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27/05/2020 1 Na prática, a medição de vibrações é importante devido a vários fatores, como níveis de produção excessivos, na qual as máquinas tendem a funcionar em condições forçantes que geram grandes vibrações. O monitoramento das frequências naturais ajuda na configuração das condições de operação das máquinas; além disso, é de grande importância o monitoramento das vibrações causadas por terremotos, ventos e ondas do mar em estruturas. 27/05/2020 2 27/05/2020 3 27/05/2020 4 ESQUEMA BÁSICO DE MEDIÇÃO DE VIBRAÇÃO A medição de vibrações segue o esquema apresentado na Figura , na qual é possível perceber que o movimento vibratório é captado pelo transdutor ou sensor; porém, como o movimento é razoavelmente pequeno, deve-se utilizar um conversor de sinal que amplifica o sinal para uma magnitude desejada para ser apresentada ou armazenada para análise dos dados obtidos. 27/05/2020 5 PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS PARA UM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES. (1) Transdutor de resistência variável (LVDT): equipamento eletromecânico usado para transformar movimento mecânico ou vibrações, especificamente deslocamento variável linear, em uma corrente elétrica variável, voltagem ou sinais elétricos. Usados principalmente para sistemas de controle automático em tecnologias de medição. O funcionamento desse sensor é baseado em três bobinas e um núcleo cilíndrico de material ferromagnético de alta permeabilidade. Ele dá como saída um sinal linear, proporcional ao deslocamento do núcleo, que está fixado ou em contato com o que se deseja medir. 27/05/2020 6 (2) transdutor piezelétrico: utilizam materiais piezelétricos como conversor de sinal, como, por exemplo, quartzo, turmalina, sulfato de lítio, que geram carga elétrica quando sujeitos a uma deformação ou tensão mecânica; Acelerômetro Dispositivo que mede a vibração ou a aceleração do movimento de uma estrutura. A força causada por uma vibração ou alteração do movimento (aceleração) faz com que a massa "esprema" o material piezoelétrico, produzindo uma carga elétrica proporcional à força exercida sobre ele. Acelerômetros piezoelétricos (sensores de vibração) podem ser de baixa ou alta impedância, que geralmente são utilizados em altas temperaturas (> 120 °C), nas quais não é possível utilizar os modelos de baixa impedância. 27/05/2020 7 EXCITADORES DE VIBRAÇÃO Os excitadores de vibração (ou vibradores) são usados em várias aplicações, como na determinação de características das máquinas e estruturas, em ensaios de fadiga de materiais, em testes de vibração localizados, dentre outros. Podem ser mecânicos, eletrodinâmicos ou hidráulicos. EXCITADORES DE VIBRAÇÃO MECÂNICOS O excitador mecânico é basicamente um mecanismo composto por um motor e um braço de manivela em que o motor pode operar com velocidade constante ou variável. É possível vibrar uma estrutura aplicando uma força harmônica devido a uma força de inércia ou devido a força de uma mola elástica. Excitadores desse modo são utilizados para excitar frequências inferiores a 30hz e cargas inferiores a 700 N. 27/05/2020 8 EXCITADORES DE VIBRAÇÃO ELETRODINÂMICOS Este excitador eletrodinâmico funciona de modo inverso ao funcionamento de um transdutor de eletrodinâmico. O equipamento analisado é excitado devido à corrente aplicada a uma bobina instalada em um campo magnético. EXCITADORES DE VIBRAÇÃO Ao receber a tensão elétrica, o excitador eletrodinâmico gera um deslocamento com intensidade proporcional à corrente e o fluxo magnético. 27/05/2020 9 ANÁLISE DE SINAL A análise de sinal do sistema vibratório é de suma importância, pois é através dela que os engenheiros serão capazes de definir estratégias de resolução de problemas. Diversas vezes, na análise de sinal, a resposta no domínio do tempo não nos é útil; para tanto, devemos converter a resposta para o domínio da frequência. ANÁLISE DE SINAL Observando a aceleração no domínio do tempo, como indicado na Figura , não conseguimos tirar nenhuma conclusão. Porém, quando convertemos para o domínio da frequência, podemos perceber um acumulo de energia na frequência de 25 Hz, que pode indicar um componente gerando uma vibração indesejada. 