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O que é vibração axial em máquinas rotativas?

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Entendendo a vibração axial em máquinas rotativas

Definição: O que é vibração axial?

Vibração axial (também chamada de vibração longitudinal ou vibração axial) é o movimento de vaivém de um rotor em uma direção paralela ao seu eixo de rotação. Ao contrário de vibração lateral A vibração axial representa o movimento lateral perpendicular ao eixo, enquanto a vibração de um pistão se move para dentro e para fora ao longo de seu comprimento.

Embora normalmente tenha amplitude menor que a vibração lateral, a vibração axial é altamente diagnóstica para certos tipos de falhas em máquinas, particularmente desalinhamento, problemas em rolamentos de encosto e questões relacionadas a processos em bombas e compressores.

Características e Medição

Direção e Movimento

A vibração axial ocorre ao longo do eixo central do eixo:

  • O movimento é paralelo ao eixo de rotação do eixo.
  • O rotor se move para frente e para trás, como em um movimento alternativo.
  • Normalmente medido nos alojamentos dos rolamentos ou nas extremidades dos eixos.
  • A amplitude é geralmente menor que a vibração radial, mas é altamente significativa para fins de diagnóstico.

Configuração de medição

A vibração axial requer uma montagem específica do sensor:

  • Orientação do sensor: Acelerômetro ou transdutor de velocidade montado paralelamente ao eixo do eixo
  • Locais típicos: Em tampas de extremidade de alojamentos de rolamentos, tampas de extremidade de motores ou alojamentos de rolamentos de encosto.
  • Sondas de proximidade: É possível medir a posição axial diretamente quando montado de frente para a superfície da extremidade do eixo.
  • Importância: Frequentemente negligenciado, mas crucial para um diagnóstico completo da máquina.

Causas primárias da vibração axial

1. Desalinhamento (Causa mais comum)

Desalinhamento do eixo, particularmente o desalinhamento angular, é a principal causa de vibração axial:

  • Sintoma: Vibração axial elevada, de 1X ou 2X, em velocidade de operação.
  • Mecanismo: O desalinhamento angular entre eixos acoplados cria forças axiais oscilantes transmitidas através do acoplamento.
  • Indicador de diagnóstico: A amplitude da vibração axial > 50% da vibração radial sugere fortemente desalinhamento.
  • Relação de fase: A vibração axial nas extremidades de acionamento e não acionamento geralmente está defasada em 180°.

2. Defeitos em mancais de encosto

Problemas com os mancais de encosto que controlam a posição axial do eixo causam vibração axial característica:

  • Desgaste ou danos no rolamento axial
  • Pré-carga insuficiente do rolamento de encosto
  • Falha no rolamento de encosto permitindo folga axial excessiva
  • Problemas de lubrificação específicos para mancais de encosto

3. Forças hidráulicas ou aerodinâmicas

As forças de processo em bombas, compressores e turbinas criam forças axiais:

  • Cavitação da bomba: O colapso de bolhas de vapor cria forças de choque axial.
  • Desequilíbrio do impulsor: O fluxo assimétrico cria um impulso axial oscilante.
  • Turbulência de fluxo axial: Em compressores axiais e turbinas
  • Em ascensão: A sobrepressão do compressor cria vibrações axiais violentas.
  • Recirculação: Operação fora do projeto causando instabilidades de fluxo

4. Afrouxamento mecânico

Folgas excessivas permitem movimento axial:

  • Superfícies de rolamento de encosto desgastadas
  • Componentes de acoplamento solto
  • Restrição axial inadequada no projeto do rolamento
  • Espaçadores ou calços desgastados

5. Problemas de acoplamento

O desgaste ou a instalação incorreta do acoplamento geram vibração axial:

  • Dentes de acoplamento de engrenagem desgastados permitindo flutuação axial
  • Acoplamentos flexíveis instalados incorretamente
  • Erros no comprimento do espaçador de acoplamento
  • Ângulos de juntas universais que criam componentes de força axial

6. Problemas de crescimento térmico

A expansão térmica diferencial pode induzir forças axiais:

  • Expansão térmica da tubulação, comprimindo/puxando o equipamento
  • Crescimento térmico desigual entre máquinas acopladas
  • Assentamento da fundação afetando o alinhamento axial

Significância Diagnóstica

Diagnóstico de desalinhamento

A vibração axial é o principal indicador para diagnosticar desalinhamentos:

  • Regra prática: Se a vibração axial for superior a 50% ou à vibração radial, suspeite de desalinhamento.
  • Conteúdo de frequência: Predominantemente 2X para desalinhamento paralelo; 1X e 2X para desalinhamento angular.
  • Análise de Fase: A diferença de fase de 180° entre as medições axiais em extremidades opostas confirma o desalinhamento.
  • Confirmação: Vibração axial elevada que diminui significativamente após alinhamento de precisão confirma o diagnóstico.

Diagnóstico de bombas e compressores

Para equipamentos rotativos que manuseiam fluidos:

  • Cavitação: Vibração axial aleatória de alta frequência com características de banda larga
  • Desequilíbrio hidráulico: Vibração axial 1X devido à carga assimétrica do impulsor
  • Surto: Oscilação axial de grande amplitude e baixa frequência
  • Frequência de passagens da lâmina: A componente axial na frequência de passagem da pá indica problemas de fluxo.

