Post on 19-Feb-2016
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ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA
VIBRAÇÕES
INTRODUÇÃO À TEORIA DE VIBRAÇÃO
Cristiano Almeida
Donizete Gonzaga de Medeiros
Efrem Souza
Erbert Tiago
Adriano Menegon
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ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA
VIBRAÇÕES
SUMÁRIOTipos de Movimento
Vibrações em Máquinas
Domínio do Tempo e Domínio da Frequência
Frequência e Período
Fontes de Vibração
Amplitude e Frequência
Tipos de Medição de Vibração
Fatores de Escala
Medição de Fase
Nível Global de Vibração 2
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Tipos de Movimento
Vibrações em Máquinas
Domínio do Tempo e Domínio
da Frequência
Frequência e Período
Fontes de Vibração
Amplitude e Frequência
Tipos de Medição de Vibração
Fatores de Escala
Medição de FaseNível Global de
Vibração
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Tipos de Movimento
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Harmônico
Periódico
Randômico
Movimento físico do
equipamento pode ser:
Harmônico
Periódico
e /ou Randômico
Todo movimento
harmônico: é periódico
Movimento periódico: nem
todos são harmônicos
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Movimento Periódico O Movimento oscilatório pode repetir-se regularmente, como
no pêndulo de um relógio, ou apresentar irregularidade
considerável, como em eventos da natureza (terremotos).
Quando o movimento se repete a intervalos regulares de
tempo (T) é denominado movimento periódico.
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Movimento Harmônico A forma mais simples de movimento periódico é o movimento
harmônico. Uma massa suspensa por uma mola e então
deslocada de sua posição de equilíbrio irá oscilar em torno desse
“equilíbrio” com um movimento harmônico simples. Se
construirmos um gráfico que relaciona a distância da massa à
posição de equilíbrio e o tempo, a curva obtida será uma
senóide.
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Movimento Randônico Movimento randômico ocorre de uma maneira aleatória e
contém todas as frequências em uma banda específica de
frequência, podendo ser também chamado de ruído. Movimento
randômico é cada movimento que não é repetitivo
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Exemplos práticos de Movimento
Randômico: são as turbulências em
tubulações ou o fenômeno da
cavitação em uma bomba hidráulica.
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Domínio do Tempo e Domínio
da Frequência
Frequência e Período
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Tipos de Medição de Vibração
Fatores de Escala
Medição de FaseNível Global de
Vibração
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VIBRAÇÕES
Vibrações em MáquinasNenhuma máquina pode ser representada de modo exato
por um sistema massa-mola.
Máquina geralmente se compõe de vários sistemas massa-
mola interagindo entre si. Um componente de uma máquina
pode ser representado por uma massa que se move sob a ação
de uma força.
Mola pode ser considerada uma força restauradora que de
acordo com os movimentos da massa gera uma força para
compensá-los.9
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VIBRAÇÕES
Vibrações em MáquinasInteração entre movimento e força: é que causa a vibração
Vibração: é o movimento de um corpo sobre um ponto de
referência, causado por uma força mecânica indesejável
Vibração: resposta mensurável às forças que agem sobre a
máquina.
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Dinâmica aResistênci
Dinâmica Força α ) Vibraçãode (Amplitude Resposta
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Vibrações em MáquinasNas máquinas rotativas as forças aplicadas ao eixo se transmitem
através dos mancais. Quando o eixo gira, ele é empurrado contra o
mancal.
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Vibrações em MáquinasMancal tenta forçar o eixo a voltar à sua posição neutra. Quanto
maior o desvio ou defeito maior é a força aplicada e mais alta será o
nível de vibração, como acontece no desbalanceamento.
As Vibrações são respostas às forças de excitação. Medindo as
vibrações pode-se avaliar indiretamente a intensidade das forças e
a severidade dos defeitos, como um processo de causa e efeito.
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Vibrações em MáquinasNíveis de vibração dentro dos limites aceitáveis: indica que o
equipamento está funcionando corretamente, isso, segundo as
normas técnicas, partindo do princípio de que todas as máquinas
vibram. O aumento da vibração indica que a máquina está
caminhando para uma possível falha.
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A existência de um nível alto de vibração
nem sempre indica que há um problema
na máquina.
