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?
Para que é útil? Quais são as conclusões obtidas a partir do ODS?
Exemplo Prático:
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 2 - massa desbalanceadora
Os recursos utilizados nesse exemplo são:
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 3 - modelo CAD protótipo (Solidworks)
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 5 - pontos de medição na base inferior
Figura 6 - pontos de medição na base superior
Figura 7 - pontos de medição nos mancais
Tabela 1 - resumo dos pontos de medição
A justificativa da seleção dos pontos é detalhada abaixo:
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 - https://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:
Figura 8 – espectro ponto 18
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:
Figura 9 – FRF entre o ponto 6Y e 18Z
Figura 10 – FRF entre o ponto 6Y e 18Z
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 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 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 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 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 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:
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 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:
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:
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 partir desses resultados, o que é possível ser realizado para reduzir as vibrações:
Outras análises que podem ser realizadas para complementar os resultados de ODS:
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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Abraço,
