ISO 20816-3: Limites de Vibração para Máquinas Industriais
Calculadora interativa e guia técnico abrangente para avaliação de zonas de vibração de máquinas industriais conforme ISO 20816-3:2022. Aborda vibração do mancal, vibração do eixo, metodologia de medição e balanceamento em campo com o Balanset-1A.
⚙ Tabela A.1 — Máquinas do Grupo 1 (Grandes: >300 kW ou H>315 mm)
| Zona | Rígido — Vel. (mm/s) | Rígido — Desloc. (μm) | Flexível — Vel. (mm/s) | Flexível — Desloc. (μm) |
|---|---|---|---|---|
| A — Bom | < 2,3 | < 29 | < 3,5 | < 45 |
| B — Aceitável | 2,3 – 4,5 | 29 – 57 | 3,5 – 7,1 | 45 – 90 |
| C — Limitado | 4,5 – 7,1 | 57 – 90 | 7,1 – 11,0 | 90 – 140 |
| D — Perigoso | > 7,1 | > 90 | > 11,0 | > 140 |
⚙ Tabela A.2 — Máquinas do Grupo 2 (Médias: 15–300 kW ou H=160–315 mm)
| Zona | Rígido — Vel. (mm/s) | Rígido — Desloc. (μm) | Flexível — Vel. (mm/s) | Flexível — Desloc. (μm) |
|---|---|---|---|---|
| A — Bom | < 1,4 | < 22 | < 2,3 | < 37 |
| B — Aceitável | 1,4 – 2,8 | 22 – 45 | 2,3 – 4,5 | 37 – 71 |
| C — Limitado | 2,8 – 4,5 | 45 – 71 | 4,5 – 7,1 | 71 – 113 |
| D — Perigoso | > 4,5 | > 71 | > 7,1 | > 113 |
⚙ Anexo B — Limites de Vibração do Eixo (Deslocamento)
| Limite da zona | Fórmula | @ 1500 rpm | @ 3000 rpm | @ 6000 rpm |
|---|---|---|---|---|
| A/B | 4800 / √n | 124 | 88 | 62 |
| B/C | 9000 / √n | 232 | 164 | 116 |
| C/D | 13200 / √n | 341 | 241 | 170 |
Calculadora de Avaliação de Zona de Vibração
Insira os parâmetros da máquina e a vibração medida para determinar a zona de condição conforme a ISO 20816-3
Limites de Zona Aplicados
| Limite | Velocidade (mm/s) | Deslocamento (μm) |
|---|---|---|
| A/B | — | — |
| B/C | — | — |
| C/D | — | — |
Limites de Vibração do Eixo (Calculados)
| Limite | Fórmula | S(p-p) μm |
|---|---|---|
| A/B | 4800/√n | — |
| B/C | 9000/√n | — |
| C/D | 13200/√n | — |
1. Scope & Applicable Equipment
A ISO 20816-3:2022 estabelece diretrizes para avaliar a condição de vibração de equipamentos industriais com potência nominal acima de 15 kW e velocidades rotacionais de 120 a 30.000 r/min. A avaliação é baseada em medições de vibração em partes não rotativas e em eixos rotativos sob condições normais de operação.
Esta Norma se Aplica A:
- Turbinas a vapor e geradores com potência até 40 MW
- Compressores rotativos (centrífugos, axiais)
- Turbinas a gás industriais com potência até 3 MW
- Motores elétricos de todos os tipos com acoplamento flexível de eixo
- Laminadores e bancadas de laminação
- Ventiladores e sopradores (ver nota abaixo)
- Esteiras transportadoras, acoplamentos de velocidade variável, motores turbofan
Notas sobre Equipamentos Específicos
Turbinas a vapor/gás >40 MW a 1500/1800/3000/3600 r/min → usar ISO 20816-2. Turbinas a gás >3 MW → usar ISO 20816-4. Ventiladores: Criteria generally apply only to fans >300 kW or on rigid foundations. For other fans, agree criteria between manufacturer and customer (see also ISO 14694).