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Vibrações em MáquinasNem toda vibração é destrutiva mas é necessário identificar e
corrigir aquelas vibrações indesejáveis, que resultarão em falhas na
máquina.
Vibrações indesejáveis são sintomas de forças que podem
causar desgaste em mancais e rolamentos, problemas estruturais
ou ruídos.
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Domínio do Tempo e Domínio
da Frequência
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Tipos de Medição de Vibração
Fatores de Escala
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Vibração
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Domínio do Tempo e da FrequênciaO domínio da frequência é tudo ao redor de nós. Entretanto,
algumas vezes nós chamamos frequência por outros nomes. Por
exemplo, luz é frequência, som é frequência.
O corpo humano está limitado a um determinado “range” de
frequência, nós não podemos identificar certos tipos de defeitos
em máquinas, ou os defeitos em máquinas podem estar
mascarados por outros fora de nosso range de detecção.
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Domínio do Tempo e da FrequênciaAnalisando alguns destes problemas no domínio do tempo,
poderemos diagnosticar alguns tipos de defeitos. Entretanto, os
sinais no domínio do tempo para máquinas rotativas, se mostram
bastante complexos.
Para análise de vibração é necessário dominar diagnósticos no
domínio do Tempo e da Frequência para uma análise completa e
precisa.
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Domínio do Tempo e da FrequênciaUm gráfico no domínio do tempo
mostra como um sinal varia ao longo
do tempo; em contraste.
Um gráfico no domínio da
frequência, comumente chamado
de espectro de frequências, mostra
quanto do sinal reside em cada faixa
de frequência.
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Forma de onda de um rolamento com falhas pontuais nas pistas interna e externa, mostrando o sinal variando no tempo.
Exemplo de espectro, mostrando a amplitude em função da frequência
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Domínio do Tempo e da FrequênciaPara mover do domínio do tempo para o domínio da frequência, é
necessário aplicar a Transformada de Fourier ao sinal.
Utilizado na transformação do sinal no tempo em espectro de
frequência, a tecnologia de Fourier permitiu implementar nos
computadores um algoritmo com bastante precisão: a
Transformada Rápida de Fourier (FFT).
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Domínio do Tempo e da FrequênciaO osciloscópio é uma ferramenta comumente usada para
visualizar sinais do mundo real no domínio do tempo, enquanto
um analisador de espectro é uma ferramenta usada para visualizar
sinais no domínio da frequência.
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Domínio do Tempo e da Frequência
Forma de onda: é a representação do sinal no Domínio do Tempo.
Ela mostra o que está acontecendo a cada instante no tempo.
Exame da forma de onda pode revelar detalhes importantes das
vibrações que não são visíveis nos espectros de frequência.
Principal aplicação identificar a ocorrência de eventos de curta
duração, como impactos, e determinar a sua taxa de repetição.
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da Frequência
Frequência e Período
Fontes de Vibração
Amplitude e Frequência
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Fatores de Escala
Medição de FaseNível Global de
Vibração
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VIBRAÇÕES
Frequência e PeríodoA maioria das análises de vibração são realizadas usando-se o
espectro de frequência, ao invés da forma de onda.
Por exemplo para um motor desbalanceado, é muito mais fácil
pensar no rotor em termos de rotações, ou ciclos por minuto ou por
segundo (frequência), do que em termos de tempo necessário para
a realização de uma rotação (período).
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VIBRAÇÕES
Frequência e PeríodoRelação entre a frequência e o tempo é bastante simples:
A frequência (rotações por segundo) = 1 / período (em segundos).
O período (em segundos) = 1 / frequência (rotações por segundo).
Ciclos por minuto (CPM) é a unidade de frequência mais comum
utilizada no monitoramento da condição e na análise de máquinas
giratórias. Isto devido à relação existente entre essa unidade e a
rotação do eixo - RPM
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VIBRAÇÕES
Frequência e PeríodoA frequência é uma grandeza física que indica o número de
ocorrências de um evento (ciclos, voltas, oscilações etc) em um
determinado intervalo de tempo.
O tempo decorrido para a oscilação recebe o nome
de período (T)
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Frequência e Período
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Fatores de Escala
Medição de FaseNível Global de
Vibração
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Fontes de Vibração
Frequências geradas;
Frequências excitadas;
Frequências causadas por fenômenos elétricos /
eletrônicos.
