A medição de vibrações é crucial para monitorar o funcionamento de máquinas e estruturas, sendo que diferentes transdutores e excitadores são utilizados para capturar e analisar essas vibrações. A análise no domínio do tempo e da frequência é fundamental para diagnosticar falhas e determinar o estado operacional das máquinas, permitindo a aplicação de manutenções corretivas, preventivas e prognósticas. Métodos como a análise modal experimental e medições da forma de deflexão operacional ajudam a entender o comportamento dinâmico e identificar problemas estruturais que possam surgir.

1. Na prática, a medição de vibrações é importante devido a vários
fatores, como níveis de produção excessivos, na qual as
máquinas tendem a funcionar em condições forçantes que geram
grandes vibrações.
O monitoramento das frequências naturais ajuda na configuração
das condições de operação das máquinas; além disso, é de
grande importância o monitoramento das vibrações causadas por
terremotos, ventos e ondas do mar em estruturas.

8. ESQUEMA BÁSICO DE MEDIÇÃO DE VIBRAÇÃO
A medição de vibrações segue o esquema apresentado na Figura , na
qual é possível perceber que o movimento vibratório é captado pelo
transdutor ou sensor; porém, como o movimento é razoavelmente
pequeno, deve-se utilizar um conversor de sinal que amplifica o sinal
para uma magnitude desejada para ser apresentada ou armazenada
para análise dos dados obtidos.

9. PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS PARA UM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES.

10. (1) Transdutor de resistência variável (LVDT): equipamento eletromecânico
usado para transformar movimento mecânico ou vibrações, especificamente
deslocamento variável linear, em uma corrente elétrica variável, voltagem ou
sinais elétricos. Usados principalmente para sistemas de controle
automático em tecnologias de medição.
O funcionamento desse sensor é baseado em três bobinas e um
núcleo cilíndrico de material ferromagnético de alta
permeabilidade. Ele dá como saída um sinal linear, proporcional
ao deslocamento do núcleo, que está fixado ou em contato com
o que se deseja medir.

11. (2) transdutor piezelétrico: utilizam materiais piezelétricos como
conversor de sinal, como, por exemplo, quartzo, turmalina, sulfato de
lítio, que geram carga elétrica quando sujeitos a uma deformação ou
tensão mecânica;
Acelerômetro
Dispositivo que mede a vibração ou a aceleração do
movimento de uma estrutura. A força causada por
uma vibração ou alteração do movimento
(aceleração) faz com que a massa "esprema" o
material piezoelétrico, produzindo uma carga
elétrica proporcional à força exercida sobre ele.
Acelerômetros piezoelétricos (sensores de vibração) podem ser de baixa ou alta
impedância, que geralmente são utilizados em altas temperaturas (> 120 °C), nas
quais não é possível utilizar os modelos de baixa impedância.

13. EXCITADORES DE VIBRAÇÃO
Os excitadores de vibração (ou vibradores) são usados em várias
aplicações, como na determinação de características das máquinas
e estruturas, em ensaios de fadiga de materiais, em testes de
vibração localizados, dentre outros.
Podem ser mecânicos, eletrodinâmicos ou hidráulicos.

14. EXCITADORES DE VIBRAÇÃO MECÂNICOS
O excitador mecânico é basicamente um mecanismo composto por um
motor e um braço de manivela em que o motor pode operar com
velocidade constante ou variável.
É possível vibrar uma estrutura aplicando uma força harmônica devido a
uma força de inércia ou devido a força de uma mola elástica.
Excitadores desse modo são utilizados para excitar frequências inferiores
a 30hz e cargas inferiores a 700 N.

15. EXCITADORES DE VIBRAÇÃO ELETRODINÂMICOS
Este excitador eletrodinâmico funciona de modo inverso ao
funcionamento de um transdutor de eletrodinâmico. O
equipamento analisado é excitado devido à corrente aplicada a
uma bobina instalada em um campo magnético.

16. EXCITADORES DE VIBRAÇÃO
Ao receber a tensão elétrica, o excitador eletrodinâmico gera um
deslocamento com intensidade proporcional à corrente e o fluxo
magnético.

