Objetos não lineares no balanceamento de rotores
Por que o balanceamento "não funciona", por que os coeficientes de influência mudam e como proceder em condições reais de campo.
Visão geral
Na prática, o balanceamento de rotores quase nunca se resume simplesmente a calcular e instalar um contrapeso. Formalmente, o algoritmo é bem conhecido e o instrumento realiza todos os cálculos automaticamente, mas o resultado final depende muito mais do comportamento do próprio objeto do que do dispositivo de balanceamento. É por isso que, no trabalho real, surgem constantemente situações em que o balanceamento "não funciona", os coeficientes de influência mudam, a vibração se torna instável e o resultado não é repetível de uma execução para outra.
Vibrações lineares e não lineares, as suas características e métodos de balanceamento
O balanceamento bem-sucedido requer a compreensão de como um objeto reage à adição ou remoção de massa. Neste contexto, os conceitos de objetos lineares e não lineares desempenham um papel fundamental. Entender se um objeto é linear ou não linear permite a seleção da estratégia de balanceamento correta e ajuda a atingir o resultado desejado.
Objetos lineares ocupam um lugar especial neste campo devido à sua previsibilidade e estabilidade. Eles permitem o uso de métodos de diagnóstico e balanceamento simples e confiáveis, tornando seu estudo um passo importante no diagnóstico de vibração.
Objetos lineares versus objetos não lineares
A maioria destes problemas tem origem numa distinção fundamental, mas frequentemente subestimada, entre objetos lineares e não lineares. Um objeto linear, do ponto de vista do balanceamento, é um sistema no qual, a uma velocidade de rotação constante, a amplitude de vibração é proporcional à quantidade de desequilíbrio, e a fase da vibração segue a posição angular da massa desequilibrada de forma estritamente previsível. Nestas condições, o coeficiente de influência é um valor constante. Todos os algoritmos padrão de balanceamento dinâmico, incluindo os implementados no Balanset-1A, são concebidos precisamente para tais objetos.
Para um objeto linear, o processo de balanceamento é previsível e estável. A instalação de um peso de teste produz uma alteração proporcional na amplitude e na fase da vibração. Arranques repetidos dão o mesmo vetor de vibração, e o peso de correção calculado permanece válido. Tais objetos são adequados tanto para balanceamento único como para balanceamento em série utilizando coeficientes de influência guardados.
Um objeto não linear comporta-se de maneira fundamentalmente diferente. O próprio princípio do cálculo de balanceamento é violado. A amplitude da vibração deixa de ser proporcional ao desbalanceamento, a fase torna-se instável e o coeficiente de influência varia dependendo da massa do peso de teste, do modo de operação ou mesmo do tempo. Na prática, isso se manifesta como um comportamento caótico do vetor de vibração: após a instalação de um peso de teste, a variação da vibração pode ser muito pequena, excessiva ou simplesmente irrepetível.
O que são objetos lineares?
Um objeto linear é um sistema onde a vibração é diretamente proporcional à magnitude do desequilíbrio.
Um objeto linear, no contexto do balanceamento, é um modelo idealizado caracterizado por uma relação diretamente proporcional entre a magnitude do desequilíbrio (massa desbalanceada) e a amplitude da vibração. Isso significa que, se o desequilíbrio for duplicado, a amplitude da vibração também duplicará, desde que a velocidade de rotação do rotor permaneça constante. Por outro lado, reduzir o desequilíbrio diminuirá proporcionalmente as vibrações.
Ao contrário dos sistemas não lineares, onde o comportamento de um objeto pode variar dependendo de muitos fatores, os objetos lineares permitem um alto nível de precisão com esforço mínimo.
Além disso, eles servem como base para treinamento e prática para balanceadores. Entender os princípios de objetos lineares ajuda a desenvolver habilidades que podem ser aplicadas posteriormente a sistemas mais complexos.
Representação gráfica da linearidade
Imagine um gráfico onde o eixo horizontal representa a magnitude da massa desequilibrada (desbalanceamento) e o eixo vertical representa a amplitude da vibração. Para um objeto linear, esse gráfico será uma linha reta passando pela origem (o ponto onde tanto a magnitude do desbalanceamento quanto a amplitude da vibração são zero). A inclinação dessa linha caracteriza a sensibilidade do objeto ao desbalanceamento: quanto mais íngreme a inclinação, maiores as vibrações para o mesmo desbalanceamento.
Gráfico 1: Relação entre a Amplitude de Vibração (µm) e a Massa de Desequilíbrio (g) a um raio de correção constante e velocidade de rotação constante
O gráfico 1 ilustra a relação entre a amplitude de vibração (µm) de um objeto de equilíbrio linear e a massa desequilibrada (g) do rotor. O coeficiente de proporcionalidade é 0,5 µm/g. Simplesmente dividir 300 por 600 dá 0,5 µm/g. Para uma massa desequilibrada de 800 g (UM=800 g), a vibração será 800 g * 0,5 µm/g = 400 µm. Observe que isso se aplica a uma velocidade constante do rotor. Em uma velocidade rotacional diferente, o coeficiente será diferente.
