Compreender a vibração axial em máquinas rotativas
Vibração axial (também chamada de vibração longitudinal ou de impulso) é o movimento de vaivém de um rotor na direção paralela ao seu eixo de rotação. Onde vibração lateral Enquanto o movimento lateral é perpendicular ao eixo, a vibração axial consiste no movimento do eixo para dentro e para fora ao longo do seu comprimento, tal como um pistão. A sua amplitude é normalmente inferior à vibração radial, mas é altamente indicativo de uma família específica de falhas — sobretudo desalinhamento, chumaceira axial problemas e questões relacionadas com os processos em bombas e compressores. Um analista experiente considera-o uma parte indispensável, e não opcional, de um conjunto completo de medições.
1. Características e medição
Direção e movimento
A vibração axial ocorre ao longo do eixo central do veio:
- O movimento é paralelo ao eixo de rotação.
- O rotor move-se para a frente e para trás num movimento recíproco.
- É normalmente medido nas caixas dos rolamentos ou nas extremidades dos eixos.
- A sua amplitude é normalmente menor do que a da vibração radial, mas, quando presente, é muito mais reveladora do ponto de vista diagnóstico.
Configuração da medição
A captura do movimento axial requer uma colocação cuidadosa dos sensores:
- Orientação do sensor: an acelerómetro ou transdutor de velocidade montado paralelamente ao eixo do veio.
- Locais típicos: tampas das caixas de rolamentos, tampas dos motores ou caixas de rolamentos de encosto.
- Sondas de proximidade: um sonda de proximidade O sensor, voltado para a extremidade do eixo, pode medir diretamente a posição axial.
- Importância: Frequentemente negligenciado, mas crucial para um diagnóstico completo da máquina.
2. Principais causas da vibração axial
Desalinhamento — a causa mais comum
Desalinhamento do eixo, e o desalinhamento angular, em particular, é a principal causa de vibração axial:
- Sintoma: vibração axial elevada de 1× ou 2× à velocidade de funcionamento.
- Mecanismo: Um desvio angular entre eixos acoplados gera uma força axial oscilante através do acoplamento a cada volta.
- Indicador de diagnóstico: Uma amplitude axial superior a 50 % da amplitude radial sugere fortemente um desalinhamento.
- Relação de fase: as leituras axiais nas extremidades motriz e não motriz apresentam normalmente um desfasamento de cerca de 180° fase.
Defeitos nos rolamentos axiais
Problemas com o rolamento de impulso que fixa a posição axial do eixo produz uma vibração axial característica:
- Desgaste ou danos nos rolamentos axiais.
- Pré-carga insuficiente do rolamento axial pré-carga.
- Falha do rolamento axial que permite uma folga axial excessiva.
- Problemas de lubrificação específicos das faces de empuxo.
Forças hidráulicas ou aerodinâmicas
As forças de processo em bombas, compressores e turbinas geram cargas axiais:
- Bomba cavitação: As bolhas de vapor que se colapsam geram forças de choque axiais.
- Desequilíbrio do impulsor: O fluxo assimétrico produz um impulso axial oscilante.
- Turbulência de fluxo axial: em compressores axiais e turbinas.
- Surge: O surto do compressor provoca uma vibração axial violenta.
- Recirculação: funcionamento fora das condições nominais que provoca instabilidades de fluxo.
Folga mecânica
Folgas excessivas permitem que o rotor se desloque axialmente:
- Superfícies dos rolamentos de empuxo desgastadas.
- Componentes de acoplamento soltos.
- Restrição axial inadequada no arranjo de rolamentos.
- Espaçadores ou calços gastos.
Problemas de acoplamento
O desgaste do acoplamento ou uma instalação incorreta provocam vibração axial:
- Dentes do acoplamento por engrenagem desgastados, permitindo a flutuação axial.
- Acoplamentos flexíveis instalados incorretamente acoplamentos.
- Erros no comprimento do espaçador de acoplamento.
