trabalho vibração

ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA

VIBRAÇÕES

INTRODUÇÃO À TEORIA DE VIBRAÇÃO

Cristiano Almeida

Donizete Gonzaga de Medeiros

Efrem Souza

Erbert Tiago

Adriano Menegon

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VIBRAÇÕES

SUMÁRIOTipos de Movimento

Vibrações em Máquinas

Domínio do Tempo e Domínio da Frequência

Frequência e Período

Fontes de Vibração

Amplitude e Frequência

Tipos de Medição de Vibração

Fatores de Escala

Medição de Fase

Nível Global de Vibração 2


VIBRAÇÕES

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Tipos de Movimento


Domínio do Tempo e Domínio

da Frequência





Fatores de Escala

Medição de FaseNível Global de

Vibração


VIBRAÇÕES

Tipos de Movimento

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Harmônico

Periódico

Randômico

Movimento físico do

equipamento pode ser:

Harmônico

Periódico

e /ou Randômico

Todo movimento

harmônico: é periódico

Movimento periódico: nem

todos são harmônicos


VIBRAÇÕES

Movimento Periódico O Movimento oscilatório pode repetir-se regularmente, como

no pêndulo de um relógio, ou apresentar irregularidade

considerável, como em eventos da natureza (terremotos).

Quando o movimento se repete a intervalos regulares de

tempo (T) é denominado movimento periódico.

5


VIBRAÇÕES

Movimento Harmônico A forma mais simples de movimento periódico é o movimento

harmônico. Uma massa suspensa por uma mola e então

deslocada de sua posição de equilíbrio irá oscilar em torno desse

“equilíbrio” com um movimento harmônico simples. Se

construirmos um gráfico que relaciona a distância da massa à

posição de equilíbrio e o tempo, a curva obtida será uma

senóide.

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VIBRAÇÕES

Movimento Randônico Movimento randômico ocorre de uma maneira aleatória e

contém todas as frequências em uma banda específica de

frequência, podendo ser também chamado de ruído. Movimento

randômico é cada movimento que não é repetitivo

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Exemplos práticos de Movimento

Randômico: são as turbulências em

tubulações ou o fenômeno da

cavitação em uma bomba hidráulica.


VIBRAÇÕES

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Tipos de Movimento



da Frequência





Fatores de Escala


Vibração


VIBRAÇÕES

Vibrações em MáquinasNenhuma máquina pode ser representada de modo exato

por um sistema massa-mola.

Máquina geralmente se compõe de vários sistemas massa-

mola interagindo entre si. Um componente de uma máquina

pode ser representado por uma massa que se move sob a ação

de uma força.

Mola pode ser considerada uma força restauradora que de

acordo com os movimentos da massa gera uma força para

compensá-los.9


VIBRAÇÕES

Vibrações em MáquinasInteração entre movimento e força: é que causa a vibração

Vibração: é o movimento de um corpo sobre um ponto de

referência, causado por uma força mecânica indesejável

Vibração: resposta mensurável às forças que agem sobre a

máquina.

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Dinâmica aResistênci

Dinâmica Força α ) Vibraçãode (Amplitude Resposta


VIBRAÇÕES

Vibrações em MáquinasNas máquinas rotativas as forças aplicadas ao eixo se transmitem

através dos mancais. Quando o eixo gira, ele é empurrado contra o

mancal.

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VIBRAÇÕES

Vibrações em MáquinasMancal tenta forçar o eixo a voltar à sua posição neutra. Quanto

maior o desvio ou defeito maior é a força aplicada e mais alta será o

nível de vibração, como acontece no desbalanceamento.

As Vibrações são respostas às forças de excitação. Medindo as

vibrações pode-se avaliar indiretamente a intensidade das forças e

a severidade dos defeitos, como um processo de causa e efeito.

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VIBRAÇÕES

Vibrações em MáquinasNíveis de vibração dentro dos limites aceitáveis: indica que o

equipamento está funcionando corretamente, isso, segundo as

normas técnicas, partindo do princípio de que todas as máquinas

vibram. O aumento da vibração indica que a máquina está

caminhando para uma possível falha.

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A existência de um nível alto de vibração

nem sempre indica que há um problema

na máquina.


VIBRAÇÕES

Vibrações em MáquinasNem toda vibração é destrutiva mas é necessário identificar e

corrigir aquelas vibrações indesejáveis, que resultarão em falhas na

máquina.