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Existem três diferentes tipos de fontes de frequência em
máquinas:
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VIBRAÇÕES
Fontes de VibraçãoFrequências geradas, também chamadas de frequências
forçadas, são aquelas geradas pelos esforços girantes da máquina,
quando em funcionamento. Podemos citar como exemplo
desbalanceamento, frequência de engrenamento, passagem de
palhetas, frequência gerada por atrito em rolamentos, etc.
Frequências excitadas, também chamadas de frequências
naturais, são uma propriedade do sistema.
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VIBRAÇÕES
Fontes de VibraçãoUma amplificação da vibração, chamada de Ressonância, ocorre
quando a frequência gerada é “sintonizada” na frequência natural.
A frequência natural é normalmente referida a uma frequência
simples, porém a vibração é amplificada em toda “Banda de
frequência” ao redor da frequência natural.
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VIBRAÇÕES
Fontes de VibraçãoFrequências causadas por fenômenos elétricos/eletrônicos:
podem estar presente quando um sinal senoidal é recortado
(truncado) devido a um sinal saturado durante a coleta de dados.
Este fenômeno causa inserção de uma onda quadrada no
sistema, fazendo que o sinal de vibração se torne rico em
harmônicos, elevando o nível da medição global e induzindo um
erro na interpretação dos espectros.
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VIBRAÇÕES
Fontes de Vibração
Demonstração de como a vibração proveniente de uma variedade de fontes pode ser combinada.
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Amplitude e Frequência
Tipos de Medição de Vibração
Fatores de Escala
Medição de FaseNível Global de
Vibração
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Amplitude e FrequênciaAo analisar a vibração de um equipamento, através da análise
espectral busca-se encontrar dois componentes dos sinais de
vibração, a amplitude e a Frequência.
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Amplitude e FrequênciaAmplitude do sinal de vibração indica a gravidade da falha.
Quanto maior for a amplitude, maior será o problema.
A amplitude dependerá do tipo de máquina e sempre estará
relacionada ao nível de vibração de uma máquina sem defeitos.
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VIBRAÇÕES
Amplitude e FrequênciaFrequência é o número de vezes em que ocorre o ciclo de
vibração do sinal em um determinado espaço de tempo. A
frequência na qual a vibração ocorre indica o tipo de falha.
Falhas mecânicas geralmente produzem frequências
determinísticas. Por se estabelecer a frequência em que uma
vibração ocorre pode-se determinar precisamente a causa e a fonte
de tal vibração.
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VIBRAÇÕES
Amplitude e FrequênciaSe identificada a falha em um dado rolamento através da
identificação de suas frequências determinísticas de falhas na
maioria das vezes, não significa que o rolamento em si é a fonte do
problema. Geralmente, existe outro problema mecânico causando
os danos no rolamento.
Ao detectar esse defeito o analista deve automaticamente
investigar outros sintomas de falhas na máquina, tais como o
desalinhamento ou desbalanceamento.
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Fontes de Vibração
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Tipos de Medição de Vibração
Fatores de Escala
Medição de FaseNível Global de
Vibração
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VIBRAÇÕES
Tipos de Medição de VibraçãoAs unidades básicas de medição de
vibração são: o deslocamento, a
velocidade e a aceleração.
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Deslocamento
Velocidade
Aceleração
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Tipos de Medição de VibraçãoDeslocamento: refere-se à mudança, em termos de distância ou
posição, de um objeto em relação a um ponto referencial.
Amplitude é a magnitude do deslocamento. Quanto maior for a
amplitude do sinal da vibração, mais severa será a vibração.
Deslocamento: representa uma distância. É uma forma de
medição indicada para vibrações em máquinas de baixa frequência,
geralmente menores que 10 Hz (600 RPM).
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VIBRAÇÕES
Tipos de Medição de VibraçãoVelocidade: é a taxa de mudança de deslocamento. Medição em
velocidade excelente para problemas de vibração em máquinas de
velocidade média, como por exemplo, desbalanceamento,
desalinhamento, folgas mecânicas e defeitos em rolamento, em
situações de falhas avançadas.
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VIBRAÇÕES
Tipos de Medição de VibraçãoAceleração: medida em G’s, mm/seg² ou pol/seg², é a forma de
medição indicada para análises em altas frequências, em torno de
5000 Hz (300.000 RPM), como em redutores de alta velocidade e
em rolamentos.
