apost. análise de vibração tecnolass

8/3/2019 Apost. Anlise de Vibrao Tecnolass

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Unidade 7 Anlise e Diagnstico de Vibraes

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Unidade 7 - Anlise e Diagnstico de Vibraes

7.1 - Introduo

A anlise da vibrao consiste em identificar caractersticas do sinal vibratrio que possam ser utilizadas paraconhecimento das caractersticas do sistema. A anlise direta da vibrao no tempo, normalmente, no apresenta muitainformao til. necessria que ela seja processada adequadamente para que as suas caractersticas sejam identificadas. Aresposta em frequncia (conseguida atravs da transformada de Fourier) mostra as frequncias em que a energia vibratriase concentra. A Fig. 7.1a mostra um registro no tempo de uma medio realizada em um rotor vertical. O sinal temcaractersticas de difcil interpretao. O espectro em frequncia mostrado na Fig. 7.1b, entretanto, apresenta uma clara

predominncia de uma determinada frequncia em relao s demais. Isto pode ser utilizado para identificar a causa davibrao, por exemplo: a velocidade de rotao do rotor igual frequncia predominante).

Registro da vibrao

-0.0008

-0.0004

0

0.0004

0.0008

0

0.

1

0.

2

0.

3

0.

4

0.

5

0.

6

0.

7

0.

8

0.

9 1

1.

1

Tempo (seg)

Amplitude(mm)

Transformada de Fourier

0

0.01

0.02

0.03

0.04

010

20

29

39

49

59

68

78

88

98

Frequncia (Hz)

Amplitude(mm)

(a) (b)

Figura 7.1 - Registro da vibrao e espectro (Transformada de Fourier).

Uma das possveis aplicaes est no diagnstico de problemas em mquinas. Uma vez identificado um nvelvibratrio alto, o principal problema identificar a origem da vibrao. Isto feito, normalmente utilizando-se um processode eliminao de causas. A maior amplitude de vibrao est normalmente prxima parte da mquina onde se localiza o

problema. Se um estudo inicial nas medies revela que amplitudes dominantes ocorrem em uma determinada frequncia, provvel que o problema esteja ocorrendo na regio da mquina em que algum elemento opera com esta determinadafrequncia e as amplitudes medidas so maiores. A anlise da vibrao o processo em que so identificados as causas davibrao atravs da medio adequada dos nveis vibratrios.

7.2 - Anlise Modal

Qualquer resposta dinmica de uma mquina ou estrutura pode ser obtida por superposio de seus modos naturais(ou normais) de vibrao quando as amplitudes do sistema so pequenas (regime linear). Uma descrio dinmica completada mquina ou estrutura requer a determinao das freqncias naturais, formas modais, e parmetros do sistema (massas,rigidezes, e constantes de amortecimento equivalentes).

A funo de resposta em freqncia cumpre um papel importante na anlise modal experimental. Ela determinada experimentalmente e ento analisada para determinao das freqncias naturais, formas modais, e parmetrosdo sistema (que podem ser usados, tambm, para predio das respostas s vrias excitaes ou para melhorar ocomportamento dinmico do sistema atravs de modificaes em projeto). Na anlise modal , assume-se que o sistema linear e os parmetros so invariantes com o tempo.

7.2.1 - Tipos de Funes Excitadoras

Os seguintes tipos de funes excitadoras podem ser usadas para determinar a funo de resposta em freqncia deuma estrutura:

a) Excitao harmnica de regime permanenteO sistema excitado harmonicamente em uma freqncia constante e a resposta medida. Este procedimento

repetido em vrias freqncias discretas para se obter uma completa funo discreta de resposta emfreqncia. Como o procedimento tem que ser repetido tem que ser repetido vrias vezes, consome muito


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tempo e no usado com freqncia. Entretanto, em situaes em que se espera que ocorram poucasfreqncias dominantes, o mtodo bastante til.

b) Excitao de regime quase-permanenteEste mtodo envolve uma pequena varredura em freqncia e se tornou popular por causa da disponibilidadede equipamento de anlise da funo transferncia. Uma fora senoidal varrida atravs da faixa defreqncia de interesse em uma taxa suficientemente lenta de forma a permitir a medio da resposta dosistema em todas as freqncias.

c) Excitao transiente Neste mtodo, a funo de resposta em freqncia calculada por transformadas de Fourier dos registrostemporais da excitao e da resposta. Computadores digitais e analisadores em tempo real permitem o clculoon-line da resposta do sistema.

d) Excitao aleatria contnuaEste mtodo bastante utilizado por simular melhor o ambiente real. Na excitao harmnica somente umanica ressonncia ser excitada por vez e no sero detectadas as interaes entre as ressonncias. A excitaoaleatria, por sua vez, atua em todas as ressonncias ao mesmo tempo.

7.2.2 - Representao dos Dados de Resposta em Freqncia

Os dados da resposta em freqncia podem ser representados para obter grficos de:a) Mdulo e ngulo de fase em funo da freqncia;b) Componentes real e imaginria da resposta em funo da freqncia, ec) Diagrama vetorial da componente real versus a componente imaginria da resposta.Como o mtodo do modo normal permite a representao de um sistema de n graus de liberdade como n sistemassimples de um grau de liberdade, pode-se considerar o sistema de um grau de liberdade mostrado na Figura 7.2.

Figura 7.2 - Sistema de um grau de liberdade.A equao do movimento do sistema quando submetido excitao harmnica F(t) = F0eiwt, dada por

tieFkxxcxm 0=++ &&& (7.1)

Assumindo uma soluo harmnica

( ) tiXetx = (7.2)

a amplitude da resposta pode ser obtida como

( )

+=

+

==rirk

F

k

c

i

k

F

k

FHX

n

21

1

1

12

0

2

00 (7.3)

k

m

c

F(t)= F0eiwt


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ondem

kn= ,

n

r

= , rk

c 2= , e o fator de amortecimento viscoso. A amplitude da resposta pode ser

expressa como

IRMM

i

MiXXiXXeXX +=+== sencos (7.4)

ondeXM,XR eXI so o mdulo, parte real e pare imaginria da resposta, respectivamente, dados por

( ) ( )

+

=

222

20

21

1

rr

r

k

FX

R

(7.5)

( ) ( )

+

=

222

0

21

2

rr

r

k

FX

I

(7.6)

( ) ( )

+=+=

222

022

21

1

rrk

FXXX

IRM

(7.7)

O ngulo de fase pode ser obtido por

==

212

tanr

r

X

X

R

I

(7.8)

7.2.2.1 - Grficos de Mdulo e ngulo de Fase

As variaes dos mdulos e dos ngulos de fase com a freqncia so mostrados nas Figuras 7.3a e 7.3b. Se 1 e 2

so as freqncias em que a amplitude 2

rMX

(pontos de meia potncia) ondeXM r a amplitude de ressonncia (valor de

XM quando r= 1), o fator de amortecimento pode ser encontrado como (ver seo 3.4.2):

nn

24

122

21

22 (7.9)

XM

XMr

XMr

/20.5

F0/k

1

2

n

n

180o

90o

0o

(a) (b) Figura 7.3 - Grficos de mdulo e ngulo de fase.

Em testes experimentais, a freqncia correspondente amplitude de pico identificada como n. A amplitude depico (XM r) resulta

k

FX

rM

0

2

1

= (7.10)


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A identificao dos pontos de meia potncia permite o uso da equao 7.9. As equaes 7.9 e 7.10, junto com a

relaom

kn= , produzem os valores de m, k, e c do sistema.

7.2.2.2 - Grficos das Componentes Real e Imaginria da Resposta

As variaes deXR eXI em funo da freqncia, dadas pelas equaes 7.5 e 7.6, so mostradas nas figuras 7.4a e7.4b. A ressonncia pode ser identificada como o valor de w para o qual XR igual a zero ou XI mximo. Os pontos demeia potncia correspondem a

maxRX e, portanto, a equao 7.9 pode ser usada.

n

2

1

A

C

B

( )20

21

1

+kF

410

k

F

n

2

A

C

1

B

4

10k

F

XR

XI

0

0

410

kF

2

10k

F

Figura 7.4 - Grficos de componentes real e imaginria da resposta.

n

2,C B,

1

= 00

A

XR

XI

2

10k

F

= 0

XM

Figura 7.5 - Diagrama vetorial.

