Ruído Industrial - Análise de Vibrações - Setembro 2024 - PDF

RUIDO INDUSTRIAL POLUIÇÃO SONORA Departamento de Engenharia Mecânica Prof. Assistente: Carlos Renato Silva Setembro 2024 1  ANÁLISE DE RUÍDO...

RUIDO INDUSTRIAL POLUIÇÃO SONORA Departamento de Engenharia Mecânica Prof. Assistente: Carlos Renato Silva Setembro 2024 1  ANÁLISE DE RUÍDO POLUIÇÃO SONORA Dois trabalhos práticos TP1 e TP2 – 30% da Nota Final Dois testes T1 e T2 – 70 % da Nota Final Regra: T1 ou T2 >= 9 valores Nota Final >= 10 valores (após arredondamento) Prof. Assistente: Carlos Renato Silva Setembro 2024 2  ANÁLISE DE RUÍDO POLUIÇÃO SONORA Trabalhos entregues em formato pdf por email Número máximo de páginas por trabalho: 10 Apresentação e discussão do trabalho em Powerpoint Grupos formados por 2 alunos Cada trabalho deverá incluir: Introdução Objectivo Metodologia Cálculos Conclusões Prof. Assistente: Carlos Renato Silva Setembro 2024 3 VIBRAÇÕES MECÂNICAS INTRODUÇÃO  PROGRAMA CONCEITOS GERAIS SOBRE VIBRAÇÕES Tipos de vibrações Sensores de Vibrações Espectro de frequência Ressonância Transmissibilidade Apoios anti-vibráticos Anomalias típicas Desequilíbrio  PORQUE ESTUDAMOS VIBRAÇÕES? Análise de vibrações em equipamentos mecânicos Projecto de equipamentos, estruturas e edifícios Monitorização de vibrações em estruturas Estudo do conforto humano e aplicação de limites admissíveis Estudo de sismos  PORQUE ESTUDAMOS VIBRAÇÕES? Análise de vibrações em equipamentos mecânicos Caracterização do comportamento dinâmico Controlo do estado de condição Diagnóstico e correcção de anomalias  PORQUE ESTUDAMOS VIBRAÇÕES? Diagnóstico de anomalias Rolamentos com defeitos nas esferas Rolamentos com defeito na pista interior Porque estudamos Vibrações?  PORQUE ESTUDAMOS VIBRAÇÕES? Projecto de estruturas e edifícios Cálculo de propriedades dinâmicas de estruturas Estudo de frequências próprias e modos de vibração Previsão do comportamento dinâmico de estruturas Porque Estudamos Vibrações? Porque estudamos Vibrações?  Porque estudamos Vibrações? ESTUDO DE SISMOS E OS SEUS EFEITOS EM EDIFÍCIOS, ESTRUTURAS E VIDA HUMANA  Porque estudamos Vibrações? Conforto Humano Estabelecimento de níveis admissíveis de vibração ao nível do conforto e bem estar do ser humano em diversos locais Local de Trabalho Meios de transporte Habitações  DEFINIÇÃO DE VIBRAÇÃO Vibração é qualquer movimento que se repete, de forma regular, dentro de um intervalo de tempo  Definição de Vibração Forças Dinâmicas Provocadas por desequilíbrio, desalinhamento, folgas, etc Aumento da Aumento das vibração e forças forças dinâmicas transmitidas á base A amplitude da vibração depende da força de excitação, da massa, da rigidez e do amortecimento do sistema.  Vibrações Periódicas A vibração surge quando um sistema é deslocado da sua posição de equilíbrio Posição de equilíbrio – nenhuma força aplicada X Quando se desloca a massa até uma distancia x da sua posição de equilíbrio, a mola reagirá com um movimento contrário (força de restituição) A repetição deste processo designa-se como movimento periódico. Neste caso, a vibração pode ser descrita por um movimento harmónico simples.  