Sistema de Máquina Vibratória Page 1
Sistema de Máquina Vibratória
Sistema de Máquina Vibratória Page 2
Conteúdo Sistema de Teste de Vibração ........................................................................................................................................... 4
Requisitos para o sistema de teste ............................................................................................................................... 4
Configuração do Sistema de Vibração .......................................................................................................................... 5
Diagrama de Bloco ........................................................................................................................................................ 5
Máquina Vibratória comparada a um Auto-falante ..................................................................................................... 6
Princípio da Máquina Vibratória Eletrodinâmica .......................................................................................................... 6
Analisando o Auto-Falante ............................................................................................................................................ 8
Bobina da Armadura de uma Máquina Vibratória ........................................................................................................ 8
Técnicas de Isolação ...................................................................................................................................................... 9
Isolação da Frequência Natural do Corpo ................................................................................................................... 11
Guia da Armadura e Sistema de Suporte .................................................................................................................... 11
Amplificadores de Potência ........................................................................................................................................ 12
Características da Frequência ..................................................................................................................................... 13
Acelerômetros ............................................................................................................................................................. 14
ISOTRON .......................................................................................................................................................... 15
TEDS ................................................................................................................................................................ 15
Método de Controle de Vibração ............................................................................................................................... 16
Exemplos de Padrões e Especificações ....................................................................................................................... 17
Mesa de Deslizamento – Teste levando a Gravidade em Consideração .................................................................... 17
Aplicações da Vibração ............................................................................................................................................... 20
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Índice de Figuras Figura 1: Máquina Vibratória ............................................................................................................................................ 4
Figura 2: Acelerômetro ..................................................................................................................................................... 4
Figura 3: Amplificador de Força ........................................................................................................................................ 4
Figura 4: Controlador ........................................................................................................................................................ 4
Figura 5: Operador ............................................................................................................................................................ 4
Figura 6: Corte transversal de um alto-falante ................................................................................................................. 6
Figura 7: Bobina elétrica ................................................................................................................................................... 6
Figura 8: Regra da mão esquerda ..................................................................................................................................... 7
Figura 9: Regra da mão direita .......................................................................................................................................... 7
Figura 10: Armadura da máquina ..................................................................................................................................... 7
Figura 11: Representação da Força ................................................................................................................................... 7
Figura 14: Vista em corte da Bobina da Armadura ........................................................................................................... 8
Figura 12: Esquema do alto-falante .................................................................................................................................. 8
Figura 13: Movimento da bobina ...................................................................................................................................... 8
Figura 15: Par de forças .................................................................................................................................................... 9
Figura 16: Isolação para o Shaker ..................................................................................................................................... 9
Figura 17: Isolação por Sistema de Bolsas de Ar ............................................................................................................. 10
Figura 18: Carga Útil ........................................................................................................................................................ 10
Figura 19: Sistema de Isolação da Frequência Natural do Corpo ................................................................................... 11
Figura 20: Guia da Armadura .......................................................................................................................................... 11
Figura 21: Amplificador ................................................................................................................................................... 12
Figura 22: Amplificador de pequeno porte ..................................................................................................................... 12
Figura 23: Amplificador Interligado ................................................................................................................................ 12
Figura 24: Sistema de Grande Porte ............................................................................................................................... 13
Figura 25: Ressonância da Suspensão do Induzido ......................................................................................................... 13
Figura 26: Ressonância Axial da Armadura ..................................................................................................................... 13
Figura 27: Acelerômetro Axial......................................................................................................................................... 14
Figura 28: Acelerômetro Triaxial ..................................................................................................................................... 14
Figura 29: Emissão de Carga ........................................................................................................................................... 14
Figura 30: Esquema do sensor Piezoelétrico .................................................................................................................. 14
Figura 32: TEDS ............................................................................................................................................................... 15
Figura 31: ICP ISotron ...................................................................................................................................................... 15
Figura 33: Sistema de Controle de Vibração ................................................................................................................... 16
Figura 34: Sistema Multi-Canal ....................................................................................................................................... 16
Figura 35: Mesa de Deslizamento ................................................................................................................................... 17
Figura 36: Agitador conectado à Placa de Deslizamento ................................................................................................ 17
Figura 37: Elementos para Centralização........................................................................................................................ 18
Figura 38: Esquema de montagem da mesa de deslizamento ....................................................................................... 18
Figura 39: Granito aguardando montagem dos rolamentos .......................................................................................... 19
Figura 40: Rolamentos inseridos no granito e nivelados ................................................................................................ 19
Figura 41: Placa de deslizamento posicionada ............................................................................................................... 19
Figura 42: Componentes a serem testados nos 3 eixos em relação à gravidade ........................................................... 19
Figura 43: Tipo imã permanente para 490N ................................................................................................................... 20
Figura 44: Refrigerado a ar, de 670N a 5 KN ................................................................................................................... 20
Figura 43: Médio refrigerado a Ar – 6,5KN a 60KN ......................................................................................................... 20
Figura 44: Refrigerado a Água – 80 a 289KN .................................................................................................................. 20
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Sistema de Teste de Vibração
Requisitos para o sistema de teste
Figura 1: Máquina Vibratória
Figura 2: Acelerômetro
Figura 3: Amplificador de Força
Figura 4: Controlador
Figura 5: Operador
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Configuração do Sistema de Vibração
Diagrama de Bloco
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Máquina Vibratória comparada a um Auto-falante
Em principio, a máquina vibratória funciona como um alto-falante. A bobina do alto-falante empurra e puxa
um cone, provocando ondas de pressão sonora. Em uma máquina vibratória é uma bobina que se move para
dentro e para fora, produzindo a vibração.