7.2.2.3 - Diagrama Vetorial

A freqncia pode ser eliminada das equaes 7.5 e 7.6, obtendo-se a equao

( ) ( )

2

02

2

0

41

41

=+

+

rk

FX

rk

FX

RI

(7.11)

Esta equao a equao de um crculo, mostrado na Figura 7.5. A condio de ressonncia pode ser identificadano ponto A. Os pontos de meia potncia correspondem aos pontos B e C.

7.3 - Diagnstico de Mquinas por Anlise de Vibrao

O diagnstico de problemas em mquinas um processo de identificao das causas do movimento vibratrio

atravs da anlise da vibrao. importante, portanto o conhecimento das principais caractersticas provocadas por um


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conjunto de causas mais freqentes. A Tab. 7.1 mostra uma relao de algumas causas freqentes (seria impossvelrelacionar todas as causas possveis) e a caractersticas principais no domnio da freqncia. A experincia pessoal serfundamental para o analista anexar a esta lista novas causas e caractersticas s que esto aqui apresentadas. Uma boareviso do tema encontrada no artigo "The Current State of Vibroacoustical Machine Diagnostics"de Natalia A. Barkova,Vibroacoustical Systems and Technologies (VAST, Inc.) , So Petersburgo, Rssia, cuja cpia encontra-se publicada noAnexo 7.1.

7.3.1 - Desbalanceamento

O desbalanceamento uma das causas mais comuns de vibraes em mquinas. Na maioria das vezes as principaiscaractersticas da vibrao medida so:

1 - A frequncia da vibrao coincide com a rotao do elemento desbalanceado.2 - A amplitude proporcional quantidade do desbalanceamento (tende sempre a crescer com o passar do

tempo).3 - A amplitude de vibrao normalmente maior nas direes radiais (transversais ao eixo de rotao).4 - As leituras de fase permanecem estveis.5 - A fase muda 90o quando o sensor deslocado 90o.Estes cinco sinais de desbalanceamento so boas pistas que devem ser consideradas com cuidado e bom senso. O

balanceamento no a nica causa de vibraes que ocorrem na frequncia de rotao. Um outro ponto a considerar queo desbalanceamento em rotores verticais (turbinas hidrulicas, por exemplo) freqentemente apresenta grandes amplitudestambm na direo axial. Outras mquinas (turbinas a vapor e a gs, compressores rotativos, por exemplo) tambm podemapresentar grandes amplitudes axiais quando desbalanceamento devido a reaes por impulsos. Portanto no se podeeliminar o desbalanceamento como uma possvel causa de vibraes quando ocorre vibrao axial.

7.3.2 - Desalinhamento e Empenamento.

O desalinhamento quase to comum como o desbalanceamento. Apesar do uso de mancais auto-compesadores ouacoplamentos flexveis muito difcil alinhar dois eixos e seus mancais de forma que no atuem foras que causemvibraes. Existem trs tipos bsicos de desalinhamento: paralelo, angular e combinado. O eixo empenado (fletido) vibracom caractersticas semelhantes ao desalinhamento angular, de forma que tambm est includo nesta seo.

Na maioria das vezes, a anlise de vibrao originada por desalinhamento ou empenamento apresenta:1. A frequncia da vibrao normalmente 1X RPM. Se o desalinhamento for severo surgem tambm em 2X

RPM e 3X RPM.2. A amplitude proporcional quantidade de desalinhamento.Causa Amplitude Freqncia Fase ConsideraesDesbalanceamento Proporcional ao

desbalanceamento.Maior na direoradial.

1X RPM Referncia simples.Marca estvel erepetitiva.

Causa mais comumde vibraes.

Desalinhamento ouempenamento

Maior na direoaxial (50% acima daradial).

1X RPM normal2X RPM algumasvezes

Referncia simples,dupla ou tripla.

Melhor identificadapela grandeamplitude axial.

Mancais excntricos Normalmente nomuito grande.

1X RPM Marca simples. Se em engrenagens, amaior vibraoocorre na linha de

centros dasengrenagens.Se em motores ougeradores,desaparece quando a

potncia desligada.Se em bombas ouventiladores, tente

balancear.Mancais anti-fricoem mau estado.

Inconstante - medirvelocidade eacelerao.

Muito alta - vriasvezes a RPM

Marcas mltiplaserrticas.

O mancalresponsvel o queest mais prximo damaior vibrao de

alta freqncia.


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Engrenagens comdefeito ou rudo.

Baixa - medirvelocidade eacelerao.

Muito alta - nmerode dentes X RPM

Errtica - marcasmltiplas.

Recomenda-se aanlise defrequncias de ordemalta.

Elementos mecnicossoltos. Errtica algumasvezes. 2X RPM Duas marcaslevemente errticas. Normalmenteacompanhado dedesbalanceamentoe/ou desalinhamento.

Correias em mauestado.

Errtica ou pulsante. 1,2,3,4X RPM dacorreia.

Uma ou duas marcas,dependendo dafrequncia.

Normalmenteinconstante.

Lmpadaestroboscpica amelhor ferramenta

para congelar acorreia com

problema.Eltrica. Desaparece quando a

potncia desligada.1X RPM ou 1,2X afrequncia sncrona(da rede, aqui 60 Hz).

Marcas simples ouduplas rotativas.

Se a vibraodesapareceinstantaneamente

quando a mquina desligada a causa eltrica. Problemasmecnicos e eltricos

produzembatimentos.

Foras aerodinmicasou hidrulicas.

Pode ser grande nadireo axial.

1X RPM ouno de ps X RPM

Marcas mltiplas Rara causa deproblemas excetoquando ocorreressonncia.

Foras alternativas. Maior em linha como movimento.

1,2 ou mais X RPM Marcar mltiplas. Em mquinasalternativas s podeser reduzida por

alterao de projetoou isolamento.Tabela 7.1 - Principais causas e caractersticas da vibrao.

3. A amplitude de vibrao pode ser alta na direo axial bem como na radial. O desalinhamento, mesmo comacoplamentos flexveis, produz foras axiais e radiais que, por sua vez produzem vibraes radiais e axiais.Sempre que a amplitude da vibrao axial for maior que a metade da maior amplitude radial, deve-se suspeitarde desalinhamento ou empenamento.

4. As leituras de fase so instveis.

Desalinhamento Angular - o desalinhamento angular, indicado na Fig. 7.6, submete os eixos a vibrao axial nafrequncia 1X RPM.

Figura 7.6 - Desalinhamento angular.

Desalinhamento Paralelo - o desalinhamento paralelo, ilustrado na Fig. 7.7, produz uma vibrao radial em umafrequncia de 2X RPM.


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Movimento

lateral

Figura 7.7 - Desalinhamento paralelo.

Desalinhamento Combinado - no desalinhamento combinado, apresentado na Fig. 7.8, alm da vibraopredominante acontecer na direo axial em 1X RPM, ocorre uma vibrao significativa em 2X RPM nesta direo.

Figura 7.8 - Desalinhamento combinado.

No apenas quando existe acoplamento que ocorre desalinhamento. Um mancal de rolamento pode estardesalinhado como mostra a Fig. 7.9, causando uma significativa vibrao axial. Este problema deve ser corrigido com amontagem correta do mancal.

Figura 7.9 - Mancal de rolamento. Figura 7.10 - Mancal de deslizamento.

Um mancal de deslizamento tambm pode apresentar desalinhamento, como mostra a Fig. 7.10. Neste caso noocorrem vibraes significativas, a no ser que tambm exista desbalanceamento. O desbalanceamento provoca grandevibrao radial que, por sua vez, com o empenamento produz componentes axiais significativas.

Outra condio de desalinhamento que produz vibrao axial alta o desalinhamento de polias (ou sistema coroa-

pinho) em transmisso por correias ou correntes. A Fig. 7.11 ilustra este caso. Estas condies no apenas resultaro emvibraes destrutivas como tambm provocam desgaste acelerado de polias, coroas, correias e correntes.


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Figura 7.11- Desalinhamento de polias.