Esta Norma NÃO se Aplica A:
- Máquinas alternativas → ISO 10816-6 / ISO 20816-8
- Rotodynamic pumps with built-in motors → ISO 10816-7
- Usinas hidrelétricas → ISO 20816-5
- Compressores de deslocamento positivo, bombas submersíveis
- Wind turbines → ISO 10816-21
Limitação Crítica
Os requisitos se aplicam apenas à vibração produzida pela própria máquina, e não à vibração induzida externamente transmitida através das fundações. Verifique e corrija sempre a vibração de fundo.
2. Classificação de Máquinas
A condição de vibração da máquina é avaliada dependendo do tipo de máquina, potência nominal ou altura do eixo, e rigidez da fundação.
Classificação por Potência / Altura do Eixo
Grupo 1 — Grandes Máquinas
- Potência nominal > 300 kW, OU máquinas elétricas com altura do eixo H > 315 mm
- Typically equipped with journal (sleeve) bearings
- Velocidades de operação de 120 a 30.000 r/min
Grupo 2 — Máquinas de Médio Porte
- Potência nominal 15 – 300 kW, OU máquinas elétricas com 160 < H ≤ 315 mm
- Equipadas tipicamente com rolamentos de elementos rolantes
- Velocidades de operação geralmente > 600 r/min
Classificação por Rigidez da Fundação
Uma fundação é rígido if the lowest natural frequency of the machine-foundation system in the measurement direction exceeds the main excitation frequency by pelo menos 25%. Todas as outras são flexível.
Classificação Dependente da Direção
Uma fundação pode ser rígida em uma direção e flexível em outra. Por exemplo, rígida verticalmente, mas flexível horizontalmente. Avalie cada direção separadamente usando os limites apropriados.
3. Compreendendo as Zonas A–D
Quatro zonas de condição de vibração são estabelecidas para avaliação qualitativa e tomada de decisão:
Zona A — Nova / Excelente
Máquinas recém-comissionadas geralmente se enquadram aqui. Representa condição dinâmica ideal. Nem todas as máquinas novas atingem a Zona A — buscar valores abaixo de A/B pode trazer benefício mínimo a alto custo.
Zona B — Aceitável
Adequado para operação de longo prazo sem restrições. Continue o monitoramento de rotina. Esta é a condição operacional normal para equipamentos bem mantidos.
Zona C — Operação Limitada
Não adequado para operação contínua de longo prazo. Planeje ação corretiva. Pode operar por um período limitado até surgir oportunidade de reparo. Aumente a frequência de monitoramento.
Zona D — Perigosa
Vibração severa o suficiente para causar danos. Ação imediata necessária: reduzir a vibração ou parar a máquina. A operação contínua arrisca falha catastrófica.
4. Critérios de Avaliação
Critério I — Magnitude Absoluta
A vibração RMS de banda larga máxima medida (velocidade para mancal, deslocamento p-p para eixo) é comparada com os valores dos limites de zona para o grupo de máquina e tipo de suporte dados. Este critério protege contra cargas dinâmicas excessivas nos rolamentos, consumo inaceitável de folga radial e vibração excessiva transmitida à fundação.
Critério II — Variação em relação ao Valor de Referência
Even if vibration remains in Zone B, a significant change from the established baseline indicates developing problems and requires investigation.
Regra dos 25%
Uma variação de vibração é considerada significativa se exceder 25% do valor do limite B/C, independentemente do nível absoluto atual. Isso se aplica tanto a aumentos quanto a diminuições.
Exemplo: Para Grupo 1 fundação rígida, B/C = 4,5 mm/s. Uma variação > 1,125 mm/s em relação ao valor de referência é significativa e requer investigação.
Critérios de Aceitação para Máquinas Novas
Os limites de zona são não critérios de aceitação por padrão. Os limites de teste de aceitação devem ser acordados entre fornecedor e cliente. Recomendação típica: a vibração da máquina nova não deve exceder 1,25 × limite A/B.
