetado para evitar que o motor atinja altas temperaturas. Dois ventiladores são
utilizados para realizar a circulação de ar pelo dissipador.
Para que o eixo do motor tenha um bom alinhamento com os demais
componentes do sistema, tanto angular quanto radial, algumas tolerâncias
geométricas e dimensionais foram especificadas. Como principais tolerâncias de
projeto, pode-se citar a altura em relação à base, o diâmetro do furo de encaixe, o
perpendicularismo da face de fixação em relação à base e a simetria da peça em
75
relação ao centro. Na figura 29 a peça de fixação (a) e a montagem do motor elétrico
(b) podem ser visualizados.
Figura 29: Fixação do motor elétrico
Os discos com perfurações são responsáveis pelo controle da geração dos
pulsos de ar alternados e são um dos componentes mais importantes do projeto da
bancada experimental. Os discos e as demais peças que compõe esse grupo do
projeto mecânico são mostrados na figura 30. O disco possui perfurações
transversais circulares na vizinhança de sua circunferência e é fixado em um eixo
com o uso de uma porca e uma superfície de apoio.
Para realizar a função de vedar ou permitir a passagem de ar comprimido de
acordo com o contato com alguma perfuração, são utilizadas peças de teflon, que
são pressionadas contra o disco por meio de molas e deslizam sobre a superfície do
disco. O teflon foi escolhido por ser um material que não necessita de lubrificação,
resultando em um atrito e desgaste mínimos. O disco é fabricado de aço inoxidável.
O mesmo mecanismo é utilizado para a abertura e para o fechamento da válvula.
76
Figura 30: Discos com perfurações
Os discos possuem nove furos circulares de 9 mm de diâmetro. Esses valores
foram escolhidos por sempre permitirem o fluxo de ar comprimido pelas perfurações.
Essa configuração evita que discos se encontrem em posições nas quais a
passagem de ar fica completamente vedada, o que faria com que as peças de teflon
funcionassem como freios e exigissem um torque muito alto do motor.
Para que o mecanismo de geração de pulsos de ar comprimido funcione
corretamente, sem causar vibrações e atrito indesejados, é importante que o disco
tenha um excelente alinhamento em relação ao eixo. Visando garantir essa
característica, as peças do sistema foram usinadas respeitando rigorosas tolerâncias
geométricas e dimensionais. Entre elas, pode-se destacar: o paralelismo entre as
faces do disco perfurado, que foi retificado e polido; o perpendicularismo do furo de
fixação do disco em relação às suas faces; a concentricidade do eixo; o ajuste
deslizante entre o furo de fixação do disco e o diâmetro do eixo; o perpendicularismo
da face de apoio do disco em relação ao eixo.
Os nove furos foram usinados concentricamente em relação ao furo central e
com tolerâncias dimensionais em seu diâmetro, com o objetivo de gerar os pulsos de
ar comprimido com grande repetitividade. O apoio do eixo dos discos perfurados é
realizado por meio de alojamentos que suportam o sistema por rolamentos. O
projeto mecânico do sistema montado é mostrado na figura 31.
77
Figura 31: Sistema de discos perfurados montado
Dois acoplamentos ligados entre si por um eixo simples são utilizados para
conectar o motor ao sistema de discos perfurados. Os acoplamentos utilizados são
do tipo fole, modelo KB 1/10-20, da empresa KBK. Esses acoplamentos podem ser
utilizados em alta frequência rotacional e cada acoplamento suporta
desalinhamentos angular, radial e axial de até ±2°, ±0,2 mm e ±0,4 mm,
respectivamente.
Entre os dois discos perfurados é utilizado um acoplamento do tipo fole,
modelo KB 2/15-26. Esse acoplamento suporta desalinhamentos angular, radial e
axial de até ±1,5°, ±0,1 mm e ±0,3 mm, respectivamente. A ligação entre o motor e
os eixos dos discos perfurados é mostrada na figura 32.
Figura 32: Ligação entre o motor e os eixos dos discos perfurados
78
Entre os eixos dos discos perfurados é utilizado um mecanismo possibilita a
regulagem da defasagem angular entre as suas perfurações. Esse componente
permite que o ângulo entre os furos de um disco em relação ao outro seja ajustado.
Para alterar essa defasagem, são utilizadas duas peças que deslizam uma sobre a
outra, podendo ser aparafusadas quando encontrada uma defasagem angular ideal
para os ensaios.
Com esse recurso, o período de tempo entre os pulsos de ar responsáveis
pela abertura e pelo fechamento da válvula pode ser ajustado com muita facilidade.
A vista explodida do mecanismo de ajuste de defasagem angular entre os discos é
mostrada na figura 33.
Figura 33: Vista explodida do mecanismo de ajuste de defasagem angular entre os discos
[55]
A alta frequência rotacional do motor elétrico exige que o sistema de eixos
seja alinhado dentro de uma tolerância muito rigorosa. A existência de
desalinhamentos, mesmo que mínimos, causará vibrações e possivelmente a
quebra dos acoplamentos, já que esses suportam desalinhamentos dentro de um
limite especificado. Para garantir que a montagem seja feita com o mínimo
desalinhamento, foi projetado um mecanismo que impede que os componentes da
bancada experimental fixados ao eixo sejam montados de maneira indevida.
O mecanismo utiliza guias de montagem que são posicionadas em fendas
sobre a base da bancada, e todos os componentes que são fixados aos eixos são
montados sobre as guias. Esse recurso faz com que os componentes sejam fixados
praticamente sem nenhum desalinhamento em relação ao centro da base da
bancada, evitando a fadiga dos acoplamentos e as vibrações. Por gerar
desalinhamentos muito inferiores aos limites dos acoplamentos, esse mecanismo
torna desnecessária a realização de medições dos desalinhamentos dos eixos a
79
cada montagem, tornando o processo muito mais prático. As guias para alinhamento
e fendas são mostradas na figura 34.
Figura 34: Guias para alinhamento dos componentes fixados aos eixos
Com o objetivo de fixar a válvula a ser testada entre os discos perfurados foi
projetada uma peça chamada fixação central. A peça permite a montagem de uma
significativa quantidade de diferentes modelos de válvulas e, apesar das variações
em suas dimensões, os modelos testados são centralizados no mesmo ponto. A
fixação central e os diferentes conjuntos de válvulas são mostrados na figura 35.
Para garantir o alinhamento da válvula testada com o centro da base da bancada, o
mesmo mecanismo de guia para alinhamento dos componentes fixados ao eixo é
utilizado.
Figura 35: Fixação central e conjuntos de válvulas
80
A geração de pulsos de ar comprimido de grande intensidade requer um
dispositivo que armazene certo volume de ar comprimido na conexão de entrada dos
discos perfurados. A grande intensidade dos pulsos de ar é garantida utilizando-se
reservatórios de ar comprimido que foram projetados para ambos os discos
perfurados.
O reservatório que auxilia na geração dos pulsos de ar comprimido
responsáveis pela abertura da válvula é fixado em um suporte acima do eixo que
conecta o motor ao disco perfurado. O reservatório do disco que faz o fechamento
da válvula usa o mesmo tipo de suporte, sendo fixado a uma altura menor em
relação à base. Eles são conectados aos discos com o uso de roscas sextavadas e
fabricados de alumínio. Sua montagem é mostrada na figura 36.
Figura 36: Montagem dos reservatórios de ar comprimido
Para levar o ar comprimido para a bancada experimental são utilizadas
mangueiras ligadas a conectores pneumáticos fixados nos reservatórios. A pressão
disponível para os discos perfurados é medida por meio de transdutores de pressão
piezorresistivos que podem ser rosqueados em dois diferentes pontos de cada
reservatório. Um transdutor é instalado na face de entrada e o outro no corpo do
reservatório, em um local próximo à saída do ar comprimido. Caso algum transdutor
de pressão não seja utilizado, é utilizado um parafuso para impedir o vazamento de
ar comprimido. O reservatório com os transdutores de pressão, o conector
pneumático e as roscas de fixação são mostrados na figura 37.
81
Figura 37: Reservatório de ar comprimido
O sensor eddy é fixado no canal de sucção, medindo o deslocamento em um
ponto próximo à borda da válvula, local em que ocorrem os impactos que ocasionam
a falha da mesma. Para a instalação é utilizada uma peça de cobre na qual o sensor
eddy é rosqueado e travado com uma porca. A peça de fixação é colada na placa
válvula com o uso de cola líquida instantânea. O projeto mecânico da instalação do
sensor eddy é mostrado na figura 38.
Figura 38: Fixação do sensor eddy
Com o objetivo de facilitar a visualização do funcionamento do sensor eddy na
bancada, uma vista de seção do projeto mecânico da sua instalação é mostrada na
figura 39.
82
Figura 39: Vista de seção do funcionamento do sensor eddy
O sensor eddy deve ser instalado no ponto central da válvula, para evitar que
sejam gerados erros de medição devido ao mau posicionamento do mesmo. Com o
objetivo de garantir a instalação correta, é utilizado um gabarito aparafusado na
placa válvula para auxiliar a montagem. O gabarito, o sensor eddy e a peça de
fixação são mostrados na figura 40.
Figura 40: Gabarito para montagem do sensor eddy
De maneira similar a qual o sensor eddy é utilizado, o sensor do sistema de
fibra óptica é instalado no canal de sucção, próximo ao local de impacto da válvula.
O sensor é fixado com o uso de uma haste metálica em um sistema de
83
posicionamento manual de três eixos, que permite deslocamentos de até 9,4 mm em
cada eixo. Esse recurso possibilita o posicionamento do sensor em diferentes pontos
da válvula, aumentando a flexibilidade do sistema de medição.
O sensor de fibra óptica foi fabricado com dimensões específicas para a
utilização na bancada experimental e apresenta uma curvatura de 90° em sua ponta.
Essa configuração é utilizada para não obstruir os pulsos de ar comprimido que
movimentam a válvula. O projeto da fixação do sensor de fibra óptica é mostrado na
figura 41.
Figura 41: Fixação do sensor de fibra óptica
Na montagem do sensor de fibra óptica é utilizada uma peça com um rasgo
no centro para impedir que o sensor seja posicionado com um desalinhamento
grande, evitando a obtenção de resultados não desejáveis no sinal de medição.
Essa peça garante que o posicionamento do sensor seja realizado com um erro
máximo de ±0,75 mm em relação ao centro da válvula.
A peça de posicionamento é utilizada também para evitar que o sinal de
medição do deslocamento da válvula seja prejudicado por vibrações causadas
devido ao funcionamento da bancada ou pelo impacto da válvula. Essa peça é
utilizada para tencionar levemente o sensor, impedindo que as vibrações sejam
transmitidas e gerem erros de medição. Uma aproximação da montagem do sensor
de fibra óptica é mostrada na figura 42.
84
Figura 42: Aproximação da montagem do sensor de fibra óptica
A câmera digital deve ser posicionada de forma que se obtenha a imagem
mais nítida possível da borda da válvula testada, região na qual as fraturas devido
ao impacto ocorrem. Para possibilitar a detecção das rachaduras em sua fase inicial,
a câmera é posicionada do lado oposto ao assento da válvula. O posicionamento da
câmera é realizado por meio de um sistema de hastes metálicas e buchas de fixação
e, após a determinação do posicionamento ideal, a câmera é fixada com o uso de
parafusos. O sistema de posicionamento projetado para a bancada é mostrado na
figura 43.
Figura 43: Sistema de posicionamento da câmera digital
85
O sistema projetado permite a regulagem de quatro diferentes
posicionamentos da câmera:
altura em relação à base;
ângulo de inclinação;
afastamento em relação à válvula;
deslocamento lateral em relação ao centro da válvula.
A montagem da câmera digital na bancada experimental é mostrada na figura
44.
Figura 44: Montagem da câmera digital na bancada experimental
Conforme discutido no item 5.1.2, utiliza-se um tempo de exposição de curta
duração, a fim de possibilitar a obtenção de imagens nítidas da válvula. Aplicações
nas quais são utilizados tempos de exposição muito curtos exigem cuidado especial
na iluminação, já que se torna necessário iluminar com grande intensidade o objeto
a ser capturado. Caso a iluminação não tenha intensidade suficiente, a imagem
obtida pela câmera será muito escura e não possibilitará uma boa visualização.
Outra condição de contorno da iluminação é o aspecto altamente reflexivo da
válvula, que exige que a iluminação da sua superfície seja muito bem distribuída,
evitando reflexos de luz que prejudicariam a nitidez da imagem obtida.
A fim de se atingir os objetivos de uma iluminação com grande intensidade e
boa distribuição são utilizados Leds de alto brilho distribuídos de forma anelar ao
86
redor da válvula. As vistas frontal e traseira do projeto mecânico do anel de Leds é
mostrado na figura 45.
