Ruído do redutor da ponte rolante: análise e soluções para a excentricidade das engrenagens

Ruídos em redutores de pontes rolantes podem ocorrer durante o içamento e movimentação de materiais em oficinas, afetando a operação normal da ponte rolante. Este artigo analisa ruídos anormais sob a perspectiva do erro de excentricidade do par de engrenagens. Com base nos resultados do cálculo de ruído estrutural obtidos por meio de análise de simulação, também apresenta soluções correspondentes como referência para melhorias. Ponte rolante desempenho operacional.

1. Análise da excitação de engrenagens sob erro de excentricidade

A ponte rolante analisada neste artigo é um modelo LD10 t-28,5 m, equipada com um motor assíncrono trifásico de 13 kW. O redutor utiliza uma transmissão helicoidal de quatro estágios com eixos paralelos. Ao considerar o erro de excentricidade, a análise parte inicialmente de um único par de engrenagens e do comprimento da sua linha de engrenamento.

1.1 Modelo de Par de Engrenagens

Ao considerar a excentricidade da engrenagem, utiliza-se como ponto de partida a excentricidade das engrenagens motora e movida. Com base no número conhecido de dentes da engrenagem e na velocidade da engrenagem motora, obtém-se a curva característica tempo-frequência da velocidade da engrenagem movida, que pode ser comparada com o resultado obtido na hipótese de ausência de excentricidade. O modelo do par de engrenagens excêntricas é apresentado na Figura 1.

O1 e O2 são os centros geométricos do par de engrenagens sob a hipótese de ausência de excentricidade. Após as excentricidades E1 e E2 ocorre, os centros geométricos das engrenagens se tornam O11 e O22Pode-se observar que, independentemente do valor da excentricidade, a linha de engrenamento formada pela conexão dos pontos tangentes T1(xT1, yT1) e T2(xT2, yT2) sempre possui um ponto de intersecção dinâmico M(xM, yM) com a linha que conecta os centros geométricos das engrenagens.

Considerando o deslocamento, a linha de engrenamento do par de engrenagens apresenta características variáveis no tempo. Sua equação pode ser expressa como:

Quando a origem das coordenadas é colocada no ponto O11, a coordenada transversal dinâmica do ponto M pode ser expresso como:

A relação de transmissão instantânea do par de engrenagens é:

No cálculo real, o ponto de intersecção dinâmico M tem uma certa relação com a linha de engrenamento, o ângulo entre a direção do movimento e a velocidade instantânea da linha de engrenamento da engrenagem. Após a determinação da faixa de excentricidade e da velocidade angular de entrada, as fórmulas (1) a (3) podem ser usadas para obter a velocidade angular da engrenagem movida e calcular a excitação dinâmica do par de engrenagens sob erro de excentricidade.

Na fabricação real, excentricidades E1 e E2 pode ser considerado aproximadamente o mesmo. Com uma excentricidade de 20 μm no par de engrenagens helicoidais, dentro do grau de precisão conhecido, a curva característica tempo-frequência calculada da engrenagem acionada é mostrada na Figura 2.

Quando não se considera nenhum erro de excentricidade, a velocidade angular da engrenagem movida é representada pela linha reta rosa na Figura 2a. Quando existe erro de excentricidade, a velocidade angular da engrenagem movida apresenta flutuações óbvias e regulares, concentradas na faixa de 40,5 a 41,5 rad/s. O resultado no domínio da frequência, após a transformada de Fourier, reflete uma frequência de rotação do eixo de entrada de 25 Hz e uma frequência de rotação de saída da engrenagem movida de 6,5 Hz. Isso indica que a flutuação da excentricidade do par de engrenagens do estágio de entrada pode continuar a se propagar pelo sistema de engrenagens e irradiar para fora da caixa de engrenagens.

2. Cálculo numérico da excitação de engrenagens no ruído do redutor de ponte rolante

2.1 Equação Diferencial de Vibração

A equação diferencial de vibração do sistema de engrenagens em um redutor de ponte rolante é uma base importante para o estudo de suas características dinâmicas. Ao reduzir a ordem e calcular a força de engrenamento dinâmica da engrenagem, características de vibração como intensidade de vibração e ruído estrutural podem ser simuladas numericamente. A equação diferencial de segunda ordem necessária é:

A equação temporal da coordenada dinâmica M é substituído por θe o princípio de redução de ordem de Runge-Kutta é usado para resolver a força de engrenamento dinâmica do par de engrenagens de alta velocidade. A Figura 3 mostra os resultados do cálculo da força de engrenamento para o estágio de entrada e o estágio de saída final.

2.2 Resultados da Análise de Vibração

A Figura 4 mostra a estrutura do redutor. As posições dos assentos dos rolamentos nas extremidades de entrada e saída são selecionadas para o cálculo, e as curvas características de vibração no domínio da frequência sob um erro de excentricidade de 20 μm são obtidas.