Vibrações indesejáveis são sintomas de forças que podem

causar desgaste em mancais e rolamentos, problemas estruturais

ou ruídos.

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VIBRAÇÕES

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Tipos de Movimento



da Frequência





Fatores de Escala


Vibração


VIBRAÇÕES

Domínio do Tempo e da FrequênciaO domínio da frequência é tudo ao redor de nós. Entretanto,

algumas vezes nós chamamos frequência por outros nomes. Por

exemplo, luz é frequência, som é frequência.

O corpo humano está limitado a um determinado “range” de

frequência, nós não podemos identificar certos tipos de defeitos

em máquinas, ou os defeitos em máquinas podem estar

mascarados por outros fora de nosso range de detecção.

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VIBRAÇÕES

Domínio do Tempo e da FrequênciaAnalisando alguns destes problemas no domínio do tempo,

poderemos diagnosticar alguns tipos de defeitos. Entretanto, os

sinais no domínio do tempo para máquinas rotativas, se mostram

bastante complexos.

Para análise de vibração é necessário dominar diagnósticos no

domínio do Tempo e da Frequência para uma análise completa e

precisa.

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VIBRAÇÕES

Domínio do Tempo e da FrequênciaUm gráfico no domínio do tempo

mostra como um sinal varia ao longo

do tempo; em contraste.

Um gráfico no domínio da

frequência, comumente chamado

de espectro de frequências, mostra

quanto do sinal reside em cada faixa

de frequência.

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Forma de onda de um rolamento com falhas pontuais nas pistas interna e externa, mostrando o sinal variando no tempo.

Exemplo de espectro, mostrando a amplitude em função da frequência


VIBRAÇÕES

Domínio do Tempo e da FrequênciaPara mover do domínio do tempo para o domínio da frequência, é

necessário aplicar a Transformada de Fourier ao sinal.

Utilizado na transformação do sinal no tempo em espectro de

frequência, a tecnologia de Fourier permitiu implementar nos

computadores um algoritmo com bastante precisão: a

Transformada Rápida de Fourier (FFT).

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VIBRAÇÕES

Domínio do Tempo e da FrequênciaO osciloscópio é uma ferramenta comumente usada para

visualizar sinais do mundo real no domínio do tempo, enquanto

um analisador de espectro é uma ferramenta usada para visualizar

sinais no domínio da frequência.

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VIBRAÇÕES

Domínio do Tempo e da Frequência

Forma de onda: é a representação do sinal no Domínio do Tempo.

Ela mostra o que está acontecendo a cada instante no tempo.

Exame da forma de onda pode revelar detalhes importantes das

vibrações que não são visíveis nos espectros de frequência.

Principal aplicação identificar a ocorrência de eventos de curta

duração, como impactos, e determinar a sua taxa de repetição.

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VIBRAÇÕES

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Tipos de Movimento



da Frequência





Fatores de Escala


Vibração


VIBRAÇÕES

Frequência e PeríodoA maioria das análises de vibração são realizadas usando-se o

espectro de frequência, ao invés da forma de onda.

Por exemplo para um motor desbalanceado, é muito mais fácil

pensar no rotor em termos de rotações, ou ciclos por minuto ou por

segundo (frequência), do que em termos de tempo necessário para

a realização de uma rotação (período).

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VIBRAÇÕES

Frequência e PeríodoRelação entre a frequência e o tempo é bastante simples:

A frequência (rotações por segundo) = 1 / período (em segundos).

O período (em segundos) = 1 / frequência (rotações por segundo).

Ciclos por minuto (CPM) é a unidade de frequência mais comum

utilizada no monitoramento da condição e na análise de máquinas

giratórias. Isto devido à relação existente entre essa unidade e a

rotação do eixo - RPM

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VIBRAÇÕES

Frequência e PeríodoA frequência é uma grandeza física que indica o número de

ocorrências de um evento (ciclos, voltas, oscilações etc) em um

determinado intervalo de tempo.

O tempo decorrido para a oscilação recebe o nome

de período (T)

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VIBRAÇÕES

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Tipos de Movimento



da Frequência





Fatores de Escala


Vibração


VIBRAÇÕES


Frequências geradas;

Frequências excitadas;

Frequências causadas por fenômenos elétricos /

eletrônicos.

