O que é ODS e como ele pode ser utilizado para solução de não conformidades estruturais?

De forma geral, a análise de vibração tem como objetivo principal garantir a disponibilidade para a operação, segurança e integridade estrutural de um componente, equipamento ou estrutura. Um equipamento em operação gera vibrações, e mesmo que esteja em repouso (fora de operação), poderá vibrar por estar excitado por uma força externa (por uma carga de vento por exemplo).

No dia a dia do campo, a análise vibracional é realizada pela coleta das vibrações que estes equipamentos estão submetidos. A coleta é dada por meio de acelerômetros. Esses acelerômetros vibram, e ao vibrar, geram sinais elétricos de corrente baixa que são lidos por um sistema de aquisição de dados. Tais dados são tratados por meio de algoritmos específicos, possibilitando a análise da vibração.

Nos dias de hoje, essa análise vibracional pode acontecer on-line (com os acelerômetros montados diretamente e permanentemente no objeto) ou off-line, com o engenheiro coletando esses dados em campo.

Mediante os dados tratados pelos algoritmos, os envolvidos no processo buscam detectar falhas prematuramente ou investigar as razões de falhas já conhecidas. Entre os problemas mais comuns, que podem causar inconvenientes devido à vibração, encontrados em campo no dia a dia da empresa, destacam-se: cavitação em bombas; falhas do motor elétrico; falhas nos redutores; desequilíbrio, falhas de rolamento, desalinhamento, ressonância; entre outros inconvenientes.

O ODS é uma metodologia utilizada no dia a dia da análise de vibrações. Para seu entendimento, alguns conceitos acadêmicos são importantes de serem relembrados:

Grau de Liberdade (GDL):

Conforme determinado por RAO (2009), para a análise de vibrações, o sistema mais simplificado é o modelo com um GDL, cujo movimento é determinado por uma específica coordenada ou uma variável. Sendo assim, o GDL é um determinado número mínimo de pontos coordenados para a determinação do posicionamento e movimento deste sistema.

Vibração livre:

Vibração livre é caracterizada quando um determinado objeto sofre uma inicial perturbação e, após este momento, ele prossegue vibrando por conta própria, sem a atuação de qualquer força externa provocando vibrações adicionais no sistema. O exemplo clássico de vibração livre é um pêndulo simples. Após o seu deslocamento para o ponto de partida e a sua liberação, inicia-se movimento oscilatório sem qualquer atuação de forças externas.

Vibração forçada:

A vibração forçada difere-se da vibração livre, pois nesse caso forças externas agem sobre o sistema em estudo. O exemplo clássico de vibração forçada é a cadeira de balanço que, após uma perturbação inicial, necessita de uma perturbação contínua para que o movimento oscilatório da criança no balanço continue.

No dia a dia da indústria, desbalanceamentos em componentes submetidos à rotação como polias, volantes, ventiladores, etc.. são exemplos comuns. Na prática, a vibração forçada pode ser causada por fatores como: quebra de um determinado componente que possa excitar a estrutura em uma diferente frequência (quebra de um dente de engrenagem de um redutor, por exemplo); dimensionamento estrutural inadequado; desalinhamentos na estrutura acima do previsto em projeto; excitações externas e/ou do ambiente não previstas; desbalanceamento de massas durante a fabricação do componente (massas desbalanceadas em polias, tambores, volantes, ventiladores, etc.).

Frequência natural:

É a frequência característica ou seu conjunto particular de um determinado objeto em situação de vibração livre. Essa frequência é determinada por fatores como geometria, massa, dimensões e materiais envolvidos na formação do objeto em estudo. Para objetos simples, uma forma relativamente fácil de se obter as frequências naturais é excitar o objeto e posteriormente colocá-lo em vibração livre, com único carregamento externo sendo o gravitacional. Dessa forma, a frequência natural pode ser medida por instrumentação adequada.