7.3.3 - Excentricidade

A excentricidade outra causa comum de vibraes em mquinas rotativas. O significado de excentricidade aqui diferente do desbalanceamento. Aqui o centro de rotao difere do centro geomtrico, mesmo com a pea balanceada. AFig. 7.12 ilustra alguns tipos comuns de excentricidade.

(a) Polia excntrica (b) Rolamento excntrico

(c) Armadura excntrica de

motor eltrico(d) Engrenagem excntrica

Figura 7.12 - Tipos de excentricidade.

Os sintomas da excentricidade so idnticos aos do desbalanceamento. Em alguns casos a excentricidade pode serreduzida atravs de balanceamento mas, em geral, os resultados no so bons. Normalmente o problema s corrigidoatravs da montagem correta dos elementos envolvidos.

A excentricidade pode produzir foras de reao de natureza no centrfuga. Na correia em V, da Fig. 7.12(a) aexcentricidade provoca variao nas direes das tenses na correia. Neste caso, a maior amplitude de vibrao ocorre nadireo do ramo tensionado da correia em frequncia igual a 1X RPM da polia excntrica. Na Fig. 7.12(c) a excentricidade

varia com a interao magntica entre a armadura e os plos do motor eltrico, criando uma vibrao na frequncia 1XRPM entre armadura e estator. O aumento da carga pode resultar em um aumento da amplitude de vibrao. Nas


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engrenagens excntricas da Fig. 7.12(d) a maior amplitude de vibrao ocorre na direo da linha de centros dasengrenagens na frequncia 1X RPM da engrenagem excntrica. Em todos os casos os sintomas so os mesmos dodesbalanceamento. Uma forma de diferenciar desbalanceamento de excentricidade neste tipo de motor medir a amplitudede vibrao do motor quando em funcionamento normal. A seguir desliga-se o mesmo e observa-se a mudana daamplitude de vibrao: se a amplitude decresce gradualmente o problema deve ser desbalanceamento; se a amplitudedesaparece imediatamente, o problema causado pela armadura excntrica.

Rotores excntricos de ventiladores, bombas e compressores tambm podem gerar foras vibratrias. Nessescasos, as foras resultam da atuao desigual de fora aerodinmicas e hidrulicas sobre o rotor. Os sintomas tambm soos mesmos do desbalanceamento. No h forma de distinguir. O procedimento realizar o balanceamento e, se asamplitudes no forem reduzidas significativamente, inspecionar a mquina na busca de desgastes, danos ou excentricidadenos mancais.

7.3.4 - Mancais de rolamento defeituosos

Defeitos em guias, esferas ou roletes em mancais de rolamento causam vibraes de alta frequncia. Nestes casos,a frequncia no , necessariamente, um mltiplo inteiro da velocidade de rotao do eixo. Possveis movimentos deroamento ou deslizamento de esferas ou roletes podem gerar frequncias mais diretamente relacionadas com os processosde roamentos ou impactos. Normalmente as amplitudes de vibrao dependem da extenso do problema existente, mas os

possveis impactos podem excitar tambm frequncias naturais, o que deve ser adequadamente verificado. As altasfrequncias naturais, normalmente excitadas nestes casos, esto associadas a componentes estruturais da mquina, eocorrem, tipicamente, acima de 166 Hz (10000 CPM). Em alguns casos, podem ser geradas vibraes em frequnciasnaturais associadas geometria dos mancais.

A Fig. 7.13 mostra o resultado de uma anlise realizada em uma mquina com mancais de rolamento defeituosos.So observadas vrias vibraes em altas frequncias (faixa acima de 20000 CPM ou 333 Hz, com a mquina operando em1800 CPM ou 30 Hz). Estas vibraes so resultado da excitao de frequncias naturais do mancal ou outras partesestruturais associadas. Um outro detalhe que, normalmente, as vibraes nos mancais no so transmitidas a outros pontosda mquina, de forma que os sinais estaro presentes apenas em medies realizadas prximas ao mancal defeituoso.

Figura 7.13 - Mquina com mancais de rolamento defeituosos.

Outras causas de falhas em mancais de rolamento

Os rolamentos esto entre os elementos de mquinas mais cuidadosamente construdos disponveis. Mancais derolamento normalmente no falham, a no ser que foras geradas por outros problemas sejam responsveis pela falha.

Freqentemente estas foras tambm so responsveis pelas vibraes. Desta maneira, mesmo quando a anlise da vibrao


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apresenta sintomas de que existem problemas nos mancais, no se deve eliminar a possibilidade de que a causa primria davibrao seja outra. A Tabela 7.2 apresenta as principais causas de falhas em mancais de rolamento.

CARGA EXCESSIVA

DESALINHAMENTO ALOJAMENTOS DE EIXOS DEFEITUOSOSMONTAGEM DEFEITUOSAAJUSTE IMPRPRIOLUBRIFICAO IMPRPRIA OU INADEQUADASELAGEM POBREENDURECIMENTO IRREGULARCORRENTE ELTRICA

Tabela 7.2 - Causas comuns de falhas em rolamentos.

Outras causas de sintomas em rolamentos

Desalinhamento severo em mquinas equipadas com rolamentos podem, algumas vezes produzir vibraes de altafrequncia (12600 cpm) nos mancais que no se devem a problemas nos rolamentos. Um caso ilustra isto: detectou-se umavibrao em alta frequncia no mancal inferior de um motor de acionamento de uma bomba vertical, operando a 900 rpm.A vibrao observada ocorre, portanto em uma frequncia igual a 14 vezes a frequncia de operao (nmero de esferas dorolamento). A amplitude mxima foi observada na direo axial. A vibrao em alta frequncia indica um problema norolamento, e, como a amplitude era muito alta, requeria imediata correo. Foi ento substitudo o rolamento sem que aamplitude de vibrao se alterasse significativamente. Nova investigao mostrou que a montagem do flange que liga omotor bomba foi distorcida por um aperto irregular dos parafusos. Com a correo deste problema desapareceu acomponente da vibrao de alta frequncia. O fato da frequncia associada ao problema ser igual a 14 vezes a frequncia deoperao e este ser o nmero de esferas do rolamento foi apenas uma infeliz coincidncia no caso.

7.3.5 - Problemas em Mancais de Deslizamento

Os altos nveis vibratrios devidos a problemas em mancais de deslizamento so resultado, geralmente, de folgasexcessivas (desgaste ou eroso qumica), partes soltas, ou problemas de lubrificao.

Folga ExcessivaA folga excessiva provoca desbalanceamento, desalinhamento, afrouxamento e batidas.

Precesso com lubrificao (Oil whirl)

A precesso com lubrificao ocorre apenas em mancais de deslizamento lubrificados sob presso e quandooperam a altas velocidades, normalmente superiores segunda velocidade critica do rotor.

Figura 7.14 - Mancal de deslizamento com precesso com lubrificao (oil whirl).

O mecanismo da precesso ilustrado na Fig. 7.14. Sob condies normais de operao, o eixo se elevarligeiramente pela lateral do mancal. Esta elevao depende da velocidade de rotao, peso do rotor e presso do leo. Oeixo, desta forma, opera em uma posio excntrica em relao ao centro do mancal e arrasta o leo formando uma espciede cunha lquida pressurizada do outro lado. Se esta excentricidade momentaneamente aumentada devido, por exemplo, a

uma onda repentina, uma carga de impacto externa, ou outra condio transitria, uma quantidade adicional de leo imediatamente bombeada no espao deixado vago pelo eixo. O resultado um aumento na presso do filme de leo em


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contato com o eixo. A fora adicional desenvolvida pode produzir um movimento circular do eixo no interior do mancal. Seo amortecimento do sistema for suficientemente grande o eixo retorna sua posio de equilbrio no mancal; se oamortecimento for baixo, o eixo continua com este movimento de precesso (whirl) . A vibrao resultante freqentemente muito severa, mas facilmente reconhecida por sua frequncia incomum. Esta frequncia levemente menorque a metade da velocidade de rotao do eixo (geralmente 46% a 48%). A Fig. 7.15 apresenta uma anlise de umamquina com sintomas de oil whirl.

