Em ambientes industriais, ressonância e vibração representam riscos significativos. Embora engenheiros considerem esses fenômenos no projeto, muitas vezes seu impacto é subestimado. Portanto, movimentos aparentemente pequenos podem gerar grandes prejuízos, principalmente quando se alinham à frequência natural do equipamento.
Toda máquina e sua estrutura de suporte possuem frequências naturais determinadas pela massa e pela rigidez do sistema. Quando uma força oscilatória coincide exatamente com essa frequência, ocorre a ressonância, amplificando o movimento e aumentando os riscos.
“Ressonância pode ser o assassino silencioso de qualquer máquina e estrutura de suporte.”
— Jack Difranco, Gerente Regional de Vendas Metrix para o Sudeste dos Estados Unidos
Principais causas de ressonância mecânica
A ressonância mecânica pode se originar de diversas situações. Entre as mais comuns, estão:
- Estruturas de suporte enfraquecidas por ferrugem, parafusos soltos ou rachaduras, que reduzem a rigidez.
- Durante partida ou desligamento, forças desequilibradas excitando frequências naturais próximas à velocidade de operação.
- Desgaste de rolamentos, modificando a rigidez e aproximando a frequência natural das forças forçantes.
- Desalinhamento ou rachaduras no rotor, alterando o comportamento estrutural.
Em todos esses casos, o ponto crítico é a proximidade entre a frequência natural e as forças aplicadas, o que aumenta significativamente a probabilidade de ressonância.
Um olhar profundo sobre ressonância e vibração
A ressonância mecânica acontece quando uma máquina ou estrutura é excitada por uma força que coincide com sua frequência natural. Por isso, em equipamentos rotativos ou recíprocos, isso explica por que precauções de balanceamento e alinhamento, por si só, nem sempre eliminam problemas de vibração.
Cada objeto possui frequências naturais próprias. Além disso, pequenas alterações no sistema — como desgaste, variação na lubrificação ou ajustes de alinhamento — podem aproximar essas frequências das forças forçantes. Consequentemente, a vibração tende a aumentar.
Um exemplo simples ajuda a entender: se você cantar no chuveiro e atingir uma nota que soe mais alta que as outras, encontrou a frequência natural do ambiente. Da mesma forma, ao afinar uma corda de violão, ela vibrará sempre na mesma frequência, revelando sua frequência natural.
A regra dos 20% na prevenção de ressonância
Para minimizar riscos, projetistas de máquinas costumam manter as funções forçantes (como velocidade de operação, número de pás do rotor ou frequência de engrenagens) pelo menos 20% afastadas das frequências naturais. Contudo, quando essa distância diminui, até pequenas variações imprevistas podem gerar ressonância.
Como a rigidez do sistema pode mudar com o tempo, as frequências naturais também variam. Por exemplo, máquinas com rolamentos de elementos rolantes costumam operar abaixo de sua primeira ressonância de balanceamento. Já equipamentos com mancais de filme fluido contam com o próprio fluido como amortecedor.
Como a ressonância amplifica a vibração
A vibração resulta da relação entre forças atuantes e rigidez do sistema. Quando a frequência dessas vibrações coincide com a frequência natural, a amplitude só é limitada pelo amortecimento presente.
- Em máquinas com mancais de filme fluido, a cunha de óleo atua como amortecedor, reduzindo o efeito.
- Em máquinas com rolamentos de elementos rolantes, essa camada é insuficiente, exigindo operação longe da ressonância.
Assim, se a máquina operar dentro de 15% da frequência natural, a vibração pode ser amplificada de 2 a 5 vezes. Como consequência, podem ocorrer danos graves: parafusos quebrados, soldas rompidas, fundações de concreto danificadas e desgaste prematuro de rolamentos.
Ressonância e vibração: exemplosreais
Oscilações amplificadas nem sempre precisam de grandes forças para acontecer. Por exemplo, uma ponte projetada para suportar 2.000 pessoas pode oscilar perigosamente com apenas 1.000 pedestres, caso eles caminhem em sincronia com a frequência natural da estrutura. Por essa razão, exércitos evitam marchar em passo cadenciado sobre pontes.
Diferença entre ressonância e vibração
A vibração é um movimento oscilatório causado por forças externas. Já a ressonância é um caso particular, no qual a frequência da vibração coincide com a frequência natural do sistema. Nesse ponto, o amortecimento é o único fator que impede a amplitude de crescer indefinidamente.
Matematicamente, a frequência natural é calculada pela raiz quadrada da razão entre a rigidez e a massa do sistema. Portanto, se não houver controle, a ressonância pode levar à falha catastrófica.
Como evitar ressonância em máquinas
Para prevenir problemas de ressonância e vibração em equipamentos rotativos e recíprocos, recomenda-se:
- Ajustar a frequência natural, adicionando reforços para aumentar a rigidez ou alterando a massa para afastar a frequência da velocidade de operação.
- Atravessar rapidamente a faixa ressonante durante partidas e desligamentos, reduzindo o tempo de exposição.
- Adicionar amortecedores, aumentando o amortecimento global e reduzindo a amplitude da vibração.
Entretanto, é importante lembrar que cada modificação pode ter efeitos colaterais. Por exemplo, adicionar massa pode afastar a ressonância, mas também aumenta a carga estrutural.
Atenção especial durante a instalação
Mesmo quando fabricantes projetam skids para evitar ressonância, a forma como o equipamento é fixado no solo pode alterar as frequências naturais. Portanto, é fundamental monitorar vibrações tanto no comissionamento quanto durante a operação contínua, evitando ressonâncias indesejadas.
Monitoramento contínuo: a chave para confiabilidade
Um sistema de monitoramento de vibração bem configurado é essencial para evitar danos e custos de reparo. Além disso, a Metrix fornece sensores, transmissores e chaves projetados para identificar e mitigar riscos de ressonância, garantindo maior segurança operacional.
A promessa Metrix
A equipe de engenheiros da Metrix tem experiência para indicar o sistema ideal de monitoramento, seja para complementar ou substituir soluções já existentes. Assim, oferecemos equipamentos confiáveis e acessíveis para manter máquinas funcionando de forma segura, evitando falhas e reduzindo custos de manutenção.
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Conteúdo adaptado de um artigo publicado em metrixvibration.com, por Jack Difranco, Gerente Regional de Vendas Metrix para o Sudeste dos Estados Unidos.
