A vibração é uma característica sempre presente nos equipamentos dinâmicos, porém sua ocorrência em níveis elevados pode ser danosa ao equipamento e até provocar falhas funcionais, gerando problemas tais como: fadiga, desgaste, afrouxamento, ruído, aquecimento e diversas condições insalubres.
Essas vibrações anormais podem ser devido a diversos fatores distintos, dentre eles temos: falha do projeto, de fabricação, montagem, manutenção e as decorrentes da operação do equipamento em si.
As causas de defeitos são agrupadas em categorias diferentes:
3.4.1- Dinâmicas
São falhas que se manifestam na frequência de rotação da máquina e se apresentam em todas as máquinas. Elas são: desbalanceamento, desalinhamento, folga, roçamento, folgas na estrutura, folga nas correias e outros.
44 3.4.1.1- Desbalanceamento
O desbalanceamento é uma das causas mais comuns de vibrações em máquinas. Ele é provocado quando se tem alguma massa no rotor que gera uma força centrífuga. Pode ser provocado por desgaste ou corrosão do rotor, acumulo de material no rotor e excentricidade.
Figura 14: Massa gerando um desbalanceamento. (Fonte: www.guhring.com.br)
Manifesta-se em uma vibração com amplitude alta no pico de uma vez a rotação, 1X (onde X corresponde à frequência de rotação), e quanto maior for a amplitude mais acentuado será o desbalanceamento. O desbalanceamento tende a aumentar com o quadrado da velocidade de rotação do equipamento e se manifesta principalmente nas direções radiais (H e V).
Figura 15: Espectro de um desbalanceamento. (Fonte:www.acervodigital.unesp.br) Para balancear o rotor novamente, basta igualar a força centrífuga causadora do desbalanceamento com uma outra força centrífuga contrária. Ela surgirá com a introdução de uma massa que irá gerar uma força de mesmo módulo e mesma direção, mas de sentido oposto que irá anular o desbalanceamento.
45
Abaixo segue a fórmula da força centrífuga:
F= m.w².e Sendo:
3.4.1.2 – Desalinhamento
O desalinhamento também é uma fonte de vibração bastante comum em máquinas rotativas. O desalinhamento normalmente é caracterizado por uma vibração com uma componente de mais de duas vezes a frequência de rotação, 2x, acompanhado de elevada vibração axial.
Figura 16: Demonstração de um espectro de frequência de um desalinhamento. (Fonte: www.acervodigital.unesp.br)
A análise da fase do equipamento constitui uma importante ferramenta para diferenciar um desalinhamento de um desbalanceamento. Outra forma de se diferenciá-los é observar o quanto o problema aumenta com o aumento da rotação, enquanto o desbalanceamento aumenta com o quadrado da rotação, o desalinhamento aumenta pouco.
Há basicamente dois tipos de desalinhamento: paralelo e angular. O desalinhamento paralelo ocorre quando as linhas de centro dos eixos das máquinas não coincidem, não estão alinhadas, nesse caso observa-se alta vibração radial. O
m: massa desbalanceada ou excêntrica w: velocidade angular
e: distância entre o centro de gravidade da massa e o centro de rotação
46
desalinhamento angular ocorre quando as linhas de centro do eixo das máquinas se interceptam, formando um ângulo entre si, nesse caso a vibração axial é a mais elevada. Frequentemente o que se encontra é a ocorrência de ambos os tipos num mesmo equipamento, gerando o desalinhamento misto ou combinado.
Figura 17: Desalinhamento paralelo Figura 18: Desalinhamento angular (Fonte: www.blogdamecanica.com.br). (Fonte: www.blogdamecanica.com.br)
Devido a folgas de montagem, dilatações térmicas, imperfeições geométricas e diferentes condições de operação, um alinhamento aceitável não é isento de imperfeições. Pode-se tolerar um pequeno desalinhamento no eixo desde que este esteja dentro de uma faixa mínima que não atrapalhe a operação do equipamento.
3.4.1.3 – Empeno de eixo
O empenamento de eixo pode provocar elevada vibração, sendo um problema comumente confundido com desbalanceamento e desalinhamento. A execução de um balanceamento poderá reduzir a vibração provocada, porém raramente irá eliminá-la. A única solução do problema reside na remoção do empenamento que, quando viável, pode ser realizado mediante aquecimento ou uso de uma prensa.