Este coeficiente de proporcionalidade é chamado de coeficiente de influência (coeficiente de sensibilidade) e tem uma dimensão de µm/g ou, em casos envolvendo desequilíbrio, µm/(g*mm), onde (g*mm) é a unidade de desequilíbrio. Conhecendo o coeficiente de influência (IC), também é possível resolver o problema inverso, ou seja, determinar a massa desbalanceada (UM) com base na magnitude da vibração. Para fazer isso, divida a amplitude da vibração pela IC.
Por exemplo, se a vibração medida for 300 µm e o coeficiente conhecido for IC=0,5 µm/g, divida 300 por 0,5 para obter 600 g (UM=600 g).
Uma nota sobre unidades: os valores de deslocamento em µm utilizados nestes exemplos são ilustrativos e foram escolhidos para uma aritmética simples. O Balanset-1A mede e apresenta a velocidade de vibração, mm/s RMS; o princípio da linearidade e o método do coeficiente de influência funcionam de forma idêntica em qualquer uma das unidades.
Coeficiente de influência (IC): parâmetro-chave dos objetos lineares
Uma característica crítica de um objeto linear é a coeficiente de influência (IC). É numericamente igual à tangente do ângulo de inclinação da reta no gráfico de vibração versus desequilíbrio e indica quanto a amplitude da vibração (em micrómetros, µm) varia quando se adiciona uma unidade de massa (em gramas, g) num plano de correção específico, a uma velocidade específica do rotor. Por outras palavras, o IC é uma medida da sensibilidade do objeto ao desequilíbrio. A sua unidade de medida é µm/g ou, quando o desequilíbrio é expresso como o produto da massa pelo raio, µm/(g*mm).
O IC é essencialmente a característica "passaporte" de um objeto linear, permitindo prever seu comportamento quando massa é adicionada ou removida. Conhecer o IC permite resolver tanto o problema direto – determinar a magnitude da vibração para um dado desequilíbrio – quanto o problema inverso – calcular a magnitude do desequilíbrio a partir da vibração medida.
Problema direto:
Problema inverso:
Como o IC é obtido na prática:
Aqui V0 é o vetor de vibração medido na medição inicial (Run 0), V1 é o vetor medido após uma massa de teste mteste é instalado (Run 1), K é o coeficiente de influência, e mcorr é a massa de correção. Todas estas são grandezas complexas (vetoriais) que combinam amplitude e fase — razão pela qual o artigo fala abaixo sobre o argumento do coeficiente de influência.
Ao longo deste artigo, a massa em gramas é utilizada como um proxy para o desequilíbrio: só é equivalente ao desequilíbrio em g·mm enquanto o raio de correção se mantiver igual. Quando o raio muda, utilize g·mm e um CI em µm/(g·mm).
Fase de vibração em objetos lineares
Além da amplitude, a vibração também é caracterizada por sua fase, que indica a posição do rotor no momento do desvio máximo em relação à sua posição de equilíbrio. Para um objeto linear, a fase da vibração também é previsível. Ela é a soma de dois ângulos:
- O ângulo que determina a posição da massa desbalanceada total do rotor. Esse ângulo indica a direção na qual o desbalanceamento principal está concentrado.
- O argumento do coeficiente de influência. Trata-se de um ângulo constante que caracteriza as propriedades dinâmicas do objeto e não depende da magnitude ou do ângulo da instalação da massa desequilibrada.
Assim, conhecendo o argumento IC e medindo a fase de vibração, é possível determinar o ângulo da instalação da massa desbalanceada. Isso permite não apenas o cálculo da magnitude da massa corretiva, mas também sua colocação precisa no rotor para atingir o equilíbrio ideal.
Balanceamento de objetos lineares
É importante notar que, para um objeto linear, o coeficiente de influência obtido a partir da medição de teste como K = (V1 − V0) / mteste não depende da magnitude ou do ângulo de instalação do peso de teste, nem da vibração inicial. Esta é uma característica fundamental da linearidade. Se o CI permanecer inalterado quando os parâmetros do peso de teste ou a vibração inicial são alterados, pode afirmar-se com confiança que o objeto se comporta de forma linear dentro do intervalo de desequilíbrios considerado.
Passos para equilibrar um objeto linear
- Medição da vibração inicial: O primeiro passo é medir a vibração em seu estado inicial. A amplitude e o ângulo de vibração, que indicam a direção do desequilíbrio, são determinados.
- Instalando uma massa de teste: Uma massa de peso conhecido é instalada no rotor. Isso ajuda a entender como o objeto reage a cargas adicionais e permite que os parâmetros de vibração sejam calculados.
- Remedição de vibração: Após a instalação da massa de teste, novos parâmetros de vibração são medidos. Comparando-os com os valores iniciais, é possível determinar como a massa afeta o sistema.
