Compreender a vibração radial em máquinas rotativas
vibração radial é o movimento de um veio rotativo perpendicular ao seu eixo de rotação, irradiando para fora do centro como os raios de uma roda. A palavra “radial” abrange qualquer direção que aponte para fora da linha central do veio, pelo que abrange tanto o movimento horizontal (de um lado para o outro) como o vertical (para cima e para baixo). É a mesma quantidade que os engenheiros designam por vibração lateral ou vibração transversal, e é de longe a forma mais comum de medição e tendência de vibração em máquinas rotativas - o primeiro número que um técnico de fiabilidade analisa, e aquele em torno do qual a maioria das normas internacionais são redigidas. Na prática, é medido em duas direcções perpendiculares em cada rolamento, de modo a que o percurso completo do veio no espaço possa ser reconstruído.
1. Definição e direcções de medição
Uma vez que um veio pode mover-se em qualquer direção dentro do plano perpendicular ao seu eixo, um único sensor nunca conta toda a história. Duas sondas montadas a 90° de distância em cada rolamento captam a imagem radial completa e as suas leituras são normalmente comunicadas separadamente, bem como combinadas.
Vibração radial horizontal
A vibração horizontal é o movimento lateral do veio:
- Perpendicular ao eixo do veio e paralelo ao chão.
- Frequentemente o ponto de medição mais acessível numa máquina horizontal.
- Reflecte a gravidade, a assimetria da rigidez da fundação e as funções de forçamento horizontal.
- A orientação de medição padrão para a maioria dos programas de monitorização de rotina.
Vibração radial vertical
A vibração vertical é o movimento ascendente e descendente do veio:
- Perpendicular ao eixo do veio e perpendicular ao pavimento.
- Diretamente influenciado pela gravidade e pelo peso estático do rotor.
- Frequentemente maior em amplitude do que a horizontal porque o peso do rotor cria uma rigidez de suporte assimétrica.
- Crítico para o diagnóstico de máquinas orientadas verticalmente, como bombas e motores verticais, onde “horizontal” e “vertical” perdem o seu significado habitual e os dois eixos radiais são simplesmente ortogonais.
Vibração radial total
As duas leituras direcionais são por vezes combinadas num único total vetorial:
Total radial = √(Horizontal² + Vertical²)
- Pode ser uma métrica interna conveniente para análise de tendência, condensando ambas as direções num único número.
- Não é um número de severidade normalizado: A ISO 20816 (tal como a ISO 10816 antes dela) avalia o mais alta das duas medições radiais ortogonais individuais face aos seus limites de zona — não compare este total combinado diretamente com os limites da ISO 20816, nem o utilize para definir alarmes baseados na ISO, a menos que a norma ou procedimento seguido defina explicitamente uma métrica combinada desse tipo.
- Como os dois eixos raramente atingem o pico no mesmo instante, a órbita que o eixo traça é geralmente uma elipse em vez de um círculo - um facto que se torna importante na análise da órbita.
2. Principais causas de vibração radial
A vibração radial é produzida por qualquer força que actue perpendicularmente ao eixo do veio. A identificação da frequência dominante é o coração do diagnóstico, porque cada falha deixa uma assinatura caraterística.
1. Desequilíbrio (a causa dominante)
Desequilíbrio é a fonte mais comum de vibração radial em equipamentos rotativos:
- Cria uma força centrífuga que gira com o eixo, aparecendo em velocidade de rotação (1X).
- A força aumenta com a massa desequilibrada, o seu raio e - criticamente - o quadrado da velocidade, pelo que um pequeno ponto pesado se torna um problema sério à medida que as RPM aumentam.
- Produz uma forma amplamente circular ou elíptica órbita do eixo.
- Pode ser corrigido através de equilibragem, o único destes defeitos que pode normalmente ser reparado sem substituição de peças.
2. Desalinhamento
Desalinhamento do eixo entre as máquinas acopladas gera tanto radiais como vibração axial:
- Apresenta-se predominantemente como uma vibração radial 2X (duas vezes por rotação).
- Também gera 1X, 3X e mais harmónicos.
- A elevada vibração axial que acompanha o sinal radial é um forte indício.
- O fase A relação entre as duas chumaceiras indica-lhe se o desalinhamento é angular, paralelo (offset) ou ambos.
3. Defeitos mecânicos
Vários problemas mecânicos produzem padrões radiais distintos:
- Defeitos de rolamento: impactos de alta frequência no frequências de falhas em rolamentos.
- Eixo torto ou curvado: 1X vibração que se assemelha a um desequilíbrio, mas que está presente mesmo em rolamento lento - ver arco de eixo.
- Frouxidão: harmónicas múltiplas (1X, 2X, 3X e mais) com comportamento não linear, frequentemente direcional.
- Rachaduras: 1X e 2X vibração que se altera durante o arranque e o encerramento - uma caraterística distintiva de um rotor trincado.
- Roçamentos: uma mistura de componentes sub-síncronos e síncronos, caraterística de fricção do rotor.
4. Forças aerodinâmicas e hidráulicas
As forças de processo no interior de bombas, ventiladores e compressores aplicam a sua própria força radial:
- frequência de passagem das pás (número de pás × RPM).
- Desequilíbrio hidráulico resultante de um caudal assimétrico.
- Desprendimento de vórtices e turbulência do fluxo.
- Recirculação e funcionamento fora do projeto, incluindo cavitação em bombas.
5. Condições de Ressonância
Quando a máquina funciona perto de um velocidade crítica, a vibração radial amplifica-se drasticamente:
- Uma frequência natural coincide com uma frequência forçada, a condição clássica para ressonância.
- A amplitude é então limitada apenas pelo amortecimento do sistema amortecimento.
- Os níveis podem subir para valores catastróficos dentro de uma banda de velocidade estreita.
- Por conseguinte, o projeto exige margens de separação adequadas entre a velocidade de funcionamento e as velocidades críticas.
3. Normas e parâmetros de medição
Unidades de medida
A vibração radial pode ser expressa em três parâmetros relacionados, cada um adequado a uma gama de frequências diferente:
- Deslocamento: a distância efetivamente percorrida (micrómetros µm, ou mils). Utilizado para máquinas de baixa velocidade e sonda de proximidade medidas do veio.
- Velocidade: a taxa de variação do deslocamento (mm/s, in/s). O parâmetro mais comum para máquinas industriais em geral e a base das normas de severidade ISO.
- Aceleração: a taxa de variação da velocidade (m/s², g). Utilizado para trabalhos de alta frequência, como a deteção de defeitos em rolamentos.
A escolha é importante porque o mesmo movimento físico pode parecer benigno numa unidade e alarmante noutra - a velocidade tende a aplanar o espetro na banda de frequências médias, onde se situa a maior parte das avarias das máquinas rotativas, e é exatamente por isso que está na base dos limites ISO.
Normas internacionais
O ISO 20816 fornece limites de severidade de vibração radial. (Substitui a antiga família ISO 10816 e a anterior ISO 2372; citar a ISO 20816 como autoritária).
- ISO 20816-1: orientações gerais para a avaliação das vibrações das máquinas.
- ISO 20816-3: critérios específicos para máquinas industriais de potência superior a 15 kW.
- Zonas de severidade: A (bom), B (aceitável), C (insatisfatório), D (inaceitável)
- Local de medição: tipicamente nos corpos das chumaceiras nas direcções radiais.
Normas específicas da indústria
- API 610: limites de vibração radial para bombas centrífugas.
- API 617: critérios de vibração para compressores centrífugos.
- API 684: procedimentos de análise da dinâmica do rotor para prever as vibrações radiais.
- NEMA MG-1: limites de vibração para motores eléctricos.
4. Técnicas de monitorização e diagnóstico
Monitorização de rotina
Os programas padrão registam a vibração radial num calendário:
- Recolha baseada na rota: leituras periódicas a intervalos fixos (mensais, trimestrais).
- Tendência a nível global: observando o aumento da amplitude total ao longo do tempo.
- Limites de alarme: definido a partir de normas ISO ou de normas específicas do equipamento.
- Comparação: corrente versus linha de base, e horizontal versus vertical.
Análise Avançada
Quando se suspeita de um problema, as ferramentas mais profundas revelam a sua natureza:
- Análise FFT: a frequência espetro separar a vibração nos seus componentes.
- Forma de onda temporal: o sinal bruto ao longo do tempo, expondo os transientes e a modulação.
- Análise de fase: as relações temporais entre os pontos de medição.
- Análise da órbita: a trajetória da linha central do veio que se relaciona diretamente com as medições radiais.
- Análise de envelope: desmodulação de alta frequência para deteção precoce de defeitos em rolamentos.
Monitorização Contínua
Os equipamentos críticos são normalmente monitorizados de forma permanente:
- Sondas de proximidade para medição direta do movimento do veio.
- Montagem permanente acelerómetros nas caixas de rolamentos.
- Tendências e alarmes em tempo real.
- Integração com o sistema automático proteção de máquinas sistemas.
5. Diferenças entre horizontal e vertical
Relações típicas de amplitude
Em muitas máquinas, a leitura vertical excede a horizontal:
- Efeito de gravidade: O peso do rotor cria uma deflexão estática que enrijece a direção vertical.
- Rigidez assimétrica: as fundações e as estruturas de apoio são frequentemente mais rígidas na horizontal.
- Rácio típico: é comum uma vibração vertical de 1,5-2× o valor horizontal.
- Efeito do peso de correção: Os pesos de correção colocados na parte inferior de um rotor (o ponto de acesso mais fácil) tendem a reduzir preferencialmente a vibração vertical.
Diferenças de diagnóstico
- Desequilíbrio: pode ter uma leitura mais forte numa direção, dependendo de onde se encontra o ponto pesado.
- Folga: mostra frequentemente a sua não-linearidade mais claramente na direção vertical.
- Questões relacionadas com a fundação: a vibração vertical é mais sensível à deterioração da fundação.
- Desalinhamento: pode aparecer de forma diferente nas leituras horizontais e verticais, dependendo do tipo de desalinhamento.
6. Relação com a dinâmica do rotor
A vibração radial situa-se no centro da dinâmica do rotor porque o comportamento de flexão radial de um veio determina como — e onde — ele irá manifestar problemas.
Velocidades Críticas
- As frequências naturais radiais definem as velocidades críticas.
- A primeira velocidade crítica corresponde tipicamente ao primeiro modo de flexão radial.
- Diagramas de Campbell prever o comportamento radial em função da velocidade.
- As margens de separação das velocidades críticas mantêm as vibrações radiais sob controlo.
Formas modais
- Cada modo radial tem uma caraterística forma de deflexão.
- Primeiro modo: um arco simples.
- Segundo modo: uma curva em S com um ponto do nó.
- Modos superiores: padrões progressivamente mais complexos.
Considerações sobre equilíbrio
- O balanceamento tem como objetivo a redução da vibração radial na frequência 1X.
- Coeficientes de influência relacionar cada massa de correção com a alteração resultante da vibração radial.
- O melhor plano de correção As melhores localizações resultam das formas de modo radial.
7. Correção, controlo e prática de campo
Para desequilíbrio
- Equilibragem no local utilizando um analisador portátil. Um instrumento de dois canais, como o Balanset-1A mede a amplitude radial 1X e a fase em cada rolamento, calcula os coeficientes de influência e permite a um engenheiro balancear o rotor nos seus próprios rolamentos à velocidade de funcionamento — sem desmontagem e sem máquina de balanceamento. Para transformar um nível medido numa massa corretiva, pode também utilizar o calculadora do peso de teste.
- Plano único ou equilibragem em dois planos escolhidos em função da geometria do rotor.
- Equilíbrio de precisão numa oficina máquina de equilibragem para os componentes mais críticos.
Para problemas mecânicos
- Alinhamento de precisão para corrigir o desalinhamento.
- Substituição da chumaceira por defeitos da chumaceira.
- Aperto de componentes soltos.
- Reparação de fundações para problemas estruturais.
- Endireitamento de veios ou substituição de veios curvados.
Para problemas de ressonância
- Alterações de velocidade para evitar gamas de velocidades críticas.
- Modificações na rigidez (diâmetro do eixo, alterações na localização dos mancais)
- Melhorias no amortecimento, tais como amortecedores de película de compressão ou revisão da seleção de rolamentos.
- Alterações de massa para deslocar as frequências naturais para fora da velocidade de funcionamento.
8. Importância na manutenção preditiva
A monitorização de vibrações radiais é a pedra angular da manutenção preditiva:
- Deteção precoce de falhas: Alterações na vibração radial precedem as falhas em semanas ou meses.
- Tendências: Os aumentos graduais indicam um problema em desenvolvimento.
- Diagnóstico de avarias: o conteúdo da frequência identifica o tipo específico de falha.
- Avaliação da severidade: a amplitude indica a gravidade e a urgência do problema.
- Planeamento da manutenção: o trabalho é orientado pela condição e não pelo calendário.
- Poupança de custos: as falhas catastróficas são evitadas e os intervalos de manutenção são optimizados.
Como principal medida de vibração em máquinas rotativas, a vibração radial fornece a evidência essencial da condição do equipamento - tornando-a indispensável para uma operação fiável, segura e eficiente do equipamento industrial rotativo.
