Entendendo a Ressonância de Montagem
Ressonância crescente é um ressonância condição em que o sistema de montagem — isoladores de vibração, calhas de montagem, suportes, patins ou todo o conjunto da máquina assente nos seus suportes — vibra a uma das suas próprias frequências naturais em resposta à excitação proveniente do equipamento rotativo que suporta. Quando isso acontece, toda a máquina salta, balança ou rola como um corpo rígido sobre os seus suportes, com amplitudes muito superiores às que a mesma força exercida produziria numa fundação rígida. Este fenómeno é mais comum em máquinas equipadas com isoladores de vibração, mas pode igualmente afetar uma instalação fixada convencionalmente com parafusos sempre que a estrutura de suporte não possua rigidez. Seja como for, trata-se de uma preocupação central na conceção de sistemas isolados, que deve ser eliminada na fase de conceção ou gerida ativamente, em vez de ser identificada durante a exploração.
1. Definição: O que é a ressonância de montagem?
A chave para compreender a ressonância de montagem consiste em considerar a máquina e os seus suportes como um sistema massa-mola por si só. A máquina é a massa; os isoladores ou a flexibilidade da estrutura de suporte são a mola. Tal como qualquer sistema deste tipo, este conjunto possui frequências naturais e, se a velocidade de funcionamento — ou uma das suas harmónicas — coincidir com uma delas, a vibração forçada é amplificada. O que distingue a ressonância dos suportes da ressonância do rotor ou do eixo é o facto de toda a máquina se mover, de certa forma, como uma unidade: a vibração medida nos suportes excede largamente a vibração do próprio rotor. Essa característica é a pista de que o problema reside no suporte, e não no rotor. Está intimamente relacionada com ressonância da estrutura e ressonância estrutural, que descrevem a mesma amplificação que ocorre na estrutura da máquina ou na estrutura circundante.
2. Frequências naturais do sistema de montagem
Modos de corpo rígido em isoladores
Uma máquina apoiada em isoladores de vibração comporta-se como um corpo rígido sobre molas, e um corpo rígido no espaço tem seis graus de liberdade — pelo que possui seis frequências naturais de corpo rígido.
Modos de tradução (três)
- Salto vertical: movimento para cima e para baixo, normalmente a frequência mais baixa — cerca de 5 a 15 Hz no caso de isolamento comum.
- Translações horizontais (X e Y): movimentos laterais, geralmente com uma frequência cerca de 1,5 a 2 vezes superior à frequência do salto vertical.
Modos de rotação (três)
- Rolar: rotação em torno do eixo longitudinal.
- Tom: rotação em torno do eixo transversal.
- Guinada: rotação em torno do eixo vertical.
- Frequências: normalmente entre 10 e 30 Hz, dependendo das dimensões da máquina e da localização do seu centro de gravidade.
Modos acoplados
- Se os isoladores não estiverem dispostos simetricamente, ou se o centro de gravidade não estiver alinhado com eles, os modos acoplam-se.
- A translação e a rotação ocorrem então em simultâneo.
- O resultado é um padrão de movimento complexo.
- Esses modos acoplados são mais difíceis de analisar e corrigir do que os casos simples, em que não há acoplamento.
3. Quando ocorre ressonância de montagem
Ressonância do sistema de isolamento
O cenário mais comum, e irónico, uma vez que decorre precisamente dos isoladores destinados a reduzir a vibração:
- Design intent: os isoladores são selecionados de forma a que a sua frequência natural se situe entre cerca de um terço e um quinto da velocidade de funcionamento, colocando a máquina bem dentro da zona de isolamento.
- Problema: Se a máquina funcionar abaixo da sua velocidade nominal, ou simplesmente atingir a frequência do isolador durante o arranque, a força exercida coincide com essa frequência natural.
- Sintoma: Vibração severa em velocidades próximas à frequência natural do isolador.
- Duração: limitado a uma faixa de velocidade específica, geralmente estreita.
