Ressonância e Vibração | Como a Ressonância Afeta a Vibração?

Definições, Relações, Causas e Efeitos

Em ambientes industriais, a ressonância e a vibração têm se mostrado muito mais perigosas do que pode parecer à primeira vista. Embora o engenheiro possa ter presumido que levou essas forças em consideração, é claro que é fácil subestimar como esses movimentos aparentemente pequenos podem causar grandes problemas aos operadores. Vamos explorar esses conceitos, a relação entre eles e o que isso significa para os ativos de suas máquinas.

É importante entender que toda máquina e estrutura de suporte em sua planta terão uma ou mais frequências naturais. A massa e a rigidez determinarão as frequências ressonantes dentro da máquina e das estruturas de suporte.

Então, o que é ressonância? São forças oscilatórias que fazem uma máquina ou estrutura vibrar em sua frequência natural.

A ressonância também pode ser considerada a excitação de uma frequência natural.

Qualquer fonte de vibração pode produzir ressonância se coincidir com a frequência natural do objeto:

1-No início ou no desligamento de uma máquina, a força desequilibrada pode excitar frequências naturais que podem existir em ou abaixo da velocidade de operação da máquina.

2-À medida que os rolamentos se desgastam, a rigidez do sistema muda, o que pode resultar na mudança da frequência natural e, em seguida, coincidir com uma das funções forçantes da máquina, resultando em ressonância.

3-Se um rotor (eixo) estiver desalinhado ou tiver uma rachadura, isso mudará a rigidez do sistema, alterando a frequência natural. Se a frequência natural coincidir com uma das funções forçantes da máquina (ex.: força desequilibrada, frequência de passagem das lâminas, forças de engrenagem etc.), isso resultará em ressonância.

4-A estrutura que sustenta a máquina também pode afetar a rigidez do sistema. Se a estrutura não for adequada ou começar a se deteriorar (ex.: ferrugem, parafusos soltos, rachaduras no concreto ou na estrutura etc.), a rigidez do sistema mudará, o que pode resultar em ressonância.

Um Olhar Mais Profundo Sobre a Ressonância

Quando nos referimos à ressonância, estamos falando sobre como um objeto ou sistema é afetado por uma força oscilatória na frequência natural do sistema. Nesse caso, os sistemas são as máquinas rotativas ou recíprocas dentro da sua planta. A ressonância mecânica é frequentemente o elo perdido quando você se pergunta por que as precauções de balanceamento e alinhamento cuidadosas falharam. Cada objeto tem suas próprias frequências naturais às quais está sujeito à vibração ressonante, e nem sempre é preciso muita mudança no sistema para que você comece a ver os efeitos de vibrações mais fortes.

Pode parecer lógico manter-se o mais longe possível das frequências naturais de um objeto, mas isso é difícil de conseguir. A maioria dos projetistas de máquinas tenta manter as funções forçantes de uma máquina (ex.: velocidade de operação, número de lâminas de ventilador ou de rotor vezes a velocidade de operação, frequências de engrenagem, etc.) pelo menos 20% afastadas das frequências naturais da máquina. À medida que você se aproxima da frequência natural, qualquer pequeno desvio inesperado na função forçante ou na rigidez pode fazer a máquina entrar em ressonância. A regra dos 20% são usadas porque as frequências naturais podem variar amplamente, dependendo da rigidez do sistema e de como essa rigidez pode mudar ao longo do tempo (ex.: desgaste dos rolamentos, mudanças na lubrificação, mudanças no alinhamento, mudanças estruturais, etc.).

Um entendimento comum: se você já cantou no chuveiro e atingiu uma nota que soou mais alta que as outras, você acabou de encontrar a frequência natural do seu chuveiro. Ou melhor, ao afinar uma corda de violão e tocá-la repetidamente, você obterá o mesmo som. Essa é a frequência natural da corda.

Ressonância e Vibração

Oscilações têm uma maneira de surpreender as pessoas, particularmente quando um movimento é amplificado por outro. É por isso que você pode ver uma ponte fechada poucas semanas (ou até dias) após sua construção. A estrutura pode ter sido projetada para suportar 2.000 pessoas com condições ambientais calculadas (subestimando os ventos máximos e ciclos térmicos), mas a força combinada do movimento de todos os pedestres pode fazer com que ela comece a balançar com apenas 1.000 pessoas sobre ela. É por isso que unidades militares não têm permissão para marchar em passo firme ao cruzar uma ponte, pois podem criar uma função forçante que coincide com a frequência natural da ponte, levando ao colapso da mesma.

Como a ressonância afeta a vibração?

A vibração de uma máquina é uma razão entre forças e rigidez. Mudanças nas forças ou na rigidez podem afetar a amplitude da vibração. Se a frequência da vibração coincidir com a frequência natural da máquina, apenas o amortecimento inerente da máquina (estrutura) limitará a amplitude da vibração. Em máquinas com mancais de filme fluido, o amortecimento vem da cunha de fluido que se desenvolve nos mancais que suportam o rotor. A cunha de fluido atua como um amortecedor, reduzindo a vibração. Em máquinas com rolamentos de elementos rolantes, a cunha de fluido em cada um dos elementos rolantes geralmente não é suficiente para fornecer amortecimento adequado. Por isso, a maioria das máquinas com rolamentos de elementos rolantes opera abaixo de sua frequência natural (primeira ressonância de balanceamento), seguindo a regra dos 20% mencionada anteriormente.

