apresentacao vibracao

7/27/2019 Apresentacao Vibracao

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Dep. de P&D do Produto - Motores

Diagnstico de Problemas em MotoresEltricos Atravs da Anlise do

Espectro de Vibrao Mecnica


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Porque medir vibrao em motores

eltricos e outras mquinas?

Vibraes severas induzem desgastes e fadiga de componentes;

Garantir que os nveis de vibrao estejam dentro de valorestolerveis, para evitar falhas prematuras;

Permitir diagnstico de qual, ou quais problemas a mquinaapresenta, possibilitando a correo de um defeito antes que ele

possa ser prejudicial maquina e produo.


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Tipo de aplicao da medio

Aprovao e/ou aceitao: verificar se os nveis de vibraoencontram-se dentro de padres pr-estabelecidos em normas;

Proteo: exige apenas um sinal de alerta ou desligamento da

mquina, sob a presena de vibrao em nveis perigosos; Anlise e diagnstico: visa descobrir a causa da vibrao

excessiva da mquina, permitindo a sua correo;

Monitoramento: consiste em um acompanhamento contnuo da

vibrao da mquina, com uma anlise de tendncias ediagnstico, possibilitando uma interveno antes da ocorrnciade danos.


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Requisitos necessrios para uma

anlise e diagnstico adequados

dos sinais de vibrao mecnica Equipamentos adequados;

Conhecimento bsico de anlise de sinais;

Conhecimento bsico sobre vibraes mecnicas;

Conhecimento de normas;

Conhecimento dos principais tipos de defeitos e caractersticas

espectrais; Esprito investigativo;

Experincia.


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Equipamentos

Transdutores:

Relativos: so os transdutores sem contato e medem odeslocamento relativo entre peas - so os transdutoresde deslocamento (ou de proximidade);

Absolutosou ssmicos: so os transdutores cujo princpiode funcionamento baseia-se no movimento de uma massassmica presa a uma mola, ficam em contato direto com a

mquina e medem o movimento real da mesma - so ostransdutores de velocidade e os transdutores deacelerao.


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Transdutores relativos ou de deslocamento


7/125Dep. de P&D do Produto - Motores

Transdutores absolutos

Transdutoresde velocidade

Transdutores de

acelerao

(acelermetros)



Condicionadores de Sinal

Moduladores /

demoduladorespara transdutoresde deslocamento

Pr-amplificadorespara acelermetros

de carga



Medidores de Vibrao (Nvel Global)



Analisadores de espectro(ou analisadores de Fourier)



Conhecimento bsico de anlise de sinais

Permitir uma compreenso e uma operao correta dos

instrumentos de medio; Permitir uma interpretao e anlise dos sinais medidos.



Funes harmnicas

y(t) = A.sen(w.t + f) w = 2.p.f

f = 1 / T



Funes peridicas

=



Domnio do Tempo X Domnio da Freqncia

Transformada de Fourier

Transformada direta de Fourier:

dtetgfG tj ..2.).()( p


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Espectros tpicos de alguns tipos de sinais


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Clculo numrico da Integral de Fourier

Transformada discreta de Fourier:

1

0

)( ...2

..1 N

n

j

nkN

nk

egN

Gp

Os analisadores digitais de espectro de sinais utilizam umalgoritmo otimizado que permite o clculo dessas equaes emum menor intervalo de tempo possvel, permitindo a anlise

rpida do problema. Este algortmo chamado de Transformadarpida de Fourier ou, simplesmente, de FFT(do ingls FastFourierTransform).


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Amostragem do sinal


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Erro de Aliasing

Aliasing uma falsa representao de uma freqncia que pode

aparecer quando a taxa de amostragem do analisador digital pequena para descrever adequadamente aquela freqncia.


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Filtro anti-aliasing = Filtro passa-baixa

O erro de aliasing pode ser eliminado filtrando o sinal com filtrospassa-baixa antes da amostragem, para garantir que o sinal nocontenha componentes acima da metade da freqncia de amostragem.

Na prtica, a maioriadas taxas deamostragem soajustadas para seremmaiores que duas vezesa mxima freqncia do

sinal (em torno de 2.56vezes), para possibilitaro filtro passa baixa semcorte ngreme


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Utilizao de janelas de amostragem do sinal

Vazamentos ocorrem se a amostra de sinal no contmum nmero inteiro de ciclos. A funo janela procura

corrigir este erro.


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Espectro de uma amostra de um sinal senoidalcom um nmero inteiro de ciclos


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Espectro de uma amostra de um sinal senoidalcom um nmero no inteiro de ciclos


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Utilizaode janela


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Espectro de umaamostra de um sinal

senoidal com um

nmero no inteirode ciclos com

utilizao de janela


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Quantificao da amplitude de um sinal

T

o

.dtx(t).T1Mdia

T

o

2.dtx(t).

T

1RMS

RMS

PicoristaFator_de_c


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Conhecimento bsico sobre

vibraes mecnicas


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Sistema de 1 Grau de Liberdade

x(t) = Xpico.sen(w.t + f)

v(t) = dx/dt

v(t) = w Xpico cos (w.t + f)

v(t) = Vpico cos (w.t + f)

a(t) = dv/dt = d2x/dt2

a(t) = = - w2.Xpico.sen(w.t + f)

a(t) = - w.Vpico.sen(w.t+f)

a(t) = - Apico.sen(w.t+f


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Amplitudes e Fases das vibraes harmnicas

Deslocamento: XpicoVelocidade: Vpico = w Xpico

Acelerao: Apico = w.Vpico = w2.Xpico

x(t) = Xpico.sen(w.t + f)

v(t) = w Xpico cos (w.t + f)

a(t) = = - w2.Xpico

.sen(w.t + f)

Amplitude

Fase


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Unidades usuais:

Sist. Internacional Sist. Ingls

Deslocamento: mm mil

Velocidade: mm/s in/s

Acelerao: m/s2 ou g ft/s2 ou g


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Movimento harmnico livre no amortecido

do sistema de 1 GLFreqncia Natural

Energia potencial elstica mxima: Umax = k.Xpico2 / 2

Energia cintica mxima: ECmax = m.Vpico2 / 2

Desprezando as dissipaes de energia: k.Xpico2 / 2 = m.w2.Xpico2 / 2

m

k n ou,

m

k

2.

