ODS – OPERATING DEFLECTION SHAPE

 

O que é ODS?

É uma técnica de vibração que consiste em visualizar através de vídeos o modo de deflexão de um sistema, sendo útil para entender o comportamento dinâmico do mesmo.

Quais são as etapas?

  1. Modelo 3D (Desenho do Equipamento);
  2. Definição dos Pontos de Aquisição;
  3. Definição das Freq. de Interesse (Análise dos sinais de vibração);
  4. Aquisição de Dados;
  5. Correlação Modelo 3D vs Dados de Vibração;
  6. Concepção do Vídeo (animação 3D);
  7. Conclusões;

Para que é útil? Quais são as conclusões obtidas a partir do ODS?

  • Analisar como a máquina está se movendo;
  • Identificar pontos de maior amplitude e direções;
  • Identificar possíveis defasagens de um ponto em relação ao outro;
  • Identificar se a máquina está operando em ressonância;
  • Diagnosticar e corrigir problemas de falta de rigidez em estrutura;
  • Desbalanceamento, Desalinhamento entre outros;

Exemplo Prático:

Figura 01

Figura 1 – protótipo utilizado para teste

Conforme mostrado na imagem acima, o protótipo consiste em um motor elétrico responsável por acionar através de uma polia, um eixo localizado na parte superior da estrutura.

Por razões educativas, um parafuso M5 é anexada ao diâmetro externo do disco de Nylon como mostra a imagem abaixo, com o intuito de desbalancear o eixo e produzir maiores amplitudes de vibração:

Figura 02

Figura 2 – massa desbalanceadora

Os recursos utilizados nesse exemplo são:

  • Software ODS – Modal View (National Instruments);
  • Acelerômetro – PCB 603C01
    • Sensibilidade – 100mV/g
    • Amplitude de frequência – 0,5 a 10.000Hz
    • Amplitude de aceleração – +/-50g
  • Módulo de Aquisição – NI 9191

Figura 02-1

 

Passo 01 – Modelo 3D (Desenho do Equipamento);

Com o auxílio do Software Solidworks e Modal View, a construção da geometria 3D deve representar a estrutura do protótipo para possibilitar a geração do vídeo de ODS. É importante lembrar que a geometria para o ODS é simplificada e não deve possuir formas complexas com possibilidade de gerar movimentos inexistentes nos vídeos.

Ao decorrer deste documento, será visto que os pontos de medição serão correlacionados na geometria 3D, e partir deles os pontos vizinhos são interpolados por equações matemáticas. Caso existam muitos pontos na geometria que não forem medidos, as interpolações podem gerar resultados com movimentos que não existam na realidade.

Figura 03

Figura 3 – modelo CAD protótipo (Solidworks)

Figura 04

Figura 4 – geometria 3D simplificada para ODS

Passo 02 – Definição dos pontos de aquisição:

Uma vez construída a geometria, é hora de definir quais serão os pontos para realizar a coleta de dados de vibração.

Para uma melhor representação do movimento da estrutura é aconselhado que as medições sejam realizadas em pontos de forças e reações atuantes no sistema, como por exemplo mancais e pontos de fixação.

Levando em consideração esses aspectos, os pontos de medição são mostrados abaixo:

Figura 05

                                                          Figura 5 – pontos de medição na base inferior

 

Figura 06

                                                           Figura 6 – pontos de medição na base superior

Figura 07

                                                                  Figura 7 – pontos de medição nos mancais

tab01

Tabela 1 – resumo dos pontos de medição

A justificativa da seleção dos pontos é detalhada abaixo:

  • A estrutura em questão possui um motor elétrico que transmite torque através de uma polia acionando o eixo superior.
  • Dessa maneira, o motor é a fonte geradora de força nesse sistema, e poderia ser considerado como um ponto importante de medição. Nesse caso, não houve medição no motor elétrico por conta de dificuldades de acesso;
  • Os pontos selecionados na base inferior tem como objetivo a investigação da rigidez dessa peça;
  • Os pontos selecionados nas 04 hastes, tanto na base inferior e superior, tem como objetivo analisar o movimento de cada haste durante a operação do motor elétrico;
  • Os pontos selecionados na base superior, tem como objetivo analisar o movimento da base superior, verificando o modo de vibração, amplitudes máximas e frequências características;
  • Os pontos selecionados nos mancais tem como objetivo analisar as forças de reação proveniente do eixo;

 

Passo 03 – Definição das Frequências de Interesse;

Para qualquer análise de ODS, é importante realizar uma análise de vibração convencional, com o intuito de identificar as amplitudes e frequências importantes na estrutura sob análise.

