Eliminando vibração excessiva de equipamentos rotativos: Guia de diagnóstico UNITEC-D

1. Problema e escopo de aplicação

A vibração excessiva de equipamentos rotativos é um indicador crítico de possíveis problemas de funcionamento que podem levar a paradas de produção não planejadas, perdas financeiras significativas, degradação da qualidade do produto e, o mais importante, ameaças à segurança do pessoal. Este manual UNITEC-D foi concebido para diagnosticar e eliminar sistematicamente as principais causas do aumento da vibração, abrangendo uma ampla gama de equipamentos rotativos industriais, incluindo bombas, ventiladores, motores elétricos, compressores, caixas de engrenagens e turbinas utilizadas na indústria ucraniana.

Classificação da severidade da vibração de acordo com DSTU ISO 10816-1:2004:

• Crítico: O nível de vibração que excede os limites superiores dos valores permitidos (Zona D) requer desligamento imediato do equipamento e solução de problemas.
• Significativo: O nível de vibração na zona C exige um desligamento planejado do equipamento para diagnóstico e reparo. A operação prolongada nesta área reduz a vida útil dos componentes.
• Menor: O nível de vibração na zona B indica a presença de um mau funcionamento que pode progredir. Recomenda-se monitoramento aprimorado.

A identificação oportuna e precisa da causa raiz da vibração é a chave para a operação confiável e segura do equipamento.

2. Precauções

Antes de iniciar qualquer trabalho de diagnóstico ou reparo em equipamentos rotativos, devem ser seguidas rigorosas regras de segurança. Ignorar essas precauções pode resultar em ferimentos graves ou morte.

A SEGURANÇA DO PESSOAL É NOSSA PRIORIDADE

• Bloqueio/Etiquetagem (LOTO): SEMPRE isole e bloqueie todas as fontes de energia (elétrica, hidráulica, pneumática) do equipamento. Use procedimentos LOTO padrão de acordo com os regulamentos internos da empresa. Verifique a tensão e a pressão residual.
• Energia Armazenada: Esteja ciente da energia potencialmente armazenada em molas, acumuladores hidráulicos, volantes e gases pressurizados. Certifique-se de que todas essas fontes de energia estejam descarregadas ou bloqueadas com segurança.
• Equipamento de proteção individual (EPI): Use EPI adequado: óculos de segurança (DSTU EN 166), luvas (DSTU EN 388), sapatos de proteção (DSTU EN ISO 20345), proteção auditiva (DSTU EN 352).
• Superfícies Quentes e Alta Pressão: Manuseie equipamentos que operam em altas temperaturas ou pressões com cuidado. Use câmeras de imagem térmica e medidores de pressão para avaliar as condições.
• Peças Rotativas: NUNCA trabalhe perto de peças rotativas sem tampas protetoras.
• Consulte: Em caso de dúvida sobre segurança, consulte um engenheiro sênior ou um especialista em saúde e segurança ocupacional.

3. Ferramentas de diagnóstico necessárias

O diagnóstico eficaz de vibrações requer um determinado conjunto de ferramentas. A sua correta aplicação permite obter dados precisos para análise.

4. Lista de verificação de avaliação inicial

Antes de iniciar um diagnóstico detalhado, é necessário coletar o máximo de informações possível sobre as condições de funcionamento e o histórico do equipamento. Isso reduzirá a gama de causas potenciais.

5. Fluxo Sistemático de Diagnóstico

O diagnóstico de vibrações requer uma abordagem sistemática, começando pela medição do nível geral e prosseguindo para uma análise espectral detalhada para identificar as frequências dominantes.