- Ângulos das juntas universais que geram componentes de força axial.
Problemas relacionados com a dilatação térmica
A expansão térmica diferencial pode exercer forças axiais:
- A expansão térmica das tubagens empurra ou puxa o equipamento.
- Diferencial de aquecimento entre máquinas interligadas.
- Assentamento da fundação que perturba o alinhamento axial.
3. Importância diagnóstica
Diagnóstico de desalinhamento
A vibração axial é o melhor indicador de desalinhamento:
- Regra prática: Se a vibração axial exceder 50 % da vibração radial, suspeite de um desalinhamento.
- Conteúdo de frequência: predominantemente 2× para desalinhamento paralelo-deslocado; tanto 1× como 2× para desalinhamento angular.
- Análise de fase: Uma diferença de fase de 180° entre as leituras axiais nas extremidades opostas confirma o desalinhamento.
- Confirmação: vibração axial elevada que diminui acentuadamente após o alinhamento de precisão alinhamento do eixo confirma o diagnóstico.
Diagnóstico de bombas e compressores
Para equipamentos rotativos de manuseamento de fluidos:
- Cavitação: vibração axial de alta frequência, aleatória e de banda larga.
- Desequilíbrio hidráulico: 1× vibração axial resultante da carga assimétrica do impulsor.
- Surge: oscilação axial de grande amplitude e baixa frequência.
- Frequência de passagem da lâmina: Uma componente axial na frequência de passagem da pá indica problemas de fluxo.
Avaliação da condição dos rolamentos
- Um aumento repentino da vibração axial pode indicar a deterioração do rolamento de empuxo.
- A vibração axial nas frequências características de um defeito no rolamento de empuxo confirma a existência de um problema no rolamento.
- A folga axial excessiva medida com sensores de proximidade indica desgaste do rolamento.
4. Níveis e normas aceitáveis
Orientações gerais
As normas gerais relativas à vibração de máquinas — as normas modernas ISO 20816 série, que substituiu a norma ISO 10816 — centra-se principalmente na vibração radial, pelo que os limites axiais são normalmente definidos em relação a esta:
- Em relação ao radial: Em condições normais, a vibração axial deve permanecer abaixo de 50 % da vibração radial.
- Limites absolutos: normalmente 25–50 % do limite radial para a classe da máquina.
- Comparação com os valores de referência: um aumento de 50 a 100% em relação a linha de base merece ser investigado, independentemente do valor absoluto.
Normas específicas para equipamentos
- API 610 (bombas centrífugas): especifica os limites de vibração tanto radial como axial.
- API 617 (compressores centrífugos): inclui critérios de aceitação de vibração axial.
- Turbomáquinas: frequentemente monitorizados de forma contínua por meio de sensores específicos de posição axial e vibração axial, com o objetivo de API 670 práticas de proteção de máquinas.
5. Métodos de correção e mitigação
Em caso de desalinhamento
- Alinhamento preciso de eixos: utilizar ferramentas de alinhamento a laser para corrigir desalinhamentos angulares e paralelos.
- Correção do pé cavo: certifique-se de que todos os pés de montagem estão bem assentes antes de alinhar — consulte pata mole.
- Margem de dilatação térmica: ter em conta a dilatação causada pela temperatura de funcionamento ao definir os objetivos de alinhamento a frio.
- Alívio de tensão do tubo: eliminar as forças exercidas pelas tubagens que desalinham o equipamento.
No que diz respeito a problemas com rolamentos axiais
- Substitua os componentes desgastados do mancal de empuxo.
- Verifique se a pré-tensão e as folgas do rolamento axial estão corretas.
- Assegure uma lubrificação adequada das faces de empuxo.
- Verifique se a instalação e o calçamento estão corretos.
Para forças axiais relacionadas com o processo
- Eliminar a cavitação: aumentar a pressão de entrada, baixar a temperatura do fluido, desobstruir a entrada.
- Otimizar o ponto de funcionamento: manter as bombas e os compressores dentro dos limites para os quais foram concebidos.
