O que é vibração torsional? Causas e efeitos • Balanceador portátil e analisador de vibração "Balanset" para balanceamento dinâmico de britadores, ventiladores, trituradores, roscas transportadoras em colheitadeiras, eixos, centrífugas, turbinas e muitos outros rotores. O que é vibração torsional? Causas e efeitos • Balanceador portátil e analisador de vibração "Balanset" para balanceamento dinâmico de britadores, ventiladores, trituradores, roscas transportadoras em colheitadeiras, eixos, centrífugas, turbinas e muitos outros rotores.

O que é vibração torsional? Causas e efeitos.

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Entendendo a vibração torsional em máquinas rotativas

Definição: O que é vibração torsional?

Vibração torcional É a oscilação angular de um eixo rotativo em torno de seu eixo de rotação — essencialmente um movimento de torção e destorção, onde diferentes seções do eixo giram a velocidades ligeiramente diferentes em qualquer instante. Ao contrário de vibração lateral (movimento de um lado para o outro) ou vibração axial (movimento de vaivém), a vibração torsional não envolve deslocamento linear; em vez disso, o eixo experimenta aceleração angular alternada positiva e negativa.

Embora a vibração torsional normalmente tenha amplitudes muito menores do que a vibração lateral e seja frequentemente difícil de detectar, ela pode criar enormes tensões alternadas em eixos, acoplamentos e engrenagens, podendo levar a falhas catastróficas por fadiga sem aviso prévio.

Mecanismo Físico

Como ocorre a vibração torsional

A vibração torsional pode ser visualizada da seguinte forma:

  • Imagine um eixo longo conectando um motor a uma carga acionada.
  • O eixo funciona como uma mola de torção, armazenando e liberando energia à medida que gira.
  • Quando submetido a torques variáveis, o eixo oscila, com seções girando mais rápido e mais devagar do que a velocidade média.
  • Essas oscilações podem se intensificar se a frequência de excitação coincidir com a frequência natural de torção.

Frequências Naturais Torsionais

Todo sistema de eixo possui frequências naturais de torção determinadas por:

  • Rigidez torsional do eixo: Depende do diâmetro do eixo, do comprimento e do módulo de cisalhamento do material.
  • Inércia do sistema: Momentos de inércia de componentes rotativos conectados (rotor do motor, acoplamentos, engrenagens, cargas)
  • Vários modos: Sistemas complexos possuem diversas frequências naturais de torção.
  • Efeitos de acoplamento: Os acoplamentos flexíveis aumentam a flexibilidade torsional, reduzindo as frequências naturais.

Causas primárias da vibração torsional

1. Torque variável em motores alternativos

A fonte mais comum em muitas aplicações:

  • Motores a diesel e a gasolina: Os eventos de combustão criam torque pulsante.
  • Ordem de tiro: Cria harmônicos na rotação do motor.
  • Número de cilindros: Menos cilindros produzem maior variação de torque.
  • Risco de ressonância: A velocidade de operação do motor pode coincidir com as velocidades críticas de torção.

2. Forças de Engrenagem

Os sistemas de engrenagens geram excitação torsional:

  • A frequência de engrenamento (número de dentes × RPM) cria um torque oscilante.
  • Erros no espaçamento dos dentes e imprecisões no perfil contribuem para o problema.
  • A folga na engrenagem pode causar carga de impacto.
  • Múltiplos estágios de engrenagem criam sistemas de torção complexos.

3. Problemas com o motor elétrico

Os motores elétricos podem produzir perturbações de torção:

  • Frequência de passagem pelo polo: A interação entre o rotor e o estator cria um torque pulsante.
  • Barras do rotor quebradas: Cria pulsos de torque na frequência de deslizamento.
  • Inversores de Frequência (VFDs): A comutação PWM pode excitar modos de torção.
  • Transientes iniciais: Oscilações de torque de grande amplitude durante a partida do motor.

4. Variações de carga do processo

Carga variável em equipamentos acionados:

  • eventos de sobrecarga do compressor
  • Cavitação da bomba criando picos de torque
  • Cargas cíclicas em britadores, moinhos e prensas
  • forças de transmissão de pás em ventiladores e turbinas

5. Problemas de acoplamento e transmissão

  • Acoplamentos desgastados ou danificados com folga ou recuo
  • Juntas universais operando em ângulos que criam excitação torsional dupla.
  • deslizamento e vibração da transmissão por correia
  • ação poligonal de acionamento por corrente

Desafios de detecção e medição

Por que a vibração torsional é difícil de detectar?

Ao contrário da vibração lateral, a vibração torsional apresenta desafios de medição únicos:

  • Sem deslocamento radial: Os acelerômetros padrão em caixas de rolamentos não detectam movimentos puramente torcionais.
  • Amplitudes angulares pequenas: As amplitudes típicas são frações de um grau.
  • Equipamento especializado necessário: Requer sensores de vibração torsional ou análises sofisticadas.
  • Frequentemente negligenciado: Não incluído em programas de monitoramento de vibração de rotina.

Métodos de medição

1. Extensômetros

  • Montado a 45° em relação ao eixo para medir a deformação por cisalhamento.
  • Requer sistema de telemetria para transmitir o sinal do eixo rotativo.
  • Medição direta da tensão de torção
  • Método mais preciso, porém complexo e caro.

2. Sensores de vibração torsional de sonda dupla

  • Dois sensores ópticos ou magnéticos medem a velocidade em diferentes pontos do eixo.
  • A diferença de fase entre os sinais indica vibração torsional.
  • Medição sem contato
  • Pode ser instalado temporariamente ou permanentemente.

3. Vibrômetros de torção a laser

  • Medição óptica das variações da velocidade angular do eixo
  • Sem contato, sem necessidade de preparação do eixo.
  • Caro, mas poderoso para resolução de problemas.

