Novo acoplamento atenua vibração em motores de baixa emissão

Em uma tentativa de atender à crescente demanda por redução da pegada de carbono de guindastes e outros equipamentos pesados, os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) estão instalando motores a diesel Estágio V/Tier 4 mais enxutos e eficientes, que operam em marcha lenta mais baixa com alto torque e apresentam menores emissões de CO2, pois consomem menos combustível. Embora sejam melhores para o meio ambiente, esses motores com alta densidade de potência produzem níveis muito mais altos de vibração, especialmente em marcha lenta, devido à ressonância de ordem harmônica significativa.

Dr. Hasan Mahamudul (Dr. Maha), diretor de P&D da Regal Rexnord e engenheiro-chefe por trás da ideia e do projeto do acoplamento CENTAFLEX-TIR. (Foto: Eason Photography)

“Vibração alta é sempre ruim, pois faz com que todo o resto sofra, desde o acionamento da bomba até as caixas de engrenagens e os rolamentos”, disse Rene Klimach, engenheiro e gerente de produtos da Regal Rexnord, uma fornecedora de soluções de trem de força com sede nos EUA.

Os acoplamentos são essenciais para atenuar a vibração torcional dos motores e garantir a confiabilidade dos componentes do trem de força. No entanto, a maioria dos acoplamentos flexíveis é muito rígida dinamicamente para motores Stage V/Tier 4, afirmou a Regal Rexnord, forçando-os a operar em marcha lenta mais altas para evitar sobrecarga, proteger o equipamento e garantir o tempo de atividade – ao mesmo tempo em que essencialmente anula seus benefícios de eficiência.

A unidade alemã da fabricante de guindastes Tadano se viu diante de um desafio semelhante ao optar por trabalhar com seu fornecedor de motores para redesenhar o sistema de transmissão de um grande modelo de guindaste sobre esteiras com lança treliçada. A baixa rotação em marcha lenta (até 600 rpm) e a alta vibração do motor Stage V representavam o risco de desgaste acelerado de componentes vitais do sistema de transmissão, como caixas de engrenagens e rolamentos.

Como a maioria dos acoplamentos não foi projetada para velocidades abaixo de 750 rpm, a Tadano contatou os engenheiros da Regal Rexnord para encontrar uma solução.

Dobrando o controle de vibração

A solução provou ser o CENTAFLEX-TIR (TIR), um acoplamento de rolos de nova geração com características de torção progressiva suave que, segundo a Regal Rexnord, pode atender a inúmeras aplicações complexas na agricultura, construção, indústria marítima, pedreiras, bem como grupos geradores com velocidades variáveis.

“O CENTAFLEX-TIR atua como um elemento de amortecimento entre o motor e os componentes acionados, absorvendo efetivamente uma parcela significativa da vibração”, disse Klimach. “Isso permite que toda a operação ocorra em marcha lenta mais baixa sob condições de alta demanda de torque, resultando em redução do consumo de combustível e das emissões de CO2.”

O acoplamento apresenta um design de rolos de dois estágios e câmaras modificadas que garantem o deslizamento suave dos rolos de borracha. (Foto: Regal Rexnord)

À primeira vista, o TIR não parece tão "novo", com tamanhos e materiais disponíveis em sua construção praticamente os mesmos dos engates anteriores. Mas, diferentemente dos engates flexíveis tradicionais, o TIR possui duas fileiras de rolos de borracha flexíveis em vez de uma única fileira.

O Dr. Hasan Mahamudul (Dr. Maha), diretor de P&D na Regal Rexnord e engenheiro-chefe por trás da ideia e do design do acoplamento CENTAFLEX-TIR, disse que este design de rolo de dois estágios permite que o novo acoplamento "absorva ainda mais vibração sem superaquecer, aumentando assim sua perda de potência permitida e melhorando a vibração e a vida útil dos componentes do sistema".

Câmaras modificadas garantem um deslizamento suave dos rolos. "Quando você aplica o motor de baixa rotação, esses rolos de borracha deslizam apenas em suas câmaras", disse o Dr. Maha. "Portanto, não haverá ressonância na transmissão. Ela será completamente livre de ressonância devido à sua maciez e deslocará o pico de ressonância de maior ordem em baixas rotações."

O design também permite uma melhoria de 80% na capacidade de carga térmica em torques alternados mais altos em comparação com seu antecessor, afirmou a Regal Rexnord. Um aumento correspondente de 80% na perda de potência permitida garante a absorção eficaz da vibração, evitando sobrecarga do acoplamento e picos de torque alternados no trem de força.

Além disso, a capacidade do acoplamento de variar a rigidez dinâmica com mudanças no torque médio é muito mais suave e macia em comparação com os projetos convencionais, observou o Dr. Maha. "Enquanto os projetos convencionais se tornam progressivamente mais rígidos com o aumento do torque, o acoplamento CF-TIR mantém uma rigidez mais suave mesmo sob alto torque médio."

Como resultado, o TIR fornece a suavidade torcional para suportar velocidades de marcha lenta de 525 a 625 rpm, comuns entre motores diesel Stage V/Tier 4.

Reduções de custos e emissões

O Dr. Maha descreve o TIR como "uma solução muito competitiva em termos de custo e um design muito simples". No entanto, ele tem o potencial de impactar diversos aspectos tanto do projeto quanto da aplicação da máquina.

Com a implementação do acoplamento TIR, a empresa afirmou que os OEMs poderão reduzir o tamanho das caixas de engrenagens. O Dr. Maha observou que sua equipe está atualmente trabalhando em um projeto piloto com um cliente para aumentar a vida útil da caixa de engrenagens. "Mas o andamento é lento porque a vibração é muito baixa com este acoplamento, e eles estão pensando em adquirir uma caixa de engrenagens [menor]."

Foi demonstrado que o CENTAFLEX-TIR amortece altas vibrações de torção, permitindo que os motores Stage V/Tier 4 operem em marcha lenta mais baixas. (Foto: Regal Rexnord)

Tal medida proporcionaria economia de peso e maior eficiência geral, gerando economia de custos em nível de sistema.

Há também outras possibilidades de economia. Após sua instalação no protótipo de guindaste sobre esteiras com lança treliçada Tadano, a análise de vibração torcional mostrou que o acoplamento TIR reduziu significativamente a vibração do sistema e reduziu a marcha lenta de 750 para 650 rpm. Isso levou a uma redução média no consumo de diesel de 0,18 gal./hora (0,7 litro/hora). Com dois motores no guindaste, estima-se uma economia de até 288 gal. (1.092 litros) de diesel por ano, o que equivale a uma economia anual de até US$ 1.900 (1.750 euros).

“Só em economia de combustível, o acoplamento compensa facilmente”, disse Klimach. “Em um ano, você tem o… retorno do investimento. Isso é interessante para o usuário final… você tem uma economia maior porque a marcha lenta fica mais lenta.”

Há também os benefícios ambientais. Estima-se que o guindaste reduzirá as emissões de CO2 em 2,89 kg por ano.

“Se você queimar menos combustível em campo, terá uma redução nas emissões de CO2”, disse Klimach. “E nesta aplicação específica, estamos falando de 2,8 toneladas de emissões de CO2 por ano, o que é muito interessante para o fabricante original (OEM) em termos das emissões médias da frota.”

Resumindo, Klimach disse: “Acredito que temos uma proposta de valor muito clara com essa inovação de produto”.

Nota do editor: O projeto do guindaste Tadano da Regal Rexnord foi finalista do prêmio Aplicação de Produto Off-Highway do Ano do Power Progress Summit Awards de 2024.