Entendendo a Ressonância Estrutural

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Definição: O que é ressonância estrutural?

Ressonância estrutural é uma condição em que o vibração frequência de máquinas rotativas (como 1× velocidade de funcionamento, 2× de desalinhamento, ou frequência de passagem da lâmina) corresponde a um frequência natural da estrutura de suporte não rotativa — incluindo a estrutura da máquina, a placa de base, pedestais, fundação, ou mesmo estruturas próximas. Quando essa correspondência de frequência ocorre, ressonância Amplifica a vibração estrutural a níveis muito superiores aos experimentados pelos próprios componentes rotativos.

A ressonância estrutural é particularmente problemática porque pode fazer com que uma máquina bem equilibrada e alinhada apresente problemas graves de vibração. A alta vibração ocorre na estrutura, não indicando necessariamente problemas no rotor, mas o movimento estrutural pode retroalimentar o comportamento do rotor e causar danos mecânicos reais ao longo do tempo.

Como ocorre a ressonância estrutural

O Mecanismo de Ressonância

1. Fonte de excitação: Máquinas rotativas geram forças periódicas (de desequilíbrio, desalinhamento, etc.)
2. Transmissão de força: Essas forças são transmitidas através dos rolamentos para suportar a estrutura.
3. Correspondência de frequência: Se a frequência de excitação for ≈ frequência natural estrutural
4. Acumulação de energia: A estrutura absorve energia ao longo de múltiplos ciclos.
5. Amplificação: A amplitude da vibração aumenta, limitada apenas pela estrutura. amortecimento
6. Efeito observado: A estrutura vibra com uma amplitude de 5 a 50 vezes maior do que a força de entrada normalmente produziria.

Faixas de frequência típicas

• Modos de Fundação: Normalmente, de 5 a 30 Hz para fundações industriais típicas.
• Modos da placa de base: 20-100 Hz, dependendo do tamanho e da construção.
• Modos de pedestal: 30-200 Hz para suportes de rolamentos típicos
• Modos de enquadramento/cobertura: 50-500 Hz para painéis e revestimentos de chapa metálica.

Cenários comuns de ressonância

Ressonância de velocidade de corrida 1X

• Exemplo: Máquina funcionando a 1800 RPM (30 Hz), frequência natural da fundação entre 28 e 32 Hz.
• Sintoma: Vibração muito alta apesar do bom equilíbrio
• Efeito: Mesmo um pequeno desequilíbrio residual cria um grande movimento estrutural.
• Solução: Alterar a rigidez da fundação, adicionar amortecimento ou alterar a velocidade de operação.

Ressonância 2X (Frequência de Desalinhamento)

• O desalinhamento gera excitação com frequência 2×
• Se 2× corresponder ao modo estrutural, ocorre amplificação.
• Vibrações intensas podem ser diagnosticadas erroneamente como desalinhamento grave.
• A melhoria do alinhamento ajuda, mas não elimina a ressonância.

Frequência de ressonância da lâmina/pá

• Ventiladores, bombas e turbinas geram uma frequência de passagem das pás (N × RPM, onde N = número de pás)
• Geralmente na faixa de 50 a 500 Hz.
• É possível excitar modos estruturais nessa faixa de frequência.
• Ruídos ou zumbidos de alta frequência

Identificação Diagnóstica

Sintomas de ressonância estrutural

• Vibração desproporcional: A vibração da estrutura é muito maior do que a vibração do rolamento.
• Faixa de velocidade estreita: Vibração elevada apenas em velocidade específica (±5-10%)
• Dependência direcional: Severo em uma direção, mínimo na direção perpendicular (formato modal correspondente)
• Dependência de localização: A vibração varia muito ao longo da superfície da estrutura (antinós vs. nós).
• Efeito de apoio mínimo: Os rolamentos e o rotor podem apresentar vibrações aceitáveis, enquanto a estrutura pode sofrer danos severos.

