Vibrações e AcelerômetrosJim Naturesa e Leonardo Gonçalves

Professora Karen Paulino

MarcaInstituição

Ensino

Sumário

1) Introdução;

2) Vibrações;

3) Medição e acelerômetros;

4) Acelerômetro piezoelétrico;

5) Aplicações;

6) Referências.

Introdução

• A vibração normalmente ocorre devido aos efeitos dinâmicos de tolerâncias de fabricação, folgas, contatos, atrito entre peças de uma máquina.

• As vibrações podem excitar as freqüências naturais das peças que compõem o sistema, fazendo com que sejam amplificadas podendo até danificar o conjunto estruturalmente.

Introdução

• Nos últimos 15 anos foi criada uma nova tecnologia de medição de vibração, permitindo avaliar máquinas que funcionam em alta velocidade e num elevado ritmo de solicitação.

• Utilizando acelerômetros piezoelétricos, com a finalidade de converter o movimento vibratório em sinais elétricos, o processo de medição e análise é habilmente realizado graças à versatilidade de aparelhos eletrônicos.

O que é vibração?

• Diz-se que um corpo vibra quando descreve um movimento oscilatório em relação a um corpo de referência. O número de ciclos do movimento em um segundo é chamado de freqüência, medido em hertz (Hz).

O que é vibração?

Vibração

• Na prática, os sinais de vibração consistem geralmente de inúmeras freqüências, que ocorrem simultaneamente.

• Não se pode observá-las analisando as respostas de amplitude com relação ao tempo na tela de um osciloscópio, nem determinar quantos componentes de vibração há e onde eles ocorrem.

• Com a utilização da técnica de análise de freqüência, pode ser construído um espectrograma de freqüência, ou seja, um histograma que relaciona a amplitude (ou nível) do sinal com a sua respectiva freqüência.

Medição e acelerômetros

• A amplitude da vibração pode ser quantificada de diversas maneiras, tais como: nível pico-a-pico, nível de pico, nível médio e o nível quadrático médio ou valor eficaz (ou RMS – Root Mean Square).

• O valor pico-a-pico indica a máxima amplitude da onda senoidal e é usado, por exemplo, onde o deslocamento vibratório da máquina é parte crítica na tensão máxima de elementos de máquina.

• O valor de pico é particularmente usado na indicação de níveis de impacto de curta duração.

Medição e acelerômetros

• O valor médio é usado quando se quer se levar em consideração um valor da quantidade física da amplitude em um determinado tempo.

• O valor RMS é a mais importante medida da amplitude porque ele mostra a média da energia contida no movimento vibratório - mostra o potencial destrutivo da vibração.

Medição e acelerômetros

Unidades de vibração

Unidades de vibração (ISO 1000)

Deslocamento m, mm, m

Velocidade m/s, mm/s (ou m.s-1, mm.s-1)

Aceleração m/s2 (ou m.s-2) 1g = 9,81 m/s2

Acelerômetro piezoelétrico• A essência desse tipo de acelerômetro é o material

piezoelétrico, usualmente uma cerâmica ferro-elétrica polarizada artificialmente. Quando mecanicamente tensionada, proporcional à força aplicada, gera uma carga elétrica que polariza suas faces.

• Os acelerômetros piezoelétricos não necessitam de fonte de alimentação, ou seja, o sinal de saída pode ser conectado diretamente ao medidor de vibrações.

• Além disso, não possuem partes móveis e geram um sinal proporcional à aceleração, que pode ser integrado, obtendo-se a velocidade e o deslocamento do sinal.

Acelerômetro piezoelétrico

Acelerômetro piezoelétrico

• O material piezoelétrico é colocado entre uma base sólida fixa e um elemento móvel.

• Este elemento é acionado por um diafragma, gerando um a força eletromotriz proporcional à força aplicada.

• Os principais materiais piezoelétricos são: cristais – sem centro de simetria, cerâmicas – a piezoeletricidade é induzida por aplicação de um elevado campo elétrico a uma determinada temperatura e os polímeros.

