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O que é vibração forçada? Resposta à excitação externa

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Entendendo a vibração forçada

Definição: O que é vibração forçada?

vibração forçada A vibração é um movimento oscilatório causado pela aplicação de uma força periódica externa a um sistema mecânico. A vibração ocorre na frequência da força aplicada (frequência de excitação), e a amplitude é proporcional à magnitude da força e inversamente proporcional à resistência do sistema ao movimento nessa frequência. vibração Em máquinas rotativas, a vibração é forçada, com fontes comuns de força incluindo: desequilíbrio (força centrífuga rotativa), desalinhamento (forças de acoplamento) e pulsações aerodinâmicas/hidráulicas.

A vibração forçada é fundamentalmente diferente de vibração autoexcitada (onde o sistema gera sua própria oscilação sustentada) e vibração livre (resposta transitória após um impulso). Compreender os princípios da vibração forçada é essencial, pois explica como a amplitude da vibração se relaciona com a gravidade da falha e como a vibração pode ser controlada reduzindo a força aplicada ou modificando a resposta do sistema.

Características da vibração forçada

Correspondência de frequência

  • A frequência de vibração é igual à frequência de excitação.
  • Se a força for aplicada a 30 Hz, a vibração também será a 30 Hz.
  • Ao contrário da vibração autoexcitada, que ocorre na frequência natural.
  • Frequência previsível com base na fonte de forçamento

Proporcionalidade da Amplitude

  • A amplitude da vibração é proporcional à magnitude da força.
  • Dobrar a força → dobrar a vibração (sistema linear)
  • Remover força → paradas de vibração
  • Controlável por meio da redução de força

Relação de Fase

  • Definitivo fase relação entre força e resposta
  • A fase depende da frequência em relação à frequência natural.
  • Abaixo da ressonância: vibração em fase com a força.
  • Na ressonância: defasagem de 90°
  • Acima da ressonância: defasagem de fase de 180°

Estabilidade

  • O sistema é estável — vibração limitada.
  • Não cresce sem limites
  • A amplitude é limitada pela força aplicada e pela resposta do sistema.
  • Contrasta com vibração autoexcitada instável

Funções de força comuns em máquinas

1. Desequilíbrio (1× Força)

  • Vigor: Força centrífuga rotativa da excentricidade da massa
  • Freqüência: Uma vez por revolução (1× velocidade do eixo)
  • Magnitude: F = m × r × ω² (proporcional ao quadrado da velocidade)
  • Mais comuns: Principal fonte de vibração na maioria dos equipamentos rotativos

2. Desalinhamento (2× Força)

  • Vigor: Forças de acoplamento provenientes do deslocamento angular/paralelo
  • Freqüência: Duas vezes por revolução (2× velocidade do eixo)
  • Característica: Componente axial alto

3. Aerodinâmico/Hidráulico (Passagem da lâmina/palheta)

  • Vigor: Pulsações de pressão resultantes da interação entre a pá e o estator
  • Freqüência: Número de lâminas × velocidade do eixo
  • Exemplos: Ventiladores, bombas, compressores

4. Forças de Engrenagem

  • Vigor: O encaixe dos dentes cria uma carga periódica.
  • Freqüência: Número de dentes × velocidade do eixo
  • Magnitude: Relacionado ao torque transmitido e à qualidade dos dentes.

5. Forças Eletromagnéticas

  • Vigor: Pulsações do campo magnético em motores/geradores
  • Freqüência: 2× frequência da linha (120/100 Hz)
  • Independente: De velocidade mecânica (força assíncrona)

Resposta à imposição: comportamento do sistema

Abaixo da frequência natural (controle de rigidez)

  • Amplitude de vibração ≈ Força / Rigidez
  • Resposta em fase com a força aplicada.
  • A amplitude aumenta com a velocidade para forças dependentes da velocidade.
  • Região de operação típica para a maioria dos rotores rígidos

Na frequência natural (ressonância)

  • Amplitude de vibração ≈ Força / (Amortecimento × Frequência Natural)
  • Amplitude amplificada pelo fator Q (tipicamente 10-50×)
  • defasagem de fase de 90°
  • Pequenas forças criam grandes vibrações.
  • O amortecimento é o único fator limitante.

Acima da frequência natural (controlada pela massa)

  • Amplitude da vibração ≈ Força / (Massa × Frequência²)
  • Atraso de fase de 180° (vibração oposta à direção da força)
  • A amplitude diminui com o aumento da frequência.
  • Região de operação para rotores flexíveis acima de velocidades críticas.

Vibração forçada versus outros tipos

Vibração forçada versus vibração livre

  • Forçado: Força contínua, vibração sustentada, na frequência de força
  • Livre: Resposta ao impulso, decaimento da vibração, na frequência natural
  • Exemplo: O teste de impacto produz vibração livre; a máquina de corrida produz vibração forçada.

Vibração forçada versus vibração autoexcitada

  • Forçado: Força externa, amplitude proporcional à força, estável
  • Autoexcitado: Fonte de energia interna, amplitude limitada pela não linearidade, instável
  • Exemplos: O desequilíbrio é forçado; redemoinho de óleo está se empolgando

Controle e Mitigação

Reduzir a força

  • Equilíbrio: Reduz diretamente a força de desequilíbrio
  • Alinhamento: Reduz as forças de desalinhamento
  • Reparar defeitos: Corrigir problemas mecânicos que criam forças
  • Mais eficaz: Elimine ou minimize a fonte de força.

Modificar a resposta do sistema

  • Alterar rigidez: Desloque as frequências naturais para longe das frequências de excitação.
  • Adicionar amortecimento: Reduzir a amplificação de ressonância
  • Alterar Massa: Modificar frequências naturais
  • Isolamento: Reduzir a transmissão de força para a estrutura.

Evite a ressonância.

  • Garantir que as frequências de excitação não coincidam com as frequências naturais.
  • Margem de separação tipicamente ±20-30%
  • Análise da fase de projeto para verificar
  • Restrições de velocidade se a ressonância for inevitável

Significado prático

A maior parte da vibração em máquinas é forçada.

  • Desbalanceamento, desalinhamento, engrenamento — tudo isso é vibração forçada.
  • Previsível e controlável através da redução forçada
  • Ações de manutenção padrão (balanceamento, alinhamento) abordam o forçamento.

Abordagem diagnóstica

  • Identificar a frequência de excitação a partir do espectro.
  • Ajustar às fontes de força conhecidas (1×, 2×, engrenamento, etc.)
  • Diagnosticar a fonte de força
  • Reduzir a necessidade de manutenção adequada.

A vibração forçada é o tipo fundamental de vibração em máquinas rotativas, resultante de forças periódicas externas que atuam sobre o sistema. A compreensão dos princípios da vibração forçada — correspondência de frequência, proporcionalidade de amplitude e características de resposta — permite o diagnóstico correto das fontes de vibração, ações corretivas apropriadas (redução da força ou modificação da resposta) e estratégias de projeto que minimizem a vibração por meio da redução da força e da prevenção da ressonância.

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