1. Meça o nível geral de vibração:
   • Use um analisador de vibração para medir a velocidade de vibração (mm/s RMS) nas caixas de rolamento em três direções (horizontal, vertical, axial).
   • Compare os valores obtidos com os limites permitidos de acordo com DSTU ISO 10816-1 para a classe de máquina correspondente.
   • Se o nível total de vibração exceder a zona B (falha leve) ou C (falha significativa): Vá para a etapa 2.
   • Caso contrário: o problema provavelmente não está relacionado à vibração mecânica ou seu nível é insignificante. Monitoramento aprimorado.
2. Realize análise de espectro (FFT) e análise de sinal de tempo:
   • Colete espectros de vibração (gráfico de amplitude de vibração versus frequência) e sinal de tempo (gráfico de amplitude versus tempo) em cada conjunto de rolamento em todas as três direções.
   • Determine a velocidade de rotação do equipamento (1X RPM) utilizando um tacômetro.
   • Analise os espectros quanto à presença de frequências dominantes e seus harmônicos:
   • 1. IF é dominado por 1X RPM (velocidade de rotação do rotor) com alta amplitude:
        • ENTÃO Verifique se há desequilíbrio:
          • A amplitude SE de 1X RPM é alta nas direções radiais (horizontal/vertical) e varia proporcionalmente com a velocidade.
          • ENTÃO Causa provável: Desequilíbrio. Vá para o diagnóstico de desequilíbrio (parágrafo 7.1).
        • ENTÃO Verifique se há desalinhamento:
          • SE a amplitude de 1X RPM for alta na direção axial, ou se 1X RPM e 2X RPM forem altas nas direções radiais.
          • ENTÃO Causa provável: Incompatibilidade. Vá para o diagnóstico de incompatibilidade (parágrafo 7.2).
     2. SE for dominado por 2X RPM (duas vezes a velocidade do rotor) com alta amplitude:
        • ENTÃO Verifique se há desalinhamento (angular/paralelo):
          • SE a amplitude de 2X RPM for muito maior que 1X RPM nas direções radiais ou se 2X RPM for alta na direção axial.
          • ENTÃO Causa provável: Incompatibilidade. Vá para o diagnóstico de incompatibilidade (parágrafo 7.2).
     3. SE harmônicos altos (3X, 4X RPM e superiores) ou subharmônicos (0,5X RPM) estiverem presentes:
        • ENTÃO Verifique se há folga:
          • SE as amplitudes harmônicas não forem lineares ou subharmônicos aparecerem, bem como ruído no sinal de temporização.
          • ENTÃO Causa provável: Afrouxamento mecânico. Vá para o diagnóstico de afrouxamento (parágrafo 7.5).
     4. SE frequências características de rolamento (BPFI, BPFO, FTF, BSF) ou altas frequências moduladas em amplitude estiverem presentes:
        • ENTÃO Verifique se há defeitos de rolamento:
          • Use análise de pulso de choque (SPM, PeakVue) ou detector ultrassônico para confirmar.
          • ENTÃO Causa provável: Defeitos em rolamentos. Vá para diagnóstico de defeitos em rolamentos (cláusula 7.3).
     5. SE houver vibração de alta amplitude em uma frequência que não seja um harmônico da velocidade de rotação, mas seja próxima ou constante:
        • ENTÃO verifique a ressonância:
          • Realize um teste de aceleração/desaceleração ou de choque para determinar as frequências naturais.
          • ENTÃO Causa provável: Ressonância. Vá para diagnóstico de ressonância (parágrafo 7.4).

6. Matriz "Falha-Causa"

Esta matriz fornece uma visão geral rápida dos sintomas comuns de vibração, suas causas prováveis e testes de diagnóstico.

7. Análise de causa raiz para cada mau funcionamento

7.1. Desequilíbrio do rotor

Por que isso ocorre: O desequilíbrio é uma distribuição desigual da massa do rotor em relação ao seu eixo de rotação. Isso pode ser causado por defeitos de fabricação, acúmulo desigual de contaminantes (por exemplo, poeira no ventilador, incrustações no rotor da bomba), erosão ou corrosão do material e reparo ou substituição imprecisa de componentes sem balanceamento adicional. Por exemplo, consertar uma pá de ventilador sem restaurar o equilíbrio inicial.

Como confirmar: O indicador principal é uma vibração dominante a 1X RPM na direção radial, que aumenta proporcionalmente com a velocidade de rotação. A análise de fase mostra uma fase de vibração estável. A realização de um teste com a adição de uma massa de teste e a análise da mudança na vibração permite determinar quantitativamente a magnitude e o ângulo do desequilíbrio.

