On the study and simulations of unbalance

Abstract

Rotating machinery is a widely used component in mechanical and electromechanical systems. When there is an uneven distribution of mass on the rotor, the centre of mass does not coincide with the axis of rotation, unbalance occurs. This presents a major engineering problem, being a major cause of excessive vibrations. Significant arising centrifugal forces can lead to damage of bearings and eventual destruction of the equipment. Hence, minimizing unbalance is a basic concern in design and operation of machinery. Most balancing procedures are performed off-line, which implicates the machine must stop its operation, what may translate in significant losses for its proprietor. A rotor that could identify present unbalance and independently take action to correct it, would be more efficient, increase safety operation and reduce unplanned maintenance costs. The main purpose of this thesis lied in the development of a methodology to detect rotor unbalance and automatically take action to correct the present unbalance. Although, the development of this method and eventual prototype were not feasible. An extensive literature review was conducted, along with the development of a GUI-Graphical User Interface in Simulink/MATLAB to serve as an interactive tool to display the behaviour and parameters to consider when dealing with an unbalanced rotor or shaft, calculate the necessary offline balancing procedure to implement and analyse its employment. A study on the possibility to feed the sensors detecting this unbalance with harvested vibrational energy is approached in the form of a literature review.

Equipamentos rotativos são componentes amplamente utilizados em sistemas mecânicos e eletromecânicos. Quando há uma distribuição desigual de massa no rotor, o centro de massa não coincide com o eixo de rotação, o que origina desequilíbrio. Este desequilíbrio representa um problema significativo, sendo uma das principais causas de vibrações excessivas. O surgimento de forças centrífugas significativas pode causar danos aos rolamentos e eventual destruição do equipamento. Consequentemente, minimizar o desequilíbrio é uma preocupação significativa no projeto e operação de máquinas. A maioria dos procedimentos de equilibragem são realizados off-line, o que implica que a máquina deve parar o seu funcionamento, o que se pode traduzir em perdas significativas para o seu proprietário. Um rotor capaz de identificar o desequilíbrio presente e agir de forma independente para corrigi-lo seria mais eficiente, aumentaria a segurança da operação e reduziria os custos de manutenção não planeada. O objetivo principal desta tese consistiu no desenvolvimento de uma metodologia para detectar o desequilíbrio de um rotor e tomar medidas para automaticamente o corrigir. Porém, o desenvolvimento deste método e eventual protótipo não foram viáveis. Uma extensa revisão da literatura foi realizada, juntamente com o desenvolvimento de uma GUI-Graphical User Interface em Simulink/MATLAB com o objectivo de servir como uma ferramenta interativa, para mostrar o comportamento e os parâmetros a serem considerados ao lidar com um rotor ou eixo desequilibrado, calcular o procedimento de equilibragem offline necessário a implementar e analisar o seu resultado. Um estudo sobre a possibilidade de alimentar os sensores que detectam esse desequilíbrio com energia vibracional recolhida é abordado na forma de uma revisão bibliográfica.