Figura 7.15 - Anlise de uma mquina com sintomas de oil whirl.

Como a frequncia dominante menor que a metade da velocidade de rotao (ou da frequncia sncrona), se oeixo for observado com uma luz estroboscpica a marca no aparecer fixa e sim girando. O problema do oil whirl normalmente atribudo a um projeto inadequado do mancal, algumas vezes por superestimar o carregamento real do eixo.Entretanto, algumas outras causas possveis incluem desgaste excessivo do mancal, aumento na presso ou mudana naviscosidade do leo. Algumas correes temporrias podem ser feitas mudando a temperatura do leo lubrificante(mudando a sua viscosidade), introduzindo um pequeno desbalanceamento ou desalinhamento para aumentar a carga, oufragmentar ou ranhurar as faces da superfcie do mancal para desfazer a onda de leo. Naturalmente a soluo permanente substituir o mancal adequadamente projetado para as condies de operao da mquina ou um especialmente projetado

para reduzir as possibilidades de oil whirl.A Fig. 7.16 mostra trs configuraes de mancais de deslizamento disponveis especialmente construdos para

reduzir as possibilidades de oil whirl:a) Mancal com ranhuras axiais (Fig. 7.16a) -Neste tipo de mancal, as ranhuras so utilizadas para aumentar a

resistncia ao whirlem trs pontos igualmente espaados. Esta configurao normalmente limitada a menoresaplicaes tais como pequenas turbinas a gs.

b) Mancal lobado (Fig. 7.16b) - Este tipo de mancal produz estabilidade contra o oil whirlusando trs filmes deleo pressurizado de forma que o eixo permanece centralizado. Algumas vezes possuem ranhuras axiais paraaumentar a resistncia ao whirl.

c) Mancais segmentados (Fig. 7.16c) - uma escolha comum (muito utilizado) em mquinas industriais grandes,de alta velocidade. Cada segmento desenvolve uma cunha de leo pressurizado que tende a centralizar o eixono mancal. Normalmente o amortecimento do sistema aumentado o que aumenta tambm.


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(a) Mancal ranhurado axialmente (b) Mancal lobado (c) Mancal segmentado Figura 7.16 - Mancais projetados para reduzir a possibilidade de whirl.

Uma mquina que normalmente estvel pode exibir sinais de vibrao por oil whirl e, algumas vezes, estacondio ocorre intermitentemente. Neste caso o problema no est relacionado com o mancal de deslizamento mas comforas externas que, coincidentemente, esto na mesma frequncia do oil whirldo mancal. Existem duas fontes comuns devibrao que podem excitaroil whirlem um mancal de deslizamento: vibrao transmitida pelo maquinrio que opera navizinhana e vibrao proveniente de outros elementos da prpria mquina.

Precesso histerticaUm rotor que opera acima de velocidades crticas tende a se fletir em sentido oposto ao desbalanceamento. O atrito

interno, ou histertico, tende a restringir esta deflexo. Quando, entretanto, as foras de amortecimento esto emcoincidncia de fase com a deflexo, o efeito contrrio, agindo no sento de aumentar a mesma. uma vibrao similar aooil whirl, ocorrendo em uma frequncia diferente, normalmente quando o rotor est operando entre a primeira e segundavelocidades crticas. Nesta condio a frequncia da precesso histertica igual primeira frequncia natural (primeiravelocidade crtica) do rotor (raramente ocorre na mesma frequncia do oil whirl). Quando o rotor est operando acima dasegunda velocidade crtica os sintomas so iguais ao do oil whirl. A precesso histertica, normalmente controlada peloamortecimento prprio dos mancais de deslizamento (que normalmente alto). Quando este problema ocorre a soluousual aumentar o amortecimento do mancal ou da estrutura, atravs, por exemplo, da instalao de mancais segmentadosou outros especialmente projetados. Em alguns casos o problema pode ser solucionado reduzindo o amortecimento do rotor,o que pode ser feito, por exemplo, substituindo um acoplamento por engrenagens por um acoplamento flexvel.

Lubrificao inadequadaProblemas como insuficincia de lubrificao ou uso de lubrificante inadequado, podem causar vibrao em

mancais de deslizamento. Nestes casos, a lubrificao inadequada causa atrito excessivo entre o mancal estacionrio e oeixo rotativo, e o atrito excita uma vibrao no mancal ou partes a ele relacionadas (dry whip). A frequncia da vibrao,neste caso, normalmente muito alta, produzindo rudo agudo (guinchos), e no tem relao com a velocidade de rotaodo rotor. Quando h suspeita sobre a existncia de dry whip deve-se verificar a lubrificao do mancal e se a folga estcorreta (tanto folga excessiva como insuficiente pode causardry whip).

7.2.6 - Elementos mecnicos soltos

Figura 7.17 - Elemento mecnico solto.

Elementos soltos produzem vibrao em uma frequncia que normalmente igual ao dobro ou mltiplos inteirosda velocidade de rotao do eixo rotativo. Normalmente o elemento se solta em virtude de uma vibrao excitada por outrafonte, como, por exemplo, desbalanceamento ou desalinhamento. O elemento solto, por sua vez, agrava a situao,transformando vibraes aceitveis em excessivas.

A Fig. 7.17 apresenta um esquema que ilustra como um elemento solto pode produzir uma vibrao em umafrequncia igual ao dobro da velocidade de rotao do rotor. O desbalanceamento a origem da vibrao neste exemplo.

Quando a parte mais pesada do rotor est na parte inferior do mancal a fora centrfuga se dirige para baixo, forando omancal contra o seu pedestal. Quando a parte mais pesada do rotor passa pela parte superior do mancal a fora se dirige


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para cima e o mancal elevado do pedestal. Quando a parte mais pesada do rotor est na lateral do mancal o mesmo caisobre o pedestal . Este processo resulta que a fora atua de duas formas distintas sobre o mancal, durante uma revoluo dorotor: o rotor inicialmente levantado e a seguir cai sobre o pedestal. A Fig. 7.18 mostra um registro possvel para estafora. Caracteriza-se aqui uma fora peridica com comportamento no harmnico o que implica na presena defrequncias harmnicas, com predominncia da segunda harmnica (igual ao dobro da frequncia de operao).

Frequncia

de operao

Figura 7.18 - Fora centrfuga com elemento solto.

Como resumo, a principal caracterstica da vibrao originada por elemento mecnico solto a predominncia dasegunda frequncia harmnica. Existe, normalmente, alguma folga inerente em toda mquina, de forma que absolutamente normal achar alguma a segunda harmnica (ou, at mesmo, harmnicas maiores) quando hdesbalanceamento e desalinhamento. A suspeita de elemento mecnico solto justificada quando a segunda harmnica

predominante.

7.3.7- Vibraes em Correias

As correias em V so muito utilizadas em transmisso de potncia por sua alta capacidade de absorver choques evibraes. Na maioria dos casos as correias em V operam mais silenciosamente que correntes e engrenagens, o queevidencia nveis vibratrios menores. Por outro lado, as correias em V podem ser fontes de vibraes indesejveis,especialmente em mquinas ferramenta em que os nveis vibratrios devem ser mantidos muito baixos.

Os principais problemas vibratrios associados s correias em V so, geralmente, classificados como:1. reao da correia a outras foras geradas no equipamento;2. problemas reais na correia.As correias em V so freqentemente consideradas como fontes de vibraes porque muito fcil visualizar a sua

vibrao, o que no ocorre com outras partes da mquina. As correias so as peas de maior facilidade de substituio.Entretanto, bastante provvel que a correia vibre em funo de outros distrbios na mquina, sendo apenas um indicadorde um problema vibratrio. Alguns problemas que normalmente produzem vibraes em correias so o desbalanceamentoexcessivo, polias excntricas, desalinhamentos e elementos soltos. Deve-se, portanto, investigar profundamente as causas

da vibrao antes de efetuar uma troca de correia. O fator chave para determinar a natureza do problema a frequncia davibrao da correia. Se a vibrao da correia produzida por uma causa proveniente de outro elemento, ento a frequnciada vibrao estar associada ao problema gerador. Por outro lado, quando a vibrao ocorre por defeito na correia, afrequncia de vibrao igual a um mltiplo inteiro (1, 2, 3 ou 4 vezes) da rotao da correia.