Figura 45: Anel de Leds para iluminação da válvula
A válvula testada é montada de forma que as propriedades mecânicas da
mesma sejam as mais parecidas possíveis daquelas encontradas quando ela é
utilizada no compressor. Isso é conseguido com uma montagem que utiliza a junta
projetada para a válvula, além de sua própria placa válvula e engastando-a da
mesma maneira realizada no compressor. Para manter propriedades mecânicas
como a rigidez e a frequência natural da válvula, projetou-se uma peça com função
equivalente ao diâmetro do cilindro do compressor, que faz o engaste da base da
válvula.
A obstrução da luz emitida pelos Leds é evitada projetando-se esse diâmetro
em forma cônica. Os reflexos, apontados como uma grande dificuldade para a
iluminação adequada da válvula, são evitados por meio da oxidação negra da peça,
tratamento que faz com que o aço utilizado tenha um aspecto fosco e escurecido. A
realização de ensaios de um grande número de modelos de válvulas de sucção é
possibilitada pela usinagem de três diferentes diâmetros de cilindros cônicos para
válvulas do tipo EG, e dois diferentes diâmetros para válvulas do tipo EM. O cilindro
cônico e uma vista de seção da montagem do conjunto de válvula são mostrados na
figura 46.
87
Figura 46: Cilindro cônico e vista de seção da montagem do conjunto de válvula
A montagem do conjunto de válvula é composta pelo anel de Leds, cilindro
cônico, junta, válvula, placa válvula, peça de fixação externa e parafusos. A peça de
fixação externa é utilizada entre a placa válvula e os parafusos, e tem a função de
impedir que a placa válvula seja flexionada e altere as propriedades mecânicas
originais da válvula testada. A vista explodida do conjunto de válvula é mostrada na
figura 47.
Figura 47: Vista explodida do conjunto de válvula
88
O direcionamento dos pulsos de ar comprimido responsáveis pela abertura e
pelo fechamento da válvula é realizado com o uso de tubos fixados na conexão de
saída dos discos perfurados. As saídas dos tubos são posicionadas o mais próximo
possível da válvula testada, para que o pulso de ar comprimido não seja distribuído
e sofra diminuição da sua intensidade antes de atingir a válvula.
Os tubos de abertura foram projetados com três diâmetros diferentes: (10, 16
e 20) mm. O projeto de três tubos possibilitou verificar as velocidades atingidas para
cada diâmetro e permitiu a escolha do tubo de abertura mais apropriado.
O tubo utilizado para o fechamento da câmera tem diâmetro de 12 mm e é
projetado de forma inclinada para não obstruir a câmera digital. O mesmo recurso é
utilizado no alojamento do disco perfurado. A fixação por meio de parafusos impede
que o tubo seja montado com inclinação indevida. Os tubos de direcionamento dos
pulsos de ar comprimido de abertura e fechamento da válvula são mostrados na
figura 48.
Figura 48: Tubos para o direcionamento dos pulsos de ar comprimido
A contagem do número de ciclos realizados pela válvula durante o ensaio é
realizada por meio de um dispositivo que utiliza um sensor indutivo, um ímã
permanente e um amplificador. O ímã é instalado em uma peça fixada ao eixo e a
89
montagem realizada faz com que o ímã excite o sinal de saída do sensor indutivo a
cada revolução completa do motor. A montagem do dispositivo para contagem do
número de ciclos é mostrada na figura 49.
Figura 49: Dispositivo para contagem do número de impactos
A alta frequência rotacional do motor, o mecanismo de geração dos pulsos de
ar comprimido de alta intensidade e os impactos da válvula testada contra o seu
assento são responsáveis pelos altos níveis de ruído verificados no funcionamento
da bancada de ensaio de válvulas. Como a cada revolução completa são gerados –
por cada disco perfurado – nove pulsos de ar comprimido, a frequência rotacional do
motor deve ser multiplicada por dezoito para se determinar a frequência do ruído
gerado pelos pulsos de ar comprimido. A determinação da frequência do ruído
gerado pelos impactos da válvula é realizada multiplicado-se a frequência rotacional
do motor por nove. Para exemplificar, realizando-se o ensaio em uma frequência
rotacional do motor de 3000 rpm, o ruído gerado pelos pulsos de ar comprimido terá
frequência de 900 Hz e o ruído gerado pelos impactos da válvula terá frequência de
450 Hz.
O nível de ruído gerado é reduzido com a utilização de uma caixa acústica,
fabricada de madeira, na qual a bancada de ensaio é instalada. Suas laterais
permitem a utilização de areia e placas acústicas para melhorar a isolação dos
ruídos gerados pela bancada de ensaio. A caixa acústica é totalmente vedada,
permitindo apenas a passagem dos cabos elétricos e mangueiras pneumáticas
utilizados no sistema desenvolvido.
90
A partir do projeto mecânico desenvolvido foram criados desenhos técnicos
de todas as peças do sistema, que foram usinadas conforme as especificações
indicadas. Foi dada atenção especial ao material das peças projetadas e o alumínio
e o aço inoxidável foram preferidos para a grande maioria dos componentes da
bancada por serem robustos à oxidação. Além disso, várias peças da bancada
experimental foram usinadas com tolerâncias dimensionais e geométricas muito
rigorosas, para que fossem cumpridos requisitos de posicionamento e alinhamento
dos seus diversos componentes. A figura 50 mostra a bancada de ensaio de fadiga
de impacto de válvulas projetada.
Figura 50: Bancada de ensaio de fadiga de impacto de válvulas projetada
5.1.4 – Circuito para contagem do número de ciclos e geração de trigger
para a câmera
O sensor indutivo do dispositivo de contagem do número de ciclos realizados
pela válvula é condicionado em uma unidade de tratamento de sinais
[56]
, que
disponibiliza uma saída amplificada do sinal gerado pelo sensor. O sinal gerado
pelo dispositivo pode ser visualizado na figura 51.
91
Figura 51: Sinal gerado pelo dispositivo de contagem de número de ciclos
O sinal amplificado deve ser condicionado para possibilitar a utilização do
contador de ondas quadradas da placa de aquisição de maneira apropriada. A
geração de uma onda quadrada é obtida com a utilização de um comparador, para o
qual a saída tem valor +5 V quando a tensão do sinal amplificado gerado pela
unidade de tratamento de sinais seja superior a um limite determinado.
O sinal obtido pelo circuito desenvolvido é mostrado na figura 52, onde o sinal
em preto é o sinal do dispositivo de contagem do número de ciclos, o sinal em
vermelho é a saída do comparador e a linha em verde é o limite de comparação.
Figura 52: Sinal do circuito eletrônico para geração de onda quadrada a partir do sinal de contagem
do número de ciclos
O sinal gerado é enviado para o contador da placa de aquisição para a
realização da contagem do número de ciclos, bastando multiplicar o resultado obtido
por nove, já que a cada revolução completa do motor – e a cada onda quadrada
gerada pelo sistema – ocorrem nove ciclos completos do movimento da válvula.
92
O mesmo sinal enviado ao contador da placa de aquisição do sistema é
utilizado como trigger para a câmera digital. O sistema de detecção de quebra de
válvula compara uma imagem de referência, obtida no início do ensaio, quando a
válvula ainda não apresenta nenhuma falha, com as imagens obtidas no decorrer do
ensaio. Para gerar imagens da válvula muito semelhantes entre si e facilitar o
processamento digital para detecção do instante de quebra, as imagens devem ser
capturadas no instante em que a válvula está em contato com seu assento, na
posição fechada. Isso é conseguido por meio do ajuste do tempo de atraso, via
software, da obtenção da imagem em relação ao sinal de trigger enviado para a
câmera.
5.1.5 - Circuito pneumático
O circuito pneumático da bancada de ensaio tem a função de gerar a pressão
e o fluxo de ar comprimido para a geração dos pulsos que movimentam a válvula.
No circuito pneumático são utilizados: uma válvula proporcional, uma válvula
manual, um filtro regulador com dreno automático integrado, conectores
pneumáticos e mangueiras. O diagrama esquemático do circuito é mostrado na
figura 53.
Figura 53: Diagrama esquemático do circuito pneumático
A válvula manual é do tipo esfera, e tem vazão nominal de no máximo 11500
l/min. O filtro regulador permite que a pressão de saída seja regulada manualmente
em uma faixa de (1,5 a 12) bar e conta com um manômetro para a indicação da
pressão. Sua vazão nominal é de até 3400 l/min.
93
A válvula proporcional do sistema pneumático ajusta a pressão de saída
proporcionalmente ao valor de referência enviado por meio da placa de aquisição e
pode gerar pressões na faixa de (0 a 10) bar. A vazão máxima da válvula
proporcional é de 7000 l/min.
A válvula proporcional tem a função de controlar a velocidade de impacto da
válvula. De maneira geral, quanto maior a pressão de saída da válvula proporcional,
maiores as velocidades de impacto atingidas pela válvula testada na bancada
experimental.
5.1.6 – Placas de aquisição de dados
O método para a determinação da velocidade de impacto da válvula propõe
que dois sinais independentes sejam utilizados: um dos sinais é o deslocamento da
válvula, do qual é obtido a velocidade; o outro é o sinal do acelerômetro, utilizado
para a determinação do instante de impacto. Para evitar qualquer erro de atraso
proveniente do sistema de aquisição de dados é utilizada uma placa de aquisição
simultânea para a obtenção dos sinais dos transdutores de deslocamento e de
aceleração.
Devido à curta duração do fenômeno do impacto e à elevada dinâmica dos
sinais medidos, determinou-se que a placa de aquisição utilizada deveria ter uma
alta frequência de amostragem. A placa de aquisição National Instruments PCI-
6133
[57]
foi adquirida para a utilização na bancada experimental.
As principais características da placa de aquisição são:
8 canais de entradas analógicas diferenciais de aquisição simultânea;
taxa de amostragem de até 3 milhões de amostras por segundo por canal;
resolução equivalente a 14 bits;
memória interna para 32 milhões de amostras;
8 entradas/saídas digitais;
2 contadores/temporizadores de 24 bits; e,
trigger digital e analógico;
94
O sistema de aquisição conta também com a placa National Instruments PCI-
MIO-16XE-10, para aquisições que necessitem de uma menor taxa de amostragem
e, principalmente, para utilização das suas saídas analógicas. A placa de aquisição
disponibiliza duas saídas analógicas de 16 bits, com faixa de (-10 a +10) V e taxa de
atualização de até 100 mil amostras/segundo. As saídas analógicas são utilizadas
para realizar o controle da frequência rotacional do motor e da pressão de saída da
válvula proporcional do circuito pneumático.
A seguir são listadas as entradas e saídas analógicas e o contador, que são
utilizados no sistema de aquisição de dados e controle da bancada de ensaio:
Entradas analógicas:
1. Sistema de correntes de eddy.
2. Sistema de fibra óptica
3. Acelerômetro piezorresistivo.
4. Transdutor de pressão piezorresistivo 1.
5. Transdutor de pressão piezorresistivo 2.
6. Controle da temperatura do circuito elétrico do sistema de fibra
óptica.
7. Temperatura do circuito elétrico do sistema de fibra óptica.
Saídas analógicas:
1. Controle da frequência rotacional do motor.
2. Controle da pressão da válvula proporcional.
Contador:
1. Contador do número de ciclos.
O sistema de aquisição de dados tem grande importância para o sistema
desenvolvido e a escolha adequada dos componentes utilizados contribui
significativamente para a confiabilidade metrológica dos resultados obtidos durante
os ensaios.
O desenvolvimento da estrutura física da bancada experimental é uma
importantíssima etapa da presente dissertação. A estrutura física desenvolvida é o
principal responsável por garantir a representatividade dos ensaios realizados e por
possibilitar o cumprimento dos requisitos operacionais e metrológicos definidos na
formulação do projeto.
95
5.2 – DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE
O software desenvolvido é responsável pela aquisição e controle dos dados
de entrada e saída da bancada e seu desenvolvimento foi realizado com o uso do
ambiente de programação gráfico National Instruments Labview, devido à sua
adequação para projetos de testes e medições. As principais funções do software
são: medição do deslocamento e obtenção da velocidade; detecção do instante de
impacto; controle da velocidade de impacto; detecção da quebra da válvula;
contagem do número de ciclos realizados pela válvula durante o ensaio. Os detalhes
do software desenvolvido são discutidos a seguir.
5.2.1 – Visão geral do software desenvolvido
O software desenvolvido é organizado em abas, que são utilizadas para
dividir os recursos existentes de acordo com o grupo funcional no qual se
encontram. As abas existentes no software desenvolvido são:
medição;
configuração;
gráficos no tempo;
movimento de válvula filtrado;
intensidade de impacto;
controle;
câmera.