Ressonância do trilho ou patim
- Os trilhos de montagem e as bases de suporte de equipamentos apresentam modos de flexão próprios.
- As frequências típicas variam entre 15 e 50 Hz, dependendo da envergadura e da rigidez.
- Todo o conjunto balança sobre os trilhos flexíveis.
- Isto é comum em equipamentos modulares pré-montados, enviados como uma unidade.
Ressonância do suporte ou braçadeira
- Os equipamentos fixados na parede ou no teto por meio de suportes estão particularmente expostos.
- O suporte ou braço de suporte tem a sua própria frequência natural.
- O movimento da máquina é amplificado quando a velocidade de funcionamento corresponde à mesma.
- O movimento amplificado pode, então, transmitir vibrações à própria estrutura do edifício.
4. Identificação diagnóstica
Indicadores-chave
- Amplificação: A vibração medida no suporte é muito superior à vibração na máquina — o que constitui a característica distintiva desta situação.
- Balançar ou saltar: movimento visível de toda a máquina.
- Sensibilidade à velocidade: grave apenas dentro de uma faixa de velocidade restrita.
- Baixa frequência: normalmente entre 5 e 30 Hz para sistemas isolados.
- Relações de fase: Todos os pontos de fixação movem-se em fase no modo de balanço, ou fora de fase no modo de oscilação.
Procedimento de Diagnóstico
- Identificar a frequência de ressonância do pico no espetro de vibração.
- Realizar testes de resistência ao impacto nas fixações: um teste de colisão revela a frequência natural do suporte, independentemente da máquina em funcionamento.
- Comparar: Se a frequência de ressonância de funcionamento coincidir com a frequência natural medida do suporte, confirma-se a ressonância do suporte.
- Medir vários pontos para estabelecer o fase relações entre os pontos de fixação.
- Avaliar a forma modal: determinar se o movimento é de oscilação, balanço ou um modo acoplado.
Uma distinção inicial crucial no diagnóstico consiste em separar um problema de suporte de um problema do rotor. O padrão acima — grande movimento nos suportes, movimento moderado do rotor, com o pico fixado numa frequência estrutural em vez de na velocidade de rotação — aponta claramente para o suporte. É também necessário ter cuidado para não confundir a ressonância do suporte com um pata mole, em que um dos suportes não fica bem assente e deforma a moldura; os dois podem coexistir e ambos aumentam a vibração.
5. Solutions
Para a ressonância do sistema de isolamento
Alterar a rigidez do isolador
- Amortecedores mais rígidos aumentar a frequência natural acima da velocidade de funcionamento.
- Amortecedores mais suaves reduza-a para um valor inferior ao intervalo de arranque, se o equipamento suportar a maior deflexão estática.
- Regra de seleção: A frequência do isolador deve situar-se abaixo de um terço da velocidade mínima de funcionamento.
Adicionar amortecimento
- Utilize isoladores com amortecimento — suportes elastoméricos em vez de molas de aço nuas.
- Adicione amortecedores viscosos ou de fricção em paralelo com os isoladores.
- O amortecimento reduz o pico de ressonância, mesmo quando não é possível eliminar a coincidência de frequências.
Melhorar a instalação do isolador
- Certifique-se de que todos os isoladores estão devidamente carregados — nenhum deve estar armado, encravado ou sem carga.
- Verifique se os isoladores são adequados ao peso real do equipamento, e não a um peso estimado.
- Verifique se existem isoladores encravados ou deteriorados que tenham perdido a rigidez prevista.
- Confirme a disposição simétrica em relação ao centro de gravidade para evitar modos acoplados.
Para ressonância de montagem estrutural
Reforçar a estrutura de montagem
- Colocar reforços nos trilhos ou nos patins.
- Aumente a espessura do suporte ou adicione reforços.
- Reduzir os vãos sem apoio.
- Una os pontos de fixação separados para que funcionem como um só.
Alterar a configuração de montagem
- Adicione apoios intermédios para reduzir os vãos.
- Mude os pontos de fixação para partes mais rígidas da estrutura.