1fn Hzrad/s


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Movimento harmnico livre amortecido

2

..21.

n

nam

c

w

ww ou

2

..21.

n

nam

cffw


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Movimento harmnico forado


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Conseqncia catastrfica de uma Ressonncia

Ressonncia induzida pelo

efeito do ventoPonte Tacoma Narrows - USA


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Conhecimento dos principais tipos de

defeitos e caractersticas espectrais

A vibrao ocorre devido a foras geradas por falhas ou imperfeies.

Cada tipo de defeito ou imperfeio se manifesta em freqncias caractersticas.


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Quando fazer uma anlise espectral da vibrao?

Quando o valor mximo da vibrao ultrapassa os nveis mximosaceitveis estabelecidos pelas normas ou estipulados pela experincia.

Neste caso, necessrio que se descubra qual a causa do nvel excessivo

de vibrao, para que aes corretivas possam ser tomadas.

Quando se faz um monitoramento contnuo do comportamento davibrao nas diversas freqncias, um grfico de anlise de tendncias

poder indicar o momento mais oportuno de se fazer uma interveno

corretiva na mquina.


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Vibraes de origem mecnica

1. Desbalanceamento:

Disco perfeitamente balanceado:

Disco com distribuio de massa uniforme;

Centro de massa coincidente com o centro de rotao;

Foras centrfugas equilibradas.


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Disco com um acrscimo de massa m concentrada em um ponto;

Centro de massa no coincidente com o centro de rotao: existe uma excentricidadedo centro de massa em relao ao centro de rotao;

Aparece uma fora centrfuga no equilibrada pelas demais foras centrfugas;

Odisco tem um desbalanceamento esttico.

Disco desbalanceado:


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Rotor longo perfeitamente balanceado:

Rotor com distribuio de massa uniforme;

Centro de massa coincidente com o centro de rotao; Foras centrfugas equilibradas.


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Rotor longo desbalanceado:

Rotor com um acrscimo de massas iguais m concentradas em planos transversais

diferentes, defasadas de 180;

Centro de massa no coincidente com o centro de rotao: linha do centro de massacorta a linha do centro de rotao;

Aparecem foras centrfugas equilibradas, porm no h equilbrio de momentos;

Orotor tem um desbalanceamento de momento.


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Diagnstico de desbalanceamento:

Os vetores girantes das foras centrfugas podem ser projetados segundo os eixos

horizontal e vertical, e sero representados por componentes harmnicas nestas duasdirees, cuja freqncia a freqncia da rotao mecnica.

Estas foras harmnicas podero provocar vibraes, que se manifestaro nesta mesmafreqncia.

Portanto, o desbalanceamento poder ser identificado por um pico de vibrao na

freqncia de rotao mecnica no espectro de vibrao.


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2. Desalinhamento:

A - Desalinhamento angular


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B - Desalinhamento paralelo


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3. Eixo torto ou empenado:


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4. Rolamento desalinhado sobre o eixo :


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5. Folgas / afrouxamentos mecnicos:

AProblemas estruturais na base:

Devido a uma falta de rigidez estrutural da base ou uma deteriorao do concreto.


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BProblemas com os parafusos de fixao da mquina:


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CAjuste inadequado de componentes:

Geralmente causados por ajuste inadequado entre componentes (gerandofolgas). Elementos tpicos que geram este tipo de problema so rolamentosmontados com folga sobre o eixo, ventilador com folga (solto) sobre o eixo.


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6. Roamento mecnico:

Produz espectros semelhantes aos de folga entre elementos girantes;

Pode ser parcial ou durante todo o ciclo de revoluo; Geralmente podem aparecer submltiplos e mltiplos da freqncia de rotao mecnica; Podem aparecer mltiplos dos submltiplos da freqncia de rotao; Freqentemente podem ser excitadas uma ou mais freqncias naturais; Exemplos: eixo sobre o metal patente do mancal, ventilador sobre uma defletora, rotor

sobre o estator, eixo sobre a proteo do acoplamento.


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7. Problemas com rolamentos:

Os rolamentos, em geral, apresentam quatro estgios distintos de deteriorao:

Primeiro Estgio

Comeam a aparecer os primeiros sintomas de problemas.

Manifestam-se em freqncias bastante elevadas, na faixa entre 20.000Hz e60.000 Hz (1.200.000 Ciclos PorMinuto a 3.600.000 CPM).

Estas freqncias so em geral detectadas por tcnicas especiais de mediotais como Spike Energy da Entek Ird (gSE), Shock Pulse da Prftechnik(dB) e SEE da SKF (Spectral Emitted Energy).

Segundo estgio

Defeitos leves comeam a excitar as freqncias naturais do rolamento,predominantemente na faixa de 30000 CPM a 120000 CPM.Freqncias laterais em torno dos picos das freqncias naturais aparecem nofinal deste estgio.


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Terceiro estgio


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g

Aparecem as freqncias de defeito dos rolamentos e suas mltiplas.

Estas freqncias podem ser calculadas de acordo com as equaes:

aoVel_de_Rot.)cos(.Pd

Bd1.

2

NbBPFI


Bd1.

2

NbBPFO


Bd1.

Bd2.

PdBSF

2

2


Bd1.

2

1FTF

BPFI = Freqncia de passagem na pista interna (Ball Pass Frequency in the Inner race);

BPFO = Freqncia de passagem na pista externa (Ball Pass Frequency in the Outer race)

BSF = Freqncia de rotao das esferas (Ball Spin Frequency);FTF = Freqncia da gaiola (Fundamental Train Frequency);

Nb = Nmero de elementos rolantes (esferas ou roletes);

Bd = Dimetro do elemento rolante (esfera ou rolete) [mm];

Pd = Dimetro primitivo do rolamento (entre centros dos elementos rolantes) [mm];

f = ngulo de contato


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Quando o desgaste progride, ainda no estgio 3, mais harmnicas(mltiplas) das freqncias de defeitos aparecem. O desgaste torna-sevisvel e pode se estender por toda a periferia do rolamento.Aconselha-se a troca imediata do rolamento.