5. Melhores Práticas de Medição
Localização do Sensor
- Monte no mancas ou pedestais — não em tampas de parede fina ou superfícies flexíveis
- Uso duas direções radiais mutuamente perpendiculares em cada rolamento
- Para máquinas horizontais, uma direção é tipicamente vertical
- Evite locais com ressonâncias locais — compare leituras em pontos próximos
- Se o acesso direto ao rolamento for impossível, use um ponto com conexão mecânica rígida
Condições de Operação
- Meça em operação em regime permanente na velocidade e carga nominais
- Permita que o rotor e os rolamentos atinjam equilíbrio térmico (tipicamente 30–60 min)
- Para máquinas de velocidade/carga variável, meça em todos os pontos operacionais característicos, use o máximo
- Documente as condições: velocidade, carga, temperaturas, pressões
Faixa de Frequência
| Aplicação | Limite Inferior | Limite Superior | Notas |
|---|---|---|---|
| Larga banda padrão | 10 Hz | 1000 Hz | A maioria das máquinas industriais (>600 rpm) |
| Baixa velocidade (≤600 r/min) | 2 Hz | 1000 Hz | Deve capturar 1× velocidade de operação |
| Vibração do eixo | — | ≥ 3,5 × fmax | Conforme ISO 10817-1 |
| Diagnósticos | 0,2 × fmin | 2,5 × fexcit | Estendido, até 10.000 Hz |
Vibração de Fundo
Regra dos 25% para Vibração de Fundo
Se a vibração da máquina parada exceder 25% da vibração em operação OU 25% do limite da Zona B/C, correções são necessárias:
Se a vibração de fundo exceder esses limites, a subtração simples é inválida — investigue fontes externas.
6. Limites de Vibração do Mancal (Anexo A)
O parâmetro monitorado principal é velocidade de vibração RMS. Os valores dos limites de zona para os Grupos 1 e 2 são apresentados nas Tabelas A.1 e A.2 acima. Notas importantes:
- Para máquinas com velocidade do rotor abaixo de 600 r/min, aplicam-se tanto os critérios de velocidade quanto de deslocamento. A banda de frequência se estende até 2–1000 Hz.
- Deslocamento do Grupo 1 é derivado da velocidade na frequência de referência de 12,5 Hz
- Deslocamento do Grupo 2 é derivado da velocidade na frequência de referência de 10 Hz
- O zona de pior caso (de velocidade ou deslocamento) governa
7. Limites de Vibração do Eixo (Anexo B)
Para vibração relativa do eixo medida com sondas de proximidade, os limites das zonas são expressos como deslocamento pico a pico S(p-p) em μm, inversamente proporcional a √n:
B/C: S(p-p) = 9000 / √n
C/D: S(p-p) = 13200 / √n
onde n = velocidade máxima de operação em r/min, mín. 600 para cálculo
Limitação da Folga do Rolamento (Anexo C)
For journal bearings, shaft vibration zone boundaries must be checked against actual bearing clearance. If formula-calculated limits exceed clearance, use clearance-based limits:
- A/B: 0,4 × folga
- B/C: 0,6 × folga
- C/D: 0,7 × folga
8. WARNING & TRIP Alarm Levels
TRIP = dentro da Zona C ou D, tipicamente ≤ 1,25 × (limite C/D)
| Nível | Base | Configuração | Ajustável? |
|---|---|---|---|
| AVISO | Valor de referência específico da máquina | Valor de referência + 25% de B/C | Sim — ajustar com mudanças no valor de referência |
| TRIP | Integridade mecânica | Dentro da Zona C/D, ≤ 1,25 × C/D | Não — mesmo para máquinas similares |
9. Operação Transitória
Zone boundaries apply to steady-state operation. During run-up, coast-down, or passage through critical speeds, higher vibration is expected.
| Velocidade % da Nominal | Limite do Mancal | Limite do Eixo | Notas |
|---|---|---|---|
| < 20% | Ver nota | 1,5 × C/D | O deslocamento pode predominar |
| 20% – 90% | 1,0 × C/D | 1,5 × C/D | Passagem pela velocidade crítica permitida |
| > 90% | 1,0 × C/D | 1,0 × C/D | Aproximando-se do estado estacionário |
Se a vibração permanecer alta após atingir a velocidade de operação, isso indica um defeito persistente, not a transient resonance.
10. Physics & Signal Processing
Deslocamento–Velocidade–Aceleração
Para vibração senoidal na frequência f (Hz):
Aceleração: Apico = (2πf)² × Dpico = 2πf × Vpico
- Em baixas frequências (<10 Hz): o deslocamento é o parâmetro crítico
- Em frequências médias (10–1000 Hz): a velocidade correlaciona-se com a energia — independente da frequência
- Em altas frequências (>1000 Hz): a aceleração torna-se dominante
RMS vs Pico
Vp-p = 2 × Vpico ≈ 2,828 × VRMS
RMS de Banda Larga (Geral)
This "Overall" value is what vibration analyzers display and what ISO 20816-3 uses for zone evaluation.