O Problema da Frequência

Qual é a diferença entre ressonância e vibração? Não é que haja uma diferença entre ressonância e vibração, mas sim que a ressonância ocorre quando a função forçante (vibração) da máquina coincide com a frequência natural da máquina, e o único fator limitante no sistema é o amortecimento. Portanto, a ressonância é uma forma especial de vibração, onde a vibração é igual à frequência natural da máquina. A frequência natural é definida pela raiz quadrada da razão entre a rigidez do sistema e a massa do sistema. A ressonância pode resultar na falha do sistema, por isso deve ser evitada.

Os engenheiros na ponte certamente imaginaram a ponte suportando a massa física dos pedestres, mas o que é difícil de prever é se as pessoas caminharão ou correndo em sincronia. Da mesma forma, em uma máquina, as funções forçantes são projetadas para evitar as frequências naturais. Às vezes, essas frequências naturais podem mudar, tornando-as difíceis de prever.

Evitando Ressonância em Máquinas Rotativas e Recíprocas

Ambientes industriais podem ser cheios de ressonância, e infelizmente, a força é frequentemente diagnosticada erroneamente como um desequilíbrio de massa, quando na verdade é uma mudança na rigidez do sistema. Se você deseja evitar ressonância, aqui estão algumas dicas:

• Ajuste a frequência natural: Como discutido, as frequências naturais têm variações, e às vezes você pode alterá-las. Adicionar reforços ou reduzir a massa pode aumentar a frequência natural. Da mesma forma, reduzir a rigidez e aumentar a massa pode diminuir a frequência natural. Dependendo da velocidade de operação da máquina, deve-se determinar qual é a melhor maneira de afastar a frequência natural da velocidade de operação.
• Durante a partida e o desligamento, passe pela frequência ressonante o mais rápido possível, sem permanecer nela.
• Adicione amortecedores: O objetivo de um amortecedor é aumentar o amortecimento do sistema como um todo. Quando a ressonância ocorre, o aumento do amortecimento reduz a amplitude da vibração. Você pode ter algumas opções para implementar essa solução, e é importante considerar a força de absorção de cada sistema potencial. Esta solução é provavelmente a melhor estratégia se você estiver trabalhando com uma máquina que tem uma velocidade muito estável.

Essas dicas podem parecer simples na teoria, mas raramente são fáceis de implementar na prática. Qualquer variação pode trabalhar contra até mesmo os planos mais bem elaborados. Por exemplo, adicionar massa a uma estrutura pode diminuir a frequência natural, mas também aumenta a carga sobre a estrutura. Para compensar a carga aumentada, pode-se adicionar um suporte para aumentar a rigidez, o que eleva a frequência natural, exatamente o oposto do que você deseja alcançar. É necessário um planejamento cuidadoso ao fazer qualquer alteração no sistema da máquina.

Nota: Os skids de máquinas produzidos por vários fabricantes são projetados para garantir que problemas de ressonância não ocorram. No entanto, quando o skid da máquina é colocado e fixado ao solo, as frequências de ressonância podem possivelmente mudar. É necessário ter cuidado durante os arranques e paradas, e na velocidade de operação, para garantir que não haja ressonâncias anormais que possam impactar a máquina.

Se uma máquina estiver operando dentro de 15% da frequência natural, pode amplificar a vibração em até 2 a 5 vezes ou mais, o que pode ser prejudicial para a máquina. Nestas situações, a ressonância pode danificar máquinas e estruturas de suporte, por exemplo:

1. Parafusos quebrados nas estruturas de suporte,

2. Soldas quebradas nas estruturas de suporte,

3. Concreto da fundação quebrado ou solto,

4. Desgaste prematuro dos rolamentos, e

5. Aumento geral da vibração, resultando em ruído excessivo, qualidade reduzida do produto e, por fim, no desempenho operacional.

É crucial ter um sistema adequado de monitoramento de vibração para evitar danos desnecessários e reparos ou substituições caros em suas máquinas. Nosso objetivo na Metrix Vibration é garantir o desempenho contínuo e a qualidade dos seus produtos ano após ano.

A Promessa Metrix

Temos uma equipe extensa de engenheiros com anos de experiência para auxiliá-lo na escolha do sistema de monitoramento de vibração adequado. Se você está procurando opções acessíveis para proteger suas máquinas, oferecemos uma variedade de equipamentos, incluindo chaves, sensores e transmissores, para que você tenha uma maneira de monitorar a vibração, especialmente aquelas em frequências ressonantes.

Por Jack Difranco, Gerente Regional de Vendas Metrix para o Sudeste dos Estados Unidos.

Se você está interessado em saber mais, complementar ou substituir seus sistemas atuais, entre em contato conosco hoje para mais informações.

Este conteúdo foi traduzido e adaptado de um artigo publicado em www.metrixvibration.com