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Quarto estgio

A amplitude da vibrao na freqncia de rotao tambm afetada, e muitas vezescausa um aumento da vibrao nas mltiplas da freqncia de rotao.

As vibraes nas freqncias discretas do rolamento comeam a desaparecer e sosubstitudas por vibraes aleatrias de banda larga.

Exemplo: Rolamento 6316


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p

Velocidade de rotao: 1736.36 rpm

BPFO = 5358 rpm (obtido do site da SKF)


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8. Problemas com mancais de deslizamento:

ADesgaste e folgas:

Os ltimos estgios de desgaste de mancais de deslizamento hidrodinmico socaracterizados pela presena de toda uma srie de harmnicas (mltiplas) dafreqncia de rotao mecnica (de 10 a 20 harmnicas), na direo radial.

Folgas excessivas podem possibilitar uma caracterstica de desbalanceamentoe/ou desalinhamento com grande amplitude de vibrao, que no aconteceria se

as folgas fossem menores.


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BInstabilidade do filme de leo (Oil Whirl Instability):

A instabilidade do filme de leo (oil Whirl instability), ou rodopio do eixo,normalmente ocorre a uma freqncia na faixa de 0,42 a 0,48 da freqncia derotao mecnica da mquina, e, geralmente, bastante severa. consideradaexcessiva quando a amplitude excede 50% da folga do mancal. Este fenmenoocorre quando a carga sobre o mancal leve, e forma-se uma cunha de leo emfrente ao sentido de giro do eixo. Como o eixo tenta girar por cima da cunha deleo, o eixo rodopia dentro do mancal, enquanto gira.

Na maioria das mquinas que apresentam este tipo de problema, pode serescutado um rudo de batidas. Este rudo ocorre porque a instabilidade do filmede leo no ocorre continuamente. O eixo faz alguns rodopios, diminui poralgumas revolues, e repete-se o problema. Isto gera o rudo citado. Mudanas

na viscosidade do leo, presso de lubrificao e na carga externa podemamenizar o problema (ou causar o problema, se ele no existia anteriormente).


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CInstabilidade severa do filme de leo (Oil Whip Instability):

Este problema uma particularidade do problema de instabilidade anterior,quando o eixo atinge uma velocidade de rotao onde a freqncia de rodopiodentro do mancal coincidente ou acima de sua velocidade crtica (a velocidadede rotao mecnica neste instante pouco mais que o dobro da velocidadecrtica do eixo). A vibrao se tornar muito sria, e o eixo ir chicotear dentro

dos mancais, pois o filme de leo no ser mais capaz de suportar o eixo.


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9. Freqncia de passagem de ps:

A freqncia caracterstica da passagem de ps (BPF, do ingls Blade Pass

Frequency) dada pelo produto da rotao mecnica pelo nmero de ps (do

rotor e/ou do difusor, se este existir). As amplitudes podem atingir grandes valores, se a distncia entre a parte girante

(rotor da bomba, ventilador ou compressor) e a parte fixa (defletora, difusor,carenagem ou carcaa) no uniforme ao longo de todo o permetro da partegirante.

Uma grande amplitude de vibrao pode ser tambm produzida, se houver umacoincidncia da freqncia de passagem de ps ou uma de suas harmnicas(mltiplas), com uma freqncia natural do sistema.


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10. Problemas com acoplamentos por polias e correias

Freqncia da correia =p x rotao da polia x dimetro primitivo da polia

Comprimento da correia

Em correias gastas ou frouxas podem aparecer 3 a 4 mltiplos da freqncia dacorreia;

O pico de vibrao dominante, em geral, est na freqncia de 2 vezes afreqncia da correia;

As amplitudes so instveis, algumas vezes pulsando com a rotao da poliamotora ou da polia acionada;

Em correias sincronizadoras (dentadas), vibraes elevadas na freqncia de

sincronizao indicam desgaste ou desalinhamento da correia.

Freqncia desincronizao

= Freqncia da correia x dimetro primitivo da polia

= Freqncia de rotao da polia x n de dentes da polia

A - Correias gastas, frouxas ou inadequadas :


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BDesalinhamento das polias

Produz alta vibrao na freqncia de rotao da polia, predominantemente

na direo axial.


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CRessonncia da correia:

Se a freqncia de rotao da polia motora ou movida se aproximar ou

coincidir com a freqncia natural da correia, haver altos nveis devibrao.

A freqncia natural da correia pode ser alterada, alterando sua tenso ou oseu comprimento.

Pode ser detectada tencionando e afrouxando a correia, enquanto se mede aresposta nos mancais das polias.


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A freqncia de engrenamento dada pelo produto da freqncia de rotao pelonmero de dentes (GMF, do ingls Gear Mesh Frequency).

Haver uma freqncia de engrenamento para cada par engrenado. Geralmente,acontecero picos laterais em torno da freqncia de engrenamento, cuja diferena defreqncia para a freqncia de engrenamento a freqncia de rotao. O espectronormal de um engrenamento mostra freqncias de 1 X e 2 X a freqncia derotao das engrenagens.

AEngrenamento normal ::

11. Problemas de vibrao em engrenamentos


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A freqncia de engrenamento bastante sensvel ao carregamento.

Altas amplitudes na freqncia de engrenamento no indicam, necessariamente, queexiste algum problema, principalmente se os picos laterais permanecem com a mesmaamplitude e no so excitadas freqncias naturais da engrenagem. Esta anlise deveser feita com o sistema operando em carga mxima.

Observe que, em relao ao espectro da figura anterior, houve apenas uma aumento da

amplitude do pico na freqncia de engrenamento, o que normal, e no indica umproblema.