27/05/2020 10 Os analisadores de espectro garantem a visualização no domínio da frequência de um sinal separado em várias bandas simultâneas. Este dispositivo é amplamente usado para monitoração de vibração em tempo real. 27/05/2020 11 Monitoração e diagnóstico de falha de máquinas As máquinas produzem baixos níveis de vibração quando projetadas adequadamente; porém, devido ao seu funcionamento, começam a apresentar folgas devido ao desgaste natural das partes, desvios e desbalanceamentos que aumentam os níveis de vibração. Para tanto, os critérios de severidade para vibrações dados por normas como a ISO 2372 são bons parâmetros para checagem e análise de vibrações. Para que possamos manter uma máquina ou estrutura em boas condições, são necessárias manutenções que podem ocorrer de três formas básicas: Manutenção após avaria ou manutenção corretiva: este tipo de manutenção é usado para máquinas baratas e que não oferecem riscos devido a falhas, que consiste na utilização da máquina ou estrutura até sua falha para, então, substituir a mesma ou parte dela. Manutenção prognóstica por monitoração contínua: envolve o monitoramento das condições de funcionamento das máquinas a fim de garantir a detecção de condições de falha. Manutenção preventiva: são manutenções programadas, feitas em períodos fixos, estipulados por dados estatísticos de manutenções anteriores. É um método caro, pois envolve paradas de produção, substituição de partes sem necessidade e não elimina a possibilidade de falha. 27/05/2020 12 O monitoramento da vibração nos oferece diversas análises que nos mostram dados importantes sobre as condições da máquina. A análise no domínio do tempo nos fornece dados sobre a forma de funcionamento da máquina com relação ao desgaste natural, que nos permite criar dados estatísticos de manutenção para prever períodos de monitoramento. Já a análise no domínio da frequência nos fornece dados que nos permite comparar como a máquina está e identificar partes com problema, já que cada parte da máquina ou estrutura possui uma frequência identificável. A análise no domínio da quefrência leva em consideração o inverso da transformada de Fourier do logaritmo do espectro de energia denominado de cepstro, sendo: Onde F{} é a transformada de Fourier e Sx(ω) é o espectro de energia do sinal x(t). O espectro pode ser definido como o espectro do espectro da energia do sinal x(t). Permite-nos identificar, de forma mais rápida, partes com defeito ou mau funcionamento. Observe a diferença entre um gráfico no domínio da frequência de uma caixa de câmbio em mau funcionamento e um gráfico do mesmo componente no domínio da quefrência, dados na Figura a e b, respectivamente. 27/05/2020 13 27/05/2020 14 ENSAIOS DINÂMICOS DE MÁQUINAS E ESTRUTURAS Existem basicamente dois métodos de ensaios dinâmicos usados em vibrações: • Medições da forma operacional de deflexão (ODS) • Análise modal experimental. 27/05/2020 15 A análise modal experimental é usada para a determinação das frequências naturais, fatores de amortecimento e formas modais. A ideia básica é que, quando uma máquina ou estrutura sofre uma excitação, então apresentará um pico acentuado quando passar por sua frequência natural (frequência de ressonância). ANALISE MODAL EXPERIMENTAL ANALISE MODAL EXPERIMENTAL É um processo de análise dos fenômenos vibratórios que podem ser abordados por técnicas teóricas numéricas e experimentais. Estas são utilizadas para obter o modelo matemático representativo do comportamento dinâmico de um determinado componente ou estrutura, através das suas características naturais, frequência, amortecimento e modos de vibração. Uma análise modal detalhada permite determinar frequênciasnaturais e respetivos modos de vibração assim como o amortecimento. Esta análise é relativamente simples, quando efetuada em componentes básicos, e pode ser extremamente complicada quando se qualifica elementos ou estruturas complexas, expostos a várias cargas externas. 