17. ANÁLISE DE SINAL
A análise de sinal do sistema vibratório é de suma importância, pois
é através dela que os engenheiros serão capazes de definir
estratégias de resolução de problemas.
Diversas vezes, na análise de sinal, a resposta no domínio do tempo
não nos é útil; para tanto, devemos converter a resposta para o
domínio da frequência.

18. ANÁLISE DE SINAL
Observando a aceleração no domínio do tempo, como indicado na
Figura , não conseguimos tirar nenhuma conclusão. Porém, quando
convertemos para o domínio da frequência, podemos perceber um
acumulo de energia na frequência de 25 Hz, que pode indicar um
componente gerando uma vibração indesejada.

20. Os analisadores de espectro garantem a visualização no domínio da
frequência de um sinal separado em várias bandas simultâneas. Este
dispositivo é amplamente usado para monitoração de vibração em
tempo real.

21. Monitoração e diagnóstico de falha de máquinas
As máquinas produzem baixos níveis de vibração quando projetadas
adequadamente; porém, devido ao seu funcionamento, começam a
apresentar folgas devido ao desgaste natural das partes, desvios e
desbalanceamentos que aumentam os níveis de vibração.
Para tanto, os critérios de severidade para vibrações dados por normas como
a ISO 2372 são bons parâmetros para checagem e análise de vibrações.
Para que possamos manter uma máquina ou estrutura em boas condições,
são necessárias manutenções que podem ocorrer de três formas básicas:
Manutenção após avaria ou manutenção corretiva: este tipo de
manutenção é usado para máquinas baratas e que não oferecem riscos
devido a falhas, que consiste na utilização da máquina ou estrutura até sua
falha para, então, substituir a mesma ou parte dela.

22. Manutenção prognóstica por monitoração contínua: envolve o monitoramento
das condições de funcionamento das máquinas a fim de garantir a detecção de
condições de falha.
Manutenção preventiva: são manutenções programadas, feitas em
períodos fixos, estipulados por dados estatísticos de manutenções
anteriores. É um método caro, pois envolve paradas de produção,
substituição de partes sem necessidade e não elimina a possibilidade de
falha.

23. O monitoramento da vibração nos oferece diversas análises que nos
mostram dados importantes sobre as condições da máquina.
A análise no domínio do tempo nos fornece dados sobre a forma de
funcionamento da máquina com relação ao desgaste natural, que nos
permite criar dados estatísticos de manutenção para prever períodos de
monitoramento.
Já a análise no domínio da frequência nos fornece dados que nos permite
comparar como a máquina está e identificar partes com problema, já que
cada parte da máquina ou estrutura possui uma frequência identificável.

24. A análise no domínio da quefrência leva em consideração o inverso da transformada de
Fourier do logaritmo do espectro de energia denominado de cepstro, sendo:
Onde F{} é a transformada de Fourier e Sx(ω) é o espectro de energia do sinal x(t). O espectro
pode ser definido como o espectro do espectro da energia do sinal x(t).
Permite-nos identificar, de forma mais rápida, partes com defeito ou mau funcionamento.
Observe a diferença entre um gráfico no domínio da frequência de uma caixa de câmbio em
mau funcionamento e um gráfico do mesmo componente no domínio da quefrência, dados na
Figura a e b, respectivamente.

28. ENSAIOS DINÂMICOS DE MÁQUINAS E ESTRUTURAS
Existem basicamente dois métodos de ensaios dinâmicos usados em
vibrações:
• Medições da forma operacional de deflexão (ODS)
• Análise modal experimental.

29. A análise modal experimental é usada para a determinação das
frequências naturais, fatores de amortecimento e formas modais.
A ideia básica é que, quando uma máquina ou estrutura sofre uma
excitação, então apresentará um pico acentuado quando passar por sua
frequência natural (frequência de ressonância).
ANALISE MODAL EXPERIMENTAL

30. ANALISE MODAL EXPERIMENTAL
É um processo de análise dos fenômenos vibratórios que podem ser abordados
por técnicas teóricas numéricas e experimentais.
Estas são utilizadas para obter o modelo matemático representativo do
comportamento dinâmico de um determinado componente ou estrutura,
através das suas características naturais, frequência, amortecimento e modos de
vibração.
Uma análise modal detalhada permite determinar frequências naturais e
respetivos modos de vibração assim como o amortecimento. Esta análise é
relativamente simples, quando efetuada em componentes básicos, e pode ser
extremamente complicada quando se qualifica elementos ou estruturas
complexas, expostos a várias cargas externas.