- Calculando a Massa Corretiva: Com base nos dados de medição, a massa e o ângulo de instalação do peso corretivo são determinados. Este peso é colocado no rotor para eliminar o desequilíbrio.
- Verificação final: Após instalar o peso corretivo, a vibração deve ser significativamente reduzida. Se a vibração residual ainda exceder o nível aceitável, o procedimento pode ser repetido.
Nota: Os objetos lineares servem como modelos ideais para o estudo e a aplicação prática de métodos de equilibragem. As suas propriedades permitem que engenheiros e técnicos de diagnóstico se concentrem no desenvolvimento de competências básicas e na compreensão dos princípios fundamentais do trabalho com sistemas de rotores. Embora o objeto perfeitamente linear seja uma idealização, a maioria das máquinas em bom estado mecânico comporta-se de forma suficientemente linear dentro do intervalo de desequilíbrio encontrado na equilibragem em campo — e é exatamente por isso que o método do coeficiente de influência funciona. O modelo linear não é, portanto, um exercício académico, mas sim o pressuposto de trabalho normal; a não linearidade é a exceção que é preciso reconhecer.
Balanceamento serial e coeficientes armazenados
A equilibragem em série merece atenção especial. Pode aumentar significativamente a produtividade, mas apenas quando aplicada a objetos lineares e vibracionalmente estáveis. Nestes casos, os coeficientes de influência obtidos no primeiro rotor podem ser reutilizados para rotores idênticos subsequentes. O software do Balanset-1A suporta isto diretamente: os coeficientes de uma sessão de equilibragem anterior são guardados no arquivo e podem ser reaplicados a um rotor idêntico com a função Aplicar coeficientes (F6 Relatórios, arquivo de equilibragem). No entanto, assim que a rigidez dos apoios, a velocidade de rotação ou o estado dos rolamentos se alteram, a repetibilidade perde-se e a abordagem em série deixa de funcionar.
Objetos não lineares: quando a teoria diverge da prática
O que é um objeto não linear?
Um objeto não linear é um sistema onde a amplitude de vibração não é proporcional à magnitude do desequilíbrio. Diferentemente de objetos lineares, onde a relação entre vibração e massa de desequilíbrio é representada por uma linha reta, em sistemas não lineares essa relação pode seguir trajetórias complexas.
No mundo real, nem todos os objetos se comportam de forma linear. Os objetos não lineares exibem uma relação entre o desequilíbrio e a vibração que não é diretamente proporcional. Isto significa que o coeficiente de influência não é constante e pode variar dependendo de fatores como:
- Magnitude do Desequilíbrio: O aumento do desequilíbrio pode alterar a rigidez dos suportes do rotor, levando a mudanças não lineares na vibração.
- Presença de folgas e lacunas: Folgas e intervalos em rolamentos e outras conexões podem causar mudanças bruscas na vibração sob certas condições.
As alterações de temperatura e as cargas externas variáveis também alteram as características dinâmicas do objeto, mas de forma diferente: tornam o sistema não estacionário em vez de não linear (ver a secção sobre instabilidade de vibração abaixo).
Porque é que os objetos não lineares são desafiantes?
A não linearidade introduz muitas variáveis no processo de balanceamento. O trabalho bem-sucedido com objetos não lineares requer mais medições e análises mais complexas. Por exemplo, métodos padrão aplicáveis a objetos lineares nem sempre produzem resultados precisos para sistemas não lineares. Isso requer uma compreensão mais profunda da física do processo e o uso de métodos de diagnóstico especializados.
Sinais de não linearidade
Um objeto não linear pode ser identificado pelos seguintes sinais:
- Alterações de vibração não proporcionais: À medida que o desequilíbrio aumenta, a vibração pode crescer mais rápido ou mais devagar do que o esperado para um objeto linear.
- Mudança de fase na vibração: A fase de vibração pode mudar imprevisivelmente com variações no desequilíbrio ou na velocidade de rotação.
- Presença de harmônicos e subharmônicos: O espetro de vibração pode apresentar harmónicos superiores (múltiplos da frequência de rotação) e sub-harmónicos (frações da frequência de rotação), indicando efeitos não lineares. No software do Balanset-1A, estes podem ser inspecionados no ecrã F8 Gráficos, separador F5-Espetro (Hz); tenha em conta que o sensor de vibração mantém a sua precisão nominal até cerca de 550 Hz, e a sua resposta decai acima desse valor, pelo que as componentes espetrais de frequência mais elevada devem ser lidas apenas como indicativas.
- Histerese: A amplitude da vibração pode depender não apenas do valor atual do desequilíbrio, mas também de seu histórico. Por exemplo, quando o desequilíbrio é aumentado e depois diminuído de volta ao seu valor inicial, a amplitude da vibração pode não retornar ao seu nível original.
Como testar um objeto quanto à linearidade
- Verificação de repetibilidade: Realize o Run 0, pare a máquina, reinicie-a, e repita o Run 0 sem tocar em nada. Se a amplitude concordar dentro de cerca de 10% e a fase dentro de cerca de 10–15°, o objeto é suficientemente estável para balancear.