Dano se não for corrigido: O desbalanceamento prolongado resulta em maior tensão nos rolamentos e vedações, o que reduz sua vida útil, causa falha dos fixadores, fadiga estrutural da estrutura e da base e pode levar à falha do eixo e outras falhas catastróficas. A vibração de 15-20 mm/s RMS para máquinas padrão de médio porte já é crítica.

7.2. Desalinhamento de Eixos (Acoplamento)

Por que isso ocorre: O desalinhamento é um desvio dos centros dos eixos ou dos ângulos de seus eixos em relação ao alinhamento ideal. Pode ser paralelo (deslocamento de centros), angular (deslocamento de cantos) ou combinado. As causas típicas são: má instalação, deformação da estrutura ou fundação sob carga, expansão térmica dos componentes durante a operação, “base macia” (contato desigual entre o suporte e a fundação) e assentamento da fundação.

Como confirmar: Os principais indicadores são altas amplitudes de vibração em 1X RPM e 2X RPM. O desalinhamento paralelo é frequentemente dominado por 1X RPM na direção radial, enquanto o desalinhamento angular é frequentemente dominado por 2X RPM na direção radial e/ou 1X RPM na direção axial. A medição com um sistema de nivelamento a laser (mais preciso que os indicadores do tipo relógio) permite quantificar o desvio e o tipo de desalinhamento. Um desvio superior a 0,05 mm é inaceitável para a maioria das máquinas industriais.

Dano se não for corrigido: O desalinhamento causa tensão cíclica em rolamentos, acoplamentos e vedações, levando a desgaste acelerado, superaquecimento e falha prematura. Também aumenta o consumo de energia do motor e pode causar danos aos eixos.

7.3. Defeitos em rolamentos

Por que isso ocorre: defeitos em rolamentos são uma das causas mais comuns de vibração. Podem ser causadas por fadiga do material (lascamento), instalação incorreta (cargas de choque, desalinhamento), lubrificação insuficiente ou excessiva, contaminação do lubrificante com partículas estranhas, erosão elétrica (corrente que passa pelo rolamento), carga excessiva ou superaquecimento.

Como confirmar: Uma característica é o aparecimento no espectro de vibração de frequências específicas de defeitos de rolamento: BPFI (defeito na pista do anel interno), BPFO (defeito na pista do anel externo), FTF (defeito do separador), BSF (defeito no corpo rolante). Essas frequências são calculadas com base na geometria do rolamento e na velocidade de rotação. Para detecção precoce, são eficazes métodos de análise de pulso de choque (SPM, PeakVue) ou monitoramento ultrassônico, que detectam pulsos de alta frequência gerados quando os corpos rolantes entram em contato com defeitos. Um nível de SPM superior a 15-20 dB da linha de base é alarmante.

Danos se não forem corrigidos: A progressão dos defeitos do rolamento leva ao aumento da vibração, superaquecimento, falha do separador, gripagem do rolamento e, como resultado, falha do eixo ou do rotor.

7.4. Ressonância

Por que isso ocorre: A ressonância ocorre quando a frequência de excitação (por exemplo, velocidade de operação, frequência da lâmina/dente, frequência elétrica) corresponde a uma das frequências naturais (naturais) do sistema ou de seu componente (estrutura, eixo, fundação). Isto leva a um aumento significativo na amplitude de vibração, mesmo com uma força de excitação relativamente pequena. Motivos: alteração na rigidez ou massa da estrutura, escolha incorreta da velocidade de operação, alteração nas características dinâmicas da fundação.

Como confirmar: Vibração de alta amplitude em uma frequência específica que pode ser inarmônica até 1X RPM. Para confirmação, é utilizado um teste de aceleração/desaceleração, durante o qual o equipamento é suavemente acelerado ou parado e a vibração é registrada. Um pico de vibração significativo a uma determinada velocidade de rotação indica a passagem da frequência de ressonância. Um teste de impacto (Teste de Impacto) também é usado para determinar as frequências naturais da estrutura.

