AXILINEComo ler o espectro de vibração: 1x, 2x e harmónicas
O vibrómetro indicou 8 mm/s. Um único número não diz o que fazer: equilibrar o rotor, alinhar os eixos ou encomendar um rolamento. O espectro decompõe a vibração por frequências e responde à pergunta «de onde vem». A seguir explicamos que imagens vai ver no ecrã, o que cada uma significa e como confirmar a hipótese antes de pegar na ferramenta.
O espectro mostra de que é composta a sua vibração
A situação é familiar: o ventilador começou a fazer barulho depois da limpeza do rotor. Encostou o sensor, viu 9 mm/s e ficou por aí. O passo seguinte é o espectro.
O aparelho regista o sinal do acelerómetro colocado no apoio do rolamento, e a FFT — Transformada Rápida de Fourier, normalmente identificada nos equipamentos como FFT — converte o registo do domínio do tempo para o domínio da frequência. No ecrã vê um conjunto de linhas verticais. A posição horizontal da linha é a frequência, a altura é a amplitude. Uma sinusoide simples transforma-se numa única linha.
A partir daqui, raciocine sempre em rotações, não em hertz. A frequência de rotação é o 1x. Um ventilador a 1450 rpm dá 1x = 24,2 Hz, 2x = 48,3 Hz, 3x = 72,5 Hz. Converta os hertz em múltiplos de rotação desde logo, caso contrário o espectro fica para si apenas um conjunto de números.
Aproveite para comparar os dois números que o aparelho mostra lado a lado: a vibração total e a componente de rotação 1x. A equilibragem reduz apenas o 1x. Uma vibração total de 9 mm/s com 1x = 8 mm/s significa que a vibração vem do rotor. Uma vibração total de 9 com 1x = 2 significa que equilibrar não serve de nada, a causa está noutro lado.
Regra simples de triagem: divida a frequência do pico pela frequência de rotação. Se der 1,0 / 2,0 / 3,0, o foco é o rotor, o acoplamento, a fixação. Se der 3,7 ou 6,4, procure rolamento, pás, dentes de engrenagem, correia.
Quatro padrões que deve reconhecer à primeira vista
1x domina
O pico na frequência de rotação é várias vezes mais alto do que as restantes linhas, o espectro parece quase vazio, a vibração total está próxima do 1x, e a fase do 1x (o ângulo que indica em que ponto da rotação a vibração atinge o máximo) mantém-se estável de medição para medição. Isto é desequilíbrio. A equilibragem é adequada e costuma dar resultado numa única visita.
2x significativo
O 2x é comparável ao 1x ou até o supera, a vibração axial aumentou, e a fase de um lado e do outro do acoplamento diverge cerca de 180°. É assim que se apresenta um desalinhamento ou um acoplamento desgastado. A equilibragem não resolve isto; a máquina precisa de alinhamento dos eixos.
Pente de harmónicas
1x, 2x, 3x, 4x e por aí além, muitas vezes com sub-harmónicas em 0,5x e 1,5x, e o piso de ruído — o fundo uniforme entre os picos — está elevado. Trata-se de folgas mecânicas, uma fissura na base, um maciço de fundação solto, um roçamento. Este tipo de espectro confirma-se com a chave de porcas e com a inspeção visual, não com o software.
Picos em frequências altas e não múltiplas da rotação
Linhas em 3,7x, 5,2x, 8,4x, com contornos difusos, que crescem mês após mês. Na maioria dos casos são rolamentos. A equilibragem não tem qualquer efeito sobre eles; prepare a substituição.