27/05/2020 16 Esses sistemas requerem a prévia determinação das frequências e respetivos modos de vibração naturais através da aplicação de técnicas como a análise de elementos finitos (MEF). A abordagem experimental pode servir para verificar ou validar os resultados obtidos analiticamente. ANALISE MODAL EXPERIMENTAL O intuito da análise modal experimental é a obtenção de um modelo matemático do sistema em estudo, que possa descrever com boa aproximação o comportamento dinâmico de uma estrutura ou equipamento mecânico, pois, as curvas das funções de resposta em frequência (FRFs) obtidas experimentalmente não descrevem de uma forma direta as propriedades modais do sistema. Devido a erros ou problemas verificados durante a análise experimental, todas essas curvas possuem ligeiros erros ou incoerências entre elas, problemas que são filtrados através duma identificação de um modelo matemático para o sistema. ANALISE MODAL EXPERIMENTAL 27/05/2020 17 O método da análise modal experimental mais comum consiste em excitar a estrutura e medir os sinais de força de excitação e os sinais de resposta nos pontos considerados. Os sinais de excitação e reposta são enviados a um analisador de sinais, que estima as Funções de Resposta em Frequência (FRFs) entre os pontos medidos, ou, as Funções de Resposta ao Impulso (FRIs) entre os mesmos pontos. A análise modal experimental é assim concluída por meio da aplicação de métodos de identificação de parâmetros nas funções obtidas diretamente do ensaio. As técnicas de identificação dos parâmetros modais podem ser classificadas segundo diversos critérios. ANALISE MODAL EXPERIMENTAL Provoca-se a excitação da estrutura através de um excitador cuja ação é medida através de um sensor de força. Posteriormente recolhe-se a resposta da estrutura através de um transdutor de resposta que é lida num analisador espectral obtendo-se a função de resposta em frequência (FRF). Um possível esquema experimental para a análise modal é apresentado na Figura. O princípio subjacente ao ensaio experimental assenta na conjugação de duas ações seguintes: ANALISE MODAL EXPERIMENTAL 27/05/2020 18 Esta função é em seguida identificada recorrendo a modelação direta na parte teórica obtendo-se os parâmetros modais pretendidos. ANALISE MODAL EXPERIMENTAL 27/05/2020 19 Os parâmetros modais determinados experimentalmente podem servir como modelo para outras e permitir assim a sua utilização em modificações estruturais. A análise modal experimental verifica e/ou explica os problemas de dinâmica de vibrações, resolvidos através de modelos analíticos, ou numéricos. A análise modal permite assim dar mais confiança na obtenção da resposta para o problema dinâmico sendo muitas vezes uma parte importante do processo. ANALISE MODAL EXPERIMENTAL Essa técnica de análise de vibrações consiste em estudar o comportamento defletivo das máquinas a partir de esboços e animações em 3D que permitem: • Analisar como a máquina está se movendo a partir das vibrações; • Identificar possíveis defasagens que comprometam o sistema; • Comprovar se a máquina está funcionando em ressonância; • Identificar e corrigir problemas estruturais como desalinhamento e desbalanceamento. A partir da ODS, é possível analisar o modo de deflexão de um sistema, o que vem a facilitar o entendimento sobre a dinâmica e os riscos que envolvem o desgaste do mesmo. MEDIÇÕES DA FORMA OPERACIONAL DE DEFLEXÃO 27/05/2020 20 A análise ODS (Operating Deflection Shape ou Forma de Deflexão Operacional) é um método usado para observar os padrões de vibração de uma máquina ou estrutura causada por forças operacionais desconhecidas. As medições de vibração são realizadas em diferentes pontos e direções de uma estrutura. Os padrões de vibração resultantes são mostrados como um modelo de geometria animado ou como uma tabela de valores. MEDIÇÕES DA FORMA OPERACIONAL DE DEFLEXÃO 27/05/2020 21 análise ODS (Operating Deflection Shape ou Forma de Deflexão Operacional) análise ODS (Operating Deflection Shape ou Forma de Deflexão Operacional)
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