Danos se não for corrigido: A ressonância leva à rápida fadiga estrutural, falha de soldas, fixadores, afrouxamento de parafusos, rachaduras na estrutura e na fundação, o que pode causar falha catastrófica do equipamento.

7.5. Frouxidão Mecânica

Por que isso ocorre: O afrouxamento mecânico é uma perda de rigidez ou confiabilidade da fixação de um componente, permitindo que ele “bata” ou vibre de forma não linear. Isso pode ser causado por parafusos de montagem soltos (fundação, conjuntos de rolamentos, caixas), rachaduras na estrutura ou fundação, assentos de rolamento desgastados ou folgas excessivas em mancais autolubrificantes. Muitas vezes é consequência de outras disfunções (desequilíbrio, falta de consciência) que progrediram.

Como confirmar: Os sintomas de vibração no espectro de vibração geralmente incluem a presença de subharmônicos (0,5X RPM), harmônicos altos (2X, 3X RPM e superiores) e alterações na amplitude de vibração dependendo da carga. A análise do sinal de tempo mostra rajadas de pulso ou cortes no sinal. Uma inspeção visual dos fixadores, seu aperto e o uso de um teste de impacto de martelo podem ajudar a localizar a fonte do afrouxamento. Uma câmera térmica pode detectar superaquecimento em áreas de maior atrito.

Dano se não for corrigido: O afrouxamento leva ao desgaste progressivo, deformação de componentes, falha de fixadores, desalinhamento de eixos e, como resultado, falha de vedações, rolamentos, eixos e outros componentes críticos.

8. Procedimentos passo a passo para solução de problemas

8.1. Eliminação do Desequilíbrio

1. Preparação: Isolar equipamento (LOTO). Inspecione visualmente o rotor quanto a sujeira, danos e peças faltantes. Limpe o rotor.
2. Medição: meça a vibração inicial a 1X RPM.
3. Balance: Aplicar o método de balanceamento dinâmico no local (de acordo com DSTU ISO 1940-1). Para a maioria das máquinas industriais, a classe de qualidade G6.3 é aceitável, para máquinas de alta precisão - G2.5 ou G1.0.
4. Execução de teste: Adicione massa de teste e meça a mudança na vibração.
5. Correção: Calcule a massa de correção necessária e sua posição. Instale a massa no rotor.
6. Verificação: Meça a vibração novamente. O nível de velocidade de vibração deve ser inferior a 4,5 mm/s RMS para uma máquina de tamanho médio (Classe II).

8.2. Eliminação do Desconhecimento

1. Preparação: Isolar equipamento (LOTO). Limpe as superfícies de apoio e verifique o desgaste dos acoplamentos.
2. Verificação da perna macia: Verifique todas as pernas do motor/bomba usando um relógio comparador ou sistema de laser. Se o desvio no aperto do parafuso ultrapassar 0,05 mm, ajuste a “pata macia” utilizando espaçadores calibrados.
3. Alinhamento: Use um sistema de alinhamento de eixo a laser para ajustar com precisão a posição do motor em relação à bomba/caixa de engrenagens. Observe as tolerâncias especificadas pelo fabricante do acoplamento ou recomendadas pelas normas (por exemplo, 0,02-0,05 mm para a maioria dos acoplamentos a 1500 rpm).
4. Verificação: Após o alinhamento, aperte todos os parafusos com o torque especificado na documentação e meça novamente a vibração. As amplitudes a 1X e 2X RPM nas direções radial e axial devem ser significativamente reduzidas.