4. Indicadores indiretos

  • A análise da assinatura da corrente do motor (MCSA) pode revelar problemas de torção.
  • Padrões de desgaste de acoplamento e engrenagem
  • Localização e orientação das trincas por fadiga no eixo
  • Padrões incomuns de vibração lateral que podem estar acoplados a modos de torção.

Consequências e Mecanismos de Danos

Falhas por fadiga

O principal perigo da vibração torsional:

  • Falhas no eixo: As fissuras por fadiga geralmente ocorrem a 45° em relação ao eixo do eixo (planos de tensão de cisalhamento máxima).
  • Falhas de acoplamento: Desgaste dos dentes do acoplamento de engrenagens, fadiga do elemento flexível
  • Quebra dos dentes da engrenagem: Acelerado por oscilações de torção
  • Danos na chave e no encaixe da chave: Desgaste por atrito e corrosão devido ao torque oscilante

Características das falhas por torção

  • Frequentemente repentinos e catastróficos, sem aviso prévio.
  • Superfícies de fratura em um ângulo de aproximadamente 45° em relação ao eixo da haste.
  • Marcas de praia na superfície da fratura indicam progressão da fadiga.
  • Pode ocorrer mesmo quando os níveis de vibração lateral são aceitáveis.

Problemas de desempenho

  • Problemas de controle de velocidade em acionamentos de precisão
  • Desgaste excessivo em caixas de engrenagens e acoplamentos
  • Ruído proveniente de vibrações de engrenagens e impactos de acoplamento.
  • Ineficiência na transmissão de energia

Análise e Modelagem

Análise torsional durante o projeto

Um projeto adequado requer análise torsional:

  • Cálculo da frequência natural: Determine todas as velocidades críticas de torção.
  • Análise de Resposta Forçada: Prever amplitudes de torção em condições de operação.
  • Diagrama de Campbell: Mostrar as frequências naturais de torção em função da velocidade de operação.
  • Análise de estresse: Calcule as tensões de cisalhamento alternadas em componentes críticos.
  • Previsão da vida útil em relação à fadiga: Estimar a vida útil do componente sob carga de torção

Ferramentas de software

Um software especializado realiza análises de torção:

  • Modelos de massa concentrada com múltiplas inércias
  • Análise de torção por elementos finitos
  • Simulação no domínio do tempo de eventos transientes
  • Análise harmônica no domínio da frequência

Métodos de mitigação e controle

Soluções de design

  • Margens de separação: Certifique-se de que as frequências naturais de torção estejam a ±20% de distância das frequências de excitação.
  • Amortecimento: Incorporar amortecedores de torção (amortecedores viscosos, amortecedores de fricção)
  • Acoplamentos flexíveis: Adicione flexibilidade torsional para reduzir as frequências naturais abaixo da faixa de excitação.
  • Sintonização em massa: Adicione volantes ou modifique as inércias para alterar as frequências naturais.
  • Alterações na rigidez: Modificar os diâmetros dos eixos ou a rigidez do acoplamento.

Soluções Operacionais

  • Restrições de velocidade: Evite operação contínua em velocidades críticas de torção
  • Aceleração rápida: Ultrapasse rapidamente as velocidades críticas durante a inicialização.
  • Gerenciamento de carga: Evite condições que excitem modos de torção.
  • Ajuste do VFD: Ajuste os parâmetros de acionamento para minimizar a excitação torsional.

Seleção de componentes

  • Acoplamentos de Alto Amortecimento: Acoplamentos elastoméricos ou hidráulicos que dissipam energia de torção
  • Amortecedores de torção: Dispositivos especializados para acionamentos de motores alternativos
  • Qualidade dos equipamentos: Engrenagens de precisão com tolerâncias rigorosas reduzem a excitação.
  • Material do eixo: Materiais de alta resistência à fadiga para eixos sujeitos a torção crítica

Aplicações e normas industriais

Aplicações Críticas

A análise torsional é especialmente importante para:

  • Acionamentos de motores alternativos: Geradores a diesel, compressores de motor a gás
  • Eixos de transmissão longos: Propulsão marítima, laminadores
  • Caixas de câmbio de alta potência: Turbinas eólicas, acionamentos de engrenagens industriais
  • Acionamentos de velocidade variável: Aplicações de motores VFD, sistemas servo
  • Sistemas Multicorpos: Sistemas de transmissão complexos com múltiplas máquinas conectadas

Normas Relevantes

  • API 684: Dinâmica de rotores, incluindo procedimentos de análise torsional
  • API 617: Requisitos de torção do compressor centrífugo
  • API 672: Análise torsional de compressores alternativos encapsulados
  • ISO 22266: Vibração torsional de máquinas rotativas
  • VDI 2060: Vibrações torcionais em sistemas de transmissão

Relação com outros tipos de vibração

Embora distinta da vibração lateral e axial, a vibração torsional pode interagir com elas:

  • Acoplamento lateral-torsional: Em certas geometrias, os modos de torção e laterais interagem.
  • Malha de engrenagens: A vibração torsional cria cargas variáveis nos dentes que podem provocar vibração lateral.
  • Juntas universais: O desalinhamento angular acopla a entrada torsional à saída lateral.
  • Desafio diagnóstico: Assinaturas de vibração complexas podem ter contribuições de múltiplos tipos de vibração.

Compreender e gerenciar a vibração torsional é essencial para a operação confiável de sistemas de transmissão de energia. Embora receba menos atenção do que a vibração lateral no monitoramento de rotina, a análise da vibração torsional é crucial durante o projeto e a solução de problemas em sistemas de acionamento de alta potência ou precisão, onde falhas torcionais podem ter consequências catastróficas.

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