BCarga no dente:


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CDesgaste nos dentes:

Um indicador de desgaste nos dentes a excitao da freqncia natural da

engrenagem, com picos laterais cuja diferena de freqncias em relao afreqncia natural a freqncia de rotao da engrenagem mais desgastada. Afreqncia de engrenamento pode ou no ter sua amplitude alterada, porm os picoslaterais a esta freqncia tero altos valores de amplitude.


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DEngrenagem excntrica e folgas:

Amplitudes muito grandes dos picos laterais em torno da freqncia de rotao

sugerem excentricidade e folgas das engrenagens As folgas excessivas, normalmente excitam a freqncia de engrenamento e as

freqncias naturais das engrenagens, aparecendo os picos laterais elevados emtorno dessas freqncias. A amplitude da freqncia de engrenamento, geralmenteir diminuir com o aumento da carga.


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EDesalinhamento entre engrenagens:

Desalinhamentos sempre excitam mltiplas da freqncia de engrenamento;

aparecem picos laterais em torno destas mltiplas. Em geral, as amplitudes das freqncias mltiplas da freqncia de engrenamento

so maiores do que a amplitude da freqncia de engrenamento.

importante ajustar a faixa de freqncias do analisador de espectro para ser capazde capturar pelo menos a freqncia igual a 2 vezes a freqncia de engrenamento.


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FDentes quebrados ou trincados:

Dentes quebrados ou trincados iro gerar uma alta amplitude de vibrao na

freqncia da rotao da engrenagem, e iro excitar as freqncias naturais,aparecendo os picos laterais em torno destas freqncias.

Este problema pode ser detectado no domnio do tempo, aparecendo picos toda vezque o dente quebrado chegar na posio de engrenamento. O tempo entre os picosde impacto, no domnio do tempo, ir corresponder a 1 / freqncia de rotao daengrenagem com problema. As amplitudes dos picos de impacto (no tempo)

freqentemente sero muito maiores do que a amplitude do pico de vibrao nafreqncia de rotao (domnio da freqncia).


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12. Batimento

Resulta de duas freqncias muito prximas uma da outra.

Quando duas mquinas iguais operam uma ao lado da outra, podem


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Q q g p , papresentar ligeiras diferenas de rotao, devido, por exemplo a cargasdiferentes. As rotaes no sero idnticas, o que poder provocar ofenmeno do batimento da vibrao na freqncia de rotao. Estefenmeno poder inclusive provocar um rudo caracterstico dobatimento (rudo oscilante).


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13. Ressonncia

Coincidncia da freqncia de excitao com uma freqncia natural do sistema,

causando uma grande amplificao da vibrao e muitas vezes um efeito catastrfico. A freqncia natural pode ser de um componente qualquer da mquina em questo,

tais como eixo, carcaa e tampas.

Uma maneira fcil de identificao de uma freqncia natural alterar a rotao damquina (quando se dispe de um inversor de freqncias). Ao ultrapassar a

freqncia natural, a vibrao cair drasticamente. A figura abaixo, alm de mostrar a amplitude de vibrao ao passar pela freqncia

natural, mostra tambm que existe uma inverso da fase da vibrao (mudana de180) quando se passa por essa freqncia.

Vibraes de origem eletromagntica


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1. Identificao de uma vibrao de origem eletromagntica:

Desligamento da mquina: quando a mquina opera em vazio,

desacoplada, o rotor continuar a girar, mesmo aps o desligamento damquina, e levar um certo tempo at que desacelere totalmente. Istoocorrer, principalmente, se o rotor possuir uma grande inrcia. Assim, emgeral, se as vibraes, ao desligar-se a mquina, continuarem acontecendo,diminuindo lentamente de amplitude medida que o rotor desacelera,

sinal que essas vibraes tm uma causa mecnica. Variao da tenso de alimentao: as vibraes de origem magntica

sofrero alterao de amplitude, ao passo que vibraes de origemmecnica tendero a ter suas amplitudes mantidas.


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2. Vibrao na freqncia de 2 vezes a freqncia

da rede eltrica (2FL):

Freqncia do campo girante no estator:

p

F2Fs L

onde: Fs a freqncia do campo girantep o nmero de plos da mquina;

FL a freqncia da rede eltrica.

A freqncia da corrente eltrica que circula no rotor de mquinas assncronas =

freqncia de escorregamento fs:frpmFsfs

onde: frpm a freqncia de rotao mecnica.


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O campo magntico sncrono atua diretamente no estator e, atravs do entreferro,

atinge o rotor, onde desenvolve foras e torques dinmicos. A parcela til destecampo girante, produz energia aproveitvel no eixo da mquina.

Campo magntico deum motor de 2 plos.


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O campo magntico devido a corrente que circula nas bobinas do estator produzir uma

fora de atrao eletromagntica entre o estator e o rotor, a qual mxima quando acorrente de magnetizao que circula no estator mxima positiva ou mxima negativa.

Como resultado, havero 2 picos de foras durante cada ciclo da onda de corrente,reduzindo a zero no instante de tempo em que a onda de corrente e de fluxofundamental passa por zero, como mostrado na figura.


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Resulta uma freqncia de vibrao igual a duas vezes a freqncia da rede eltrica

(2FL). Esta vibrao extremamente sensvel a planicidade dos ps da mquina, rigidezda base, da carcaa e do estator, e uniformidade do entreferro entre o rotor e o estator.

Assimetrias e/ou descontinuidades, provocam perturbaes no fluxo magntico,gerando foras e momentos desequilibrados. Como resultado, aparecero vibraesanormais na mquina eltrica girante.

As foras magnticas na freqncia de 2 vezes a freqncia da rede (2FL

) soindependentes da corrente, e so praticamente as mesmas na condio sem carga e nacondio a plena carga. Assim, a componente principal de vibrao em 2FL tambm no sensvel a variao de carga.

Alguns problemas mecnicos no motor podero causar vibrao em uma freqnciamltipla da freqncia de rotao, prxima de 2 vezes a freqncia da rede eltrica.