Um eixo empenado geralmente causa forte vibração axial em 1x. A vibração predominante ocorre em 1x se a curvatura estiver próxima do centro do eixo. Quando a curvatura estiver mais próxima de um dos mancais comumente surgirá um pico em 2x. A chave para a identificação deste tipo de falha reside na análise da fase. A fase medida nos mancais entre os quais encontra-se o empenamento apresentará uma defasagem de 180º na direção axial.
47 3.4.1.4 – Roçamento
O roçamento é o contato eventual entre as partes rotativas e estacionárias de uma máquina podendo provocar vibrações na frequência de rotação, em seu dobro, em seus sub harmônicos e até em altas frequências. O roçamento é normalmente resultado de um eixo empenado ou excentricidade.
O roçamento exibe característica similar à folga mecânica. Geralmente uma ou mais frequências naturais são excitadas pela fricção. A análise da forma de onda pode ser bastante útil nesta análise, podendo revelar uma forma de onda truncada.Com o agravamento do problema pode-se observar também a ocorrência de impactos. Entretanto, se o roçamento for contínuo, provavelmente não será possível ver nenhum truncamento. Contudo, esse atrito contínuo pode excitar a ressonância em algum componente da máquina gerando vibrações de amplitude e fase instável. O roçamento apresenta sub harmônicos e inter-harmônicos no espectro de frequência.
Figura 19: Espectro de frequência mostrando roçamento. (Fonte: Apostila de análise de vibrações).
3.4.1.5 – Folga
A folga é provocada pelo excesso de espaço livre entre elementos rotacionais e estruturais da máquina. Normalmente a folga ocorre por uma vibração excitada de outra fonte, como desalinhamento ou desbalanceamento, que aumentam as pequenas folgas já existentes no equipamento. A folga pode ocorrer também devido ao desgaste provocado no suporte dos mancais.
Em mancais de rolamento, a folga entre a extremidade do eixo e o suporte do mancal tende a produzir harmônicos de 1x que podem se estender até 10x. Com o
48
aumento da folga a quantidade de harmônicos e suas amplitudes aumentam. Alguns picos serão maiores que outros devido à coincidência com alguma ressonância estrutural ou mesmo por coincidir com outra fonte de vibração da máquina. Quando a folga se torna excessiva podem surgir harmônicos de meia ordem (0,5x), ou sub harmônicos. Estes tendem a ser produzidos por atrito ou ocorrência de impactos. Nesse tipo de folga a fase é instável podendo variar a cada medição, uma vez que o rotor muda a sua posição no eixo a cada partida.
Figura 20: Espectro característico de folga. (Fonte: www.acervodigital.unesp.br)
A folga pode ser na estrutura do mancal, ou seja, entre um pé e a base, chamado de folga na base ou folga estrutural. A folga estrutural entre uma máquina e sua base tende a aumentar a vibração em 1x na direção de menor rigidez. Embora ocorra normalmente na direção horizontal, a direção na qual haverá maior aumento, depende da montagem física da máquina. Na ocorrência de folga estrutural normalmente a diferença de fase medida num mesmo plano entre a máquina e sua base é de 180º. O afrouxamento da base pode ser provocada por pinos ou parafusos soltos, corrosão, rachaduras, dentre outros.
49
Figura 22: Folga demonstrada no domínio temporal. (Fonte: www.furg.br/piccoli/apostila)
3.4.1.6 – Excentricidade
A excentricidade é outra causa comum de vibração em máquinas rotativas. Se diz que tal componente está excêntrico quando o centro da rotação difere do centro geométrico.
50
Figura 23: Tipos comuns de excentricidade.(Fonte: www.blogdamecanica.com.br) Na correia em V da figura (a) a excentricidade provoca variação nas tensões na correia. Neste caso, a maior amplitude de vibração ocorre na direção de maior tensão na correia, que ficar alternando de lado, em frequência igual a 1x da polia excêntrica. Na figura (c) a excentricidade varia com a interação magnética entre o rotor (armadura) e o estator, criando uma vibração na frequência 1x. O aumento da carga pode resultar em um aumento da amplitude de vibração. Nas engrenagens excêntricas da Figura (d) a maior amplitude de vibração ocorre na direção da linha de centros das engrenagens na frequência 1x da engrenagem excêntrica. Em todos os casos os sintomas são os mesmos do desbalanceamento.
Em alguns casos o efeito da excentricidade pode ser reduzida através de balanceamento, mas, em geral, os resultados não são bons. Normalmente o problema só é corrigido através da montagem correta dos elementos envolvido.
