Análise de Vibrações

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Curso de Engenharia Mecânica
Filipe Martins Marques
Análise de Vibrações
Belo Horizonte, maio de 2017
1 – INTRODUÇÃO
O ensaio para vibrações mecânicas, em muitas indústrias, é um método indispensável na detecção prematura de anomalias de operação em virtude de problemas, tais como falta de balanceamento das partes rotativas, desalinhamento de juntas e rolamentos, excentricidade, interferência, erosão localizada, abrasão, ressonância, folgas, etc.
Assim com o médico examina os seus pacientes, também o especialista em vibrações examina a máquina quando o seu estado se deteriora. Os primeiros sinais encontrados são vibrações excessivas, que são gravadas no âmbito de uma monitorização do estado. Com equipamentos de análise potentes e métodos adequados, o especialista deteta com segurança a causa dos valores excessivos e consegue resolver o problema com a maior brevidade possível. 
A Análise de Vibração é o processo pelo qual as falhas em componentes móveis de um equipamento, são descobertas pela taxa de variação das forças dinâmicas geradas. Tais forças afetam o nível de vibração, que pode ser avaliado em pontos acessíveis das máquinas, sem interromper o funcionamento dos equipamentos.
Uma análise de vibrações consiste em ouvir o interior da máquina. Cada componente vibra de forma diferente e cria um ruído característico, que deixa uma impressão própria no espectro na forma de um modelo linear. Se ocorrer um dano, o modelo destaca-se do ruído base. O especialista deteta se, por exemplo, existe um desequilíbrio, um desalinhamento ou danos no rolamento. Além de um diagnóstico exato, também é geralmente possível determinar se é necessária uma intervenção urgente ou se é possível esperar até à próxima revisão.
Através de análise de vibrações periódicas e continuas de um ou mais parâmetros significativos toma como base o conhecimento do estado da máquina, evitando paradas inesperadas e substituição de peças desnecessárias.
2 – ASSINATURA ESPECTRAL ORIGINAL
Uma máquina que possui partes móveis, vibrará de acordo com as frequências características dos seus componentes sendo assim cada tipo de máquina possui uma "assinatura espectral original”
Através do processo de análise de espectro aplicado ao sistema inteiro, é possível analisar a assinatura espectral original do sistema para assim identificar as características de vibração de cada componente individual para monitorar sua condição.
O monitoramento de vibração é o processo de descobrir e analisar mudanças no comportamento vibratório. No evento de que um ou mais componentes comecem a falhar, a frequência e amplitude da vibração começarão a mudar. Essas mudanças causam deterioração da "assinatura espectral" que é um sinal que o equipamento perdeu sua integridade.
3 - PARÂMETROS DE VIBRAÇÃO
 Os parâmetros como velocidade (mm/s), deslocamento (mícron), aceleração (m/s²) são usados para análise de vibrações que são parâmetros quase universalmente medidos em unidades métricas de acordo com recomendações de Norma ISO10816. Para isso desenvolveu–se uma tabela com critérios para julgamento de estado de máquinas, como demonstra a figura 1.
Figura 1 – Tabela da Norma ISO10816 .
O Nível de Vibração de um espectro, em função do tempo, pode ser medido em valor de Pico a Pico que indica o percurso máximo da onda, e pode ser útil onde o deslocamento vibratório da parte da máquina é crítico para a tensão máxima ou folga mecânica é limitante; em valor de Pico que é particularmente válido para indicação de choques de curta duração, porém indicam somente a ocorrência do pico, não levando em consideração o histórico no tempo da onda; em valor Médio Retificado que leva em consideração o histórico no tempo da onda, mas é considerado de interesse prático limitado, por não estar relacionado diretamente com qualquer quantidade física útil e em valor RMS ( Root – Mean – Square ) que é a medida de nível mais relevante, porque leva em consideração o histórico no tempo da onda e dá um valor de nível o qual é diretamente relacionado à energia contida, e portanto, à capacidade destrutiva da vibração.
4 - SISTEMAS E INSTRUMENTOS PARA MEDIÇÃO DE VIBRAÇÃO
Os sistemas de instrumentação para a monitoração periódica de vibração podem ser classificados em medidor de vibração de nível global (sem filtro), medidor de vibração com análise de frequência (com filtro), analisadores de frequência.
4.1 - Medidor de vibração de nível global (sem filtro)
Os medidores de vibração de nível global é um instrumento capaz de medir o valor global de vibração (pico ou rms), em uma extensa faixa de frequência, que depende das normas e padrões aplicáveis.
4.2 - Medidor de vibração com análise de frequência (com filtro)
Medidor de Vibração simples, tais como os mencionados no parágrafo anterior, medem o nível de vibração global sobre uma faixa larga de frequência. O nível medido reflete o nível de vibração dos componentes de frequência dominantes do espectro, que são os componentes mais importantes para serem monitoradas.
4.3 - Analisadores de frequência
Em casos onde se deseja uma análise de frequência, com larguras de filtro muito estreita, ou deseja-se realizar essa análise sobre um sinal transiente (choques) torna-se necessária a utilização de um sistema capaz de executar a Transformada de Fourier do sinal, que é uma ferramenta matemática capaz de transformar um sinal randônico, periódico ou transitório, numa série de Fourier equivalente, denominado Espectro de Frequência.
5 – ACELERÓMETROS
O princípio de funcionamento do transdutor de aceleração, baseia-se nos cristais piezoelétricos, que depois de sujeitos à compressão, geram um pequeno sinal elétrico proporcional à aceleração.