Devido a esta proximidade de freqncias, a amplitudes das vibraes na freqnciamltipla da freqncia de rotao mecnica e na freqncia de 2 FL, podero se somarquando as duas vibraes estiverem em fase, ou podero se subtrair quando as duasestiverem em oposio de fase. Este o fenmeno do batimento

A vibrao na freqncia de 2 FL pulsar com o tempo, devido a suaproximidade com a freqncia de 2 vezes a freqncia de rotao


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proximidade com a freqncia de 2 vezes a freqncia de rotaomecnica. A freqncia desta pulsao, ser a diferena entre as duasfreqncias, que, neste caso, igual a 2 vezes a freqncia deescorregamento. Se o motor estiver em vazio, este tempo de pulsao

ser longo (5 a 15 min).

Nos motores de 2 plos, as foras deorigem eletromagnticas que se manifestamem 2 FL tendero a deformar o estator emuma forma elptica.

Em motores de 4 plos, as foras de origemeletromagnticas na freqncia de 2FLtendero a deformar o estator na forma de 4lbulos apresentada na figura.

mais fcil deformar o estator na forma da figura a, do que na forma da figura b.Portanto, as mquinas eltricas girantes de 2 plos so mais susceptveis a apresentarvibraes devido a excitaes em 2 vezes a freqncia da rede, do que as mquinas dasdemais polaridades, pois apresentam menor rigidez do estator.


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3. Excentricidade esttica do entreferro:

Excentricidades no estator produzem variaes estacionrias (excentricidade

esttica) do entreferro entre o rotor e o estator, as quais produzem vibraesbastante direcionais.

Ps com falta de rigidez ou uma base curva (no plana) podem produzirexcentricidades estticas no estator.

Curtos-circuitos entre chapas do estator podem produzir aquecimentos localizadose, conseqentemente, deformaes do estator. Assim, as vibraes podemaumentar bastante a medida que o motor se aquece.

Problemas no estator, geralmente produzem alta vibrao em 2 vezes a freqnciada rede eltrica (2FL).


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Espectro tpico de vibrao devido a problemas de excentricidade esttica no

entreferro em uma mquina eltrica girante de dois plos.

A freqncia marcada 2X fRPM representa um pico de vibrao em 2 vezes a

freqncia de rotao mecnica, devido, por exemplo, a um desalinhamento entretampas, e bem prxima de 2 vezes a freqncia da rede eltrica. A distino entreestas duas freqncias, em geral, s possvel atravs de uma ampliao (zoom)do espectro de vibrao, nesta regio de freqncias. Devido a proximidade dasduas freqncias poder ser produzido um batimento, e haver uma pulsao davibrao


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4. Excentricidade dinmica do entreferro:

O rotor excntrico (ou, o eixo torto), far com que aparea uma regio de

entreferro mnimo, a qual gira com a freqncia de rotao do rotor. Haver uma fora magntica radial lquida atuando sobre o rotor, j que a fora

atuando no lado do entreferro mnimo maior do que a fora do lado oposto.

Esta fora lquida ir girar com a freqncia de rotao, provocando uma vibraonesta freqncia.


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O fluxo que causa esta fora magntica o fluxo fundamental, o qual gira com a

freqncia sncrona FS. Mas, o rotor gira com uma freqncia ligeiramente menor,devido ao escorregamento, cuja freqncia fs. Quando o ponto de entreferromnimo est alinhado com o ponto de fluxo mximo, a fora lquida ser mxima,e ir decrescer at o ponto de fluxo nulo, passando a crescer a partir da, at atingiro fluxo mnimo negativo. Assim, a fora eletromagntica lquida que provocavibrao na freqncia de rotao ir pulsar (modular) com a chamada freqncia

de passagem dos plos fp, dada por:fp = p x fs

Portanto, rotores excntricos (ou tortos) produzem uma excentricidade varivel doentreferro entre o rotor e o estator, e, conseqentemente, aparece uma vibraopulsante na freqncia de rotao. A freqncia de passagem dos plos,

normalmente, ir modular a vibrao na freqncia de rotao mecnica damquina eltrica girante, e no espectro de vibrao aparecero picos laterais emtorno da freqncia de rotao, distanciados desta freqncia, de um valor igual afreqncia de passagem dos plos.


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Poder haver uma pulsao tambm na regio da freqncia de 2 vezes a

freqncia da rede. Esta pulsao poder ser proveniente de:

- um batimento devido a proximidade entre a freqncia de vibrao em 2vezes a freqncia da rede eltrica e uma vibrao numa freqnciamltipla da freqncia de rotao mecnica, prxima de 2 vezes afreqncia da rede;

- modulao da freqncia de 2 vezes a freqncia da rede eltrica devido afreqncia de passagem dos plos.

Assim, podero aparecer picos laterais tambm em torno da freqncia igual aduas vezes a freqncia da rede (2FL). A diferena entre o pico lateral e o picocentral a freqncia de passagem dos plos.

Para visualizao dessas freqncias bem prximas umas das outras, no espectrode vibrao, necessrio a utilizao de um zoom, na regio de freqncias deinteresse.


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Espectro tpico da excentricidade dinmica do rotor:


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5. Barras interrompidas no rotor:

No caso de uma barra quebrada no rotor, ou uma solda aberta, no circular

corrente naquela barra. Como resultado, no haver campo em torno desta barraparticular. As foras magnticas naquele lado do rotor sero diferentes daquelasdo outro lado, criando uma fora magntica desbalanceada que gira com avelocidade da rotao mecnica, modulada pela freqncia de passagem dos plos.

Haver vibrao elevada na freqncia de rotao, com picos laterais comdiferena de freqncia igual freqncia de passagem de plos (fp). Podero

aparecer picos laterais, com a mesma diferena de freqncias, em torno daterceira, quarta e quinta harmnicas da freqncia de rotao.


