Entendendo a Ressonância de Quadros

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Definição: O que é ressonância de quadro?

Ressonância de quadro é um tipo específico de ressonância estrutural onde a própria estrutura, carcaça, invólucro ou invólucro da máquina vibra em um de seus pontos de contato. frequências naturais Em resposta à excitação dos componentes rotativos. Ao contrário das ressonâncias de fundação ou pedestal, que envolvem a estrutura de suporte, a ressonância da estrutura envolve o próprio corpo da máquina — a estrutura de ferro fundido ou aço fabricado que envolve os elementos rotativos.

A ressonância da estrutura é comum em máquinas com carcaças grandes e relativamente leves, como ventiladores, sopradores, bombas e motores. Ela geralmente se manifesta como ruído excessivo, vibração visível das coberturas ou painéis e alta vibração leituras no quadro que são desproporcionais à vibração real do rotor.

Situações comuns de ressonância de quadro

Carcaças de motores e geradores

• Frequências Naturais: Normalmente entre 50 e 400 Hz, dependendo do tamanho e da construção.
• Excitação: 1× (desequilíbrio), 2× frequência da linha (120 Hz para motores de 60 Hz), forças eletromagnéticas
• Sintomas: Vibração da estrutura muito maior que a vibração dos rolamentos; zumbido ou ruído audível.
• Gravidade: A vibração na estrutura pode ser de 5 a 10 vezes maior do que nos rolamentos.

Carcaças de ventiladores e sopradores

• Frequências Naturais: 20-200 Hz para ventiladores industriais típicos
• Excitação: frequência de passagem da lâmina (número de lâminas × RPM)
• Sintomas: Painéis da estrutura vibrando violentamente; ruído aerodinâmico intenso
• Característica: Pode ocorrer apenas em velocidades ou condições de fluxo específicas.

Carcaças de bombas

• Frequências Naturais: 30-300 Hz, dependendo do projeto da caixa.
• Excitação: Frequência de passagem da pá, pulsações hidráulicas
• Sintomas: Vibração da carcaça, ruído, potencial para fissuras por fadiga.
• Acoplamento hidráulico: A carcaça preenchida com fluido pode acoplar a vibração do rotor e da carcaça.

Carcaças da caixa de câmbio

• excitação da frequência de engrenamento
• As frequências naturais da estrutura frequentemente se sobrepõem às frequências da malha.
• Ruído característico e alto da engrenagem quando em ressonância.

Assinatura e Detecção de Vibração

Sintomas característicos

• Dependente da localização: A vibração varia drasticamente ao longo da superfície da estrutura (diferenças de até 10 vezes são comuns).
• Rolamento vs. Quadro: Vibração da estrutura >> vibração do rolamento (pode ser de 3 a 10 vezes maior)
• Frequência específica: Somente na frequência de ressonância; outras frequências são normais.
• Sensível à velocidade: Severo em faixa de velocidade estreita (±10-20% da velocidade de ressonância)
• Movimento visual: O movimento dos fotogramas é frequentemente visível a olho nu.

Testes de Diagnóstico

Teste de impacto (colisão)

• Golpeie a estrutura com um martelo de borracha ou um martelo instrumentado.
• Medir a resposta com acelerômetro
• Identifique as frequências naturais do quadro a partir dos picos na resposta de frequência.
• Compare com as frequências de operação (1×, 2×, passagem da lâmina, etc.)

Pesquisa de Acelerômetro Móvel

• Meça a vibração em vários pontos ao longo da estrutura durante a operação.
• Criar mapa de vibração mostrando áreas de alta e baixa vibração
• O padrão revela o modo de vibração (flexão, torção, deformação do painel).
• Identifica antinós (movimento máximo) e nós (movimento mínimo).

Medição da função de transferência

• Medir a coerência entre a vibração do rolamento (entrada) e a vibração da estrutura (saída).
• A alta coerência em uma frequência específica confirma a ressonância.
• A função de transferência mostra o fator de amplificação.