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Existem três diferentes tipos de fontes de frequência em

máquinas:


VIBRAÇÕES

Fontes de VibraçãoFrequências geradas, também chamadas de frequências

forçadas, são aquelas geradas pelos esforços girantes da máquina,

quando em funcionamento. Podemos citar como exemplo

desbalanceamento, frequência de engrenamento, passagem de

palhetas, frequência gerada por atrito em rolamentos, etc.

Frequências excitadas, também chamadas de frequências

naturais, são uma propriedade do sistema.

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VIBRAÇÕES

Fontes de VibraçãoUma amplificação da vibração, chamada de Ressonância, ocorre

quando a frequência gerada é “sintonizada” na frequência natural.

A frequência natural é normalmente referida a uma frequência

simples, porém a vibração é amplificada em toda “Banda de

frequência” ao redor da frequência natural.

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VIBRAÇÕES

Fontes de VibraçãoFrequências causadas por fenômenos elétricos/eletrônicos:

podem estar presente quando um sinal senoidal é recortado

(truncado) devido a um sinal saturado durante a coleta de dados.

Este fenômeno causa inserção de uma onda quadrada no

sistema, fazendo que o sinal de vibração se torne rico em

harmônicos, elevando o nível da medição global e induzindo um

erro na interpretação dos espectros.

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VIBRAÇÕES


Demonstração de como a vibração proveniente de uma variedade de fontes pode ser combinada.

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VIBRAÇÕES

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Tipos de Movimento



da Frequência





Fatores de Escala


Vibração


VIBRAÇÕES

Amplitude e FrequênciaAo analisar a vibração de um equipamento, através da análise

espectral busca-se encontrar dois componentes dos sinais de

vibração, a amplitude e a Frequência.

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VIBRAÇÕES

Amplitude e FrequênciaAmplitude do sinal de vibração indica a gravidade da falha.

Quanto maior for a amplitude, maior será o problema.

A amplitude dependerá do tipo de máquina e sempre estará

relacionada ao nível de vibração de uma máquina sem defeitos.

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VIBRAÇÕES

Amplitude e FrequênciaFrequência é o número de vezes em que ocorre o ciclo de

vibração do sinal em um determinado espaço de tempo. A

frequência na qual a vibração ocorre indica o tipo de falha.

Falhas mecânicas geralmente produzem frequências

determinísticas. Por se estabelecer a frequência em que uma

vibração ocorre pode-se determinar precisamente a causa e a fonte

de tal vibração.

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VIBRAÇÕES

Amplitude e FrequênciaSe identificada a falha em um dado rolamento através da

identificação de suas frequências determinísticas de falhas na

maioria das vezes, não significa que o rolamento em si é a fonte do

problema. Geralmente, existe outro problema mecânico causando

os danos no rolamento.

Ao detectar esse defeito o analista deve automaticamente

investigar outros sintomas de falhas na máquina, tais como o

desalinhamento ou desbalanceamento.

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VIBRAÇÕES

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Tipos de Movimento



da Frequência





Fatores de Escala


Vibração


VIBRAÇÕES

Tipos de Medição de VibraçãoAs unidades básicas de medição de

vibração são: o deslocamento, a

velocidade e a aceleração.

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Deslocamento

Velocidade

Aceleração


VIBRAÇÕES

Tipos de Medição de VibraçãoDeslocamento: refere-se à mudança, em termos de distância ou

posição, de um objeto em relação a um ponto referencial.

Amplitude é a magnitude do deslocamento. Quanto maior for a

amplitude do sinal da vibração, mais severa será a vibração.

Deslocamento: representa uma distância. É uma forma de

medição indicada para vibrações em máquinas de baixa frequência,

geralmente menores que 10 Hz (600 RPM).

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VIBRAÇÕES

Tipos de Medição de VibraçãoVelocidade: é a taxa de mudança de deslocamento. Medição em

velocidade excelente para problemas de vibração em máquinas de

velocidade média, como por exemplo, desbalanceamento,

desalinhamento, folgas mecânicas e defeitos em rolamento, em

situações de falhas avançadas.

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VIBRAÇÕES

Tipos de Medição de VibraçãoAceleração: medida em G’s, mm/seg² ou pol/seg², é a forma de

medição indicada para análises em altas frequências, em torno de

5000 Hz (300.000 RPM), como em redutores de alta velocidade e

em rolamentos.