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Este um fenmeno que no pode ser observado para uma mquina

operando inicialmente em vazio. No entanto, um fenmeno associado pode serobservado, em vazio, aps a mquina ter sido aquecida por qualquer mtodo quecria corrente no rotor: plena carga, mltiplas aceleraes, ou rotor bloqueado.Neste caso, uma barra quebrada no rotor, ou uma variao de resistividade,provocar um aquecimento diferencial em torno do rotor. Este aquecimento poderprovocar uma flexo, ou abaulamento do rotor, criando uma excentricidade e

provocando um desbalanceamento mecnico e um desbalanceamento ainda maiordas foras eletromagnticas. Isto criar uma alta vibrao em uma vez a freqnciade rotao mecnica, e uma vibrao mnima em duas vezes a freqncia da redeeltrica.


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6. Vibrao na freqncia de passagem das ranhuras:

Essa vibrao de origem eletromagntica sensvel variao de carga,

aumentando, a medida em que a carga aumenta. Ela gerada no estator quandouma corrente eltrica induzida nas barras do rotor, sob condio de carga. Acorrente eltrica nas barras, criam um campo magntico em torno delas, queaplicam foras de atrao magntica sobre os dentes do estator. Estas foras,radiais e tangenciais, criam uma vibrao da coroa e dentes do estator.


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A freqncia de passagem das barras do rotor (RBPF = Rotor Bar Pass

Frequency) caracteriza esta vibrao. Ela calculada multiplicando o nmero debarras Nr do rotor pela freqncia de rotao mecnica fRPM da mquina:

RBPF = Nr x frpm O espectro tpico caracterizado pelo aparecimento de picos laterais espaados de

2 vezes a freqncia da rede eltrica (2FL, 4FL, 6FL, 8FL) em relao a

freqncia central (RBPF ou seus mltiplos).


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Estas vibraes encontram-se em freqncias que so muito maiores do que as

freqncias normalmente medidas durante ensaios de vibrao. Devido a estasfreqncias serem muito altas, mesmo pequenos deslocamentos podem provocaraltas velocidades de vibrao.

Apesar destes nveis de vibrao serem sensveis sobre a carcaa e sobre osmancais (proveniente da vibrao do estator), no so sensveis entre o eixo e omancal, no provocando danos ao mancal. Alm disso, os nveis de tenses

provocadas nos dentes do estator so bastante baixos, no afetando aconfiabilidade da mquina eltrica. Por isso, os requisitos de vibrao norequerem que estas freqncias sejam includas no nvel global. O significadodestes altos nveis de vibrao ficam distorcidos, pela medio de velocidade ecomparao com limites estabelecidos para baixas freqncias.

A freqncia de passagem de ranhuras do rotor e as freqncias dos picos laterais(2FL, 4FL, 6FL, 8FL), esto, normalmente, em faixas de freqncias maisrelacionadas ao rudo acstico do que performance de vibrao, e so levadas emconsiderao durante a fase de projeto da mquina.


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As foras aplicadas aos dentes do estator no so uniformemente distribudas em

todos os dentes ao mesmo tempo. Elas so aplicadas com diferentes magnitudesem dentes diferentes, dependendo da posio relativa de localizao dos dentes dorotor e do estator. Isto resulta em ondas de fora sobre a circunferncia do estator.A forma (ou modo) M dessas ondas de foras magnticas um resultado dadiferena entre o nmero de ranhuras do estator Ns e do rotor Nr:

M = (Ns-Nr) K.ponde:

M o nmero do modo (ou forma) da onda de fora eletromagntica;

Nr o nmero de ranhuras (barras) do rotor;

Ns o de ranhuras do estator;

K um nmero inteiro (0, 1, 2, 3, ...);

p o nmero de plos da mquina eltrica girante.


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Dependendo da freqncia e da forma da onda das foras eletromagnticas, a

coroa do estator poder vibrar segundo um ou mais modos de vibrao,semelhantes s formas da figura abaixo. A cada modo de vibrao da coroa doestator est associada uma freqncia natural. Se uma freqncia natural da coroa muito prxima de uma freqncia de excitao eletromagntica, resultar umalto nvel de vibrao. Os primeiros modos de vibrao da coroa podem possuirfreqncias naturais prximas das freqncias primrias de excitao.


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As freqncias naturais dos dentes do estator tambm so de interesse, pois as

componentes de foras eletromagnticas tangenciais aos dentes, podem excitarestas freqncias naturais. O dente pode ser considerado como uma viga embalano, suportado na raiz pela coroa. A freqncia natural desta viga em balano funo do seu comprimento e de sua largura. Quanto mais longa e estreita a viga,menor ser sua freqncia natural.

A fora eletromagntica aplicada a cada dente do estator, produz um deslocamento

do dente e da coroa. Este deslocamento ter uma amplificao tanto maior, quantomais prxima a freqncia de excitao estiver da freqncia natural do dente. Ofator de amplificao pode ser escrito:

Fator de amplificao = 1 / [1-(f/fo)2]

onde: - f a freqncia de excitao;

- fo a freqncia natural do dente.


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7. Problema de mal contato em uma fase:

Problemas de mal contato em uma das fase devido a conectores frouxos ou

quebrados podem causar vibraes excessivas na freqncia de 2 vezes afreqncia da rede eltrica (2FL), a qual ter picos laterais distanciados de 1/3 dafreqncia da rede (FL).

