Entendendo a vibração assíncrona
vibração assíncrona (também designada vibração não síncrona) é vibração em frequências que são não múltiplos inteiros exatos — ordens — da velocidade de rotação do eixo. Ao contrário de vibração síncrona de desequilíbrio ou desalinhamento (que aparece sempre a 1×, 2× ou 3× da velocidade de rotação), a vibração assíncrona ocorre a frequências determinadas pela geometria dos componentes, por efeitos eletromagnéticos ou por fontes externas, e não pela rotação do próprio eixo.
Distinguir conteúdo síncrono de conteúdo assíncrono é uma das competências mais fundamentais na área da maquinaria diagnóstico, porque essa distinção restringe imediatamente a busca pela causa. Os componentes síncronos apontam para problemas relacionados com a massa rotativa ou com a geometria do rotor; os componentes assíncronos, por sua vez, apontam para defeitos nos elementos rolantes, falhas elétricas ou influências provenientes de fora do rotor. Acertar nesta classificação logo no início evita que um analista tenha de, por exemplo, equilibrar uma máquina cujo verdadeiro problema é um rolamento com defeito.
1. Síncrono vs. assíncrono: a principal diferença
O limite é definido inteiramente pelo ordem — a relação entre a frequência de vibração e a frequência da velocidade de rotação. Um pico numa ordem exata de número inteiro é síncrono e está sincronizado com a rotação do eixo; um pico numa ordem fracionária é assíncrono e obedece a outro ritmo.
- Síncrono (ordens inteiras): 1,00×, 2,00×, 3,00× — desequilíbrio, desalinhamento, a veio curvado, certain folga patterns.
- Assíncrono (ordens não inteiras): 2,47×, 3,57×, 0,45× — defeitos nos rolamentos, linhas elétricas, instabilidades subsíncronas e fontes externas.
Uma subcategoria útil é a subharmónico — energy abaixo 1× (por exemplo, um pico de 0,5× resultante de uma folga excessiva ou atrito). As sub-harmónicas são uma forma de conteúdo assíncrono e coexistem com as instabilidades subsíncronas, que serão abordadas mais adiante.
2. Fontes comuns de vibração assíncrona
Defeitos nos rolamentos de elementos rolantes (os mais comuns)
De longe, a principal fonte de vibração assíncrona:
- Frequências de falhas em rolamentos: BPFO, BPFI, BSF e FTF são determinadas pela geometria do rolamento e nunca são múltiplos exatos da velocidade do eixo.
- Exemplo: Um motor de 1800 RPM (30 Hz) pode apresentar uma BPFO de 107 Hz — ou seja, 3,57 vezes a velocidade do eixo, o que claramente não é um número inteiro.
- Valor diagnóstico: Uma frequência assíncrona suscita imediatamente suspeitas de um problema nos rolamentos.
- Deteção: análise de envelope é a principal técnica utilizada para revelar estes componentes, muitas vezes muito antes de estes aparecerem no espectro normal.
Frequências elétricas
Vibração eletromagnética não relacionada com a velocidade do eixo:
- 2× a frequência da rede: 120 Hz em redes de 60 Hz ou 100 Hz em redes de 50 Hz, independentemente da velocidade do motor.
- Exemplo: Um motor de 2 pólos a 60 Hz funciona a cerca de 3550 RPM (59,2 Hz), mas a sua vibração ao dobro da frequência da rede situa-se nos 120 Hz — 2,03 vezes a velocidade do eixo, portanto assíncrona.
- frequência de passagem do polo: pode não ser um múltiplo inteiro exato.
- VFD harmonics: As frequências de comutação do acionamento não têm qualquer relação com a velocidade do eixo.
Fontes externas
- Equipamento adjacente: vibração transmitida pelo chão a partir de máquinas próximas.
- Edifício ou fundação: ressonâncias estruturais em frequências fixas.
- Pulsações do processo: ondas de pressão que se propagam nas tubagens.
- Ressonâncias acústicas: ondas estacionárias em condutas ou compartimentos.
Instabilidades subsíncronas
- Redemoinho de óleo: normalmente 0,42–0,48 vezes a velocidade do eixo (não exatamente metade).
- Chicote de óleo: fixa-se à frequência natural do rotor frequência natural, e não à velocidade do eixo.
- Instabilidades da vedação: frequentemente a frequências determinadas pela dinâmica dos fluidos. Estes são exemplos clássicos de instabilidade do rotor.
Vibração aleatória
- Cavitação: colapso aleatório da bolha, banda larga.
- Turbulência: flutuações aleatórias do fluxo.
- Fricção: contato caótico que gera vibrações não periódicas.
3. Identificação em espectros
Características do espetro
- Frequência fixa: Aparece com o mesmo valor de Hz, independentemente das mudanças de velocidade.
- Order shifts: Se a velocidade variar, a frequência assíncrona altera a sua ordem (uma vez que a ordem é frequência ÷ velocidade do eixo).