Análise modal:

Para equipamentos e estruturas complexas (máquinas de pátio, transportadores, prédios em estrutura metálica, etc.), deve-se realizar uma análise modal para encontrar as frequências naturais da estrutura. Para a essa avaliação, lança-se mão de parâmetros como rigidez e massa do objeto em estudo. A análise modal é uma ferramenta muito importante para a promoção da integridade estrutural de um ativo, seja durante o seu projeto ou durante a sua operação. Quando se tem conhecimento das frequências naturais do objeto, suas fontes de excitação devem ser então pesquisadas. Exemplos dessas fontes são motores, redutores, peneiras, equipamentos rotativos em geral que tenham interface com o sistema. Dessa forma, pode-se evitar a ocorrência do fenômeno de ressonância. O Gif 1 mostra uma análise modal realizada pela KOT.

Importante destacar que por meio desta análise obtém-se a resposta modal do objeto, em que cada frequência natural está associada a um modo, uma forma de vibrar (shape). Para análise em campo, de um sistema que possui várias fontes de excitações, a análise ODS é indicada e pode trabalhar contribuindo com a análise modal, principalmente em casos onde exista sobreposição de frequências. Nesses casos, é possível a ocorrência de ressonância em múltiplos modos estruturais.

Ressonância:

Este fenômeno ocorre quando as frequências das fontes de excitação no equipamento, estrutura ou regiões próximas, são próximas ou iguais às frequências naturais do sistema em estudo. Quando isso ocorre, caso não seja amortecido, o objeto em estudo/análise pode apresentar deslocamentos elevados que, muitas vezes, não foram considerados no projeto do equipamento. Tais deslocamentos podem causar fenômenos como fadiga de baixo ciclo, diminuição da vida de componentes e até o colapso estrutural do objeto. O Gif 2 mostra o notório caso da Tacoma Narrow Bridge em ressonância com as cargas de vento.

Domínio do tempo:

De modo a facilitar o entendimento, pode-se interpretar a vibração no domínio do tempo como a soma de todas as contribuições vibracionais que o equipamento sofre ao longo do tempo. Sendo assim, os somatórios de cada equipamento podem ser percebidos, e na prática correspondem à vibração que o corpo humano sente quando está em um objeto que vibra. Como exemplo, quando se está em um transportador de correia, é a vibração que o colaborador percebe no passadiço. É o somatório das vibrações do motor, redutor, tambores, correia, roletes, carga de vento e etc. interagindo entre si.

Domínio da frequência:

Quando o domínio da frequência é analisado, é possível separar a contribuição que cada componente da vibração apresenta no objeto. De forma a clarear esse entendimento, MASTRIANI (2018) apresenta na Figura 1 uma comparação entre o domínio do tempo e o domínio da frequência. Do lado esquerdo, percebe-se a vibração de dois componentes atuando no objeto e a vibração resultante que representa a análise no domínio do tempo. Do lado direito da figura, pode-se analisar a contribuição separada dos dois componentes, que se configura a análise no domínio da frequência. Sendo assim, no lado esquerdo percebe-se a amplitude do sinal no domínio do tempo e no lado direito a amplitude do sinal no domínio da frequência.

Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transform – FFT)

A FFT é um artifício matemático que serve para discretizar as vibrações do domínio do tempo para o domínio da frequência. Na prática, elabora-se um algoritmo para a realização dessa transformada para o tratamento dos dados coletados ou é utilizado um programa comercial específico para a realização deste tratamento de dados.

ODS

Conforme definição de DOSSING (1988), ODS (Operating Deflection Shape – Forma de Deflexão Operacional) pode ser medido em um determinado objeto diretamente, por meios relativamente simples. Esta metodologia fornece informações muito úteis para entender e avaliar o comportamento dinâmico de um componente, equipamento ou estrutura.

