Análise de vibrações de desalinhamento

1 – Análise de vibrações de desalinhamento – introdução

A análise de vibrações do desalinhamento de uma máquina, com um analisador de vibrações, é um importante preliminar ao passo seguinte que é o do seu alinhamento. O desalinhamento é um dos defeitos mais comuns a gerar vibrações excessivas nas máquinas. Assim quem quer compreender o comportamento dinâmico de um equipamento em funcionamento tem de dispor uma compreensão razoavelmente completa deste fenómeno. Isto é essencial para implementar com sucesso um programa de manutenção preditiva.

O desalinhamento sob as suas diversas formas é sem dúvida uma das anomalias mais comuns em qualquer grupo de máquinas.

A compreensão dos seus efeitos é de extrema importância para a elaboração de um diagnóstico correcto relativo ao comportamento anormal numa máquina.

2 – Definição de desalinhamento e suas origens

O desalinhamento pode ocorrer basicamente a dois níveis:

– Desalinhamento de um veio nas suas chumaceiras 

• Não coincidência entre o eixo de simetria do veio e o eixo de simetria das chumaceiras.

– Desalinhamento de transmissões

• Não coincidência entre o eixo de simetria de dois veios colineares
• Falta de paralelismo entre veios
• Distâncias incorretas
• Posição axial incorreta 
• Perpendicularidade incorreta

A sua origem pode ser diversa:

– Mau posicionamento no fabrico ou montagem

• Das chumaceiras de um veio, entre si
• Em relação a outros veios (desalinhamento de transmissões) – acoplamentos, engrenagens, correias, etc.

– Deformações 

• * Efeitos de origem térmica no veio
• * Efeitos de origem térmica na estrutura de apoio das chumaceiras.
• * Empeno na superfície de apoio da máquina
• * Empeno na estrutura da máquina
• * Empenos induzidos por tubagens

3 – Efeitos do desalinhamento

3.1 – Entre Acoplamentos

Na Figura 1 a seguir apresentada pode-se ver o efeito de um desalinhamento angular.

Vê-se que vai ocorrer a geração de uma força de aproximação dos veios, na direcção axial, em cada rotação. Será, portanto, natural a ocorrência de vibrações axiais.

Na Figura 2 a seguir apresentada pode-se ver o efeito de uma ausência de colinearidade.

Vê-se que vai ocorrer a geração de uma força de aproximação entre os veios, nas direcções radiais, duas vezes em cada rotação. Vê-se também que essa força tem uma direcção predominante. 

Na prática raramente se encontram estes efeitos isolados; é frequente sim encontrar a sua combinação. 

Consideram-se, portanto, sintomas de desalinhamento os seguintes:

1. – Vibrações anormais na direcção axial.
2. – Vibrações anormais a duas vezes a velocidade de rotação.
3. – Anormal direccionalidade das vibrações, contrariando o que seria de esperar tendo em conta a rigidez das chumaceiras.

A seguir podem-se ver os Níveis Globais de Vibrações numa máquina desalinhada no acoplamento.

Note-se:

a) As vibrações são maiores nas chumaceiras junto do acoplamento.

b) As fortes vibrações na chumaceira C, na direcção axial.

   c) O facto de no motor eléctrico, na chumaceira B, as vibrações serem maiores na vertical do que na horizontal, ao contrário do que se teria de esperar tendo em conta somente a rigidez da estrutura do motor.

Na Figura 4 pode-se ver que quando se tem uma força a rodar com o veio, como acontece no caso do desequilíbrio, é de esperar que a máquina vibre mais na direção de menor rigidez. Se isto não se verifica é devido ao facto da força que faz vibrar a máquina ter uma direcão. O desalinhamento é uma anomalia que gera uma força direcional.  

A seguir pode-se ver um espectro, que medido na direcção axial de uma máquina, junto de uma chumaceira, constitui um fortíssimo sintoma de desalinhamento – a 2ª harmónica da velocidade de rotação é maior que a primeira.