Vibrações Periódicas Características da vibração periódica: 1. Amplitude do sinal X 2. Período T em segundos – intervalo de tempo decorrido para que um ciclo se complete 3. Frequência f em Hz – indica o número de ciclos por segundo Pico RMS Xmáx Média Tempo Xmin Pico-Pico  Vibrações Periódicas A Amplitude da vibração é expressa em: 1. Valor de Pico 2. Valor de Pico - Pico 3. Valor RMS Numa vibração sinusoidal T – período (segundos) RMS = 0,707 x PICO F - frequência=1/T (Hertz) 1 Hertz= 60 RPM  RMS Pico RMS Média Tempo Pico-Pico Valor RMS (Root Mean Square) – medida ponderada de aceleração o que permite a obtenção da aceleração eficaz ou equivalente Tem em consideração o histórico no tempo da onda e fornece um valor de energia Severidade da Vibração  TIPOS DE VIBRAÇÕES Vibrações Transitórias Vibrações Aleatórias Vibrações Periódicas  VIBRAÇÃO TRANSITÓRIA A: CH2 Time X:122.07 us Y:-5.076 mV 1.8 V Real 200 mV /div -200 mV 0s 124.878ms Libertação de grande quantidade de energia num curto intervalo de tempo. Exemplos: Explosões, impactos, sismos  VIBRAÇÃO TRANSITÓRIA Registo de sismo – evento transitório  VIBRAÇÃO ALEATÓRIA São forças de excitação que não descrevem um padrão que possa ser definido por uma equação. Para tratar sistemas excitados por forças aleatórias é necessário utilizar métodos estatísticos. Exemplo: chuva, cavitação, Forças aerodinâmicas em asas de aviões  VIBRAÇÕES PERIÓDICAS Excitação que se repete num certo período tempo com intensidade diferente. Exemplo: máquinas como ventiladores, motores de combustão, bombas, etc  Vibrações Periódicas 400 Hz  Vibrações Periódicas 5000 Hz  Vibrações Periódicas Unidades de medida da Amplitude: 1. Deslocamento em m ou microns 2. Velocidade em m/s ou mm/s 3. Aceleração em m/s2 ou g´s Unidades do sistema Internacional  MOVIMENTO HARMÓNICO SIMPLES (MHS) É a forma mais simples de apresentar uma vibração O MHS pode ser representado por:  MOVIMENTO HARMÓNICO SIMPLES A velocidade e a aceleração de um movimento harmónico são obtidas derivando-se a expressão matemática do movimento Deslocamento: Integração Derivação Velocidade: Aceleração:  MOVIMENTO HARMÓNICO SIMPLES Quanto maior for ω (velocidade angular), maior serão os valores de amplitude de vibração em velocidade e aceleração Velocidade angular ω  Unidades utilizadas para medição da amplitude da vibração ACELERAÇÃO – VELOCIDADE - DESLOCAMENTO AMPLITUDE MÉTRICO INGLÊS DESLOCAMENTO microns (m) mils VELOCIDADE mm/seg polegadas/seg (IPS) ACELERAÇÃO G´s, ou m/seg2 G’s ESPECTRO DE FREQUÊNCIA E ANOMALIAS TÍPICAS  TEMPO FREQUÊNCIA Amplitude Amplitude T ime T ime Amplitude Freq ANÁLISE DE VIBRAÇÕES  FREQUÊNCIAS TÍPICAS Um veio, ao rodar, origina sempre uma vibração maior ou menor consoante o seu desequilíbrio. Esta vibração acontece a uma frequência igual á de rotação n - velocidade de rotação [rpm]  FREQUÊNCIAS DE PASSAGEM DE PÁS Frequência de pás de um ventilador, bomba ou turbomáquina N - número de pás n - velocidade de rotação [rpm]  Principais anomalias detectadas pela análise de vibrações em equipamentos 1) Desequilíbrio Características: Pico elevado à velocidade de rotação da turbina  Principais anomalias detectadas pela análise de vibrações em equipamentos Características: 1) Desalinhamento Pico a 1 x rpm e 2 x rpm  Principais anomalias detectadas pela análise de vibrações em equipamentos 1) Folgas Características: Pico a 1 x rpm e harmónicas até 10 x rpm  Espectro de Frequência Unidade de Grandeza medida m/s2 Pico Unidade medida + Grandeza 1xRPM 1xRPM – 1ª harmónica ou Amplitude 4,5 ordem da velocidade de rotação do 3 equipamento 0 50 200 250 300 Hz Frequência (Hz) ISO 10816-3 Quantificação do nível de vibração Conversão de unidades de medida  Exercício 1 Considere um ventilador com velocidade de rotação de 3000 rpm que foi alvo de uma medição de vibrações, tendo-se obtido o espectro FFT apresentado. a) Determine a velocidade de rotação do ventilador em Hz; b) Sabendo que o fabricante do ventilador indica o limite de vibração a 1xRPM de 3 mm/s RMS, verifique se o ventilador se encontra dentro dos limites indicados. mm/s Pico 7 3 