Análise de vibrações em motores elétricos

Aqui apresentam-se diversos casos práticos de análise de vibrações em motores elétricos.

O motor eléctrico de indução trifásico é o accionamento mais comum e uma avaria imprevista neste tipo de máquinas pode ter consequências económicas muito gravosas. Este facto leva a que hoje seja frequente a utilização da manutenção preventiva com base no tempo como aproximação à conservação destas máquinas. Sendo o MTBF deste tipo de máquina de oito anos na indústria petroquímica ( para um funcionamento de 8760 horas/por ano) é comum utilizarem-se intervalos bastante mais curtos. Todavia também já são comuns as instalações onde a manutenção preventiva só é efectuada com base no conhecimento da condição de funcionamento da máquina. Esta última aproximação, decorrente de necessidades económicas e inserida também nas modernas filosofias de manutenção, resulta também do facto dos gestores de manutenção das instalações onde esta abordagem se pratica, se sentirem à vontade com as técnicas de controlo de condição mais comuns.

Caso 1 – Ensaio para a Identificação de Condições de Pata-Coxa como Causa de Situações de Excentricidade Estática em Motores de Indução AC

Este ensaio, efetuado, com um analisador de vibrações e com o motor a funcionar nas condições normais de serviço, tem como objetivo identificar a existência de condições de pata‑coxa que frequentemente estão na origem de Excentricidade Estática no entre-ferro de motores de indução AC. Deste modo, pretende‑se eliminar o excesso de vibração que esse problema pode gerar, aumentando a vida útil dos componentes, evitando paragens não programadas devido à degradação prematura ou mesmo a rotura de alguns dos componentes do motor ou união de acoplamento.

Caso 1 Exemplo em teste realizado em um motor

Um motor a funcionar a 2964 rpm apresentava vibrações acima dos limites estabelecidos para esse tipo de equipamento. Nos resultados da análise de vibrações em motores elétricos observamos que predominava no espectro a segunda harmónica da frequência da rede elétrica (100 Hz). A amplitude filtrada apresentava um valor de 6,7 mm/s RMS. Esta característica, ilustrada na Figura 1, é originada por uma condição de excentricidade estática no entre ferro.

Figura 1 – Espectro de frequências registado durante a medição de rotina

Caso 1 – medidas depois de desapertar patas

Após desapertar a primeira pata do motor, observamos que não houve grandes mudanças nas características espectrais, nomeadamente, na amplitude da frequência de 100 Hz (Figura 2).

Figura 2 – Espectro de frequências registado após o desaperto da pata da frente do lado esquerdo

As alterações mais significativas na amplitude da segunda harmónica da frequência da rede elétrica ocorreram aquando do desaperto da pata traseira do lado esquerdo e aquando do desaperto da pata dianteira do lado direito. Neste último caso, a amplitude da referida frequência caiu para 0,2 mm/s RMS. Na Figura 3, são apresentados os espectros de frequências registados após o desaperto de cada uma das quatro patas do motor onde se pode observar as alterações significativas na amplitude da frequência de 100 Hz.

Figura 3 – Espectros de frequências registados após o desaperto de cada uma das quatro patas

Com o ensaio efetuado, foi possível identificar de forma objetiva, que os elevados níveis vibrométricos em presença no motor estavam associados a uma condição de pata-coxa que originava a excentricidade estática no entre-ferro do motor. A correção/eliminação da pata-coxa permitirá reduzir significativamente os níveis vibrométricos a que o motor se encontra submetido, com reflexo no aumento da vida útil dos componentes.

Caso prático 2 –Análise de vibrações em motores elétricos – Análise de vibrações de ressonância no acionamento dum pulper

Um motor vertical que aciona um pulper através de correias, idêntico ao apresentado na Figura 4, com 600 kW de potência e 1000 rpm, após a beneficiação geral e montagem, evidenciou níveis de vibração considerados elevados, conforme se pode observar na Tabela I que a seguir se apresenta.

Figura 4 – Esquema do equipamento com a localização dos pontos de medição

Caso 2 – primeiras medições

Os resultados da análise de vibrações em motores elétricos, apresentados na Tabela I, revela que os níveis vibrométricos registados são, na generalidade, considerados “Severos” de acordo com o critério de avaliação adotado. Apenas no apoio do motor, do lado da polia, segundo as direções de medição Vertical e Axial, os níveis vibrométricos são considerados Bons/Aceitáveis. Dados recolhidos e apresentados na Tabela I, revela que os níveis vibrométricos registados são, na generalidade, considerados “Severos” de acordo com o critério de avaliação adotado.

