02_br_Análise_de_ vibração

Análise de vibrações de Análise de vibrações de máquinas rotativasmáquinas rotativas

A análise de vibraçãoA análise de vibração

Capítulo 2Capítulo 2

Percepção subjetiva dos fenômenos

Aproximação intuitiva

Próximo a uma máquina:

Pode-se ouvir os ruídos e sentir as vibrações da máquina.

Estes dois indicadores podem foenecer os subsídios para a troca de um componente da máquina.

A quantificação e a qualificação das vibrações são as maneiras privilegiadas da manutenção condicional.

Ruídos emitidos por uma máquina

Aproximação intuitiva: o ruído

Os ruídos emitidos por uma máquina resultam das ações de várias fontes:

Das máquinas ou parte das máquinas que agem sem barreiras no ambiente transferindo a energia diretamente como emissão acústica.


Das máquinas ou parte das máquinas, inclusive em vibração da qual a energia é transmitida ao meio externo através de ligações rígidas ou por um fluido.

Origem do ruído irradiado por uma máquina

Os ruídos irradiados no ar por uma máquina resultam das ações de várias fontes, divididas em dois grupos:

As fontes de ruído


Balanceamento

Forças alternadas ou onduladas

Turbulências

Efeito corona

Ligação rígida

Acoplagem aérea e de fluidos

Superfície radiante

Ruído

FontesCaminhos depropagação

Estrutura Recepção

Noção de amplitude e de freqüência


A análise das diferentes fontes sonoras podem ser feitas:

Pela amplitude: dos sons mais baixos para os mais altos.

Pela freqüência: dos sons mais graves para os mais agudos.

Uma analogia pode ser feita com uma orquestra. A música é a soma de diversas amplitudes e freqüências:

O tambor pelos sons grave

O violino pelos sons agudos

Vibrações de uma máquina

Aproximação intuitiva: as vibrações

As vibrações de uma máquina são percebidas pelo simples contato da mão com a sua estrutura.

As vibrações são provenientes das forças internas da máquina.

Origem dos fenômenos


É raro se conseguir fazer a distinção das origens das fontes de vibração

A percepção da energia de vibração é diferente dependendo de onde a mão é colocada: mancal (1), carcaça (2), skid (3) e no chão (4).

12

34

Propagação das vibrações


Os caminhos de propagação das vibrações dos pontos de 1 a 4 são diferentes:

(1) é próximo da fonte de excitação

(4) é longe da fonte de de excitação

A excitação interna é idêntica para as posições (1) a (4): Portanto, os níveis de vibração são diferentes.

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Influência da extrutura


Para uma dada excitação (desbalanceamento mecânico, por exemplo), a resposta de vibração é diferente de acordo com o local:

As medições devem ser efetuadas nos mesmos locais para comparação.

Vibração = Excitação * Estrutura

Em resumo


Os níveis de vibração são bons indicadores para se conhecer o comportamento de uma máquina.

As vibrações são o resultado dos esforços internos da máquina e dos efeitos da estrutura.

Origem das vibrações

Noções fundamentais

Toda máquina em funcionamento está sujeita a forças internas variáveis com o tempo e de naturezas diferentes:

Forças impulsivas (choques) Forças transitórias (variações de carga) Forças periódicas (desbalanceamento) Forças aleatórias (fricção)

Estas forças são transmitidas pelos componentes da máquina e induzem deformações da superfície da estrutura (vibrações).

Princípios de análise de vibrações de máquinas rotativas


Esforçosinternos

EstruturaRuídos

Vibrações MediçõesInformaçõesdos esforços e estrutura

o Desbalanceamentoo Desalinhamentoo Rolamentoso Engrenamentoso Falhas magnéticaso etc. ...

As vibrações de uma máquina constituem uma imagem indireta dos seus esforços internos.

Máquina

Definição de vibração segundo a norma NFE 90-001


Uma vibração é uma variação com o tempo da grandeza característica do movimento ou da posição de um sistema mecânico onde a grandeza é alternadamente maior e menor que um certo valor médio ou de referência.

Os fenômenos de vibração são os fenômenos periódicos ou não periódicos mais ou menos complexos.

A vibração senoidal


A expressão mais simples do movimento é o movimento puramente senoidal, como o gerado por um desbalanceamento simples.

1

2

3

4

X = A.sen (.t

31 2 4O sinal observado se exprime por uma função seno:

+A

-A

A amplitude A do sinal pode ser representada de diferentes maneiras. Três delas são utilizadas em análise de vibrações:


X = A0-p.sen (.t

A amplitude de pico A0-p A amplitude pico a pico Ap-p

A amplitude eficaz ArmsA0-p Ap-p ArmsPara um sinal senoidal:

Ap-p = 2.A0-p et

A amplitude informa a importância do evento observado

A0-p = 2.Arms

A freqüência F de um fenômeno é o número de repetições (períodos) deste fenômeno em um segundo.


1 sec.A freqüência se exprime em Hertz:

X = A0-p.sen(.t

Para um sinal senoidal:

= 2..F

1 Hz = 1 ciclo por segundo

: pulsação (rad/s)

A freqüência informa a origem do evento.

Exemplo: para um motor rodando a 1500 RPM, a freqüência de rotação é igual a 1500/60 = 25 Hz

O período T de um fenômeno é o intervalo de tempo que separa duas passagens sucessivas em uma mesma posição e no mesmo sentido.


T

No caso das máquinas rotativas, o período corresponde a duração de uma volta do eixo.

O período se exprime em segundos (s).

T=1

F

As grandezas utilizadas: introdução


Como todo movimento, uma vibração pode ser estudada em três grandezas:

DeslocamentoVelocidadeAceleração

Estas grandezas físicas são ligadas entre si por relações matemáticas. Estas relações são simples para o caso de um sinal puramente senoidal.