Aceleração: normalmente medida em unidades de pico ou RMS,
dependendo dos padrões que estejam sendo utilizados.
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VIBRAÇÕES
Tipos de Medição de VibraçãoOs três tipos de grandezas usadas para medir vibração estão
diretamente relacionados.
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Tipos de Medição de VibraçãoDeslocamento: acentua as baixas
frequências e atenua amplitude de
frequências elevadas.
Aceleração: atenua as baixas
frequências e acentua as
frequências elevadas, inversamente
ao deslocamento.
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Velocidade: tem uma resposta plana ao longo da faixa de interesse.
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Medição de FaseNível Global de
Vibração
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Fatores de EscalaFator pico representa é a amplitude na forma de distância ao
pico máximo, seja ele positivo ou negativo, da forma de onda do
impacto medida a partir da referência zero.
Amplitude do pico é frequentemente utilizada na medição da
velocidade e da aceleração. Valor válido para indicação de choques
de curta duração, porém indica somente a ocorrência de pico.
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VIBRAÇÕES
Fatores de EscalaFator pico-a-pico é a amplitude medida a partir do ponto mais
alto da forma de onda em direção à parte mais baixa de sua base
negativa e é igual a duas vezes o valor de pico. A amplitude pico-a-
pico é muito utilizada para medir deslocamentos ou pontos de
Envelope.
Fator RMS (Valor Médio Quadrático) é geralmente usado para
medir a energia efetiva da vibração, que é aleatória ou que consiste
em muitos sinais de vibração em frequências diferentes.
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Fatores de EscalaO valor RMS é usado para estimar a severidade de vibração
proveniente da estrutura de uma máquina ou de fatores externos.
As relações entre os tipos de fatores são:
Pico-a-Pico= 2 x Pico.
Pico= 1,414 x RMS.
RMS= 0,707 x Pico.
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Fatores de Escala
Relação existente entre as amplitudes de medição para os fatores
pico-a-pico, pico e valor RMS.
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VIBRAÇÕES
Fatores de EscalaQuando se comparam os sinais de vibração: com os limites de
alarme ou os limites de vibração recomendados pelo fabricante da
máquina é imperativo que ambos os sinais sejam medidos na
mesma faixa de frequência e com os mesmos fatores de escala.
Quando comparar as leituras: a partir de instrumentos de um
fabricante ou de outras plantas industriais identifique os
instrumentos que foram usados para a obtenção das leituras, visto
que essa medida poderá auxiliar a identificar as incoerências.
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Fatores de Escala
Medição de FaseNível Global de
Vibração
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VIBRAÇÕES
Medição de FaseRelações de fase também podem ser empregadas para
diferenciar os defeitos de máquinas, além da avaliação da
amplitude e frequência dos picos espectrais.
Fase revela qual a sincronia entre os diversos componentes da
vibração e a diferença temporal entre dois componentes ou entre
um componente e um evento de referência fixa, como o pulso de
um tacômetro. Neste caso a fase é medida em graus.
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VIBRAÇÕES
Medição de FaseGeralmente determina-se a fase pela diferença de tempo entre
um pulso de referência e o próximo pulso do sinal de vibração em
estudo. A fase também pode ser usada para descrever a relação
entre dois eventos, como na figura.
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VIBRAÇÕES
Medição de FaseA massa desbalanceadora na posição A do rotor está a 180º de
fase com a massa desbalanceadora na posição B do rotor, que por
sua vez está causando uma força de desbalanceamento mais
elevada. Neste caso os mancais estão movendo em sentidos
contrários, já que a diferença de fase é igual a 180º.
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VIBRAÇÕES
Ângulo de FaseNa figura, o ponto de partida da massa desbalanceadora (ponto
vermelho) está na posição inferior do mancal. Na medida em que o
rotor gira o tacômetro realiza a obtenção dos dados.
Nesse ponto o sensor instalado horizontalmente sofre uma
força que é igual a zero.
54Posição inicial, fase igual a 0º
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VIBRAÇÕES
Ângulo de FaseQuando o rotor gira em direção anti-horária a massa
desbalanceadora alcança a posição de 3 horas correspondendo a
uma variação de 90º na fase, então o sensor capta um aumento de
força alcançando o seu ponto máximo, produzindo a maior leitura
positiva de força.