Rotores excêntricos de ventiladores, bombas e compressores também podem gerar forças vibratórias. Nesses casos, as forças resultam da atuação desigual de forças aerodinâmicas e hidráulicas sobre o rotor. Os sintomas também são os mesmos do desbalanceamento. O procedimento é inspecionar a máquina na busca
51
de desgastes, danos ou excentricidade nos mancais, e se as amplitudes não forem reduzidas significativamente, verificar o balanceamento.
3.4.1.7 – Correias
As correias são umas das mais comuns e significantes fontes vibratórias em máquinas industriais. As correias em V são muito utilizadas em transmissão de potência por sua alta capacidade de absorver choques e vibrações. Na maioria dos casos as correias em V operam mais silenciosamente que correntes e engrenagens, o que evidencia níveis vibratórios menores. Porém, as correias podem apresentar problemas tais como: correias desequilibradas, frouxas, desalinhadas, desgastadas e com trincas, que são fatores provenientes de outros problemas da máquina.
É bastante provável que a correia vibre em função de outros distúrbios na máquina, sendo apenas um indicador de um problema vibratório. Alguns problemas que normalmente produzem vibrações em correias são o desbalanceamento excessivo, polias excêntricas, desalinhamentos e elementos soltos. Um desalinhamento da máquina, por exemplo, pode ser o responsável de um desalinhamento da correia.
Deve-se, portanto, investigar profundamente as causas da vibração antes de efetuar uma troca de correia. O fator chave para determinar a natureza do problema é a frequência da vibração da correia. Se a vibração da correia é produzida por uma causa proveniente de outro elemento, então a frequência da vibração estará associada ao problema gerador. Por outro lado, quando a vibração ocorre por defeito na correia, a frequência de vibração é igual a frequência da correia que apresentará harmônicos de sua rotação.
A frequência de correias (Fc) normalmente aparece com múltiplos da rotação, ela é dada pela fórmula:
Fc = Diâmetro da polia X RPMX π Comprimento da correia
52
Figura 24: Desalinhamento de correias. (Fonte: blogdamecanica.com.br)
A identificação de defeitos na correia geralmente pode ser feita medindo-se a vibração em um mancal próximo à mesma. Correias defeituosas geralmente apresentam uma amplitude de vibração maior em uma direção paralela à direção de sua tensão. Rachaduras e pontos enfraquecidos na correia são os seus defeitos mais comuns.
3.4.2 – Eletromagnéticas
As vibrações causadas por falhas elétricas ocorrem em sistemas que possuem máquinas elétricas (motores, geradores, alternadores, etc.) e são causadas normalmente por forças magnéticas desequilibradas. São os problemas decorrentes de desbalanceamento ou excentricidade magnética, instabilidade de alimentação, passagem de ranhuras e barras nos motores elétricos.
Figura 25: Estator e rotor com suas ranhuras e barras respectivamente. (Fonte: Apostila de análise de vibrações).
53
Para distinguir problemas elétricos de problemas dinâmicos é necessário usar espectros de alta resolução, devido aos problemas dessas duas categorias se manifestarem em frequências próximas, como por exemplo, o 2Fl (120Hz) que é o pico de 2X a frequência da rede elétrica, que pode ser confundido com um harmônico da rotação.
Uma maneira de se verificar se a vibração é causada por problema elétrico é desligar a energia elétrica durante a medição da amplitude de vibração e verificar se a mesma desaparece ou diminui rapidamente. Em caso positivo a causa é certamente elétrica. Caso contrário, se a diminuição da amplitude for lenta e acompanhar a queda na frequência de rotação, então a causa é de natureza mecânica.
Uma outra característica deste tipo de problema é que os níveis vibratórios dependem da carga. Muitas vezes, motores elétricos são testados em vazio e não apresentam amplitudes de vibração elevadas e quando em operação com carga vibram violentamente evidenciando problemas elétricos.
Um problema típico em motores elétricos são problemas relacionados com as barras (rotor) e ranhuras (estator). A frequência de barras e ranhuras é calculada a partir do número de barras e ranhuras do motor (isso depende da dimensão do motor) multiplicado pela rotação de trabalho do eixo do motor.
Quando as barras de um rotor estão trincadas ou quebradas, aparecerá no espectro de vibração um alto pico na frequência de barras, o que indica um problema nessa parte do motor. O mesmo se aplica com as ranhuras do estator.
