Entendendo 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 acelerômetro ou transdutor de velocidade montado paralelamente ao eixo do eixo.
- Locais típicos: tampas das caixas de rolamentos, tampas dos motores ou caixas de rolamentos de empuxo.
- 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.
- Rolamento axial insuficiente 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:
- Bombear 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.
- Surgindo: O surto do compressor provoca uma vibração axial violenta.
- Recirculação: funcionamento fora das condições nominais que provoca instabilidades de fluxo.
Frouxidão mecânica
Folgas excessivas permitem que o rotor se desloque axialmente:
- Superfícies dos rolamentos de empuxo desgastadas.
- Componentes de acoplamento flexível.
- 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.
- Tubo flexível instalado 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 exerce uma força de empurrar ou puxar sobre 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 a 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.
- Surto: 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-picos: implementar medidas eficazes de prevenção de picos de tensão 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 eixo, 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.
Coleta 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 eixo | Paralelo ao eixo do eixo |
| Amplitude típica | Mais alto | Inferior (normalmente < 50 % do radial) |
| Primary causes | Desequilíbrio, veio curvado, com defeitos | Desalinhamento, problemas com rolamentos de empuxo, forças do processo |
| Valor diagnóstico | Estado geral da máquina | Específico para problemas de desalinhamento e empuxo |
| 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 um tacômetro referência de fase — revelando a característica diferença de fase axial de 180° do desalinhamento, e a relação 1×/2× harmônico pattern in the FFT espectro, imediatamente visível. Essa mesma comparação evita um erro dispendioso: a vibração radial elevada de 1× é facilmente atribuída a desequilíbrio, mas uma forte componente axial correspondente aponta, pelo contrário, para um desalinhamento, que nenhuma quantidade de equilíbrio 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: detecção de forças hidráulicas e cavitação.
- Compressores: Monitorização dos rolamentos axiais e deteção de surtos.
- 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 detectariam são reveladas pelo padrão axial — e é precisamente por isso que uma análise minuciosa monitorização do estado O programa mede sempre as três direções.