A figura 54 mostra o aspecto geral do software desenvolvido. Nessa figura, o
programa se encontra na aba MEDIÇÃO, na qual são visualizados em um gráfico
principal os sinais de medição, além de vários indicadores e controles. No gráfico
mostrado na figura 54, podem ser visualizados os seguintes sinais de medição:
deslocamento da válvula, em preto;
velocidade da válvula, em azul;
96
aceleração de impacto da válvula, em vermelho;
detecção do instante de impacto, em verde.
Figura 54: Medições do software desenvolvido
O software permite selecionar os sinais a serem mostrados nos gráficos por
meio de botões, e a atualização do gráfico pode ser interrompida para melhor
visualização dos dados de medição obtidos. A frequência rotacional do motor pode
ser controlada manualmente em uma faixa de (1250 a 4000) rpm. Também é
possível controlar a pressão do ar comprimido entregue a bancada, em uma faixa de
(0 a 4) bar. O software possibilita utilizar o controle automático da velocidade de
impacto e a escolha da velocidade na qual o ensaio será realizado.
A imagem da válvula obtida pela câmera também é mostrada na aba
MEDIÇÃO, permitindo a visualização do estado da válvula testada durante todo o
ensaio. Nessa aba também são indicados os seguintes resultados de medição:
frequência de movimento da válvula (Hz);
frequência rotacional de acordo com o movimento da válvula (rpm);
97
frequência rotacional de acordo com a saída analógica do controlador do
motor (rpm);
velocidade de impacto média do ensaio (m/s);
velocidade de impacto (m/s);
ponto de velocidade máxima da aquisição (m/s);
valor médio dos pontos de velocidade máxima de cada ciclo (m/s);
velocidade de impacto média das n últimas aquisições (m/s), configurada pelo
usuário na aba “configuração”;
intensidade de impacto média (g)
1
, medida pelo acelerômetro;
número de ciclos realizados pela válvula durante o ensaio.
5.2.2 – Detecção do instante de impacto
O instante da ocorrência do impacto da válvula é detectado por um
acelerômetro piezorresistivo instalado na placa válvula, em uma posição próxima ao
local de impacto da extremidade da válvula. A ocorrência do impacto gera uma
grande oscilação no sinal de saída do acelerômetro e o instante de impacto é
detectado por meio do processamento do sinal de medição. No instante em que o
impacto é detectado é obtida a velocidade da válvula, pelo cruzamento das curvas
obtidas. Essa velocidade é chamada velocidade de impacto e é uma das principais
grandezas de interesse da bancada. A figura 55 mostra a detecção do instante de
impacto com o uso do acelerômetro.
A aproximação da válvula contra o seu assento pode ser visualizada no sinal
de deslocamento (em preto). O impacto resulta em uma grande oscilação do sinal do
acelerômetro (em vermelho) e é possível se detectar o instante de impacto (em
verde). Com o cruzamento da detecção do impacto com a curva da velocidade da
válvula (em azul) é obtida a velocidade de impacto, cujo valor no gráfico mostrado
na figura 55 é de aproximadamente 3,4 m/s. Esse procedimento é repetido para
todos os ciclos da aquisição, e a velocidade média de impacto é calculada.
1
Unidade de aceleração não pertencente ao Sistema Internacional de Unidades, mas a usual na área de
abrangência do presente trabalho (1g = 9,8 m/s²)
98
Figura 55: Detecção do instante de impacto
O algoritmo desenvolvido deve garantir que o impacto seja realizado no exato
instante em que é verificada uma oscilação de maior amplitude no sinal do
acelerômetro e que somente um ponto de impacto seja detectado a cada ciclo do
movimento da válvula. O algoritmo de detecção do instante do impacto realiza a
derivação do sinal da aceleração, para evidenciar com maior clareza o instante de
impacto e evitar a necessidade de ajustes devido ao erro de zero. Para que o
impacto seja detectado corretamente, de maneira instantânea e somente um ponto
por ciclo, o ponto considerado do sinal derivado deve atender às três condições
seguintes:
amplitude deve ser superior a um limite estabelecido;
valor médio dos n pontos anteriores deve ser inferior a um limite
estabelecido;
valor médio dos n pontos posteriores deve ser superior a um limite
estabelecido.
Os parâmetros são configurados para que a detecção seja realizada
corretamente para toda a faixa de velocidade de impacto e todas as frequências de
excitação permitidas para a realização dos ensaios.
99
5.2.3 - Controle da velocidade de impacto
O controle da velocidade de impacto é um importante recurso da bancada
experimental por ser o principal determinador dos resultados de resistência à fadiga
de impacto da válvula testada. O controle deve gerar um erro mínimo entre a
velocidade de impacto de ajuste e a velocidade média do ensaio. Além disto, a
velocidade de ensaio deve ter um desvio padrão reduzido, pois uma grande
dispersão nos valores de velocidade de impacto pode causar grande influência nos
resultados de fadiga obtidos.
Para o controle da velocidade de impacto da válvula foi utilizado um
controlador proporcional-integral, que utiliza o valor da velocidade de impacto como
parâmetro de entrada e atua na pressão de ar comprimido da bancada experimental.
Para implementar o controle, foi utilizado o toolkit PID
[58]
, da National Instruments. A
figura 56 mostra o gráfico correspondente ao controle da velocidade de impacto,
onde o sinal em branco é a velocidade de controle (m/s), o sinal em verde é a
velocidade de impacto medida (m/s) e o sinal em azul é a pressão controlada (bar).
Figura 56: Controle da velocidade de impacto
100
5.2.4 - Contagem do número de ciclos
O número de ciclos realizados pela válvula é contado a partir do início do
ensaio. A contagem é realizada por meio de um contador da placa de aquisição, que
armazena continuamente o número de revoluções realizadas pelo motor elétrico da
bancada. Para obter o número de impactos suportados pela válvula, o número de
revoluções é multiplicado por nove, já que os discos possuem nove perfurações e a
cada perfuração um ciclo do movimento da válvula é realizado.
Quando a falha da válvula é detectada, o número de impactos suportados
pela válvula até esse momento é obtido. Esse valor é o principal indicativo da
resistência da válvula à fadiga de impacto, sendo analisado em função da
velocidade de impacto controlada.
5.2.5 - Detecção de quebra da válvula
A ocorrência de fratura da válvula é detectada por uma câmera digital e um
software para processamento digital de imagem que monitoram continuamente a
superfície da válvula. O software de processamento de imagens foi desenvolvido
com o módulo Vision
[59]
, da National Instruments. Ao detectar a quebra, o software
acusa a falha da válvula e gera como resultado o número de impactos suportados
pela válvula até a ocorrência do impacto.
Para realizar a detecção automática do instante de falha, é obtida uma
imagem da válvula no início do ensaio, quando ainda não existem fraturas em sua
superfície. Essa imagem é chamada “imagem de referência”. Durante todo o ensaio,
são obtidas novas imagens da válvula continuamente, que são comparadas com a
imagem de referência por meio de uma operação matemática de subtração.
O software permite que as imagens a serem comparadas sejam processadas
com o uso de uma operação chamada filtragem. Essa operação consiste em alterar
para a cor preta todos os pixels inferiores a um determinado patamar de nível de
cinza e para a cor branca os pixels superiores ao limite estabelecido. Para obter
101
imagens da válvula sempre na mesma posição é utilizado um trigger que deve ser
ajustado para capturar as imagens no instante que a válvula está em contato com
seu assento. Isso garante uma semelhança maior entre as imagens capturadas
sequencialmente.
A operação de subtração consiste em obter a diferença entre os níveis de
cinza de uma imagem em relação à outra para cada pixel da imagem. Caso a
imagem de referência e a imagem comparada sejam idênticas, a subtração resulta
em uma imagem totalmente preta, já que o valor zero é obtido da operação. Na
graduação dos níveis de cinza, a cor preta é definida como zero. Na existência de
alguma diferença entre as imagens comparadas, a operação de subtração evidencia
apenas as áreas da imagem nas quais essas diferenças são detectadas.
A existência de um ponto branco na imagem resultante da subtração,
mostrada na imagem maior da figura 57, é acusada por uma função existente no
módulo National Instruments Vision. O software desenvolvido faz com que a
ocorrência de qualquer fratura na superfície da válvula seja detectada sem a
necessidade de monitoramento por parte do operador da bancada. O número de
fraturas é indicado pelo software e suas localizações são indicadas graficamente na
imagem processada. A parte do software responsável pelo processamento de
imagens é mostrada na figura 57.
Figura 57: Detecção de fratura da válvula
102
Entre os controles utilizados para o processamento de imagens no software
desenvolvido, pode-se citar:
opção de utilização do trigger;
tempo do atraso do trigger (ms);
tempo de exposição da câmera (ms);
opção de utilização de filtragem das imagens a serem comparadas;
valor limite de filtragem das imagens a serem comparadas (nível de cinza);
área da válvula a ser processada para detecção de fratura;
número de pixels máximo e mínimo para considerar na ocorrência de falha;
opção de salvar as imagens obtidas em disco rígido para análise.
O software desenvolvido representa uma importante ferramenta para o
cumprimento dos requisitos definidos durante a etapa inicial da dissertação,
utilizando os recursos e componentes da bancada experimental de forma a gerar
resultados representativos e com a menor incerteza possível. O software também
possibilita que os ensaios de fadiga de impacto de válvulas sejam realizados de
forma prática e automatizada.
No presente capítulo, foram discutidos detalhes acerca do desenvolvimento
da bancada de ensaio de válvulas. No capítulo 6, o desenvolvimento da bancada de
calibração dos sistemas de medição de deslocamento é discutido.
103
CAPÍTULO 6 – DESENVOLVIMENTO DE UMA
BANCADA PARA CALIBRAÇÃO DE
TRANSDUTORES DE DESLOCAMENTO
Os sistemas de medição de deslocamento utilizados na bancada de ensaio de
fadiga por impacto de válvulas exigem a obtenção das suas curvas características
de resposta para que, a partir dessas, sejam definidas as equações que relacionam
tensões de saída com deslocamentos das válvulas. O procedimento é necessário
pelo fato dos sistemas utilizados terem resposta dependente de cada instalação
específica, sendo influenciados, por exemplo, pelo material e forma do objeto
medido, existência de inclinação entre sensor e objeto e proximidade de outros
objetos. Com o objetivo de se obter as curvas características de resposta dos
sistemas de medição de deslocamento utilizados e a equações que definem seu
comportamento, uma bancada de calibração foi desenvolvida.
6.1 – DESENVOLVIMENTO DA ESTRUTURA FÍSICA
6.1.1 – Funcionamento da bancada
A calibração de sistemas de medição de deslocamento é normalmente
realizada por meio da aplicação de um deslocamento em um objeto, que é medido
simultaneamente por um sistema padrão e o sistema que se deseja obter a curva
característica de resposta. A bancada de calibração desenvolvida utiliza esse
princípio, permitindo a aplicação controlada e gradual de deslocamentos na válvula.
104
A bancada de calibração tem dois modos de funcionamento. Para a
calibração do sistema de fibra óptica é utilizado um mecanismo de “alça”, que puxa a
válvula. A calibração é realizada dessa maneira para não haver obstrução no
caminho óptico do feixe luminoso do sistema de fibra óptica por parte de algum
objeto, o que alteraria os resultados de medição. Já a calibração do sistema de
correntes de eddy é realizada com a utilização de apalpadores que empurram a
válvula para aplicar o deslocamento.
Para realizar a calibração do sistema de fibra óptica, a válvula é montada de
maneira idêntica à observada na bancada de ensaios. Em sua superfície, na face
oposta à face onde o sensor é instalado, é fixado um olhal, para que a válvula seja
alçada pelo mecanismo que aplica o deslocamento. A haste que puxa a válvula é
fixada a uma mesa micrométrica, que permite a aplicação de deslocamentos
graduais para que seja obtida a resposta do sistema para toda sua faixa de medição.
O deslocamento aplicado é constantemente medido por um sistema de medição
padrão, que funciona com contato e é utilizado como referência de deslocamento
pelo sistema desenvolvido. A figura 58 mostra princípio de funcionamento da
calibração do sistema de fibra óptica.
Figura 58: Princípio de funcionamento da calibração do sistema de medição de deslocamento
baseado em fibra óptica
105
A calibração do sistema de correntes de eddy funciona de maneira similar ao
de fibra óptica. Nessa calibração, porém, a válvula é deslocada por meio de dois
apalpadores de latão, que são instalados nas laterais do sensor eddy e empurram a
válvula. O princípio de funcionamento da calibração para o sistema de correntes de
eddy é mostrado na figura 59.
Figura 59: Princípio de funcionamento da calibração do sistema de medição de deslocamento
baseado em correntes de eddy
6.1.2 – Componentes utilizados
Os principais componentes utilizados na bancada de calibração são: motor de
passo, mesa micrométrica; sistema de medição de deslocamento padrão.
