aula_6_manutencao_industrial_analise_de_vibracoes

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ANÁLISE DE VIBRAÇÕES
Prof. Msc. Jairo Machado.
Carazinho, 2019.
Administração da Manutenção Industrial
PRO116
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Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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Introdução
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▪ A vibração mecânica é um tipo de movimento, no qual se considera uma
massa reduzida a um ponto ou partícula submetida a uma força.
▪ A ação de uma força sobre o ponto obriga-o a executar um movimento
vibratório.
F
Massa
Reduzida
▪ A análise de vibrações possibilita detectar falhas em componentes de
máquinas.
Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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Porque Medir?
“O conhecimento amplo e satisfatório sobre
um processo ou fenômeno somente existirá
quando for possível medi-lo e expressá-lo
através de números”.
Lord Kelvin, 1883.
Ciência da Medição
“Metrologia”
Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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▪ Alguns motivos tornam a medição de vibração mecânica fundamental:
❑ Ocorrência de condições de ressonância, devido a exigências de
produtividade, resultando em velocidades de operação mais altas;
❑ Essencial para garantir a segurança das máquinas e estruturas;
❑ A medida da vibração é um indicador de falha ou necessidade de
manutenção;
❑ As características da vibração de uma máquina ou estrutura
calculadas teoricamente podem ser diferentes dos valores reais por
causa de premissas adotadas na análise.
❑ A medição das frequências naturais é útil para selecionar as
velocidades de operação e evitar a condição de ressonância;
❑ Para verificar se as frequências e amplitudes não excederam os
limites do material (curvas de Wholer);
Porque Medir Vibrações?
Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações
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▪ Para que o movimento oscilatório de um ponto ‘P’ seja considerado uma
vibração, ele deverá percorrer a trajetória ‘2*D’, conhecida como
‘Período’.
▪ Pode-se medir três parâmetros mecânicos básicos:
A
m
p
lit
u
d
e
T
𝐓 =
𝟏
𝐟
(𝐬) 𝐟 =
𝟏
𝐓
(𝐇𝐳)
Tempo
Grandeza
❑ Deslocamento;
❑ Velocidade;
❑ Aceleração.
Deslocamento
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▪ É a medida do grau de distanciamento do ponto ‘P’ no espaço, em relação
a sua posição de repouso sobre o ‘eixo X’.
▪ O valor máximo de deslocamento, em ambos os lados do ‘eixo X’, é
chamado de amplitude (μm).
A
m
p
lit
u
d
e
T
𝐓 =
𝟏
𝐟
(𝐬) 𝐟 =
𝟏
𝐓
(𝐇𝐳)
Tempo
Grandeza
D
▪ Para que haja vibração o ponto ‘P’ precisa realizar um período ‘T’ de
movimento.
▪ Trabalha-se na prática com
frequência ‘f’, que é a quantidade
de vezes, por unidade de tempo,
que um fenômeno se repete.
Velocidade
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▪ O ponto ‘P’ tem velocidade nula nas posições de amplitude máxima de
deslocamento.
▪ A velocidade máxima (mm/s) será observada no momento em que o
ponto ‘P’ passa pelo ‘eixo X’.
A
m
p
lit
u
d
e
T
𝐓 =
𝟏
𝐟
(𝐬) 𝐟 =
𝟏
𝐓
(𝐇𝐳)
Tempo
Grandeza
𝐕 = 𝟎
𝐕 = 𝐕𝐦𝐚𝐱
❑ Aceleração;
Aceleração
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▪ A velocidade no ponto ‘P’ varia com o tempo (vai de um valor máximo até
um valor mínimo), definindo assim uma certa aceleração a ele.
▪ A aceleração será nula sobre o ‘eixo X’, pois, sobre ele a velocidade será
máxima.
A
m
p
lit
u
d
e
T
𝐓 =
𝟏
𝐟
(𝐬)
❑ Deslocamento;
❑ Velocidade;
𝐟 =
𝟏
𝐓
(𝐇𝐳)
Tempo
Grandeza
❑ Frequência;
❑ Amplitude.
𝐚 = 𝐚𝐦𝐚𝐱
▪ Assim, o movimento vibratório fica caracterizado pelas seguintes
grandezas:
Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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Como Quantificar as Vibrações?
▪ Medindo e analisando os resultados nos domínios do tempo e
frequência.
❑ A0 e A1 representam as amplitudes de
vibração de dois componentes.
❑ Todos os componentes de um nível
vibratório são representados sobre a
forma de picos. 15
▪ Os níveis de vibrações de uma máquina podem ser
apresentados de várias maneiras.
