Neste artigo vamos falar um pouco sobre o fenômeno da ressonância e exemplificar a prática com um caso ocorreu em um ventilador industrial encontrado no dia a dia pela equipe técnica da Ensus.
Figura 1 - ventilador centrífugo.
Ressonância é um fenômeno que ocorre com a coincidência entre a frequência de operação e frequência natural, onde as amplitudes de vibração são amplificadas fazendo com que as solicitações estruturais aumentem de forma drástica, levando muitas vezes a falha total do equipamento.
A Frequência Natural pode ser definida por:
Onde:
Para conhecer um pouco mais sobre os conceitos básicos de frequência natural assista ao vídeo aqui
Podemos afirmar que se algum equipamento operar próximo à sua frequência natural, as amplitudes de vibração vão ser amplificadas e sua durabilidade prejudicada*.
*Alguns equipamentos são projetados para operar muito próximo da sua frequência natural, ex. mesa vibratória.
Abaixo será demonstrado um caso de ressonância em um ventilador industrial encontrado pela equipe técnica da Ensus.
Figura 2 - equipamento analisado ventilador centrífugo.
A principal queixa do cliente era de vibração excessiva no mancal LOA, apresentando alertas constantemente pelo monitoramento preditivo interno.
Este equipamento é composto por um motor elétrico, 02 mancais e 01 rotor, além de uma base civil e um Skid metálico de acordo com o esquema abaixo:
Figura 3 - esquema do equipamento.
As características básicas de operação do equipamento são mostradas abaixo:
Para a investigação detalhada da vibração do equipamento, foi realizado um ODS no conjunto para identificar a causa raiz do problema.
A análise de ODS consiste na visualização do movimento da máquina, através da medição de vibração de diversos pontos na estrutura. O resultado desse trabalho é um vídeo mostrando a vibração de maneira amplificada do conjunto.
Caso tenha interesse em entender mais a fundo sobre essa técnica, acesse nosso artigo onde detalhamos passo a passo para a realização de um ODS. https://ensus.com.br/operating-deflection-shape/
As principais etapas para a realização de um ODS são mostradas abaixo:
O modelo 3D foi levantado em campo, considerando os mancais, motor, skid metálica, base civil e carcaça do rotor de acordo com a imagem abaixo:
Figura 4 - modelo 3D levantado em campo.
Os pontos de medição selecionados, são mostrados abaixo:
Figura 5 - detalhamento dos pontos de medição.
A análise espectral foi realizada em diversos pontos do equipamento considerando a direção vertical, horizontal e axial. A tabela abaixo mostra o resumo das frequências correspondentes as maiores amplitudes encontradas:
Figura 6 - análise espectral.
Figura 7 - espectro mancal LOA - vertical.
Gerando os vídeos de ODS em 59,6Hz, temos:
Figura 8 - vídeo de ODS.
Pela análise de espectro é possível observar que as maiores amplitudes ocorrem na frequência de operação;
Os espectros apresentam uma grande quantidade de harmônicos, podendo ser uma característica de folgas e/ou baixa rigidez na estrutura;
Pelos vídeos de ODS observa-se um movimento de torção do mancal LA para o Motor, sendo uma característica de baixa rigidez da estrutura ou até mesmo ressonância;
Dando sequência na investigação partiu-se para um bump-test, onde foi aplicado um impacto em pontos da estrutura com intuído de obter as frequências naturais do equipamento.
Obs. Para o bump-test o equipamento precisa estar “parado” no momento dos impactos, deste modo este ensaio só é possível para equipamentos que possam ter seu funcionamento interrompido por alguns instantes.
Os resultados do bump-test são mostrados abaixo:
Figura 9 - sinal no tempo do impacto.
Figura 10 - FFT do impacto realizado.
Como pode ser observado o equipamento possui uma frequência natural de 57hz que coincide com a faixa de frequência de operação.
Deste modo podemos concluir que o equipamento está operando em RESSONÂNCIA. Pela análise de ODS foi identificado o modo de torção sendo característicos de modos de frequência natural, em seguida foi realizado um bump-test onde foi constatado a existência de uma frequência natural muito próxima a frequência de operação, fazendo com que as amplitudes de vibração aumentassem drasticamente.
