Rebobinadeira de papel da Suzano: redução da vibração

Intervenção na rebobinadeira de papel da Suzano Papel e Celulose: redução de vibrações e melhoria da qualidade dos rolos

Objetivo: Amortecer as vibrações da rebobinadeira

Baseado no artigo original publicado no portal  Paper Industry World.

Rolos de papel com qualidade definitivamente melhor, com uma redução dramática nas velocidades máximas de vibração durante o enrolamento para todos os tipos de processamento. Estes são os resultados mais marcantes de uma intervenção realizada em uma fábrica de papel brasileira.Na fábrica de papel Suzano Papel e Celulose, situada em Mucuri, no Estado da Bahia, uma rebobinadeira enrola papel de 7,84 metros, com gramaturas de 56 a 104 g/m²; os rolos acabados têm um diâmetro máximo de 1,5 metro e a velocidade nominal da rebobinadeira é de 2.500 m/min.

A rebobinadeira sempre foi um gargalo para a fabricação de papel, mas no final de 2015 a situação piorou devido a um aumento de 10% na produção de papel. Durante anos houve problemas de vibração na viga que sustenta o cilindro de pressão, comumente chamado de “cilindro straddle”, formado por quatro cilindros alinhados.

A viga com os quatro cilindros de pressão, fixada na parte inferior por suportes de montagem, move-se verticalmente, distribuindo uma pressão controlada dos cilindros sobre os rolos em enrolamento, a fim de manter uma pressão constante entre os rolos e os dois cilindros inferiores de sustentação. A viga, com 8,5 metros de largura, e os cilindros de pressão têm uma massa total próxima de 8 toneladas.

As vibrações resultavam em rolos irregulares, vincos laterais, rolos ovais, numerosas rupturas no papel, baixa velocidade operacional (~1.700 m/min), longos períodos de inatividade e até problemas com os operadores da rebobinadeira, pois as vibrações eram sentidas a até 100 metros de distância.

 

Na origem do problema

Com o objetivo específico de identificar e eliminar as causas da limitação de produção devido à vibração da máquina, após muitas tentativas ineficazes de resolver o problema, a fábrica decidiu contratar a Engefaz, que aceitou o desafio com garantias contratuais inclusivas. A Engefaz é uma empresa de engenharia com sedes em São Paulo (Brasil) e Orlando (EUA), com experiência em análise de vibração, testes de ressonância, identificação de causas e planejamento de soluções.

O estudo e a resolução deste problema foram tema do relatório “Maintenance engineering vibration damping of paper rewinder”, apresentado por Bruno Celestino Fabiano, engenheiro de desenvolvimento do Grupo Engefaz Brasil, em 12 de abril de 2017.

Após uma análise inicial e os primeiros testes de vibração, ficou claro que a qualidade inconsistente do papel e a dinâmica complexa do enrolamento geravam microimpactos entre os rolos e os cilindros de pressão, fazendo-os vibrar. Essas vibrações eram transmitidas à viga superior por meio dos suportes de montagem dos quatro cilindros.

Durante a produção, foram observadas velocidades de vibração de 40 a 60 mm/s RMS no centro da viga, em direção vertical. Ao mesmo tempo, nas extremidades dos tubos de papelão dos rolos em enrolamento, as vibrações eram de cerca de 120 mm/s RMS.

Consequentemente, levantou-se a hipótese de que vibrações tão severas, quando as frequências coincidiam com as frequências naturais da viga, poderiam causar problemas de ressonância.