Em primeiro lugar, deve-se confirmar que as forças atuantes são determinísticas e que a análise de vibração no domínio da frequência é válida. Se quiser saber um pouco mais sobre tipo de sinais de vibração, acesse nosso artigo – http://ensus.com.br/analise-de-vibracao-tipos-de-sinais-transformada-de-fourier-e-psd/

Outro ponto importante, é certificar que a vibração sob análise é linear, medindo a fase entre um ponto e outro e verificando se o valor é estável. Caso a fase seja instável, a vibração é caraterizada como não linear, tendo sua rigidez ou massa alterada a cada instante de tempo. Diante desta situação, a análise no domínio na frequência passa a não ser válida e o ODS no domínio no tempo seria a solução ideal (não será alvo de explicação nesse artigo).

Para a análise de vibração convencional, o ponto #18 é medido nas 03 direções, fornecendo os seguintes resultados:

Espectro_Analise_Ods

Figura 8 – espectro ponto 18

Tabela_frequencias_amplitudes_analisadas_ODS

Tabela 2 – frequência e amplitude ponto 18

Das informações acima, pode-se notar que a frequência que apresenta a maior amplitude é a de 25,2 Hz, correspondente a 14,38 mm/s no sentido vertical.

Para a verificação da fase, foi realizado a FRF entre o ponto 6Y e 18Z, repetindo o processo por 02 vezes, como é mostrado abaixo:

FRF - Analise ODS

Figura 9 – FRF entre o ponto 6Y e 18Z

FRF - ods analysis

Figura 10 – FRF entre o ponto 6Y e 18Z

angulo de fase analise ods

Tabela 3 – comparativo de fase

Uma regra prática é que a fase deve variar menos de 10º para ser considerável estável. Como vemos nos resultados acima, a fase varia em torno de 8º e estrutura pode ser analisada com o ODS no domínio da frequência.

Portanto, com essa pré análise pode-se confirmar que a vibração é linear e que a frequência desejada para a análise de ODS é de 25Hz.

 

Passo 04 – Coleta de dados;

De acordo com os pontos de vibração pré estabelecidos no passo 02, a vibração é coletada de acordo com o planejado, se atentando as direções pré estabelecidas e posicionamento dos sensores.

Figura 08

Figura 11 – acelerômetro instalado no mancal

Toda a coleta de dados de ODS baseado no domínio da frequência, deve possui um acelerômetro posicionado em um ponto de referência, sendo que ele estará posicionado durante toda a aquisição no mesmo local.

Figura 09

Figura 12 – imagem do acelerômetro referência (DOF – 6Y)

Portanto apenas 01 acelerômetro será alterado para a nova posição, o tempo e frequência de aquisição deve ser estipulado de acordo com as frequências de interesse, da mesma maneira que para uma vibração preditiva convencional.

Para os trabalhos de ODS, deve-se definir eixos cartesianos padrões para toda a geometria, onde todos os pontos devem obedecer ao padrão pré-estabelecido. Isso é muito importante para que caso seja necessário inverter o posicionamento do acelerômetro durante a coleta, essa informação deve ser levada em consideração no software para corrigir o sistema de coordenada local para esse ponto.

 

Figura 10

Figura 13 – pontos de medição na base inferior

Como é mostrado acima, o eixo cartesiano padrão foi estabelecido para o ODS, e deve-se levar em conta a posição de instalação do acelerômetro.

 

Passo 05 – Correlação Modelo 3D vs Dados de Vibração;

Primeiramente, deve-se definir os pontos de vibração na geometria 3D criada no passo 01. O DOF (degree of freedom) significa o grau de liberdade do ponto, correspondente ao local e direção de medição.

Na imagem abaixo, todos os pontos destacados em preto, são DOFs e a partir daqui deve-se atribuir um número aos DOFs que vão carregar as informações das vibrações coletadas.

Figura 11

Figura 14 – DOFs disponíveis no modelo 3D

No final desse processo, todos os pontos que foram coletados devem possuir um DOF atrelado a geometria de ODS.

Figura 12

Figura 15 – definição do DOF #10

Para cada par de coleta de dados (lembre-se que em todas as medições o acelerômetro de referência se manteve na mesma posição), deve-se realizar uma FRF (frequency response function), que representa a razão entre o sinal de entrada e saída, como mostra a equação abaixo:

formula

 

De acordo com a equação acima, pode-se perceber que as unidades de vibração utilizadas (seja ela aceleração, velocidade ou deslocamento), serão dividas umas pelas outras, resultando em valores adimensionais que representarão valores relativos de amplitude de um local para outro.