- Verificação de remoção: Depois da medição de teste, remova o peso de teste e repita o Run 0. Se o vetor de vibração não regressar ao valor original, o objeto tem histerese ou folga mecânica.
- Verificação de dupla massa: Repita a medição de teste com um peso de teste com o dobro do peso, no mesmo local. Para um objeto linear, a variação do vetor (V1 − V0) deve duplicar em magnitude e manter a mesma direção. Qualquer outro resultado significa que o coeficiente de influência depende da massa de teste — o objeto é não linear.
- Verificação a 180°: O mesmo peso de teste deslocado 180° deve rodar a variação do vetor em 180°.
Representação gráfica da não linearidade
Em um gráfico de vibração versus desequilíbrio, a não linearidade é evidente em desvios de uma linha reta. O gráfico pode apresentar dobras, curvaturas, loops de histerese e outras características que indicam uma relação complexa entre desequilíbrio e vibração.
Gráfico 2. Objeto Não Linear (a um raio de correção constante e velocidade de rotação constante)
50 g; 40 µm (amarelo), 100 g; 54,7 µm (azul).
Este objeto exibe dois segmentos, duas linhas retas. Para desequilíbrios menores que 50 gramas, o gráfico reflete as propriedades de um objeto linear, mantendo a proporcionalidade entre o desequilíbrio em gramas e a amplitude de vibração em mícrons. Para desequilíbrios maiores que 50 gramas, o crescimento da amplitude de vibração desacelera.
Exemplos de objetos não lineares
Exemplos de objetos não lineares no contexto de balanceamento incluem:
- Rotores com rachaduras: Rachaduras no rotor podem levar a alterações não lineares na rigidez e, como resultado, a uma relação não linear entre vibração e desequilíbrio.
- Rotores com folgas nos mancais: Folgas em rolamentos podem causar mudanças bruscas na vibração sob certas condições.
- Rotores com elementos elásticos não lineares: Alguns elementos elásticos, como amortecedores de borracha, podem apresentar características não lineares, afetando a dinâmica do rotor.
Tipos de não linearidade
1. Não linearidade suave-rígida
Em tais sistemas, dois segmentos são observados: suave e rígido. No segmento suave, o comportamento se assemelha à linearidade, onde a amplitude de vibração aumenta proporcionalmente à massa desbalanceada. No entanto, após um certo limite (ponto de quebra), o sistema transita para um modo rígido, onde o crescimento da amplitude desacelera.
2. Não linearidade elástica
Mudanças na rigidez de suportes ou contatos dentro do sistema tornam a relação vibração-desequilíbrio complexa. Por exemplo, a vibração pode aumentar ou diminuir repentinamente ao cruzar limites de carga específicos.
3. Não linearidade induzida por atrito
Em sistemas com atrito significativo (por exemplo, em rolamentos), a amplitude da vibração pode ser imprevisível. O atrito pode reduzir a vibração em uma faixa de velocidade e amplificá-la em outra.
Causas comuns de não linearidade
As causas mais comuns de não linearidade são o aumento das folgas dos rolamentos, o desgaste dos rolamentos, o atrito seco, os apoios soltos e fissuras na estrutura. O funcionamento perto de um ressonância é um problema à parte: não torna o objeto não linear, mas destrói a repetibilidade das medições, sendo por isso igualmente fatal para o método do coeficiente de influência. Frequentemente, o objeto apresenta a chamada não linearidade suave-dura (soft–hard). Em níveis de desequilíbrio pequenos, o sistema comporta-se de forma quase linear, mas à medida que a vibração aumenta, entram em ação elementos mais rígidos dos apoios ou da carcaça. Nestes casos, a equilibragem só é possível dentro de um intervalo de funcionamento estreito e não proporciona resultados estáveis a longo prazo.
Instabilidade vibratória
Outro problema sério é a instabilidade da vibração. Mesmo um objeto formalmente linear pode apresentar alterações de amplitude e fase ao longo do tempo. Isto é causado por efeitos térmicos, alterações na viscosidade do lubrificante, dilatação térmica, atrito instável nos apoios e cargas externas variáveis que atuam sobre a máquina. Como resultado, medições realizadas com apenas minutos de diferença podem produzir vetores de vibração diferentes. Nestas condições, a comparação significativa das medições torna-se impossível, e o cálculo de equilibragem perde fiabilidade.
Note a distinção: um não linear objeto dá um coeficiente de influência diferente para uma massa de peso de teste diferente; um não estacionário (instável) dá um coeficiente de influência diferente para o mesmo peso de teste medido em momentos diferentes. Ambos comprometem o cálculo, mas as soluções diferem — a não linearidade é corrigida mecanicamente, a instabilidade é corrigida estabilizando o regime de funcionamento e medindo rapidamente.