Com correias mltiplas importante que todas as correias tenham a mesma tenso. Se algumas correias estiveremfrouxas enquanto que outras esto tensionadas, as correias frouxas apresentaro fortes vibraes mesmo que as foras

perturbadoras sejam fracas. Esta condio causa deslizamento e acelera o desgaste na correia e na polia.As Figuras 7.19a e 7.19b ilustram as tcnicas para execuo de anlise de correias. A identificao de defeitos na

correia geralmente pode ser feita medindo-se a vibrao em um mancal prximo mesma, inicialmente em direo perpendicular direo da tenso na mesmo e, a seguir, em direo perpendicular primeira. Correias defeituosasgeralmente apresentam uma amplitude de vibrao maior em uma direo paralela direo de sua tenso.

Os defeitos mais comuns em correias so:

rachaduras,

pontos endurecidos ou enfraquecidos,


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ns laterais, partes de material arrancado, deformaes originadas no empacotamento ou armazenagem que podem causar altas amplitudes de vibraes

em equipamentos leves at que a correia se torne mais flexvel e assuma a sua forma original

pequenas variaes na largura de correias em V que podem faze-la pular nas guias das polias, causandovibraes devidas a variaes na tenso da correia.

O deslizamento de correias (correia patinando) causado por tenso imprpria, desalinhamento de polias,correia inadequada para a utilizao ou carga excessiva. O deslizamento produz algumas vezes vibraes de alta frequnciae rudo caracterstico (silvo ou grunhido). As vibraes causadas por deslizamento resultam freqentemente em amplitudesinstveis. Isto particularmente verdadeiro em correias mltiplas onde as correias podem deslizar em diferentes graus,algumas vezes somando-se as amplitudes e outras subtraindo-se resultando em uma amplitude de vibrao que aumenta ediminui ciclicamente. A extenso do deslizamento de correias mltiplas pode ser determinada com o auxlio de uma luzestroboscpica. Deve-se desligar a mquina e desenhar uma linha reta transversalmente s correias (com um pedao de giz).A seguir faz-se a mquina operar em sua velocidade nominal, regular o analisador na frequncia de rotao da correia eobservar se as marcas se deslocam relativamente atravs da luz estroboscpica. Em caso positivo, ocorre deslizamento.

7.3.8 - Vibraes em Engrenagens

Normalmente, as vibraes originadas por problemas em engrenagens so fceis de ser identificadas por ocorreremem uma frequncia alta, igual frequncia de rotao da engrenagem multiplicada pelo seu nmero de dentes(frequncia deengrenamento). O espectro mostrado na Fig. 7.19 obtido de medies realizadas no mancal C, junto caixa deengrenagens (redutor) de um sistema constitudo por uma turbina, um redutor e um ventilador. Observa-se um picoconsidervel (predominante nas direes horizontal e axial) em uma frequncia de 134400 rpm (2240 Hz) que exatamenteigual ao produto do nmero de dentes do pinho (32) pela sua frequncia de rotao que a mesma da turbina (4200 rpmou 70 Hz). Alguns problemas comuns que apresentam estas caractersticas so:

desgaste excessivo, imperfeies nos dentes, lubrificao deficiente, e impurezas incrustadas nos dentes.

Figura 7.19 - Espectro de equipamento com problema de engrenagem.


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Outras fontes de problemas em mquinas (desalinhamentos, eixos empenados) podem tambm originar vibraesna frequncia de engrenamento. As excentricidades, os desbalanceamentos e os eixos empenados tambm podem causarvibraes em sub-mltiplos da frequncia de engrenamento. A Fig. 7.20 mostra dados de medies efetuadas em umconjunto motor, redutor e compressor. As amplitudes em alta frequncia so predominantes, indicando problemas nasengrenagens (posies C, D, E e F). Deve-se, entretanto, observar que as amplitudes de vibrao axial medidas nafrequncia de rotao do motor (posies A, B, C e D) tambm apresentam valores elevados. Isto sugere que odesalinhamento, mais que qualquer problema nas engrenagens, seja a causa principal das vibraes. Deve-se, ento, corrigiro desalinhamento e se realizar novas medies. So boas as chances de que as amplitudes na frequncia de engrenamentodesapaream.

Figura 7.20 - Dados de um problema dedesalinhamento que gera vibraes na frequncia deengrenamento.

Figura 7.21 - Diferena entredesbalanceamento e dente de engrenagemquebrado

As engrenagens tambm podem gerar vibraes em outras frequncias no relacionadas com a frequncia deengrenamento. Quando, por exemplo, a engrenagem apresenta apenas um dente quebrado ou deformado, pode surgir uma

vibrao na frequncia de rotao. Neste caso o problema pode ser identificado analisando-se a forma da onda vibratria(em um osciloscpio): ocorrem picos elevados em intervalos de um perodo de rotao como ilustra a Fig. 7.21,


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comparando a vibrao resultante com a que seria gerada por um desbalanceamento. Se existirem mais de um dentedanificados a frequncia ser multiplicada pelo nmero destes.

Quando um trem de engrenagens opera com condio de carga muito leve as vibraes podem apresentaramplitudes e frequncias errticas. Esta condio de operao pode ocasionar impactos entre as diversas engrenagens deforma desordenada. Os impactos excitam as frequncias naturais das engrenagens, mancais e componentes a eles ligados.Este tipo de problema pode ser distinguido de um problema em um mancal, por exemplo, observando-se que as amplitudesoriginadas pelo problema do mancal so muito maiores prximas ao prprio mancal, enquanto que as originadas porengrenagens so detectadas em dois ou mais pontos da mquina.

As engrenagens tambm podem apresentar problemas comuns a outras partes da mquina como desbalanceamentoou montagem excntrica, por exemplo, apresentando, nestes casos, vibraes com estas caractersticas.

Em virtude das vibraes de alta freqncia, as engrenagens so uma fonte comum de rudo nas mquinas deforma que a correo dos problemas associados a elas reduz significativamente o nvel de rudo existente.

7.3.9 Vibraes devido a falhas eltricas

As vibraes causadas por falhas eltricas ocorrem em sistemas que possuem mquinas eltricas (motores,geradores, alternadores, etc.) e so causadas normalmente por foras magnticas desequilibradas atuantes em rotores ouestatores. Algumas causas comuns destas foras so:

rotor no redondo; armaduras excntricas; rotor e estator desalinhados; estator elptico; circuito aberto ou curto circuito; problemas no enrolamento do rotor.Os problemas eltricos geralmente apresentam vibraes na freqncia de rotao, o que torna difcil a distino

de outras fontes como desbalanceamento. Uma maneira de se verificar se a vibrao causada por problema eltrico desligar a energia eltrica durante a medio da amplitude de vibrao e verificar se a mesma desaparece ou diminuisignificativamente rapidamente. Em caso positivo a causa certamente eltrica. Se a diminuio da amplitude for lenta eacompanhar a queda na freqncia de rotao, ento a causa de natureza mecnica. Uma outra caracterstica deste tipo de

problema que os nveis vibratrios dependem da carga. Muitas vezes, motores eltricos so testados em vazio e noapresentam amplitudes de vibrao elevadas e quando em operao com carga vibram violentamente, evidenciando

problemas eltricos.Em motores de induo podem ocorrer vibraes na freqncia de deslizamento que igual diferena entre afreqncia de rotao do rotor e a freqncia eltrica (do campo magntico rotativo) chamada de sncrona que sempreigual freqncia da linha de corrente alternada (freqncia da rede, 60 Hz). Neste caso a amplitude da vibrao pulsante.O fenmeno do batimento se intensifica quando ocorre um problema mecnico associado (como o desbalanceamento) e a

pulsao da amplitude se torna regular, especialmente quando as duas freqncias so relativamente prximas.Os motores eltricos tambm podem apresentar vibraes devido a pulsos de torque gerados quando o campo

magntico do motor energiza os polos do estator. A freqncia associada igual ao dobro da freqncia da linha decorrente alternada. Os pulsos de torque so raramente problemticos exceto quando so exigidos nveis de vibraoextremamente baixos ou os pulsos excitam ressonncias em outras partes da mquina.

