Análise de Vibrações em Equipamentos

Introdução à Análise de Ruído e Poluição Sonora

• O tema é Ruído Industrial e Poluição Sonora.
• O documento é do Departamento de Engenharia Mecânica.
• O professor assistente é Carlos Renato Silva.
• O documento foi produzido em setembro de 2024.

Avaliação

• Avaliação feita através de dois trabalhos práticos (TP1 e TP2) que valem 30% da nota final.
• Dois testes (T1 e T2) que valem 70% da nota final.
• A regra para T1 ou T2 é: >= 9 valores.
• A nota final é de: >= 10 valores (após arredondamento).

Formatos e Exigências para os Trabalhos

• Os trabalhos devem ser entregues em formato PDF via e-mail.
• O número máximo de páginas por trabalho é de 10.
• Apresentação e discussão do trabalho em Powerpoint.
• Grupos formados por dois alunos.
• Cada trabalho deve incluir: Introdução, Objetivo, Metodologia, Cálculos e Conclusões.

Vibrações Mecânicas - Introdução

• O tópico apresentado neste slide é Vibrações Mecânicas: Introdução.
• Os slides mostram uma imagem ilustrativa sobre vibrações mecânicas.

Conceitos Gerais sobre Vibrações

• Tipos de vibrações.
• Sensores de Vibrações.
• Espectro de frequência.
• Ressonância.
• Transmissibilidade.
• Apoios anti-vibráticos.
• Anomalias típicas.
• Desequilíbrio.

Motivações para o Estudo de Vibrações

• Análise de vibrações em equipamentos mecânicos.
• Projeto de equipamentos, estruturas e edifícios.
• Monitorização de vibrações em estruturas.
• Estudo do conforto humano e aplicação de limites admissíveis.
• Estudo de sismos.
• Caracterização do comportamento dinâmico.
• Controlo do estado de condição.
• Diagnóstico e correcção de anomalias.

Diagnóstico de Anomalias - Rolamentos

• Rolamentos com defeitos nas esferas.
• Rolamentos com defeito na pista interior.

Projeto de Estruturas e Edifícios

• Cálculo de propriedades dinâmicas de estruturas.
• Estudo de frequências próprias e modos de vibração.
• Previsão do comportamento dinâmico de estruturas.

O Desastre da Ponte de Tacoma Narrows

• A Ponte de Tacoma Narrows Bridge, era uma ponte de projeto original com um comprimento de 1200m.
• Era popularmente conhecida como "Galloping Gertie".
• Foi aberta ao público em 1 de julho de 1940.
• Desabou em 7 de novembro de 1940, durante uma tempestade com ventos de 68 km/h.

Estudo de Sismos e Efeitos

• O estudo de sismos e seus efeitos em edifícios, estruturas e vida humana.

Conforto Humano

• Estabelecimento de níveis admissíveis de vibração ao nível do conforto e bem estar do ser humano em locais de trabalho, meios de transporte e habitações.

Definição de Vibração

• Vibração é qualquer movimento que se repete, de forma regular, dentro de um intervalo de tempo.

Forças Dinâmicas que Provocam Vibrações

• Forças dinâmicas provocadas por desequilíbrio, desalinhamento, folgas, etc.
• A amplitude da vibração depende da força de excitação, da massa, da rigidez e do amortecimento do sistema.

Vibrações Periódicas

• Surge quando um sistema é deslocado de sua posição de equilíbrio.
• A posição de equilíbrio não apresenta forças.
• O movimento periódico ocorre quando a massa volta a sua posição de equilíbrio e a mola reage com um movimento oposto.
• Esse movimento pode ser descrito por um movimento harmônico simples.
• As características incluem amplitude, período e frequência.

Vibrações Periódicas - Características

• Amplitude do sinal X.
• Período T em segundos – Intervalo de tempo para um ciclo completo.
• Frequência f em Hz – Número de ciclos por segundo.

Amplitude da Vibração

• Valor de Pico.
• Valor de Pico-Pico.
• Valor RMS

Valor RMS

• Medida ponderada de aceleração ou velocidade.
• Considera o histórico temporal da onda e fornece um valor de energia.
• Calculado usando uma integral.

Tipos de Vibrações

• Vibrações Transitórias (exemplos: explosões, impactos, sismos).
• Vibrações Aleatórias (exemplos: chuva, cavitação, forças aerodinâmicas em asas de aviões).
• Vibrações Periódicas (exemplos: máquinas como ventiladores, motores de combustão e bombas).

Vibração Transitória

• Liberação de grande quantidade de energia em curto intervalo de tempo.
• Exemplos: explosões, impactos, sismos.

Vibração Aleatória

• São forças de excitação que não descrevem um padrão definido por uma equação.
• Momentos estatísticos são usados para analisar tais sistemas.
• Exemplos: chuva, cavitação e forças aerodinâmicas em asas de aviões.

Vibrações Periódicas

• Repete-se em intervalos regulares de tempo com intensidade diferente.
• Exemplos: máquinas como ventiladores, motores de combustão e bombas.