▪ A maneira mais usual de representação é a espectral, também
chamada de representação no domínio da frequência.
▪ Através do espectro é possível distinguir as diferentes
frequências, bem como suas amplitudes.
Coleta de dados (Sinal no Domínio do Tempo)
Conversão do Sinal (Domínio da 
Frequência)_FFT
Demodulação de Frequências (envelope e 
peak view)
Como Quantificar as Vibrações?
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Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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Características do Sinal Temporal
▪ Valor de Pico:
❑ Indica a amplitude máximo ocorrida, sem levar em conta a história
temporal da onda.
▪ Valor Médio:
❑ Leva em conta a história temporal da onda em questão, porém, tem sua
utilização limitada, devido a não existência de relação direta com
nenhuma quantidade física de uso prático.
▪ Valor RMS (Root Mean Square):
❑ Leva em conta a história da onda e dá
um valor de amplitude diretamente
relacionado com o conteúdo energético
do sinal, informando assim a capacidade
destrutiva de tal onda.
Tempo
Amplitude
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Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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Módulos de um Sistema de Medição
▪ De maneira genérica, um sistema de medição pode ser
representado de acordo com o ilustrado abaixo:
Sensor e/ou 
Transdutor
Unidade de 
Tratamento de 
Sinal
Dispositivo 
Mostrador e/ou 
Registrador
Receptor
Mensurando ✓ Sinal de baixa energia;
✓ Sinal proporcional;
✓ Transforma efeito físico.
✓ Amplifica sinal;
✓ Processa sinal;
✓ Fonte de energiapara o
transdutor.
✓ Torna o sinal perceptível.
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Módulos de um Sistema de Medição
▪ Esquema de um SM destinado a medição de vibração:
▪ O movimento (ou força dinâmica) do corpo vibratório é
convertido em um sinal elétrico pelo transdutor ou sensor de
vibração.
▪ O instrumento de conversão de sinal serve para amplificar o
sinal, até um valor desejado.
▪ O registrador serve para informar o valor da medição, o qual
será analisado posteriormente.
Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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Frequência de Ressonância
▪ Todo sistema de medição de vibração possui sua faixa útil, a
qual se encontra abaixo da frequência de ressonância.
❑ Frequência de Ressonância em Circuitos RCL: é aquela
onde a indutância e a capacitância são iguais, tornando o
circuito puramente resistivo.
~
Circuito RCL
R jWL
1/jWCV
Zc = ZL
1
ω ∗ C
= ω ∗ L ω = 2 ∗ π ∗ f
1
2 ∗ π ∗ f ∗ C
= 2 ∗ π ∗ f ∗ L 𝐟𝟐 =
𝟏
𝟒 ∗ 𝛑 ∗ 𝐂 ∗ 𝐋
✓ Sendo ‘f’ a frequência de ressonância.
❑ O cálculo da Frequência de Ressonância irá mudar de
acordo com o circuito analisado.
Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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Instrumentos de Medição de Vibração
▪ Dependem da quantidade de vibração medida
❑ Vibrômetro;
❑ Velocímetro;
❑ Acelerômetro;
❑ Medidor de fase;
❑ Medidor de frequência.
▪ Aspectos a considerar na determinação do instrumento de
medição de vibração:
❑ Faixas esperadas das frequências e amplitudes;
❑ Tamanho das máquinas/estruturas envolvidas;
❑ Condições de operação das máquinas/equipamentos/estruturas;
❑ Tipo de processamento de dados utilizado.
Vibrômetro Laser
Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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Transdutores
▪ Os transdutores utilizados na medição de vibração devem
possuir boa linearidade e tempo de resposta rápido.
▪ Transdutores de Resistência Variável
❑ Um movimento mecânico produz uma mudança na
resistência elétrica (de um reostato, extensômetro ou
semicondutor) gerando uma ddp de saída.
❑ A mudança na resistência elétrica provoca uma ddp de
saída.
Fixação Extensômetro
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Transdutores
▪ Transdutores de Resistência Variável
❑ Quando o extensômetro é fixado a uma estrutura, sofrerá
a mesma deformação (𝛆).
❑ A mudança resultante na resistência elétrica do
extensômetro é dada por:
𝐤 =
∆𝐑/𝐑
∆𝐋/𝐋
✓ K → fator de ganho do arame (dado pelo
fabricante);
✓ R → resistência inicial;
✓ ΔR → mudança na resistência;
✓ Δl → mudança no comprimento do arame.