Tabela: o que se vê, o que é provável, como confirmar
| O que se vê no espectro | Causa provável | Como confirmar |
|---|---|---|
| 1x domina, total ≈ 1x, fase do 1x estável | Desequilíbrio do rotor | Massa de prova de valor e raio conhecidos. Um ensaio válido altera a amplitude do 1x em 20–30 % ou a fase em 20–30° |
| 1x e 2x são comparáveis, a vibração axial aumentou | Desalinhamento dos eixos, acoplamento desgastado ou demasiado apertado | Compare a fase dos dois lados do acoplamento. Depois retire o semiacoplamento e verifique o alinhamento dos eixos com indicadores ou com um sistema laser |
| Pente 1x, 2x, 3x… mais 0,5x e 1,5x, piso de ruído elevado | Fixação solta, fissura, roçamento do rotor na carcaça | Aperto dos parafusos de fundação, verificação de pé mole, folgas e encaixes. Observe o sinal no domínio do tempo: uma folga produz impactos e fase instável |
| Pico no dobro da frequência de rede (100 Hz numa rede de 50 Hz) | Excentricidade do entreferro, estator solto | Teste de corte de alimentação. A linha de origem eletromagnética desaparece instantaneamente, a de origem mecânica diminui de forma gradual durante a desaceleração |
| Bandas laterais simétricas em torno do 1x com um espaçamento de poucos hertz | Barras do rotor do motor de indução partidas ou fissuradas | É necessária uma resolução fina em frequência mais análise da corrente do estator. Este é trabalho da equipa elétrica, não de uma equilibragem no local |
| Muitas linhas em frequências mais altas, não múltiplas do 1x, difusas, com piso de ruído a subir | Defeitos nos rolamentos | Espectro de envolvente em aceleração na banda de 2–10 kHz (processamento que realça os impulsos de choque), temperatura do apoio, histórico de tendência, inspeção da lubrificação |
| Linha subsíncrona em 0,4–0,5x (abaixo da frequência de rotação) numa máquina com chumaceiras de deslizamento | Instabilidade do filme de óleo (oil whirl) | Não é tarefa para sensores instalados na carcaça. São necessários sensores de proximidade sem contacto do eixo (proxímetros) e análise de órbitas — as trajetórias do centro do eixo |
| Picos na frequência das pás (número de pás × 1x) mais ruído de banda larga | Hidráulica: cavitação, descolamento do escoamento, obstrução | Pressão na entrada, regime de funcionamento real, estado do impulsor |
| A amplitude sobe abruptamente numa faixa estreita de rotações, a fase do 1x desloca-se cerca de 180° | Ressonância da estrutura ou dos apoios | Aceleração e desaceleração com registo de amplitude e fase, teste de impacto. Em ressonância não se deve equilibrar, o resultado não se mantém |
A tabela oferece uma hipótese, não uma conclusão. A mesma imagem do espectro pode ter duas causas diferentes e, inversamente: uma folga também pode elevar o 1x, e um desalinhamento pode acrescentar harmónicas.
Resolução em frequência: Δf = Fmax / N
O espectro é composto por linhas discretas. A distância entre linhas vizinhas calcula-se assim: Δf = Fmax / N, em que Fmax é o limite superior do espectro e N é o número de linhas. Esta mesma fórmula tem uma segunda parte que costuma ser esquecida: Δf = 1 / T, em que T é a duração do registo.
A conclusão prática é uma só. Para separar dois picos próximos, precisa de um registo mais longo. Se quiser Δf = 1 Hz, grave um segundo. Se quiser Δf = 0,1 Hz, grave dez segundos. Nem a média, nem a suavização, nem um traçado bonito contornam isto.
Vamos calcular com um exemplo real. Um motor de indução a 1480 rpm, 1x = 24,67 Hz. Está à procura de uma barra do rotor partida, que produz bandas laterais com um espaçamento de 2·s·P, em que s é a frequência de deslizamento em hertz e P é o número de pares de polos. Com um deslizamento de 1,3 % e dois pares de polos, o espaçamento é 1,3 Hz. Ou seja, precisa de separar as linhas de 24,67 e 23,37 Hz, o que exige um Δf da ordem de 0,3 Hz e um registo de pelo menos 3,3 s. Uma configuração de N = 6400 com Fmax = 2000 Hz dá Δf = 0,3125 Hz e T = 3,2 s. As bandas vão ser visíveis.
O erro contrário é ainda mais frequente. Define-se Fmax = 10 kHz «para se ver tudo», mantém-se o mesmo número de linhas, e a resolução torna-se dez vezes mais grosseira. As linhas próximas fundem-se num único pico largo, e ruído de alta frequência desnecessário entra na medição. Defina o Fmax em função do defeito de frequência mais alta que realmente está a procurar.