Conhecimento de normas sobre

ib i


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vibraes mecnicas

Normas relacionadas com vibrao de mquinas eltricas girantes:

ABNT: Associao Brasileira de Normas Tcnicas

NBR 11390: Mquinas eltricas girantes: avaliao e limites da severidade de

vibrao mecnica de mquinas de altura de eixo igual ou superior a 56 mm; NBR 10272: Medio e avaliao da severidade das vibraes mecnicas de

mquinas eltricas rotativas com altura de eixo entre 80mm e 400mm;

NBR 10082: Vibrao mecnica de mquinas com velocidades de operaode 600 a 12000 rpmbase para especificao e padres de avaliao;

NBR 8007: BalanceamentoTerminologia;

NBR 8008: Balanceamento de corpos rgidos rotativos - Qualidade

IEC International Electrotechnical Commission


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IECInternational Electrotechnical Commission

IEC 60034-14: Mechanical vibration of certain machines with shaft heights

56mm and highermeasurement, evaluation and limits of vibration severity;

IEEEThe Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc

IEEE 841: IEEE Standard for Petroleum and Chemical Intdustry

severe duty Totally Enclosed Fan Cooled (TEFC) squirrel cageinduction motorsup and including 370 kW (500 hp)

MG1-Part 7: Mechanical vibration-measurement, evaluation and limits;

NEMANational Electrical Manufacturers Association

API American Petroleum Institute


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API American Petroleum Institute

API 541: Form-wound Squirrel Cage Induction Motors250 hp and Larger;

API 546: Brusless Synchronous Machines500 kVA and Larer

API 547: General-purpose Form-wound Squirrel Cage Induction Motors250hp and larger;

API 670: Machinery Protection Systems

ISOInternational Organization for Standardization

ISO 1940-1: Mechanical vibration - Balance quality requirements for rotors in aconstant (rigid) state - Part 1: Specification and verification of balance

tolerances;

ISO 2954: Mechanical vibration of rotating and reciprocating machinery -Requirements for instruments for measuring vibration severity;

ISO International Organization for Standardization


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ISO 7919-1: Mechanical vibration of non-reciprocating machines -

Measurements on rotating shafts and evaluation criteria -- Part 1: Generalguidelines;

ISO 8821: - Mechanical vibration - Balancing - Shaft and fitment keyconvention;

ISO 10816-1: Mechanical vibration - Evaluation of machine vibration bymeasurements on non-rotating parts - Part 1: General guidelines.

ISO 10817-1: Rotating shaft vibration measuring systems - Part 1: Relative andabsolute sensing of radial vibration.

ISO 13373-1: Condition monitoring and diagnostics of machines - Vibration

condition monitoring - Part 1: General procedures;

ISO 13373-2: Condition monitoring and diagnostics of machines - Vibrationcondition monitoring - Part 2: Processing, analysis and presentation of vibrationdata;



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ISO 13379: Condition monitoring and diagnostics of machines - General

guidelines on data interpretation and diagnostics techniques; ISO 15242-1: Rolling bearings - Measuring methods for vibration - Part 1:

Fundamentals;

ISO 15242-2: Rolling bearings - Measuring methods for vibration - Part 2:Radial ball bearings with cylindrical bore and outside surface;

ISO 15242-3: Rolling bearings - Measuring methods for vibration - Part 3:Radial spherical and tapered roller bearings with cylindrical bore and outsidesurface.

ISO 18436-2: Condition monitoring and diagnostics of machines -

Requirements for training and certification of personnel - Part 2: Vibrationcondition monitoring and diagnostics.


Condio de apoio para ensaio das mquinas

eltricas segundo os critrios de aceitao das


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g

normas nacionais e internacionais

Ensaio em base elstica: a freqncia natural de vibrao do conjunto emquaisquer das 6 direes possveis deve ser menor ou igual a 1/3 da freqncia derotao da mquina.

Objetivo: proporcionar a condio de vibrao livre (sem restries), e umisolamento adequado das vibraes provenientes do ambiente de medio.

Medio com montagem em base rgida:


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Medio com montagem em base rgida:

A mquina deve estar firmemente presa base;

Segundo as normas IEC 60034-14, NEMA MG 1 Part 6 e NBR 11390 , o objetivoda montagem das mquinas de 2 plos em base rgida de avaliar o valor dacomponente de vibrao em 2 vezes a freqncia da rede eltrica;

A norma IEEE 841 estende o critrio para as mquinas de 4, 6 e 8 plos;

O critrio de aceitao da base (IEC 60034-14, NEMA MG 1 Part 6 e NBR11390 ) que as freqncias naturais do conjunto base e mquina, no podemcoincidir com: 10% da freqncia de rotao, 5% de 2 vezes a freqncia derotao, e 5% de 2 vezes a freqncia da rede eltrica;

Alm disso, as vibraes medidas junto aos ps da mquina nas mesmas direes

dos pontos de medio nos mancais, no devem ultrapassar 25% das respectivasvibraes medidas sobre os mancais, na freqncia de rotao e na freqncia de 2vezes a freqncia da rede de alimentao eltrica (norma IEC 60034-14).

Pontos padronizados de medio de vibrao no motor


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IEC 60034-14NEMA MG-1 Part 7

NBR 11390



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IEC 60034-14NEMA MG-1 Part 7

NBR 11390


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Recomendao:

Transdutores de deslocamento

em mquinas com mancais de deslizamento


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e qu as co a ca s de des a e to

ISO 13373-1

IEC 60034-14

NEMA MG-1 Part 7

NBR 11390

1. Condicionadores de sinal

2. Sada do sinal3. Orientao opcional

4. Eixo

5. Transdutores de deslocamento

Limites de vibrao recomendados pela

Norma IEC 60034-14 (critrio de aceitao do motor)


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Esta tabela aplica-se para vibrao absoluta no motor sem carga, desacoplado ecom rasgo de chaveta da ponta do eixo preenchido com meia chaveta.

Norma IEC 60034 14 (critrio de aceitao do motor)

Limites de vibrao recomendados pela

Norma IEC 60034-14 (critrio de aceitao do motor)


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No C 6003 (c o de ce o do o o )

O run-out uma perturbao na leitura do deslocamento de vibrao entre oeixo e o mancal.

Run-out mecnico: ovalizaes do eixo, riscos ou arranhes na superfcie,oxidaes e eixo torto.

Run-out magntico: magnetizaes residuais do eixo, segregaesmetalrgicas microscpicas, concentraes residuais de tenso (que afetam aresistividade do material da superfcie do eixo).

Conveno para Conjunto Montado

Motor + Mquinas Acionadas


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(segundo a norma ISO 13371-1)

001Mancal traseiro do motor

002Mancal dianteiro do motor

003Mancal dianteiro do redutor

.......