Aceleração: normalmente medida em unidades de pico ou RMS,

dependendo dos padrões que estejam sendo utilizados.

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VIBRAÇÕES

Tipos de Medição de VibraçãoOs três tipos de grandezas usadas para medir vibração estão

diretamente relacionados.

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VIBRAÇÕES

Tipos de Medição de VibraçãoDeslocamento: acentua as baixas

frequências e atenua amplitude de

frequências elevadas.

Aceleração: atenua as baixas

frequências e acentua as

frequências elevadas, inversamente

ao deslocamento.

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Velocidade: tem uma resposta plana ao longo da faixa de interesse.


VIBRAÇÕES

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Tipos de Movimento



da Frequência





Fatores de Escala


Vibração


VIBRAÇÕES

Fatores de EscalaFator pico representa é a amplitude na forma de distância ao

pico máximo, seja ele positivo ou negativo, da forma de onda do

impacto medida a partir da referência zero.

Amplitude do pico é frequentemente utilizada na medição da

velocidade e da aceleração. Valor válido para indicação de choques

de curta duração, porém indica somente a ocorrência de pico.

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VIBRAÇÕES

Fatores de EscalaFator pico-a-pico é a amplitude medida a partir do ponto mais

alto da forma de onda em direção à parte mais baixa de sua base

negativa e é igual a duas vezes o valor de pico. A amplitude pico-a-

pico é muito utilizada para medir deslocamentos ou pontos de

Envelope.

Fator RMS (Valor Médio Quadrático) é geralmente usado para

medir a energia efetiva da vibração, que é aleatória ou que consiste

em muitos sinais de vibração em frequências diferentes.

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VIBRAÇÕES

Fatores de EscalaO valor RMS é usado para estimar a severidade de vibração

proveniente da estrutura de uma máquina ou de fatores externos.

As relações entre os tipos de fatores são:

Pico-a-Pico= 2 x Pico.

Pico= 1,414 x RMS.

RMS= 0,707 x Pico.

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VIBRAÇÕES

Fatores de Escala

Relação existente entre as amplitudes de medição para os fatores

pico-a-pico, pico e valor RMS.

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VIBRAÇÕES

Fatores de EscalaQuando se comparam os sinais de vibração: com os limites de

alarme ou os limites de vibração recomendados pelo fabricante da

máquina é imperativo que ambos os sinais sejam medidos na

mesma faixa de frequência e com os mesmos fatores de escala.

Quando comparar as leituras: a partir de instrumentos de um

fabricante ou de outras plantas industriais identifique os

instrumentos que foram usados para a obtenção das leituras, visto

que essa medida poderá auxiliar a identificar as incoerências.

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VIBRAÇÕES

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Tipos de Movimento



da Frequência





Fatores de Escala


Vibração


VIBRAÇÕES

Medição de FaseRelações de fase também podem ser empregadas para

diferenciar os defeitos de máquinas, além da avaliação da

amplitude e frequência dos picos espectrais.

Fase revela qual a sincronia entre os diversos componentes da

vibração e a diferença temporal entre dois componentes ou entre

um componente e um evento de referência fixa, como o pulso de

um tacômetro. Neste caso a fase é medida em graus.

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VIBRAÇÕES

Medição de FaseGeralmente determina-se a fase pela diferença de tempo entre

um pulso de referência e o próximo pulso do sinal de vibração em

estudo. A fase também pode ser usada para descrever a relação

entre dois eventos, como na figura.

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VIBRAÇÕES

Medição de FaseA massa desbalanceadora na posição A do rotor está a 180º de

fase com a massa desbalanceadora na posição B do rotor, que por

sua vez está causando uma força de desbalanceamento mais

elevada. Neste caso os mancais estão movendo em sentidos

contrários, já que a diferença de fase é igual a 180º.

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VIBRAÇÕES

Ângulo de FaseNa figura, o ponto de partida da massa desbalanceadora (ponto

vermelho) está na posição inferior do mancal. Na medida em que o

rotor gira o tacômetro realiza a obtenção dos dados.

Nesse ponto o sensor instalado horizontalmente sofre uma

força que é igual a zero.

54Posição inicial, fase igual a 0º


VIBRAÇÕES

Ângulo de FaseQuando o rotor gira em direção anti-horária a massa

desbalanceadora alcança a posição de 3 horas correspondendo a

uma variação de 90º na fase, então o sensor capta um aumento de

força alcançando o seu ponto máximo, produzindo a maior leitura

positiva de força.

