Entendendo a vibração de partida em máquinas rotativas
vibração de arranque descreve o vibração comportamento das máquinas rotativas durante a aceleração desde o repouso até à velocidade normal de funcionamento. Abrange tanto o esperado vibração transitória à medida que a máquina passa pelo seu velocidades críticas e quaisquer fenómenos anormais próprios da fase de arranque — arco térmico, instabilidades de rolamento, fricções, ou assentamento mecânico. É importante monitorizar este aspeto porque muitos problemas de vibração manifestam-se com maior clareza durante o arranque, e a fase transitória do arranque é frequentemente o momento que exerce maior tensão mecânica em todo o ciclo de funcionamento de uma máquina.
1. Definição: Por que é que o «startup transient» é especial
A monitorização em estado estacionário capta uma máquina a funcionar a uma velocidade fixa, mas um arranque faz com que o rotor percorra toda a sua gama de velocidades — ativando cada frequência natural que se situa abaixo da velocidade de funcionamento durante a subida. Cada passagem por um ressonância amplifica momentaneamente a resposta, e o rotor está simultaneamente frio, a aquecer de forma irregular e a assentar nos seus rolamentos. Essa combinação torna o arranque uma janela de observação singularmente reveladora — e singularmente exigente — do estado da máquina, razão pela qual os análise de arranque é uma ferramenta padrão para equipamentos críticos.
2. Características típicas da vibração no arranque
Progressão normal do arranque
Numa máquina em bom estado, a vibração durante o arranque segue um padrão previsível que o analista pode utilizar como referência.
Fase inicial (0–20 % da velocidade)
- Vibração muito baixa de desequilíbrio, porque a força centrífuga aumenta proporcionalmente ao quadrado da velocidade.
- Qualquer vibração significativa nesta fase indica um problema mecânico ou uma deformação térmica.
- A medição em rotação lenta fornece uma referência do estado puramente mecânico do rotor (por exemplo, curvatura residual ou excentricidade).
Aceleração através de velocidades críticas
- A amplitude aumenta à medida que se aproxima cada velocidade crítica.
- Atinge o seu pico na velocidade crítica, quando o rotor está em ressonância.
- Diminui rapidamente à medida que a velocidade ultrapassa o limite crítico.
- A cerca de 180° fase essa mudança acompanha a passagem por cada velocidade crítica — uma característica distintiva.
- Aparecem vários picos se várias velocidades críticas forem inferiores à velocidade de funcionamento.
Aproximação à velocidade operacional
- A vibração estabiliza-se num nível constante.
- É dominado pelo componente 1× proveniente de desequilíbrio residual.
- A estabilização térmica pode provocar alterações graduais durante os primeiros 30 a 60 minutos de funcionamento.
3. Problemas comuns relacionados com a vibração no arranque
Arco Térmico
O «empenamento térmico» é o problema mais comum específico da fase de arranque:
- Sintoma: vibração elevada durante a aceleração inicial, que diminui gradualmente à medida que a máquina aquece.
- Causa: aquecimento assimétrico que provoca uma curvatura temporária do eixo.
- Frequência: 1× síncrono.
- Comportamento: elevada mesmo a velocidades de rotação baixas, diminuindo à medida que se atinge o equilíbrio térmico.
- Solução: procedimentos de aquecimento prolongados e operação do dispositivo de viragem (turning gear) antes do arranque.
Vibração excessiva na velocidade crítica
- Sintoma: picos muito elevados ao ultrapassar uma velocidade crítica.
- Causas: deficiente amortecimento, desequilíbrio elevado ou funcionamento demasiado próximo de uma velocidade crítica.
- Risco: possíveis danos nos rolamentos e vedantes em cada arranque.
- Solução: melhorar o equilíbrio, aumentar a aceleração em zonas críticas e proporcionar maior amortecimento.
Roçamento durante a aceleração
- Sintoma: vibração repentina e irregular e o aparecimento de subsíncrono componentes.
- Causa: folgas insuficientes ou vibrações excessivas à velocidade crítica que levam o rotor a entrar em contacto.
- Risco: danos térmicos localizados e destruição da vedação.
- Solução: verificar as folgas, melhorar o equilíbrio e reduzir a aceleração.
Instabilidade dos rolamentos durante o arranque
- Sintoma: vibração subsíncrona que surge durante a aceleração, frequentemente perto da metade da velocidade de funcionamento.
- Causa: um chumaceira de deslizamento ainda não atingiu a temperatura de funcionamento, pelo que a rigidez e o amortecimento da sua película de óleo ainda não estão em condições ideais — um indício de redemoinho de óleo.
- Comportamento: pode desaparecer assim que o rolamento aquecer.
- Solução: Aquecimento prolongado em velocidade intermediária antes da aceleração máxima.
4. Conceção do procedimento de arranque
Otimização da taxa de aceleração
O perfil de aceleração deve ser adaptado à dinâmica específica da máquina, em vez de ser aplicado de forma uniforme.
