Compreender os sub-harmónicos
A subharmónico é um componente de frequência num vibração espetro que ocorre a uma fração inteira da frequência de excitação fundamental. Na análise de máquinas, essa frequência fundamental é quase sempre a velocidade de rotação (1X), pelo que surgem sub-harmónicas em ordens como 1/2X, 1/3X ou 1/4X. Uma vez que se situam abaixo o principal componente síncrono; também são chamados de subsíncrono vibrações, e são alguns dos picos mais valiosos do ponto de vista diagnóstico que um analista pode encontrar — raramente surgem sem uma causa física clara.
1. Definição: o que é um sub-harmónico?
Ao passo que os harmónicos são múltiplos inteiros da velocidade de rotação (2X, 3X, 4X), as sub-harmónicas são o recíproco: divisões por números inteiros dessa velocidade. Um pico exatamente a metade da velocidade do veio é o exemplo clássico, frequentemente escrito 1/2X ou 0.5X. Uma verdadeira sub-harmónica situa-se, portanto, sempre abaixo de 1X — 0.5X, 0.33X, 0.25X. Na prática, o padrão mais informativo não é a linha 1/2X isolada, mas uma família de meia ordem — picos em 1/2X, 3/2X (1.5X) e 5/2X (2.5X), todos espaçados por meia ordem. Em rigor, apenas o membro 1/2X é sub-harmónico e sub-síncrono; os membros acima de 1X (1.5X, 2.5X, …) são harmónicos de ordem fracionária (meia ordem), não componentes sub-síncronas. O aparecimento de um tal pente é uma assinatura de manual de falhas mecânicas específicas, e não ruído aleatório.
Vale a pena distinguir um verdadeiro sub-harmónico de uma componente sub-síncrona não inteira. Um pico fixado precisamente em 0,50X é um verdadeiro sub-harmónico da velocidade de funcionamento; um pico em, digamos, 0,43X é sub-síncrono, mas não uma fração exata, e essa distinção reduz imediatamente a lista de possíveis causas. Os sub-harmónicos não são tão comuns como os harmónicos, mas quando surgem, apontam quase sempre para uma das causas abaixo.
2. Folga mecânica — a causa mais comum
A principal fonte de um sub-harmónico de 1/2X é folga mecânica. Quando um componente está solto — seja um rolamento com folga na sua caixa, um encaixe desgastado ou um parafuso de fixação solto —, isso provoca uma resposta fortemente não linear, caracterizada por «saltos» ou «batidas». A folga permite que a peça bata contra o seu assento e, como esse impacto tende a repetir-se efetivamente a cada outros revolução, o sistema responde a metade da frequência de excitação.
O espectro resultante mostra o pico 1X acompanhado por uma série de meia ordem em 1/2X, 3/2X, 5/2X e assim por diante — a sub-harmónica 1/2X juntamente com os seus harmónicos de ordem fracionária acima de 1X. Essa família de meia ordem é uma das impressões digitais mais fiáveis no diagnóstico de vibrações: indica quase sem ambiguidades uma folga estrutural severa, e o seu crescimento ao longo do tempo acompanha o agravamento do ajuste. Quanto mais pronunciados e numerosos forem os picos de meia ordem, mais folgada se tornou a união.
3. Instabilidade do mancal liso
Em máquinas que funcionam com película de fluido ou mancais de deslizamento, a vibração subsíncrona é um sinal de alerta crítico da instabilidade da película de óleo. Estas são vibrações autoexcitadas — a energia proveniente da rotação constante alimenta diretamente a vibração, pelo que podem crescer sem qualquer impulso externo.
- Redemoinho de óleo: Ocorre normalmente entre 0,42X e 0,48X da velocidade de funcionamento, apresentando-se como um pico forte e distinto logo abaixo da meia ordem. Surge quando a camada de óleo que suporta o eixo começa a circular (girar) dentro da folga do rolamento, arrastando o eixo em torno do seu munhão. Como se situa ligeiramente abaixo de 0,5X, em vez de exatamente nesse valor, a frequência exata é o indicador que distingue a rotação da folga.
- Chicote de óleo: Uma forma de instabilidade muito mais grave e destrutiva. Ocorre quando a frequência do redemoinho coincide com a primeira frequência natural do rotor, ou velocidade crítica. A vibração «fixa-se» então nessa frequência natural e mantém-se assim mesmo quando a velocidade da máquina aumenta — uma característica distintiva que diferencia o efeito chicote de um giro que acompanha a velocidade. As amplitudes podem tornar-se suficientemente violentas para danificar o rolamento ou o eixo.
As frequências dos mancais deslizantes que delimitam estas instabilidades podem ser estimadas antecipadamente com um Calculadora da frequência de defeitos em mancais lisos, o que ajuda a confirmar se um pico subsíncrono se insere na banda de redemoinho (whirl).
4. Outras fontes de picos subsíncronos
- Problemas com a transmissão por correia: Uma correia desgastada ou danificada pode gerar componentes subsíncronos ligados à própria velocidade de rotação da correia, que é inferior à velocidade de qualquer uma das polias. Suspeita-se que defeitos na transmissão por correia — e, sobretudo, Falhas na correia trapezoidal — pode ser verificado em relação à frequência calculada da correia utilizando um calculadora da frequência de avarias na correia.
- Efeitos relacionados com o fluxo: Em bombas e ventiladores, a energia subsíncrona pode provir de turbulência do fluxo ou perda de sustentação por rotação. Estes componentes são normalmente não frações exatas de 1X, o que por si só constitui uma pista útil de que a origem é hidráulica ou aerodinâmica, e não mecânica. Nos compressores, o fenómeno relacionado de bombeamento (surge) também pode elevar o piso de ruído abaixo da velocidade de funcionamento.
5. Análise e confirmação
Uma vez que o diagnóstico depende de pequenas diferenças de frequência, a primeira tarefa consiste em determinar com precisão a frequência de pico exata. Uma linha exatamente a 0,50X aponta fortemente para uma folga; uma a 0,47X é quase certamente um redemoinho de óleo; uma série completa de 1/2X, 3/2X e 5/2X confirma a existência de folga com elevado grau de confiança. Uma alta resolução espetral e uma referência de velocidade precisa são, portanto, essenciais, uma vez que 0,48X e 0,50X podem parecer idênticos com uma resolução baixa.
O forma de onda temporal fornece uma valiosa confirmação. A folga revela normalmente um impacto ou um corte evidentes — picos achatados ou cortados no ponto em que a parte solta atinge o fundo —, enquanto o redemoinho de óleo se apresenta como um sinal mais suave e modulado, sem impactos bruscos. No terreno, um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A permite que um engenheiro registe tanto o espetro como a forma de onda de tempo sincronizado à velocidade de funcionamento, para que a frequência subsíncrona exata e as características da sua forma de onda possam ser avaliadas em conjunto antes de se agendar qualquer desmontagem.