7.3.10 Vibraes devido a foras aerodinmicas e hidrulicas

Mquinas que operam com fluidos como ar, gua, leo ou gases podem apresentar vibraes originadas pela

interao entre elementos slidos mveis (ps) e fluidos. Isto acontece freqentemente em bombas, ventoinhas e similares.As vibraes geradas ocorrem em freqncias altas (nmero de ps vezes a freqncia de rotao). As causas da vibraoso foras hidrulicas que normalmente so pequenas mas se tornam importantes quando excitam alguma ressonncia namquina. A Fig. 7.22 mostra o resultado de uma medio efetuada em uma bomba vibrando em 21600 cpm (360 Hz) comum propulsor de seis ps girando a 3600 rpm (60 Hz).


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Figura 7.22 Medio de vibrao causada por foras hidrulicas.

Se no ocorre ressonncia o problema pode ser originado por cavitao, recirculao ou turbulncia. A cavitaoocorre quando uma bomba opera com excesso de capacidade ou baixa presso de suco. Como o fluido que j entrou nopreenche completamente o espao, o fluido que est entrando puxado aos pulos para preencher os espaos vazios. Isto cria bolsas de vcuo que so altamente instveis que podem literalmente implodir muito rapidamente. Os impactos geradosexcitam freqncias naturais localizadas em partes da bomba. Como as imploses podem ocorrer em tempos e posiesaleatrios na bomba ou na tubulao a amplitude e a freqncia da vibrao tambm so aleatrias.

A recirculao pode ocorrer quando uma bomba est operando em baixa capacidade ou alta presso de suco. Natentativa de se mover uma quantidade excessiva de fluido da bomba, uma poro do fluido retorna. Este fluxo reverso e o aconseqente mistura de fluido movendo-se em direes opostas causa vibrao. A recirculao ocorre algumas vezes dentrode uma bomba de mltiplos estgios com folga excessiva entre o rotor e seu alojamento. Esta forma de recirculao podemostrar uma freqncia quase constante no relacionada com a freqncia de rotao. Em qualquer situao, as vibraesdevidas a recirculao apresenta flutuaes aleatrias na freqncia e na amplitude similares s causadas pela cavitao.

O fluxo turbulento o resultado da resistncia ao fluxo normal de fluidos. Esta resistncia pode ser causada por

obstrues, curvas agudas ou apenas atrito superficial entre fluido e tubulao. A turbulncia tambm pode ser causada pelamistura de fluidos de alta e baixa velocidades. Um exemplo um motor a jato quando os gases de exausto de altavelocidade se misturam ao ar externo quase estacionrio. Embora os nveis de rudo gerado por fluxo turbulento sejammuito altos, a mquina vibra pouco pois a condio de turbulncia externa a ela.

Figura 7.23 Espectro de uma vibrao causada por cavitao.

A vibrao e o rudo associados com cavitao, recirculao e fluxo turbulento apresentam caractersticassimilares. Este tipo de vibrao normalmente de natureza aleatria com amplitudes e freqncias instveis. A Fig. 7.23


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mostra um espectro de uma vibrao gerada por cavitao. Pode-se observar uma vibrao de regime permanente em 3600rpm (60 Hz), indicando, possivelmente, um pequeno desbalanceamento ou desalinhamento no motor. Existe, entretanto,uma vibrao aleatria (banda larga) entre 30000 cpm e 100000 cpm (500 Hz e 1667 Hz) indicando problemas deassociados com fluxo hidrulico e aerodinmico.

7.3.11 Vibraes devido a foras alternativasEm mquinas alternativas (compressores, bombas alternativas, motores a combusto) ocorrem vibraes

resultantes do movimento alternativo. Estas vibraes so causadas pelas variaes de torque em virtude da variao depresso no cilindro e pelas foras de inrcia das partes que se encontram em movimento alternativo. Estas vibraes sonormalmente complexas pois vrias freqncias esto envolvidas embora, geralmente, as freqncias predominantes soiguais a uma e duas vezes a freqncia de rotao. Freqncias de ordem mais alta tambm so encontradas dependendo donmero de pistes e de seu relacionamento. Por exemplo, em um motor a quatro tempos de quatro cilindros, ocorrem duasexploses a cada volta da rvore de manivelas (virabrequim). Isto resulta em uma vibrao em uma freqncia igual a duasvezes a freqncia de rotao do virabrequim. Por outro lado, se o mesmo motor possusse seis ou outro cilindros o nmerode exploses seria de trs e quatro por volta com surgimento de freqncias iguais a trs e quatro vezes a freqncia derotao respectivamente. A Fig. 7.24 mostra as vrias freqncia harmonicamente relacionadas reveladas pela anlise de umcompressor de quatro cilindros em V. Geralmente, estas freqncias de ordem mais alta so inerentes ao funcionamento da

mquina e s se tornam importantes se excitarem alguma freqncia natural da mesma induzindo uma condio deressonncia.Os problemas de vibrao excessiva em mquinas alternativas podem ser originados por problemas mecnicos

(desbalanceamento, desalinhamento, empenamento de eixos, folgas, peas soltas, falhas em mancais, etc.) ou operacionais(lubrificao inadequada ou ineficiente, vazamentos em vlvulas, problemas de ignio ou injeo, etc.). A soluo destes

problemas exige uma inspeo completa na mquina acompanhada de uma anlise da vibrao. Existem vrias formas deidentificar problemas mecnicos e operacionais. Por exemplo, falhas de ignio causam um significativo decrscimo deeficincia na mquina acompanhado de forte vibrao. O desbalanceamento, entretanto, praticamente no influencia norendimento da mquina. Problemas operacionais possuem a tendncia a gerar foras alternativas desiguais nas diferentesdirees de medio. Deve ocorrer uma amplitude bem maior na direo (ou paralela a) do movimento alternativo. J odesbalanceamento ou o desalinhamento apresentam amplitudes semelhantes em duas direes radiais.

Figura 7.24 Espectro de vibrao em um compressor.

7.3.12 Vibraes devido ao roamento

O roamento o contato eventual entre partes estacionrias e rotativas de uma mquina podendo gerar vibraesna freqncia de rotao, no dobro dela, em seus sub-mltiplos e altas freqncias. O roamento tambm pode gerar umaumento no nvel de amplitudes em toda uma ampla faixa de freqncias. Se o roamento for contnuo provvel que nose observe nenhuma vibrao caracterstica em especial mas o atrito contnuo pode excitar ressonncias em altasfreqncias em outras partes da mquina produzindo medies de amplitudes e fases instveis.

Observou-se que o roamento em selos de uma turbina a vapor apresenta diferentes amplitudes e fase nas mesmascondies de operao em tempos diferentes de observao. Por exemplo: uma mquina girando a 3600 rpm apresentava


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nveis constantes de amplitude e fase; aps diminuir a sua velocidade de rotao para 1800 rpm por um curto tempo, eretornando a operar a 3600 rpm, a mesma mquina apresentou amplitude e fase completamente diferentes das anteriores.Isto sugere que o ponto em que est acontecendo o roamento est se movendo quando se varia a velocidade de rotao.

O roamento , normalmente o resultado de um eixo empenado ou partes quebradas ou avariadas que podem serdetectados por procedimentos j descritos.

