O Relatório Vibrações

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ Curso de Engenharia Mecânica Disciplina de Vibrações Mecânicas

Bianca Fagundes

Análise de Vibrações

CURITIBA/2016

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1. INTRODUÇÃO

A compreensão, estudo e analises de vibração são realizados com o propósito de impulsionar sua aplicação na engenharia, em projetos de máquinas, estruturas, turbinas, entre outros. As análises de vibrações são capazes prevenir acidentes, sejam eles referentes à engenharia civil na construção de edifícios ou, por exemplo, na manutenção em máquinas.

O presente relatório tem por finalidade, apresentar e descrever os dois casos de vibrações em uma barra engastada, na qual se localiza acoplado um acelerômetro piezoelétrico, responsável por transmitir os sinais de vibrações mecânicas, registrando-os no analisador de sinais HP3566. Os experimentos foram realizados no Laboratório de Dinâmica da Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR).

O primeiro caso, não amortecido trata-se de uma barra engastada presa por uma mola, para o segundo caso, com amortecimento, esta mesma barra estava presa por uma mola e acoplada em um amortecedor. Para a execução de cálculos foram utilizados o mesmo deslocamento inicial para efeitos comparativos.

1. Conceitos Fundamentais

Qualquer movimento que se repete depois de um intervalo de tempo é conhecido como vibração ou oscilação. (RAO,2011)

        Vibração é o estudo do movimento repetitivo de objetos em relação a uma estrutura estacionária, denominada referência ou posição nominal (geralmente equilíbrio). (INMAN, 2008)

        O sistema vibratório é considerado um meio para armazenamento de energia potencial, energia cinética e um meio no qual há dissipação de energia (amortecedor ou atrito).  

Para a realização de análise de vibrações utiliza se de sensores para efetuar as medições, os transdutores de vibração também são considerados fundamentais para controlar a condição de máquinas. Os transdutores são responsáveis pela transformação do sinal de vibração em um sinal elétrico, o qual poderá ser processado e por fim analisado. Contudo, sabe-se que as vibrações mecânicas podem ser analisadas levando em consideração três parâmetros conforme Figura 1, deslocamento, velocidade e aceleração (MATHIAS, 2012).

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Figura 1 – Deslocamento, velocidade e aceleração.

As vibrações podem ser classificadas através da excitação, podem ser livres, forçadas e amortecidas. Vibração livre ocorre quando o sistema sofre uma agitação inicial, e o mesmo é deixado vibrar por si só, ou seja, nenhuma força externa atuará sobre o sistema, pode-se adotar como exemplo de vibração livre a oscilação de um pêndulo simples. A vibração forçada é aquela na qual o sistema está sujeito a uma força externa, normalmente considerada uma repetição da força.

Vibração amortecida (Figura 2) considera-se aquela a qual a energia vibratória é dissipada no decorrer do tempo, ou seja, sabe-se por fim que os níveis vibratórios neste caso, diminuem gradualmente.

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Figura 2 – Comparação gráfica de um sistema amortecido e não amortecido.

Além de serem classificadas de acordo com a excitação, podem ser agrupadas conforme o tipo de força atuante no sistema. O retorno das vibrações podem apresentar características distintas conforme a força atuante. Pode-se identificar como forças atuantes, a força harmônica, periódica, transitória e aleatória.

Utilizando como exemplo um sistema contendo uma massa suspensa presa ao referencial por uma mola, Figura 3.  O corpo movimenta-se a partir da sua posição de repouso até suas extremidades, superior e inferior, regressando a sua posição inicial de repouso. Esse movimento oscilatório descrito é denominado ciclo de oscilação, ou seja, qualifica-se vibração no momento em que esse ciclo repete-se por mais vezes em uma unidade de tempo.

O tempo de um ciclo oscilatório é denominado de período, e essa porção de ciclos contida em uma unidade de tempo é conhecida como frequência.  

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Figura 3 – Representação esquemática de um corpo em vibração livre não amortecida.

1. Ressonância

A ressonância é um fenômeno que ocorre quando há a interação entre energias e frequências próximas, ou seja, quando temos um sistema que recebe energia através das excitações de frequência, similar a uma de suas frequências naturais, fazendo com que o sistema vibre com amplitudes cada vez maiores.

        Um dos casos mais conhecidos de ressonância, a ponte de Tacoma Narrows nos Estados Unidos, no qual o vento no dia do incidente encontrava-se a uma frequência aproximada da frequência natural de oscilação da ponte, fazendo com que sua amplitude de vibração aumentasse até um momento que a estrutura não conseguiu mais suportar e rompeu-se.

1.  Análise de Vibrações

O estudo de vibrações é de grande importância para a engenharia moderna, realizar analise de vibrações em máquinas, estrutura e equipamentos, torna possível conhecer melhor o equipamento em analise, por exemplo, bem como monitorar as operações realizadas, e obter uma maior confiabilidade. O presente trabalho teve como principal componente para as análises realizadas o uso de um transdutor de aceleração (acelerômetro) do tipo piezoelétrico.

1.2.2 – Acelerômetro

Os transdutores de aceleração (Figura 4) normalmente conhecidos como acelerômetros, em geral utilizam um cristal piezoelétrico, colocado entre a cobertura da cabeça do sensor e a massa sísmica do sensor. Quando submetido a uma aceleração, a massa por sua vez exerce por inércia uma força no cristal e a diferença de potencial que aparece entre os terminais preso ao cristal é proporcional à aceleração medida. Os acelerômetros piezoelétricos medem a aceleração absoluta do movimento.

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Figura 4. Transdutor de aceleração ou acelerômetro.

        Os acelerômetros são dispositivos, que funcionam através de efeitos físicos, sendo assim, são capazes de medir uma grande faixa de valores de aceleração. São dispositivos que podem ser utilizados especialmente em sistemas de posicionamento, e sensores de vibração, uma das aplicações mais conhecidas desse dispositivo são em telas de telefones celulares, que se ajustam de acordo com o ângulo.

1. OBJETIVO

Para o primeiro experimento realizado, deve-se analisar a vibração de uma viga engastada obtendo apenas uma mola elástica por meio de software e sensor acoplado, encontrar o valor da rigidez K da mola bem como comparar a frequência experimental e teórica. Comparar a aceleração teórica calculada e experimental registrada no software. Para o segundo experimento, com amortecimento, deve-se analisar a vibração da mesma viga com um amortecedor de constante desconhecida adicionado no sistema, encontrar a constante de amortecimento e ao final do processo comparar a frequência de amortecimento e aceleração experimental obtidas no software com a frequência de amortecimento e aceleração teórica calculada.