Compreender a análise de ordens para máquinas de velocidade variável
Análise de ordens é uma técnica especializada análise de vibração concebida para máquinas que não funcionam a uma velocidade única e constante. Em vez de representar graficamente a amplitude em função de um eixo de frequência fixo em Hz ou CPM, representa graficamente a amplitude em função de ordens — múltiplos da velocidade instantânea do eixo velocidade de funcionamento. A 1.ª ordem corresponde à vibração exatamente a 1× (velocidade de funcionamento), a 2.ª ordem corresponde a 2× essa velocidade e assim por diante. Ao basear a análise no próprio eixo, em vez de no relógio, a análise de ordens mantém os componentes relacionados com a velocidade bem definidos, independentemente de a máquina acelerar ou desacelerar.
1. Definição: O que é uma Ordem?
Um ordem é um harmónico da velocidade de rotação fundamental. Uma vez que muitas avarias nas máquinas provocam vibrações em múltiplos inteiros da velocidade do eixo, a representação do espetro por ordens permite associar cada pico diretamente a uma causa física. A 1.ª ordem quase sempre transporta desequilíbrio; a 2.ª ordem é um indicador clássico de desalinhamento e certas condições de folga; as ordens inteiras superiores referem-se a malha de engrenagens, vane or blade-pass eventos relacionados com o número de elementos no rotor. As ordens não inteiras (fracionárias) sinalizam subsíncrono fenómenos como redemoinhos de óleo ou defeitos na correia. Em suma, o eixo de ordem é um mapa de diagnóstico que acompanha o rotor.
2. Por que razão a FFT padrão não funciona em máquinas de velocidade variável
Um convencional Transformada Rápida de Fourier (FFT) amostrar a vibração numa janela fixa de tempo e pressupõe que a velocidade é constante durante esse intervalo. Numa máquina de velocidade constante, isto é perfeito. Mas se o eixo acelerar ou abrandar enquanto os dados estão a ser recolhidos, todos os componentes relacionados com a velocidade deslocam-se pelo espetro durante a captura. A sua energia é espalhada por muitos intervalos de frequência adjacentes, produzindo uma protuberância ampla, baixa e difusa em vez de uma linha nítida. Um pico de desequilíbrio de 1× que deveria sobressair no espetro pode achatar-se e transformar-se em ruído — impossível de ler com precisão e inútil para tendência. Este efeito de difusão é o mesmo mecanismo subjacente a fuga espectral, amplificado pela variação das rotações por minuto. A análise de ordens foi desenvolvida especificamente para a contornar.
3. A solução: rastreamento de ordens (order tracking)
A técnica utilizada é rastreamento de ordens, e depende de uma segunda entrada: um tacómetro (ou «tacho») que emite um impulso por cada volta do eixo. O analisador utiliza esta sequência de impulsos — e não o seu relógio de cristal interno — como base de tempo. Em vez de efetuar amostragens a intervalos de tempo fixos (por exemplo, a cada milésimo de segundo), efetua amostragens a intervalos fixos angular intervalos (por exemplo, a cada grau de rotação). Isto é conhecido como reamostragem no domínio do ângulo.
Existem dois métodos comuns. Amostragem por hardware (síncrona) aciona o conversor analógico-digital diretamente a partir de um múltiplo sincronizado do pulso tacométrico, de modo que cada rotação produz sempre o mesmo número de amostras. Rastreamento de ordens calculado (software) amostra a uma frequência fixa elevada e, em seguida, reinterpola digitalmente o registo em intervalos de ângulo igual, utilizando a sincronização tacográfica registada. Seja como for, a transformação resultante é expressa em ordens, e não em Hz. Se a máquina alterar a velocidade, a linha 1× permanece no intervalo de 1.ª ordem como um pico alto e estreito — a mancha desaparece. O tacógrafo também fornece um fase referência, que é o que permite ao analisador criar Bode e Nyquist gráficos durante uma fase de subida.
Ideia principal: a análise de ordens vincula a aquisição de dados ao ângulo instead of tempo, pelo que a vibração sincronizada com a velocidade se mantém nítida a qualquer regime.
4. Principais aplicações
A análise de ordens é indispensável sempre que a velocidade não é constante:
- Testes a veículos e motores: resolver a vibração do motor, da transmissão e da linha de transmissão em toda a gama de rotações.
- Wind turbines: A velocidade do rotor acompanha continuamente o vento, pelo que uma análise baseada numa frequência fixa não faz sentido — a análise de ordem é essencial.
- Análise da aceleração e da desaceleração: A captura das vibrações quando uma máquina arranca ou pára é uma forma eficaz de localizar velocidades críticas e ressonâncias; o rastreamento de ordens mantém o resultado desaceleração gráficos claros e fáceis de ler.
- Máquinas de pistão: compressores e motores cuja velocidade instantânea varia ao longo de cada ciclo.
- Maquinaria pesada e móvel: equipamento de terraplenagem, veículos de mineração e outros sistemas de transmissão de velocidade variável.
5. Como são apresentados os dados de análise de ordens
Os resultados são apresentados em vários formatos complementares:
- Espectro de ordem: amplitude em função da ordem — tal como uma FFT padrão, mas com as ordens no eixo x.
- Waterfall ou cascata plot: um conjunto de espectros de ordem em 3D sobrepostos, que mostra como a amplitude de cada ordem evolui à medida que a velocidade varia.
- Bode plot: amplitude e fase de uma ordem rastreada (normalmente 1× ou 2×) representadas graficamente em função da velocidade da máquina, o elemento central dos ensaios de aceleração e desaceleração.
- Diagrama de Campbell: as linhas de ordem sobrepõem-se às frequências naturais do sistema, pelo que surge uma ressonância sempre que uma linha de ordem cruza uma linha de frequência natural.
A filtro de rastreio pode isolar uma única ordem em tempo real para trabalhos de afinação, e um Calculadora de Diagrama de Campbell ajuda a prever onde essas intersecções ocorrerão antes dos testes.
6. Análise de ordens no trabalho de campo prático
Na área de produção, a análise de ordens serve de base para o equilíbrio das máquinas que não mantêm uma velocidade constante. Um instrumento portátil de dois canais, como o Balanset-1A utiliza o seu tacómetro ótico a laser para associar os dados de vibração ao ângulo do eixo, pelo que o componente de desequilíbrio de 1× que mede para equilibragem no local mantém-se preciso mesmo num ventilador ou numa bomba cujas rotações por minuto (RPM) variam sob carga. A mesma abordagem baseada no tacómetro permite ao analisador separar o pico 1× síncrono com a velocidade do ruído de frequência fixa, como frequências de falhas em rolamentos, proporcionando uma leitura fiável do ponto pesado. Na verdade, a análise de ordens é o que transforma os dados de vibração de uma máquina de velocidade variável em informação útil para o engenheiro — permitindo diagnosticar com precisão o estado de qualquer rotor que funcione numa gama de velocidades.
