Curso de diagnóstico por análise de vibrações

Vibrações em chumaceiras de película de óleo

A análise de vibrações em chumaceiras de película de óleo, tem particularidades que são muito importantes. Esta análise é frequentemente efetuada com um analisador de vibrações e/ou monitores de vibrações.

Em turbomáquinas este tipo de chumaceiras são normalmente instrumentadas com sensores de deslocamento (proximitors).

De facto, com proximitors, a degradação das chumaceiras de película de óleo, ou funcionamento incorreto, pode ser mais bem acompanhada e inserida num programa de Manutenção Preditiva.

Vibrações em chumaceiras de película de óleo fig 1
Figura 1 – Chumaceira de película de óleo

1 – As chumaceiras de pelicula de óleo 

1.1 Princípio de funcionamento das chumaceiras de película de óleo

Numa chumaceira de película de óleo, as superfícies estacionárias (casquilho da chumaceira, ou similar) e rotativas (moente do veio)  são separadas por uma fina película de lubrificante, como óleo, ar, água ou fluido de processo.

Numa chumaceira de pelicula de óleo hidrodinâmica, a pressão da película que separa as superfícies é criada pelo movimento relativo (rotação) das superfícies à medida que o lubrificante é puxado para uma geometria convergente entre as superfícies.

Não existe qualquer contacto com as superfícies exceto durante o arranque e a paragem.

Vibrações em chumaceiras de película de óleo fig2
Figura 2 – Princípio de funcionamento das chumaceiras de película de óleo


1.2 A função da geometria convergente

No caso de chumaceiras de mancal, a geometria convergente é fornecida pela pequena diferença nos diâmetros do monete do veio e do casquilho da chumaceira.

Para melhorar o desempenho estático e dinâmico, definido pode ser concebido ou maquinado no casquilho, um perfil para desenvolver o filme adequado.

Vibrações em chumaceiras de película de óleo fig3
Figura 3 – Formas de diversos tipos de chumaceiras de película de óleo radiais.

Nas chumaceiras de impulso axial, a geometria convergente é maquinada na face de uma placa fixa ou fornecida pela ação de inclinação das almofadas.

Uma geometria fixa é projetada para uma condição específica, de modo que as chumaceiras de almofadas inclinadas (tilting pad) são frequentemente usadas para acomodar mudanças nas condições.

1.3 A função das chumaceiras de película de óleo

As funções primárias das chumaceiras são a de controlar a posição do rotor, equilibrar as forças no sistema e fornecer amortecimento.

As chumaceiras radiais suportam cargas radiais (perpendiculares ao eixo de rotação). As chumaceiras axiais suportam cargas axiais (ao longo do veio de rotação).

Os materiais e o projeto das chumaceiras de pelicula de óleo de encosto e de impulso são selecionados para otimizar a geometria do mancal para aumentar a eficiência do equipamento e reduzir as solicitações de equipamentos auxiliares.

1.4 Chumaceiras de película de óleo vs. chumaceiras de rolamentos

Uma diferença fundamental entre as chumaceiras de rolamentos e as de película de óleo é a vida útil esperada. As chumaceiras de rolamentos normalmente têm uma vida útil previsível com base nas condições de operação (a vida útil L10 calculada). As chumaceiras de película de óleo, quando projetadas e mantidos adequadamente, podem operar por décadas.

1.5 A instabilidade nas chumaceiras de pelicula de óleo

Quando as forças de reação de pressão geradas no óleo, na cunha entre o moente e a chumaceira, são superiores à carga pode ocorrer instabilidade e o veio ganhar movimentos que não o estritamente de rotação.

Vibrações em chumaceiras de película de óleo fig 4
Figura 4 – Diversos fenómenos a ocorrerem numa chumaceira de película de óleo

2 Análise de vibrações em chumaceiras de pelicula de óleo – Frequências de vibrações

2.1 Vibrações em chumaceiras de pelicula de óleo – a componente à velocidade de rotação

Quando ocorre a degradação deste tipo de chumaceira pode ocorrer um aumento da amplitude da componente vibratória à velocidade de rotação. Caso o comportamento dinâmico do rotor da máquina não seja alterado significativamente não ocorrem vibrações anormais.

Quando ocorrem vibrações são frequentemente muito similares às provocadas por um desequilíbrio. A diferença mais marcante poderá ser a sua direccionalidade. Para se detetar este fenómeno com facilidade será conveniente a existência de Espectros de Referência, para efeitos de comparação.

2.2 Vibrações em chumaceiras de pelicula de óleo – as inter-harmónicas da velocidade de rotação

Quando ocorrem contactos entre o rotor e a chumaceira, ou outra parte fixa, surgem as inter-harmónicas da velocidade de rotação. Estas componentes têm frequência igual a n x 1/2, n x 1/3, n x 1/4, etc. da velocidade de rotação, e são, portanto, indício claro da existência de contactos.

A sua origem é normalmente gripagem ou folgas excessivas.