Na Figura 6 pode-se ver a amplitude (dentro de cada círculo) e a fase (assinalada por um risco em cada círculo) da componente à velocidade de rotação, medidas nas três direcções, em todas as chumaceiras, numa máquina com um desalinhamento ao nível do acoplamento (acoplamento de dentes).

Notem-se os seguintes aspetos:

1. – Diferença de fase de 180 graus nas medidas no motor na direção vertical
2. – Idem na horizontal
3. – Fase rigorosamente igual nas medidas na mesma direcção nas chumaceiras de ambos os lados do acoplamento de dentes (que se encontrava bloqueado).

Nestas circunstâncias pode-se considerar que o acoplamento, do tipo dentado, se encontrava absolutamente bloqueado e fazia vibrar as duas chumaceiras anexas em bloco. Simultaneamente obrigava o motor a um movimento oscilatório.

Assim normalmente considera-se que diferenças de fase de 180 graus ( e também de 0 em acoplamentos que bloqueiam) são sintomas de desalinhamento. 

3.2 – Veio Empenado e Desalinhamento de Chumaceiras

Um veio empenado pode originar um desalinhamento e também desequilíbrio. Na figura a seguir apresentada pode-se ver o efeito de um empeno de um veio.

É assim natural que surjam vibrações em oposição de fase na direcção axial. Nas direcções radiais é natural que o efeito de desequilíbrio por via do empeno seja predominante.

Na figura 8 pode-se ver a fase e amplitude das vibrações à frequência de rotação de um ventilador com o veio empenado a quente.

Note-se as vibrações em oposição de fase, na direcção axial, nas chumaceiras C e D, que são as do veio empenado. Esta máquina em virtude do empeno estava desequilibrada. Os apoios anti-vibratórios explicam a oposição de fase nas chumaceiras C e D, na direcção horizontal.

Um efeito que de um ponto de vista de vibrações em tudo se assemelha ao do veio empenado é o desalinhamento de chumaceiras. Na figura a seguir apresentada pode-se ver esquematicamente o seu efeito.

Vai ocorrer uma diferença de fase de 180 graus entre as medidas na mesma direcção radial e na axial.

4 – A medição da fase da vibração e a utilização do estroboscópio 

O objectivo pretendido com a medição de fase é a visualização do movimento da máquina enquanto vibra a uma determinada frequência. Tome-se como exemplo o que se vê na Figura 10.

Considere-se que o motor estava a vibrar na direcção horizontal, à frequência de rotação, com o perfil de vibrações definido na Hipótese 1. Quando se colocasse o sensor de vibrações em diversos pontos de medida ao longo do motor a amplitude da velocidade de rotação seguiria esse perfil; amplitudes maiores nos extremos, junto das chumaceiras e amplitudes menores nas posições intermédias. Caso se medisse a fase das vibrações, esta deveria sempre ser aproximadamente igual. Se o motor estivesse a vibrar segundo o perfil da Hipótese 2 o perfil de amplitudes seria exactamente o mesmo, no entanto a fase das vibrações teria uma diferença de 180 graus entre as medidas nos dois extremos da máquina.

Na Hipótese 1 ir-se-ia concluir que o corpo do motor estava a flectir; na Hipótese 2 estava a oscilar em torno do centro.

Vê-se assim como medindo a amplitude e a fase se consegue visualizar a forma da vibração. Note-se que caso não se medisse a fase o bom senso provavelmente levaria à mesma conclusão visto dificilmente a carcassa de um motor poder flectir como se indica na Hipótese 1 sem imediatamente os rolamentos serem destruídos.

Por vezes a medição do Nível Global de Vibrações é suficiente para detectar a forma da vibração.

O Estroboscópio é um equipamento que neste âmbito tem uma aplicação muito generalizada por efectivamente nos permitir ver as vibrações. Dessintonizando a frequência do flash com a frequência da vibração num valor entre 100 e 200 RPM consegue-se ver a máquina em “câmara lenta”, quando a amplitude das vibrações é superior a 0.2 mm. 