Apesar de haverem diferentes tipos de problemas elétricos que podem acontecer em motores ou geradores, todos eles apresentam espectros característicos desses problemas. Por exemplo: o pico de 2Fl alto e bem definido, às vezes com a presença de harmônicos; a frequência de barras e ranhuras, com presença de bandas laterais. Vale observar que a avaliação do distanciamento das bandas em relação à frequência central é de máxima importância, pois a diferença
54
da frequência dessas duas pode indicar a frequência do defeito que causou o problema; e em algumas situações, picos relativos à frequência de pulsos de inversores de frequência utilizados para modificar a rotação do equipamento acionado.
3.4.2.1 - Inversor de Frequência
A utilização de inversores estáticos de frequência atualmente compreende o método mais eficiente para controlar a velocidade dos motores de indução. Os inversores transformam a tensão da rede, de amplitude e frequência constantes, em uma tensão de amplitude e frequência variáveis. Variando-se a frequência da tensão de alimentação, varia-se também a velocidade do campo girante e consequentemente a velocidade mecânica de rotação da máquina.
Tem crescido significante o número de aplicações em que a variação de velocidade de motores de indução é feita por meio de inversores eletrônicos estáticos de frequência, haja vista os muitos benefícios propiciados por essas aplicações: controle a distância, redução de custos, aumento da produtividade, eficiência energética, versatilidade e maior qualidade.
O processo de obtenção da tensão e frequências desejadas por meio de tais equipamentos passam por três estágios:
-Ponte de diodos - Retificação do sinal alternado de tensão e frequência constantes, proveniente da rede de alimentação;
-Filtro ou Link DC - Regulação da tensão retificada com armazenamento de energia por meio de um banco de capacitores;
- Transistores IGBT - Inversão da tensão contínua proveniente do link DC num sinal alternado, com tensão e frequência variáveis.
55
Figura 26: Funcionamento de um inversor de frequência (Fonte: Manual WEG de inversores de frequência).
3.4.2.2 - Interação entre rede e inversor
O sistema (motor + inversor de frequência) é visto pela fonte de alimentação como uma carga não linear, cuja corrente possui harmônicas (componentes de frequências múltiplas da frequência da rede). De forma geral, considera-se que o retificador produz harmônicas ímpares características no lado da CA, ou seja, na rede conforme o número de pulsos do inversor. No caso da ponte retificadora com 6 diodos (6 pulsos), as principais harmônicas geradas são a 5ª e 7ª ordens. Já para 12 pulsos (12 diodos) as harmônicas mais expressivas são a 11ª e 13ª. O inversor de frequência estudado nesse trabalho, assim como maioria dos inversores, é de 6 pulsos (6 diodos).
3.4.2.3 - Interação ente inversor e motor
O motor de indução submetido a uma tensão, proveniente de um inversor de frequência, estará sujeito a tensões harmônicas (componentes de frequência acima da frequência fundamental). Dependendo da modulação da frequência empregada e de outras particularidades do controle, o motor poderá apresentar aumento de perdas e temperatura, aumento dos níveis de vibração e ruído e perda de rendimento.
56
Percebe-se no motor uma tensão pulsada adquirindo uma forma senoidal. Portanto, as frequências harmônicas de maior amplitude do motor são as de tensão pulsada, ou frequência de pulsos, do inversor de frequência. A frequência de pulsos do inversor de frequência estudado é de 240000RPM ou 4KHz.
3.4.3- Aerodinâmicos e Hidrodinâmicos
Essas falhas se apresentam em máquinas que trabalham com transportes de fluídos líquidos ou gasosos. Esses tipos de vibrações são causadas pela interação entre os elementos sólidos móveis do equipamento (pás) e os fluidos (ar, água, óleo, gases). Isso acontece frequentemente em bombas, compressores rotativos e ventiladores. Nesses tipos de máquina é de muita importância ter conhecimento a respeito de dinâmica dos fluídos, para que não ocorram problemas tais como: cavitação, turbulência, pulsação de fluxo, formação de vórtex.
As vibrações geradas ocorrem em frequências altas (número de pás x a frequência da rotação). As causas da vibração são forças hidráulicas que geralmente são pequenas, mas se tornam severas quando excitam ressonância na máquina.
Se não ocorre ressonância o problema pode ser originado por recirculação, turbulência ou cavitação. A vibração e o ruído associados com cavitação, recirculação e fluxo turbulento apresentam características similares. Este tipo de vibração é normalmente de natureza aleatória com amplitudes e frequências instáveis.