- Gráfico em cascata: os componentes assíncronos aparecem como vertical linhas, componentes síncronos como diagonal linhas — a forma mais intuitiva de as distinguir.
- Espectro de ordem: os picos assíncronos surgem em ordens não inteiras (2,47×, 3,57×, e assim por diante).
Procedimento de Diagnóstico
- Identificar a velocidade de funcionamento a partir do pico 1× ou, de forma mais fiável, um tacómetro.
- Calcular as ordens dividindo cada frequência de pico pela frequência da velocidade de funcionamento.
- Integer orders (1,00×, 2,00×, 3,00×) são síncronas.
- Ordens com valores não inteiros (2,47×, 3,57×) são assíncronas.
- Corresponder aos tipos de falha comparando as frequências calculadas com as frequências dos rolamentos, das linhas elétricas e similares.
Em máquinas de velocidade variável, esta separação é mais nítida em análise de ordens, que referencia o eixo da frequência em múltiplos da velocidade de funcionamento, de modo a que os picos síncronos permaneçam imóveis enquanto os assíncronos se deslocam.
4. Importância diagnóstica
Defeitos de rolamento
- Picos assíncronos em BPFO, BPFI ou BSF sugerem imediatamente um problema no rolamento.
- Calcule as frequências teóricas dos rolamentos e compare-as com os picos observados.
- Uma correspondência dentro de cerca de ±5% confirma uma avaria no rolamento.
- Harmónicos e faixas laterais a frequência dos defeitos fornece mais uma confirmação.
Pode simplificar o cálculo com um calculadora da frequência de defeitos nos rolamentos, que calcula os valores de BPFO, BPFI, BSF e FTF diretamente a partir da geometria do rolamento e da velocidade do eixo.
Questões eletromagnéticas
- Uma linha de frequência de rede 2× a 100/120 Hz aponta para stator ou air-gap problemas.
- A frequência permanece constante, independentemente das variações de velocidade.
- A análise da corrente do motor confirma a origem elétrica.
Vibração externa
- Picos que não correspondem nem à velocidade da máquina nem às frequências dos rolamentos.
- Podem coincidir com a velocidade de funcionamento do equipamento nas proximidades.
- É necessário investigar a origem do problema, seguido do seu isolamento ou correção.
5. Técnicas de análise de vibrações assíncronas
Análise de Envelope
- A principal técnica para a deteção de defeitos nos rolamentos.
- Acentua os impactos repetitivos que geram conteúdo assíncrono.
- Suprime componentes síncronos de baixa frequência intensos.
- Mostra claramente as frequências dos rolamentos no resultado espetro de envelope.
Aceleração de alta frequência
- Os defeitos assíncronos nos rolamentos ocorrem frequentemente na gama de altas frequências (acima de 1 kHz).
- Utilização acelerómetros com um valor elevado de Fmax.
- Isto permite captar os impactos e as ressonâncias de alta frequência que as medições de velocidade de baixa frequência não detetam.
Análise de Cepstrum
- Análise de Cepstrum é eficaz na deteção de padrões periódicos ocultos em sinais assíncronos.
- Deteta famílias inteiras de harmónicos ou bandas laterais de uma só vez.
- Particularmente útil para rolamentos complexos e engrenagem signatures.
6. Exemplos práticos
Motor com um defeito no rolamento
- Running speed: 1750 RPM (29,17 Hz).
- Componentes síncronos: 1× a 29,17 Hz, 2× a 58,34 Hz.
- Componente assíncrono: um pico a 107 Hz (3,67 vezes a velocidade do eixo).
- Diagnóstico: 107 Hz corresponde ao BPFO calculado → defeito na pista exterior.
- Confirmação: A natureza assíncrona confirma que se trata de um problema nos rolamentos, e não de uma avaria no rotor.
Motor VFD em velocidade variável
- A velocidade do motor varia entre 1200 e 1800 RPM.
- O pico 1× varia em função da velocidade (síncrono).
- O pico de 120 Hz mantém-se (assíncrono, 2× a frequência da linha).
- Diagnóstico: um componente eletromagnético proveniente da alimentação de 60 Hz.
No terreno, esta separação constitui o trabalho quotidiano de um analisador portátil. Uma vez que um instrumento como o Balanset-1A Ao ler a velocidade de rotação através do seu tacómetro ótico em simultâneo com o espetro de vibração, consegue indicar imediatamente se um determinado pico é síncrono ou assíncrono — informando de imediato o engenheiro se a solução consiste em equilibrar o rotor ou substituir um rolamento. O reconhecimento de conteúdo assíncrono através das suas ordens não inteiras, da sua frequência fixa apesar das variações de velocidade ou da sua assinatura vertical num gráfico em cascata é o que permite a identificação precisa de defeitos nos rolamentos, problemas elétricos e influências externas — e indica o caminho para a ação corretiva adequada.