Figura 6: Corte transversal de um alto-falante
Princípio da Máquina Vibratória Eletrodinâmica
Ao se passar uma corrente elétrica em uma bobina produz-se um campo magnético ao seu redor. Este é o
princípio básico do eletromagnetismo.
Figura 7: Bobina elétrica
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O físico Inglês John Fleming inventou a regra da mão
esquerda para lembrar as indicações relativas do
campo magnético, corrente e movimento em um
gerador elétrico ou motor.
As três direções são representadas pelo polegar (por
impulso ou de movimento), o indicador (de campo),
e segundo dedo (para direcção da corrente), todas
realizadas em ângulos retos entre si.
A regra da mão esquerda se aplica para motores e do direito
para os geradores e dínamos.
A força da armadura na máquina vibratória é diretamente
proporcional à corrente na bobina.
F = B I L
F - é a força em Newtons
B - representa a densidade de fluxo magnético
I - é a corrente em amperes
L - é o comprimento da bobina em metros
A densidade de fluxo magnético pode ser considerada como a concentração das linhas de campo. Podemos
aumentar a força aumentando qualquer um dos termos na equação. Se se enrolar o fio, que aumentam o
seu comprimento no interior do campo magnético e de aumentar a força.
Figura 8: Regra da mão esquerda
Figura 9: Regra da mão direita
Figura 10: Armadura da máquina
Figura 11: Representação da Força
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Analisando o Auto-Falante
Quando as ondas do minúsculo sinal
elétrico do nosso leitor de CD são
amplificados para a bobina do alto-
falante, a bobina se transforma em
um eletroímã.
Se a corrente se desloca no sentido
positivo na bobina móvel, o campo
magnético vai ser no sentido de uma
extremidade. Quando a direção muda,
a bobina móvel muda o campo
magnético para o extremo oposto.
Isso cria um Norte ou Pólo Sul
magnético que atrai ou repele o ímã
permanente.
Quando a corrente elétrica que flui pela de bobina móvel muda de
direção, a orientação polar da bobina inverte.
Bobina da Armadura de uma Máquina Vibratória
Em uma máquina vibratória, a bobina da armadura responde do mesmo modo que a saída do sinal do
controlador a qual foi amplificada. Em uma pequena máquina vibratória há um ímã estático permanente que
vai atrair ou repelir o campo magnético da bobina, puxando ou empurrando. Se os dois campos magnéticos
estão alinhados, haverá atração do Sul para o Norte e repulsão do Norte para Norte.
O tamanho da armadura afetará a gama do sistema de frequência de uma maneira semelhante que um
grande alto-falante está limitado a frequências mais baixas.
Figura 14: Vista em corte da Bobina da Armadura
Figura 12: Esquema do alto-falante
Figura 13: Movimento da bobina
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Técnicas de Isolação
Terceira Lei de Newton: ação e reação
“Para toda ação há uma reação oposta idêntica”
Quando a vibração ocorre verticalmente, a quantidade de impulso para mover a amostra reagirá contra o
piso.
Figura 15: Par de forças
Para evitar danos e vibração ao redor, o vibrador precisa estar isolado. Um método consiste em construir
uma massa de reação sísmica abaixo do ponto de instalação da máquina. Esta massa deve ser pelo menos 10
vezes a força de classificação do sistema.
Figura 16: Isolação para o Shaker
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Muitos sistemas de vibração eletrodinâmicos já
tem uma forma de isolamento. O corpo é
montado sobre um sistema de molas,
tipicamente bolsas de ar que mantêm o corpo
numa posição intermediária através de pressão
de ar ajustável.
À medida que o corpo reage com o ensaio de vibração,
haverá algum deslocamento relacionado com as razões
de massa entre o corpo e a carga útil.
Carga útil total = Amostra + Suporte para fixação
+ Massa da armadura. Normalmente referida como
massa total a ser movida. Quanto maior a massa, maior o
deslocamento do corpo.
A quantidade de movimento do corpo vibrador
pode ser calculado conhecendo o deslocamento
do teste, a massa total de movimento da
configuração e da massa corporal.
Figura 17: Isolação por Sistema de Bolsas de Ar
Figura 18: Carga Útil
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Isolação da Frequência Natural do Corpo
A rigidez do sistema de isolamento tende a dar uma frequência natural de ressonância a frequências baixas.