Zonas de aceleração lenta
- Rotação inicial (0–10 % da velocidade): muito lentamente, para detetar deformações térmicas ou problemas mecânicos.
- Abaixo da primeira velocidade crítica: uma velocidade moderada para permitir o aquecimento térmico.
- Acima de todas as críticas: a aceleração até à velocidade de funcionamento pode ser mais rápida.
Zonas de passagem rápida
- Intervalos de velocidade crítica: acelerar rapidamente em cerca de ±15–20 % em torno de cada velocidade crítica.
- Taxa típica: 2 a 5 vezes a taxa de aceleração normal.
- Propósito: minimizar o tempo de permanência na ressonância e limitar o aumento da amplitude da vibração.
Pontos de retenção
- Velocidades de imersão térmica: manter em 30 %, 50 % e 70 % para as turbinas de grande porte.
- Duração: 10 a 30 minutos em cada posição.
- Propósito: permitem a estabilização térmica e reduzem os gradientes térmicos.
- Verificação de vibrações: Verifique se a vibração está dentro dos limites aceitáveis antes de prosseguir.
5. Monitorização e critérios de aceitação
Monitorização em tempo real
Durante o arranque, observe:
- Nível geral de vibração: não deve exceder o limite de alarme a qualquer velocidade.
- Temperaturas dos rolamentos: Um aumento gradual é aceitável; um aumento rápido é sinal de problemas.
- Controlo de velocidade: Verifique se a máquina está a acelerar suavemente.
- Ângulo de fase: esteja atento a alterações inesperadas que possam indicar problemas mecânicos.
Critérios de aceitação
- Picos de velocidade crítica: deverá corresponder às previsões com uma margem de ±10–15 %.
- Amplitudes de pico: deve respeitar os limites de projeto, normalmente definidos nas especificações do equipamento e comparados com ISO 20816 orientações sobre a severidade de vibração.
- Vibração em estado estacionário: deverá estabilizar-se em níveis aceitáveis após a estabilização térmica.
- Repetibilidade: Os arranques sucessivos devem comportar-se de forma coerente.
6. Resolução de problemas relacionados com vibrações anormais no arranque
Alta vibração inicial
Possíveis causas:
- Desvio térmico resultante de uma execução anterior ou de um desligamento.
- Um arco mecânico ou veio curvado.
- Problemas com os rolamentos — desgaste ou desalinhamento.
- Frouxidão ou outros defeitos mecânicos.
A vibração aumenta durante o aquecimento.
Possíveis causas:
- Um arco térmico em formação devido a um aquecimento assimétrico.
- A dilatação térmica está a comprometer o alinhamento.
- As folgas dos rolamentos variam com a temperatura.
- A expansão térmica reduz as folgas, causando atrito.
Vibração errática durante a aceleração
Possíveis causas:
- Fricção ou contacto intermitente.
- Componentes soltos que se assentam ou deslocam.
- Acoplamento problemas.
- Comportamento variável dos rolamentos.
7. Documentação e dados de referência
Comissionamento inicial
Definir uma assinatura de arranque de referência:
- Registe todos os dados completos do arranque.
- Gerar Diagramas de Bode e gráficos em cascata.
- Registe todas as velocidades críticas e a sua amplitude máxima.
- Guarde-o como referência para todas as comparações futuras.
Comparação periódica
- Compare cada arranque atual com a linha de base.
- Esteja atento a alterações nas localizações das velocidades críticas, que indicam alterações mecânicas, tais como uma fissura em formação ou uma alteração na rigidez do suporte.
- Acompanhe as variações na amplitude de pico, que indicam desequilíbrios ou alterações no amortecimento.
- Procure novos componentes de vibração que não estejam presentes na linha de base.
Para registar um arranque limpo, é necessário medir continuamente a amplitude, a fase e a velocidade à medida que o rotor acelera — exatamente o tipo de medição sincronizada para a qual um analisador portátil de dois canais foi concebido. O Balanset-1A regista a amplitude e a fase de 1× em função da velocidade do eixo durante o arranque, para que um técnico possa identificar as velocidades críticas, confirmar a inversão de fase de 180° em cada uma delas e — quando o problema for um desequilíbrio de 1× ou uma deformação térmica, em vez de uma avaria estrutural — equilibrar o rotor nos seus próprios rolamentos e voltar a pô-lo em funcionamento para verificar se os picos de arranque diminuíram. Para antecipar onde esses picos deverão ocorrer, um calculadora da velocidade crítica do rotor estima a frequência natural do eixo, enquanto um calculadora de tempo de aceleração do rotor ajuda a determinar a velocidade a que o acionamento pode atravessar uma zona de ressonância.
A análise das vibrações durante o arranque oferece uma visão do estado das máquinas que a monitorização em regime estacionário, por si só, não consegue proporcionar. Uma vez que muitas falhas em desenvolvimento se manifestam pela primeira vez durante a aceleração, a análise da evolução da assinatura de vibração ao longo do tempo constitui uma das ferramentas de manutenção preditiva mais valiosas disponíveis para equipamentos rotativos críticos.