Sendo como é evidente impossível ver máquinas de grandes dimensões é, no entanto, particularmente útil na inspecção visual de acoplamentos com a máquina em funcionamento.

5 – Acoplamentos e diagnóstico de desalinhamento

O Estroboscópio

Quando se está a medir as vibrações provocadas por um desalinhamento no acoplamento, está-se a medir o seu efeito. O efeito vibratório depende não só do valor do desalinhamento, mas também, entre outros factores, da maneira como o acoplamento absorve o desalinhamento. Assim para alguns tipos de acoplamento existem abordagens específicas.

Um teste feito por quem alinha acoplamentos a régua e esquadro é o de pôr o veio em rotação lenta, e verificar visualmente o paralelismo de todas as superfícies dos dois lados do acoplamento. 

Isto pode ser efetuado facilmente com o estroboscópio sem parar a máquina de acordo com a técnica descrita no Ponto 4. 

O único requisito que esta técnica tem, para ter sucesso, é o de o desalinhamento ser de uma ordem de grandeza visível. Aplica-se, portanto, a acoplamentos alinhados a régua e esquadro, em que o desalinhamento é por definição sempre visível, e também a acoplamentos alinhados a comparador com desalinhamentos elevados. É este normalmente o caso quando as vibrações provocadas pelo desalinhamento têm amplitude elevada.

A utilização do estroboscópio para diagnóstico de desalinhamentos apresenta a vantagem de não requerer conhecimentos específicos de vibrações e ser de interpretação evidente. Assim torna-se facilmente um instrumento utilizável por todo o pessoal da manutenção.

Acoplamentos Dentados

Um acoplamento dentado, quando imobilizado parece ser um órgão que pela sua construção é capaz de absorver grandes desalinhamentos.

Efetivamente é o que acontece quando a máquina está imobilizada. 

Todavia quando a máquina está a funcionar a potência transmitida pelo acoplamento conjuntamente com a força de atrito vão reduzir drasticamente essa mobilidade relativa, e a partir de um determinado valor de potência transmitida, o conjunto vai ficar completamente bloqueado. Assim existindo um desalinhamento, este pode ser completamente absorvido pelo acoplamento com a máquina a funcionar com uma carga reduzida, e já não o ser quando a máquina está a plena carga. 

Conforme as condições de carga da máquina esta pode apresentar, ou não, sintomas vibratórios de desalinhamento. A variação de condições de carga de uma máquina com este tipo de acoplamento, é assim um teste a efectuar para determinar se existe desalinhamento no acoplamento.

Na Figura 12 podem-se ver dois espectros de frequência medidos no mesmo ponto de medida, uma chumaceira de um redutor de um grupo gerador, na direcção axial, junto de um acoplamento dentado. 

Os espectros foram medidos com poucos minutos de intervalo; um com o alternador com 3 MW e o outro com 9 MW.

Note-se a dimensão relativa das componentes a uma e duas vezes a velocidade de rotação no espectro de cima e no debaixo e compare-se com o espectro na Figura 5.

No espectro de cima não surgem sintomas de desalinhamento enquanto no debaixo já isso se nota. O acoplamento quando transmitia 3 MW de potência era flexível e absorvia o desalinhamento existente; o mesmo não ocorria quando transmitia 9 MW.

Nos acoplamentos dentados quando se degrada o estado dos dentes começa a surgir uma vibração à frequência de engrenamento (número de dentes do acoplamento vezes a velocidade de rotação). Assim neste tipo de acoplamentos é importante acompanhar esta frequência. 

