Diagnóstico de ressonância com análise de vibrações

Diagnóstico de ressonância com análise de vibrações

1 – Introdução

O diagnóstico de ressonância com análise de vibrações é o tema tratado neste artigo.

2 – As variações de amplitude das vibrações no arranque de uma máquina

Observe-se a sucessão de espectros medidos na chumaceira de um gerador, durante o seu arranque.

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A amplitude da componente à velocidade de rotação em vez de crescer continuamente, como seria de esperar caso dependesse unicamente da força centrífuga (a força centrífuga é igual à massa vezes o quadrado da velocidade angular), tem períodos durante a aceleração da máquina em que decresce, como se vê na figura a seguir.

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A explicação deste efeito está ligada com o fenómeno de ressonância.

É uma experiência de toda a gente que por vezes nas máquinas ou estruturas vizinhas ocorrem vibrações de grande amplitude. Tubos ou suportes que nunca vibraram anormalmente, quando ocorre, por exemplo um desequilíbrio numa máquina próxima, começam a vibrar com amplitudes ainda maiores que a máquina. Eles ampliam as vibrações. Nestas condições diz-se que o tubo ou suporte está em ressonância. Se forem deixados muito tempo nestas circunstâncias podem acabar por abrir fendas e partir. Isto também pode acontecer nas próximas componentes das máquinas que também podem vibrar em ressonância.

Caso isso aconteça é muito possível que a máquina necessite frequentemente de reparações, estando muito tempo fora de serviço. Assim o fenómeno de ressonância pode apresentar aspetos bastante graves e é encontrado com alguma frequência.

2 – Diagnóstico de ressonância com análise de vibrações – efeito na amplitude

Considere-se a evolução da amplitude, da componente à velocidade de rotação, durante o arranque de uma máquina, apoiada diretamente nos seus apoios e com um desequilíbrio estático, medida com um analisador de vibrações.

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Observa-se nitidamente que existem velocidades às quais correspondem máximos das vibrações. Quando estes máximos são atingidos ocorre o fenómeno de ressonância e diz-se que a máquina está a vibrar à sua frequência natural.

3 – A frequência natural

A frequência natural de uma estrutura é uma propriedade que depende da sua rigidez e massa.

Estamos habituados a apreciar todos os objetos que vemos nos termos em que os nossos sentidos os apresentam, ou seja: cor, cheiro, tato, etc. Isso são características que reconhecemos como inerentes a tudo. A Frequência Natural é outra característica dos objetos, só que os nossos sentidos não a captam diretamente.

Existem, no entanto, situações em que podemos ter uma ideia direta da frequência natural.

Consideremos o caso de um pêndulo. É sabido que a velocidade com que completa uma oscilação só depende do comprimento do fio e da sua massa. Fala-se assim na frequência natural do pêndulo que só depende destas características, o que é facilmente visível.

A fórmula que dá a Frequência Natural de uma estrutura é a seguinte:

K – Rigidez

M – Massa

A Frequência Natural é também a frequência com que uma estrutura fica a vibrar quando é sujeita a um impacto e deixada a vibrar sozinha.

4 – O Ensaio de Impacto

Assim quando se produz um impacto numa estrutura e se medem as vibrações fica-se a conhecer as suas frequências naturais. É o chamado Ensaio de Impacto.

Este tipo de testes de constitui uma das maneiras mais simples de medir as frequências naturais de uma estrutura.

A seguir pode-se observar o resultado do Ensaio .de Impacto numa máquina. Observe-se a coincidência em frequência entre o maior pico deste espectro com o da figura anterior.

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Uma estrutura não tem só uma Frequência Natural.

Um motor elétrico, por exemplo, conforme a direção, assim tem diferentes graus de rigidez. Surge assim pelo menos uma frequência natural para cada direção.

Deste modo quando se faz o Teste de Impacto surgem diversas frequências naturais.

Para além disso e visto cada direção de uma máquina ter as suas próprias Frequências Naturais, pode ocorrer que uma máquina esteja em ressonância só numa direção. Caso ocorra ressonância este facto até é de esperar. Quando isto acontece a amplitude das vibrações nessa direção é desproporcionalmente grande em relação às amplitudes nas outras direções.

