Análise de vibração — Diagnóstico de Espectro Guia

O que é análise de vibração?

Every rotating machine vibrates. In a healthy machine, vibration is low and stable — its normal "operating signature." As defects develop, vibration changes in predictable ways. By measuring and analyzing these changes, we can identify the root cause, predict failure, and schedule maintenance before catastrophic breakdown. This is the foundation of manutenção preditiva.

FFT: O Núcleo da Análise Espectral

Um sensor de vibração (acelerómetro) converte a oscilação mecânica num sinal elétrico. Exibido ao longo do tempo, este é o forma de onda — uma curva complexa e aparentemente caótica quando há múltiplas falhas. A FFT (Transformada Rápida de Fourier) decompõe este sinal complexo em componentes sinusoidais individuais, cada um com a sua própria frequência e amplitude.

Think of FFT as a prism splitting white light into a rainbow. The complex waveform is "white light" — FFT reveals the individual "colors" (frequencies) hidden inside. The result is the espetro de vibração — a principal ferramenta de diagnóstico.

Parâmetros-chave do espectro

• Frequência (eixo X, Hz): Com que frequência ocorrem as oscilações. Diretamente relacionado com a fonte. 1× = velocidade do veio. 2× = o dobro da velocidade do veio.
• Amplitude (eixo Y, mm/s RMS): Intensidade da vibração em cada frequência. Picos mais altos = mais energia = condição mais severa.
• Harmónicos: Múltiplos inteiros da fundamental: 2× (2.ª), 3× (3.ª), 4×, etc. A sua presença e altura relativa contêm informação de diagnóstico.
• Fase (°): Relação temporal em diferentes pontos de medição. Essencial para distinguir desequilíbrio (em fase) de desalinhamento (180°).

Unidades de Medição de Vibração: Deslocamento, Velocidade, Aceleração

Vibration can be measured as three different physical parameters. Each emphasizes different frequency ranges, making them suited to different diagnostic tasks. Understanding when to use which parameter is fundamental to effective analysis.

Técnica de medição com Balanset-1A

Posicionamento do sensor

A qualidade do diagnóstico depende inteiramente da qualidade da medição. As forças de vibração são transmitidas pelos rolamentos, portanto, os sensores devem ser montados nas caixas dos rolamentos — o mais próximo possível do rolamento, na estrutura de suporte de carga (não nas tampas ou aletas de refrigeração).

• Preparação da superfície: Superfície limpa, plana e sem lascas de tinta. A base magnética deve assentar completamente em contacto com a superfície.
• Radial horizontal (H): Perpendicular ao eixo, plano horizontal. Geralmente de maior amplitude.
• Radial vertical (V): Perpendicular ao eixo, plano vertical.
• Axial (A): Paralelo ao eixo. Crítico para detetar desalinhamentos.

Modos de diagnóstico do Balanset-1A

• F8 — Charts → "F5-Spectrum (Hz)" tab: Full FFT spectrum display. The primary diagnostic mode. The other Charts tabs — F2-Overall, F3-1x, F4-Harmonics (1x..Nx), and F6-Orbit — cover overall vibration, 1× tracking, harmonic patterns, and shaft orbit.
• F5 — Vibration Meter: Avaliação rápida. Compare V1s (RMS total) com V1o (1×). Se V1s ≈ V1o → desequilíbrio. Se V1s ≫ V1o → outras falhas.
• F6 — Reports: Measurement archive and HTML reports — use it to store baselines.
• F9 — Route Inspection: Guided measurement routes with trend zones per ISO 10816-1 — for regular monitoring rounds.

Análise de Fase — O Diferenciador de Diagnóstico

A frequência indica-lhe o que está a vibrar; a fase diz-lhe como. Two faults can produce identical spectra (both dominated by 1×) — only phase analysis distinguishes them. Phase is the angular relationship between vibration at different measurement points, measured in degrees (0°–360°).