Equilíbrio próximo à ressonância
O balanceamento perto da ressonância é especialmente problemático. Quando a frequência de rotação está próxima de uma frequência natural do sistema, mesmo um pequeno desequilíbrio produz um aumento acentuado da vibração, e tanto a amplitude como a fase tornam-se extremamente sensíveis a pequenas variações de velocidade. Note-se que a própria ressonância não é não linearidade: um sistema linear tem ressonâncias, e na ressonância a vibração continua proporcional ao desequilíbrio. O que se perde é a repetibilidade — uma dispersão de ±1% na velocidade de rotação perto da velocidade crítica altera o vetor medido muito mais do que o peso de ensaio, pelo que o coeficiente de influência medido nesta zona é impraticável de utilizar. (Uma resposta ressonante elevada pode, além disso, empurrar os apoios para uma gama genuinamente não linear — mas isso é uma consequência, não a definição.) Nestes casos, a velocidade de equilibragem deve ser afastada da frequência natural, ou a estrutura mecânica alterada, antes de tentar a equilibragem.
Vibração intensa após equilíbrio "bem-sucedido".
Na prática, é comum encontrar situações em que, após um procedimento de balanceamento formalmente bem-sucedido, o nível geral de vibração permanece alto. Isso não indica um erro do instrumento ou do operador. O balanceamento elimina apenas o desequilíbrio de massa. Se a vibração for causada por defeitos na fundação, fixadores soltos, desalinhamento ou ressonância, os contrapesos não resolverão o problema. Nesses casos, analisar a distribuição espacial da vibração na máquina e em sua fundação ajuda a identificar a verdadeira causa.
Balancear objetos não lineares: uma tarefa complexa com soluções não convencionais
Balancear objetos não lineares é uma tarefa desafiadora que requer métodos e abordagens especializadas. O método de massa de teste padrão, desenvolvido para objetos lineares, pode produzir resultados errôneos ou ser totalmente inaplicável.
Métodos de balanceamento para objetos não lineares
- Balanceamento passo a passo: Este método envolve a redução gradual do desequilíbrio através da instalação de pesos corretivos em cada etapa. Após cada etapa, são realizadas medições de vibração e um novo peso corretivo é determinado com base no estado atual do objeto. Esta abordagem leva em consideração as alterações no coeficiente de influência durante o processo de balanceamento.
- Balanceamento a várias velocidades: Os coeficientes de influência dependem da velocidade, pelo que um rotor que tenha de funcionar num intervalo alargado de velocidades pode necessitar de coeficientes medidos a mais do que uma velocidade. Este é o domínio da equilibragem modal (multivelocidade) de rotores flexíveis e exige um objeto linear e repetível, vários planos de correção e, em regra, uma máquina de equilibrar. Não é uma solução alternativa para um objeto não linear, nem significa equilibrar perto de uma ressonância — as velocidades de medição devem continuar a ser escolhidas afastadas das velocidades críticas. O Balanset-1A implementa o método do coeficiente de influência a velocidade única: todas as execuções (Run 0 / Run 1 / Run 2 / Run T) devem ser realizadas à mesma velocidade de rotação.
- Usando modelos matemáticos: Para objetos não lineares complexos, modelos matemáticos que descrevem a dinâmica do rotor enquanto consideram efeitos não lineares podem ser empregados. Esses modelos ajudam a prever o comportamento do objeto sob várias condições e determinam parâmetros de balanceamento ideais.
A experiência e a intuição de um especialista desempenham um papel crucial no balanceamento de objetos não lineares. Um balanceador experiente consegue reconhecer sinais de não linearidade, selecionar o método apropriado e adaptá-lo à situação específica. A análise dos espectros de vibração, a observação das mudanças na vibração conforme os parâmetros de operação do objeto variam e a consideração das características de projeto do rotor são fatores que auxiliam na tomada de decisões corretas e na obtenção dos resultados desejados.
Como balancear objetos não lineares utilizando uma ferramenta concebida para objetos lineares
Esta é uma boa pergunta. Meu método pessoal para balancear tais objetos começa com o reparo do mecanismo: substituição de rolamentos, soldagem de rachaduras, aperto de parafusos, verificação de âncoras ou isoladores de vibração e verificação de que o rotor não fricciona contra elementos estruturais estacionários.
De seguida, identifico as frequências de ressonância, uma vez que é impossível balancear um rotor a velocidades próximas da ressonância. Para isso, utilizo o método de impacto para determinação da ressonância (a função Bump Test no software do Balanset-1A) ou um gráfico de desaceleração do rotor (a função RunDown).
Em seguida, determino a posição do sensor no mecanismo: vertical, horizontal ou em ângulo.
Após as execuções de teste, o dispositivo indica o ângulo e o peso das cargas corretivas. Eu divido pela metade o peso da carga corretiva, mas uso os ângulos sugeridos pelo dispositivo para o posicionamento do rotor. Se a vibração residual após a correção ainda exceder o nível aceitável, eu realizo outra execução do rotor. Naturalmente, isso leva mais tempo, mas os resultados às vezes são inspiradores.