2.2 Vibrações em chumaceiras de pelicula de óleo – frequências de instabilidade de pelicula de óleo – “Oil Whirl” e “Oil Whip”

Estes fenómenos podem ser definidos como instabilidades do rotor, geradas nas chumaceiras (ou labirintos), ocorrendo as vibrações subsíncronas (< 1 RPM).

No “Oil Whirl”, o veio em vez de permanecer num ponto de equilíbrio na película de óleo, gera um fluxo de óleo ao seu redor, normalmente com uma frequência aproximada de 43% da velocidade de rotação do veio, vibrando assim a essa frequência.

Se na chumaceira existirem pontos onde se quebra o fluxo de óleo, não ocorrerá este fenómeno. é este o fim das chumaceiras de almofadas, lobos, etc.

Este tipo de vibração tem a amplitude fortemente variável e não tem frequência bem definida.

Quando durante a aceleração da máquina, a frequência do “Oil Whirl”, numa dada máquina, é variável e pode ocorrer entre 0,37 e 0,5 RPM, o “Oil Whip”, ocorre a uma frequência fixa igual à 1ª frequência natural do veio.

Durante o “Oil Whip”, o veio encontra-se a vibrar em ressonância e é, portanto, um fenómeno muito perigoso.

Tendo em conta como ocorre, é fácil ver que só pode surgir em máquinas de alta velocidade a funcionarem a uma frequência superior ao dobro da 1ª frequência natural do seu rotor.

3 Análise de vibrações em chumaceiras de pelicula de óleo – As órbitas de anomalias comuns

Quando na chumaceira existe uma para de proximitors podem-se ver a órbita descrita pelo centro de veio. Esta informação é muito útil para diagnóstico. Na figura a seguir apresentada podem-se ver órbitas de defeitos comuns.

Vibrações em chumaceiras de película de óleo fig 5
Figura 5 – Orbitas típicas de diversas anomalias em chumaceiras de película de óleo, medidas com um par de proximitors.

4 – Análise de vibrações em chumaceiras de pelicula de óleo – Exemplos práticos

4.1 Turbina a vapor a rodar a 9000 RPM (148,5 Hz)

Neste caso, medido com um acelerómetro, viam-se no espetro inter-hamónicas da velocidade de rotação correspondentes a vestígios de toques nas chumaceiras.

Vibrações em chumaceiras de película de óleo fig6

Figura 6 – Espetro de frequência com inter-hamónicas da velocidade de rotação correspondentes a vestígios de toques nas chumaceiras

4.2 Chumaceira de pelicula de óleo de ventilador destruída

Neste caso, também medido com um acelerómetro, na chumaceira de metal antifricção de um ventilador o casquilho estava destruído. De facto, pegou fogo no dia a seguir a se ter feito a medida…

Vibrações em chumaceiras de película de óleo fig7
Figura 7 – Espetro de frequência com numerosas harmónicas e inter-hamónicas da velocidade de rotação correspondentes a um casquilho destruído


No espetro podem-se ver numerosas harmónicas e inter-harmónicas da velocidade de rotação a 17 Hz.

4.3 Medição da posição estática do veio com proximitors, em chumaceira de pelicula de óleo, de turbina a vapor de acionamento de compressor de amoníaco

A posição estática do cento do veio é determinada a partir dos valores DC medidos pelo par de proximitors. Nestas circunstâncias estes estão a ser usados como comparadores sem contacto. Esses valores são usados para determinar a posição do centro do veio na folga diametral das chumaceiras.

Vibrações em chumaceiras de película de óleo fig 8
Figura 8 – Medição da posição está tica do centro do veio

No canto inferior da direita da figura 9, vê-se que numa chumaceira instrumentada com proximitors, a posição do centro do veio sai muito da folga diametral do moente na chumaceira.

Vibrações em chumaceiras de película de óleo fig 9
Figura 9 – Posição estática do centro dos moentes na folga diametral das chumaceiras. No canto inferior da direita da figura, vê-se que numa chumaceira da turbina de alta-pressão, a posição do centro do veio sai muito da folga diametral do moente na chumaceira.

Neste caso estava a ocorre um efeito de maquinagem do metal anti-frição, por eletro-erosão, numa chumaceira da turbina de alta-pressão e que levou à destruição de um labirinto.

Não ocorriam quaisquer vibrações anormais.

O problema foi solucionado colocando-se umas escovas no veio para fazer uma ligação à terra adequada.

4.4 Instabilidade de pelicula de óleo em chumaceira de turbina a vapor

Um grupo gerador com várias dezenas de megawatts começou a ter paragens inesperadas, sem causa aparente, disparadas pelo seu monitor de vibrações protetivo. Este disparo ocorria sempre na mesma chumaceira da turbina, e pelo mesmo sensor. Este sistema, sendo exclusivamente protetivo, tem como função exclusiva proteger a máquina em caso de vibrações excessivas. De facto, não recolhe a informação sobre as medidas que vão sendo efetuadas e, portanto, não tem funções preditivas. Desta forma não fornece informação para suportar tomadas de decisão sobre intervenções de manutenção na máquina.