No software utilizado, Modal View, a FRF pode ser realizada já durante a aquisição de dados, diminuindo dessa maneira o tempo do trabalho.

Figura 13

Figura 16 – FRF da medição realizada

Na imagem acima, o diagrama de Bode apresenta a FRF realizada entre o ponto de referência e outro ponto de medição, definindo no primeiro gráfico a amplitude entre o sinal de saída e entrada, já no gráfico abaixo é representado a fase entre esses dois pontos.

A fase carrega informações muito importante para o ODS, onde pode-se correlacionar o tempo em que ocorre uma amplitude e outra. Por exemplo, imagine 02 ondas senoidais ocorrendo com uma defasagem de 90º, como mostra a imagem abaixo:

 

onda_senoidal_analise_de_ods

Figura 17 – Fases de ondas senoidais

Conhecendo a frequência e o período da onda senoidal, é possível saber o intervalo de tempo em que as máximas amplitudes das ondas senoidais ocorrem. Ou seja, a fase carrega informações sobre o tempo na análise no domínio da frequência.

Portanto nesta etapa, é importante finalizar os seguintes pontos:

  • Definição de todos os DOFs na geometria de ODS;
  • Processamento de sinal (FRF) de todos os pontos coletados;

 

Passo 06 – Concepção do Vídeo (Animação 3D)

Feito todos os passos anteriores, o vídeo pode ser gerado, considerando as FRF e os DOFs atribuídos a geometria.

Nessa etapa é importante definir a frequência de interesse para analisar o vídeo de ODS – como foi visto no passo 03, as frequências de maior amplitude são as de 25 Hz.

Considerando essa informação, pode-se gerar o vídeo nessa frequência, que é responsável pela maior amplitude de vibração da estrutura.

 

Passo 07 – Conclusões:

Pelas vibrações nas máquinas serem imperceptíveis a olho nu, a caracterização do movimento da máquina é uma grande informação para fazermos diagnósticos e propormos solução.

A análise de ODS no domínio da frequência, separa os vídeos de acordo com 01 frequência estipulada. Na realidade, infinitas frequências produzem a vibração total do equipamento no mesmo instante de tempo, entretanto existem as frequências que causam maior dano para a estrutura.

Na frequência de 25Hz, pode-se perceber os seguintes fatos:

  • A base inferior da estrutura tem uma amplitude considerável, fazendo com que seja perceptível a falta de rigidez entre a base inferior e o solo;
  • A maior amplitude da base superior ocorre na direção vertical, em 1x a frequência de operação – situação característica de desbalanceamento, o que comprova a massa adicionada no disco de Nylon;
  • Outro ponto que se percebe no vídeo é que as hastes não fornecem rigidez suficiente para a chapa superior, fazendo com que essa vibração seja amplificada;

A partir desses resultados, o que é possível ser realizado para reduzir as vibrações:

  • Balancear o disco de Nylon;
  • Fixar a base inferior ao solo;
  • Adicionar reforços nas hastes com a base superior, aumentando a rigidez do sistema;

Outras análises que podem ser realizadas para complementar os resultados de ODS:

  • Análise Modal Experimental – com a utilização de um martelo modal, é possível determinar as frequências naturais da estrutura, e identificar se os modos de operação visualizados no ODS estão sofrendo influências de ressonância;
  • Análise Modal Virtual – Através da análise de Elementos Finitos, é possível identificar as frequências e modos naturais de vibração do sistema, podendo ser correlacionados também com os resultados de ODS;
  • Análise Harmônica / Espectral Virtual – Através da análise de Elementos Finitos, é possível representar de maneira virtual o funcionamento do protótipo, correlacionando os efeitos dos modos e frequências naturais com as forças atuantes. Uma vez realizada esta análise, os resultados mostram as amplitudes de vibração e tensões existentes em cada região da estrutura. Os resultados da análise virtual podem e devem ser comparados com os resultados de ODS para validar o modelo virtual e aumentar a precisão dos resultados. Uma vez validado, é possível projetar reforços e realizar iterações para verificar a redução de vibração em cada uma das ideias propostas.

Nos próximos artigos e vídeos vamos comentar sobre as técnicas listadas acima, e caso tenha alguma dúvida, deixe seu comentário no artigo que prontamente responderemos!

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