Um dos cartões de falha do Augury que pode ser atribuído a qualquer componente (motor, caixa de engrenagens, bomba, ventilador, um ativo inteiro, etc…) é chamado de Ressonância. É um tópico muito complicado; pode ser difícil de entender, difícil de diagnosticar e, às vezes, pode ser difícil ou caro de consertar.
Para entender o que é Ressonância, primeiro precisamos definir alguns termos.
- Frequência Natural: Também conhecida como frequência de toque, esta é a frequência da oscilação livre de uma estrutura deslocada de seu equilíbrio. Um exemplo é um diapasão ou um sino... quando você bate nele, a frequência que seus ouvidos ouvem é a Frequência Natural. Ela é independente de qualquer sinal de entrada e é uma propriedade de uma estrutura. Ela é ditada pela massa, rigidez e amortecimento de uma estrutura. Quando a energia é inserida na estrutura por impacto e ela é permitida a vibrar sem ser perturbada, ela vibrará (tocará) na frequência natural.
- Frequência de força: para o propósito desta discussão, uma frequência de força é a frequência de entrada de energia para uma estrutura. Um exemplo disso é a velocidade de operação (também conhecida como frequência operacional) de um eixo em um equipamento rotativo. Cada eixo tem algum leve desequilíbrio residual, e se o eixo estiver girando a 1800 rpm, então a energia está sendo inserida pelo eixo a 1800 rpm. Se o eixo estiver conectado a uma bomba de palhetas que tem 9 palhetas de bombeamento, então essas palhetas estão passando por uma parte estacionária desse equipamento 9 vezes para cada rotação do eixo... então a frequência de força seria 9 * velocidade do eixo = 9 * 1800 = 16.200 rpm.
- Ressonância: A ressonância ocorre quando uma frequência de força coincide com uma frequência natural e faz com que a magnitude da vibração de entrada forçada seja amplificada. Seguindo o exemplo acima para um eixo girando a 1800 rpm, se a frequência natural da estrutura também for 1800 rpm, então a máquina está em Ressonância.
Toda estrutura tem Frequências Naturais, e todo equipamento rotativo tem Frequências de Força. No entanto, a Ressonância só acontece quando essas frequências se alinham umas com as outras. Uma frequência natural de uma estrutura geralmente não muda ao longo de sua vida, mas uma frequência de força pode mudar. Por exemplo, quando o motor funciona em velocidades diferentes (VFD), ele está efetivamente mudando sua frequência de força.
Para complicar ainda mais as coisas, a ressonância pode existir em uma estrutura, mas pode não ser realmente um problema. Este é o caso quando há uma mudança perceptível na vibração em certas velocidades da máquina, mas a amplitude da vibração não é tão alta a ponto de ser perigosa ou causar danos à máquina. Veja a imagem acima, onde há uma ressonância a 37 Hz, mas a amplitude da vibração para esse tipo de máquina não é uma preocupação (0,25 ips versus 0,35 ips). A ressonância é uma preocupação quando a amplitude da vibração durante as condições de ressonância está criando tanto movimento e energia que pode causar problemas de confiabilidade. O início deste artigo mencionou que a ressonância é um cartão de falha que o Augury pode atribuir. Na verdade, a ressonância é uma condição e só se torna uma falha quando as amplitudes de vibração se tornam uma preocupação.
- Ressonância no Monitor pode significar que há evidências de uma possível condição de ressonância, mas talvez não tenhamos visto o suficiente das velocidades de execução para determinar se as amplitudes estão muito altas. Também pode significar que a Ressonância foi identificada, mas estamos observando-a para ver quanto tempo ela gasta em altas amplitudes para ponderar uma decisão sobre se vale a pena prosseguir com os reparos.
- Ressonância em Alarme ou Perigo significa que as amplitudes de vibração são altas e podem estar causando danos prematuros à máquina, podem causar falha instantânea ou podem ser perigosas do ponto de vista da segurança.
Então, você acha que tem um bom controle sobre Ressonância? Bem, deixe-me jogar outra chave inglesa na mistura. Lembra quando eu disse acima "Toda estrutura tem Frequências Naturais, e todo equipamento rotativo tem Frequências de Força?" Observe o plural em Frequências. Não apenas uma estrutura inteira pode ter uma Frequência Natural, mas diferentes partes de um ativo podem ter sua própria Frequência Natural, o que significa que você não está lidando apenas com uma frequência, mas com muitas frequências. E já falamos sobre como pode haver múltiplas frequências de força em equipamentos rotativos, não apenas velocidade do eixo e malha do rotor, mas frequências de malha de engrenagens, frequências de rolamentos ou mesmo frequências específicas para o projeto da máquina e o que ela está fazendo (como frequências dinâmicas de fluidos).
Aqui está um diagrama de corpo livre de uma bomba vertical simples com um tubo independente saindo da lateral (faça graça no desenho, é só um exemplo!).