Acelerômetro piezoelétrico

Acelerômetro piezoelétrico• A tensão saída de um acelerômetro piezoelétrico é proporcional a

força aplicada ou a derivada segunda do deslocamento, ou seja:

• Onde q é a carga produzida no material piezoelétrico, C é a capacitância e Vout é a tensão de saída. Um sensor de aceleração calibrado possui a seguinte relação entrada/saída:

• Onde K é a sensibilidade do acelerômetro [mV/g].

out

out

VCq

VqFx

..

..

xKVout

Faixa útil de operação

Circuitos típicos

Configuração básica de medição

Equações básicas

• Analisando a figura anterior temos:

321

1

CCC

qV

C

qV

EF

AB

fout C

qV

Aplicações

• Segundo Bezerra (2004) e Michalak et al. (2007) os rolamentos podem gerar vibrações devido a variações de conformidade, ou, dos esforços entre seus componentes no tempo.

• As variações dos esforços estão diretamente relacionadas ao número de esferas ou rolos.

• Ao longo do tempo, esses esforços tendem a causar fadiga nos componentes do rolamento.

• Há diversas técnicas de detecção de falhas nos rolamentos tais como, técnicas no domínio do tempo, no domínio da freqüência, cepstrum e a técnica no domínio tempo-freqüência.

Aplicações

• Em geral, os rolamentos estão submetidos a cargas radiais que geram um campo de carga. À medida que as esferas entram e saem da dessa região surgem vibrações no rolamento, mesmo estando o rolamento em perfeito estado.

Aplicações

Aplicações• Como qualquer peça, os rolamentos

apresentam deterioração com o uso. Um rolamento pode apresentar falha prematura por uma séria de razões. Podem-se destacar:

• Lubrificação inadequada;• Montagem incorreta;• Retentores inadequados; • Desalinhamento;• Passagem de corrente elétrica;• Vibrações externas;• Defeitos de fabricação;• Fadiga.

Falha na superfície de um rolamento

Valor de pico e RMS de um rolamento com defeito

Energia residual

Bancada de ensaios

Resultados• Parâmetros utilizados para implementação dos modelos

matemáticos obtidos a partir de rolamentos com falhas induzidas.

Resultados

• Resultados das medições.

Resultados

• Pista interna de um rolamento com defeitos.

Resultados – Valores de pico e RMS• A figura a seguir apresenta os dados obtidos no ensaio;

os valores de pico e RMS aumentam consideravelmente a partir do trigésimo quinto dia indicando a falha.

Resultados – Energia residual• Segundo Bezerra (2004) a técnica da energia residual se mostrou

um bom método para detecção deste tipo de falha. Na figura a seguir pode-se verificar que o início da falha começou no trigésimo sétimo dia de ensaio.

Resultados• Comitti (2006) realizou alguns testes em um sistema de exaustão e em um

motor de uma bomba de uma torre de refrigeração. • A seguir os resultados dos sistema de exaustão.

Resultados

• A figura apresenta uma foto do rolamento; a gaiola estava quebrada e continha apenas quatro esferas.

Resultados• A figura apresenta o gráfico da aceleração por tempo do motor da bomba da torre de

refrigeração. • Todos os pontos medidos estão acima da linha de alerta, indicando falta de

lubrificação.

Resultados

Referências• Bezerra, R. Detecção de Falhas em Rolamentos por Análise de Vibração. Tese de doutorado,

Faculdade de Engenharia Mecânica, Unicamp. 2004.

• Cetinkunt, S. Mechatronics. John Wiley & Sons. 2007.

• Comitti, A. Monitoramento de condições através da vibração. Mecatrônica Atual. Editora Saber.

Dezembro/janeiro, 2006-2007. • Fernandes, J. Segurança nas Vibrações sobre o Corpo Humano.

http://wwwp.feb.unesp.br/jcandido. 2000.

• Marques, A. Conversão de unidades de vibração. Mecatrônica Atual. Editora Saber. Junho/julho, 2007.

• Michalak, E., Fagundes, M. e Saturnino, A. Análise de vibração em estufas de secagem de madeira. Mecatrônica Atual. Editora Saber. Junho/julho, 2007.

• Medição de Vibrações – Aspectos Gerais. http://www.isegnet.com.br/1index.asp. 2007.

• Paulino, K. Medidas de grandezas dinâmicas. Unicamp. 2007.

• Webster, J. (Coordenador). The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook. CRC Press and IEEE Press. 1999.