Conforme ilustrado na Figura 5, após considerar o erro de excentricidade, a frequência de rotação do eixo de entrada de 25 Hz afeta outros pares de engrenagens em diferentes estágios, especialmente na curva de deslocamento. O cálculo do ruído baseado nos resultados de vibração pode então demonstrar a influência do erro de excentricidade no ruído anormal do redutor.

3. Previsão de ruído irradiado para ponte com eixo de bogie

3.1 Modelo Acústico

De acordo com as referências citadas, a acústica pertence ao campo da pesquisa de fluidos. Portanto, a equação da onda acústica pode ser estudada a partir da equação da continuidade do fluido. Em termos do estado do meio, ela pode ser expressa como:

Na fórmula, ρ, v, p, e s são a densidade, a velocidade, a pressão sonora e a entropia do ar, enquanto e e q são fontes externas de excitação do meio atmosférico.

Com base na resposta vibratória do redutor da ponte rolante, o resultado do cálculo da aceleração é processado por transformada de Fourier e processamento de terço de oitava. O resultado do cálculo do ruído estrutural do assento do rolamento do estágio de alta velocidade do redutor é mostrado na Figura 6.

Ao considerar o erro de excentricidade, o ruído estrutural do redutor aumenta mais claramente na faixa de baixa frequência de 0 a 100 Hz. De acordo com a teoria acústica, uma diferença de 6 dB representa uma diferença de uma vez no nível de energia. Na Figura 6, a diferença de ruído em algumas faixas de frequência chega a ser de cerca de três vezes, mostrando que o erro de excentricidade tem uma influência significativa na vibração de baixa frequência do redutor. Picos nítidos também aparecem em 500 Hz e 1.000 Hz, causados pela frequência de engrenamento da engrenagem do estágio de entrada.

3.2 Medidas para reduzir ruídos anormais

A excentricidade de 20 μm utilizada no cálculo foi selecionada de acordo com o grau de precisão da transmissão por engrenagens. Na operação real, podem existir erros de excentricidade maiores, que podem afetar significativamente a vibração e a redução de ruído do redutor. Com base na análise e nas conclusões deste artigo, o ruído anormal pode ser reduzido nos seguintes aspectos:

1. Melhore a seleção do grau de precisão da transmissão por engrenagens. Muitas pontes rolantes utilizam engrenagens helicoidais de grau 8. Os redutores comuns para pontes rolantes não consideram o acabamento de precisão subsequente, portanto, o erro de excentricidade pode levar a um ruído irradiado mais elevado. Se a têmpera e a retificação das engrenagens, o brunimento da superfície dos dentes ou tratamentos similares forem considerados na etapa de acabamento final, pode-se atingir a precisão de grau 7 ou grau 6. Esta pode ser uma opção melhor para oficinas com requisitos mais rigorosos de controle de ruído.

2. Otimize o sistema de transmissão por engrenagens. Do ponto de vista do sistema de transmissão, devem ser consideradas restrições como a resistência à fadiga por contato em engrenagens fechadas, a relação de transmissão e o coeficiente de largura da face. Um algoritmo genético pode ser usado para ajustar ligeiramente o módulo da engrenagem, a largura do dente e o número de dentes da engrenagem motora sem alterar significativamente essas restrições, de modo que a frequência de transmissão de ruído do redutor seja mantida fora da faixa sensível à audição humana. O método específico requer programas e testes correspondentes para verificar os parâmetros ideais da engrenagem.

3. Otimização da estrutura da carcaça do redutor. O principal objetivo da otimização da carcaça é melhorar sua frequência natural. As dez primeiras frequências naturais de um sistema de transmissão de eixos paralelos de múltiplos estágios são geralmente baixas, normalmente na faixa de 50 a 500 Hz, e podem facilmente se sobrepor à frequência de rotação da engrenagem motora e seus harmônicos, causando ressonância. Com base na estrutura do redutor, é possível remover material de certas posições. Isso não só economiza custos de material, como também pode aumentar a frequência natural do redutor e reduzir efetivamente o ruído anormal causado por erros de excentricidade.

4 Conclusão

Este artigo toma como objeto de estudo uma ponte rolante e seu redutor, analisando a influência do erro de excentricidade do par de engrenagens no ruído anormal do redutor. As conclusões são as seguintes:

1. Ao considerar o erro de excentricidade, a velocidade angular da engrenagem movida apresenta flutuações regulares. A faixa de flutuação concentra-se entre 40,5 e 41,5 rad/s. Isso reflete a frequência de rotação do eixo de entrada de 25 Hz e a frequência de rotação de saída da engrenagem movida de 6,5 Hz, e continua a afetar a transmissão do par de engrenagens subsequente.

2. Sob erro de excentricidade, o ruído estrutural do redutor aumenta mais claramente na faixa de baixa frequência de 0 a 100 Hz. A diferença máxima atinge 15 dB e o nível de ruído aumenta 2,5 vezes, intensificando claramente o ruído anormal da caixa de engrenagens.

3. Diversas soluções são propostas, incluindo a melhoria do grau de precisão da transmissão, a otimização dos parâmetros das engrenagens e o aumento da frequência natural da estrutura.

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