Compreender a Ressonância da Estrutura
Ressonância da estrutura é uma forma específica de ressonância estrutural em que a própria estrutura, caixa, carcaça ou invólucro de uma máquina vibra numa das suas frequências naturais em resposta à excitação proveniente dos componentes rotativos. Ao contrário da fundação ou pedestal Ao contrário das ressonâncias que envolvem a estrutura de suporte por baixo da máquina, a ressonância da estrutura reside no próprio corpo da máquina — a estrutura de ferro fundido ou de aço fabricado que envolve os elementos rotativos. Quando uma frequência de excitação coincide com uma frequência natural da estrutura, ressonância amplifica o movimento muito além do que a força motriz, por si só, provocaria.
A ressonância da estrutura é comum em máquinas com caixas grandes e relativamente leves — ventiladores, sopradores, bombas e motores. Normalmente manifesta-se através de ruído excessivo, vibração visível nas tampas ou painéis e alta vibração valores de medição na estrutura que estão totalmente desproporcionados em relação à vibração real do rotor. Como o sintoma parece alarmante, a ressonância da estrutura é um dos problemas mais frequentemente mal diagnosticados na prática: um analista vê um valor de medição muito elevado e considera que um rotor está desequilibrado, quando na verdade está perfeitamente equilibrado.
1. Definição: O que é a ressonância da estrutura?
Todas as estruturas têm um conjunto de frequências naturais e formas modais associadas nas quais tendem a flexionar. A estrutura de uma máquina não é exceção. As suas paredes, extremidades, pés e painéis apresentam, cada um, modos de flexão e torção, e um painel de cobertura fino pode ter vários modos próprios dentro da gama audível. Desde que essas frequências não coincidam com as frequências de excitação da máquina, a estrutura transmite simplesmente a força de forma silenciosa. Os problemas começam quando uma frequência de funcionamento coincide com um modo da estrutura e esta começa a vibrar.
A característica distintiva da ressonância da estrutura é amplification: a estrutura move-se várias vezes mais do que os rolamentos que a rodeiam. A energia provém do rotor, mas a resposta é da estrutura. É por isso que as medições efetuadas na estrutura podem apresentar valores cinco a dez vezes superiores aos das medições realizadas na caixa do rolamento, a apenas alguns centímetros de distância. A propriedade subjacente que determina onde estes modos se manifestam é rigidez em relação à massa — ao aumentar a rigidez da estrutura, as frequências aumentam; ao aumentar a massa, elas diminuem.
2. Situações comuns de ressonância da estrutura
Estruturas de motores e geradores
- Frequências naturais: normalmente entre 50 e 400 Hz, dependendo do tamanho e da construção.
- Excitação: 1× (desequilíbrio), o dobro da frequência da rede (120 Hz numa alimentação de 60 Hz, 100 Hz numa de 50 Hz) e as forças eletromagnéticas associadas à frequência elétrica.
- Sintomas: vibração da estrutura muito superior à vibração dos rolamentos; um zumbido ou ruído audível.
- Severidade: a estrutura pode apresentar valores 5 a 10 vezes superiores aos dos rolamentos.
Caixas de ventiladores e sopradores
- Frequências naturais: 20–200 Hz para ventiladores industriais típicos.
- Excitação: frequência de passagem da pá (número de pás × RPM).
- Sintomas: Painéis da estrutura vibrando violentamente; ruído aerodinâmico intenso
- Característica: podem ocorrer apenas a determinadas velocidades ou em determinadas condições de fluxo.
Pump casings
- Frequências naturais: 30–300 Hz, dependendo do modelo da caixa.
- Excitação: frequência de passagem da palheta e pulsações hidráulicas.
- Sintomas: vibração da carcaça, ruído e risco de fissuras por fadiga.
- Acoplamento hidráulico: Um invólucro cheio de fluido pode acoplar as vibrações do rotor e do invólucro, complicando a situação.
Caixas de engrenagens
- Excited by frequência de engrenamento.
- As frequências naturais da estrutura sobrepõem-se frequentemente à frequência de engrenamento e às suas harmónicas.
- Produz um ruído agudo característico das engrenagens quando entra em ressonância.
3. Padrão de vibração e deteção
Sintomas característicos
- Depende da localização: A vibração varia drasticamente ao longo da superfície da estrutura — são comuns diferenças de 10 vezes entre pontos.
- Rolamento vs. estrutura: A vibração da estrutura excede em muito a vibração dos rolamentos (muitas vezes entre 3 e 10 vezes).
- Específico para cada frequência: O problema surge apenas na frequência de ressonância; as outras frequências parecem normais.
- Sensível à velocidade: grave dentro de uma faixa estreita (±10–20 % da velocidade de ressonância).
- Visual motion: O movimento da estrutura é frequentemente visível a olho nu.
Teste de impacto (colisão)
O teste definitivo. Bata na estrutura com um martelo de borracha ou um martelo com sensores e meça a resposta com um acelerômetro, e determine as frequências naturais da estrutura a partir dos picos na resposta em frequência. A comparação desses picos com as frequências de funcionamento (1×, 2×, passagem das pás, etc.) revela imediatamente qualquer coincidência perigosa. Ver teste de impacto e ensaio de impacto para consultar o procedimento completo.
Inquérito com acelerómetro móvel
Com a máquina em funcionamento, meça a vibração em vários pontos ao longo da estrutura e elabore um mapa de vibração indicando as áreas de alta e baixa vibração. O padrão revela a forma modal — flexão, torção ou flexão dos painéis — e localiza os antinodos (movimento máximo) e os nodos (movimento mínimo). Um completo análise da forma de deflexão operacional (ODS) anima este movimento, e a análise modal formal análise modal extrai os modos subjacentes.