7.4 Anlise de Sinais

A Anlise de sinais se ocupa da interpretao do sinal vibratrio. Na maioria das vezes, a observao direta doregistro de uma medio de vibrao no permite que se tire concluses teis para a anlise do problema que gero umavibrao. Observe-se, por exemplo o registro mostrado na Fig. 7.1a. Neste registro apresentada a medio dodeslocamento lateral de um rotor vertical. O rotor estudado operava em uma velocidade de rotao de 680 rpm e estavasubmetido a um conjunto de falhas como desbalanceamento, empenamento, folgas, problemas eltricos e roamento. Aobservao direta do registro no tempo no permite nenhuma anlise importante. necessrio que seja observado oespectro de freqncia, obtido atravs da aplicao da transformada de Fourier. Embora ainda apresentando uma certadificuldade de interpretao, o espectro de freqncia, mostrado na Fig. 7.1b permite que alguns dos problemas sejamidentificados:

a) o desbalanceamento e o empenamento so responsveis por um pico significativo no espectro na freqnciade rotao;b) o pico em 60 Hz (observado aps filtragem) mostra que devem estar presentes problemas relacionados com o

acionamento eltrico devem estar presentes;c) o patamar irregular presente em uma ampla faixa de freqncia um sintoma de roamento;d) a presena de harmnicas sugere a existncia de folgas;e) a excitao de freqncias naturais mostra irregularidades na rigidez e provvel existncia de impactos.Esta anlise preliminar evidencia a importncia do espectro de freqncia como ferramenta de anlise.

justamente nesta ferramenta que se fundamenta a anlise de sinais.Um refinamento na anlise pode ser produzido atravs da utilizao de filtros. Os filtros so utilizados para separar

os sinais em faixas de freqncia de interesse. Com isso, se pode, por exemplo, excluir algumas caractersticas conhecidasdo sinal (componentes na freqncia de rotao, freqncias naturais, ou freqncias da rede eltrica) para que outrascausas possam ser mais claramente observadas.

Embora tanto a transformada de Fourier quanto a filtragem do sinal possam ser realizadas numericamente, aindaesto em uso alguns instrumentos analgicos como analisadores de espectro e filtros analgicos.

7.4.1. Analisadores espectrais

So instrumentos que analisam o sinal no domnio da freqncia, separando a energia do sinal vibratrio em vriasfaixas de freqncia. Esta separao realizada atravs de um conjunto de filtros, sendo os analisadores classificados deacordo com o tipo de filtro que empregam. Por exemplo: analisadores de banda de uma oitava so analisadores que utilizamfiltros de banda de uma oitava (oitava: intervalo entre duas freqncias em que a mxima igual ao dobro da mnima).

Atualmente j so largamente utilizados analisadores digitais para anlise em tempo real. Em tempo real, o sinal analisado continuamente em todas as faixas de freqncia .Nestes analisadores extremamente importante que o

processamento seja rpido. Os analisadores em tempo real so especialmente teis em aplicaes de manuteno industrialem que a anlise deve ser rpida a fim de fundamentar a imediata tomada de deciso no que se refere ao procedimento demanuteno.

a) Software

Uma grande parte dos analisadores utilizados atualmente constitudo de sistemas integrados a microcomputadoressendo sua operao, fundamentalmente a utilizao de um software dedicado que executa as tarefas necessrias darealizao da anlise espectral. A ttulo de exemplo, ser apresentado aqui o software Spec for Windows SpectrumAnalyser.

Spec for Windows um software para anlise espectral que roda em Windows3.2 ou verses mais atuais. Almde uma configurao bsica comum, requer apenas uma placa de som. Aplica-se na anlise de sinais gerados em sistemaseltricos, mecnicos, estruturais e acsticos. Na rea mecnica e estrutural pode ser usado para caracterizar e identificarvibraes. Embora o Spec for Windows seja um aplicativo MDI (Multiple Document Interface) no atua como MDI nosentido de um processador de texto. O software possui apenas uma sesso de anlise espectral mas pode apresentar muitasvistas diferentes dos dados a partir de uma determinada sesso de anlise espectral. Podem ser visualizados, por exemplo, aresposta em freqncia, correlao cruzada e espectro de potncia simultaneamente. A Fig. 7.25 mostra a janela principal


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com os componentes de magnitude e fase da resposta em freqncia de o alto-falante um alto-falante usando a placa de somdo computador para entrada de dados.

Figura 7.25 Resposta em freqncia de um alto-falante.

b) Instrumentos

A maior parte dos analisadores espectrais fabricados atualmente se destinam principalmente a aplicaeseletrnicas e em telecomunicaes. Poucos so os que permitem anlise em baixas freqncias, caractersticas dasaplicaes em engenharia mecnica. Dentre estes poucos, um exemplo o SPS390 (Figura 7.26), instrumentoespecialmente projetado para cobrir uma ampla faixa de aplicao que vai desde a anlise de problemas em mquinas atmedies eletrnicas. Sua faixa de operao vai de DC at 100 kHz no sendo aplicado em telecomunicaes.

Figura 7.26 Analisador Espectral SPS 390.

7.4.2. Empresas de Consultoria e Anlise

Alguns sistemas integrando instrumentos de medio e software de aquisio e anlise esto disponveis,atualmente no mercado, sendo utilizados em grandes industriais e centros de pesquisa. A complexidade dos problemasvibratrios, associada importncia de sua soluo para garantir o perfeito funcionamento de mquinas e equipamentos no

processo industrial proporcionou a formao de firmas especializadas em consultoria e anlise de problemas vibratrios.

Em geral, estas empresas se originaram em laboratrios de universidades e apresentam como caractersticas principais:


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a) Seu corpo funcional constitudo por pessoal altamente qualificado, muitas vezes pesquisadores ouprofessores universitrios com slida formao e grande experincia.

b) Dispem de uma instrumentao capaz de realizar uma grande variedade de medies e, tambm de algumasvariveis (presso, temperatura) cuja medio auxilia na interpretao dos sinais vibratrios.

c) Desenvolvem um software que analisa os sinais vibratrios (e outros), produzindo informaes que, muitasvezes, so introduzidas em modelos matemticos que determinam caractersticas do equipamento analisado esimulam seu funcionamento sob determinadas condies pr-estabelecidas permitindo uma ampla anlise de

problemas e suas possveis solues.A seguir, so apresentadas algumas destas organizaes, com um pequeno resumo de seus servios e produtos

baseados em informaes obtidas na Internet.

7.4.2.1. LDV - Vibrometria a Laser

O VPI 4000 (Vibration Pattern Imaging) da Ometron (empresa norte-americana) um sistema que combina umvibrmetro a laser (efeito Doppler) com um software em MS Windows realizando medio e anlise de vibraes. A Figura7.27 mostra o sistema com sensor e hardware, enquanto a Tabela 7.3 apresenta as caractersticas tcnicas do sistema.

Figura 7.27 - Sistema VPI 4000.

O instrumento est baseado em um interfermetro de Michelson no qual a luz emitida pelo laser se divide em umaluz de referncia e uma luz de sinal. A luz de sinal dirigida para a estrutura vibratria e a luz refletida combinada com aluz de referncia. Quando a estrutura se move, a diferena de trajetrias entre as luzes do sinal e da referncia mudaresultando em uma modulao de intensidade da luz recombinada devido interferncia entre ambas as luzes. Um ciclocompleto da modulao da intensidade corresponde a um movimento da superfcie igual metade do comprimento de onda (o comprimento de onda de uma fonte laser neon-hlio 0,632 m. A freqncia da modulao de intensidade fd serelaciona com a velocidade da superfcie v atravs da expresso

vf

d

2= (7.12)

em quefd chamada de freqncia Doppler.A luz recombinada dividida em dois canais de deteco independentes configurados de forma que os dois sinais

obtidos apresentam uma diferena de fase de +/- 90o, dependendo do movimento da superfcie. realizada uma mixagemeletrnica destes sinais com uma freqncia portadora, gerando um nico sinal com freqncia Doppler defasada que ,ento, convertido em uma voltagem analgica diretamente proporcional velocidade instantnea da superfcie emmovimento.

A principal vantagem da medio tica que ela realizada sem contato, eliminando a influncia que ostransdutores anexados estrutura vibratria produzem na prpria vibrao medida. As formas vibratrias podem serfacilmente observadas nas medies realizadas com efeito Doppler. A Figura 7.28 apresenta um exemplo de uma medio

realizada evidenciando-se os nveis de vibraes com cores diferentes. Sendo de baixa potncia, no apresentam qualquerrisco ao operador.


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Figura 7.28 - Imagem produzida por medio a laser.