A arte e a ciência do balanceamento de equipamento rotativo
Balancear equipamentos rotativos é um processo complexo que combina elementos de ciência e arte. Para objetos lineares, o balanceamento envolve cálculos relativamente simples e métodos padrão. No entanto, trabalhar com objetos não lineares requer uma compreensão profunda da dinâmica do rotor, a capacidade de analisar sinais de vibração e a habilidade de escolher as estratégias de balanceamento mais eficazes.
Experiência, intuição e melhoria contínua de habilidades são o que tornam um balanceador um verdadeiro mestre em seu ofício. Afinal, a qualidade do balanceamento não apenas determina a eficiência e a confiabilidade da operação do equipamento, mas também garante a segurança das pessoas.
Repetibilidade da medição
Problemas de medição também desempenham um papel importante. A instalação incorreta de sensores de vibração, mudanças nos pontos de medição ou a orientação inadequada do sensor afetam diretamente a amplitude e a fase. Para o balanceamento, não basta medir a vibração; a repetibilidade e a estabilidade das medições são cruciais. Por isso, na prática, os locais e orientações de montagem dos sensores devem ser rigorosamente controlados.
Abordagem prática para objetos não lineares
O balanceamento de um objeto não linear sempre começa não com a instalação de um peso de teste, mas com a avaliação do comportamento vibratório. Se a amplitude e a fase apresentarem variações significativas ao longo do tempo, mudarem de uma partida para outra ou reagirem bruscamente a pequenas variações de velocidade, a primeira tarefa é encontrar o modo de operação mais estável possível. Sem isso, quaisquer cálculos serão aleatórios.
O primeiro passo prático é escolher a velocidade correta. Objetos não lineares são extremamente sensíveis à ressonância, portanto, o balanceamento deve ser realizado a uma velocidade o mais distante possível das frequências naturais. Isso geralmente significa operar abaixo ou acima da faixa de operação usual. Mesmo que a vibração nessa velocidade seja maior, mas estável, é preferível ao balanceamento em uma zona de ressonância.
Em seguida, é importante minimizar todas as fontes de não linearidade adicionais. Antes do balanceamento, todos os fixadores devem ser verificados e apertados, as folgas eliminadas ao máximo e os suportes e unidades de rolamento inspecionados quanto a folgas. O balanceamento não compensa folgas ou atrito, mas isso pode ser possível se esses fatores forem estabilizados.
Ao trabalhar com um objeto não linear, pesos de teste pequenos não devem ser usados por hábito. Um peso de teste muito pequeno geralmente não consegue levar o sistema a uma região repetível, e a mudança na vibração torna-se comparável ao ruído de instabilidade. O peso de teste deve ser grande o suficiente para causar uma mudança clara e reproduzível no vetor de vibração, mas não tão grande a ponto de levar o objeto a um regime de operação diferente.
As medições devem ser realizadas rapidamente e em condições idênticas. Quanto menor o intervalo de tempo entre as medições, maior a probabilidade de os parâmetros dinâmicos do sistema permanecerem inalterados. É recomendável realizar diversas simulações de controle sem alterar a configuração para confirmar o comportamento consistente do objeto.
É muito importante fixar os pontos de montagem do sensor de vibração e sua orientação. Para objetos não lineares, mesmo um pequeno deslocamento do sensor pode causar mudanças perceptíveis na fase e na amplitude, que podem ser interpretadas erroneamente como efeito do peso de teste.
Nos cálculos, a atenção deve ser voltada não para a concordância numérica exata, mas para as tendências. Se a vibração diminuir consistentemente com correções sucessivas, isso indica que o balanceamento está progredindo na direção correta, mesmo que os coeficientes de influência não convirjam formalmente.
Não é recomendável armazenar e reutilizar coeficientes de influência para objetos não lineares. Mesmo que um ciclo de balanceamento seja bem-sucedido, na próxima inicialização o objeto pode entrar em um regime diferente e os coeficientes anteriores não serão mais válidos.
É importante lembrar que o balanceamento de um objeto não linear geralmente envolve compromissos. O objetivo não é alcançar a vibração mínima possível, mas sim levar a máquina a uma condição estável e repetível com um nível de vibração aceitável. Em muitos casos, essa é uma solução temporária até que os rolamentos sejam reparados, os suportes restaurados ou a estrutura modificada.
O principal princípio prático é estabilizar o objeto primeiro, depois equilibrá-lo e somente depois avaliar o resultado. Se a estabilização não puder ser alcançada, o equilíbrio deve ser considerado uma medida auxiliar e não uma solução definitiva.
Técnica de peso de correção reduzido
Na prática, ao equilibrar objetos não lineares, outra técnica importante costuma se mostrar eficaz. Se o instrumento calcula um peso de correção usando um algoritmo padrão, a aplicação do peso calculado integralmente frequentemente piora a situação: a vibração pode aumentar, a fase pode sofrer um salto e o objeto pode entrar em um modo de operação diferente.
