Todos os componentes rotativos de um sistema de defesa — desde a torre de uma estação móvel de deteção e guiamento até ao veio de transmissão de um sistema de propulsão a jato, passando pelo rotor de um giroscópio no interior de uma unidade de guiamento de um míssil de cruzeiro — têm de ser dinamicamente equilibrados antes de entrarem em serviço. As consequências do desequilíbrio em aplicações de defesa não são queixas de vibração nem desgaste prematuro das chumaceiras, como poderia suceder em máquinas comerciais. São uma menor precisão do armamento, uma menor estabilidade dos sensores, uma vida útil reduzida dos componentes em ambientes onde a assistência técnica no local é impossível e, no pior dos casos, a falha da missão.
A equilibragem dinâmica é o processo de medir e corrigir a distribuição irregular de massa de um componente rotativo, de modo a que o seu eixo principal de inércia coincida com o seu eixo geométrico de rotação. No fabrico para o setor da defesa, as tolerâncias dessa coincidência estão entre as mais apertadas de qualquer setor, com uma diversidade de componentes que exigem equilibragem abrangendo praticamente todos os subsistemas das plataformas modernas.
Porque é que os componentes rotativos para a defesa são diferentes
A equilibragem comercial e industrial responde a componentes que funcionam em ambientes relativamente benignos, incluindo motores elétricos, ventiladores, bombas e rotores de turbocompressor que funcionam a velocidades conhecidas em condições controladas. Os componentes rotativos do setor da defesa apresentam um perfil de desafios fundamentalmente diferente, desde ambientes de funcionamento extremos até requisitos regulamentares e de rastreabilidade.
Ambientes de funcionamento extremos. Os componentes podem funcionar a temperaturas de −51 °C a +71 °C (extremos da MIL-STD-810), sob cargas contínuas de vibração e choque, e em orientações que se alteram continuamente durante o voo ou a manobra. Um desequilíbrio tolerável numa instalação industrial fixa pode gerar ressonância ou degradação das chumaceiras numa plataforma sujeita a vibração e aceleração multiaxiais.
Requisitos de desempenho críticos. O rotor de um giroscópio num sistema de navegação inercial tem de manter a estabilidade de rotação a um nível tal que qualquer desequilíbrio residual — mesmo frações de miligrama no plano de correção — introduz uma deriva de navegação mensurável. Uma chumaceira de torre que desenvolva desgaste induzido por vibração afeta a precisão de seguimento da arma ou do sistema de sensores que suporta.
Sem possibilidade de assistência técnica no local. Muitos componentes rotativos do setor da defesa funcionam em conjuntos selados ou inacessíveis, como os que se encontram no interior de sistemas de guiamento, de unidades de propulsão seladas e de recipientes sob pressão. Ao contrário do equipamento comercial, que pode ser reequilibrado durante a manutenção programada, os componentes de defesa têm de ser corretamente equilibrados durante o fabrico, porque não existe qualquer possibilidade prática de corrigir o desequilíbrio após a implementação.
Requisitos regulamentares e de rastreabilidade. O fabrico para o setor da defesa rege-se pelas normas AS9100, pela ITAR e por requisitos de qualidade específicos de cada programa, que exigem a rastreabilidade total de cada medição, de cada correção e de cada estado de equilíbrio final de todos os componentes com número de série.
A gama de aplicações de equilibragem no setor da defesa
A Cimat, uma marca da Ascential Technologies, tem vasta experiência na construção de máquinas de equilibragem dinâmica para toda a gama de componentes rotativos do setor da defesa, incluindo as seguintes aplicações.
Sistemas de torreta
As torres das estações móveis de deteção e guiamento (as plataformas rotativas que suportam sistemas de radar, eletro-óticos e de armamento) requerem equilibragem para assegurar uma rotação suave e precisa em condições de campo. O desequilíbrio da torre provoca erros de seguimento, aumenta as cargas sobre o motor de acionamento e gera vibração que degrada o desempenho dos sensores ou das armas montados na plataforma. A equilibragem de conjuntos de torre exige máquinas de grande capacidade, com sistemas de medição de precisão capazes de resolver pequenos desequilíbrios em conjuntos pesados e complexos.
Rotores de propulsão e veios de transmissão
Os rotores e veios de transmissão de sistemas de propulsão convencionais e a jato funcionam a um número elevado de rpm, sob cargas térmicas e mecânicas extremas. O desequilíbrio num rotor de propulsão gera vibração que se propaga por toda a estrutura da fuselagem ou do veículo, afetando todos os sistemas nela montados. À medida que os programas de defesa e aeroespaciais continuam a endurecer os requisitos de vibração e de fiabilidade, as especificações de equilibragem dos componentes de propulsão tornam-se mais exigentes.