5 – A direccionalidade das vibrações

Esta direccionalidade das vibrações constitui um dos sintomas do fenómeno de ressonância e tem de se levar em conta quando no diagnóstico de ressonância com análise de vibrações.

6 – Diagnóstico de ressonância com análise de vibrações – efeito na fase

Voltando ao exemplo da máquina observa-se paralelamente ao efeito na amplitude das vibrações, também um efeito na fase, de um modo semelhante no que se vê na figura a seguir apresentada.

Nesta pode-se observar a evolução da Fase (parte superior da figura) e da amplitude das vibrações (parte inferior) durante o arranque de máquina.

Efetivamente a fase ao passar numa ressonância (ou anti-ressonância) varia 180°, conforme se pode ver na figura a seguir apresentada em que se vê a evolução da Amplitude e Fase das vibrações durante a aceleração de um motor elétrico.

Esta variação da fase é outro dos sintomas dos fenómenos de ressonância. Note-se também que na zona de ressonância a fase varia muito rapidamente, enquanto longe das zonas de ressonância a fase é quase independente da velocidade da máquina. Deste modo caso se queira ler a fase de uma vibração correspondendo a uma ressonância, isso revelar-se-á por vezes quase impossível devido à instabilidade da leitura.

A instabilidade da fase é assim um sintoma de ressonância.

7 – O modo de vibração no diagnóstico de ressonância com análise de vibrações

Associada a cada Frequência Natural de uma estrutura está um Modo de Vibração.

Este Modo de Vibração é simplesmente a maneira como a estrutura se deforma enquanto vibra.

No dia a dia é um fenómeno muito fácil de visualizar nas máquinas com o auxílio de um estroboscópio, ou então em máquinas lentas.

Para se visualizar procede-se da seguinte maneira:

  • Encontrar uma máquina que apresente fortes vibrações
  • Com um estroboscópio sincronizar o flash para a frequência da vibração predominante (na maioria das vezes é a velocidade de rotação do veio)
  • Dessincronizar a velocidade flash cerca de 60 RPM e observar o movimento da máquina

Nestas condições frequentemente poder-se-á observar diretamente o Modo de Vibração da máquina em funcionamento.

No veio de uma máquina o primeiro e segundo modo de vibração são geralmente os que se veem na figura a seguir apresentada.

Caso se observe com atenção a deformada do 2º modo facilmente se chega à conclusão de que o ponto do veio está sujeito a elevados esforços de flexão alternada. É, portanto, natural que caso o veio vibre à segunda frequência natural, e portanto, com o 2° Modo de Vibração, surjam fendas no seu ponto médio.

Deste modo o repetido surgimento de fendas, sempre num dado ponto de uma estrutura ou máquina, é um dos mais fortes sintomas de ressonância.

Na figura a seguir apresentada podem-se ver, o primeiro, o segundo e o terceiro Modos de Vibração de uma máquina em forma de paralelepípedo. (direção frente-trás). Estas figuras foram obtidas com Análise Modal.

8 – Resumo de técnicas de diagnóstico, ensaios e sintomas em diagnostico de ressonância com analise de vibrações

No Quadro a seguir apresentado resumem-se os principais sintomas que se devem levar considerar no diagnóstico de ressonância com análise de vibrações.

SintomasDescrição
AmplitudeNíveis anormalmente elevados de vibração
DireccionalidadeNíveis muito elevados numa direção e quase normais nas outras
FaseVariações na fase das vibrações difíceis de explicar de outro modo
Modo de vibraçãoModo de vibração facilmente reconhecível
FendasOcorrência sistemática de fendas nos mesmos sítios

No Quadro a seguir apresentado resumem-se os ensaios e técnicas que se devem considerar no diagnóstico de ressonância com análise de vibrações.

EnsaioTécnica
Controlo de arranques e paragensEspectro de frequência, nível global de vibrações, mapa espectral, Bode.
Medição de faseSistema de medição de fase (digital ou estroboscópio)
Modo de vibraçãoEspectro de frequência, nível global de vibrações, estroboscópio, análise modal.
Ensaio de impactoEspectro de frequência, função de resposta em frequência.

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