Entendendo a vibração lateral em máquinas rotativas
vibração lateral — também conhecida como vibração radial ou transversal — é o movimento de um eixo rotativo perpendicular ao seu eixo de rotação. Em termos simples, trata-se do movimento lateral e vertical do eixo enquanto este gira. É, de longe, a forma mais comum de vibração em máquinas rotativas e é normalmente acionado por forças radiais, tais como desequilíbrio, desalinhamento, um eixo torto, ou defeitos de rolamento. Compreender isso é fundamental para dinâmica do rotor, porque é o principal modo de vibração na maioria dos equipamentos e o foco de quase toda a monitorização de vibrações e equilíbrio trabalhar.
1. Orientação e medição
A vibração lateral é medida no plano perpendicular ao eixo do eixo. Duas direções ortogonais descrevem-na na íntegra:
- Horizontal: movimento lateral paralelo ao solo.
- Vertical: movimento para cima e para baixo perpendicular ao solo.
- Radial: em qualquer direção perpendicular ao eixo do eixo — na prática, a combinação vetorial das componentes horizontal e vertical.
A distinção entre eixos horizontal e vertical não é meramente teórica: a rigidez do suporte costuma variar entre os dois, pelo que uma máquina vibra frequentemente mais num sentido do que no outro, sendo essa diferença, por si só, um indício diagnóstico. As medições são normalmente efetuadas em:
- Caixas de rolamentos: using an acelerômetro ou um transdutor de velocidade na tampa do rolamento ou no pedestal.
- Shaft surface: utilizando um método sem contacto sonda de proximidade que mede o movimento do eixo diretamente em relação ao rolamento.
- Várias orientações: As medições nas direções horizontal e vertical fornecem uma visão completa do movimento lateral.
2. Principais causas da vibração lateral
A vibração lateral tem várias origens, e o valor da análise reside no facto de cada uma delas deixar uma assinatura característica em termos de frequência, fase e trajetória.
Desequilíbrio (o mais comum)
Desequilíbrio é a causa mais frequente. Uma distribuição assimétrica da massa gera uma força centrífuga rotativa que provoca:
- Uma vibração a 1× — uma vez por volta a velocidade de funcionamento.
- Uma situação relativamente estável fase relationship.
- Uma amplitude que aumenta proporcionalmente ao quadrado da velocidade.
- De forma aproximadamente circular ou elíptica órbita do eixo.
Desalinhamento
Desalinhamento do eixo entre máquinas acopladas gera forças laterais que revelam:
- Um componente 2× dominante (duas vezes por volta).
- Excitação de harmónicos de 1.ª ordem e de ordens superiores.
- Muitas vezes, também apresenta uma componente axial elevada — uma característica distintiva fundamental.
- Relações de fase que diferem das do desequilíbrio.
Eixo torto ou curvado
Um eixo permanentemente dobrado ou curvado introduz uma excentricidade geométrica que provoca:
- 1× vibração que pode parecer um desequilíbrio.
- Vibração elevada, mesmo a baixas velocidades de rolamento.
- Uma condição que o simples equilíbrio não consegue resolver de verdade — a causa subjacente arco de eixo tem de ser resolvido.
Defeitos de rolamento
Rolamento de elementos rolantes os defeitos produzem uma assinatura lateral característica:
- Componentes de alta frequência nas frequências de falha dos rolamentos.
- Modulação por frequências mais baixas, criando faixas laterais.
- Uma assinatura que muitas vezes é necessária análise de envelope para extrair do ruído de banda larga.
Frouxidão mecânica
Rolamentos, bases ou parafusos de fixação soltos provocam a resposta não linear típica de frouxidão mecânica:
- Uma série de harmónicos (1×, 2×, 3×, …).
- Uma resposta não linear ao estímulo.
- Leituras irregulares ou instáveis.
Atrito entre o rotor e o estator
Contacto entre peças rotativas e fixas — a fricção do rotor — generates:
- Componentes subsíncronos.
- Alterações repentinas na amplitude e na fase.
- Possível deformação térmica do eixo devido ao aquecimento de um dos lados causado pelo atrito.
3. Vibração lateral vs. outros tipos de vibração
As máquinas rotativas podem vibrar em três direções principais, e distingui-las é o primeiro passo em qualquer diagnóstico.
| Tipo | Direção | Typical causes | Medição |
|---|---|---|---|
| Lateral (radial) | Perpendicular ao eixo do eixo | Desbalanceamento, desalinhamento, eixo torto, defeitos nos rolamentos | Acelerómetros ou sensores de velocidade nas caixas; sondas de proximidade no eixo |
| Axial | Paralelo ao eixo do eixo | Desalinhamento, problemas com rolamentos axiais, problemas no fluxo do processo | Acelerômetros montados axialmente |
| Torção | Rotação em torno do eixo | Problemas com o engrenagem, problemas elétricos do motor, problemas com o acoplamento | Sensores de torção especializados ou extensómetros |
A vibração lateral é normalmente a componente de maior amplitude e aquela que um acelerómetro padrão deteta mais facilmente. A vibração axial é normalmente mais fraca, mas é indicativa de desalinhamentos e falhas de empuxo, enquanto a vibração torcional é geralmente fraca, mas pode provocar falhas por fadiga e é invisível para os sensores radiais comuns.