Para se saber o que estava a ocorrer foi montado um sistema de monitorização de vibrações wireless cujo objetivo consistia em saber se ocorria uma real subida dos níveis de vibrações antes do sistema protetivo dar a ordem para a paragem da máquina.

A parametrização da medição de vibração wireless

O sistema foi parametrizado para efetuar as seguintes medições:

  • Aceleração – forma de onda e espetro – cada 2 minutos
  • Aceleração – valor global – cada 30 segundos
  • Velocidade – espetro (2-1000 Hz) e valor global – cada 2 minutos

Os resultados da medição de vibração wireless

A seguir pode-se ver o gráfico correspondente às medições da medição de vibração wireless efetuadas entre 23 de um mês e o dia 17 do seguinte.

Vibrações em chumaceiras de película de óleo fig10
Figura 10 – Histórico do nível global entre 23 de um mês e o dia 17 do seguinte.

Como se pode ver no gráfico, neste período ocorreram paragens da máquina, no dia 28 e 30 de agosto, acionadas pelo monitor de vibrações protetivo, que mediu vibrações excessivas.

A seguir podem-se detalhes do gráfico de vibrações, onde se podem ver três paragens com subidas de níveis de vibrações claros nas duas últimas.

Vibrações em chumaceiras de película de óleo fig11
Figura 11 – Detalhes do gráfico de vibrações, onde se podem ver três paragens com subidas de níveis de vibrações claros nas duas últimas

Neste gráfico com medições de dois em dois minutos, pode-se ver que num dos dias, ocorreram três paragens. Neste gráfico, as duas últimas evidenciam subidas do nível de vibrações antes da paragem.

A seguir pode-se ver o mapa espetral correspondente a este período.

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Figura 12 – Mapa espetral correspondente ao período da figura anterior

Detalhes da medição de vibrações wireless antes de uma paragem


A seguir pode-se ver um detalhe do gráfico anterior.

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Figura 13 – Detalhe do gráfico anterior


No gráfico a seguir apresentado pode-se ver um espetro recolhido no início de uma das paragens.

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Figura 14 – Espetro recolhido no início de uma das paragens.

Neste espetro, pode-se ver que a componente sub-síncrona é predominante e corresponde aproximadamente a 72 mícrons pico-pico, de vibração absoluta. Medida em vibração relativa, seria, provavelmente, bastante mais.

Nestes gráficos pode-se ver que:

  • A componente à velocidade de rotação, a 50 Hz, é quase sempre predominante;
  • Existe permanente uma vibração sub-síncrona a 16,25 Hz, quase sempre menor que a vibração síncrona;
  • Nalguns momentos, a coincidir com as paragens, a componente sub-síncrona, torna-se predominante. 

Esta componente sub-síncrona foi relacionada com instabilidades da pelicula de óleo, motivadas por variações de temperatura do óleo. A altura das paragens, coincide com um período do Verão com temperatura ambiente média bastante elevada.

4.5 Variação da posição do vetor a 1xRPM de veio de bomba, entre arranques, resultante de uma peça solta

Com a medição da amplitude e fase a 1xRPM, das vibrações do veio de uma máquina pode-se seguir o seu comportamento, que deve ser aproximadamente constante.

Figura 15 – Acompanhamento da evolução do vetor a 1x RPM

A máquina era uma turbo-bomba de uma central de geração de energia elétrica que estava instrumentada com proximitors e medição de fase.

Após o arranque do sistema de monitorização os níveis de vibração da bomba principal variavam de arranque para arranque, conforme se pode ver na tendência a seguir apresentada.

Figura 16 – Tendência entre Janeiro e Maio (data da avaria) das vibrações na carcaça da bomba principal~

Nos gráficos polares podia-se ver que a posição do vector a 1xRPM não era estável.

Figura 17 – Evolução do vector a 1 x RPM entre Janeiro e Maio em que se vê que não estava estável.

Em Maio, durante uma paragem da máquina, a velocidade de rotação em vez de diminuir suavemente até à pagarem apresentou uma interrupção súbita conforme se pode ver na figura a seguir apresentada.

Figura 18 – Paragem anormal onde se pode observar uma travagem brusca da máquina quando se encontrava a 86 RPM

Quando se abriu a bomba para inspeção pode-se concluir que:

  • Os anéis bipartidos de fixação axial do impulsor do 4º estágio de compressão estavam partidos em diversos bocados.
    • Cada vez que a máquina arrancava, os anéis bipartidos estavam livres dentro do impulsor para se posicionarem em diversos pontos, modificando a condição de equilíbrio do rotor.
    • Ao fim de alguns meses a operar desta forma, os anéis bipartidos quebraram-se em diversos bocados, e numa paragem um deles ficou preso entre o impulsor e o estator, provocando a paragem da máquina e danos importantes.
Figura 19 – Bocado do anel preso no interior do impulsor.

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