O motor de passo é utilizado para aplicar deslocamento à mesa micrométrica
de forma automatizada. Para aplicar o deslocamento, o motor de passo é acoplado
ao seu atuador manual da mesa micrométrica. O deslocamento angular do motor de
passo aplicado ao atuador manual da mesa micrométrica define a relação passo-
deslocamento linear resultante para o mecanismo desenvolvido.
O motor de passo utilizado na bancada de calibração é o Step-Syn
103-770-11, da empresa Sanyo Denki. Como principais características, o motor
106
utilizado é alimentado por uma tensão contínua de 5,1 V, corrente máxima de 1,0 A
e passo de (1,8 ± 0,09)°. A mesa micrométrica utilizada tem como principal
característica o deslocamento de 500 µm a cada revolução completa (360°).
O sistema de medição de deslocamento padrão é composto pelo transdutor
eletro-óptico incremental MT-12 e o mostrador ND-261, ambos da empresa
Heidenhain. O sistema apresenta: faixa de medição de 12 mm; comunicação serial
para o controle e leitura dos resultados de medição; incerteza de ±0,3 µm, conforme
calibração realizada no Laboratório de Metrologia Dimensional da Fundação CERTI,
laboratório integrante da Rede Brasileira de Calibração.
6.1.3 – Projeto mecânico
O acoplamento entre o motor de passo e a mesa micrométrica necessitou o
projeto de um mecanismo especial para compensar o deslocamento observado no
atuador quando se aplica um deslocamento à mesa micrométrica. O mecanismo é
formado por duas peças fixadas ao motor de passo e à mesa micrométrica, que por
sua vez são acopladas entre si por meio de três pinos cilíndricos. Os pinos deslizam
nos furos existentes nas peças, compensando o deslocamento do atuador manual
da mesa micrométrica. O mecanismo projetado para o acoplamento entre o motor de
passo e a mesa micrométrica é mostrado na figura 60.
Figura 60: Mecanismo para o acoplamento entre o motor de passo e a mesa micrométrica
107
A peça utilizada para a fixação da válvula é a mesma utilizada na bancada de
ensaios, conforme discutido no capítulo 5. A peça de fixação, juntamente com a
válvula, pode ser retirada facilmente da bancada de ensaios e fixada na bancada de
calibração. Para aplicar um deslocamento controlado à válvula, a mesa micrométrica
é instalada junto à peça de fixação da válvula com o uso de parafusos.
O sistema de medição de deslocamento padrão é preso à peça de fixação da
válvula por meio de buchas e parafuso. O projeto mecânico da bancada
desenvolvida para a calibração do sistema de medição de deslocamento baseado
em correntes de eddy é mostrado na figura 61.
Figura 61: Projeto mecânico da bancada de calibração desenvolvida
6.1.4 – Acionamento do motor de passo
O acionamento do motor de passo é controlado por quatro saídas digitais da
placa de aquisição utilizada. A sequência de acionamento das saídas digitais e a
frequência da sua atualização determinam, respectivamente, o sentido e a
frequência rotacional do motor de passo.
Para o acionamento do motor de passo, foi desenvolvido um circuito
eletrônico que fornece a corrente necessária para seu funcionamento, cujo principal
108
componente é vetor de transistores Darlington ULN2803A. Esse componente
disponibiliza oito saídas de corrente com a capacidade de 500 mA, que são
utilizadas aos pares para acionar o motor de passo.
A rotação do motor é realizada por meio do acionamento tipo meio-passo, que
possibilita o controle do motor em um passo intermediário. Isso é realizado com o
acionamento simultâneo de suas saídas digitais do sistema de controle, reduzindo a
resolução do passo do motor para 0,9°. A relação obtida entre passo-deslocamento
da mesa micrométrica é de apenas 1,25 µm a cada meio-passo. O passo linear
extremamente reduzido possibilitado pela bancada desenvolvida é uma excelente
característica para a calibração dos sistemas de medição de deslocamento.
6.2 – DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE
Um software desenvolvido em Labview é responsável pelo controle do
deslocamento aplicado à válvula montada e a aquisição dos sinais do sistema de
medição de deslocamento a ser calibrado e do sistema de medição padrão.
Os principais controles do software desenvolvido são: frequência rotacional do
motor de passo (rpm); faixa de calibração (µm); passo linear de deslocamento (µm);
tempo de espera entre medições (ms); deslocamento desejado (µm).
Como principais indicadores, o software da bancada de calibração apresenta:
gráfico da relação entre o deslocamento aplicado e a tensão de saída dos sistemas
de medição calibrados; deslocamento medido pelo sistema padrão(µm);
deslocamento estimado pelo mecanismo motor de passo-mesa micrométrica(µm);
erro entre o sistema de medição padrão e o estimado (µm); posição angular do
motor de passo(°). A tela principal contendo o painel frontal do software de
calibração desenvolvido é mostrado na figura 62.
109
Figura 62: Software de medição desenvolvido
Após a calibração dos sistemas de medição de deslocamento utilizados, são
gravadas tabelas com os resultados de medição, que são utilizadas para a
determinação da característica de resposta do sistema de medição.
A bancada desenvolvida permite, de maneira muito rápida, a obtenção das
curvas características de resposta dos sistemas a serem calibrados e a instalação
na bancada de ensaios de maneira idêntica à utilizada para a calibração, não
havendo a necessidades de ajustes nas peças de fixação da válvula ou dos
sistemas de medição. Isso garante que a característica de resposta obtida durante
as calibrações é válida também para os componentes quando instalados na
bancada de ensaios.
110
CAPÍTULO 7 – RESULTADOS OBTIDOS
No presente capítulo são apresentados os resultados obtidos da bancada de
ensaio de fadiga de impacto de válvulas desenvolvida, estruturados de acordo com
sua funcionalidade. Os seguintes resultados são discutidos: características do
funcionamento da bancada de ensaio, como alinhamento, frequência rotacional,
intensidade do pulso de ar comprimido; incertezas dos sistemas de medição;
detecção do instante de impacto; controle da velocidade de impacto; detecção de
quebra de válvula; contagem do número de ciclos e dados gerados pela bancada de
ensaio.
7.1 - FUNCIONAMENTO DA BANCADA DE ENSAIO
Entre os resultados verificados relativos ao funcionamento da bancada
experimental desenvolvida, são discutidos: alinhamentos dos eixos; atrito entre as
peças; frequência rotacional de utilização; intensidade dos pulsos de ar comprimido;
ruídos e vibrações.
O mecanismo de alinhamento das peças responsáveis pelo suporte dos eixos
da bancada experimental se mostrou adequado para permitir o funcionamento do
sistema em uma ampla faixa de frequências rotacionais. O projeto mecânico e as
tolerâncias geométricas e dimensionais especificadas garantem que os
desalinhamentos existentes estão dentro das tolerâncias angulares, axiais e radiais
suportadas pelos acoplamentos utilizados.
O alinhamento obtido permite a utilização da bancada experimental em
frequências rotacionais de até 7000 rpm, sem danificar a estrutura e os
componentes do sistema. O mecanismo de guias de alinhamento utilizado torna a
montagem da bancada fácil e rápida, evitando a geração de desalinhamentos
excessivos em função da montagem indevida. As tolerâncias dimensionais e
111
geométricas da peça de fixação da válvula garantem o seu posicionamento com
excelente centralização, para todos os modelos que o sistema permite testar.
O atrito existente entre os discos perfurados e as peças de teflon, utilizadas
para controlar a passagem dos pulsos de ar comprimido, não é apontado como um
problema. Em uma etapa inicial do projeto mecânico, foram usinados discos
perfurados com problemas de paralelismo entre suas faces e um eixo de fixação
com problemas de cilindricidade, o que causou atrito excessivo entre os discos e as
peças de teflon. O atrito resultou em vibrações e ruídos elevados, além do desgaste
da peça de teflon, cujos fragmentos podiam ser vistos na válvula testada durante o
ensaio. Com um novo projeto mecânico dos discos perfurados e do eixo esses
problemas foram contornados satisfatoriamente.
Medições realizadas em diferentes frequências de excitação do movimento da
válvula permitiram verificar que a velocidade de impacto sofre influência desse
parâmetro de ensaio. O gráfico da figura 63 mostra os valores de medição da
velocidade de impacto em função da frequência de excitação, para pressões de (1,5;
2,5 e 3,0) bar. As velocidades altas nas frequências de excitação mais baixas podem
ser explicadas pelo maior deslocamento da válvula, que ocorrem devido ao maior
período de contato entre as perfurações e o ar comprimido disponível para a
geração dos pulsos que movimentam a válvula.
Figura 63: Velocidade de impacto da válvula em função da frequência de excitação
Em frequências rotacionais demasiadamente baixas do motor elétrico
verificou-se que a válvula sofre torção durante o seu movimento. A instabilidade do
movimento da válvula é explicada pela forma com que os pulsos de ar se
112
desenvolvem através das perfurações dos discos. Cada perfuração dos discos entra
em contato gradualmente com o ar comprimido disponível para a geração dos
pulsos que movimentam a válvula. Isso resulta em uma distribuição não uniforme do
fluxo de ar comprimido gerado nos tubos de direcionamento, fazendo com que os
pulsos atinjam a válvula de maneira desordenada. Esse problema é contornado em
frequências mais altas, já que o efeito do contato gradual entre as perfurações e o ar
comprimido tem influência muito menor.
Por meio de uma observação visual do movimento da válvula capturada pela
câmera digital, a frequência de excitação mínima sugerida para os ensaios é de
350 Hz. A figura 64 compara o movimento da válvula para as frequências de
movimento da válvula de 190 Hz, onde a existência de uma pequena torção é
verificada pela não simetria do reflexo dos Leds em relação ao centro da válvula, e
de 350 Hz, estabelecida como valor mínimo de frequência de excitação para os
ensaios, na qual é possível verificar uma maior simetria .
Figura 64: Torção da válvula para diferentes frequências de excitação
A intensidade dos pulsos de ar comprimido permite atingir velocidades
máximas de 14 m/s no movimento da válvula. Esse valor é considerado suficiente, já
que os valores verificados nas medições das velocidades de impacto das válvulas
em compressores instrumentados apresentam valores muito inferiores. A realização
de ensaios em velocidades muito acima dos valores de operação do compressor
não são representativas em relação à real utilização das válvulas.
O valor da pressão de saída da válvula proporcional tem grande influência
nas velocidades de impacto observadas nas válvulas testadas, e a relação entre
essas duas grandezas é praticamente proporcional. Por esse motivo, a pressão é
utilizada como parâmetro de controle da velocidade de impacto da válvula. O gráfico
113
da figura 65 mostra a velocidade de impacto da válvula em função da pressão de
controle, para frequências de excitação de (310, 415 e 490) Hz.
Figura 65: Velocidade de impacto da válvula em função da pressão da válvula proporcional
Os erros de medição devido à vibração da bancada de ensaio são
considerados baixos, característica que foi garantida pela alta rigidez das estruturas
de fixação dos sistemas de medição, da válvula testada e das peças que suportam
os componentes rotativos do sistema.
Para comprovar a influência da vibração da bancada foram comparadas as
medições da variação do deslocamento da válvula, sem a utilização de ar
comprimido, para duas situações: motor desligado e motor ligado, operando em
frequência rotacional de 2500 rpm. As medições de deslocamento foram realizadas
com o sistema de fibra óptica, cuja fixação do sensor é considerada mais crítica em
termos de rigidez. Os valores de pico a pico do sinal de deslocamento foram (2,8 e
3,9) µm, para o motor desligado e ligado, respectivamente. A diferença de 1,1 µm
entre os valores obtidos é muito baixa e é possível concluir que a incerteza de
medição devido às vibrações é desprezível.
A montagem da válvula testada é realizada de forma que suas propriedades
mecânicas sejam as mais parecidas possíveis com a situação de aplicação no
compressor. A válvula é fixada em sua própria placa válvula, e utiliza-se também
sua junta e a peça de fixação externa equivalente à tampa do cilindro. A
frequência natural e a rigidez da válvula testada são mantidas com o uso de uma
peça que engasta a válvula na mesma posição de montagem do compressor. A
maior diferença entre a situação de utilização do compressor e os ensaios realizados
na bancada desenvolvida é a não utilização de óleo e gás refrigerante, que
implicariam dificuldades experimentais consideráveis.
114
7.2 – LEVANTAMENTO DAS INCERTEZAS DOS SISTEMAS DE
MEDIÇÃO DE DESLOCAMENTO
O levantamento das incertezas dos sistemas de medição de deslocamento é
realizado com a utilização da bancada de calibração desenvolvida e por meio da
análise das condições de operação dos transdutores na bancada de ensaio de
válvulas. A bancada de calibração permite aplicar um deslocamento conhecido na
válvula para se obter a curva característica dos sistemas de medição utilizados. Com
a resposta dos transdutores é possível realizar a determinação da repetitividade e da
curva de erros de linearidade.