4. Modos de vibração lateral e velocidades críticas
Em dinâmica do rotor, os modos de vibração lateral descrevem as formas características de deflexão que o eixo assume, e cada um está associado a um velocidade crítica quando a velocidade de funcionamento coincide com uma frequência natural.
- Primeiro modo lateral: uma forma de flexão simples — um único arco — na frequência natural mais baixa. É a que mais facilmente se excita devido a um desequilíbrio, e a primeira velocidade crítica corresponde a ela.
- Segundo modo lateral: uma deflexão em forma de S com um ponto nodal, a uma frequência natural mais elevada; esta é a segunda velocidade crítica e é especialmente importante para rotores flexíveis.
- Modos laterais superiores: formas cada vez mais complexas com múltiplos nós, relevantes apenas para rotores de velocidade muito elevada ou muito flexíveis e, por vezes, excitadas pela passagem das pás ou por outras forças de alta frequência.
Saber em que ponto estas velocidades críticas se situam em relação à velocidade de funcionamento é fundamental para uma conceção segura; a Calculadora de Velocidade Crítica do Rotor fornece uma primeira estimativa da frequência natural do eixo com base na sua geometria e nos seus apoios.
5. Medição, monitorização e normas
A vibração lateral caracteriza-se pela interação de vários parâmetros:
- Amplitude: a magnitude do movimento, em deslocamento (µm, mils), velocidade (mm/s, pol./s) ou aceleração (g, m/s²).
- Freqüência: normalmente 1× a velocidade de funcionamento no caso de vibrações dominadas por desequilíbrio, mas abrangendo harmónicos e outros componentes no caso de outras avarias.
- Fase: o momento em que ocorre o deslocamento máximo em relação a uma marca de referência no eixo.
- Órbita: a trajetória real traçada pelo centro do eixo, vista de frente.
As normas internacionais estabelecem os limites aceitáveis. O Série ISO 20816 — a norma moderna que substitui a ISO 10816 — define limites de vibração para vários tipos de máquinas com base na velocidade RMS, enquanto normas industriais como a API 610, 617 e API 684 abrangem especificamente bombas, compressores e dinâmica de rotores. Estas estruturas definem zonas de gravidade — aceitável, precaução e alarme — adaptadas ao tipo e tamanho do equipamento; no caso comum de máquinas industriais de média dimensão, é possível comparar um valor medido com essas zonas através de um Ferramenta para limites de vibração ISO 20816-3.
6. Controlo e mitigação
Equilibragem é a solução principal para as vibrações laterais causadas por desequilíbrio. A abordagem depende do rotor: balanceamento de plano único para rotores do tipo disco, equilibragem em dois planos para a maioria dos rotores industriais, e equilíbrio modal para rotores flexíveis que funcionam acima de uma velocidade crítica.
Alinhamento reduz as forças laterais resultantes do desalinhamento. Precisão alinhamento de eixos por laser posiciona os eixos com precisão, o dilatação térmica é tida em conta nos alvos de alinhamento, e pata mole é corrigido antes do início do alinhamento.
Amortecimento controla as amplitudes, especialmente perto das velocidades críticas: os rolamentos de película de fluido proporcionam uma redução significativa amortecimento, a amortecedor de película comprimida acrescenta mais material onde é necessário, e os tratamentos da estrutura de suporte também ajudam.
Modificação da rigidez desloca as velocidades críticas para fora da faixa de funcionamento: o aumento do diâmetro do eixo eleva-as, enquanto a redução do bearing span aumenta a primeira velocidade crítica, e o reforço da fundação altera a resposta de todo o sistema — o que nos lembra que rigidez da fundação faz parte do sistema rotor-rolamento, não é um elemento externo a este.
7. Importância diagnóstica e prática no terreno
A análise da vibração lateral é a base do diagnóstico de máquinas. A análise da evolução ao longo do tempo revela problemas em desenvolvimento; a sua frequência e padrão identificam a avaria específica; a sua amplitude em relação a um padrão indica a gravidade; a sua redução confirma um equilíbrio bem-sucedido; e o seu nível desencadeia ações de manutenção baseadas no estado da máquina.
No terreno, tudo isto é feito na máquina em funcionamento. Os engenheiros instalam sensores nas caixas dos rolamentos e utilizam um instrumento portátil de dois canais, como o Balanset-1A para captar a vibração lateral em ambas as direções, ler a amplitude e a fase 1× e visualizar o espectro que distingue o desequilíbrio do desalinhamento, da folga ou de falhas nos rolamentos. Como o mesmo instrumento mede a amplitude e a fase e calcula os coeficientes de influência, o engenheiro pode passar diretamente do diagnóstico à correção — equilibrando o rotor nos seus próprios rolamentos à velocidade de funcionamento e, em seguida, medindo novamente a vibração lateral para verificar a correção, sem necessidade de uma máquina de equilíbrio ou desmontagem.
A gestão eficaz da vibração lateral é, em última análise, o que garante o funcionamento fiável das máquinas rotativas a longo prazo, razão pela qual ocupa um lugar central nos programas de monitorização de vibrações, nas estratégias de manutenção preditiva e na conceção dinâmica dos rotores.
