Compreender a vibração forçada
vibração forçada é um movimento oscilatório causado por uma força periódica externa que atua sobre um sistema mecânico. A vibração ocorre à frequência da força aplicada — a frequência de excitação — e a sua amplitude é proporcional à magnitude dessa força e inversamente proporcional à resistência do sistema ao movimento nessa frequência. A esmagadora maioria dos vibração nas máquinas rotativas é a vibração forçada, sendo os causadores habituais desequilíbrio (uma força centrífuga de rotação), desalinhamento (forças de acoplamento) e pulsações aerodinâmicas ou hidráulicas. A vibração forçada é fundamentalmente diferente de vibração autoexcitada, em que o sistema gera e mantém a sua própria oscilação, e da vibração livre, o decaimento transitório que se segue a um impulso. Compreender estes princípios é importante porque explicam como a amplitude da vibração se relaciona com a gravidade da avaria e como a vibração pode ser controlada — seja reduzindo a força motriz, seja modificando a resposta do sistema.
1. Características da vibração forçada
Correspondência de frequências
- A frequência de vibração é igual à frequência de excitação — se o sistema for excitado a 30 Hz, ele vibra a 30 Hz.
- Isto difere da vibração autoexcitada, que se fixa numa frequência natural independentemente da velocidade de condução.
- A frequência é, portanto, previsível diretamente a partir da fonte de excitação.
Proporcionalidade da amplitude
- A amplitude é proporcional à magnitude da força aplicada: se duplicarmos a força, (num sistema linear) duplicamos a vibração.
- Elimine a excitação e a vibração cessa — e é precisamente por isso que é controlável.
Relação de fase
- Há uma clara fase relação entre força e resposta.
- Essa fase depende da frequência de excitação em relação à frequência natural:
- Abaixo da ressonância: a vibração está essencialmente em fase com a força.
- Em ressonância: um desfasamento de 90°.
- Acima da ressonância: um desfasamento de 180°.
Estabilidade
- O sistema é estável: a vibração é limitada e não aumenta indefinidamente.
- A amplitude é determinada conjuntamente pela força aplicada e pela resposta do sistema — ao contrário do que acontece com a vibração autoexcitada instável, que pode intensificar-se até que uma não linearidade a interrompa.
2. Funções de excitação comuns em máquinas
Desequilíbrio — excitação 1×
- Força: uma força centrífuga resultante da excentricidade da massa.
- Frequência: uma vez por volta (1× a velocidade do eixo).
- Magnitude: F = m·r·ω², pelo que aumenta com o quadrado de velocidade.
- Importância: a principal fonte de vibração na maioria dos equipamentos rotativos.
Vale a pena aprofundar essa dependência em relação a ω²: duplicar a velocidade de funcionamento quadruplica a força de desequilíbrio, razão pela qual um rotor que funciona silenciosamente a baixa velocidade pode tremer violentamente quando atingir a velocidade de trabalho. Pode quantificar isso com o nosso Calculadora de Força Centrífuga devido ao Desequilíbrio.
As outras fontes principais
- Desalinhamento — 2× forçamento: forças de acoplamento resultantes do desvio angular ou paralelo, produzindo vibrações a uma frequência equivalente ao dobro da velocidade do eixo e com uma amplitude caracteristicamente elevada axial componente.
- Aerodinâmico / hidráulico (passagem de pás ou aletas): pulsações de pressão resultantes da interação entre as pás e o estator, com frequência igual ao número de pás multiplicado pela velocidade do eixo — a característica distintiva de ventiladores, bombas e compressores, acionados por aerodinâmico e forças hidráulicas.
- Forças de engrenagem: o engate dos dentes gera uma carga periódica igual ao produto do número de dentes pela velocidade do eixo (o frequência de engrenamento), cuja magnitude está relacionada com o binário transmitido e com a qualidade dos dentes.
- Forças eletromagnéticas: pulsações do campo magnético em motores e geradores a 2× a frequência da rede (120 Hz numa alimentação de 60 Hz, 100 Hz numa alimentação de 50 Hz) — notavelmente independentes da velocidade mecânica, um efeito assíncrono.
3. Resposta ao forçamento: como o sistema se comporta
A mesma força produz amplitudes extremamente diferentes, dependendo da posição da frequência de excitação em relação à frequência natural do sistema. Existem três regimes que descrevem este fenómeno.
