1. O que é ressonância?

A maioria das estruturas e máquinas sofre oscilações naturais e, portanto, forças externas periódicas que atuam sobre elas podem causar ressonância. A ressonância é frequentemente referida como oscilações na frequência natural ou na frequência crítica. Ressonância é o fenômeno de um aumento acentuado na amplitude das oscilações forçadas., A ressonância ocorre quando a frequência da excitação externa se aproxima das frequências de ressonância determinadas pelas propriedades do sistema. O aumento na amplitude da oscilação é apenas uma consequência da ressonância — a causa é a coincidência da frequência externa (de excitação) com a frequência interna (natural) do sistema vibratório (rotor-mancal).

A ressonância é o fenômeno pelo qual, em uma determinada frequência da força de excitação, o sistema vibratório torna-se particularmente sensível à ação dessa força. Parâmetros do sistema, como baixa rigidez e/ou amortecimento fraco, atuando na máquina do rotor na frequência de ressonância, podem levar à ocorrência de ressonância. A ressonância não leva necessariamente à quebra da máquina ou à falha de componentes, exceto quando defeitos na máquina causam vibração ou quando uma máquina instalada nas proximidades "induz" vibração na mesma frequência das frequências naturais.

Isso é comparável às oscilações de um sino ou de um tambor. No caso de um sino (Fig. 1), toda a sua energia está na forma potencial quando ele está parado e nos pontos mais altos de sua trajetória, e, ao passar pelo ponto mais baixo em velocidade máxima, a energia se converte em energia cinética. A energia potencial é proporcional à massa do sino e à altura do elevador em relação ao ponto mais baixo; a energia cinética é proporcional à massa e ao quadrado da velocidade no ponto de medição. Ou seja, se você bater no sino, ele ressoará em uma frequência específica (ou frequências). Se estiver em repouso, não oscilará na frequência de ressonância.

A ressonância é uma propriedade da máquina, esteja ela em funcionamento ou não. Deve-se notar que a rigidez dinâmica do eixo quando a máquina está girando pode diferir significativamente da rigidez estática quando a máquina está parada, enquanto a ressonância varia apenas de forma insignificante.

Existe uma regra estabelecida, baseada na experiência prática, que afirma que As frequências de ressonância medidas durante a parada da máquina (desaceleração) são aproximadamente 20% menores que as frequências de vibração forçada.. As frequências de ressonância de conjuntos e peças individuais de máquinas — como o eixo, o rotor, a carcaça e a base — são oscilações em suas frequências naturais.

Após a instalação da máquina, as frequências de ressonância podem sofrer alterações devido a mudanças nos parâmetros do sistema (massa, rigidez e amortecimento), que, após a conexão de todos os mecanismos da máquina em uma única unidade, podem aumentar ou diminuir. Além disso, a rigidez dinâmica, como mencionado anteriormente, pode deslocar as frequências de ressonância quando as máquinas operam na velocidade de rotação nominal. A maioria das máquinas é projetada de forma que o rotor não tenha a mesma frequência natural que o eixo. Uma máquina composta por um ou dois mecanismos não deve operar em uma frequência de ressonância. No entanto, com o desgaste e as alterações nas folgas, a frequência natural frequentemente se desloca em direção à velocidade de rotação de operação, causando ressonância.

O aparecimento repentino de oscilações em uma frequência de defeito — como um encaixe frouxo ou outra falha — pode fazer com que a máquina vibre em sua frequência de ressonância. Nesse caso, a vibração da máquina aumentará de um nível aceitável para um inaceitável se as oscilações forem causadas pela ressonância de conjuntos ou elementos da máquina.

2. Ressonância durante a inicialização e o desligamento (Fig. 2)

A ressonância pode ser observada durante a inicialização da máquina, quando ela passa pela frequência de ressonância (Fig. 2). À medida que a velocidade de rotação aumenta, a amplitude cresce até atingir seu valor máximo na frequência de ressonância (n)._res) e diminuem após passar por ela. Quando o rotor passa pela ressonância, o A fase de vibração muda em 180 graus.. Na ressonância, as oscilações do sistema ficam defasadas em 90 graus em relação às oscilações da força de excitação.