✓ L → comprimento inicial do arame;
𝛆 =
∆𝐋
𝐋
𝛆 =
∆𝐑
𝐑 ∗ 𝐊
Deformação
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Transdutores
▪ Transdutores de Resistência Variável
❑ A mudança na resistência do arame ΔR pode ser medida
com um circuito de ponte de Wheatstone (circuito divisor
de tensão).
𝛆 =
∆𝐑
𝐑 ∗ 𝐊
Deformação
❑ Inicialmente as resistências estão equilibradas,
obedecendo a condição de equilíbrio:
𝐑𝟏 ∗ 𝐑𝟑 = 𝐑𝟒 ∗ 𝐑𝟐
𝐝𝐝𝐩𝐁𝐃 = 𝟎
𝐈𝐁𝐃 = 𝟎
𝐕𝐨𝐮𝐭 = 𝐄 ∗
∆𝐑
𝐑
𝐕𝐨𝐮𝐭 = 𝐄 ∗ 𝐤 ∗ 𝛆
Transdutores
▪ Transdutores Piezelétricos
❑ Certos materiais naturais e fabricados (quartzo, turmalina,
sulfato de lítio, etc.) geram carga elétrica quando sujeitos
a uma deformação.
❑ Os mesmos podem se contrair ou se expandir.
❑ A carga gerada no cristal, resultante
de uma força ‘Fx’ é dada por:
𝐐𝐱 = 𝐤 ∗ 𝐅𝐱 = 𝐤 ∗ 𝐀 ∗ 𝐩𝐱
❑ A tensão de saída do cristal é dada
por:
𝐄 = 𝛎 ∗ 𝐭 ∗ 𝐩𝐱
✓ K → constante piezelétrica;
✓ 𝜈 → sensibilidade a tensão;
✓ t → espessura do cristal; 30
Transdutores
▪ Transdutores Piezelétricos
❑ Um transdutor piezelétrico típico é o ‘acelerômetro
piezelétrico’ (mede a aceleração sobre os objetos).
❑ Um sinal proporcional a aceleração é gerado, e após uma
integração, obtém-se a velocidade e o deslocamento do
sinal.
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❑ O funcionamento do instrumento pode ser representado
por um simples sistema massa_mola.
Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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Sistemas de Instrumentação
▪ Classificando pelo grau de sofisticação, temos três tipos de
sistemas de instrumentação para monitorar as condições das
máquinas:
❑ Básico;
❑ Portátil;
❑ Computadorizado.
▪ Básico
Medidor de Vibração 
Simples (de bolso)
Fone de OuvidoEstroboscópio
❑ O medidor mede os níveis globais de vibração (RMS ou Valor de Pico
de aceleração ou velocidade) em faixas de frequência adequadas;
❑ O estroboscópio indica a velocidade da máquina e o fone de ouvido
serve para ouvir a vibração da máquina. 33
Sistemas de Instrumentação
▪ Portátil
Analisador de Vibração Portátil (FFT) com 
Bateria
❑ Utilizado para detectar falhas mediante ao registro e armazenagem
dos espectros de vibração dos pontos de medição;
❑ Os espectros registrados em campo são comparados com os
registrados anteriormente (análise da evolução da falha).
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Sistemas de Instrumentação
▪ Computadorizado
❑ Torna-se economicamente viável quando o número de máquinas, o
número de pontos de monitoramento e a complexidade de detecção
de falhas aumentam.
❑ Os dados são armazenados em um disco, o que permite que sejam
utilizados para comparação de espectros ou para reproduzir gráficos
tridimensionais.
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Agenda
▪ Introdução;
▪ Porque Medir?;
▪ Porque Medir Vibrações?;
▪ Fundamentos do Princípio da Análise de Vibrações;
▪ Como Quantificar as Vibrações?;
▪ Características de um Sinal Temporal;
▪ Módulos de um Sistema de Medição;
▪ Frequência de Ressonância;
▪ Instrumentos de Medição de Vibração;
▪ Transdutores;
▪ Sistemas de Instrumentação;
▪ Bibliografia.
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Bibliografia 
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[5] TELECURSO 2000 – Módulo Manutenção – SENAI, SESI, FIESP, IRS, Fundação
Roberto Marinho.
[4] Site: www.mecatronicaatual.com.br.
[3] Site: www.bkvibro.com.
[2] WILLEMANN, D. P.. Medições de Vibração. Notas de Aula: Mestrado em
Engenharia Mecânica (UFSC), 2012.
[1] RAO, S. S.. Vibrações Mecânicas. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008.