O primeiro passo para o levantamento das incertezas é a obtenção da curva
característica de resposta para a faixa completa de medição dos sistemas
analisados. As curvas de resposta obtidas permitem que as faixas lineares de
ambos os sistemas sejam definidas. Com o uso do Método dos Mínimos Quadrados,
um algoritmo implementado por meio do software Mathworks Mathlab
[60]
define uma
equação linear para uma faixa de medição determinada, de modo que o erro
máximo entre o padrão de medição de deslocamento utilizado e a reta definida pela
equação encontrada seja o menor possível.
A determinação das incertezas considera uma faixa de medição de 200 µm,
pois é considerado que os impactos da válvula contra seu assento ocorram dentro
dessa faixa. O mesmo valor é utilizado nas medições de velocidade de impacto
realizadas em compressores, situação na qual existe uma película de óleo entre o
assento e a válvula, o que pode ocasionar impactos mais distantes do ponto em que
o deslocamento é zero. O gráfico da figura 66 mostra a curva característica de
resposta dos sistemas de medição para um deslocamento total de 1200 µm,
mostrando o valor da tensão de saída em função do deslocamento aplicado. No
gráfico é mostrado também o início e o final das faixas de medição lineares que
serão utilizadas no procedimento de levantamento das incertezas de ambos os
sistemas.
115
Figura 66: Curvas características de resposta para os sistemas fibra óptica e correntes de eddy
O procedimento teve como resultado os seguintes dados para as curvas de
resposta obtidas:
Sistema de fibra óptica:
o Início da faixa de medição: 194 µm.
o Tensão equivalente ao início da faixa de medição: 0,898 V.
o Final da faixa de medição: 398 µm.
o Tensão equivalente ao final da faixa de medição: 2,330 V.
Sistema de correntes de eddy:
o Início da faixa de medição: 566 µm.
o Tensão equivalente ao início da faixa de medição: 1,713 V.
o Final da faixa de medição: 765 µm.
o Tensão equivalente ao final da faixa de medição: 3,490 V.
Após a determinação da faixa de medição linear, é possível obter a
repetitividade e a curva de erros de linearidade dos sistemas de medição. Os
sensores devem ser posicionados em relação à válvula, de modo que as tensões de
saída dos sistemas sejam aquelas definidas no procedimento anterior. Para garantir
que os impactos sejam medidos com incerteza reduzida, as equações lineares que
definem as curvas de resposta dos sistemas de medição são obtidas para uma faixa
de cerca de 200 µm. Os pontos definidos anteriormente como pontos de início da
faixa de medição são considerados como deslocamento zero. A curva de erros de
116
linearidade do sistema de fibra óptica é mostrada na figura 67. O erro de linearidade
é o erro máximo observado na curva de erros. A curva de erro de linearidade do
sistema de fibra óptica teve como resultado o erro máximo de 0,69 µm para uma
faixa de medição de 191 µm.
Figura 67: Curva de erros devido a não-linearidade do sistema de medição de deslocamento de fibra
óptica
A figura 68 mostra a curva de erros de linearidade obtida para o sistema de
correntes de eddy, na qual o erro de linearidade verificado é 1,4 µm para uma faixa
de medição de 199 µm. Para garantir o erro máximo encontrado, os transdutores de
ambos os sistemas devem ser posicionados com uma tolerância de ±20 mV em
relação à tensão de saída equivalente ao início das faixas de medição
estabelecidas, o que pode ser realizado com relativa facilidade.
Figura 68: Curva de erros devido a não-linearidade do sistema de medição de deslocamento de
correntes de eddy
117
A incerteza padrão é originada no erro aleatório observado nas medições
realizadas sob as mesmas condições. A repetitividade dos sistemas utilizados é
obtida multiplicando-se a incerteza padrão pelo coeficiente de Student para 30 graus
de liberdade e 95,45 % de confiabilidade. Os valores do cálculo da repetitividade dos
sistemas de medição de correntes de eddy e fibra óptica são mostrados na tabela 2:
Tabela 2: Cálculo da repetitividade dos sistemas de medição de deslocamento correntes de
eddy e fibra óptica
Sistema de medição
Incerteza
padrão máxima
(µm)
Graus de
liberdade (ν)
Coeficiente de Student
(95,45% de
confiabilidade)
Repetitividade
(µm)
Fibra óptica
0,13
30
2,087
0,28
Correntes de eddy
0,075
30
2,087
0,16
A histerese não é considerada pelo fato dos sistemas serem do tipo sem
contato e empregados princípios de medição em que a histerese é desprezível. A
deriva térmica dos sistemas também não é incluída no cálculo das incertezas. Os
sensores são utilizados na temperatura ambiente, muito próxima à temperatura de
calibração, já que o ar comprimido tem pouca variação de temperatura, e os
sistemas de medição são praticamente insensíveis às pequenas variações. A
excelente resposta dinâmica dos transdutores acarreta na detecção e medição de
qualquer oscilação no deslocamento da válvula, e considera-se que os movimentos
realizados pela válvula na proximidade do instante de impacto sejam adquiridos com
alto grau de confiabilidade.
O erro máximo é obtido por meio da soma do erro de linearidade e da
repetitividade encontrados. Os valores calculados são 0,97 µm para o sistema de
fibra óptica e 1,6 µm para o sistema de correntes de eddy. Os resultados de
incerteza da medição de deslocamento de ambos os sistemas são considerados
excelentes, e se mostram adequados para a aplicação a qual são destinados. Além
disso, a instrumentação dos sensores na bancada experimental é realizada de forma
prática e rápida.
118
7.3 - DETECÇÃO DO INSTANTE DE IMPACTO
A detecção do instante de impacto da válvula testada representa um aspecto
crítico para a bancada experimental desenvolvida. A resposta do método utilizado
deve ser imediata, devido à característica do sinal da velocidade da válvula no
momento em que a válvula está prestes a colidir contra o assento. A velocidade de
impacto é definida como a velocidade da válvula no instante em que o impacto foi
detectado, pelo cruzamento das curvas obtidas. Nessa situação, a velocidade da
válvula sofre enorme variação, e qualquer atraso na detecção do instante do impacto
resulta em grande diferença na velocidade de impacto obtida pelo sistema
desenvolvido. O método de detecção de impacto deve acusar a colisão da válvula
contra seu assento imediatamente no instante em que o sinal proveniente do
acelerômetro piezorresistivo instalado na placa válvula sofre uma oscilação de maior
amplitude.
Os gráficos com os resultados de medição das figuras 69 e 70 mostram a
atuação do sistema de detecção do instante de impacto. A figura 69 permite
visualizar a enorme variação do sinal da velocidade da válvula. Na figura mostrada,
a velocidade da válvula sofre uma redução de 50 % de seu valor em apenas 10 µs,
confirmando o aspecto crítico da detecção do impacto, que deve ser realizada sem
atraso.
Na figura 70 é mostrado um gráfico aproximado da detecção de impacto
realizada pelo método desenvolvido, que permite visualizar que o impacto é
detectado no exato instante em que a amplitude do sinal do acelerômetro sofre
maior oscilação. O método de detecção de impacto desenvolvido mostra resultados
similares para toda a faixa de frequências de movimento de válvula determinada e
para toda a faixa de velocidades de impacto utilizada nos ensaios, comprovando a
adequabilidade do método.
119
Figura 69: Detecção do instante de impacto da válvula
Figura 70: Vista aproximada da detecção do instante de impacto da válvula
120
7.4 – CONTROLE DA VELOCIDADE DE IMPACTO
A velocidade de impacto deve ser controlada adequadamente para que seja
garantida a confiabilidade dos resultados de resistência à fadiga de impacto de
válvulas. Entre os dados gerados a cada ensaio, a velocidade de impacto média
pode ser considerada como uma das grandezas mais importantes. A razão disso é o
fato da velocidade de impacto controlada ser a principal determinante dos resultados
de fadiga de impacto obtidos. O algoritmo de controle deve também manter uma
baixa dispersão nas velocidades de impacto medidas em diferentes instantes, pois
uma grande variação prejudicaria a representatividade dos resultados do ensaio. O
seguimento de referência não é um fator crítico para o método de controle
desenvolvido, já que é mantida a mesma velocidade de impacto para todo o ensaio.
A tabela 3 mostra os resultados do controle da velocidade de impacto da válvula
para as velocidades de referência de (3, 4, 5 e 6) m/s.
Tabela 3: Resultados do controle da velocidade de impacto
Velocidade de
referência
(m/s)
velocidade de
impacto média
(m/s)
Erro (m/s)
Erro (%)
Desvio
padrao
(m/s)
Número de
pontos de
medição
3,00
2,999
-0,001
-0,03
0,53
315 k
4,00
4,003
0,003
0,08
0,96
315 k
5,00
5,001
0,001
0,02
1,2
315 k
6,00
5,999
-0,001
-0,02
2,0
315 k
O software de controle desenvolvido cumpriu os requisitos de manter a
velocidade de impacto média do ensaio com um erro mínimo em relação à
velocidade de impacto de referência. O desvio padrão relativamente alto das
velocidades de impacto medidas durante o ensaio é explicado pela instabilidade
inerente ao movimento da válvula na proximidade do impacto, devido à sua alta
dinâmica e do efeito chicote, discutido no item 2.4.2, e não pela inadequação do
algoritmo de controle.
A figura 71 mostra o gráfico do controle da velocidade de impacto da válvula,
no qual podem ser visualizadas: velocidade de impacto de referência; velocidade de
impacto medida e pressão de saída da válvula proporcional, grandeza na qual o
121
algoritmo de controle atua para variar a velocidade de impacto. No gráfico mostrado,
a velocidade de impacto de referência foi alterada de 2 m/s para 4 m/s.
Figura 71: Gráfico de controle da velocidade de impacto da válvula
7.6 – CONTAGEM DO NÚMERO DE CICLOS
A contagem do número de ciclos realizados pela válvula durante o ensaio é
realizado por um dispositivo que identifica uma revolução completa do eixo do motor
elétrico da bancada experimental. Como os discos perfurados são projetados com
nove furos cada, cada revolução completa equivale a nove ciclos do movimento de
válvula.
O dispositivo de contagem do número de ciclos realizados pela válvula
durante o ensaio cumpriu o requisito de apresentar baixa incerteza no seu resultado
e é possível garantir, devido à sua resposta estável e repetitiva, que não é perdida
nenhuma revolução completa no método de contagem.
A baixa incerteza é decorrente da baixa resolução do dispositivo em relação
ao número de ciclos suportados pela válvula até ocorrer a quebra ou a interrupção
122
do ensaio, que é considerado na ordem de milhões de ciclos. Os trabalhos
desenvolvidos por Svenzon
[31]
, Dusil e Johansson
[33]
e Nystrom, Larsson, Olsson e
Svensk
[28]
definiram que os ensaios devem ser interrompidos assim que são
realizados 10 milhões de ciclos. A resolução do dispositivo de contagem
desenvolvido é equivalente a apenas 0,00009 % em relação ao limite definido para a
interrupção dos ensaios pelos trabalhos anteriores.
A incerteza do dispositivo de contagem pode ser melhorada com o tratamento
do número de revoluções completas de acordo com a equação 6:
Número de ciclos = Revoluções completas * 9 - 4 (6)
Com a equação 6, a incerteza de medição torna-se ±5 ciclos. O dispositivo de
contagem se mostrou, portanto, adequado para cumprir os requisitos estabelecidos
e apresenta robustez e funcionamento estável.
7.5 – DETECÇÃO DE QUEBRA DE VÁLVULA
A ocorrência de fratura na superfície da válvula testada é detectada
comparando-se várias imagens obtidas sequencialmente com uma imagem de
referência, que por sua vez é obtida no início do ensaio, situação em que a válvula
ainda não apresenta fratura. Realizando uma operação chamada subtração, o
software desenvolvido acusa a quebra da válvula quando a diferença entre a última
imagem capturada e a imagem de referência torna-se superior a um determinado
limite.
A detecção de quebra da válvula mostrou melhores resultados quando é
utilizada a operação de filtragem, que conforme discutido no item 5.2.4, evidencia a
borda da válvula com maior clareza e torna o algoritmo de detecção de fratura mais
eficiente. O funcionamento do software desenvolvido pode ser visualizado na figura
72. A fratura da borda da válvula é evidenciada na imagem chamada
Processamento de Imagem, que indica o local em que a quebra foi identificada. O
123
método desenvolvido apresenta boa sensibilidade, possibilitando a detecção de
fraturas de pequenas dimensões.