A defasagem de 180 graus é frequentemente observada apenas em rotores que possuem um único plano de correção (Fig. 3, à esquerda). Sistemas mais complexos de "eixo/rotor-mancal" (Fig. 3, à direita) apresentam uma defasagem que varia de 160° a 180°. Sempre que um especialista em análise de vibrações observar uma alta amplitude de oscilação, deve considerar que seu aumento para um nível inaceitável pode estar relacionado à ressonância do sistema.

3. Configurações do rotor (Fig. 3)

O comportamento vibratório de um rotor depende criticamente de sua geometria e de como ele é suportado. Um rotor simples com um único plano de correção (um disco em balanço) apresenta uma defasagem de 180° nítida por meio da ressonância. Um sistema mais complexo — como dois rotores conectados por um eixo cardan — exibe múltiplos modos acoplados e a defasagem pode se desviar dos 180° ideais.

4. Massa, rigidez e amortecimento (Figs. 4–7)

Massa, rigidez e amortecimento — esses são os três parâmetros do sistema vibratório que afetam a frequência e aumentam a amplitude das oscilações na ressonância.

Massa Caracteriza as propriedades do corpo e é uma medida de sua inércia (quanto maior a massa, menor a aceleração que adquire sob a ação de uma força periódica), que causa suas oscilações.

Rigidez É uma propriedade do sistema que se opõe às forças inerciais resultantes das forças de massa.

Amortecimento É uma propriedade do sistema que reduz a energia das oscilações, convertendo-a em energia térmica devido ao atrito no sistema mecânico.

onde f_n — frequência natural, k — rigidez, m — massa, ζ — coeficiente de amortecimento, Q — fator de qualidade (amplificação na ressonância), A_res — amplitude de ressonância, F₀ — amplitude da força de excitação.

Para reduzir a ressonância, os parâmetros do sistema são selecionados de forma que suas frequências de ressonância estejam posicionadas o mais longe possível das possíveis frequências de excitação externa. Na prática, são utilizados para esse fim os chamados absorvedores de vibração dinâmicos, ou amortecedores.

O simulador interativo abaixo (substituindo as figuras estáticas 4–7 do artigo original) mostra a Característica de Amplitude-Frequência (CAF) de um sistema vibratório simples composto por massa, mola e amortecedor. Ajuste os parâmetros para observar esses efeitos em tempo real:

Podemos fazer uma analogia com uma corda de guitarra. Quanto mais você estica a corda (maior rigidez), mais agudo o som (frequência de ressonância) fica — até a corda arrebentar. Se você usar a corda mais grossa (maior massa), o som produzido será mais grave.

5. Medição da Ressonância (Fig. 8)

Um dos métodos mais comuns para medir a frequência de ressonância de uma estrutura é a excitação por impacto usando um martelo instrumentado.

O impacto na estrutura, na forma de um choque de entrada, excita pequenas forças perturbadoras em uma determinada faixa de frequência. As oscilações criadas pelo impacto representam um processo transitório de transferência de energia de curta duração. O espectro da força de impacto é contínuo, com amplitude máxima em 0 Hz e subsequente diminuição com o aumento da frequência.

A duração do impacto e o formato do espectro durante a excitação por impacto são determinados pela massa e rigidez tanto do martelo de impacto quanto da estrutura da máquina. Ao usar um martelo relativamente pequeno em uma estrutura rígida, a rigidez da ponta do martelo determina o espectro. A ponta do martelo funciona como um filtro mecânico. Ao selecionar a rigidez da ponta do martelo, é possível escolher a faixa de frequência da investigação.

Ao utilizar essa técnica de medição, é muito importante golpear diferentes pontos da estrutura, visto que nem todas as frequências de ressonância podem ser medidas golpeando e medindo no mesmo ponto. Ao determinar a ressonância da máquina, ambos os pontos — o ponto de impacto e o ponto de medição — devem ser verificados (testados).