Falha 1: Desequilíbrio

Causa: Center of mass displaced from rotation axis. Manufacturing tolerances, deposit buildup, erosion, broken blade, lost weight.

Espetro: Dominant peak at exactly 1× RPM. Very low harmonics. Radial vibration. The unbalance força grows with speed²; vibration amplitude rises with speed, with the exact relationship depending on proximity to resonance. Phase is stable and repeatable.

Desequilíbrio Estático (Plano Único)

Pico puro de 1×, forma de onda sinusoidal. Ambos os mancais em fase. Correção de plano único.

Desequilíbrio dinâmico (dois planos / par)

Também dominante em 1×, mas com os rolamentos desfasados em cerca de 180°. Correção em dois planos necessária.

Falha 2: Desalinhamento do eixo

Causa: Os eixos de veios acoplados não coincidem. Podem ser paralelos (deslocados) ou angulares (inclinados), geralmente ambos.

Desalinhamento paralelo (radial)

Altos valores de 1× e 2× na direção radial. 2× frequentemente ≥ 1×. Desfasagem de 180° no acoplamento.

Desalinhamento angular — Radial

1× and 2× both present in the radial direction — either may dominate, so the radial spectrum alone is not conclusive. The axial measurement decides.

Desalinhamento angular — Axial

Axial vibration ≥ 50% of radial, typically dominated by 1× with elevated 2× and 3×. 180° phase across coupling in axial. This is the key distinguishing measurement.

Falha 3: Afrouxamento mecânico

Causa: Perda de rigidez estrutural — parafusos soltos, rachaduras na fundação, assentos dos rolamentos desgastados, folgas excessivas.

Folga dos componentes

"Floresta" de harmónicos — 1×, 2×, 3×, 4×… até 10×+ com amplitude decrescente. Pode apresentar sub-harmónicos de 0,5×.

Folga estrutural

Dominância em 1× e/ou 2×. Poucos harmónicos superiores. Forte vibração vertical.

Falha 4: Defeitos nos rolamentos

Causa: Presença de corrosão por pite, lascamento e desgaste nas pistas de rolamento, nos elementos rolantes ou na gaiola.

Defeito da pista externa (BPFO)

Série de picos em BPFO, 2×BPFO, 3×BPFO… Sem bandas laterais 1× (anel estacionário). Falha mais comum em rolamentos.

Defeito da Pista Interior (BPFI)

Harmónicos BPFI com bandas laterais de ±1× (anel rotativo, modulação da zona de carga). O padrão da banda lateral é o principal identificador.

Defeito de elemento rolante (BSF)

Harmónicos BSF. 2×BSF frequentemente dominante. Não síncronos. Frequentemente acompanhados por danos na pista.

Defeito na gaiola (FTF)

Sub-synchronous fundamental (FTF ≈ 0.4× shaft speed); its harmonics may extend above 1×. Low frequency. Often accompanies other bearing damage.

Análise de Envoltória (Desmodulação) — Detecção Precoce de Defeitos em Rolamentos

Standard FFT spectrum analysis detects bearing defects from late Stage 2 onward. Before that, bearing impacts are too weak — and too high in frequency — to appear above the noise floor. Análise de envelope (também chamada de demodulação ou detecção de alta frequência, HFD) estende a detecção a fases muito mais precoces.

Como funciona

Quando um elemento rolante atinge um defeito, gera um breve pulso de impacto que excita ressonâncias estruturais de alta frequência (tipicamente de 5 a 20 kHz). Estas ressonâncias "ressoam" brevemente a cada impacto. A análise de envelope funciona em três etapas:

1. Filtro passa-banda: Isole a faixa de ressonância de alta frequência (por exemplo, 5–15 kHz) onde os impactos reverberam.
2. Retificar e envolvente: Extraia o padrão de modulação de amplitude — o "envelope" que segue os picos da oscilação.
3. FFT do envelope: Aplique a FFT ao sinal do envelope. O resultado mostra o taxa de repetição de impactos — o que equivale às frequências de defeitos nos rolamentos (BPFO, BPFI, BSF, FTF).