Rotores de giroscópio
Os rotores de giroscópio em sistemas de guiamento e navegação são a aplicação de equilibragem mais exigente no fabrico para o setor da defesa. Certos rotores de giroscópio de alta precisão podem funcionar a velocidades extremamente elevadas, atingindo dezenas de milhares de rpm ou mais, com tolerâncias de equilíbrio medidas em miligrama-milímetros (mg·mm). A estas velocidades, mesmo uma fração de miligrama de desequilíbrio gera forças que degradam a precisão da navegação. O processo de equilibragem de rotores de giroscópio exige máquinas especializadas, com uma resolução de medição várias ordens de grandeza superior à do equipamento de equilibragem industrial corrente.
Desequilíbrio estático, de binário e dinâmico
Compreender os diferentes tipos de desequilíbrio é essencial para especificar a abordagem de equilibragem correta.
O desequilíbrio estático ocorre quando o centro de massa está desviado do eixo de rotação ou quando o rotor é «mais pesado de um lado». O desequilíbrio estático pode ser detetado sem fazer rodar o rotor, observando para que lado este gravita sobre chumaceiras de baixo atrito. Em aplicações de defesa, as tolerâncias são demasiado apertadas para métodos de deteção estáticos, sendo necessária uma medição dinâmica.
O desequilíbrio de binário ocorre quando o eixo principal de inércia está angularmente deslocado em relação ao eixo de rotação ou quando o rotor está equilibrado em termos de centro de massa, mas tem uma distribuição de massa assimétrica ao longo do seu comprimento. O desequilíbrio de binário só pode ser detetado e corrigido dinamicamente, exigindo medição em dois planos de correção.
O desequilíbrio dinâmico é a soma vetorial do desequilíbrio estático e do desequilíbrio de binário, o caso mais geral. Praticamente todos os componentes rotativos reais apresentam desequilíbrio dinâmico, razão pela qual a equilibragem dinâmica em dois planos é a abordagem padrão para componentes do setor da defesa.
O processo de equilibragem
A sequência fundamental da equilibragem dinâmica é coerente entre os vários tipos de componentes, embora a precisão e as ferramentas variem enormemente.
- Rotação de medição: o componente é montado numa máquina de equilibragem de precisão e posto a rodar a uma velocidade controlada. Os sensores de vibração detetam a assinatura do desequilíbrio — tanto a magnitude como a posição angular — em cada plano de correção.
- Cálculo da correção: o sistema de medição da máquina de equilibragem calcula a massa e a posição angular da correção necessária em cada plano para colocar o rotor dentro da tolerância.
- Correção de material: o material é removido (por furação, retificação, fresagem ou ablação a laser) ou adicionado (pesos de correção, resina epóxi) nas posições calculadas.
- Rotação de verificação: o componente é posto a rodar novamente para verificar se a correção atingiu a tolerância de equilibragem exigida.
- Documentação: o desequilíbrio inicial, a correção aplicada e o desequilíbrio residual final são registados no registo de qualidade do componente para efeitos de rastreabilidade.
Nos componentes do setor da defesa, este processo pode ser repetido várias vezes para atingir a tolerância exigida. Os dados de medição são conservados como parte do historial do componente com número de série.
O que define uma máquina de equilibragem para o setor da defesa
Nem todas as máquinas de equilibragem podem servir aplicações de defesa. As máquinas de equilibragem para o setor da defesa têm de assegurar:
- Resolução de medição adequada à tolerância, como mg·mm para rotores de giroscópio e g·mm para componentes de propulsão
- Repetibilidade suficiente para tomar decisões de correção fiáveis ao nível de tolerância exigido
- Controlo ambiental para proporcionar uma medição com temperatura estabilizada em componentes cujo estado de equilíbrio é sensível à temperatura
- Aquisição de dados e rastreabilidade para o registo automatizado de todos os dados de medição e de correção, integrada com sistemas de gestão da qualidade
- Fixação flexível que permite a adaptação aos requisitos específicos de montagem e de acionamento de cada tipo de componente
A Cimat concebe e constrói máquinas de equilibragem adaptadas aos requisitos específicos de cada aplicação de defesa, desde sistemas de equilibragem de torres de alta capacidade até máquinas de equilibragem de rotores de giroscópio de ultraprecisão, com uma resolução de medição na gama abaixo de mg·mm.