A escolha de uma ou outra grandeza pode ser fundamental para a qualidade do diagnóstico.

As grandezas utilizadas: o deslocamento


O deslocamento quantifica a amplitude máxima do sinal de vibração. Historicamente, esta grandeza foi a primeira a ser utilizada, isto devido aos recursos dos instrumentos da época.

Um sinal de vibração senoidal gerado por um desbalanceamento simples pode ser expresso por:

d(t) = D.sen (.F.tD

T=1/F

A unidade utilizada para a medição de deslocamento é o micron (µm)

As grandezas utilizadas: a velocidade


A velocidade de um movimento corresponde à variação da sua posição com o tempo. Matematicamente, a velocidade se exprime pela derivada do deslocamento em relação ao tempo:

Um sinal senoidal gerado por um desbalanceamento simples se expressa por:

v(t) = V.sen (.F.t

T=1/F

V

A unidade utilizada é o mm/s

v(t)=d[d(t)]

dt

As grandezas utilizadas: a aceleração


A aceleração de um movimento corresponde à variação da velocidade com o tempo. Matematicamente, a aceleração se exprime como a derivada da velocidade com o tempo.

Um sinal senoidal gerado por um desbalanceamento simples se expressa por:

a(t) = A.sen (.F.t

A unidade utilizada é g.

T=1/F

A

a(t)=d[v(t)]

dt

As grandezas utilizadas: relações entre as grandezas


Para o caso de uma vibração puramente senoidal, os valores mensurados em deslocamento, velocidade e aceleração são ligados por funções simples relacionadas com a freqüência:

com as unidades: D em µm V em mm/s A em g

V=A

2..F

D=V

2..F

D=A

4.2.F2

V=1561.A

F

D=159.V

F

D=248199.A

F2

Nota: 1g = 9.80665 m/s2

Influência da grandeza utilizada:


O deslocamento é inversamente proporcional ao quadrado da freqüência. Quanto maior a freqüência, menor o deslocamento: é utilizado para freqüências muito baixas:

F 100 Hz A velocidade é inversamente proporcional à freqüência.

Quanto maior a freqüência, menor a velocidade: é utilizada para freqüências baixas:

F 1000 Hz A aceleração, representativa das forças dinâmicas, não

depende da freqüência: este é um parâmetro privilegiado em análise de vibrações pelo seu grande domínio de freqüências.

0 F 20000 Hz

Influência da grandeza utilizada: ilustração


100

Acel.

Vel. (1/F)

Desl.(1/F2)

F (Hz)1000 10000

F= 159 Hz1 g10 mm/s10 µm

Acel.

Vel.

Desl.

Introdução

A transformação Tempo - Freqüência

O conkunto de definições e princípios expostos adiante são baseados na hipótese que o sinal é uma senóide pura.Da prática, as vibrações reais são infinitamente mais complexas, constituidas de um grande número de componentes de origens múltiplas e moduladas por um grande número de parâmetros.Não obstante, nós veremos adiante que vibrações complexas podem aparecer com a superposição de componentes elementares puramente senoidais para o qual estes princípis são aplicáveis. A transformação tempo - freqüência ou transformada de Fourier é uma das ferramentas utilizadas com este propósito.

Vibrações complexas


O sinal de vibração temporal é composto de sinais periódicos e não periódicos (ruído de fundo). Todas as componentes são somadas ao sinal resultante.

A transformada de Fourier


A decomposição de um sinal de vibração periódico complexo em suas diferentes componentes senoidais, representadas cada uma delas por sua amplitude Ai e sua freqüência Fi é feita por uma transformação tempo - freqüência chamada de Transformada de Fourier.Esta função matemática faz uma transposição do sinal de domínio temporal para o domínio freqüêncial. A representação do sinal obtido é denominado espectro em freqüências.A Transformada de Fourier é implementada pelos analisadores de espectros modernos e são chamadosde FFT (Fast Fourier Transform ou Transformada Rápida de Fourier).

Caso de um sinal senoidal puro


FFTFFT

T1

F1=1/T1

T2

F2=1/T2

A2p-p

A1p-p

FFTFFT

A1rms

A2rms

Caso de um sinal multi-senoidal


=+

+FFTFFT

O espectro final contem lum conjunto de freqüências senoidais (picos discretos) constituidos do sinal de vibração original.

Caso de um sinal real


Sinal temporal

Sinal freqüencial

FFTFFT

Significado do espectro


F0

2.F0

3.F0

4.F0

Sinal com domínio no

tempo

Transformada de sinais particulares: sinal modulado em amplitude.


Fm Fm

F

O número de bandas laterais depende da forma do sinal de modulação

Sinal modulante

Freq. Fm

T=1/Fm

T=1/FSinal modulante

Freq. F

FFTFFT

Transformada de sinais particulares: sinal modulado em freqüência.


Fm Fm

F

O número de bandas laterais depende da taxa de modulação

FFTFFT

Transformada de sinais particulares: choques periódicos


T

FFTFFT

F=1/T

As escalas lineares e logarítmicas: introdução


Os espectros provenientes de sinais de vibração reais são muito ricos em razão do grande número de fontes de vibração presentes em uma máquina.As informações interessantes no espectro não correspondem necessariamente às freqüências que apresentam As maiores amplitudes: picos espectrais de baixa amplitude pode ser de interesse no plano da diagnose. O analista usa para a representação dos espectros em freqüências uma escala logarítmica de acordo com o eixo de Oy das amplidões do sinal para poder visualizá-los: este tipo de de representação a tem a vantagem de exibir as baixas amplitudes e é então recomendado.

As escalas lineares e logarítmicas: ilustração


Escala linear

Escala logarítmica

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