Parâmetros relacionados

• Energia de pico (SE): Medição geral da energia de impacto de alta frequência. Valor de tendência escalar. Útil para triagem "aprovado/reprovado".
• gSE / HFD / PeakVue: Nomes específicos do fornecedor para parâmetros derivados do envelope. Todos baseados no mesmo princípio.
• Envolvente de aceleração: The Balanset-1A measures in velocity (mm/s). For full envelope analysis, a dedicated analyzer with acceleration input and band-pass filtering capability is ideal. However, the Balanset-1A's FFT can still detect discrete bearing defect frequencies effectively in the standard velocity spectrum from late Stage 2 onward.

Falha 5: Defeitos na engrenagem

Causa: Dentes desgastados, corroídos ou quebrados. Excentricidade da engrenagem. GMF = número de dentes × RPM do eixo / 60.

Excentricidade da engrenagem

GMF com bandas laterais a ±1× da velocidade do eixo. O 1× da engrenagem também pode ser elevado.

Desgaste/danos nos dentes da engrenagem

Múltiplos harmónicos GMF com bandas laterais densas. A intensidade acompanha a contagem e a amplitude das bandas laterais.

Fault 6: Electrical Faults (Motors)

Falhas eletromagnéticas produzem vibração em 2× frequência da linha (100 Hz em redes de 50 Hz, 120 Hz em redes de 60 Hz). Teste crítico: a vibração desaparece. imediatamente Quando há um corte de energia, as falhas mecânicas dissipam-se gradualmente.

• Excentricidade do estator: 2× frequência da linha, amplitude constante.
• Defeitos na barra do rotor: Sidebands around 1× running speed spaced at the pole-pass frequency (slip × number of poles — typically 0.5–2 Hz, so fine frequency resolution is needed to separate them). A rotor bar pass frequency (number of bars × shaft speed) with 2× line frequency sidebands may also appear.
• Pé macio: A vibração muda quando os pés individuais do motor são afrouxados.

Falha 7: Problemas na transmissão por correia

Causa: Correias desgastadas, desalinhadas ou com tensão inadequada. As transmissões por correia geram vibração no frequência de passagem da correia, que normalmente é uma frequência subsíncrona (abaixo de 1× a velocidade do eixo), visto que a correia é mais longa que a circunferência da polia.

Assinaturas de cinto comuns

• Desgaste/defeito da correia: Picos na frequência da correia (f_correia) e os seus harmónicos (2×, 3×, 4× f_correia). The fundamental appears below 1× shaft speed — a sub-synchronous peak is the key indicator; higher harmonics can extend above 1×.
• Desalinhamento da correia: Vibração axial elevada a 1× e 2× da velocidade do eixo. Semelhante ao desalinhamento do eixo, mas restrita à máquina acionada por correia.
• Tensão inadequada: Vibração elevada (1×) que varia drasticamente com o ajuste da tensão da correia. Correias muito apertadas aumentam a carga nos rolamentos; correias frouxas causam batimentos e picos na frequência da correia.
• Ressonância: A frequência natural da correia ("flutter" da correia) pode ser excitada se a ressonância do vão da correia coincidir com a velocidade de operação. É visível como um pico amplo na frequência natural da correia.

Falha 8: Cavitação da bomba

Causa: As bolhas de vapor formam-se e colapsam violentamente quando a pressão local desce abaixo da pressão de vapor do líquido — tipicamente na aspiração da bomba. Cada colapso de bolha cria um microimpacto. Milhares de colapsos por segundo geram um ruído característico de banda larga.