Numerao dos mancais:

Critrio de aceitao e operao de mquinasLimites de vibrao recomendados pela

norma ISO 10816 1


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1Deslocamento constante

2Velocidade constante

3Acelerao constante

Zona Anveis de vibrao de

mquinas recm fornecidasZona Bnveis de vibrao aceitveis

para operao contnua

Zona Cnveis de vibrao nosatisfatrios para operao

contnua, necessidade decorreo.

Zona D - nveis de vibraosuficientes para causar umdano srio.

Em condies de ensaio na fbrica ou de

operao in situ (condies nominais).

Faixa tpica de uso de medio de velocidade:fx = 10 Hz , fy = 1000 Hz

norma ISO 10816-1


norma ISO 10816 1


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norma ISO 10816-1


norma ISO 7919 1


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norma ISO 7919-1

Tcnicas Especiais


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Tcnica do Envelope:

uma tcnica de extrao do sinal modulador de um sinal de amplitude modulada;

Principalmente usada para deteco de defeitos em rolamentos e engrenamentos;

Defeitos ainda no aparecem ou esto mascarados nos espectros normais de vibrao;

Defeitos associados com eventos de impacto de curta durao;

No exemplo, cada vez que a esfera passa sobre a trinca da pista externa do rolamento,

gera um pulso de curta durao e de alta energia.


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Quando o sinal processado no analisador de espectro, em vez de um pico

predominante em uma freqncia, aparece um espectro como o mostrado na figura.


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No grfico abaixo, os pulsos devido aos impactos no defeito esto superpostos com um

sinal de alta amplitude e baixa freqncia, provavelmente devido ao desbalanceamentoou desalinhamento.

O primeiro passo da tcnica aplicar um filtro para remover as componentes de baixafreqncia do sinal.

Aps aaplicao dofiltro

Antes daaplicao dofiltro


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O passo seguinte tomar somente a envoltria do sinal, que dar a freqncia de

repetio dos pulsos. A FFT desse sinal indicar a freqncia do defeito e suas harmnicas.

Aps aaplicao dofiltro

Aps obtidaa envoltriado sinal

FFTindicando asfreqnciase amplitudes


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A tcnica do envelope fornece uma indicao mais cedo do defeito.

Como interpretar os resultados?

Olhando os picos no espectro normal e no espectro do envelope:

Se no existem picos em nenhum dos dois, a condio do rolamento boa e osespectros servem de base para comparaes futuras.

Aparecem picos apenas no espectro do envelope: Indicao de que existem defeitos ouo rolamento necessita lubrificao.

Aparecem picos em ambos espectros: planeje a troca na prxima parada demanuteno.

Picos aparecem apenas no espectro normal com o aumento do rudo espectro do

envelope: troque imediatamente o rolamento.

Shock Pulses em rolamentos:

Tcnica do Shock Pulse (Prftechnik):


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Em um rolamento o pulso de choqueocorre quando o elemento rolante passa

sobre uma irregularidade na superfcie dapista do rolamento.

Mesmo um rolamento novo emite umsinal fraco de shock pulse, quando em

funcionamento, originando um tapete

no diagrama de shock pulse.

Este tapete, no entanto, aumenta quandoexiste uma lubrificao deficiente.

Um defeito na superfcie rolante ou naspistas do rolamento produzem shock

pulses com at 1000 vezes a intensidadedo nvel do tapete.

Estes picos irregulares, que se destacamdo nvel do tapete, so indicadores dedanos do rolamento.


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Os shock pulses propagam-se com faixas de freqncias bem mais elevadas do que

vibraes normais e o seu contedo de energia muito fraco. Os acelermetros usados para medio do shock pulse tm freqncias naturais

nestas faixas de freqncias (cerca de 36 kHz) e so especialmente sensveis ao sinaldo shock pulse.

Desde que os sinais de alta freqncia tendem a se dissipar rapidamente, existe muito

pouca interferncia com mancais adjacentes.

Aplicaes e vantagens:


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A tcnica adequada para uso com todosos tipos de mancais de rolamentos

instalados nos mais diversos tipos deequipamentos.

Quando os parmetros so registradosem intervalos regulares, qualquerdeteriorao no rolamento pode serreconhecida imediatamente.

O procedimento de manutenoadequado pode ser planejado e executadocom eficincia.

Tendncias dos rolamentos plotados

em longos perodos de tempo

oferecem informaes adicionais de

desgaste prematuro, instalao

inadequada e problemas de

lubrificao.

O t T i


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Outras Tcnicas:

Spike Energy ( Entek IRD);

SEESpectral Emitted Energy (SKF);

CEPSTRUM.

Tcnicas Especficas:

Anlise Modal;

Anlise ODS.

Bibliografia:


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1. Agilent Technologies, The Fundamentals of Signal Analysis, Application Note 243.2. Agilent Technologies, Effective Machinery Measuring using Dynamic Signal Analysers,

Application Note 243-1.3. Brel & Kjaer, Introduction to Shock and Vibration, 1998.4. Brel & Kjaer, Vibration Transducers and Signal Conditioning, 1998.5. Brel & Kjaer, Vibration Measurements and Analysis, 1998.6. Mitchell, John S., An Introduction to Machinery Analysis and Monitoring, PennWell Books,

Tulsa, Oklahoma, USA.

7. Goldman, S., Vibration Spectrum Analysis, A Pratical Approach, Industrial Press Inc., NewYork, N.Y., USA, 1999.8. Taylor, J.L., The Vibration Analysis Handbook A Practical Guide for Solving Rotating

Machinery Problems, Vibration Consultants, Inc., Tampa, F.L., 2000.9. Bently, D.E., Hatch, C.T., Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics, Bently

Pressurized Company, Minden, N.V., USA, 2002.10. Eisenmann, R.C. & Eisenman Jr., R.C., Machinery Malfuncion Diagnosis and Correction,

PTR Prentice Hall. New Jersey, 1997.11. Scheffer, C. and Girdhar, P., Practical Machinery Vibration Analysis & Predictive

Maintenance, IDC Technologies, 2004

apresentacao vibracao

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