Figura 72: Software de detecção de quebra de válvula
A partir do instante em que a fratura da válvula é detectada, as imagens
capturadas são gravadas e nomeadas de acordo com o número de ciclos realizados
pela válvula no momento em que foram obtidas. O operador tem também a opção de
gravar as imagens obtidas continuamente, possibilitando detectar trincas na
superfície da válvula, para que o início e a propagação da falha sejam analisados
mais detalhadamente.
A incerteza da detecção da quebra da válvula é considerada a mesma da
contagem do número de ciclos realizados durante o ensaio, já que o software
desenvolvido permite gravar uma nova imagem a cada revolução completa do motor
elétrico da bancada experimental. O resultado obtido é considerado excelente, já
que a incerteza de ±5 ciclos tem valor muito baixo em relação ao número de ciclos
necessários para ocasionar a falha da válvula testada.
124
7.6 – DADOS GERADOS PELA BANCADA DE ENSAIO
Os dois principais dados gerados pela bancada de ensaio de válvulas
desenvolvida são a velocidade de impacto controlada e o número de ciclos
suportados até a detecção da falha da válvula. Com a relação entre o número de
ciclos em função da velocidade controlada é possível tratar os dados obtidos de
forma que sejam geradas informações extremamente importantes para análise das
propriedades de resistência à fadiga de impacto das válvulas projetadas.
Os dados obtidos pelos ensaios da bancada experimental podem ser
utilizados, por exemplo, para a geração de uma curva S-N, conforme discutido no
apêndice I. A curva S-N tem grande utilidade para a análise das propriedades de
resistência à fadiga de impacto de materiais, permitindo a realização de
comparações entre diferentes projetos, mostrando com clareza qual apresenta maior
resistência.
Outro dado interessante aos projetistas é a determinação do limite de fadiga,
cujo resultado é a velocidade de impacto na qual é verificada a falha de 50 % das
válvulas testadas, até um limite determinado para o número de ciclos do movimento
da válvula. O limite de 10 milhões de ciclos é sugerido por Svenzon
[31]
, Dusil e
Johansson
[33]
e Nystrom, Larsson, Olsson e Svensk
[28]
para a interrupção dos
ensaios de fadiga de impacto de válvulas. A obtenção do limite de fadiga tem grande
utilidade, por possibilitar a determinação do limite de velocidade de impacto que
pode ser verificado no compressor, a partir do valor resultante, para que as falhas
sejam evitadas.
A curva de probabilidade de sobrevivência representa outro recurso de
grande utilidade para a análise da resistência à fadiga de impacto das válvulas. Esse
tipo de gráfico mostra a probabilidade da não ocorrência de falha (%) em função da
velocidade de impacto controlada durante o ensaio. A curva de probabilidade de
sobrevivência mostra os valores de velocidade que são verificadas sobrevivência de
100 % das válvulas testadas. O resultado obtido pode ser utilizado para a
determinação da velocidade de impacto máxima que pode ser medida em
compressores instrumentados sem que haja o risco de ocorrência de fratura quando
utilizados em sistemas de refrigeração.
125
O tratamento dos dados de fadiga de impacto não foi realizado de maneira
mais detalhada, e as curvas e resultados que a bancada experimental possibilita
gerar não serão demonstrados, pois a realização de um número adequado de
ensaios não foi possível. O sistema de ar comprimido do laboratório no qual o
trabalho foi desenvolvido não tem capacidade de vazão suficiente para realizar
ensaios completos. Era observada a queda considerável na pressão de entrada da
válvula proporcional. Isso se deve ao fato de ser uma central de ar comprimido
pequena, com 25 anos de operação e distante mais de 20 m do ponto em que foi
operada a bancada. Os ensaios, portanto, precisavam ser interrompidos inúmeras
vezes, até que a pressão do sistema de ar comprimido fosse restabelecida.
Considera-se que a utilização da bancada desenvolvida em uma empresa não será
prejudicada por esse problema, já que é comum que os sistemas de ar comprimido
de empresas tenham capacidade de vazão muito superior ao necessário para
operação da bancada experimental desenvolvida.
No presente capítulo, foram apresentados e discutidos os resultados obtidos,
relativos ao: funcionamento da bancada, levantamento de incertezas de medição de
deslocamento, detecção do instante de impacto, controle da velocidade de impacto,
contagem do número de ciclos, detecção de quebra de válvula e resultados a serem
gerados.
Os resultados apresentados comprovam que a bancada de ensaio
desenvolvida, apesar das dificuldades técnicas inerentes ao fenômeno mensurado,
cumpriu os requisitos estabelecidos. A bancada experimental desenvolvida durante
o presente trabalho representa uma ferramenta de grande importância para a
determinação das propriedades de resistência à fadiga de impacto de válvulas de
compressores de refrigeração, realizando ensaios totalmente automatizados. No
capítulo 8, conclusões acerca do sistema desenvolvido e propostas para trabalhos
futuros são apresentadas.
126
CAPÍTULO 8 – CONCLUSÕES E PROPOSTAS
PARA TRABALHOS FUTUROS
8.1 – CONCLUSÕES ACERCA DOS RESULTADOS OBTIDOS
A possibilidade de se determinar a resistência à fadiga de impacto de válvulas
de compressores de refrigeração é um recurso muito importante para projetos de
válvulas, devido a sua inquestionável influência na confiabilidade do compressor no
qual as válvulas são utilizadas.
Antes do desenvolvimento do presente trabalho, os métodos de verificação da
conformidade das válvulas de sucção nas propriedades de fadiga de impacto eram
considerados pouco representativos e de baixa confiabilidade metrológica, apesar
da falha devido à fadiga de impacto se mostrar extremamente crítica. Os métodos de
instrumentação de compressores para a verificação das velocidades de impacto
atingidas não permitia extrair resultados conclusivos, além de apresentarem baixa
confiabilidade metrológica nas medições.
A presente dissertação procurou suprir a carência do setor por um sistema
para a determinação da resistência à fadiga de impacto de válvulas de sucção; uma
bancada experimental que realiza essa função foi desenvolvida.
As vantagens da utilização da bancada experimental desenvolvida em relação
ao método de medição em compressores instrumentados, utilizado até então, são
significativas. O sistema desenvolvido permite provocar a quebra das válvulas
testadas sob condições controladas. Em compressores instrumentados, as
velocidades de impacto verificadas são demasiadamente baixas para ocasionar a
quebra da válvula. Adicionalmente, encontra-se grande dificuldade para replicar as
condições de operação que causam as falhas verificadas em compressores
utilizados em campo, impossibilitando a obtenção de dados sobre o limite de fadiga
do material. Destaca-se que porcentual de compressores que apresenta falha em
127
campo é expressivo em termos gerais, porém muito pequeno considerado a
probabilidade de que venha a falhar em laboratório.
A bancada experimental permite que os procedimentos de instrumentação e
calibração sejam realizados com facilidade e rapidez, assim como a troca da válvula
para a realização de um próximo ensaio. A frequência de excitação elevada é outro
fator vantajoso na utilização da bancada experimental desenvolvida. A frequência de
operação utilizada na bancada é cerca de seis vezes superior à frequência de
funcionamento dos compressores, possibilitando diminuição significativa dos tempos
de duração dos ensaios.
As principais atividades realizadas durante o presente trabalho são:
determinação do princípio de funcionamento da bancada de ensaio; seleção e
aquisição dos sistemas de medição a serem utilizados; projeto mecânico completo
da bancada de ensaios; projeto mecânico de uma bancada para a calibração dos
sistemas de medição de deslocamento; software de controle e aquisição de dados
das bancadas desenvolvidas; análise das incertezas dos principais resultados de
medição.
A facilidade de instrumentação e a relação linear entre as tensões exercidas
na superfície da válvula na ocorrência do impacto e sua velocidade de impacto,
apontaram a velocidade como grandeza a ser utilizada como medida da intensidade
de impacto. As outras grandezas consideradas – deformação, aceleração e força –
foram descartas por apresentarem dificuldades experimentais elevadas e baixa
representatividade.
Estudos relativos a trabalhos anteriores permitiram concluir que a melhor
forma de se realizar o movimento da válvula seria com a utilização de pulsos
alternados de ar comprimido, que são direcionados para as faces da válvula,
forçando sua abertura e fechamento. Esse princípio de funcionamento permite
atingir altas velocidades de impacto e ocasionar fraturas similares às encontradas
nas válvulas de compressores que apresentaram falha devido à fadiga de impacto.
Decidiu-se pela utilização de sistemas de medição de deslocamento sem
contato para a determinação da velocidade do movimento da válvula, a qual é obtida
por meio da derivação do sinal de deslocamento. Diversos princípios de transdução
de deslocamento foram estudados, incluindo: sistemas de correntes de eddy,
sistemas capacitivos, vibrômetros laser Doppler, sistemas de fibra óptica e lasers
interferométricos. Dentre os sistemas analisados, os sistemas baseados em
128
correntes de eddy e em fibra óptica se mostraram os mais adequados e foram
adquiridos.
A bancada de ensaio desenvolvida se mostrou adequada para a realização de
ensaios de fadiga de impacto de válvulas, mostrando boa representatividade nos
resultados gerados e garantindo a manutenção das principais propriedades
mecânicas da válvula testada, em relação às observadas na utilização em
compressores de refrigeração.
As altas velocidades de impacto possibilitadas pela bancada experimental
ocasionam cargas superiores ao limite de fadiga de impacto do material da válvula,
ocasionando sua fratura e permitindo a geração de uma grande variedade de
resultados.
A bancada de calibração desenvolvida, por sua vez, permite a obtenção das
curvas características de resposta dos sistemas de medição de deslocamento
utilizados na bancada de ensaios. A bancada desenvolvida possibilita a obtenção de
equações que resultam em incertezas de medição muito reduzidas, garantindo alta
confiabilidade metrológica na realização dos ensaios de fadiga.
O método de detecção do instante de impacto desenvolvido, considerado uma
condição de contorno crítica do projeto, possibilita acusar o impacto exatamente no
instante de sua ocorrência e se mostrou adequado para cumprir os requisitos
metrológicos estabelecidos.
Outra funcionalidade considerada importante é o controle adequado da
velocidade de impacto, que foi realizada satisfatoriamente pelo sistema
desenvolvido. O algoritmo de controle atua de forma a resultar em um erro mínimo
da velocidade de impacto média do ensaio em relação à velocidade de referência,
garantindo a confiabilidade metrológica dos resultados gerados.
A contagem do número de ciclos é realizada por meio de um dispositivo
composto por um sensor indutivo e um ímã permanente fixado ao eixo. O dispositivo
desenvolvido resultou em uma mínima incerteza de medição, de apenas ±5 ciclos.
Esse valor é considerado insignificante em relação ao número de ciclos suportados
pela válvula até ocorrer a falha devido à fadiga de impacto.
O método de detecção do instante de quebra da válvula desenvolvido utiliza
uma câmera e processamento digital de imagem para acusar a ocorrência de fratura
na superfície da válvula. No instante em que a falha da válvula testada é detectada,
é obtido o número de ciclos suportados pela válvula até esse momento, o que será
129
utilizado como indicativo da resistência à fadiga de impacto da válvula. O método de
detecção desenvolvido apresenta boa sensibilidade, possibilitando inclusive a
gravação de imagens durante todo o ensaio da válvula. Esse recurso permite que a
falha seja analisada desde sua fase inicial, na qual as trincas provenientes da fadiga
de impacto podem ser visualizadas. A incerteza da detecção de impacto é
considerada de mesmo valor da contagem do número de ciclos (± 5 ciclos), sendo,
portanto, extremamente baixa.
As bancadas de ensaio de fadiga de impacto de válvula e de calibração dos
sistemas de deslocamento cumpriram, portanto, os requisitos metrológicos e
operacionais estabelecidos e permitem a realização de ensaios com excelentes
características operacionais e alta confiabilidade nos resultados gerados.
8.2 – PERSPECTIVAS DE UTILIZAÇÃO EM PROJETOS DE
VÁLVULAS
Por estar diretamente relacionada à confiabilidade de compressores, a
constatação da adequada resistência à fadiga de impacto de válvulas é uma
importantíssima atividade a ser realizada durante a pesquisa, desenvolvimento e
produção de compressores de refrigeração.
Conforme discutido no item 7.6, a bancada de ensaios desenvolvida permite a
obtenção, por meio do tratamento estatístico dos dados, de: curvas S-N; curvas de
probabilidade de sobrevivência; limite de fadiga das válvulas testadas. Esses
resultados possibilitam a determinação de valores de referência de velocidade de
impacto, que podem ser utilizados para a realização de testes de conformidade.