Problema de Baixa Velocidade (Anexo D)
Com velocidade constante de 4,5 mm/s, o deslocamento cresce dramaticamente com a diminuição da velocidade:
| Velocidade (rpm) | Freq (Hz) | Velocidade (mm/s) | Deslocamento (μm pico) |
|---|---|---|---|
| 3600 | 60 | 4.5 | 12 |
| 1800 | 30 | 4.5 | 24 |
| 600 | 10 | 4.5 | 72 |
| 120 | 2 | 4.5 | 358 |
É por isso que a norma exige ambos os critérios de velocidade e deslocamento para máquinas ≤600 r/min.
11. Balanceamento por Coeficientes de Influência
When unbalance is diagnosed (high 1× vibration, stable phase), the método dos coeficientes de influência calcula massas de correção precisas:
Massa de correção: Mcorr = −Vinicial / α
Procedimento de Plano Único (3 rodadas)
- Rodada inicial: Medir A₀ = 6,2 mm/s em φ₀ = 45°
- Massa de teste: Adicionar 20 g em 0°. Medir A₁ = 4,1 mm/s em φ₁ = 110°
- Calcular: O software calcula a correção = 28,5 g em 215°
- Apply & verify: Remover massa de teste, adicionar 28,5 g em 215°. Final: 1,1 mm/s → Zona A
O Balanset-1A executa toda a matemática vetorial automaticamente, guiando o técnico em cada etapa.
12. Estudos de Caso
Maldiagnóstico Evitado por Medição Dupla
Máquina: Turbina a vapor de 5 MW, 3000 rpm, mancais de deslizamento.
Situação: Vibração do mancal = 3,0 mm/s (Zona B). Mas vibração do eixo = 180 μm p-p. Limite B/C do Anexo B = 164 μm → Eixo na Zona C!
Causa raiz: Oil film instability (oil whirl). Heavy pedestal damped housing motion. Relying only on housing measurement would have missed the condition.
Ação: Ajustada a pressão de suprimento de óleo, recalibrado o mancal. Vibração do eixo reduzida para 90 μm (Zona A).
✓ Zona A atingida — oil whirl eliminadoBalanceamento Salva Ventilador Crítico
Máquina: Ventilador de sucção induzida de 200 kW, 980 rpm, acoplamento flexível.
Inicial: Vibração = 7,8 mm/s (Zona D). Planta considerando parada de emergência ($50.000, 3 dias de paralisação).
Diagnóstico: FFT shows 1× = 7.5 mm/s. Phase stable → Unbalance, not bearing damage.
Ação: Balanceamento em dois planos com Balanset-1A, 4 horas em campo. Final = 1,6 mm/s (Zona A).
✓ $50.000 economizados — parada desnecessária evitadaZone D Pump — Balancing Won't Help
Máquina: Bomba de alimentação de 200 kW, fundação rígida. RMS = 5,0 mm/s → Zona D.
Diagnóstico: O espectro FFT mostra floresta harmônica e piso de ruído elevado. Pico de 1× baixo em relação ao total. Não é desbalanceamento.
Causa raiz: Bearing degradation + cavitation. Required mechanical overhaul.
✗ Desligamento imediato necessário — falha mecânica13. Erros Comuns
Erros Críticos a Evitar
1. Classificação incorreta. Um motor de 250 kW com H=280 mm é Grupo 2 (não Grupo 1). Usar os limites do Grupo 1 (mais permissivos) permite vibração excessiva.
2. Tipo de fundação incorreto. Not all concrete foundations are "rigid." A turbogenerator on concrete may be flexible if system natural frequency is near running speed. Verify by calculation or impact testing.
3. Ignorar a vibração de fundo. Uma bomba lendo 3,5 mm/s com 2,0 mm/s de um compressor adjacente através do piso: a contribuição real da bomba é de apenas ~1,5 mm/s. Sempre meça com a máquina parada.
4. Pico em vez de RMS. A ISO 20816-3 exige RMS. Pico ≈ 1,414 × RMS. Usar valores de pico diretamente superestima a severidade em ~40%.
5. Negligenciar o Critério II. Ventilador salta de 1,5 para 2,5 mm/s (ambos na Zona B). Mudança = 1,0 mm/s vs limite de 1,125 mm/s (25% de B/C=4,5). Perto do limite — investigue!
6. Faixa de frequência incorreta. Um moinho de 400 rpm com filtro de 10–1000 Hz: a frequência de operação = 6,67 Hz está abaixo do filtro! Use 2–1000 Hz para máquinas ≤600 r/min.
7. Medir em paredes finas. Acelerômetro na chapa metálica da carcaça do ventilador dá leituras 10× mais altas que a vibração real do rolamento. Sempre monte na tampa do rolamento ou pedestal.
14. Fluxo de Trabalho de Avaliação Completa
Procedimento Passo a Passo
- Identificar a máquina: Registrar tipo, modelo, potência nominal, faixa de velocidade
- Classificar: Determinar o Grupo (1 ou 2) pela potência nominal ou altura do eixo H
- Avaliar a fundação: Medir/calcular fn do sistema máquina-fundação vs fpartida
- Selecionar os limites das zonas da norma para o grupo + tipo de fundação
- Configurar os instrumentos: Montar sensores nas caixas de rolamento, configurar a faixa de frequência
- Verificação de fundo: Medir a vibração com a máquina parada
- Medição em operação: Alcançar equilíbrio térmico, regime permanente, medir velocidade RMS
- Correção de fundo: Aplicar subtração de energia se o limite for excedido
- Classificação por zona (Critério I): Comparar o RMS máximo com os limites
- Análise de tendência (Critério II): Calcular a mudança em relação ao valor de referência, verificar a regra dos 25%
- Diagnóstico espectral: Se necessário, usar FFT para identificar o tipo de falha
- Ação corretiva: Zona A → valor de referência; B → monitorar; C → planejar reparo; D → ação imediata
- Balancear se desbalanceamento for diagnosticado: Usar o método dos coeficientes de influência do Balanset-1A
- Documento: Relatório com espectros antes/depois, classificação de zona, ações tomadas
🔧 Balanset-1A — Portable Vibration Analyzer & Field Balancer
O Balanset-1A é um instrumento de precisão que apoia diretamente os requisitos da ISO 20816-3 para medição e avaliação de vibração:
- Medição de vibração: Velocidade (mm/s RMS), deslocamento, aceleração — todos os parâmetros da ISO 20816-3
- Faixa de frequência: 5 Hz – 550 Hz (padrão), expansível — cobre o requisito de 2–1000 Hz
- Balanceamento em plano único e em dois planos: Reduzir a vibração para os níveis das Zonas A/B
- Medição de fase: Precisão de ±1° para balanceamento e análise vetorial
- Faixa de RPM: 150 a 60.000 rpm — cobre totalmente o escopo da ISO 20816-3
- Espectro FFT: Identificar tipos de falha (1×, 2×, harmônicos, defeitos de rolamento)
- Geração de relatórios: Documentar medições para registros de conformidade
15. Normas de Referência
Referências Normativas
| Padrão | Título |
|---|---|
| ISO 2041 | Vibração mecânica, choque e monitoramento de condição — Vocabulário |
| ISO 2954 | Requisitos para instrumentos de medição de severidade de vibração |
| ISO 10817-1 | Sistemas de medição de vibração de eixos rotativos — Sensoriamento relativo e absoluto |
| ISO 20816-1:2016 | Vibração mecânica — Medição e avaliação — Diretrizes gerais |
Série ISO 20816
| Padrão | Escopo | Status |
|---|---|---|
| ISO 20816-1:2016 | Diretrizes gerais | Publicada |
| ISO 20816-2:2017 | Turbinas a vapor/gás >40 MW, 1500–3600 r/min | Publicada |
| ISO 20816-3:2022 | Máquinas industriais >15 kW, 120–30.000 r/min | Publicada (este documento) |
| ISO 20816-4:2018 | Conjuntos acionados por turbina a gás | Publicada |
| ISO 20816-5:2018 | Usinas hidrelétricas | Publicada |
| ISO 20816-8:2018 | Sistemas de compressores alternativos | Publicada |
| ISO 20816-9 | Unidades de engrenagens | Em desenvolvimento |
Normas Complementares
| Padrão | Título | Relevância |
|---|---|---|
| ISO 21940-11 | Balanceamento de rotores — Procedimentos e tolerâncias | Graus de qualidade de balanceamento G0.4–G4000 |
| ISO 13373-1/2/3 | Vibration condition monitoring & diagnostics | FFT, análise, assinaturas de falhas |
| ISO 18436-2 | Certificação de analista de vibração (Cat I–IV) | Competência do pessoal |
| ISO 14694 | Ventiladores industriais — Qualidade de balanceamento e vibração | Limites específicos para ventiladores |
Correspondência GOST (Anexo DA)
| Norma ISO | Correspondência | Equivalente GOST |
|---|---|---|
| ISO 2041 | IDT | GOST R ISO 2041-2012 |
| ISO 2954 | IDT | GOST ISO 2954-2014 |
| ISO 10817-1 | IDT | GOST ISO 10817-1-2002 |
| ISO 20816-1:2016 | IDT | GOST R ISO 20816-1-2021 |
IDT = Normas idênticas.
Contexto Histórico
ISO 20816-3:2022 substitui ISO 10816-3:2009 (vibração do mancal) e ISO 7919-3:2009 (vibração do eixo), integrando ambos em uma estrutura de avaliação unificada. O trabalho pioneiro de Rathbone (1939) estabeleceu a base para o uso da velocidade como critério primário de vibração.
16. Perguntas Frequentes
ISO 20816-3:2022 substitui e revoga tanto ISO 10816-3:2009 quanto ISO 7919-3:2009. Principais diferenças: integração dos critérios de vibração do mancal e do eixo em um único documento, limites de zona atualizados com base em experiência operacional mais recente, orientações mais claras sobre classificação de fundações e orientações expandidas sobre máquinas de baixa velocidade. Se suas especificações referenciam ISO 10816-3, você deve migrar para ISO 20816-3.
Para a maioria das máquinas acima de 600 r/min, velocidade é o critério primário. Use deslocamento adicionalmente quando: a velocidade da máquina for ≤600 r/min (o deslocamento pode ser o fator limitante), houver componentes significativos de baixa frequência ou ao medir vibração relativa do eixo (use sempre deslocamento pico-a-pico). Em caso de dúvida, verifique ambos os critérios — a zona de pior caso prevalece.
The most accurate method is to measure or calculate the lowest natural frequency of the machine-foundation system. Methods: impact test (bump test), operational modal analysis, or FEA calculation. Quick estimate: if the machine visibly moves on its mounts during startup/shutdown, it's likely flexible. If fn ≥ 1,25 × frequência de rotação → Rígida; caso contrário → Flexível. Nota: uma fundação pode ser rígida verticalmente, mas flexível horizontalmente.
Zona C significa não adequada para operação contínua de longo prazo, but doesn't require immediate shutdown. You should: investigate the cause, plan remedial action, monitor frequently for rapid changes, set a deadline for repair (next scheduled outage), and ensure vibration doesn't approach Zone D. The decision to continue depends on machine criticality and consequences of failure.
Desbalanceamento é a causa mais comum de vibração excessiva na velocidade de rotação (1×). O balanceamento em campo com o Balanset-1A pode reduzir a vibração da Zona C/D de volta para a Zona A/B. O instrumento mede a velocidade de vibração conforme os requisitos da ISO 20816-3, calcula massas de correção, verifica os resultados e documenta os níveis antes/depois para registros de conformidade.
Aumentos súbitos (disparando o Critério II) podem indicar: perda de massa de correção, dano no rolamento, falha no acoplamento, folga estrutural (afrouxamento de parafusos da fundação), atrito no rotor ou mudanças no processo (cavitação, surge). Qualquer mudança >25% do limite B/C merece investigação, mesmo que o nível absoluto ainda seja aceitável.
Se a vibração do mancal indica Zona B, mas a vibração do eixo indica Zona C, classifique a máquina como Zona C (a avaliação mais restritiva prevalece). Não há método simples para calcular a vibração do mancal a partir da vibração do eixo ou vice-versa. Use sempre a zona de pior caso a partir de medições duplas.