- Δf = Fmax / N: mais linhas com o mesmo Fmax significa resolução mais fina.
- T = 1 / Δf: uma resolução fina custa sempre tempo de registo.
- Num conjunto de baixa velocidade, o registo tem de ser mais longo. Um cilindro a 60 rpm exige segundos, não milissegundos.
- A rotação tem de se manter estável durante o registo. Uma deriva de velocidade superior a um quarto do Δf espalha o pico por várias linhas vizinhas do espectro, a amplitude cai, e pode concluir erradamente que o defeito desapareceu.
Num acionamento com variador de frequência e carga instável, não é possível obter uma resolução fina: a velocidade deriva durante o registo. Nesses casos, usa-se a análise de ordens — um espectro construído em múltiplos da rotação, sincronizado com a marca de referência do eixo.
Bandas laterais: observe o espaçamento, não a altura
Uma banda lateral é uma linha junto a um pico grande, espelhada de ambos os lados. Indica modulação: a amplitude ou a frequência da oscilação portadora varia periodicamente. O espaçamento entre as bandas é igual à frequência de modulação, e é precisamente esse espaçamento que identifica o culpado.
Calcule o espaçamento e compare-o com a cinemática: a frequência de rotação de cada eixo, o número de dentes, o número de pás, o deslizamento do motor. Enquanto não encontrar essa correspondência, é prematuro falar em «modulação».
- Espaçamento igual ao 1x de um eixo: a fonte roça ou é carregada uma vez por cada rotação desse eixo. Roda dentada excêntrica, carga desigual no apoio do rolamento.
- Bandas em torno da frequência de engrenamento, com espaçamento igual à frequência de rotação de uma das rodas dentadas: é precisamente essa roda dentada que está defeituosa.
- Bandas em torno do 1x do motor com espaçamento de poucos hertz: barras do rotor.
- Bandas em torno da frequência do rolamento com espaçamento igual ao 1x: defeito no anel interior ou carga desigual ao longo da circunferência.
- Duas linhas próximas sem bandas simétricas em volta: não é modulação, mas sim batimento entre duas fontes independentes. Por exemplo, dois ventiladores na mesma conduta a 24,5 e 24,9 Hz. A máquina está bem, apenas se ouve uma «pulsação».
Erro frequente: confundir duas linhas que por acaso ficaram próximas com bandas laterais, e confundir uma resolução baixa com a sua ausência. Com um Δf grosseiro, as bandas simplesmente fundem-se com a portadora.
O espectro, por si só, não faz o diagnóstico
O espectro faz uma média. Mostra com fidelidade quais as frequências presentes em média, mas esconde eventos isolados. Um rolamento em estágio inicial produz um impacto raro, uma vez a cada várias rotações do eixo. No espectro, esse impacto dissolve-se no ruído, mas no sinal no domínio do tempo vê impulsos distintos.
- Sinal no domínio do tempo. Procure impactos, corte dos picos, assimetria, modulação. A duração do registo deve ser de pelo menos 4–6 rotações do eixo: a 1500 rpm são 0,2 s, na prática usam-se 1–2 s, num cilindro a 60 rpm são necessários cerca de 6 s.
- Fase do 1x. Uma diferença de cerca de 90° entre a direção horizontal e a vertical indica desequilíbrio. Uma diferença de cerca de 0° ou 180° é sinal de outro mecanismo.
- Repetibilidade. Faça a medição duas vezes, reposicione o sensor, verifique o íman e o cabo. Um pico de alta frequência que salta de medição para medição costuma ser uma ressonância da fixação sobre a tinta, e não um defeito da máquina.
- Histórico. Um espectro mostra o estado; dois espectros com um intervalo entre eles mostram a tendência. Um aumento consistente em relação ao nível de referência é mais importante do que o valor absoluto.
- Cinemática e inspeção. Número de pás, de dentes, relações de transmissão, correias. Sem isto, não é possível distinguir a frequência das pás de uma harmónica da rotação.