Como pode ser observado no espectro, as amplitude chegam a 25mm/s, que quando comparado com a norma ISO 10816-3, se enquadra em um nível crítico sendo recomendada parada imediata do equipamento .
Como recomendações para a solução do problema deve-se alterar as frequências naturais da estrutura para longe da faixa de operação(60hz). Por experiência do time técnico da Ensus em situações já enfrentadas sobre ressonância a recomendação ideal é de que as frequências naturais estejam 20% acima da frequência de operação, neste caso acima de 72hz.
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Neste artigo vamos apresentar uma análise de ODS feita em um exaustor de uma fábrica de Cimento no ano de 2018.
Figura 1 - Exaustor de moinho de cimento.
A principal queixa do cliente era de vibração excessiva no mancal LOA, apresentando alarmes constantemente devido ao monitoramento online.
Este equipamento é composto por um motor elétrico, 02 mancais e 01 rotor, de acordo com o esquema abaixo:
Figura 2 - Esquema do equipamento.
As características básicas de operação do equipamento são mostradas abaixo:
Para a investigação detalhada da vibração do equipamento, foi realizado um ODS nos 02 mancais e suas bases para identificar a causa raiz do problema.
A análise de ODS consiste na visualização do movimento da máquina, através da medição de vibração de diversos pontos na estrutura. O resultado desse trabalho é um vídeo mostrando a vibração de maneira amplificada do conjunto.
Caso tenha interesse em entender mais a fundo sobre essa técnica, acesse nosso artigo onde detalhamos passo a passo para a realização de um ODS. à https://ensus.com.br/operating-deflection-shape/
As principais etapas para a realização de um ODS são mostradas abaixo:
O modelo 3D foi levantado em campo, considerando os mancais, base metálica e civil, de acordo com a imagem abaixo:
Figura 3 - Modelo 3D levantado em campo.
Os pontos de medição selecionados para os dois conjuntos da Separadora Centrífuga, são mostrados abaixo:
Figura 4 - Detalhamento dos pontos de medição.
Figura 5 - Detalhamento dos pontos de medição.
A análise espectral foi realizada nos 02 mancais considerando a direção vertical, horizontal e axial. A tabela abaixo mostra o resumo das frequências correspondentes as maiores amplitudes encontradas:
Gerando os vídeos de ODS em 12,3Hz, temos:
Figura 6 - Vídeo de ODS 1.
Figura 7 - Vídeo de ODS 2.
Como pode ser observado nos vídeos acima, o local de maior amplitude de vibração está localizado na parte inferior do skid metálico no mancal LOA, destacado na imagem abaixo:
Figura 8 - Local de maior vibração do exaustor.
Fazendo uma inspeção no equipamento foi verificado que o parafuso de fixação do mancal estava frouxo:
Figura 9 - Detalhe da localização do parafuso frouxo.
Analisando mais criteriosamente o mancal, foram observados que outros dois parafusos de fiação internos da base metálica também estavam folgados:
Figura 10 - Detalhe dos parafusos internos frouxos.
Após o aperto dos parafusos novas medições foram realizadas, sendo os resultados mostrados abaixo:
Os vídeos do ODS foram feitos com a nova medição:
Figura 11 - Novo vídeo de ODS
Figura 12 - Novo vídeo de ODS.
Após o aperto dos parafusos, as vibrações no mancal LOA reduziram drasticamente, resolvendo o problema de alarmes constantes que vinham sendo obtidos pelo sistema de monitoramento online.
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Neste artigo faremos um resumo de um trabalho de ODS que fizemos em 2019 no equipamento denominado “Separadora Centrífuga”.
Figura 1 - Separadora centrífuga.
Esse equipamento consiste em um motor elétrico, redutor e rotor centrífugo como mostra a imagem abaixo.
Figura 2 - Detalhe do equipamento analisado.
A denominação das peças do conjunto que serão comentadas ao decorrer desse artigo, são mostradas abaixo:
Figura 3 - Denominação das peças comentadas no artigo.