Soluções e Mitigação

Modificações de enrijecimento

Adicionar nervuras ou reforços estruturais

• Aumentar a rigidez à flexão da estrutura
• Aumenta as frequências naturais acima da faixa de excitação.
• Relativamente econômico e eficaz.
• Pode ser adaptado a equipamentos existentes.

Aumentar a espessura do material

• Reforçar paredes ou painéis de estrutura
• Aumenta significativamente a rigidez e a frequência.
• Pode exigir modificações no projeto e novas peças fundidas/fabricadas.

Tirantes e contraventamentos estruturais

• Conecte os lados opostos da estrutura para evitar flexão.
• O reforço cruzado aumenta a rigidez torsional.
• Pode ser adicionado externamente sem modificações internas.

Adição em massa

• Frequência Natural Inferior: Adicionar massa reduz a frequência abaixo da faixa de excitação.
• Posicionamento estratégico: Adicione massa nas posições dos antinós para obter o efeito máximo.
• Massa sintonizada: Adição de massa cuidadosamente calculada para alterar o modo específico
• Troca: O aumento de peso pode não ser desejável para todas as aplicações.

Tratamentos de amortecimento

Amortecimento de camada restrita

• Material viscoelástico intercalado entre camadas de metal.
• Aplicado a grandes superfícies planas (painéis, revestimentos)
• Reduz a amplitude do pico de ressonância em 50-80%
• Eficaz na faixa de 20 a 500 Hz

Amortecimento da camada livre

• Material de amortecimento colado diretamente à superfície vibratória
• Mais simples que a camada restrita, mas menos eficaz.
• Bom para aplicações com acessibilidade limitada.

Alterações operacionais

• Mudança de velocidade: Operar em velocidades onde não ocorre ressonância.
• Reduzir a força: Melhore o equilíbrio e o alinhamento para reduzir a amplitude da excitação.
• Mudanças no processo: Alterar o fluxo, a pressão ou a carga para alterar as frequências de excitação.

Prevenção no Design

Princípios de Design

• Rigidez adequada: Estrutura de projeto com frequências naturais > 2× a frequência de excitação mais alta
• Distribuição em massa: Evite massas concentradas que criem modos de baixa frequência.
• Entalhes e reforços: Incorpore elementos de reforço desde o início.
• Análise Modal: Análise de elementos finitos (FEA) durante o projeto para prever e otimizar as frequências naturais.

Verificação de Projeto

• Testes de protótipos com análise de impacto
• Medição da forma de deflexão operacional nas primeiras unidades
• Modifique o projeto antes da produção se forem encontradas ressonâncias.

Exemplo de caso

Situação: Motor de 75 HP acionando ventilador centrífugo, ruído e vibração excessivos.

• Sintomas: Vibração da estrutura do motor: 12 mm/s; vibração do rolamento: apenas 2,5 mm/s
• Freqüência: 120 Hz (2× a frequência da rede para um motor de 60 Hz)
• Teste de impacto: Frequência natural do quadro revelada em 118 Hz
• Causa raiz: Estrutura ressonante na frequência de excitação eletromagnética
• Solução: Adicionadas quatro cantoneiras de reforço conectando os pés do motor às tampas das extremidades.
• Resultado: A frequência natural da estrutura foi alterada para 165 Hz e a vibração caiu para 3,2 mm/s.
• Custo: $200 em materiais vs. $8000 para substituição do motor

A ressonância da estrutura é um problema de vibração comum, porém frequentemente diagnosticado incorretamente. Reconhecer os sintomas característicos (alta vibração da estrutura em relação à vibração dos mancais, específica da frequência, dependente da localização) e aplicar técnicas de diagnóstico adequadas (teste de impacto, análise ODS) permite soluções direcionadas que podem reduzir drasticamente a vibração a um custo moderado.

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