- As mesmas configurações ao comparar. O mesmo ponto, a mesma direção, o mesmo Fmax, o mesmo número de linhas, a mesma fixação. Espectros com Fmax diferentes não se comparam diretamente.
O que fazer com um ventilador ruidoso: sequência de ações
- 01
Meça o valor total e o 1x em cada apoio
Sensor no apoio do rolamento, na direção horizontal-radial, sempre a mesma direção de medição para medição. Compare a vibração total com o 1x. Se o valor total for várias vezes maior, a vibração principal não é causada por desequilíbrio, e a equilibragem não a vai eliminar.
- 02
Registe o espectro e converta os picos em múltiplos de rotação
Divida a frequência de cada linha relevante pela frequência de rotação. Anote o que corresponde a 1x, 2x, 3x, e o que não é múltiplo da rotação. Isto demora um minuto e já reduz de imediato o leque de causas.
- 03
Verifique a mecânica manualmente
Aperto dos parafusos de fundação, pé mole, folgas, encaixes, estado da estrutura. Um pente de harmónicas no espectro é confirmado quase sempre pela chave de porcas, não pelo software. É possível equilibrar uma máquina com folga mecânica, e o 1x até pode baixar durante algum tempo, mas o defeito permanece e volta.
- 04
Descarte a ressonância
Faça uma aceleração ou uma desaceleração com registo da amplitude e da fase do 1x. Um pico de amplitude estreito e acentuado, com uma rotação de fase de cerca de 180°, significa que a rotação de trabalho está próxima de uma frequência natural. Nesse caso, o coeficiente de influência — a resposta da máquina à massa de prova, em que se baseia todo o cálculo — será instável, e a equilibragem não se vai manter.
- 05
Equilibre, se o 1x for dominante
Massa de prova com valor e raio conhecidos, alteração da amplitude em 20–30 % ou da fase em 20–30°, cálculo da correção, colocação das massas, arranque de controlo. Ordem de grandeza típica com a mecânica em bom estado: um ventilador com ~12 mm/s desce para ~1,5–2 mm/s. Isto é uma referência, não uma promessa para a sua máquina.
- 06
Avalie o resultado independentemente do programa
A indicação «dentro da tolerância» significa apenas uma coisa: o 1x residual está abaixo do objetivo que definiu por si próprio. Avalie o estado geral da máquina pela vibração total, em mm/s RMS (valor eficaz) na banda de 10–1000 Hz, segundo as zonas A/B/C/D. O desequilíbrio residual pelas classes de qualidade G é uma terceira grandeza, distinta das anteriores. Verifique a parte e a edição aplicável da norma para a máquina em concreto.
Limites do método e onde podemos ajudar
O espectro de velocidade de vibração é forte na banda aproximada de 10–1000 Hz. É aí que vivem o desequilíbrio, o desalinhamento, as folgas, os roçamentos. Os defeitos iniciais de rolamentos situam-se mais acima, na zona de 2–10 kHz, e só se manifestam na aceleração e no espectro de envolvente. Para ser direto: o Balanset-1A mede o RMS (valor eficaz) da velocidade de vibração na banda de 5–200 Hz, apresenta a FFT, o sinal no domínio do tempo e o vetor 1x em dois canais simultaneamente. Isto é suficiente para decidir «equilibrar ou não», comparar dois apoios, localizar uma ressonância pela desaceleração e verificar o resultado. Para detetar pitting — pequenas lascas na pista do rolamento — é necessário um analisador com um canal de alta frequência.
Há também aquilo que os sensores montados na carcaça simplesmente não conseguem fornecer. Máquinas com chumaceiras de deslizamento exigem proxímetros e análise de órbitas. O quadro modal — as frequências naturais e os modos de vibração da estrutura — exige medições de FRF e de coerência. Se o espectro revelar algo assim, a resposta honesta é entregar a tarefa a especialistas da área, e não equilibrar.
Os engenheiros da AXILINE desenvolvem e fabricam os equipamentos Balanset e são eles próprios que os utilizam para equilibrar no local. Vamos até às suas instalações com o nosso equipamento, colocamos os sensores nos seus apoios, registamos o espectro e o vetor 1x e dizemos-lhe com clareza se é ou não desequilíbrio. Se for desequilíbrio, equilibramos o rotor no local, nos seus próprios apoios, sem desmontagem. Se for folga, desalinhamento ou um rolamento, fica a sabê-lo antes de pagar por uma equilibragem que não resolveria o problema.