55Fase igual a 90º


VIBRAÇÕES

Ângulo de FaseQuando o ponto vermelho atinge 12 horas ou realiza 1/2 volta o

valor da força no gráfico cruza o eixo, correspondendo a uma

variação de fase igual a 180º. Neste ponto a força sofrida pelo

sensor instalado horizontalmente é novamente igual à zero.

56Fase igual a 180º


VIBRAÇÕES

Ângulo de FaseQuando o ponto vermelho gira 90º adicionais, completando 3/4

de volta a fase marca uma defasagem de 270º ficando em uma

posição oposta à posição do sensor. Neste ponto a força

desbalanceadora alcança o pico negativo referente a leitura

realizada pelo sensor.



VIBRAÇÕES

Ângulo de FaseO ponto pesado: gira então mais 90º correspondendo a um giro

de 360º. Neste ponto a força sofrida pelo sensor horizontal volta a

ser zero, completando o ciclo.



VIBRAÇÕES

Ângulo de FaseAmplitude e a frequência fornecem uma precisão de 80%

quando são realizadas como meios de diagnóstico e de análise.

Quando se adiciona a fase a precisão aumenta para mais de

95%.

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VIBRAÇÕES

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Tipos de Movimento



da Frequência





Fatores de Escala


Vibração


VIBRAÇÕES

Nível Global de MediçãoNível global de vibração é a energia total de vibração medida

dentro de uma faixa de frequência específica. Medido

numericamente, um valor global acima do normal fornece uma

indicação rápida de que “alguma coisa” está fazendo com que a

máquina ou o componente vibre anormalmente.

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VIBRAÇÕES

Nível Global de MediçãoMedições do nível global de vibração também são

recomendadas para os operadores de máquinas ou de salas de

controle. Os operadores podem carregar os medidores em suas

inspeções diárias às máquinas e obter leituras rápidas verificando se

os níveis de vibração estão ou não dentro de parâmetros aceitáveis.

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VIBRAÇÕES

Nível Global de MediçãoFaixa de frequência para a qual a leitura do nível global é

realizada é determinada pelos equipamentos de monitoramento.

Alguns coletores de dados possuem suas próprias faixas pré-

definidas de frequência para a realização de medições de nível

global. Outros coletores de dados permitem ao usuário escolher a

faixa de frequência para as suas medições de nível global.

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VIBRAÇÕES

Nível Global de MediçãoQuando os valores de nível global são comparados é importante

que ambos os valores sejam obtidos na mesma faixa de frequência.

Instrumentos de monitoração mais avançados e os de bandas de

frequência fixas fornecem uma multiplicidade de tipos de medições

de nível global, cada qual monitora uma faixa de frequência

específica.

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VIBRAÇÕES

Nível Global de MediçãoCaneta de vibração permite monitorar o nível global em

velocidade de vibração entre 10Hz e 1kHz e nível global em

aceleração entre 10kHz e 30kHz.

Isso permite concentrar-se nas vibrações associadas à rotação

ou à sinais estruturais de baixa frequência ou nas vibrações que

ocorrem nas frequências mais altas, como por exemplo, as

vibrações dos elementos rolantes de um rolamento ou das

engrenagens de um redutor.

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VIBRAÇÕES

Nível Global de MediçãoMonitoramento do nível global de vibração é uma boa

ferramenta de detecção de sinais gerados por componentes da

máquina, que gerem frequências características que estejam dentro

da faixa de frequência do instrumento de monitoramento.

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VIBRAÇÕES

Nível Global de MediçãoAlguns componentes de máquinas que giram a baixa velocidade

e suportam grande carga, tais como os rolamentos de máquinas de

papel necessitam de informações adicionais para a realização de

um monitoramento adequado, ou seja, informações que estejam

relacionadas especificamente a frequências características de falha.

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VIBRAÇÕES

Nível Global de MediçãoÉ importante lembrar que neste caso a detecção não é uma

análise. Caso um valor global de medição aumente deve-se realizar

um monitoramento e uma análise mais detalhada para se

determinar a causa do aumento da vibração e ainda determinar o

melhor momento para se realizar a manutenção corretiva

planejada.

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trabalho vibração

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