Quando se encontra em funcionamento, o transdutor acompanha a vibração transmitida pelo equipamento em estudo, a massa no interior do transdutor tende a manter-se estacionária no espaço. Um transdutor sensível à aceleração denomina-se por acelerómetro, e, este é fixado em uma superfície em movimento, onde haverá um deslocamento provocado pela força motriz F que dá origem ao movimento. Esta força é igual ao produto da aceleração com a massa sísmica.
O intervalo de frequência em que os acelerómetros trabalham situa-se abaixo da sua primeira frequência natural. A sua sensibilidade é medida em milivolts por unidade de aceleração “g” e é aproximadamente constante até 1/5 da frequência de ressonância. Por esse motivo, é aconselhável o uso do acelerómetro até este limite superior de frequência.
5.1 – Vantagens na utilização de acelerómetros
Vasta gama de frequências utilizável 1 a 10000 Hz. Existem modelos de acelerómetros que podem medir baixas frequências na ordem dos 0,02 Hz.
Fáceis de instalar e no geral são mais pequenos e leves.
Resistem ao choque, quedas, humidade, poeiras, óleo e outras agressividades ambientais e de manuseamento.
Pouco sensíveis a vibrações laterais, transversais e a campos magnéticos. São, por isso, bons na aplicação a grandes motores elétricos.
 6 - DIAGNÓSTICOS RELACIONADOS
6.1 - Desbalanceamento 
A vibração resultando de um desbalanceamento puro é reproduzida através de um sinal de forma senoidal na própria frequência (ordem x1), como demonstra a figura 2.
As principais causas para o desbalanceamento são: Balanceamento executado de maneira inadequada, “deixando” o desbalanceamento residual; Perda de parte do rotor por qualquer razão; depósito de material estranho em alguma das pás do rotor, desbalanceado as massas; empeno permanente ou temporário; excentricidade entre os componentes acoplados e outros. Figura 2 - Espectro de frequência típico de desbalanceamento.
6.2 – Desalinhamento
Os principais problemas sob o aspecto de pré-carga em máquinas rotativas são: desalinhamento angular, paralelo ou ambos; acoplamento defeituoso; desalinhamento entre mancais ou engrenagens entre outros. O desalinhamento é reproduzido no espectro principalmente na componente de segundaordem (figura 3), X2, especialmente em casos onde o acoplamento é realizado via engrenagens, podendo ser observada uma elevação da componente relacionada a frequência da máquina, X1. Essa elevação na primeira ordem, em alguns casos pode levar a dúvida quanto a fonte de vibração, ou desalinhamento ou desbalanceamento.Figura 22 - Espectro de frequência típico de desalinhamento
Tabela 2 - Tabelas de Diagnóstico – Desalinhamento.
6.3 – Instabilidade
Os problemas devido à instabilidade são aquelas cujas frequências estão abaixo da rotação das máquinas são consideradas auto-excitadas, pertencem ao chamado grupo das Vibrações Subsíncronas, e caracterizam-se pela incapacidade dos mancais manterem o rotor numa posição estável.
6.4 - Componentes Frouxos 
É a vibração provocada pela existência de folga entre componentes que deveriam permanecer estáticos, os casos mais comuns de ocorrência são: folga entre a caixa dos mancais e a carcaça da máquina. 
Reprodução obrigatória da componente de ½ ordem podendo também provocar a geração de grande quantidades de harmônicos. Dependendo da severidade do problema, a frequência crítica ou a de whirl podem também ocorrer.
6.5 – Engrenagens
São originados pela necessidade de interação entre os eixos que compões as próprias engrenagens que podem ser gerados por: excentricidade das engrenagens, operação com baixa carga, defeitos de fabricação ou fadiga dos dentes.
7 – CONCLUSÃO
A maior contribuição desse trabalho certamente é tratar de vários assuntos em conjunto, destacando como a manutenção preditiva pode minimizar as despesas com paradas e manutenções imprevistas de maquinas, através de sistemas e instrumentos para medição de vibração que possibilitam a captura de dados periódicos, precisos, completos e integrados, gerando informações de extrema importância para tomada de decisões no programa de manutenção de maquinas.
8 – REFERÊNCIAS
Filho, Luis Felipe S - Manutenção por Análise de Vibrações: Uma Valiosa Ferramenta para Gestão de Ativos - Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. 2013
Márcio Walber, Alberto Tamagna - Avaliação dos níveis de vibração existentes em passageiros de ônibus rodoviários intermunicipais, análise e modificação projetual - Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS, Rio Grande do Sul. 2009
Sequeira, Cláudia D - Sensores para medições de Vibrações Mecânicas – Acelerómetros, ARTIGO CIENTÍFICO M 116 Eng.ª Mecânica
Sequeira, Cláudia D. - A Análise de Vibrações como Ferramenta no Diagnóstico de Avarias em Máquinas Rotativas. Lisboa : Tese de Mestrado – FCT; 2005
GAtec Gestão Agroindustrial - Projeto Manutenção Preditiva Análise de vibrações - http://www.gatec.com.br/ 
Luis Cyrino - Análise de vibração – método de Preditiva - manutenção em foco ( http://www.manutencaoemfoco.com.br/analise-de-vibracao/ ) , 2015
RUFTECHNIK - Análise das vibrações das máquinas - https://www.pruftechnik.com/br/solucoes/aplicacoes/analise-das-vibracoes-das-maquinas.html