A reclamação do cliente era de vibração excessiva em todo o conjunto, levando a 02 principais falhas:
Para a investigação detalhada da vibração do equipamento, foi realizado um ODS nos 02 conjuntos para identificar a causa raiz do problema.
A análise de ODS consiste na visualização do movimento da máquina, através da medição de vibração de diversos pontos na estrutura. O resultado desse trabalho é um vídeo mostrando a vibração de maneira amplificada do conjunto.
Caso tenha interesse em entender mais a fundo sobre essa técnica, acesse nosso artigo onde detalhamos passo a passo para a realização de um ODS. à https://ensus.com.br/operating-deflection-shape/
Os pontos de medição selecionados para os dois conjuntos da Separadora Centrífuga, são mostrados abaixo:
Figura 4 - Pontos de medição de vibração para cada Centrifuga Separadora.
Nesse trabalho foram medidos 151 pontos em cada conjunto, considerando as 03 direções (X, Y, Z). A quantidade de pontos de medição está diretamente relacionada com a precisão do vídeo gerado no final do trabalho, ou seja, quanto mais pontos forem medidos melhor será a resolução e fidelidade com a vibração real do equipamento.
Após a medição de todos os pontos, foi elaborado um gráfico contendo todos os espectros dos pontos medidos, como mostra a imagem abaixo:
Figura 5 - Espectros de todos os pontos medidos.
Como pode ser visto acima, as frequências de 10Hz, 20,5Hz e 38Hz são destacadas nos dois conjuntos. A amplitude de vibração da Separadora 02 em 10Hz é a que apresenta as maiores amplitudes de vibração, chegando a ~23mm/s.
Gerando o vídeo de ODS da Separadora 01 e 02 em 10Hz, temos:
SEPARADORA 01
Figura 6 - Vídeos de ODS em 10Hz da Separadora 01.
SEPARADORA 02
Figura 7 - Vídeos de ODS em 10Hz da Separadora 02.
Algumas observações importantes são propostas:
Analisando mais a fundo as frequências previamente destacadas de 10Hz, 20,5Hz e 38Hz, notamos que:
Dessa maneira, pode-se concluir que a transportadora vibratória está transferindo a vibração para a Separadora Centrífuga e ocasionando os problemas mencionados acima.
A Transportadora Vibratória é conectada a Separadora Centrífuga através de um plástico, de acordo com a imagem abaixo:
Figura 8 - Conexão entre Transportadora Vibratória e Separadora Centrífuga.
Para certificar que o problema é realmente a Transportadora Vibratória, foi proposto uma nova medição de vibração considerando as seguintes etapas:
Figura 9 - Centrífugas separadoras 1 e 2.
Os acelerômetros foram posicionados na carcaça das Separadoras Centrífugas, região de maior vibração de acordo com o ODS, de acordo com a imagem abaixo:
Figura 10 - Posição dos acelerômetros no teste.
Os resultados são apresentados abaixo:
Figura 11 - Gráfico com o resultado de vibração.
Como pode ser observado acima, a vibração inicialmente é zero, e por volta de 1,5min ela sobe atingindo valores na ordem de 25mm/s. Note que até 8min de teste, apenas a Transportadora Vibratória está ligada, comprovando a fato de que a transferência de vibração ocorre por este equipamento. Após 8min, a Separadora Centrífuga é ligada e a vibração se mantem a mesma até 12,5min quando a Transportadora Vibratória é desligada fazendo com que a vibração caia para valores abaixo de 5mm/s.
A transferência de vibração de um equipamento para outro pode ocorrer através do plástico ou estrutura civil, e para sanarmos essa dúvida foi realizado outro teste onde o plástico que conecta uma máquina e outra foi solto, conforme imagem abaixo:
Figura 12 - Plástico solto.
Os resultados do novo teste são apresentados abaixo:
Figura 13 - Gráfico com o resultado de vibração.
A vibração reduziu para valores inferiores a 5mm/s comprovando a teoria de que o plástico transfere a vibração para a carcaça da Separadora Centrífuga 02.