Nesses casos, instalar um peso de correção reduzido funciona bem — duas ou até três vezes menor que o valor calculado pelo instrumento. Isso ajuda a evitar que o sistema seja "lançado" para fora da região condicionalmente linear, entrando em outro regime não linear. Na prática, a correção é aplicada suavemente, com um pequeno passo, sem causar uma mudança brusca nos parâmetros dinâmicos do objeto.
Após a instalação do peso reduzido, deve-se realizar um teste de controle e avaliar a tendência da vibração. Se a amplitude diminuir de forma constante e a fase permanecer relativamente estável, a correção pode ser repetida utilizando a mesma abordagem, aproximando-se gradualmente do nível mínimo de vibração alcançável. Este método passo a passo costuma ser mais confiável do que instalar o peso de correção calculado integralmente de uma só vez.
Essa técnica é especialmente eficaz para objetos com folgas, atrito seco e suportes macios-rígidos, onde a correção calculada completa leva imediatamente o sistema para fora da zona condicionalmente linear. O uso de massas de correção reduzidas permite que o objeto permaneça no regime de operação mais estável e possibilita alcançar um resultado prático mesmo quando o balanceamento é formalmente considerado impossível.
É importante entender que isso não é um "erro do instrumento", mas sim uma consequência da física dos sistemas não lineares. O instrumento calcula corretamente para um modelo linear, enquanto o engenheiro adapta o resultado na prática ao comportamento real do sistema mecânico.
Princípio final
Em última análise, o balanceamento bem-sucedido não se resume a calcular um peso e um ângulo. Requer a compreensão do comportamento dinâmico do objeto, sua linearidade, estabilidade vibratória e distância das condições de ressonância. O Balanset-1A fornece todas as ferramentas necessárias para medição, análise e cálculo, mas o resultado final é sempre determinado pela condição mecânica do próprio sistema. É isso que distingue uma abordagem formal da prática real de engenharia em diagnóstico de vibrações e balanceamento de rotores.
Perguntas e respostas
Este é um sinal de um objeto não linear. Num objeto linear, a amplitude da vibração é proporcional à quantidade de desequilíbrio, e a fase muda no mesmo ângulo que a posição angular do peso. Quando estas condições são violadas, o coeficiente de influência deixa de ser constante e o algoritmo de equilibragem padrão começa a produzir erros. As causas típicas são folgas nos rolamentos, apoios soltos, atrito e funcionamento perto de uma ressonância — que não é, em si, não linearidade, mas amplifica a vibração e destrói a repetibilidade das leituras (verifique com o Teste de Impacto (Bump Test)).
Um objeto linear é um sistema de rotor no qual, para a mesma velocidade de rotação, a amplitude da vibração é diretamente proporcional à magnitude do desbalanceamento, e a fase da vibração segue estritamente a posição angular da massa desbalanceada. Para tais objetos, o coeficiente de influência é constante e não depende da massa do peso de teste.
Um objeto não linear é um sistema no qual a proporcionalidade entre vibração e desequilíbrio e/ou a constância da relação de fase são violadas. A amplitude e a fase da vibração passam a depender da massa do peso de teste. Na maioria das vezes, isso está associado a folgas nos mancais, desgaste, atrito seco, suportes macios ou rígidos, ou ao contato com elementos estruturais mais rígidos.
Sim, mas o resultado é instável e depende do modo de operação. O balanceamento só é possível dentro de uma faixa limitada onde o objeto se comporta de forma condicionalmente linear. Fora dessa faixa, os coeficientes de influência mudam e a repetibilidade do resultado é perdida.
O coeficiente de influência é uma medida da sensibilidade da vibração a mudanças no desbalanceamento. Ele mostra o quanto o vetor de vibração mudará quando um peso de teste conhecido for instalado em um determinado plano a uma determinada velocidade.
O coeficiente de influência é instável se o objeto for não linear, se a vibração for instável ao longo do tempo ou se houver ressonância, aquecimento térmico, fixadores soltos ou condições de atrito variáveis. Nesses casos, partidas repetidas produzem valores de amplitude e fase diferentes.
Os coeficientes de influência armazenados só podem ser usados para rotores idênticos operando na mesma velocidade, sob as mesmas condições de instalação e rigidez de suporte. O objeto deve ser linear e resistente a vibrações. Mesmo uma pequena alteração nas condições torna os coeficientes antigos não confiáveis.
Durante o aquecimento, as folgas dos mancais, a rigidez do suporte, a viscosidade do lubrificante e o nível de atrito se alteram. Isso modifica os parâmetros dinâmicos do sistema e, consequentemente, a amplitude e a fase da vibração.
A instabilidade vibratória é uma mudança na amplitude e/ou fase ao longo do tempo a uma velocidade de rotação constante. O balanceamento depende da comparação de vetores de vibração; portanto, quando a vibração é instável, a comparação perde o sentido e o cálculo torna-se não confiável.
Existem instabilidades estruturais inerentes, instabilidade lenta ("rastejante"), variação de inicialização para inicialização, instabilidade relacionada ao aquecimento e instabilidade relacionada à ressonância quando se opera próximo às frequências naturais.