Comparando-se os valores de referência obtidos por meio da bancada de ensaios
com os adquiridos nos compressores instrumentados é possível verificar se as
velocidades de impacto medidas nos compressores são superiores a um limite
estabelecido, o que indicaria a possibilidade de quebra quando em aplicação.
Outra atividade de grande importância permitida pela bancada experimental
desenvolvida é a comparação entre diferentes modelos de válvulas. É muito comum
130
a realização de projetos que buscam a melhoria na eficiência dos compressores e,
devido a sua grande influência nessa característica, as válvulas são frequentemente
alteradas para cumprir esse objetivo. A constatação de que as alterações realizadas
não prejudicam a resistência à fadiga por impacto da válvula é de fundamental
importância para o não comprometimento da confiabilidade do compressor.
Devido a sua alta confiabilidade metrológica, facilidade de instrumentação e
alta frequência de operação, o sistema desenvolvido permite a realização do
procedimento conhecido por planejamento de experimentos (Design of Experiments
- DoE). Por meio da realização de diversos ensaios, esse procedimento possibilita a
avaliação da influência de diversos parâmetros de projeto de válvulas, tais como:
espessura; dimensões e dureza do assento; propriedades diversas do material;
frequência natural; entre outros. O planejamento de experimentos gera resultados
muito úteis para serem empregados na otimização da resistência à fadiga por
impacto das válvulas projetadas.
A comparação entre a instrumentação utilizada em compressores e os
sistemas de medição utilizados na bancada de ensaios representa outra importante
utilidade do trabalho desenvolvido. A bancada experimental pode ser facilmente
utilizada para a determinação das incertezas dos sistemas de medição utilizados em
compressores instrumentados. Essa comparação permite verificar, por exemplo, as
limitações no que concerne à resposta dinâmica e ao atraso na detecção do instante
de impacto dos sistemas empregados, apontados como principais fontes de
incerteza.
O sistema desenvolvido possibilita, por meio da realização de ensaios
totalmente automatizados, a validação de todos os novos projetos de válvulas e na
verificação dos modelos já utilizados. O presente trabalho representa uma inovação
tecnológica e uma importantíssima ferramenta de projeto para a garantia da
confiabilidade dos compressores desenvolvidos.
A bancada de ensaio de fadiga por impacto de válvulas será utilizada
imediatamente após a conclusão da presente dissertação. O primeiro trabalho
realizado será a comparação entre os resultados obtidos pelos sistemas de medição
utilizados na bancada e os de compressores instrumentados. Devido à sua baixa
incerteza de medição, os sistemas de medição empregados na bancada
experimental serão empregados como referência metrológica nesse procedimento.
131
Em seguida, pretende-se iniciar os procedimentos de ensaios para a geração
de um banco de dados com os valores de resistência à fadiga de impacto de
diferentes modelos de válvulas de sucção de compressores de refrigeração.
8.3 – OPORTUNIDADES FUTURAS
As próximas atividades sugeridas para aprimoramento da bancada de ensaio
de fadiga por impacto de válvulas são a realização de um número maior de ensaios
completos e o tratamento estatístico dos dados obtidos. Para a realização de
ensaios completos, deve-se instalar a bancada experimental junto a um sistema de
ar comprimido de adequada vazão, para não haver a necessidade de interrupção
dos ensaios quando observada a diminuição da pressão de saída da válvula
proporcional.
Trabalhos anteriores que abordam fadiga de impacto de válvulas discutem os
métodos e procedimentos estatísticos utilizados para o melhor aproveitamento dos
dados gerados pelas bancadas experimentais. O tratamento estatístico apropriado
dos dados permite o levantamento de curvas S-N e de curvas de sobrevivência com
alto grau de confiabilidade, além da determinação do limite de fadiga segundo
métodos já validados em ensaios de fadiga, como o método “escada”
[61]
.
A fractografia representa uma atividade de grande utilidade na análise das
propriedades de fadiga de impacto das válvulas testadas. Com o uso da microscopia
eletrônica ou óptica, a análise fractrográfica permite entender com maior clareza as
formas de geração e propagação de trincas, auxiliando na prevenção de falhas
provenientes das tensões de impacto. A análise fractográfica é amplamente
discutida em artigos relativos à fadiga de impacto de válvulas e pode ser
considerada uma importante atividade complementar ao presente trabalho.
132
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2003
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138
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Superfície. Disponível no portal eletrônico
<http://www.vibrochips.com.br/v3/upload/docs/apresentacao.pdf >. Acesso em Julho
de 2009
139
APÊNDICE I
Revisão de conceitos em fratura e fadiga de materiais
O presente apêndice apresenta conceitos básicos relativos à fratura e fadiga
de materiais.
Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a forças e
carregamentos. Isto torna necessário o conhecimento das características do material
para se projetar a peça para que a deformação existente não seja excessiva e a
fratura seja evitada. A relação entre a deformação sofrida pelo material para uma
determinada força ou carregamento aplicado é função do seu comportamento
mecânico
[62]
. Resistência, dureza, ductibilidade e rigidez são algumas das
propriedades mecânicas dos materiais
[63][64]
.
As propriedades mecânicas dos materiais são determinadas com a realização
de experimentos laboratoriais cuidadosamente projetados que replicam o mais
próximo possível as condições de serviço
[64][65]
. Os fatores a serem considerados
incluem a natureza da carga aplicada e sua duração, assim como as condições
ambientais. A carga aplicada pode ser trativa, compressiva ou de cisalhamento, e
sua magnitude pode ser constante ou flutuar continuamente
[62][63][64]
.
Comportamento Tensão-Deformação
O grau em que uma estrutura se deforma depende da magnitude da tensão
imposta. Para a maioria dos metais que são tensionados trativamente em níveis
relativamente baixos, tensão e deformação são proporcionais entre si conforme a
equação I.1
[62][63]
:
σ = Εε (I.1)
140
Onde:
- σ é a tensão;
- E é o módulo de elasticidade;
- ε é a deformação.
Essa equação é conhecida como a Lei de Hooke, e a constante de
proporcionalidade E é o módulo de elasticidade, ou módulo de Young, sendo
expresso por GPa
[63]
.
Na fase elástica do material, um diagrama da tensão (ordenada) e
deformação (abscissa) resulta em uma relação linear, conforme mostrado na figura
I.1. A inclinação dessa relação em sua faixa linear corresponde ao módulo de
elasticidade (E). Na escala atômica, a deformação elástica provoca pequenas
mudanças no espaçamento interatômico e o alongamento das ligações
interatômicas. Como conseqüência, a magnitude do módulo de elasticidade é a
medida da resistência à separação de átomos/íons/moléculas adjacentes, isto é, as
forças de ligação interatômicas. A deformação elástica tem natureza não-
permanente, o que significa que quando a carga aplicada é retirada, a peça retorna
à sua forma inicial
[63]
.
Figura I.1: Comportamento tensão-deformação na deformação elástica
Quando o comportamento tensão-deformação de um material não respeita a
linearidade existente nas deformações elásticas é observada a deformação plástica,
que é uma deformação não recuperável e permanente. Diferente da deformação
elástica, quando ocorre a deformação plástica a peça não retorna a sua forma inicial
após o descarregamento do material. Em uma escala atômica, a deformação
plástica causa a quebra das ligações entre os átomos vizinhos originais, seguido
pela formação de novas ligações com diferentes átomos. Com a remoção da tensão,
141
os átomos não retornam às posições originais. Quando a deformação plástica
excede o limite do material, ocorre a ruptura. A figura I.2 mostra o comportamento
tensão-deformação para as regiões de deformações elástica, plástica e de ruptura
para um determinado material.
Figura I.2: Deformações elástica, plástica e de ruptura
Após o material se deformar além de sua região elástica, a tensão necessária
para continuar a deformação plástica nos metais aumenta para um ponto máximo, o
ponto M da figura I.3, e depois diminui para a eventual fratura, o ponto F. Esse
diagrama é chamado “diagrama de engenharia”, e as tensões calculadas são
baseadas na área original da peça, verificada antes da aplicação da carga
[62][65]
. A
resistência à tração RT é a tensão máxima existente na curva tensão-deformação do
material
[63]
.
Figura I.3: Comportamento tensão-deformação típico para um corpo de prova. Fonte: [63]
142
Ductibilidade
A ductibilidade é outra importante característica a ser considerada de um
material, e representa a medida do grau de deformação plástica que foi tolerada até
a fratura. Um material que suporta pouca ou nenhuma deformação plástica até sua
fratura é chamado frágil
[63]
. Um material considerado dúctil suporta grande
deformação plástica antes de fraturar. A figura I.4 mostra a comparação da curva
tensão-deformação de um material de fratura frágil e um de fratura dúctil. A
ductibilidade de um material é importante por indicar para um projetista até que grau
de tensão uma estrutura irá deformar plasticamente antes de se romper e por
especificar o grau de deformação permissível durante as operações de fabricação.
Figura I.4: Comparação entre fratura frágil e fratura dúctil. Fonte: [63]
Fratura
A falha em materiais é quase sempre um evento indesejável e esforços são
realizados em fase de projeto e utilização de um material para evitá-la. Mesmo que
as causas da falha e o comportamento dos materiais sejam conhecidos, a
prevenção de falhas é difícil de ser garantida. A seleção e processamento impróprio
de material e o projeto inadequado do componente e sua má utilização são seus
causadores mais freqüentes. Na fase de projeto é necessário antecipar e planejar
143
possíveis falhas e, no caso do evento onde uma falha ocorre, deve-se determinar
sua causa e tomar medidas preventivas apropriadas contra futuros incidentes.
Uma fratura simples é a separação de um corpo em dois ou mais pedaços em
resposta a uma tensão imposta e em temperaturas que são baixas em relação à
temperatura de fusão do material
[63]
.
Qualquer processo de fratura envolve dois passos: a formação e a
propagação de trinca, que ocorrem quando a tensão imposta supera os limites de
resistência do material. Em uma fratura frágil, as trincas podem se espalhar
rapidamente, com uma baixíssima ocorrência de deformação plástica
[65]
. Essas
trincas são referidas como instáveis. Em uma fratura dúctil, a ocorrência é menos
súbita e a presença da deformação plástica avisa que a fratura é iminente,
permitindo em alguns casos a tomada de medidas preventivas
[63]
.
A área de mecânica da fratura permite a quantificação das relações entre as
propriedades dos materiais, níveis de tensão, e a presença de falhas produtoras de
trincas e mecanismos de propagação de trincas. Os avanços verificados nessa área
permitem aos engenheiros projetistas utilizar diversas ferramentas que possibilitam
antecipar, e assim prevenir falhas estruturais.
Para se determinar as características de fratura dos materiais, estabeleceram-
se diferentes técnicas de testes de impacto. Esses procedimentos experimentais
foram desenvolvidos porque percebeu-se que os resultados dos testes de tração de
laboratório não podiam ser extrapolados para prever o comportamento de fratura.
Em determinadas aplicações, metais normalmente dúcteis fraturam abruptamente e
com baixíssima deformação plástica
[63]
.
Como exemplo de testes padronizados de
fratura devido ao impacto, pode-se citar o teste Charpy e o Izod, utilizados para se
medir a energia de impacto de diferentes materiais
[62][65]
.
Fadiga
Fadiga é uma forma de falha que ocorre em estruturas sujeitas a tensões
dinâmicas e flutuantes. Tensões com essas características tornam possível a
ocorrência de falha em níveis de tensão consideravelmente inferiores à resistência à
144
tração e limite de deformação elástica para uma carga estática do material em
questão
[62][64][65]
. O estudo da fadiga é importante por se tratar da maior causa de
falha em metais, estimada a abranger aproximadamente 90% dos casos de falhas.
Em algumas situações, a fadiga pode ter resultados catastróficos, ocorrendo de
maneira abrupta e sem aviso prévio
[63]
.
A falha devido à fadiga é de natureza frágil mesmo em metais normalmente
dúcteis, e a deformação plástica verificada no material após a falha é baixíssima ou
inexistente
[62]
. O processo ocorre pela iniciação e propagação de trincas, e
comumente a superfície de fratura é perpendicular à tensão trativa aplicada
[63]
.
As tensões cíclicas aplicadas em um ensaio de fadiga podem ser de natureza
axial (tensão-compressão), de flexão (dobramento) ou torcionais.
O processo de falha devido à fadiga é caracterizado por três passos distintos:
iniciação da trinca, onde uma pequena trinca é formada em um ponto
de alta concentração de tensão;
propagação da trinca, durante o qual a trinca avança progressivamente
em cada ciclo de tensão;
falha final, que ocorre muito rapidamente logo que a trinca atinja um
tamanho crítico
[63]
.
Trincas originadas de falhas devido à fadiga quase sempre se iniciam na
superfície em um ponto de concentração de tensão, que podem ser arranhões,
entalhes, filamentos e outras descontinuidades superficiais
[64]
.