Testes de Diagnóstico

1. Teste de impacto (Teste de colisão)

• Golpeie a estrutura com um martelo e meça a resposta.
• Identifica todas as frequências naturais estruturais
• Comparar com as frequências de operação da máquina
• O teste mais definitivo para ressonância estrutural

2. Comparação de locais de medição

• Meça a vibração na caixa do rolamento (próximo à fonte).
• Meça na base do pedestal, placa de base, fundação.
• Se a vibração estrutural for muito maior que a vibração do rolamento, isso indica ressonância estrutural.
• Transmissibilidade > 2-3 sugere amplificação por ressonância

3. Formato de Deflexão Operacional (ODS)

• Meça a vibração em vários pontos da estrutura simultaneamente.
• Criar visualizações animadas de movimentos estruturais
• Revela qual modo estrutural está ativo
• Identifica nós e antinós

Soluções e Mitigação

Separação de Frequência

Alterar a velocidade de operação

• Se o equipamento for de velocidade variável, opere-o longe da ressonância.
• Alterar o tamanho das polias do motor permite ajustar a velocidade.
• Use o inversor de frequência para selecionar a velocidade não ressonante.
• Pode não ser prático se a velocidade for determinada pelos requisitos do processo.

Modificar a frequência natural estrutural

• Adicionar massa: Reduz a frequência natural (f ∝ 1/√m)
• Aumentar a rigidez: Aumenta a frequência natural (f ∝ √k)
• Remover material: Em alguns casos, a redução da massa pode alterar a ressonância.
• Modificação estrutural: Adicione escoras, cantoneiras ou reforços.

Adição de amortecimento

Amortecimento de Camada Restrita

• Material de amortecimento viscoelástico colado à estrutura
• Eficaz para painéis e estruturas de chapa metálica.
• Reduz a amplitude do pico de ressonância
• Tratamentos de amortecimento disponíveis comercialmente

Amortecedores de massa sintonizados

• Adicionar um sistema secundário de massa-mola sintonizado na frequência problemática.
• Absorve energia, reduzindo a vibração da estrutura principal.
• Eficaz, mas requer projeto e ajustes cuidadosos.

Materiais de amortecimento estrutural

• Almofadas ou isoladores de borracha em locais estratégicos
• Compostos de amortecimento aplicados às superfícies
• Amortecedores de fricção nas juntas

Isolamento

• Instale isoladores de vibração entre a máquina e a fundação.
• Desacopla a vibração da máquina da estrutura.
• Eficaz se a frequência natural do isolador for alta < 0,5× frequência de excitação
• Requer um projeto cuidadoso para evitar a criação de novos problemas de ressonância.

Reduzir a excitação

• Melhorar equilíbrio de qualidade para reduzir a excitação de 1×
• Alinhamento de precisão para reduzir a excitação em 2×
• Corrigir problemas mecânicos reduzindo as amplitudes de força
• Reduz os sintomas, mas não elimina o potencial de ressonância.

Prevenção no Design

Critérios de projeto de fundações

• Frequência natural fundamental > 2× frequência máxima de operação (evitar ressonância acima desse valor)
• Ou < 0,5× frequência mínima de operação (fundação isolada)
• Evite a faixa de 0,5 a 2,0, onde a ressonância é provável.
• Incluir análise dinâmica na fase de projeto.

Projeto Estrutural

• Projetar para rigidez adequada em relação às frequências de excitação.
• Evite estruturas com cargas leves propensas à ressonância.
• Utilize nervuras e reforços para aumentar a frequência.
• Considere adicionar amortecimento inerente (materiais compósitos, juntas com atrito).

A ressonância estrutural pode transformar pequenas fontes de vibração em grandes problemas devido aos efeitos de amplificação. Identificar ressonâncias estruturais por meio de testes de impacto e medições operacionais, combinado com estratégias de mitigação adequadas, é essencial para atingir níveis de vibração aceitáveis em instalações onde a dinâmica estrutural influencia significativamente o comportamento vibratório geral da máquina.

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