Na zona de ressonância, mesmo um pequeno desequilíbrio provoca um aumento acentuado da vibração, e tanto a amplitude como a fase tornam-se extremamente sensíveis a pequenas variações de velocidade. A própria ressonância não é não linearidade — um sistema linear tem ressonâncias, e na ressonância a vibração continua proporcional ao desequilíbrio. O que se perde é a repetibilidade: a dispersão normal da velocidade de rotação perto da velocidade crítica altera o vetor medido muito mais do que o peso de ensaio, pelo que o coeficiente de influência medido nesta zona é impraticável de utilizar. A velocidade de equilibragem deve ser afastada da frequência natural antes de se tentar a equilibragem.
Os sinais típicos são um aumento acentuado da vibração com pequenas variações de velocidade, fase instável, elevações largas no espetro, e elevada sensibilidade da vibração a pequenas variações de RPM. Observa-se frequentemente um máximo de vibração durante a aceleração ou a desaceleração. O indicador mais fiável é a fase: à medida que a velocidade atravessa uma ressonância, o atraso de fase passa por cerca de 90° no pico e inverte-se em aproximadamente 180° acima dele. Observe a leitura de fase durante uma aceleração ou desaceleração lenta — uma variação de 180° juntamente com um máximo de amplitude localiza a velocidade crítica.
Vibrações intensas podem ser causadas por ressonância, estruturas soltas, defeitos na fundação ou problemas nos rolamentos. Nesses casos, o balanceamento não eliminará a causa da vibração.
O deslocamento vibratório caracteriza a amplitude do movimento, a velocidade vibratória caracteriza a rapidez desse movimento e a aceleração vibratória caracteriza a aceleração. Essas grandezas estão relacionadas, mas cada uma é mais adequada para detectar certos tipos de defeitos e faixas de frequência.
A velocidade de vibração reflete o nível de energia da vibração numa ampla gama de frequências e é conveniente para avaliar o estado geral das máquinas de acordo com normas ISO como ISO 10816-1.
A conversão correta só é possível para vibrações harmônicas de frequência única. Para espectros de vibração complexos, essas conversões fornecem apenas resultados aproximados.
Possíveis causas incluem ressonância, defeitos na fundação, fixadores soltos, desgaste dos rolamentos, desalinhamento ou não linearidade do objeto. O balanceamento remove apenas o desbalanceamento, não outros defeitos.
Caso não sejam detectados defeitos mecânicos e a vibração não diminua após o balanceamento, é necessário analisar a distribuição da vibração na máquina e na fundação. Os sinais típicos são alta vibração da carcaça e da base, e defasagens entre os pontos de medição.
A instalação incorreta do sensor distorce a amplitude e a fase, reduz a repetibilidade da medição e pode levar a conclusões de diagnóstico incorretas e resultados de balanceamento errôneos.
A vibração se distribui de forma desigual por toda a estrutura. A rigidez, as massas e os modos de vibração diferem, de modo que a amplitude e a fase podem variar significativamente de ponto a ponto.
Em regra geral, não. O desgaste e o aumento das folgas tornam o objeto não linear. O balanceamento torna-se instável e não proporciona um resultado a longo prazo. Exceções são possíveis apenas com folgas de projeto e condições estáveis.
A partida gera altas cargas dinâmicas. Se a estrutura estiver solta, as posições relativas dos elementos mudam após cada partida, levando a alterações nos parâmetros de vibração.
O balanceamento em série é possível para rotores idênticos instalados sob condições idênticas, com estabilidade vibracional e ausência de ressonância. Nesse caso, os coeficientes de influência do primeiro rotor podem ser aplicados aos subsequentes.
Isso geralmente ocorre devido a mudanças na rigidez do suporte, diferenças de montagem, alterações na velocidade de rotação ou transição do objeto para um regime de operação não linear.
Redução da vibração a um nível estável, mantendo a repetibilidade da amplitude e da fase de um início ao outro, e ausência de sinais de ressonância ou não linearidade.
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko é engenheiro de análise de vibrações e fundador e diretor executivo da Vibromera. Há mais de 15 anos que equilibra equipamentos rotativos no terreno e não numa bancada de ensaio: destroçadores, ventiladores industriais, britadeiras, centrifugadoras, veios e fusos. Foi desse trabalho que nasceram os instrumentos Balanset — foram concebidos como uma ferramenta que o técnico pode levar até à máquina e utilizar sozinho, no local, e não como equipamento de laboratório. A Vibromera foi fundada em 2017 e, desde 2023, está sediada no Porto, em Portugal. É aqui que decorrem o desenvolvimento, a montagem e o apoio à linha Balanset. O instrumento de referência é o Balanset-1A, um analisador portátil para equilibragem em um e dois planos e para diagnóstico de vibrações. Nikolai participa pessoalmente no apoio ao cliente, na resolução de casos de equilibragem difíceis e no desenvolvimento do software. Trabalha com clientes em todo o mundo, em qualquer idioma.
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