As variaes nas caractersticas vibratrias de materiais, componentes e estruturas podem ser utilizadas paradetectar defeitos, falhas, fissuras, descolamentos de camadas e outras anomalias estruturais. As potencialidades de mediesoferecidas pelos mtodos ticos, associados completa abrangncia dos dados coletados pelos sensores VPI proporcionamuma poderosa ferramenta de teste no destrutivo que pode ser usada para anlise in-situ ou em laboratrio. Estaflexibilidade operacional permite que se elaborem programas de teste em condies normais de servio. Am anlise modal,a possibilidade de apresentao dos dados em um campo completo (512x512) permite uma excelente correlao entremtodos analticos e experimentais com base em graus de liberdade similares, ao invs da limitao no nmero de pontos,

prpria do uso de transdutores com contato ou medies acsticas. De maneira semelhante, as formas de deflexo comdistncias entre ns de poucos milmetros produz dados experimentais suficientes para serem comparados com os

produzidos por tcnicas computacionais. Em resumo, o uso de sensores laser com efeito Doppler produz dados emmltiplos pontos que podem ser introduzidos em programas de anlise modal, abrindo maiores possibilidades de melhorar aqualidade de resultados experimentais.

Aplicaes na Engenharia Mecnica

1) Indstria Automotiva

LDVs (Laser Doppler Vibrometry) tem sido uma tcnica que vem substituindo as tradicionais tcnicas de teste naindstria automotiva (acelermetros , microfones e sensores de proximidade). Os microfones so limitados pela poucaresoluo espacial e necessidade de um ambiente anecico (sem reflexo de som). Os sensores de proximidade so demontagem demorada, difceis de calibrar e as medies so facilmente perturbadas por movimentos na base doinstrumento. Os acelermetros so de montagem tediosa e demorada, so caros e uma vez montados possuem atendncia de alterar as caractersticas da vibrao medida em funo de sua prpria massa. Os LDVs, por sua vez,

podem ser montados rapidamente e requerem uma preparao mnima da parte a ser medida. So rpidos, eficientes eser custo compensador pois substituem vrios acelermetros, por exemplo. Podem ser usados como um simplestransdutor sem contato ou como uma parte de um sistema de anlise modal completo. Uma vantagem adicional que

podem investigar painis e componentes inacessveis a outras tcnicas.Um exemplo recente de anlise de vibrao em automveis modernos foi proporcionado por uma empresa alem queinvestigou os efeitos de reduo de rudo usando LDVs. O sistema de medio mediu diferentes efeitos sonoros desuperfcies muito escuras, pouco reflexivas como carpetes de veludo, borracha preta, esponjas escuras colocadas nointerior do veculo. A nica forma de obter medies de todas as superfcies de interesse foi usar arranjos comespelhos.

2) Controle de Qualidade em Fundio

Por no estarem limitados ao uso em laboratrio, no requerem condies especiais de segurana e no requereremrecobrimento superficial especial, LDVs associados a tcnicas de anlise de sinal (FFT, correlao) esto substituindo

as tcnicas atuais de controle de qualidade em fundies. A imagem criada pelo sistema VPI 4000 codificada por


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cores em amplitude e fase, com uma opo de sobreposio com uma imagem da pea (produzida por uma cmeradigital) permitindo uma fcil interpretao da forma vibratria. Um exemplo recente o uso do LDV no exame dosmodos crticos de um propulsor centrfugo. O propulsor mostra um comportamento modal altamente relacionado com oseu processo de fabricao. A condio de qualidade que todas as peas fabricadas mostrem freqncias deressonncia e formas de vibrao similares indicando se foram fabricados corretamente. O VPI 4000 usado paraencontrar as freqncias de ressonncia. O propulsor , ento, excitado nestas freqncias medindo-se sua resposta. realizada uma anlise em freqncia (FFT) pelo VPI 4000 enquanto um software permite uma rpida medio dosmodos. Todo o ciclo completo de testes para, por exemplo uma hlice do propulsor pode ser executado em menos deuma hora.

Vrias outras aplicaes em estruturas mecnicas so encontradas, em que as caractersticas da vibrao permitemo diagnstico de problemas de operao, defeitos de fabricao, desgaste de peas, etc. Isto torna a LDV uma tcnicaextremamente til em controle de qualidade e manuteno industrial.

7.4.2.2. EDI - Engineering Dynamics Incorporated

A Engineering Dynamics Incorporated - EDI uma empresa norte-americana e seus servios esto organizadosem trs grandes grupos:

a) Anlise Computacional

a.1) Anlise digital de pulsao

Consiste na simulao digital de pulsao de tubulaes (Figura 7.29), permitindo avaliao, anlise e projeto de tubulaes e seus componentes como compressores e bombas. O modelo matemtico incluisimulao acstica permitindo projetos de filtros acsticos e silenciadores.a.2) Anlise de velocidades crticas laterais, resposta e estabilidade (Figura 7.30)

Inclui determinao de velocidades crticas no amortecidas, resposta amortecida, instabilidades nosncronas, mancais hidrodinmicos e selos.a.3) Anlise de vibrao torsional

Vibraes torsionais acontecem em equipamentos rotativos ou alternativos em geral. As anlisesrealizadas pela EDI incluem: modelagem massa-mola, determinao de freqncias naturais e formas modaistorsionais, diagrama de Campbell (variao das freqncias naturais com a rotao), torque dinmico etenses de cisalhamento, e problemas transientes como partida, falhas e fadiga.

Figura 7.29 Figura 7.30

a.4) Anlise de mquinas alternativas (Figura 7.31)

Inclui vibrao e pulsao de tubulaes, bombas, compressores e motores, freqncias naturais e tenses

torsionais, vibraes e falhas em virabrequins, respostas e velocidades crticas laterais, avaliao dedesempenho e queda de presso.

Figura 7.31 - Mquina alternativa. Figura 7.32 - Anlise estrutural.

a.5) Anlise estrutural (Figura 7.32)


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A anlise estrutural um tema muito amplo que permite uma grande variedade de aplicaes comomodelagem estrutural e por elementos finitos, vibraes de motores, compressores e outros equipamentos,sistemas de tubulaes de gases e lquidos, vibraes induzidas por fluxos fludos, dinmica de solos efundaes, tenses e flexibilidade trmicas.

b) Investigao e Diagnstico de Campob.1) Pulsao de presso e vibrao de tubulaes.

b.2) Velocidades crticas laterais, resposta e estabilidade.

b.3) Vibrao torsional.

Vibraes torsionais podem causar falhas em todos os tipos de mquinas. Problemas potenciais incluemdanos em acoplamentos, falhas em chavetas, deslizamento de correias, fraturas em eixos (Figura 7.33),desgaste excessivo em engrenagens ou fratura de dentes e ps de ventoinhas quebradas. As medies comfinalidade de diagnosticar problemas de vibraes torsionais devem ocorrer em acionamentos com freqnciavarivel, motores sncronos, caixas de engrenagens, compressores alternativos, misturadores e propulsores denavios.

Figura 7.33 - Fratura. Figura 7.34 - Deslocamento angular.

Deslocamento angular - A Figura 7.34 mostra a medio do deslocamento angular de um eixo atravs de umtorsigrafo HBM. Esta tcnica de medio utilizada para diagnosticar problemas como reverso emengrenagens, eixos de manivela quebrados devido a falha em amortecedor do motor, bombas de engrenagensdanificadas e ps de rotores quebradas.

Deformaes, torques ou tenses de cisalhamento - Extensmetros so usados com um sistema detelemetria para medir deformaes torques ou tenses de cisalhamento em uma seo do eixo (Figura 7.35).Esta tcnica de medio utilizada para avaliar se o torque ou a tenso de cisalhamento excessiva emacoplamentos ou sees de eixos.Velocidade angular - Um transdutor sem contato usado para medir a freqncia com que passam os dentesde engrenagens o que pode ser demodulado para determinar a velocidade angular (Figura 7.36). Esta tcnicade medio pode ser usada quando o sistema possui uma caixa de engrenagens.

Figura 7.35 - Extensmetro. Figura 7.36 - Sensor sem contato.b.4) Mquinas alternativas.

b.5) Estruturas.

b.6) Balanceamento em mltiplos planos.

c) Seminrios

A EDI proporciona seminrios anuais como o "Vibrations in Reciprocating and Rotating Machinery andPiping" , preparado para engenheiros e tcnicos que trabalham com maquinaria e tubulaes de plantas

industriais e devem tomar decises acerca de confiabilidade e segurana de sistemas com altos nveisvibratrios.

apost. análise de vibração tecnolass

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