50 Hz  Exercício 2 A turbina de um motor turbo-hélice de avião possui uma velocidade de rotação de 15000 rpm. A figura representa uma análise espectral realizada ao motor em que o espectro se encontra expresso em unidades de aceleração m/s2 na grandeza pico. O fabricante do motor preconiza como limite máximo de vibração à velocidade de rotação da turbina o valor, expresso em unidades de velocidade, de 1,5 mm/s (RMS). a) Determine a frequência angular (rad/s) e a frequência (Hz) do movimento de rotação da turbina; b) Dos vários picos do espectro identifique qual é o que corresponde à vibração da turbina; m/s2 Pico c) Verifique se o valor registado no espectro se encontra dentro 4,5 dos limites apresentados pelo fabricante da turbina. 3 50 200 250 300 Hz  Exercício 2 a) Determine a frequência angular (rad/s) e a frequência (Hz) do movimento de rotação do hélice; 15000 rpm = 250 Hz W= 2πf = 2 x π x 250 = 1570,8 rad/s b) Dos vários picos do espectro identifique qual é o que corresponde à vibração do hélice; Vibração do Hélice = 250 Hz c) Verifique se o valor registado no espectro se encontra dentro dos limites apresentados. m/s2 Pico Limite do fabricante = 1,5 mm/s RMS 4,5 3 50 200 250 300 Hz  Exercício 3 Um ventilador de 8 pás com uma velocidade de rotação de 1800 rpm apresenta níveis de vibração elevados, provocando incomodidade severa nos operadores da sala de controlo. Suspeita-se de desequilíbrio. Da consulta do manual do fabricante verifica-se que o nível de vibração admissível à velocidade de rotação é de 4 mm/s (Pico-Pico). Após uma medição de vibração ao ventilador registou-se que a amplitude da vibração á frequência de rotação de 0,6 m/s2 (RMS). a) Determine se o ventilador se encontra desequilibrado. b) Indique o faria para diminuir os níveis de vibração do ventilador; c) Sabendo que o ventilador tem 8 pás determine a Frequência de passagem de pás. d) Sabendo que o motor eléctrico é de classe II indique, analisando a Norma ISO 10816, se o equipamento se encontra dentro dos limites legais impostos pela norma. Resultado: 9 mm/s (P-P) ISO 10816-3  Exercício 4 Considere o seguinte espectro de frequência obtido num ventilador. Sabendo que o ventilador tem velocidade de rotação de 745,2 rpm e limite de vibração, imposto pelo fabricante, de 1 m/s2 (Pico), calcule: a) Determine se o ventilador se encontra desequilibrado Solução: 1,14 m/s2 (pico) b) Indique o que faria para diminuir o nível de vibração no ventilador  CURVA DA BANHEIRA Primeira parte da curva – Falhas prematuras ou Mortalidade infantil de um equipamento. Está relacionada com as falhas de projeto, problemas de fabricação ou na montagem do equipamento. Segunda parte da curva - Vida Útil em que ocorrem os problemas normais de operação. Terceira parte da curva - os problemas aumentam em virtude da deterioração do equipamento.  REGRESSÃO LINEAR Estimativa de falha de equipamentos Limite de vibrações: 12 mm/s (RMS) Histórico de medição de vibrações velocidade mm/s (RMS) 12 Histórico Y=1,78x+4,53 Medições velocidade mm/s 10 mensais (RMS) 0 5 8 1 5,4 2 8,5 6 3 9,9 4 2 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Equação da recta: y = 1,78x + 4,53 Onde y é o limite de vibração conhecido e x é o valor a determinar  Exercício 5 Considere a máquina ilustrada na figura accionada por um motor eléctrico de 400 KW de potência. A máquina é constituída por uma engrenagem que acciona uma bomba. Sabendo que a velocidade do motor eléctrico é de 1500 rpm e a turbina da bomba possui 20 pás. Calcule: Motor eléctrico Caixa redutora Bomba Turbina Acoplamento  Exercício 5 a) Determine as frequências de cada componente