RICHARDSON (1997), tem as seguintes definições para ODS:

• ODS define-se como a deflexão de um objeto (estrutura, componente ou equipamento) em uma específica frequência. De uma forma mais generalista, a metodologia pode ser definida como qualquer movimento forçado de dois ou mais pontos em um objeto. Nesse contexto, quando se determina o movimento a partir de duas ou mais coordenadas, consegue-se assim definir uma forma de deflexão (shape);
• Uma forma é o movimento de um ponto coordenado em relação a todos os outros. Nesse contexto, o movimento constitui uma quantidade vetorial, possuindo localização e direções associadas a ele. Esta quantidade vetorial é também conhecida como um importante conceito do estudo de vibrações conhecido como GDL;
• O ODS pode ser definido e determinado a partir de um deslocamento específico de uma vibração forçada, seja em um determinado momento ou em uma frequência específica. Dessa forma, o ODS pode ser obtido para vários tipos de respostas no domínio do tempo, sejam estas respostas realizadas de forma senoidal, pontuais ou completamente aleatórias.

Na prática, como o ODS pode contribuir com a integridade estrutural do seu ativo? A KOT sugere os seguintes passos para atendimento quando o cliente se depara com um novo fenômeno que prejudica o conforto humano e/ou pode trazer danos ao seu ativo:

1. A partir do relato do cliente sobre seu ativo, estuda-se por meio de desenhos (estruturais, civis e/ou mecânicos) todo o sistema envolvido, bem como os limites de bateria para a definição do modelo. Nesse estudo, faixas de frequência e fontes de excitação possíveis são levantadas para o planejamento da solução. É importante nesta fase que o engenheiro tenha bem claro o conhecimento sobre o histórico do equipamento e condições de operação realizadas, principalmente quando o fenômeno indesejado de vibração ocorre;
2. Define-se a necessidade ou não da realização da análise modal para a investigação do fenômeno;
3. A partir do prévio estudo são definidos os acelerômetros que serão utilizados, assim como a eletrônica disponível com o número compatível de canais. Pontos de coleta também são definidos e eventuais desvios que possam ocorrer durante a realização dos ensaios são levantados para mitigação;
4. Procede-se a coleta de dados em campo com a eletrônica especializada para o atendimento da demanda. O equipamento deve estar nas condições que o fenômeno de vibração inconveniente ocorre, de forma que o modelo reproduza a realidade. Outras faixas de frequência e operação podem ser exploradas, de forma a detectar outras futuras não conformidades ocultas;
5. Voltando do campo, dispondo de ferramentas matemáticas específicas para tal, os dados são tratados e analisados. As informações obtidas no pré-estudo realizado são confrontadas com os dados coletados de forma a se realizar o diagnóstico do fenômeno. Nessa confrontação, vários questionamentos são realizados, como: quais as direções e deslocamentos que o ativo realiza; qual o comportamento da estrutura quando excitada; quais as diferenças de deslocamento dos vários pontos do ativo entre si; quais as fontes de excitação que contribuem mais para o fenômeno percebido, entre outras;
6. Compreendendo os dados estudados e analisados, é apresentado um relatório com o diagnóstico obtido, bem como ações requeridas para a resolução do inconveniente encontrado.

Conclusão

Caso tenha necessidade de soluções em ODS e análise de vibrações para a promoção da integridade estrutural do seu ativo, entre em contato. A Kot possui profissionais qualificados e equipamentos específicos disponível para contribuir com a solução para seu ativo. Estamos aqui, desde 1993 impulsionando os resultados dos nossos clientes.

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Referências:

[1] MASTRIANI, Mario. Quantum-classical algorithm for an instantaneous spectral analysis of signals: a complement to Fourier Theory. 2018;

[2] RAO, Singiresu S. Vibrações mecânicas. Pearson Educación, 2009;

[3] DOSSING, Ole. Structural stroboscopy-measurement of operational deflection shapes. Sound and Vibration Magazine, v. 1, p. 18-24, 1988;

[4] RICHARDSON, Mark H. et al. Is it a mode shape, or an operating deflection shape?.Sound and Vibration, v. 31, n. 1, p. 54-67, 1997.