Também pode adquirir o próprio equipamento. O conjunto inclui dois acelerómetros, um sensor laser de fase e de rotação, um módulo USB de dois canais com pré-amplificadores, integradores e conversor A/D, mais um software para Windows: equilibragem num e em dois planos, FFT, diagrama polar, divisão da massa por posições fixas, cálculo de furação, coeficientes de influência guardados, equilibragem de ajuste fino (trim balancing), cálculo da tolerância pelas classes G e um arquivo para os relatórios. O apoio de consultoria está incluído.
Fontes: ISO 20816-1:2016 · ISO 21940-11:2016 · ISO 13373-3:2015 · ISO 13373-5:2020 · Manual de operação Balanset-1A · Especificações do fabricante Balanset-1A
Perguntas frequentes
O espectro mostra um 1x elevado. Pode equilibrar de imediato?
Quase sempre sim, mas faça primeiro dois testes rápidos. O primeiro: compare a vibração total com o 1x. Se o valor total for várias vezes maior, a contribuição principal não vem do desequilíbrio, e a equilibragem só vai reduzir uma pequena parte. O segundo: verifique a estabilidade da fase do 1x. Se a fase saltar dezenas de graus de medição para medição, está a lidar com uma folga ou uma ressonância, e o coeficiente de influência vai ficar pouco fiável.
A partir de que valor de 2x se deve suspeitar de desalinhamento?
Não há um limiar rígido, o que importa é a proporção. Referência prática: um 2x superior a cerca de metade do 1x já merece atenção. Por si só, o 2x não é um diagnóstico. Confirma-se com um aumento da vibração axial e uma diferença de fase de cerca de 180° entre os dois lados do acoplamento. Depois verifica-se o alinhamento dos eixos mecanicamente, com indicadores ou com laser.
Porque é que dois picos se fundem num só, e como corrigir isso?
A resolução em frequência é mais grosseira do que a distância entre os picos. Trabalhe com a fórmula Δf = Fmax / N: reduza o Fmax para o valor realmente necessário, aumente o número de linhas N e grave durante mais tempo, porque T = 1 / Δf. Para Δf = 0,2 Hz são necessários 5 segundos de registo com rotação estável. Se a velocidade variar nesse intervalo, não vai conseguir uma resolução fina, e será preciso recorrer à análise de ordens.
É possível fazer um diagnóstico a partir de um único espectro?
Não. O espectro dá uma hipótese. A confirmação vem do sinal no domínio do tempo, da fase, da repetibilidade da medição, da cinemática da máquina, do histórico de tendência e da inspeção comum. O mesmo conjunto de linhas pode ter causas diferentes: as harmónicas de uma folga são facilmente confundidas com um rolamento, e uma ressonância amplifica qualquer linha próxima de uma frequência natural.
A equilibragem reduz todos os picos do espectro?
Apenas o 1x, e só a parte deste que é criada pelo desequilíbrio do rotor. O pico do 2x, o pente de harmónicas, as linhas dos rolamentos, o piso de ruído e a frequência das pás permanecem inalterados. Por isso, a vibração total por vezes diminui pouco mesmo com uma equilibragem executada na perfeição. Este é um resultado normal, não um erro de cálculo.
Um defeito no rolamento é visível no espectro de velocidade de vibração?
Em estágio avançado, sim: um grupo de linhas em frequências mais altas, não múltiplas da rotação, picos difusos e piso de ruído elevado. Em estágio inicial, não. Os primeiros impactos causados por microlascas situam-se na zona de 2–10 kHz, onde a velocidade de vibração os subestima. Para deteção precoce, mede-se a aceleração e o espectro de envolvente após filtragem passa-banda, além de se observar a temperatura e a tendência.
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Respondemos às suas perguntas, esclarecemos os dados iniciais e informamos o que é necessário para o orçamento e a deslocação.