Abaixo da frequência natural (controlado pela rigidez)
- Amplitude ≈ Força ÷ Rigidez.
- A resposta está em fase com o forçamento.
- No caso das forças dependentes da velocidade, a amplitude aumenta com a velocidade.
- A região de funcionamento típica para a maioria rotores rígidos.
Na frequência natural (ressonância)
- Amplitude ≈ Força ÷ (Amortecimento × Frequência natural).
- Amplificado pelo fator Q, normalmente entre 10 e 50 vezes.
- Um desfasamento de 90° e forças reduzidas provocam agora uma vibração intensa.
- Amortecimento é a única coisa que limita a amplitude — a importância prática de ressonância.
Acima da frequência natural (controlada pela massa)
- Amplitude ≈ Força ÷ (Massa × Frequência²).
- Um desfasamento de 180° — a vibração move-se na direção oposta à da força.
- A amplitude diminui à medida que a frequência aumenta.
- A área de atuação para rotores flexíveis funcionando acima do seu velocidades críticas.
4. Vibração forçada vs. outros tipos
Oscilação forçada vs. oscilação livre
- Forçada: Força contínua, vibração sustentada, na frequência de força
- Livre: uma resposta impulsional que decai à frequência natural.
- Exemplo: um teste de impacto produz vibração livre; uma máquina em funcionamento produz vibração forçada.
Vibração forçada vs. vibração autoexcitada
- Forçada: uma força externa, cuja amplitude é proporcional a essa força, estável.
- Auto-excitado: uma fonte de energia interna, cuja amplitude é limitada apenas pela não linearidade, instável.
- Exemplos: o desequilíbrio é forçado; redemoinho de óleo é autoexcitado.
5. Controlo e mitigação
Reduzir o forçamento (normalmente a melhor opção)
- Equilíbrio: reduz diretamente o desequilíbrio e constitui a medida corretiva mais comum.
- Alinhamento: reduz as forças de desalinhamento.
- Reparação de defeitos: resolver os problemas mecânicos que estão a gerar essas forças.
- Mais eficaz: eliminando ou minimizando a fonte de forçamento na sua origem.
Modificar a resposta do sistema ou evitar a ressonância
- Alterar a rigidez ou a massa: Desloque as frequências naturais para longe das frequências de excitação.
- Adicionar amortecimento: atenuar a amplificação ressonante.
- Isolamento: reduzir a transmissão de forças para a estrutura de suporte.
- Evitar a ressonância: Manter as frequências de excitação afastadas das frequências naturais, com uma margem de separação de cerca de ±20–30%, verificada através de análises na fase de projeto e aplicada por meio de restrições de velocidade, caso seja inevitável uma interferência.
6. Importância prática e diagnóstico
Uma vez que quase toda a vibração das máquinas é forçada — desequilíbrio, desalinhamento, engrenagem e outros fatores —, é também previsível e controlável, e as ações de manutenção padrão, como o balanceamento e o alinhamento, funcionam precisamente porque atuam sobre a excitação. A abordagem de diagnóstico decorre diretamente daí: identificar a frequência de excitação a partir do espectro, associá-la a uma fonte conhecida (1×, 2×, engrenagem, passagem de palhetas), diagnosticar essa fonte e reduzir a excitação através da manutenção adequada.
É aqui que a instrumentação de campo mostra o seu valor. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A mede a vibração amplitude e a fase à velocidade de funcionamento, permite analisar o espectro para distinguir um pico de desequilíbrio de 1× de um pico de desalinhamento de 2× e — tendo identificado o desequilíbrio como a causa dominante — corrige-o imediatamente através de equilibragem no local o rotor nos seus próprios rolamentos. A medição tanto da fase como da amplitude é o que distingue um problema de excitação de um problema de ressonância, uma vez que os dois se comportam de forma muito diferente à medida que a velocidade varia.
A vibração forçada é o tipo fundamental de vibração em máquinas rotativas, surgindo sempre que uma força periódica externa atua sobre o sistema. Compreender os seus princípios — correspondência de frequências, proporcionalidade de amplitudes e as regiões de resposta determinadas pela rigidez, pelo amortecimento e pela massa — é o que permite o diagnóstico correto das fontes de vibração, a adoção das medidas corretivas adequadas (reduzir a força aplicada ou modificar a resposta) e a definição de estratégias de projeto que mantenham a vibração em níveis baixos através da redução da força aplicada e da prevenção da ressonância.