Tabela I

Ponto de Medição	Níveis Globais de Vibração (mm.s-1 RMS)
Ponto 1V	8,8
Ponto 1H	7,7
Ponto 2V	1,1
Ponto 2H	5,5
Ponto 2A	2,3

No apoio do motor, do lado da polia, os dados apresentados anteriormente evidenciam uma diferença significativa entre as amplitudes vibrométricas registadas nas duas direções de medição radiais (Vertical e Horizontal). A análise espectral efetuada revelou que os níveis vibratórios em presença no motor são, sobretudo, influenciados pela amplitude da frequência de funcionamento (1xRPM_motor=16,65 Hz). Esta condição encontra-se ilustrada no espectro de frequências apresentado na Figura 5.

Figura 5 – Análise de vibrações de ressonância – Espectro de frequências recolhido no apoio do motor do lado oposto ao acionamento, direção horizontal

Dada a assimetria revelada pelos níveis vibrométricos registados entre as duas direções de medição radiais (Vertical e Horizontal), os dados até agora apresentados não eram conclusivos quanto à causa para o comportamento dinâmico registado.

Caso 2 – Medições em regime transitório

Por forma a confirmar a existência de eventuais condições de ressonância, foram efetuados ensaios em regime transitório, para determinação das frequências naturais do sistema.

Os ensaios efetuados na direção horizontal revelaram uma frequência natural a 919 CPM, devido à variação do ângulo de fase de cerca de 90º entre os 919 CPM e os 999 CPM. Esta característica, ilustrada na Figura 6, revela uma condição de ressonância, devido ao facto de a frequência natural ser próxima da frequência de funcionamento do motor (1000 CPM).

Figura 6 – Análise de vibrações de ressonância – Diagrama de Bodé recolhido na direção horizontal

Caso 2 – Recomendações efetuadas

Em função dos dados recolhidos, foi recomendada a retificação da base de apoio do motor bem como dos carris tensores das correias.

Caso 2- Medições após reparação

Após a retificação das bases e a reconstrução do maciço, foi efetuada uma nova medição, cujos valores são apresentados na Tabela II.

Tabela II

Ponto de Medição	Níveis Globais de Vibração (mm/s RMS)
Ponto 1V	1,6
Ponto 1H	2,1
Ponto 2V	0,3
Ponto 2H	1,5
Ponto 2A	0,4

Comparando os valores apresentados nas Tabelas I e II, constata-se uma melhoria muito significativa dos níveis de vibração. A análise espectral efetuada revelou que a melhoria registada é, sobretudo, devido à redução da amplitude da frequência de funcionamento do motor (16,59 Hz), como se pode observar nos espectros apresentados na Figura 7.

Figura 7 – Análise de vibrações de ressonância – Espectros de frequências recolhidos no ponto 1 Vertical, antes e após a intervenção efetuada na base de apoio do conjunto

Por forma a justificar a melhoria registada, foram efetuados dois ensaios em regime transitório (segundo a direção vertical e segundo a direção horizontal), para determinação das frequências naturais do sistema (Figura 8 e 9).

Figura 8 – Análise de vibrações de ressonância – Diagrama de Bodé recolhido na direção vertical

Figura 9 – Análise de vibrações de ressonância – Diagrama de Bodé recolhido na direção horizontal

Caso prático 2 – Análise de vibrações de ressonância -Conclusão

A inspeção efetuada permitiu concluir que a causa dos elevados níveis vibrométricos em presença na máquina estava associada a uma condição de ressonância, originada pela proximidade entre a frequência natural do sistema e a frequência de funcionamento do motor (1xRPM).

Como se constatou neste caso, a ressonância é uma das causas que pode originar amplitudes elevadas a 1xRPM. Mas não só: outras anomalias/avarias que não apenas o desequilíbrio, podem originar o aumento da amplitude a 1xRPM, como seguramente teremos oportunidade de abordar em futuros números desta Newsletter.

Caso prático 3 – Análise de vibrações de ressonância num motor elétrico

É com alguma frequência que somos questionados sobre as causas que estarão por detrás de comportamentos atípicos de algumas máquinas rotativas. Hoje, com a “pressão” para a redução dos custos de energia, é com alguma frequência que encontramos motores acionados com variadores de frequência. Esta banalização poderá, em algumas condições, provocar determinados problemas nos equipamentos. Um dos problemas mais comuns, de entre outros, é o facto dessas máquinas que funcionavam com valores de vibração baixos (sem variador), passarem a vibrar mais em algumas velocidades (com variação de velocidade). Os dados que a seguir passamos a apresentar, foram recolhidos numa bomba idêntica à apresentada na Figura 10.

