Vibração subsíncrona e síncrona explicadas
Vibração subsíncrona é qualquer componente de vibração cuja frequência seja less than a velocidade nominal da máquina (1×), e o seu aspeto é um dos sinais mais graves que uma máquina rotativa pode emitir. Para compreender porquê, é útil comparar esta situação com o seu oposto: vibração síncrona, que monitoriza o eixo em múltiplos inteiros exatos da velocidade de funcionamento. A distinção não é meramente teórica — separa as falhas comuns, que podem ser corrigidas mecanicamente, das instabilidades autoexcitadas, que exigem uma reformulação do projeto ou uma paragem imediata. Este artigo define ambos os termos, enumera as causas mais comuns e mostra como distingui-las num FFT espetro.
1. O que é a vibração síncrona?
A vibração síncrona ocorre a uma frequência que é um múltiplo inteiro da velocidade de rotação do eixo — está «em sincronia» com a rotação. É, de longe, a categoria mais comum de vibração em máquinas.
- Vibração exatamente no velocidade de funcionamento (1×) é síncrono.
- As vibrações a duas vezes a velocidade de funcionamento (2×), três vezes (3×) e assim por diante também são síncronas e são normalmente designadas por harmônicos da velocidade de rotação.
A grande maioria das avarias comuns manifesta-se desta forma. Desequilíbrio, desalinhamento, e frouxidão mecânica todos produzem vibração síncrona. O desequilíbrio, por exemplo, manifesta-se sempre a 1× RPM e acompanha na perfeição qualquer variação de velocidade — se duplicarmos as RPM, o pico de desequilíbrio desloca-se simplesmente para a nova frequência de 1×. Como a força motriz está ligada ao ângulo do eixo, estes são os clássicos vibrações forçadas.
2. O que é a vibração subsíncrona?
A vibração subsíncrona ocorre a uma frequência abaixo 1× — o prefixo «sub-» significa simplesmente «abaixo». Um conteúdo subsíncrono significativo é frequentemente um sinal de alerta grave, porque é tipicamente produzido por fenómenos dinâmicos do rotor autoexcitados e instáveis, em vez de por um simples defeito mecânico. A diferença crucial é a fonte de energia: nas falhas síncronas, um erro geométrico externo aciona o rotor uma vez por volta, enquanto que na instabilidade subsíncrona a função de forçamento é gerada pelo movimento do próprio rotor interagindo com os seus rolamentos ou vedantes. Esse ciclo de retroalimentação é o que torna estas condições uma característica distintiva de instabilidade do rotor.
3. Causas comuns da vibração subsíncrona
A vibração subsíncrona constitui uma grande preocupação nas turbomáquinas de alta velocidade que funcionam em película de fluido mancais de deslizamento.
3.1 Oil Whirl
Esta é a forma mais comum de instabilidade subsíncrona. Num rolamento de película de fluido, a película hidrodinâmica de óleo que suporta o eixo pode começar a circular e a empurrar o eixo à sua frente, um fenómeno conhecido como redemoinho de óleo. Como a velocidade média da película de óleo é ligeiramente inferior a metade da velocidade da superfície do eixo, o resultado é precessão aparece por volta das 0,42 a 0,48 vezes a velocidade de funcionamento (0,42×–0,48×). O redemoinho de óleo depende frequentemente da carga e da temperatura, podendo surgir ou desaparecer à medida que a carga do rolamento, a temperatura do óleo ou a velocidade variam.
3.2 Oil Whip
O «oil whip» é uma evolução mais grave e perigosa do «oil whirl». Ocorre quando a frequência do redemoinho aumenta até atingir — e depois «fixar-se» em — a primeira frequência natural do rotor, ou velocidade crítica. Uma vez bloqueada, a amplitude subsíncrona pode atingir valores muito elevados e não desaparece à medida que a velocidade aumenta; em vez disso, a vibração mantém-se fixada na frequência da velocidade crítica, mesmo quando a máquina continua a acelerar. Esta condição de bloqueio e intensificação — intimamente relacionada com chicoteamento do eixo — é altamente destrutivo e, geralmente, requer uma intervenção imediata encerramento.
3.3 Atrito entre o rotor e o estator
Contacto entre o rotor e uma peça fixa — um fricção do rotor — também pode provocar vibrações subsíncronas, frequentemente a frações inteiras da velocidade de funcionamento, tais como 0.5×. Um componente nítido de 0,5× é um sinal clássico de um atrito que faz o rotor saltar uma vez a cada duas rotações. Outras fontes de sub-harmonic a resposta incluem folgas mecânicas graves e certas não linearidades causadas pelo atrito.
4. Distinguí-los num espectro de FFT
Separar as duas famílias numa espectro depende, em grande parte, da posição dos picos em relação ao 1×:
- Picos síncronos: identifique o pico de 1× RPM (velocidade de funcionamento) e procure picos em múltiplos inteiros exatos — 2×, 3× e assim por diante.
- Picos subsíncronos: procure por qualquer pico significativo que apareça antes de o pico de 1× no eixo das frequências. Um pico próximo dos 45 % da velocidade de funcionamento é um indicador clássico de redemoinho de óleo.
Uma vez que o diagnóstico depende da relação exata entre o pico e a velocidade de funcionamento, é essencial dispor de uma referência de velocidade precisa — pequenos erros na estimativa das RPM podem transformar um redemoinho de 0,48× em algo ambíguo. Análise de ordens A referência a um impulso do tacómetro por cada volta elimina essa ambiguidade, expressando o espectro diretamente em ordens de velocidade de rotação.
5. Por que é que esta distinção é fundamental
Saber qual é a família em questão determina toda a resposta:
- Problemas síncronos (como o desequilíbrio) são vibrações forçadas e podem, normalmente, ser corrigidas mecanicamente — através de equilíbrio, alinhamento ou aperto de parafusos.
- Problemas subsíncronos (como o efeito de chicote de óleo) são vibrações autoexcitadas ou instabilidades. Apontam para um problema fundamental na sistema rotor-mancal e não podem ser resolvidos através do equilíbrio. As soluções envolvem normalmente a alteração do design dos rolamentos (por exemplo, para rolamentos de almofadas basculantes), o ajuste da temperatura ou da pressão do óleo, o aumento da carga nos rolamentos ou a modificação do rotor.
Por esse motivo, um pico subsíncrono de alta amplitude é geralmente considerado um alarme mais grave do que um pico síncrono de magnitude equivalente. Na prática, um engenheiro começa por confirmar se a máquina está bem equilibrada e alinhada — um analisador portátil, como o Balanset-1A mede a amplitude de 1× e fase é necessário excluir ou corrigir as causas síncronas — para que qualquer componente subsíncrono que permaneça no espectro possa ser atribuído com segurança a uma instabilidade, em vez de a uma avaria mecânica que possa ser reparada.