mecânico recorrendo às formas de onda fornecidas; b) Calcule o valor RMS de cada sinal c) Compare os valores obtidos com a norma ISO10816-3 e indique se o nível de vibrações é satisfatório – considere bomba de 400KW e base rígida; d) Discuta as anomalias detectadas no espectro FFT. Indique o que recomendaria para melhorar o nível de vibrações da máquina; e) Sabendo que a equação da reta é y = 1,45x + 6,45 indique em quantos meses a máquina atinge o limite D2 (11,2 mm/s) da Norma ISO 10816-3  Exercício Motor eléctrico T= 0,04 s Amplitude = 2 mm/s Sinal original (Pico) = + Veio da bomba T= 0,01 s Amplitude = 12,0 mm/s (Pico) Pás turbina T= 0,0005 s Amplitude = 1,0 mm/s Frequência corpos rolantes rolamento (Pico) SKF 6302 T= 0,001 s Amplitude = 7,0 mm/s (Pico) ISO 10816-3  Problema EXAME Exercício 6 2022/2023 Deslocamento μ (P-P)  Exercício 7 A amplitude de vibração admissível à velocidade de rotação é de 4 mm/s (RMS)  Exercício 8 A amplitude de vibração admissível à velocidade de rotação é de 14 mm/s (RMS)  PROCEDIMENTO DE EQUILIBRAGEM 1 – Instalar o acelerómetro e o tacómetro na máquina a equilibrar; 2 – Efectuar a medição de referência com as condições iniciais do rotor – registar a amplitude de vibração a 1xrpm (vector R) e a respectiva fase α (alfa); 3 – Colocar uma massa de teste MT numa determinada posição e registar o peso da massa e a respectiva posição θ; 4 – Efectuar a medição após a colocação da massa de teste e registar a amplitude de vibração a 1xrpm (vector R+T) e a fase ϐ; 5 – Calcular a massa de correcção MC e a posição de correcção do desequilíbrio Ø; 6 – Retirar massa de teste e colocar a massa de correcção na posição calculada. Efectuar nova medição para comprovar que o desequilíbrio (1xrpm) diminuiu de amplitude PROCEDIMENTO DE EQUILIBRAGEM  PROCEDIMENTO DE EQUILIBRAGEM 90º Valor de referência R=10 mm/s Ф Ângulo de fase α=135º MT Massa de Teste: 20 g a 90º Valor de teste R+T=20,8 mm/s Ângulo de fase β=225º MC Ѱ ϴ R β α T ϒ 180º 0º 360º Traçar vector T – desequilíbrio resultante R´ provocado pela massa teste Ф Determinar ângulo ϒ = β - α Calcular vector T Traçar vectores T´e R´ T´ com o mesmo sentido de T mas com inicio na origem R+T T´ R´ sentido contrário ao vector R Calcular a massa de correcção MC Calcular posição da massa de correcção Ф 270º Calcular posição da massa de correcçãoѰ FORMA DE ONDA DO DESEQUILÍBRIO + Massa desequilibrante Amplitude 0 Tempo - Rotação 1 rotação  Exercício 6 Um ventilador possui uma velocidade de rotação de 600 rpm e apresenta nível elevado de vibrações. Após análise espectral verificou-se estar na presença de uma situação de desequilíbrio. Foi tomada a decisão de equilibragem da turbina do ventilador. a) Explique o procedimento de equilibragem aos valores que necessita de registar b) Após instalação o sistema de equilibragem foram registados os seguintes valores: Valor de referência: 12 mm/s e fase 135º Massa de teste: 20 g e ângulo 90º Valor de teste: 20,8 mm/s e fase 225º Determine o valor e ângulo da massa de equilíbrio a colocar apresentando o gráfico vetorial de equilibragem. Solução: 10 g a 150 graus  90 graus Solução: a) 6,75 mm/s RMS b) 7,5 g a 169.5º Um ventilador possui uma velocidade de rotação de 900 rpm. Através da análise de vibrações verificou-se que se encontrava desequilibrado. Sendo necessário proceder á sua equilibragem foram registados os seguintes valores: Valor de referência: 11 mm/s e fase 260º Massa de teste: 15 g e ângulo 270º Valor de teste: 21 mm/s e fase 240º Determine o valor e ângulo da massa de equilíbrio. Apresente o gráfico vetorial da equilibragem. Solução: 14,6 g a 230 graus