As conclusões gerais do trabalho são:
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A análise de vibração é uma técnica que a muito tempo vem ajudando neste sentido. Com os resultados da análise de vibração é possível prever diversos tipos de falha (ex. desbalanceamentos, desalinhamentos, falha em rolamentos, entre outros), fazendo com que a fábrica tenha tempo para planejar a correção ou substituição de componentes de maneira assertiva.
A imagem abaixo mostra um espectro de análise de vibração, destacando a presença de harmônicos característico de folga.
Figura 1 – Espectro de harmônicos em um rolamento característico de folga.
Como funciona a análise de vibração convencional?
A análise de vibração convencional é realizada através de um coletor de dados portátil, onde o analista de vibração é responsável por coletar diversos pontos pré-determinados e posteriormente analisá-los para diagnosticar as possíveis falhas nos equipamentos.
Figura 2 - Análise de vibração realizada por coletor convencional.
Existem alguns pontos importantes a serem destacados nesse tipo de análise:
Quais os principais defeitos presentes em equipamentos?
Todos os equipamentos mecânicos estão sujeitos a falha, e elas causam uma enorme dor de cabeça a todos envolvidos no processo de manutenção. Aqui estão alguns dos principais defeitos que podem ser diagnosticados com a análise de vibração:
O que é a indústria 4.0?
Como todos sabem, já se passaram três revoluções industriais, e com elas vieram a produção em massa e linhas de produção, a eletricidade e tecnologia da informação, no entanto é chegada uma nova era industrial, chamada de quarta revolução industrial, ou indústria 4.0. É dito por estudiosos que essa será a com impacto mais profundo, pois com um conjunto de tecnologias possibilita a fusão do mundo físico, digital e biológico.
Quais são as tecnologias que permitem essa fusão?
As principais tecnologias que permitem a fusão desses mundos são:
Manufatura aditiva – adição de material com o intuito de fabricar objetos (Ex: impressão 3D);
Inteligência artificial – visa dar a softwares e robôs a capacidade humana de raciocinar e consequentemente automatizar processos;
Internet das coisas – possibilidade de objetos físicos conectarem-se a internet e executar uma ação de forma coordenada;
Biologia sintética – projetos de partes biológicas como enzimas, células e circuitos genéticos através de novos desenvolvimentos tecnológicos;
Sistemas ciber-físicos – fusão entre o mundo físico e digital, ou seja, todos os processos que ocorram em função de um objeto são digitalizados;
Simulações computacionais – construção de modelos em CAD e simulações das condições operacionais, obtendo resultados muito próximos do real;
Figura 3 - Pilares da indústria 4.0.
O que é a nova geração da análise de vibração?
A nova geração da análise de vibração está relacionada a redução dos custos dos sensores combinada a evolução de softwares e aplicativos que possibilitam a interligação dos dados dos sensores com o usuário.
De modo geral, a nova geração da análise de vibração consiste na ideia de que todas as máquinas vão possuir os seus próprios sensores de vibração, e o monitoramento será contínuo.
Aliando esse fator aos temas introduzidos mais acima, vemos que essa nova geração de análise, vem de maneira a facilitar ainda mais a manutenção de máquinas e equipamentos, pois cada dado recebido é visto quase que instantaneamente por algum responsável, dizendo a ele exatamente como a máquina está se comportando, se algum defeito está acontecendo e qual defeito é esse.
Nesse caso a periodicidade da coleta de dados para a análise de vibração para de ser mensal, quinzenal e semanal, e pode ser a cada 12 horas, uma hora, ou até menos, dependendo somente da programação do tempo entre as coletas. Outro fator também extremamente importante, é que se perde a necessidade de que alguém sempre pare o que está fazendo para fazer a coleta desses dados já que os sensores estão sempre nos pontos de medição e estão mandando o sinal nos momentos programados.
No entanto não são só benefícios - atualmente os acelerômetros utilizados para esta finalidade são do tipo MEMS (Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos) e em sua grande maioria de modelos podem apresentar dificuldades no diagnóstico de algumas falhas pelos fatores listados abaixo:
De qualquer maneira, os fabricantes desses sensores estão investindo cada vez mais para melhorar a qualidade dos acelerômetros, aumentando a frequência de amostragem, resistência a temperatura e diminuindo o ruído dos mesmos.