31. Esses sistemas requerem a prévia determinação das frequências e respetivos modos
de vibração naturais através da aplicação de técnicas como a análise de elementos
finitos (MEF). A abordagem experimental pode servir para verificar ou validar os
resultados obtidos analiticamente.
ANALISE MODAL EXPERIMENTAL

32. O intuito da análise modal experimental é a obtenção de um modelo matemático
do sistema em estudo, que possa descrever com boa aproximação o
comportamento dinâmico de uma estrutura ou equipamento mecânico, pois, as
curvas das funções de resposta em frequência (FRFs) obtidas experimentalmente
não descrevem de uma forma direta as propriedades modais do sistema.
Devido a erros ou problemas verificados durante a análise experimental, todas
essas curvas possuem ligeiros erros ou incoerências entre elas, problemas que
são filtrados através duma identificação de um modelo matemático para o
sistema.
ANALISE MODAL EXPERIMENTAL

33. O método da análise modal experimental mais comum consiste em excitar a
estrutura e medir os sinais de força de excitação e os sinais de resposta nos pontos
considerados.
Os sinais de excitação e reposta são enviados a um analisador de sinais, que estima
as Funções de Resposta em Frequência (FRFs) entre os pontos medidos, ou, as
Funções de Resposta ao Impulso (FRIs) entre os mesmos pontos.
A análise modal experimental é assim concluída por meio da aplicação de métodos
de identificação de parâmetros nas funções obtidas diretamente do ensaio.
As técnicas de identificação dos parâmetros modais podem ser classificadas segundo
diversos critérios.
ANALISE MODAL EXPERIMENTAL

34. Provoca-se a excitação da estrutura através de um excitador cuja ação é medida através de
um sensor de força.
Posteriormente recolhe-se a resposta da estrutura através de um transdutor de resposta
que é lida num analisador espectral obtendo-se a função de resposta em frequência (FRF).
Um possível esquema experimental para a análise modal é apresentado na
Figura. O princípio subjacente ao ensaio experimental assenta na conjugação de
duas ações seguintes:
ANALISE MODAL EXPERIMENTAL

36. Esta função é em seguida identificada recorrendo a modelação direta na parte
teórica obtendo-se os parâmetros modais pretendidos.
ANALISE MODAL EXPERIMENTAL

37. Os parâmetros modais determinados experimentalmente podem servir como
modelo para outras e permitir assim a sua utilização em modificações estruturais.
A análise modal experimental verifica e/ou explica os problemas de dinâmica de
vibrações, resolvidos através de modelos analíticos, ou numéricos.
A análise modal permite assim dar mais confiança na obtenção da resposta para o
problema dinâmico sendo muitas vezes uma parte importante do processo.
ANALISE MODAL EXPERIMENTAL

38. Essa técnica de análise de vibrações consiste em estudar o comportamento
defletivo das máquinas a partir de esboços e animações em 3D que permitem:
• Analisar como a máquina está se movendo a partir das vibrações;
• Identificar possíveis defasagens que comprometam o sistema;
• Comprovar se a máquina está funcionando em ressonância;
• Identificar e corrigir problemas estruturais como desalinhamento e
desbalanceamento.
A partir da ODS, é possível analisar o modo de deflexão de um sistema, o que vem
a facilitar o entendimento sobre a dinâmica e os riscos que envolvem o desgaste
do mesmo.
MEDIÇÕES DA FORMA OPERACIONAL DE DEFLEXÃO

39. A análise ODS (Operating Deflection Shape ou Forma de Deflexão Operacional) é um
método usado para observar os padrões de vibração de uma máquina ou estrutura
causada por forças operacionais desconhecidas.
As medições de vibração são realizadas em diferentes pontos e direções de uma estrutura. Os
padrões de vibração resultantes são mostrados como um modelo de geometria animado ou
como uma tabela de valores.
MEDIÇÕES DA FORMA OPERACIONAL DE DEFLEXÃO

41. análise ODS (Operating Deflection Shape ou Forma de Deflexão Operacional)

42. análise ODS (Operating Deflection Shape ou Forma de Deflexão Operacional)