55Fase igual a 90º
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VIBRAÇÕES
Ângulo de FaseQuando o ponto vermelho atinge 12 horas ou realiza 1/2 volta o
valor da força no gráfico cruza o eixo, correspondendo a uma
variação de fase igual a 180º. Neste ponto a força sofrida pelo
sensor instalado horizontalmente é novamente igual à zero.
56Fase igual a 180º
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VIBRAÇÕES
Ângulo de FaseQuando o ponto vermelho gira 90º adicionais, completando 3/4
de volta a fase marca uma defasagem de 270º ficando em uma
posição oposta à posição do sensor. Neste ponto a força
desbalanceadora alcança o pico negativo referente a leitura
realizada pelo sensor.
57Fase igual a 270º
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VIBRAÇÕES
Ângulo de FaseO ponto pesado: gira então mais 90º correspondendo a um giro
de 360º. Neste ponto a força sofrida pelo sensor horizontal volta a
ser zero, completando o ciclo.
58Fase igual a 360º
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VIBRAÇÕES
Ângulo de FaseAmplitude e a frequência fornecem uma precisão de 80%
quando são realizadas como meios de diagnóstico e de análise.
Quando se adiciona a fase a precisão aumenta para mais de
95%.
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Domínio do Tempo e Domínio
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Frequência e Período
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Amplitude e Frequência
Tipos de Medição de Vibração
Fatores de Escala
Medição de FaseNível Global de
Vibração
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VIBRAÇÕES
Nível Global de MediçãoNível global de vibração é a energia total de vibração medida
dentro de uma faixa de frequência específica. Medido
numericamente, um valor global acima do normal fornece uma
indicação rápida de que “alguma coisa” está fazendo com que a
máquina ou o componente vibre anormalmente.
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VIBRAÇÕES
Nível Global de MediçãoMedições do nível global de vibração também são
recomendadas para os operadores de máquinas ou de salas de
controle. Os operadores podem carregar os medidores em suas
inspeções diárias às máquinas e obter leituras rápidas verificando se
os níveis de vibração estão ou não dentro de parâmetros aceitáveis.
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VIBRAÇÕES
Nível Global de MediçãoFaixa de frequência para a qual a leitura do nível global é
realizada é determinada pelos equipamentos de monitoramento.
Alguns coletores de dados possuem suas próprias faixas pré-
definidas de frequência para a realização de medições de nível
global. Outros coletores de dados permitem ao usuário escolher a
faixa de frequência para as suas medições de nível global.
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VIBRAÇÕES
Nível Global de MediçãoQuando os valores de nível global são comparados é importante
que ambos os valores sejam obtidos na mesma faixa de frequência.
Instrumentos de monitoração mais avançados e os de bandas de
frequência fixas fornecem uma multiplicidade de tipos de medições
de nível global, cada qual monitora uma faixa de frequência
específica.
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VIBRAÇÕES
Nível Global de MediçãoCaneta de vibração permite monitorar o nível global em
velocidade de vibração entre 10Hz e 1kHz e nível global em
aceleração entre 10kHz e 30kHz.
Isso permite concentrar-se nas vibrações associadas à rotação
ou à sinais estruturais de baixa frequência ou nas vibrações que
ocorrem nas frequências mais altas, como por exemplo, as
vibrações dos elementos rolantes de um rolamento ou das
engrenagens de um redutor.
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VIBRAÇÕES
Nível Global de MediçãoMonitoramento do nível global de vibração é uma boa
ferramenta de detecção de sinais gerados por componentes da
máquina, que gerem frequências características que estejam dentro
da faixa de frequência do instrumento de monitoramento.
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VIBRAÇÕES
Nível Global de MediçãoAlguns componentes de máquinas que giram a baixa velocidade
e suportam grande carga, tais como os rolamentos de máquinas de
papel necessitam de informações adicionais para a realização de
um monitoramento adequado, ou seja, informações que estejam
relacionadas especificamente a frequências características de falha.
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VIBRAÇÕES
Nível Global de MediçãoÉ importante lembrar que neste caso a detecção não é uma
análise. Caso um valor global de medição aumente deve-se realizar
um monitoramento e uma análise mais detalhada para se
determinar a causa do aumento da vibração e ainda determinar o
melhor momento para se realizar a manutenção corretiva
planejada.
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