Por essa razão, foram realizados testes de ressonância nas vigas do cilindro straddle para identificar suas frequências naturais:

• Frequências naturais da viga na direção horizontal: 12,4 Hz, 20,3 Hz, 34,9 Hz
• Frequências naturais da viga na direção vertical: 15,8 Hz, 36,0 Hz, 42,3 Hz

Em seguida, foi realizada uma análise do espectro de frequências de todos os componentes rotativos da rebobinadeira, em todas as fases do enrolamento do papel, até a velocidade máxima de operação:

• Os quatro cilindros de pressão giram em uma faixa de frequência de 0 a 50,4 Hz
• Os rolos em enrolamento giram em uma faixa de frequência de 0 a 40,0 Hz
• As frequências de rotação dos dois cilindros inferiores de sustentação variam de 0 a 15,6 Hz

Tendo constatado que as frequências naturais da viga (de 12,4 a 42,3 Hz) estão dentro da faixa possível de frequências dos componentes rotativos da rebobinadeira, a hipótese inicial foi confirmada: essas frequências rotacionais alimentavam o processo de amplificação das vibrações, por ressonância, quando coincidiam com as frequências naturais da viga do cilindro straddle.

Sistemas de amortecimento

Durante o planejamento e a pesquisa da solução, foi descartada a opção de alterar as frequências naturais da viga. Essa medida não era economicamente viável e apresentava muitas incertezas técnicas, pois as frequências rotacionais, com suas harmônicas, dos componentes da rebobinadeira poderiam também alcançar as novas frequências naturais da viga.

Para corrigir as condições de vibração da máquina, optou-se por desenvolver três sistemas distintos de amortecimento, de acordo com os vários graus de liberdade da viga:

1. Reduzir a energia que alimenta o processo de vibração, amortecendo as vibrações provenientes do impacto entre rolos e cilindros de pressão
2. Interromper a amplificação das vibrações na viga, quando as vibrações provenientes dos impactos continuassem a ser transmitidas pelo sistema de amortecimento
3. Reduzir os graus de liberdade da viga, fixando suas extremidades e impedindo sua tendência à rotação, conforme identificado

A Engefaz, utilizando análise por elementos finitos, estudou o modo de vibração da viga, as cargas envolvidas e as necessidades de amortecimento do processo, permitindo definir os materiais e dimensões mais adequados dos amortecedores, bem como a posição de instalação.

Após simulações e testes para identificar o desempenho mais adequado dos amortecedores de vibração, tanto na horizontal quanto na vertical, decidiu-se utilizar amortecedores metálicos de alta resiliência.

Esse tipo de amortecedor dissipa energia em vez de armazená-la, apresenta coeficiente de amortecimento eficaz em uma faixa de frequência de 4 a 50 Hz, possui dimensões reduzidas e boa resistência mecânica e resiliência.

Os amortecedores metálicos foram instalados verticalmente nos suportes de montagem dos quatro cilindros de pressão.

Guias poliméricas foram projetadas e instaladas, juntamente com os amortecedores metálicos, para impedir o movimento horizontal dos suportes de montagem.

Os amortecedores metálicos também foram instalados nas duas extremidades laterais da viga, a fim de reduzir seus graus de liberdade e minimizar a propensão à rotação nessas áreas.

Além disso, em todos os lados da viga, foram instalados amortecedores “reativos” fabricados em polímero com alto coeficiente de amortecimento. Esses amortecedores, projetados e produzidos para atenuar quaisquer vibrações transmitidas pelos suportes de montagem dos quatro cilindros de pressão, absorvem vibrações que coincidam com as frequências naturais da viga, caso sejam excitadas.

Objetivos alcançados no projeto

Os resultados obtidos foram expressivos. Antes da modificação, as velocidades máximas de vibração na viga do cilindro straddle superavam 60 mm/s RMS, com média de 40 mm/s RMS; após a implementação do projeto, durante o enrolamento, os picos de vibração foram reduzidos para 18 mm/s RMS, e a média atual é de 6 a 8 mm/s RMS, independentemente do tipo de papel ou condições operacionais.

Além disso, a rebobinadeira agora atinge a velocidade nominal de produção. A qualidade dos rolos melhorou significativamente, o número de rolos irregulares ou com vincos laterais foi drasticamente reduzido, e houve uma queda expressiva no número de rupturas do papel.

Outro ponto relevante: antes da intervenção, 36% dos rolos produzidos estavam fora de especificação devido à falta de circularidade; após a intervenção, apenas 7% apresentaram o mesmo problema. Por fim, o tempo de inatividade para manutenção da rebobinadeira também foi reduzido.