Figura 10—Fotografia do equipamento com a identificação dos pontos de medição

Caso prático 3 – Medições iniciais

Analisando os valores apresentados na Tabela III, constatamos que os valores de vibração registados no equipamento à velocidade de 1121 rpm, são claramente superiores aos valores recolhidos quando o motor estava à velocidade máxima (1479 rpm).

Tabela III

Assim, facilmente se conclui que à velocidade mais baixa (1121 rpm) os níveis vibrométricos são mais elevados, comparativamente aos valores registados a velocidades mais altas (1479 rpm). Este comportamento poderá ser considerado atípico uma vez que as máquinas tendem a vibrar mais, à medida que a velocidade de rotação é maior.

A análise espectral efetuada aos elementos recolhidos, revelou que na generalidade dos pontos de medição, a severidade vibrométrica registada à velocidade de 1121 rpm era, sobretudo, devido à amplitude da frequência de funcionamento do grupo (18,68 Hz). Esta característica, ilustrada na Figura 11, surge normalmente associada a desequilíbrio.

Figura 11 – Análise de vibrações de ressonância – Espectro de Frequências de recolhido no ponto 1 Vertical

Contudo, analisando os valores detalhadamente podemos verificar uma diferença significativa de valores, entre as duas direções de medida (V– Vertical e H– Horizontal).

Esta diferença, associada ao facto de, com o aumento da velocidade os valores de vibração diminuírem (situação oposta a uma condição de desequilíbrio), levou-nos a suspeitar que o equipamento poderia estar numa condição de ressonância.

Caso 3 – Ensaios complementares na direção vertical

Ensaios complementares efetuados, nomeadamente a realização do teste de impacto com martelo instrumentado, revelaram a presença de uma frequência natural a 18,8 Hz (1128 cpm) segundo a direção Vertical (Fig. 12).

Figura 12 – Análise de vibrações em motores elétricos – Análise de vibrações de ressonância – Gráfico da função de transferência e do ângulo de fase registados durante o teste de impacto com o martelo instrumentado (Direção Vertical)

Caso 3 – Ensaios complementares na direção horizontal

Na direção Horizontal, os mesmos ensaios revelaram também uma frequência natural a 20,5 Hz (1230 cpm), como se pode observar na Figura 13.

Figura 13- Análise de vibrações em motores elétricos – análise de vibrações de ressonância – Gráfico da função de transferência e do ângulo de fase registados durante o teste de impacto com o martelo instrumentado (Direção Horizontal)

Paralelamente a estas frequências, também se confirma uma variação do ângulo de fase de cerca de 90º (condição característica de ressonância).

Caso 3 – Considerações sobre o resultado dos ensaios

Com a realização do teste de impacto, foi possível determinar as frequências naturais do sistema, e concluir que os elevados níveis vibrométricos a que o equipamento estava submetido, quando se encontrava a funcionar a 1112 rpm, eram originados por uma condição de ressonância segundo a direção horizontal.

A ressonância ocorre quando uma das frequências vibratórias em presença na máquina (frequência forçada) encontra-se próxima da frequência natural do sistema.

Por outras palavras, poderíamos afirmar que uma condição de ressonância não é mais do que a coincidência do encontro entre duas frequências (a frequência natural do sistema e uma das frequências vibratórias em presença na máquina). Estas frequências estão sempre presentes nas máquinas e apenas se tornam um problema quando estão próximas uma da outra.

Caso 3 – Notas sobre a ressonância

Importa também referir que, frequentemente, antes de caracterizar estes fenómenos de ressonância, a maioria dos responsáveis pelos equipamentos tentam minimizar os níveis de vibração, fazendo sucessivas equilibragens aos conjuntos rotativos, e/ou várias verificações do alinhamento, onde aplicável.

Estas tentativas normalmente não surtem efeito, uma vez que a condição de equilíbrio ou alinhamento não são a raiz do problema. Dependendo de características como o fator de amplificação e o amortecimento do sistema, as ações referidas anteriormente poderão reduzir os níveis vibrométricos em presença, mas não o suficiente para que a máquina possa operar por longos períodos, sem que a sua fiabilidade seja afetada. De facto, estas ações estão apenas a tentar modificar a magnitude da força excitadora, não eliminando a condição de ressonância.

Caso prático 3 – Análise de vibrações de ressonância Conclusão

Para a maioria dos construtores/instaladores de equipamentos, os problemas associados a condições de ressonância são de difícil resolução, devido ao facto de, por vezes, não estarem conscientes dos reais motivos para os elevados níveis vibrométricos em presença na máquina. Caracterizada esta condição, por vezes, a resolução do problema é relativamente simples.