- Utilize acessórios de montagem mais resistentes.
Uma vez que todas estas medidas atuam alterando a frequência natural, a estrutura de suporte rigidez da fundação é a alavanca que acionam; a calculadora da frequência natural de fundações ajuda a confirmar que uma alteração no endurecimento faz com que a frequência se afaste da velocidade de funcionamento.
Soluções Operacionais
- Limite de velocidade: evite o funcionamento prolongado à velocidade de ressonância.
- Aceleração rápida: passar rapidamente pela ressonância durante o arranque, para que se acumule pouca energia.
- Reduzir a excitação: improve equilíbrio para reduzir a força na frequência de ressonância.
6. Conceção do isolamento e equipamentos acoplados
Conceção de isolamento antivibração
O design de isolamento acústico evita, desde o início, a ressonância da montagem, mantendo as velocidades de funcionamento bem afastadas das frequências naturais da montagem:
- Rácio de frequência: a frequência do isolador deve satisfazer fisolador < 0.3 × foperação mínima.
- Transmissibilidade: exatamente na ressonância do transmissibilidade pode ultrapassar os 10 — a montagem amplifica em vez de isolar, o oposto do seu objetivo.
- Intervalo de funcionamento: Para um isolamento eficaz, todas as frequências de funcionamento devem situar-se acima de 2 a 3 vezes a frequência do isolador.
- Startup: É aceitável uma breve passagem de alta amplitude pela ressonância durante a aceleração, desde que seja de curta duração.
A escolha de isoladores que cumpram estes requisitos é um exercício de dimensionamento de rotina; um Calculadora para seleção de suportes antivibração adapta a rigidez do suporte à massa e à velocidade da máquina, e um calculadora de isolamento de vibrações de máquinas estima a eficiência de isolamento resultante.
Equipamentos acoplados
Os equipamentos motorizados montados numa placa de base comum trazem as suas próprias complicações:
- Todo o conjunto apresenta modos de corpo rígido nos seus suportes.
- O motor e a máquina acionada transmitem as suas vibrações através da placa de base comum.
- Uma ressonância pode ser provocada por qualquer uma das máquinas, independentemente de qual for a fonte mais ruidosa.
- Por conseguinte, deve ser tratado como um sistema completo, e não como duas máquinas independentes.
7. Ferramentas de medição e análise
Análise Modal
- Análise modal descreve detalhadamente cada modo do sistema de montagem.
- Identifica a frequência, o amortecimento e a forma modal de cada um.
- Esses dados são diretamente incorporados nas alterações de projeto.
- Pode ser realizado experimentalmente com ensaio de impacto ou previsto através da análise de elementos finitos.
Forma de Deflexão Operacional (ODS)
- ODS analysis visualiza o padrão de movimento real enquanto a máquina está em funcionamento.
- Distingue claramente a ressonância da montagem da ressonância do rotor.
- Indica qual o modo que está ativo — rebote, oscilação ou acoplado.
- Indica exatamente onde devem ser colocados os reforços para obter o melhor resultado.
No terreno, o mesmo instrumento portátil utilizado para o equilíbrio de rotina facilita grande parte deste trabalho. Um analisador de dois canais, como o Balanset-1A regista a amplitude e a fase em vários pontos dos suportes, e a sua função de teste de impacto mede diretamente a frequência natural do suporte — permitindo que um engenheiro confirme uma suspeita de ressonância no suporte, decida se a solução passa por um suporte mais rígido ou por um melhor equilíbrio e verifique a correção depois de esta ter sido efetuada.
A ressonância de montagem pode provocar vibrações intensas mesmo em máquinas bem conservadas e bem equilibradas, simplesmente porque o problema reside nos suportes e não no rotor. Compreender as frequências naturais dos sistemas de montagem — sobretudo os isoladores de vibração — e mantê-las firmemente separadas das velocidades de funcionamento é essencial para um controlo eficaz da vibração em qualquer instalação de equipamento rotativo.