Avaliação da condição dos rolamentos

  • Um aumento repentino na vibração axial pode indicar deterioração do rolamento de encosto.
  • A vibração axial com frequências de defeito no rolamento de encosto confirma o problema no rolamento.
  • A folga axial excessiva medida com sensores de proximidade indica desgaste do rolamento.

Níveis e padrões aceitáveis

Diretrizes Gerais

Embora normas como a ISO 20816 abordem principalmente a vibração radial, os limites de vibração axial são normalmente expressos como:

  • Em relação ao radial: Axial deve ser < 50% de vibração radial em condições normais
  • Limites absolutos: Normalmente, 25-50% dos limites de vibração radial para a classe da máquina
  • Comparação de referência: Aumentos de 50 a 100% em relação ao valor basal justificam investigação.

Normas específicas para equipamentos

  • API 610 (Bombas Centrífugas): Especifica os limites de vibração radial e axial.
  • API 617 (Compressores Centrífugos): Inclui critérios de aceitação de vibração axial
  • Turbomáquinas: Frequentemente monitoradas continuamente com sensores de posição axial e vibração.

Métodos de correção e mitigação

Para desalinhamento

  1. Alinhamento de precisão do eixo: Utilize ferramentas de alinhamento a laser para corrigir desalinhamentos angulares e paralelos.
  2. Correção de pés macios: Certifique-se de que todos os pés de montagem estejam nivelados antes do alinhamento.
  3. Considerações sobre o crescimento térmico: Leve em consideração a expansão da temperatura de operação no alinhamento.
  4. Alívio de tensão em tubulações: Elimine as forças na tubulação que desalinham os equipamentos.

Para problemas com rolamentos de encosto

  • Substitua os componentes desgastados do rolamento de encosto.
  • Verifique se a pré-carga e as folgas dos rolamentos de encosto estão corretas.
  • Garanta a lubrificação adequada das superfícies dos mancais de encosto.
  • Verifique se o rolamento de encosto está instalado corretamente e se há calços.

Para forças axiais relacionadas ao processo

  • Eliminar a cavitação: Aumente a pressão de entrada, reduza a temperatura do fluido e verifique se há obstruções na entrada.
  • Otimizar o ponto de operação: Operar bombas e compressores dentro da faixa de projeto.
  • Equilíbrio das forças hidráulicas: Utilize furos de balanceamento ou palhetas traseiras nos impulsores.
  • Controle de Sobretensão: Implementar medidas eficazes de prevenção de sobretensão em compressores.

Para problemas mecânicos

  • Substitua os acoplamentos e componentes de acoplamento desgastados.
  • Aperte as conexões mecânicas soltas.
  • Verifique as dimensões corretas do espaçador e da arruela de ajuste.
  • Assegure-se de que a conexão esteja instalada corretamente, conforme as especificações do fabricante.

Melhores práticas de medição

Instalação do sensor

  • Montagem firme: Use pinos ou adesivo em vez de ímãs para medições axiais, sempre que possível.
  • Verificar orientação: Certifique-se de que o sensor esteja realmente paralelo ao eixo da haste (e não em um ângulo).
  • Ambas as extremidades: Meça a vibração axial nas extremidades de acionamento e não acionamento para comparação de fase.
  • Sondas de proximidade: Para equipamentos críticos, instale sensores de posição axial permanentes.

Coleta de dados

  • Sempre colete dados axiais juntamente com medições radiais horizontais e verticais.
  • Registre as relações de fase entre as medições axiais em diferentes locais.
  • Compare as relações de amplitude axial e radial.
  • Analisar a tendência da vibração axial ao longo do tempo para detectar problemas em desenvolvimento.

Comparação entre vibração axial e radial

Principais diferenças

Aspecto Vibração radial (lateral) Vibração axial
Direção Perpendicular ao eixo do eixo Paralelo ao eixo do eixo
Amplitude típica Mais alto Inferior (geralmente) < 50% de radial)
Causas primárias Desbalanceamento, eixo torto, defeitos nos rolamentos Desalinhamento, problemas com rolamentos de encosto, forças do processo
Valor diagnóstico Estado geral da máquina Específico para problemas de desalinhamento e empuxo
Prioridade de monitoramento Foco principal Secundário, mas crucial para o diagnóstico.

Aplicações industriais

O monitoramento da vibração axial é particularmente importante para:

  • Bombas centrífugas: Forças hidráulicas e detecção de cavitação
  • Compressores: Monitoramento de rolamentos de encosto e detecção de surtos
  • Turbinas: Forças nas pás da turbina axial e condição do rolamento de encosto
  • Equipamentos acoplados: Verificação de alinhamento e condição de acoplamento
  • Equipamentos de processo: Monitoramento das condições de fluxo

Embora a vibração axial seja frequentemente ofuscada pela vibração radial, mais proeminente, analistas de vibração experientes reconhecem seu valor diagnóstico crucial. Muitos problemas em máquinas que poderiam passar despercebidos ao se examinar apenas a vibração radial são claramente revelados pelos padrões de vibração axial, tornando-a um componente essencial de programas abrangentes de monitoramento da condição de máquinas.

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