- Equilibrar as forças hidráulicas: utilizar orifícios de equilíbrio ou aletas traseiras nos impulsores.
- Controlo anti-surge: implementar medidas eficazes de prevencao de surge nos compressores.
Em caso de problemas mecânicos
- Substitua os acoplamentos e os componentes dos acoplamentos que estejam gastos.
- Aperte as ligações mecânicas soltas.
- Verifique se as dimensões dos espaçadores e das calças estão corretas.
- Instale os acoplamentos de acordo com as especificações do fabricante.
6. Melhores práticas de medição
Instalação do sensor
- Montagem firme: Sempre que possível, opte por pinos ou adesivos em vez de ímanes para medições axiais — ver montagem do sensor.
- Verifique a orientação: certifique-se de que o sensor está verdadeiramente paralelo ao eixo do veio, e não inclinado.
- Both ends: medir a vibração axial tanto na extremidade motriz como na não motriz, para que seja possível comparar as fases.
- Sondas de proximidade: No caso de equipamentos críticos, instale sensores de posição axial permanentes.
Recolha de dados
- Recolha sempre dados axiais juntamente com medições radiais horizontais e verticais.
- Registe a relação de fase entre as leituras axiais em diferentes pontos.
- Compare as relações entre as amplitudes axial e radial.
- Trend vibração axial ao longo do tempo, para detetar precocemente eventuais problemas.
7. Vibração axial vs. vibração radial
Manter as duas direções distintas é fundamental para a identificação de falhas:
| Aspecto | Vibração radial (lateral) | Vibração axial |
|---|---|---|
| Direção | Perpendicular ao eixo do veio | Paralelo ao eixo do veio |
| Amplitude típica | Mais alto | Inferior (normalmente < 50 % do radial) |
| Primary causes | Desequilíbrio, veio curvado, defeitos nos rolamentos | Desalinhamento, problemas com rolamentos de empuxo, forças do processo |
| Valor diagnóstico | Estado geral da máquina | Específico para problemas de desalinhamento e de impulso |
| Prioridade de monitorização | Foco principal | Secundário, mas crucial para o diagnóstico. |
8. Diagnóstico prático no terreno
No terreno, o teste decisivo de vibração axial é comparativo: leia a amplitude e a fase axialmente em ambas as extremidades do rolamento e compare-as com as leituras radiais. Um medidor portátil de dois canais analisador de vibrações como o Balanset-1A é ideal para isso, porque os seus dois canais conseguem captar ambas as extremidades ao mesmo tempo através de uma tacómetro referência de fase — revelando a característica diferença de fase axial de 180° do desalinhamento, e a relação 1×/2× harmónico pattern in the FFT , mas uma forte componente axial correspondente aponta, pelo contrário, para um desalinhamento, que nenhuma quantidade de desequilíbrio, mas uma forte componente axial correspondente aponta, pelo contrário, para um desalinhamento, que nenhuma quantidade de equilibragem vai resolver o problema. Confirmar a direção do movimento dominante antes de recorrer aos pesos de teste é o que distingue uma reparação duradoura de uma tarde desperdiçada.
9. Aplicações industriais
A monitorização da vibração axial é especialmente útil para:
- Bombas centrífugas: deteção de forças hidráulicas e cavitação.
- Compressores: Monitorização dos rolamentos de impulso e deteção de pompagem.
- Turbinas: forças axiais nas pás e estado do rolamento de empuxo.
- Equipamento acoplado: verificação do alinhamento e do estado do acoplamento.
- Equipamento de processo: monitorização das condições de fluxo.
Embora a vibração axial seja frequentemente ofuscada pelo sinal radial, mais proeminente, os analistas experientes valorizam o seu valor diagnóstico. Muitas falhas que as medições radiais, por si só, não detetariam são reveladas pelo padrão axial — e é precisamente por isso que uma análise minuciosa monitorização do estado O programa mede sempre as três direções.