8.3. Eliminação de Defeitos de Rolamentos

1. Preparação: Isolar equipamento (LOTO). Garantir a limpeza da área de trabalho.
2. Remoção: Remova cuidadosamente o conjunto do rolamento usando uma ferramenta especial (extratores) para evitar danos ao eixo e ao alojamento.
3. Inspeção: Inspecione cuidadosamente o eixo, a caixa do rolamento e as sedes quanto a desgaste, corrosão e rebarbas.
4. Instalação de um novo rolamento:
   • Use somente rolamentos UNITEC-D originais ou certificados.
   • A instalação realiza-se por aquecimento (aquecedor por indução) ou por prensa, utilizando ferramentas especiais de instalação. NUNCA bata na pista externa ou interna de um rolamento sem um mandril apropriado.
   • Garanta a folga radial e axial correta de acordo com as recomendações do fabricante do rolamento.
5. Lubrificação: Encha o rolamento com o lubrificante adequado de acordo com as recomendações do fabricante (tipo, quantidade). Use seringas e dispensadores recomendados.
6. Verificação: Após a substituição e lubrificação, ligue o equipamento, monitore a vibração e a temperatura. O nível de velocidade de vibração e pulsos de choque deve corresponder aos valores normativos, a temperatura deve estabilizar dentro da faixa normal (normalmente < 70°C).

8.4. Eliminação da Ressonância

1. Preparação: Isolar equipamento (LOTO).
2. Determinação da frequência natural: Realizar um teste de impacto (Impact Test) em vários pontos da estrutura para determinar as frequências naturais.
3. Modificação de projeto:
   • Alteração de rigidez: Adicionar ou reforçar elementos de suporte, aumentar a espessura das placas, instalar suportes adicionais. O objetivo é afastar a frequência natural da frequência de excitação operacional (no mínimo 20%).
   • Mudança de massa: adicione ou reduza a massa do componente ressonante. Isso também mudará a frequência natural.
   • Alteração da velocidade de operação: Se possível e economicamente justificado, altere a velocidade de operação do equipamento para evitar sobreposição com a frequência natural.
4. Verificação: Após fazer as alterações, repita o teste de choque e o teste de aceleração/desaceleração para confirmar a mudança nas frequências naturais. Ligue o equipamento e verifique o nível de vibração.

8.5. Eliminação de agitação mecânica

1. Preparação: Isolar equipamento (LOTO).
2. Localização: usando um analisador de vibração, teste de impacto e inspeção visual, identifique a origem do tremor.
3. Aperto dos fixadores: Aperte todos os parafusos e porcas afrouxados com o torque especificado na documentação técnica (por exemplo, 120 Nm para parafusos M16 da classe de resistência 8.8).
4. Reparação de danos:
   • Se forem encontradas fissuras na estrutura/fundação: soldar, reforçar a estrutura de acordo com cálculos e normas de engenharia.
   • Se os assentos dos rolamentos estiverem desgastados: restaure os assentos (pulverização, buchas) ou substitua a carcaça/eixo.
   • Se as folgas nos mancais deslizantes forem excessivas: ajuste as folgas ou substitua as buchas.
5. Verificação: Acione o equipamento e repita as medições de vibração, prestando especial atenção aos harmônicos e ao sinal horário. A vibração deve corresponder à norma.

9. Medidas Preventivas

A manutenção preventiva é a chave para uma operação longa e confiável de equipamentos rotativos.

10. Peças sobressalentes e componentes

UNITEC-D GmbH é um fornecedor confiável de peças de reposição de alta qualidade para equipamentos rotativos. A utilização de componentes certificados é fundamental para garantir a confiabilidade e durabilidade do reparo. Abaixo estão grupos típicos de peças de reposição.

Para solicitar e receber informações detalhadas sobre a linha de peças de reposição UNITEC-D, visite nosso Catálogo Eletrônico UNITEC-D.

11. Links

• DSTU ISO 10816-1:2004 Vibração mecânica. Avaliação da vibração da máquina com base nos resultados de medições em peças não rotativas.
• DSTU ISO 1940-1:2007 Vibração. Requisitos para a qualidade do balanceamento de rotores sólidos.
• DSTU ISO 15243:2009 Rolamentos. Danos e renúncias. Terminologia, classificação e ilustrações.
• EN 15417-1:2008 Alinhamento de máquinas. Parte 1: Métodos e tolerâncias.
• Manuais de operação e manutenção de fabricantes de equipamentos (OEM).
• Normas internas UNITEC-D para diagnóstico e reparo de equipamentos.