Se o martelo tiver uma ponta macia, a maior parte da energia liberada excitará oscilações em baixas frequências. Um martelo com ponta dura libera pouca energia em qualquer frequência específica, exceto que sua energia liberada excitará oscilações em altas frequências. A resposta ao golpe do martelo pode ser medida com um analisador de canal único, desde que a máquina esteja parada e desconectada.

6. Característica de Frequência de Amplitude-Fase — APFC (Fig. 9)

A ressonância da máquina pode ser determinada usando um analisador de canal único como um aumento na amplitude de oscilação na frequência de ressonância e pela mudança de fase de 180 graus ao passar pela ressonância — se a amplitude e a fase das oscilações forem medidas na frequência de rotação durante a partida (run-up) ou parada (coastdown) da máquina. A característica construída com base nessas medições é chamada de Característica de Frequência de Amplitude-Fase (APFC).

A análise do APFC (Fig. 9) permite ao especialista em análise de vibrações identificar as frequências de ressonância do rotor.

Se a fase não se alterar ao passar por uma possível ressonância, o aumento da amplitude pode estar relacionado a uma excitação aleatória e não a uma ressonância do rotor. Nesses casos, além das medições de vibração durante a partida e a parada, recomenda-se realizar um "teste de impacto".

Ao utilizar um analisador de vibração multicanal, a ressonância de uma estrutura pode ser determinada com grande precisão, medindo-se simultaneamente os sinais de entrada e saída do sistema, enquanto se controla a fase e a coerência da vibração coletadas durante o mesmo período. A coerência é uma função de dois canais utilizada para avaliar o grau de linearidade entre os sinais de entrada e saída do sistema. Isso significa que as frequências de ressonância podem ser identificadas significativamente mais rápido.

7. Algumas considerações sobre a ressonância da máquina

Deve-se atentar para a análise dos diferentes tipos de máquinas e seus modos de operação, que podem complicar os testes de ressonância:

Devido às diferenças na rigidez estrutural nas direções horizontal e vertical, a frequência de ressonância varia conforme a direção. Portanto, as ressonâncias podem se manifestar com maior intensidade em uma direção específica.

Conforme discutido anteriormente, as frequências de ressonância diferem quando a máquina está em funcionamento e quando está parada (desligada). Equipamentos verticais, em geral, causam grande preocupação, pois durante a operação desses equipamentos sempre ocorre ressonância, especialmente em motores elétricos montados em balanço.

Algumas máquinas possuem grande massa e, portanto, não podem ser excitadas com um martelo — métodos alternativos de excitação são necessários para determinar as frequências de ressonância reais. Às vezes, em máquinas muito grandes, utiliza-se um vibrador sintonizado em uma faixa de frequência específica, pois o vibrador tem a capacidade de fornecer grandes quantidades de energia em cada frequência individual durante a oscilação.

E uma última consideração: antes de realizar o teste de ressonância, é muito útil medir primeiro o nível de vibração de fundo (a resposta à excitação aleatória do ambiente circundante). Isso ajudará a evitar erros no diagnóstico (ressonância do sistema) com base na amplitude máxima de oscilação em uma determinada frequência acima do nível de fundo.

8. Resumo

Neste artigo, discutimos a influência das frequências de ressonância na vibração de máquinas. Todas as estruturas e máquinas possuem frequências de ressonância, mas a ressonância não afeta a máquina se não houver frequências que a excitem. Se a vibração da máquina for excitada por sua própria frequência natural, existem três opções para desafinar o sistema:

Opção 1. Desloque a frequência da força perturbadora para longe da frequência de ressonância.

Opção 2. Desloque a frequência de ressonância para longe da frequência da força perturbadora.

Opção 3. Aumente o amortecimento do sistema para reduzir o fator de amplificação da ressonância.

As opções 2 e 3 geralmente exigem algumas modificações estruturais que não podem ser realizadas a menos que uma análise modal e/ou um estudo de elementos finitos tenham sido conduzidos na estrutura.