6 – Deformações e desalinhamento 

6.1 – Desalinhamento a Quente

Em máquinas que funcionam a temperaturas elevadas existem sempre fenómenos de dilatação que podem levar à ocorrência de desalinhamento a quente. Quando isto acontece a máquina a frio não vibra, mas quando aquece surgem fenómenos vibratórios de amplitude elevada. Assim em máquinas que funcionam a temperaturas elevadas há sempre que verificar:

• – Existência de aquecimento das estruturas de suporte das chumaceiras 
• – Existência de compensação a frio de deformações a quente, caso a estrutura de suporte das chumaceiras seja aquecida.

Os sintomas de desalinhamento a quente são iguais aos de qualquer outro desalinhamento, podendo-se, no entanto, fazer alguns testes adicionais: 

• – Acompanhamento das vibrações durante a fase de aquecimento da máquina de modo a determinar se existe uma proporcionalidade entre ambos os parâmetros.
• – Isolamento temporário da fonte de calor ou arrefecimento da estrutura de suporte das chumaceiras com acompanhamento da evolução das vibrações.

Na Figura 13 pode-se ver a evolução das vibrações, na direcção axial da chumaceira de um ventilador, com desalinhamento a quente, após se ter isolado a estrutura de suporte de uma chumaceira da fonte de calor.

6.2 – Deformações do Corpo

É normalmente aceite que mais de 40 % dos motores eléctricos apresentam alguma forma de desvio da planicidade das suas bases. 

Por outro lado, é rara a base de uma máquina que seja absolutamente plana. 

Estes fatores levam a que o aperto dos pernes de fixação das máquinas por vezes leve ao empeno da sua estrutura provocando desalinhamentos. O mesmo se pode referir em relação a pernes de ligação de flanges de tubagens. 

Normalmente podem-se efectuar testes para verificar eventuais empenos com a máquina parada ou em serviço.

Com a máquina parada pode-se proceder aos seguintes testes:

• – Inspeção visual das sapatas
• – Aperto e desaperto dos pernes das sapatas, com observação do seu comportamento    com comparador. Uma cedência maior que 0.05 mm implica a colocação de calços.
• – Aperto e desaperto dos pernes das sapatas, com observação simultânea do comportamento do alinhamento do acoplamento a comparador.

Com a máquina em serviço podem-se proceder aos seguintes testes:

• – Inspeção visual das sapatas
• – Desaperto, um por um, dos pernes de aperto com observação simultânea das vibrações. Para este fim coloca-se o sensor de vibrações no local onde elas são maiores e observa-se a sua evolução à medida que se apertam e desapertam os pernes.
• – Alinhamento com a máquina em serviço, através da observação das vibrações.

6.3 – O alinhamento com a máquina em serviço

O alinhamento com as máquinas em serviço é uma técnica há muito conhecida e utilizada frequentemente por quem não tem outros meios ou possibilidade para a fazer (Ex.: embarcações de pesca em situações de emergência, submarinos, onde não existe acesso aos equipamentos).

É efetuado da seguinte forma:

• – Colocar comparadores em todas as sapatas para acompanhar os movimentos verticais (opcional)
• – A máquina a mover é a que está livre (normalmente o motor eléctrico)
• – Aliviar ligeiramente os pernes (as vibrações podem subir ligeiramente)
• – O motor nesta altura deve-se deslocar sozinho na direcção correcta.
• – Por tentativas encontrar a melhor posição.

7 – Análise de vibrações de desalinhamento – Resumo de ensaios e sintomas

No quadro a seguir apresentado pode-se ver um resumo dos ensaios a realizar e os sintomas em causa quando se trata de situações de desalinhamento.

TécnicasSintomas + Ensaios	Nível Globalde Vibrações	Estroboscópio	Espectro deFrequência	Mediçãode Fase
Direcção das vibrações	X		X
Forma da máquina vibrar	X	X	X	X
Frequência das vibrações			X
Estado do acoplamento		X	X
Fase das vibrações		X	X	X
Verificação do empeno da base	X		X	X
Variação de carga (em acoplamentos dentados)			X
Variação de temperatura (em máquinas a funcionar a temperaturas elevadas)	X	X	X	X