Medição da função de transferência
Meça o coerência entre a vibração do rolamento (a entrada) e a vibração da estrutura (a saída). Uma elevada coerência numa frequência específica confirma que o movimento da estrutura é impulsionado pela força exercida pelo rotor e entra em ressonância com esta. O função de transferência ela própria quantifica o fator de amplificação.
4. Confirmar a ressonância no terreno
Antes de reforçar qualquer estrutura ou de intervir em qualquer rotor, é necessário confirmar o diagnóstico — o que implica medir o comportamento real do rotor separadamente do da estrutura. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A simplifica isto: um analista pode registar amplitude e fase e o espetro completo na caixa do rolamento; em seguida, desloque o sensor para o painel suspeito e observe o nível subir na frequência de ressonância enquanto a fase varia ao longo do modo estrutural. Se a vibração 1× do rotor for modesta no rolamento, mas enorme na estrutura, o veredicto é ressonância, e não desequilíbrio. O mesmo instrumento permite-lhe fazer um equilíbrio de teste do rotor para descartar ou confirmar o desequilíbrio, e executar uma desaceleração (coast-down) para que o pico de ressonância apareça à medida que a velocidade o atravessa.
5. Soluções e medidas de mitigação
Alterações de reforço
- Adicionar nervuras estruturais ou reforços: aumenta a rigidez à flexão, eleva a frequência natural para acima da gama de excitação, é económica e pode ser adaptada a equipamentos já existentes.
- Aumentar a espessura do material: O aumento significativo da espessura das paredes ou dos painéis da estrutura aumenta consideravelmente a rigidez e a frequência, embora possa exigir novas peças fundidas ou de fabrico.
- Ligações estruturais e contraventamentos: A ligação entre os lados opostos da estrutura evita a flexão; o contraventamento cruzado confere rigidez à torção e pode, muitas vezes, ser instalado externamente.
Mass addition
- Reduzir a frequência natural: adicionar massa para reduzir a frequência para um valor inferior ao intervalo de excitação.
- Localização estratégica: Adicione massa nos pontos de antinó para obter o máximo efeito.
- Tuned mass: uma massa cuidadosamente calculada desloca um modo problemático específico.
- Compromisso: O peso adicional não é desejável em todas as aplicações.
Quer opte por aumentar ou diminuir a frequência, um cálculo rápido permite-lhe evitar a próxima banda de ressonância. A calculadora da frequência natural de fundações e um calculadora do rácio de amortecimento ajudá-lo a estimar onde uma estrutura modificada ficará antes de se cortar qualquer peça de metal.
Tratamentos de amortecimento
- Amortecimento por camada restrita: uma camada viscoelástica inserida entre camadas metálicas, aplicada em painéis planos de grandes dimensões e tampas. Reduz o pico de ressonância em 50–80 % e funciona bem na faixa de frequências entre aproximadamente 20 e 500 Hz.
- Amortecimento da camada livre: material amortecedor colado diretamente à superfície vibratória — mais simples do que a técnica de camada restringida, mas menos eficaz; útil em situações em que o acesso é limitado.
Alterações operacionais
- Alteração de velocidade: funcionar a uma velocidade em que não ocorra ressonância.
- Reduzir a excitação: improve equilíbrio e alinhamento para reduzir a amplitude de excitação que alimenta a ressonância.
- Alterações ao processo: Alterar o fluxo, a pressão ou a carga para alterar as frequências de excitação.
6. Prevenção na conceção
Princípios de conceção
- Rigidez adequada: conceber a estrutura de forma a que as suas frequências naturais se situem acima do dobro da frequência de excitação mais elevada.
- Distribuição de massa: evitar concentrações de massa que criem modos de baixa frequência.
- Nervuras e reforços: integrar elementos de reforço desde o início.
- Análise modal: utilizar a análise por elementos finitos (FEA) durante a fase de projeto para prever e otimizar as frequências naturais.
Verificação do projeto
- Testes de protótipos com análise de impacto.
- Medição da forma de deflexão em funcionamento nas primeiras unidades construídas.
- Se forem detetadas ressonâncias, reveja o projeto antes da produção.
7. Exemplo de caso
Situação: um motor de 75 CV que aciona um ventilador centrífugo, com ruído e vibração excessivos.
- Sintomas: vibração da estrutura do motor de 12 mm/s; vibração do rolamento de apenas 2,5 mm/s.
- Freqüência: 120 Hz (o dobro da frequência da rede elétrica numa alimentação de 60 Hz).
- Impact test: revelou uma frequência natural da estrutura de 118 Hz — quase exatamente na frequência de excitação.
- Causa raiz: a estrutura estava a entrar em ressonância à frequência de excitação eletromagnética.
- Solução: Foram adicionados quatro reforços de cantoneira, ligando os pés do motor às tampas das extremidades.
- Resultado: a frequência natural da estrutura passou para 165 Hz e a vibração diminuiu para 3,2 mm/s — voltando confortavelmente para o intervalo aceitável abaixo de ISO 20816-3 (a norma que substitui a ISO 10816-3).
- Custo: cerca de 200 dólares em materiais, contra cerca de 8 000 dólares pela substituição do motor.
A ressonância da estrutura é um problema de vibração comum, mas frequentemente mal diagnosticado. Reconhecer os sintomas reveladores — vibração elevada da estrutura em relação à vibração dos rolamentos, com frequências bem específicas e fortemente dependente da localização — e aplicar as técnicas de diagnóstico adequadas (testes de impacto e análise ODS) permite encontrar soluções específicas que podem reduzir drasticamente a vibração a um custo muito modesto.