Com todas essas informações apresentadas, concluímos que não podemos ficar parados no tempo, pois os avanços tecnológicos estão chegando com tudo e trazendo consigo uma nova era de industrialização, essa caminhada é extremamente importante para o desenvolvimento, tanto no segmento industrial, quanto na saúde, sustentabilidade, e segurança de todos.
A frequência natural é um parâmetro importante a ser conhecido na concepção de projeto de máquinas, como também na resolução de problemas estruturais.
Caso a frequência de operação coincida com a frequência natural, ocorre o fenômeno da ressonância, onde as amplitudes de vibração são amplificadas fazendo com as solicitações estruturais aumentem de forma drástica, levando muitas vezes a falha total do equipamento.
A frequência natural pode ser definida por:
Onde:
Considere 03 sistemas massa mola fixados acima de uma mesa vibratória:
O sistema possui a mesma massa com diferente rigidez entre uma estrutura e outra, e, portanto, pode-se concluir que a menor frequência natural estará presente no sistema massa-mola mais alto, e que a maior frequência natural estará presente no sistema massa-mola mais baixo.
Esse teste foi realizado pelo Prof. O. Kwon da Universidade de Missouri
Entendendo os conceitos básicos de frequência natural, percebe-se que se algum equipamento operar próximo da frequência natural, as amplitudes de vibração vão ser amplificadas e que na maioria das vezes* vai prejudicar a durabilidade do mesmo.
* Alguns equipamentos são projetados para operar muito próximo da frequência natural (ex. peneira vibratória).
Neste artigo, iremos apresentar 02 metodologias para identificar as frequências naturais de um protótipo.
A análise modal virtual através do método dos Elementos Finitos, consiste em uma simulação onde é possível identificar os modos de vibração e as frequências naturais do modelo CAD considerado para a análise.
A análise modal experimental consiste em uma técnica onde um impacto é gerado por um martelo modal e a resposta de vibração é obtida por um acelerômetro. Com base nesses dois sinais é calculado função de resposta em Frequência (FRF), podendo definir os modos de vibração, as frequências naturais e fator de amortecimento de uma estrutura real.
Para deixar esses conceitos mais fáceis, a análise modal considerando as duas metodologias é realizada no protótipo abaixo:
Figura 1 – protótipo analisado
Figura 2 – Modelo FEA
Na imagem abaixo é mostrado a malha utilizada no modelo.
Figura 3 - Malha do modelo
O bloco de alumínio foi considerado fixo na face inferior, fazendo referência a fixação aplicada na morsa no protótipo real.
Figura 4 - Fixed Support
Figura 5 – Materiais definidos para a geometria
O modo de vibração representa como a geometria “vibra” caso entre em ressonância.
O 1º modo de vibração é mostrado abaixo:
Figura 6 - Primeiro modo 11,2Hz
As três primeiras frequências naturais do protótipo são listadas abaixo:
O teste foi realizado considerando o impacto de um martelo modal e a resposta medida por um acelerômetro no lado oposto, de acordo com a imagem abaixo:
Figure 7 – Procedimento do teste
A FRF obtida é mostrada abaixo:
Figura 8 – Medição da FRF
Note a existência de um pico de amplitude na frequência de 11,5Hz, mostrando que nessa região existe uma frequência natural.
Os resultados obtidos na análise de elementos finitos e modal experimental são comparados abaixo:
Note que as frequências naturais são muito próximas, e, portanto, as diferentes metodologias convergem para o mesmo resultado.
Algumas observações importantes sobre cada uma das técnicas:
A identificação da frequência natural é extremamente importante para a concepção de projetos adequados, bem como a resolução de problemas em máquinas que apresentam vibrações excessivas.
A Ensus é especializada na realização de análise modal experimental (EMA), operating deflection shape (ODS) e elementos finitos (FEA) que são ferramentas assertivas para a resolução de problemas estruturais.