Assinatura Espectral

• Broadband energy: Unlike mechanical faults (which produce discrete peaks), cavitation generates a raised, irregular noise floor spread across a broad frequency band — in the chart below, from roughly 200 Hz up to the edge of the displayed range. The spectrum looks like a "hump" or elevated plateau rather than sharp peaks.
• Aleatório, não periódico: Sem harmónicos, sem relação com a velocidade do veio. O ruído soa como "cascalho" ou "crepitações" — audível mesmo sem instrumentos.
• Efeitos de baixa frequência: A cavitação severa também pode causar instabilidade em 1× e ruído de banda larga de baixa frequência devido à turbulência do fluxo.

Falha 9: Redemoinho e chicoteamento de óleo (Mancais de deslizamento)

Causa: Fluid-film instability in journal (sleeve) bearings. The oil film wedge forces the shaft to orbit within the bearing clearance at a sub-synchronous frequency. This is distinct from rolling element bearing defects and occurs only in plain/journal bearings. Shaft orbit display — the F8 — Charts → F6-Orbit tab on the Balanset-1A — is the classic way to watch journal-bearing behavior.

Redemoinho de óleo

• Frequência: Aproximadamente 0,42× a 0,48× velocidade do eixo (frequentemente citada como ~0,43×). Este é um pico sub-síncrono que acompanha a velocidade do eixo — se a RPM aumenta, a frequência de precessão aumenta proporcionalmente.
• Espetro: Um único pico em torno de 0,43× que se desloca com a velocidade. A amplitude pode ser moderada.
• Estado: Precursor do chicote de óleo. Geralmente não é imediatamente destrutivo, mas indica instabilidade.

Chicote de óleo

• Frequência: Trava primeiro no rotor frequência natural (velocidade crítica). Ao contrário do whirl, ele NÃO acompanha a velocidade do eixo — a frequência permanece constante conforme a RPM muda.
• Espetro: Pico sub-síncrono acentuado na primeira velocidade crítica do rotor. A amplitude pode ser muito alta — destrutiva.
• Estado: Perigoso. É necessária uma ação imediata. Pode causar a destruição do rolamento e danos no eixo.

ISO 10816 Vibration Severity — Classification Table

ISO 10816-1 (the general part of the ISO 10816 series, superseded by ISO 20816 but still widely referenced) defines vibration severity zones for four machine classes. Vibration is measured as velocity in mm/s RMS on bearing housings. The table below shows all zone boundaries for all four classes — use it as a quick reference when evaluating measurements. Note that ISO 10816-3 (now ISO 20816-3), which covers industrial machines above 15 kW running at 120–15,000 RPM, uses a different scheme — two machine groups with rigid or flexible support classes — rather than the Classes I–IV shown here.

Da medição à monitorização

Análise de Tendências

Um único espectro é um instantâneo. O poder da análise de vibração é análise de tendências — acompanhar as mudanças ao longo do tempo.

• Criar uma linha de base: Measure new or known-good equipment. Save spectra — the Balanset-1A's F6 — Reports archive stores measurements and HTML reports.
• Estabelecer intervalos: Crítico: semanal. Padrão: mensal. Auxiliar: trimestral.
• Garantir a repetibilidade: Mesmos pontos, mesmas direções, mesmas condições de operação.
• Acompanhar alterações: Um aumento de 2× em relação ao valor de referência é significativo, mesmo na Zona ISO A.
• Use measurement routes: The Balanset-1A's F9 — Route Inspection guides repeatable measurement rounds and trends readings against ISO 10816-1 zones.

Algoritmo de decisão

1. Obtenha um espectro de qualidade (gráficos F8, radial + axial).
2. Identifique o pico mais alto — este é o problema dominante.
3. Correspondência com o tipo de falha:
   • 1× domina → Desequilíbrio → Equilibrar com Balanset-1A.
   • 2× domina + axial alto → Desalinhamento → Realinhar os eixos.
   • Muitos harmónicos → Folga → Inspecione e aperte.
   • Picos não síncronos → Rolamento → Planear a substituição.
   • GMF + bandas laterais → Engrenagem → Verificar óleo, inspecionar a caixa de engrenagens.
4. Corrija primeiro a falha principal — os sintomas secundários geralmente desaparecem.

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