A curva S-N
Freqüentemente os resultados de ensaios de fadiga são apresentados em
uma curva tensão-número de ciclos, ou curva S-N (do inglês stress-number of
cicles). Supondo que em determinado ensaio realizado com uma tensão T1 o corpo
de prova suporte um número de N1 ciclos, e para uma tensão T2 a fratura ocorra
após N2 ciclos, e assim por diante, pode-se traçar o diagrama S-N, com a tensão
nos eixos da ordenadas e o número de ciclos no eixo das abscissas
[62]
. A figura I.5
mostra um exemplo de curva S-N.
145
Figura I.5: Exemplo de curva S-N
Geralmente os ensaios de fadiga apresentam uma grande dispersão nos
dados obtidos, ou seja, uma variação do número de ciclos suportados pelos corpos
de prova submetidos a um mesmo nível de tensão. Essa dispersão se deve ao fato
da sensibilidade dos materiais a parâmetros de fabricação e do próprio ensaio, que
são impossíveis de controlar precisamente, como a fabricação do corpo de prova e
sua preparação superficial, variáveis metalúrgicas, alinhamento no dispositivo de
ensaio, valor médio de tensão aplicado e frequência de teste
[63][65]
. Normalmente as
curvas S-N mostram um valor médio obtido para um nível de tensão específico. Os
diagramas S-N podem também mostrar as curvas para determinadas probabilidades
de falha, sendo as probabilidades de (10, 50 e 90) % valores usuais.
Para aumentar a representatividade dos resultados obtidos nos ensaios de
fadiga, os testes devem ser realizados em condições mais próximas possíveis às
esperadas na utilização do material em serviço. As curvas S-N têm grande
importância para análise comparativa entre diferentes materiais. O projeto de um
componente pode ser auxiliado por ensaios de fadiga, cujos resultados podem
demonstrar claramente o comportamento dos materiais testados para diferentes
níveis de tensão e, possivelmente, indicar com clareza o material menos sujeito a
falha devido à fadiga.
146
APÊNDICE II
Princípio de funcionamento dos sistemas de medição de deslocamento
escolhidos
O princípio de funcionamento dos sistemas correntes de eddy e fibra óptica,
escolhidos para realizar a medição do deslocamento da válvula nos ensaios, são
discutidos a seguir.
Sistema de correntes de eddy
Os princípios básicos do funcionamento de transdutores que atuam gerando
correntes de eddy
[66]
podem ser visualizados na figura II.1, de acordo com os
quadros numerados:
1. Uma bobina é utilizada para gerar as correntes de eddy.
2. A bobina é alimentada com uma tensão alternada de alta freqüência,
tipicamente na ordem de 1 MHz
[67]
.
3. O fluxo de corrente alternada criado na bobina gera um campo magnético
variável no interior e no exterior da bobina.
4. A presença do campo magnético na proximidade de um material condutivo
cria nesse correntes de eddy, cujo fluxo tem intensidade variável e apresenta
uma forma circular.
5. A existência das correntes de eddy faz com que seja formado no material um
campo magnético que se opõe ao campo gerado pela bobina. A interação
existente entre esses campos magnéticos pode ser detectada no sinal
proveniente da bobina, que é condicionado por uma unidade de tratamento de
sinais e convertido proporcionalmente para a grandeza que se deseja medir.
147
Figura II.1: Princípio de funcionamento do sistema de correntes de eddy. Fonte: [68]
A intensidade e o fluxo das correntes de eddy são influenciados por cinco
fatores que serão discutidos a seguir: condutividade do material; permeabilidade;
frequência de excitação da bobina; geometria da peça; proximidade do objeto a ser
medido
[69]
. Dependendo da grandeza que se deseja observar, um dos fatores que
alteram as correntes de eddy sofre variação enquanto os demais permanecem
constantes. Para a medição da condutividade ou da permeabilidade do material, por
exemplo, a distância entre o objeto medido e o sensor e a frequência de excitação
devem permanecer constantes para que não influenciem no resultado.
A condutividade do material é uma propriedade que tem grande influência
sobre o fluxo das correntes de eddy
[70]
. Quanto maior a condutividade do material,
maior será a intensidade do fluxo de correntes de eddy em sua superfície. A
sensibilidade de sistemas de correntes de eddy é fortemente alterada pela
condutividade do material
[69]
, sendo geralmente maior em metais não-magnéticos,
mostrados pelos pontos vermelhos no gráfico da figura II.2. Os metais magnéticos
são mostrados pelos pontos azuis. O gráfico compara o sinal de saída para
diferentes materiais, sob as mesmas condições de teste, em relação ao alumínio
(com valor 1), cuja sensibilidade é de 4 V/mm nesse experimento
[67]
.
148
Figura II.2: Variação da sensibilidade de um sistema de correntes de eddy em função da
condutividade do material
[71]
A permeabilidade do material representa a facilidade com que o material pode
ser magnetizado, tendo valor 1 para metais não-magnéticos, como o alumínio, e
valor superior a 1 para materiais magnéticos
[70]
. Conforme verificado para a
condutividade do material, a permeabilidade também resultará em uma alteração na
sensibilidade do sistema de correntes de eddy, de acordo com a característica do
material medido.
A frequência de excitação é a frequência da tensão alternada que alimenta a
bobina de medição. O gráfico da figura II.3 mostra a variação do sinal de resposta
em função do deslocamento medido para diferentes frequências de excitação. É
possível verificar no gráfico que a frequência de excitação tem influência na faixa de
medição, na sensibilidade e na linearidade do sinal de medição
[70]
. As unidades de
tratamento de sinal comerciais procuram otimizar essas características metrológicas
de acordo com a aplicação a que os sistemas de correntes de eddy são destinados.
Figura II.3: Variação da sensibilidade dos sistemas de correntes de eddy em função da frequência de
excitação
[70]
149
A geometria da peça é uma característica que altera consideravelmente o
fluxo e a intensidade das correntes de eddy geradas no material medido
[68]
.
Características como planicidade, existência de deformação, falhas e problemas no
tratamento térmico irão causar influência no sinal gerado pelo sistema de
medição
[70]
. Na figura II.4 pode-se visualizar a alteração no fluxo das correntes de
eddy causadas por uma falha no objeto medido.
Figura II.4: Alteração no fluxo das correntes de eddy causada por uma descontinuidade no
objeto medido
[70]
A proximidade do objeto medido em relação ao sensor eddy tem grande
influência na intensidade das correntes de eddy geradas em sua superfície
[67]
. De
maneira geral, quanto maior a proximidade entre o objeto e o sensor, maior será o
fluxo de correntes de eddy existente
[70]
. Para a medição do deslocamento de um
objeto, caso da aplicação prevista para a bancada experimental, deve-se fixar o
valor ou considerar a influência dos demais fatores que alteram as correntes de eddy
geradas (condutividade, permeabilidade, frequência de excitação e geometria do
objeto). Dessa maneira, qualquer variação no sinal de medição será função da
variação do deslocamento do objeto medido.
Os sistemas de correntes de eddy podem ter dois modos de operação:
absoluto ou diferencial
[66]
. A ligação de duas bobinas em modo diferencial é utilizada
quando é desejada pouca influência de variações de temperatura, condutividade,
permeabilidade e distância do material medido. Uma aplicação típica é a detecção
de falhas no material, onde a alteração da distância do sensor em relação ao objeto
medido não influencia na resposta do sistema de medição
[72]
.
Em sistemas de medição de deslocamento, o modo de operação absoluto é
utilizado. Na maioria dos sistemas comerciais, são utilizadas duas bobinas ligadas
na forma de ponte de Wheatstone, uma utilizada para a medição e outra como
150
referência
[67][70][73]
. A interação entre as correntes de eddy geradas no objeto medido
e a bobina de medição altera a impedância da bobina, fazendo com que a ponte de
Wheatstone seja desbalanceada
[67][74]
. Essa variação é detectada pela unidade de
tratamento de sinais, cujo sinal de saída será proporcional ao deslocamento do
objeto medido
[67]
. A bobina de referência também é utilizada para a compensação de
erros provenientes da deriva térmica
[67]
. A figura II.5 mostra o esquema de ligação
normalmente utilizado nos sistemas de medição de deslocamento de correntes de
eddy.
Figura II.5: Esquema de ligação normalmente utilizado em sistemas de medição de deslocamento por
correntes de eddy
[75]
Os sistemas de medição de deslocamento baseados em correntes de eddy
têm como vantagem: medição sem contato; alta frequência de resposta; excelente
resolução; grande imunidade a óleo, sujeira, poeira, umidade e interferências
ambientais; operação em grande faixa de temperatura
[71][76]
.
Sistema de fibra óptica
O sistema de medição de deslocamento por fibra óptica utiliza uma fonte para
a geração de luz, que é transmitida ao objeto a ser medido, sofre reflexão em sua
superfície, e retorna ao sistema incidindo sobre um detector fotossensível
[77][78]
. A
transmissão e a recepção do feixe de luz são realizadas através de filamentos de
fibra óptica flexível, e a luz que incide no detector fotossensível é convertida para um
sinal elétrico proporcional à distância entre o sensor e o objeto medido
[78]
. Além da
medição do deslocamento, os sistemas de fibra óptica podem ser utilizados para a
151
medição de vibrações e para a caracterização das condições superficiais de um
material. O princípio de funcionamento do sistema de medição de deslocamento por
fibra óptica é mostrado na figura II.6.
Figura II.6: Princípio de funcionamento do sistema de fibra óptica
[78]
A figura II.7 ilustra a forma como é realizada a transmissão, a reflexão e a
recepção da luz do sistema de fibra óptica. Os filamentos são separados entre fibras
ópticas transmissoras e receptoras
[77]
. O feixe de luz da fibra óptica de transmissão
sai em forma de um cone luminoso, permitindo que parte da luz que incide no objeto
medido atinja a fibra óptica de recepção, sendo em seguida transmitida ao detector
fotossensível
[51]
.
Figura II.7: Transmissão, reflexão e recepção da luz do sistema de fibra óptica
[78]
Imaginando-se os filamentos de fibra óptica mostrados na figura II.7 com
distância zero em relação ao objeto medido, a luz incidente no objeto reflete e
retorna apenas para a fibra de transmissão, e a intensidade luminosa recebida pelo
detector fotossensível será nula
[78]
. Ao se afastar as fibras ópticas do objeto,
gradualmente a intensidade da luz que atinge as fibras receptoras aumenta
[78][79]
. A
intensidade tem um pico em um deslocamento determinado – chamado pico óptico –
e em seguida decresce à medida que a distância entre o sensor e objeto alvo
152
aumenta
[51][78]
. A resposta típica resultante de um sistema de fibra óptica é mostrada
no gráfico da figura II.8, onde podem ser visualizadas duas faixas aproximadamente
lineares, chamadas de “lado próximo” e “lado distante”. O pico óptico corresponde
ao deslocamento para o qual o sinal de saída do sistema é máximo
[51][78]
.
Figura II.8: Resposta típica do sistema de fibra óptica
[51]
Nos sistemas de fibra óptica, a transmissão e a recepção da luz são
realizadas por filamentos adjacentes, separados entre fibras de transmissão e de
recepção. Os conjuntos de fibras ópticas transmissoras e receptoras são distribuídos
de acordo com a aplicação e a sensibilidade desejadas
[79]
. Na figura II.9, três tipos
de configurações comuns são mostrados: concêntrica, aleatória e hemisférica.
Figura II.9: Distribuições típicas dos conjuntos de fibra óptica
[78]
Através de diferentes distribuições dos conjuntos de fibra óptica e
processamento do sinal através de circuitos eletrônicos especiais, os fabricantes de
sistemas de medição de fibra óptica desenvolveram sistemas cuja resposta é
independente da refletância do objeto alvo. Esses sistemas são indicados para
aplicações nas quais a refletância do objeto é alterada durante a medição. Isso
153
ocorre, por exemplo, através da rotação, translação ou inclinação do objeto
medido
[51]
, ou em situações nas quais o ângulo entre o objeto medido e o sensor
sofre variações significativas, conforme discutido no trabalho desenvolvido por Utou
[80]. A resposta típica dos sistemas de fibra óptica com compensação de refletância
é mostrada na figura II.10.
Figura II.10: Resposta típica dos sistemas de fibra óptica com compensação de refletância
[51]
Para a medição do deslocamento de válvulas de compressores, os sistemas
de fibra óptica têm como vantagens: medição sem contato; opção de circuitos
eletrônicos com alta frequência de resposta; imunidade a interferências
eletromagnéticas no sensor; possibilidade de utilização de sensores com diâmetro
extremamente reduzido; e pelo fato da inclinação da válvula não influenciar o sinal
de medição até uma faixa determinada, caso seja utilizado um sistema com
compensação de refletância.
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