Aprenda um pouco mais sobre essas técnicas acessando os artigos abaixo:
Análise de ODS (Operating Deflection Shape) com o objetivo de identificar a causa raiz do problema.
Problema:
Objetivo:
O que é ODS?
Descritivo:
A primeira etapa do trabalho consiste em levantar o desenho 3D dos equipamentos analisados, considerando o layout e dimensões de referência para posteriormente representarem o modo de operação da máquina através dos vídeos.
Os desenhos 3D foram realizados no software Solidworks, contemplando todo o conjunto acoplado a Turbina a Vapor, conforme imagem abaixo:
Figura 1 - desenho 3D do conjunto
Posteriormente foram definidos os pontos de medição de vibração, conforme as imagens abaixo:
Figura 2 - pontos de medição na estrutura civil
Figura 3 - pontos na Turbina a Vapor
Figura 4 - pontos no redutor
Figura 5 - pontos no Gerador
Antes da coleta de dados para o ODS, foi realizado uma medição de vibração convencional nos mancais da Turbina a Vapor, que pelo histórico apresentava as maiores amplitudes do conjunto. Os resultados são sumarizados na tabela abaixo:
Legenda:
As características de vibração a partir da análise de vibração inicial são destacadas abaixo:
A coleta de dados, processamento de sinais e concepção dos vídeos são realizadas através do software Modal View pertencente a National Instruments.
A técnica utilizada para o ODS é a FRF (Frequency Response Function), onde 01 acelerômetro é posicionado de maneira fixa em determinado local do equipamento, e outro acelerômetro é alterado de um ponto para outro para realizar a coleta de dados. (para maiores informações desse processo, acesse nosso artigo à https://ensus.com.br/operating-deflection-shape/ )
A FRF é calculada com base na relação entre o sinal de um acelerômetro e outro, fornecendo resultados com base na amplitude e fase dos sinais. Na imagem abaixo, é mostrado o resultado de uma FRF, sendo apresentado na parte superior a amplitude e na parte inferior a fase entre um sinal e outro.
Figura 6 - resultados de uma FRF
Esse mesmo processo deve ser realizado para todos os pontos definidos nas etapas anteriores, de modo que as características de vibração devem ser conhecidas.
Por último, foi realizado a correlação entre os resultados de vibração com o desenho 3D do conjunto, para a concepção dos vídeos. Considerando que as maiores amplitudes de vibração ocorrem em 82Hz, os vídeos foram gerados para esta frequência:
O vídeo de todo o conjunto, mostra claramente que as vibrações elevadas estão localizadas apenas na Turbina a Vapor.
Dessa maneira, foram realizados outros vídeos da Turbina em detalhe:
Outra análise realizada, foi a comparação do modo de operação de uma Turbina a Vapor de mesma marca e mesmo modelo, com a Turbina que apresenta vibrações elevadas. Considerando que o projeto é o mesmo, os modos operacionais das Turbinas em condições ideais devem ser iguais.
Note que o modo de vibração é diferente da amplitude de vibração, ou seja, é possível que existam 02 equipamentos que possuam modos de vibração iguais com amplitudes diferentes.
Dessa maneira, foi realizado um ODS para a Turbina que apresentava amplitudes baixas, e realizado uma comparação do modo de vibração através da ferramenta MAC.
O MAC (modal assurance criteria) é utilizado para comparar modos de vibração, sendo que seu valor varia de 0 a 1, sendo que o valor de 0 mostra que não existe nenhuma correlação entre um modo e outro, e o valor de 1 mostra que existe total correlação entre um modo e outro.
O comparativo do ODS entre uma Turbina e outra, considerando as mesmas escalas de vibração é mostrado abaixo:
Notavelmente as amplitudes de vibração são muito diferentes, sendo que a Turbina G1 apresenta baixa vibração e a Turbina G2 apresenta alta vibração (como já visto anteriormente).
As correlações entre os modos de vibração são mostradas no gráfico abaixo:
Figura 7 - MAC entre a Turbina G1 e G2
Conclusões Gerais:
Recomendações: