Ressonância de Elementos e Conjuntos de Máquinas
Published by Nikolai Shelkovenko on
Diagnóstico de Vibração
Ressonância de Elementos e Conjuntos de Máquinas
Considerando os inúmeros pedidos para explicar o diagnóstico de ressonância em elementos de máquina, velocidades críticas e formas modais naturais do rotor, decidi escrever vários artigos dedicados a esses tópicos. Neste primeiro artigo, discutirei a ressonância de elementos e conjuntos da máquina.
Neste artigo, examinaremos: como determinar que se trata realmente de uma ressonância de elementos da máquina e como a ressonância afeta a vibração da máquina; como três parâmetros do sistema vibratório influenciam a amplitude e a frequência da ressonância; e como usar um analisador de vibração de canal único para análise e diagnóstico de ressonância, bem como as limitações de seu uso.
1. O que é Ressonância?
A maioria das estruturas e máquinas sofre oscilações naturais e, portanto, forças externas periódicas que atuam sobre elas podem causar ressonância. A ressonância é frequentemente referida como oscilações na frequência natural ou na frequência crítica. A ressonância é o fenômeno de um aumento acentuado na amplitude das oscilações forçadas, que ocorre quando a frequência da excitação externa se aproxima das frequências de ressonância determinadas pelas propriedades do sistema. O aumento da amplitude de oscilação é apenas uma consequência da ressonância — a causa é a coincidência da frequência externa (de excitação) com a frequência interna (natural) do sistema vibratório (rotor-rolamento).
A ressonância é o fenômeno pelo qual, em uma determinada frequência da força de excitação, o sistema vibratório torna-se particularmente sensível à ação dessa força. Parâmetros do sistema, como baixa rigidez e/ou fraco amortecimento, atuando sobre a máquina rotativa na frequência de ressonância, podem levar ao surgimento de ressonância. A ressonância nem sempre leva à falha da máquina ou à quebra de componentes, exceto quando defeitos na máquina causam vibração ou quando uma máquina instalada nas proximidades "induz" vibração na mesma frequência das frequências naturais.
Princípio fundamental: A ressonância não cria vibração — ela apenas a amplifica. A ressonância não é um defeito, mas uma propriedade do sistema mecânico. Portanto, a ressonância não causa problemas a menos que alguma oscilação a excite.
Isso é comparável às oscilações de um sino ou de um tambor. No caso de um sino (Fig. 1), toda a sua energia está na forma potencial quando está parado e nos pontos mais altos de sua trajetória, e, ao passar pelo ponto mais baixo na velocidade máxima, a energia se converte em cinética. A energia potencial é proporcional à massa do sino e à altura do levantamento em relação ao ponto mais baixo; a energia cinética é proporcional à massa e ao quadrado da velocidade no ponto de medição. Ou seja, se você bater no sino, ele ressoará em uma frequência específica (ou frequências). Se estiver em repouso, não oscilará na frequência de ressonância.
A ressonância é uma propriedade da máquina, esteja ela em funcionamento ou não. Deve-se notar que a rigidez dinâmica do eixo quando a máquina está girando pode diferir significativamente da rigidez estática quando a máquina está parada, enquanto a ressonância muda apenas insignificativamente.
A experiência prática mostra que em algumas máquinas, as frequências ressonantes medidas durante a parada por inércia ou em repouso podem diferir notavelmente daquelas observadas sob condições de operação — a mudança depende da rigidez do suporte, tipo de rolamento, carga e estado térmico, portanto, trate os resultados de testes de impacto offline como aproximados e, sempre que possível, confirme-os com dados de amplitude e fase de partida/parada por inércia. As frequências ressonantes de conjuntos e peças individuais da máquina — como o eixo, rotor, carcaça e fundação — são oscilações em suas frequências naturais.
Após a instalação da máquina, as frequências de ressonância podem alterar seus valores devido a mudanças nos parâmetros do sistema (massa, rigidez e amortecimento), que, após conectar todos os mecanismos da máquina em uma única unidade, podem aumentar ou diminuir. Além disso, a rigidez dinâmica, como observado acima, pode deslocar as frequências de ressonância quando as máquinas operam na velocidade de rotação nominal. A maioria das máquinas é projetada de modo que o rotor não tenha a mesma frequência natural do eixo. Uma máquina composta por um ou dois mecanismos não deve ser operada em uma frequência de ressonância. No entanto, com o desgaste e as mudanças nas folgas, a frequência natural muitas vezes se desloca em direção à velocidade de rotação de operação, causando ressonância.
O surgimento repentino de oscilações em uma frequência de defeito — como um ajuste frouxo ou outra falha — pode fazer com que a máquina vibre em sua frequência de ressonância. Neste caso, a vibração da máquina aumentará de um nível aceitável para um inaceitável se as oscilações forem causadas pela ressonância de conjuntos ou elementos da máquina.
2. Ressonância Durante a Partida e a Parada (Fig. 2)
Exemplo: Uma máquina de duas velocidades opera a 900 RPM e 1200 RPM. A máquina tem uma ressonância a 1200 RPM que amplifica a vibração na frequência de rotação de 1200 RPM. A 900 RPM, a vibração é de 2,54 mm/s, enquanto a 1200 RPM a ressonância aumenta as oscilações para 12,7 mm/s.
A ressonância pode ser observada durante a partida da máquina, quando ela passa pela frequência de ressonância (Fig. 2). À medida que a velocidade de rotação aumenta, a amplitude crescerá até seu valor máximo na frequência de ressonância (nres) e diminuirá após passar por ela. Quando o rotor passa pela ressonância, a fase da vibração muda em 180 graus. Na ressonância, as oscilações do sistema estão defasadas em 90 graus em relação às oscilações da força de excitação.
A defasagem de 180 graus é frequentemente observada apenas em rotores que possuem um único plano de correção (Fig. 3, esquerda). Sistemas "eixo/rotor-rolamento" mais complexos (Fig. 3, direita) têm uma defasagem que está na faixa de 160° a 180°. Sempre que um especialista em análise de vibração observar uma alta amplitude de oscilação, ele deve presumir que seu aumento para um nível inaceitável pode estar relacionado à ressonância do sistema.
3. Configurações de Rotor (Fig. 3)
O comportamento vibratório de um rotor depende criticamente de sua geometria e de como ele é suportado. Um rotor simples com um único plano de correção (um disco em balanço) mostra uma defasagem limpa de 180° ao passar pela ressonância. Um sistema mais complexo — como dois rotores conectados por um eixo cardan — exibe múltiplos modos acoplados e a defasagem pode desviar do ideal de 180°.
Fig. 3 (esquerda): Rotor com Um Único Plano de Correção (Disco)
Rotor simples com um único disco montado além dos rolamentos. Mostra uma ressonância limpa com uma defasagem de 180° ao passar pela velocidade crítica. Comum em ventiladores, cortadores de foice, rotores de mulcher e bombas com impelidores em balanço.
Fig. 3 (direita): Sistema Complexo — Dois Rotores Conectados
Dois rotores conectados por uma junta flexível (eixo cardan). O sistema acoplado tem uma defasagem na faixa de 160°–180° ao passar pela ressonância. Vibração a 1× e 2× da velocidade do eixo. Comum em linhas de transmissão, laminadores e transmissão de potência industrial.
4. Massa, Rigidez e Amortecimento (Figs. 4–7)
Massa, rigidez e amortecimento — estes são os três parâmetros do sistema vibratório que afetam a frequência e aumentam a amplitude das oscilações na ressonância.
Massa caracteriza as propriedades do corpo e é uma medida de sua inércia (quanto maior a massa, menor a aceleração que ela adquire sob a ação de uma força periódica), o que causa suas oscilações.
Rigidez é uma propriedade do sistema que se opõe às forças inerciais que surgem como resultado das forças de massa.
Amortecimento é uma propriedade do sistema que reduz a energia das oscilações convertendo-a em energia térmica devido ao atrito no sistema mecânico.
onde fn — frequência natural, k — rigidez, m — massa, ζ — razão de amortecimento, Q — fator de qualidade (amplificação na ressonância), Ares — amplitude de ressonância, F0 — amplitude da força de excitação.
Para reduzir a ressonância, os parâmetros do sistema são selecionados de modo que suas frequências ressonantes estejam posicionadas o mais longe possível das possíveis frequências de excitação externa. Na prática, chamados absorvedores dinâmicos de vibração, ou amortecedores, são usados para essa finalidade.
O simulador interativo abaixo (substituindo as Figs. 4–7 estáticas do artigo original) mostra a Característica Amplitude-Frequência (CAF) de um sistema vibratório simples composto por massa, mola e amortecedor. Ajuste os parâmetros para observar esses efeitos em tempo real:
☞ Aumentar a massa da estrutura diminui a frequência ressonante.
☞ Aumentar a rigidez da estrutura aumenta a frequência ressonante.
☞ Aumentar o amortecimento da estrutura diminui a amplitude da ressonância. O amortecimento é a única propriedade que controla a amplitude de vibração na ressonância.
☞ Aumentar o amortecimento também reduz ligeiramente a frequência ressonante. Se você aumentar a massa — a frequência ressonante diminui; se você diminuir a massa — a frequência ressonante aumenta. Da mesma forma, se você aumentar a rigidez — a frequência ressonante aumenta; quando você diminui a rigidez — a frequência ressonante diminui.
Uma analogia pode ser feita com uma corda de violão. Quanto mais você puxar a corda no violão (mais rigidez), mais alto o tom (frequência ressonante) sobe — até a corda arrebentar. Se você usar a corda mais grossa (maior massa), o tom que ela produzirá será mais grave.
⚙ Parâmetros do Sistema
📊 Opções de Exibição
🏭 Predefinições
🔧 Avançado
5. Medição de Ressonância (Fig. 8)
Um dos métodos mais comuns para medir a frequência ressonante de uma estrutura é a excitação por impacto usando um martelo instrumentado.
O impacto na estrutura, na forma de um golpe de entrada, excita pequenas forças perturbadoras em uma certa faixa de frequência. As oscilações criadas pelo impacto representam um processo de transferência de energia transitório e de curta duração. O espectro da força de impacto é contínuo, com amplitude máxima em 0 Hz e subsequente diminuição com o aumento da frequência.
A duração do impacto e a forma do espectro durante a excitação por impacto são determinadas pela massa e pela rigidez do martelo de impacto e da estrutura da máquina. Ao usar um martelo relativamente pequeno em uma estrutura rígida, a rigidez da ponta do martelo determina o espectro. A ponta do martelo atua como um filtro mecânico. Ao selecionar a rigidez da ponta do martelo, é possível escolher a faixa de frequência de investigação.
🔨 Ponta do Martelo
Ao utilizar esta técnica de medição, é muito importante atingir diferentes pontos da estrutura, uma vez que nem todas as frequências de ressonância podem sempre ser medidas ao atingir e medir em um único ponto. Ao determinar a ressonância da máquina, ambos os pontos — o ponto de impacto e o ponto de medição — devem ser verificados (testados).
Se o martelo tiver uma ponta macia, a maior parte da energia de saída excitará oscilações em baixas frequências. Um martelo com ponta rígida fornece pouca energia em qualquer frequência específica, exceto que sua energia de saída excitará oscilações em altas frequências. A resposta ao impacto do martelo pode ser medida com um analisador de canal único, desde que a máquina esteja parada e desconectada.
Limitação importante: A fase é um dos parâmetros que confirmam a ressonância. A fase de vibração durante um teste de impacto não pode ser medida com um analisador de canal único e, portanto, não se pode afirmar com certeza se há ressonância no rotor ou não. Para determinar a fase, é necessário um sensor de velocidade adicional (indutivo ou fototacômetro).