Unidades de Medida da Amplitude

• Deslocamento (m ou microns).
• Velocidade (m/s ou mm/s).
• Aceleração (m/s² ou G´s).

Movimento Harmônico Simples (MHS)

• É a forma mais simples de representar uma vibração.
• O MHS pode ser representado por x(t) = Xsen(wt + α).

Movimento Harmônico Simples - Derivadas

• Deslocamento: x = A sen(Wt).
• Velocidade: x´ = WA cos(Wt).
• Aceleração: x´´= -W² A sen(Wt).

Movimento Harmônico Simples - Especificações

• A velocidade e aceleração são harmônicas com a mesma frequência de oscilação do deslocamento.
• A velocidade e aceleração são desfasadas de -π/2 e π/2 de deslocamento, respectivamente.
• Maior w (velocidade angular) significa maior amplitude de vibração em velocidade e aceleração.

Unidades Utilizadas na Medição da Amplitude da Vibração

• amplitude de deslocamento em micrômetros (μm) ou milésimos de polegada
• amplitude de velocidade em milímetros/segundo (mm/s)
• amplitude de aceleração em G's (ou m/s²)

Espectro de Frequência e Anomalias Típicas

• Mostrar relação entre o espectro de frequência e as anomalias típicas.

Tempo <> Frequência

• Mostra a relação entre gráficos de tempo e frequência.

Análise de Vibrações

• Desequilíbrio - 1x rpm, radial.
• Desalinhamento - 1x, 2x, ou 3x rpm, (radial ou axial).
• Desaperto ou Folgas - 1x, 2x, ..., 10x rpm, radial.
• Engrenagens - Frequência de engrenamento, (radial e axial).
• Transmissão por Correias - 1x, 2x, 3x e 4x Frequências das correias, radial.
• Impulsores e Ventiladores - 1x, 2x ou 3x Frequências das pás, (radial e axial).
• Ressonância - Frequência própria da estrutura, (radial e axial).
• Motores Eléctricos - 1x rpm, (radial e axial).
• Harmónicas - a frequências não síncronas, (radial e axial).
• Rolamentos - vibrações na gama de altas frequências, (radial e axial).

Frequências Típicas

• Um eixo giratório sempre gera uma vibração com uma frequência igual à sua freq. de rotação.

Principais Anomalias Detectadas pela Análise de Vibração em Equipamentos

• Desequilíbrio.
• Desalinhamento.
• Folgas.

Quantificação do Nível de Vibração

• Relação entre as medidas pico, pico-a-pico e RMS para ondas sinusoidais

Conversão de Unidades de Medida

• Conversões entre deslocamento de pico (X), velocidade de pico (V) e aceleração de pico (A) para ondas de frequência sinusoidal (f).

Exercício 1 - Ventilador

• Medidas de velocidade de rotação e limite de vibração.
• Verificar se o ventilador está dentro do limite permitido.

Exercício 2 - Motor Turbo-Hélice

• Calcula a frequência angular e frequência do movimento de rotação do hélice.
• Identifica o pico correspondente à vibração da turbina.
• Verifica se o valor de vibração está dentro dos limites permitidos pelo fabricante.

Exercício 3 - Ventilador de 8 Pás

• Determinação de desequilíbrio
• Solução de problemas de vibração no ventilador.
• Cálculos e resolução.
• Frequência de passagem de pás.
• Determinação da classe do motor.

Exercício 4 - Ventilador

• Determinação de desequilíbrio.
• Métodos para resolver situações de desequilíbrio do ventilador.

Exercício 5 - Máquina com Motor Elétrico

• Frequências de cada componente mecânico com base nas formas de onda.
• Cálculo dos valores RMS com base na norma ISO 10816-3.
• Análise da compatibilidade com as normas e limites permitidos.
• Discussão das anomalias no espectro FFT.
• Melhorias recomendadas para o nível de vibrações na máquina.
• Cálculos para determinar em quantos meses a máquina atinge o limite D2 de 11,2 mm/s.

Exercício 6 - Ventilador

• Procedimento de equilibragem
• Cálculos, valores de referência, massa de teste
• Apresentação gráfica

Exercício 7 - Rotor de um Aviao

• Análise espectral de um rotor de avião em relação a um desequilíbrio

Exercício 8 - Motor Elétrico

• Análise espectral de um motor elétrico de ventiladores em relação a problemas de vibração.
• Métodos e soluções

Procedimento de Equilibragem

• Etapas do procedimento incluindo medição de referências, colocar uma massa teste, e calcular uma massa de correção.
• Equação matemática do procedimento de equilibragem com explicações.

Forma de Onda do Desequilíbrio

• Descrição gráfica e visual do desequilíbrio e das suas características na curva de tempo.

Teste seus conhecimentos sobre a análise de vibrações em equipamentos e seus parâmetros. Responda perguntas sobre medidas, picos de vibração, frequências e mais. Ideal para profissionais e estudantes da área de engenharia mecânica ou manutenção industrial.