A recirculação pode ocorrer quando uma bomba está operando em baixa capacidade ou alta pressão. Na tentativa de se mover uma quantidade excessiva de fluido da bomba, uma porção do fluido retorna. Este fluxo reverso e a consequente mistura de fluido movendo-se em direções opostas causa vibração. A recirculação ocorre algumas vezes dentro de uma bomba de múltiplos estágios com folga excessiva entre o rotor e seu alojamento. Esta forma de recirculação pode mostrar uma frequência quase constante não relacionada com a frequência de rotação. Em
57
qualquer situação, as vibrações devidas a recirculação apresentam flutuações aleatórias na frequência e na amplitude similares às causadas pela cavitação.
O fluxo turbulento é o resultado da resistência ao fluxo normal de fluidos. Esta resistência pode ser causada por obstruções, curvas agudas ou apenas atrito superficial entre fluído e tubulação. A turbulência também pode ser causada pela mistura de fluidos de alta e baixa velocidades. Um exemplo é um motor a jato quando os gases de exaustão de alta velocidade se misturam ao ar externo quase estacionário. Embora os níveis de ruído gerado por fluxo turbulento sejam muito altos, a máquina vibra pouco, pois a condição de turbulência não depende exclusivamente dela.
A cavitação ocorre quando uma bomba opera com excesso de capacidade ou baixa pressão de sucção. Como o fluido que já entrou não preenche completamente o espaço, o fluido que está entrando é puxado aos pulos para preencher os espaços vazios. Isto cria bolsas de vácuo que são altamente instáveis que podem literalmente implodir muito rapidamente. Os impactos gerados excitam frequências naturais localizadas em partes da bomba. Como as implosões podem ocorrer em tempos e posições aleatórios na bomba ou na tubulação a amplitude e a frequência da vibração também são aleatórias.
Figura 27: Espectro de cavitação (Fonte: www.blogdamecanica.com.br)
A figura mostra um espectro de uma vibração gerada por cavitação. Pode-se observar uma vibração de regime permanente em 3600 rpm (60 Hz), indicando, possivelmente, um pequeno desbalanceamento ou desalinhamento no motor. Existe, entretanto, uma vibração aleatória (banda larga) entre 30000 rpm e 100000 rpm (500 Hz e 1667Hz) indicando problemas de associados com fluxo hidráulico e aerodinâmico.
58 3.4.3.1 – Instabilidade do filme de óleo
Figura 28: Mancal de filme de óleo. (Fonte: www.furg.br/piccoli/apostila/análise e diagnóstico de vibrações)
Em mancais de deslizamento são utilizados filme de óleo para apoiar e fixar o eixo. Em algumas ocasiões o óleo usado no mancal não é distribuído de forma uniforme, ocasionando em um aumento de pressão que empurra o eixo em torno do mancal. A força adicional desenvolvida pode produzir um movimento circular do eixo no interior do mancal. Se o sistema for bem amortecido, o eixo retorna à sua posição de equilíbrio no mancal. Caso contrário, o eixo continua com esse movimento chamado precessão ou turbilhonamento (whirl).
A vibração resultante é severa, mas facilmente percebida por sua frequência incomum. Essa frequência é levemente menor do que a metade da rotação 1x. O problema de turbilhonamento (ou oil whirl) é normalmente atribuído a um projeto inadequado do mancal, desgaste excessivo do mancal, aumento na pressão ou mudança na viscosidade do óleo.
59
Figura 29: Análise de uma máquina com turbilhonamento (Fonte: www.furg.br/piccoli/apostila/análise e diagnóstico de vibrações)
Uma máquina que é normalmente estável pode exibir sinais de vibração por oil
whirle, algumas vezes, esta condição ocorre intermitentemente. Neste caso o
problema não está relacionado com o mancal de deslizamento, mas, com forças externas que coincidentemente estão na mesma frequência do oil whirldo mancal, podendo vir de algum outro componente da máquina, ou de outra máquina.
Além do turbilhonamento, problemas como insuficiência de lubrificação ou uso de lubrificante inadequado, podem causar vibração em mancais de deslizamento. Nestes casos, a lubrificação inadequada causa atrito excessivo entre o mancal estacionário e o eixo rotativo, e o atrito excita uma vibração no mancal ou partes a ele relacionadas (oil whip). A frequência da vibração, neste caso, é normalmente muito alta, produzindo ruído agudo, e não tem relação com a velocidade de rotação do rotor. Quando há suspeita sobre a existência de oil whip deve-se verificar a lubrificação do mancal e se a folga está correta, tanto folga excessiva como insuficiente pode causar oil whip.