O motor, a bomba e o tubo têm cada um sua própria frequência natural. Não só isso, mas as combinações de acessórios têm cada uma uma frequência natural e, finalmente, toda a estrutura montada na base tem uma frequência natural. Testar para descobrir qual parte do ativo pode estar causando ressonância e o tipo de ressonância pode ser extremamente exaustivo e pode exigir vários métodos de teste muito avançados. Sempre que uma máquina Augury é marcada com um cartão de falha de ressonância, não podemos realmente dizer qual componente pode estar com defeito ou onde melhorias devem ser feitas. Portanto, a solução de problemas provavelmente precisa começar fazendo alguns ajustes por vez e observando as mudanças na vibração.
O que fazer
O que nos leva à grande questão.O que fazemos em caso de falha de ressonância?Bem, se a ressonância só existe quando uma frequência natural e uma frequência de força se alinham... então basta mover uma frequência para que elas não se alinhem mais. Simples de dizer, mais difícil de fazer. Vamos começar tentando mover a Frequência de Força, o que pode ser feito definindo instruções de operação ou implementando intertravamentos de velocidade (para evitar que a máquina gire nas frequências problemáticas conhecidas). Quando o Augury identifica a Ressonância, também podemos fornecer informações como a faixa de frequência em que a Ressonância é um problema. Se uma frequência natural estiver em 32 Hz, a comunicação pode ser para evitar velocidades entre 28 e 36 Hz. Veja abaixo os dados de tendência e como esses dados se parecem quando a velocidade e a vibração são plotadas juntas.
No gráfico acima, você vê picos aparentemente aleatórios na tendência de amplitude de vibração (tendência superior). Mas eles não são aleatórios. Olhando mais de perto esses dados e as velocidades correspondentes (tendência inferior), essas altas amplitudes de vibração são devidas a uma ressonância em torno de 32 Hz!
Se você plotar os dados de velocidade do motor em relação à amplitude de vibração, você pode ver que a vibração é elevada quando o motor está funcionando entre 28 e 36 Hz. Se essa velocidade for algo fácil de evitar, então simplesmente definir limitações de velocidade melhorará a confiabilidade do ativo.
A razão pela qual esta é uma faixa de frequência em vez de apenas uma frequência é por causa de uma propriedade estrutural chamada amortecimento. Aumentar o amortecimento em uma estrutura pode reduzir a amplitude da vibração e pode mover ligeiramente a frequência de ressonância. No entanto, aumentar o amortecimento pode tornar a faixa de frequências onde a ressonância ocorre ainda mais ampla, o que significa que você tem que evitar a operação em mais velocidades. Se você puder diminuir a amplitude causada pela ressonância o suficiente para que ela não se torne mais uma preocupação, então o amortecimento pode ser uma opção. Caso contrário, adicionar amortecimento pode piorar suas vibrações operacionais. Isso nos leva à nossa segunda opção para frequências se moverem durante a ressonância: a frequência natural.
A Frequência Natural pode ser manipulada levemente ajustando o amortecimento, mas não apreciavelmente. A melhor maneira de alterar uma Frequência Natural é ajustando a Massa ou Rigidez. Aumentar a massa ou diminuir a rigidez move a Frequência Natural para uma frequência mais baixa. Diminuir a massa ou aumentar a rigidez move a Frequência Natural para uma frequência mais alta. Uma analogia fácil é uma corda de violão. Se você dedilhar a corda e girar o botão de afinação para apertá-la, isso faz com que a frequência aumente (rigidez aumentada). Se você adicionar uma massa à corda e tocá-la, ela vibrará em uma frequência mais baixa (massa aumentada). Ao mover uma Frequência Natural para longe de velocidades onde as Frequências de Força podem se alinhar a ela, você pode evitar que a ressonância aconteça.
Frequência natural n= Rigidez (k)Massa (m)
Sempre que tentar ajustar a Frequência Natural de uma máquina, é importante discutir isso com o Fabricante do Equipamento Original (OEM). Às vezes, eles têm soluções fáceis ou sugestões para combater a Ressonância. Ou eles podem informá-lo se suas alterações de design pretendidas podem danificar a máquina.
Por fim, se você realmente precisa tentar ajustar sua frequência natural, é uma boa ideia fazer testes extras ou simulações para garantir que as mudanças que você deseja fazer terão um efeito apreciável. Formas adicionais de teste incluem Análise de Impacto Modal (a forma bruta disso é chamada de Teste de Impacto), Análise de Forma de Deflexão Operacional (ODS) ou possivelmente Amplificação de Movimento para ajudar a identificar o modo de flexão.
Resumo
Ressonância é uma reação física natural que ocorre entre a frequência natural de uma estrutura e a frequência de força do equipamento rotativo. Essas frequências existem em todos os equipamentos rotativos e só se tornam um problema quando se alinham e causam amplitudes de vibração que aumentam o estresse nos componentes do equipamento. Pode ser complicado identificar e corrigir devido aos múltiplos componentes e frequências que existem para cada componente. Quando falhas ressonantes são identificadas, é importante corrigi-las para evitar sobrecarregar o equipamento. Esse estresse contínuo por longos tempos de execução eventualmente leva a falhas repetidas sem causa raiz óbvia.