6. Característica de Frequência Amplitude-Fase — CFAP (Fig. 9)
A ressonância da máquina pode ser determinada usando um analisador de canal único como um aumento na amplitude de oscilação na frequência de ressonância e pela mudança de fase de 180 graus ao passar pela ressonância — se a amplitude e a fase das oscilações forem medidas na frequência de rotação durante a partida (run-up) ou a parada por inércia (coastdown) da máquina. A característica construída com base nessas medições é chamada de Característica de Frequência Amplitude-Fase (CFAP).
A análise da CFAP (Fig. 9) permite que o especialista em análise de vibração identifique as frequências de ressonância do rotor.
⚡ Parâmetros do Rotor
Fig. 9: Característica de Frequência Amplitude-Fase de um rotor de gerador durante a parada por inércia da unidade de turbina. A CFAP é construída medindo a amplitude e a fase da vibração na frequência de rotação nos rolamentos nº 3 e nº 4 durante a parada por inércia a partir da velocidade de operação.
Se a fase não mudar ao passar por uma ressonância suspeita, então o aumento da amplitude pode estar relacionado à excitação aleatória e não é uma ressonância do rotor. Nesses casos, além das medições de vibração durante a partida/parada por inércia, recomenda-se realizar um "teste de impacto".
Ao usar um analisador de vibração multicanal, a ressonância de uma estrutura pode ser determinada com grande precisão medindo os sinais de entrada e saída do sistema ao mesmo tempo, controlando a fase de vibração e a coerência coletadas durante o mesmo período. A coerência é uma função de dois canais usada para avaliar o grau de linearidade entre os sinais de entrada e saída do sistema. Isso significa que as frequências de ressonância podem ser identificadas significativamente mais rápido.
7. Algumas Considerações Sobre a Ressonância da Máquina
Deve-se prestar atenção à análise de diferentes tipos de máquinas e seus modos de operação, que podem complicar os testes de ressonância:
Devido às diferenças na rigidez estrutural nas direções horizontal e vertical, a frequência de ressonância será diferente dependendo da direção. Portanto, as ressonâncias podem se manifestar mais fortemente em uma direção particular.
Como discutido anteriormente, as frequências de ressonância diferem quando a máquina está em funcionamento versus quando está parada (desligada). Equipamentos verticais, como regra, causam grande preocupação, pois durante a operação desse equipamento sempre há ressonância que ocorre durante a operação de um motor elétrico montado em cantilever.
Algumas máquinas têm uma grande massa e, portanto, não podem ser excitadas com um martelo — são necessários métodos alternativos de excitação para determinar as frequências de ressonância reais. Às vezes, em máquinas muito grandes, usa-se um vibrador sintonizado para uma faixa de frequência específica, porque o vibrador tem a capacidade de fornecer grandes quantidades de energia em cada frequência individual ao oscilar.
E uma consideração final — antes de realizar testes de ressonância, é muito útil primeiro medir o nível de vibração de fundo (a resposta à excitação aleatória do ambiente circundante). Isso ajudará a evitar um erro na determinação do diagnóstico (ressonância do sistema) com base na amplitude máxima de oscilação em uma determinada frequência acima do nível de fundo.
8. Resumo
Neste artigo discutimos a influência das frequências ressonantes na vibração da máquina. Todas as estruturas e máquinas possuem frequências ressonantes, mas a ressonância não afeta a máquina se não houver frequências que a excitem. Se a vibração da máquina for excitada pela sua própria frequência natural, então existem três opções para sintonizar o sistema fora da ressonância:
Opção 1. Deslocar a frequência da força perturbadora para longe da frequência ressonante.
Opção 2. Deslocar a frequência ressonante para longe da frequência da força perturbadora.
Opção 3. Aumentar o amortecimento do sistema para reduzir o fator de amplificação da ressonância.
As opções 2 e 3 geralmente exigem algumas modificações estruturais que não podem ser realizadas a menos que uma análise modal e/ou um estudo por elementos finitos tenham sido realizados na estrutura.
0 Comments