Normalmente esta frequência oscila entre 2,5 Hz e 5 Hz. Nessas freqüências ressonantes a fórmula torna-se
irrelevante e, mais importante, a amostra não alcançará os níveis exigidos.
Figura 19: Sistema de Isolação da Frequência Natural do Corpo
Guia da Armadura e Sistema de Suporte
Para suportar uma carga a armadura é levantada, usando o ar abaixo dela, até a posição intermediária.
Figura 20: Guia da Armadura
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Amplificadores de Potência
O amplificador é projetado para ser modular e permitir falhas que possam
ocorrer em seu tempo de vida. Se um módulo potência falhar, o amplificador
pode continuar a funcionar (embora em uma potência um pouco menor).
A relação entre a saída de pico e o valor rms é conhecido como fator de crista.
Portanto 100 volts rms é 141,2 volts de pico (√ 2) = 1,41 vezes.
Para vibração aleatória, este fator de crista deve ser 3. Ex: um valor de pico 3
vezes maior que o valor rms.
Classificações aleatórias foram calculadas de acordo com a Organização
Internacional de Normalização, documento ISO 5344.
O amplificador fornece energia para a bobina da armadura como voltagem e
corrente
Para um pequeno agitador de tipo de íman permanente, o
amplificador pode ser relativamente pequeno, talvez do tamanho de
um amplificador doméstico de alta fidelidade
Para um grande agitador os amplificadores podem ser interligados para
fornecer energia suficiente e são geralmente grandes cabines.
O amplificador gera muito calor e um sistema de refrigeração é
incorporado para remover esta energia desperdiçada.
Figura 21: Amplificador
Figura 22: Amplificador de pequeno porte
Figura 23: Amplificador Interligado
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Em todos os casos, o trabalho de
amplificadores de potência é o de aumentar o ganho
do controlador de fonte ou sinal de saída. A saída de
baixa tensão é relativamente aumentada
proporcionalmente para conduzir o agitador com um
ganho de 100.
Desta forma, um pequeno sinal de 1 volt rms
iria produzir uma potência de 100 volts rms
Tensão ~ Velocidade
Corrente ~ Força
Corrente ~ Aceleração
Características da Frequência
Resposta em frequência de um shaker vazio (simplificado):
Na ressonância axial da armadura, a carga reduz a freqüência de ressonância.
Figura 24: Sistema de Grande Porte
Figura 25: Ressonância da Suspensão do Induzido Figura 26: Ressonância Axial da Armadura
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Acelerômetros
Acelerômetro é um dispositivo electromecânico
utilizado para medir a alteração na força.
Existem muitos modelos e tipos.
O elemento sensor do tipo piezoeléctrico, é
um cristal que tem uma massa ligado a ele. Por vezes,
o que é referido como uma medição de massa-mola.
O elemento sensor de cristal tem a
propriedade de emitir uma carga, quando
comprimido, que é proporcional a "g" força imposta.
Portanto, quando o acelerômetro é vibrado,
a massa interna comprime o cristal que emite uma
carga proporcional à freqüência aplicada e força "g".
A saída é uma carga muito pequena em Pico Coulombs (um
milionésimo 10-12) e é extremamente linear. O cristal é
conhecido por ter uma sensibilidade que se refere ao nível
gn aplicado.
A sensibilidade da saída pode variar dependendo da
amplitude e da gama de frequência.
Normalmente, para a vibração pode ser em torno de 10 pC
/ gn mas muitas escalas estão disponíveis.
Tabela 1: Sensibilidade x Aplicação
Figura 27: Acelerômetro Axial Figura 28: Acelerômetro Triaxial
Figura 30: Esquema do sensor Piezoelétrico
Figura 29: Emissão de Carga
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Tabela 2: Sensor x Aplicação
ISOTRON (Isotron ® nome comercial para IEPE – Circuito
Integrado Piezo-elétro eletrônico) ou ICP (ICP ® Circuito
Integrado Piezo-elétrico): Estes tipos de acelerômetros têm
alguns eletrônicos integrais que pré-amplificam a carga da saída.
Necessitam de uma fonte de tensão e podem geralmente ser
condicionados diretamente a partir do sistema de controle.
A saída para estes são normalmente 10, 50 ou 100 mV / gn. Ex:
Sua sensibilidade à vibração é em mV / gn.
TEDS – Especificação do Transdutor Eletrônico: Estes tipo de acelerômetro têm saída em mV / g, mas
também têm os detalhes da calibração e sensibilidade embutidos
Figura 32: TEDS
Figura 31: ICP ISotron
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São conhecidos como plug and play, porque se o seu sistema de controle tem detecção TED , que identifica e
define os parâmetros automaticamente.
Estes são muito úteis para o teste multi-canal para evitar erros de conexão e reduzir o tempo de instalação.
Método de Controle de Vibração
A especificação do teste está programada para o software de controle do PC. Um sistema de circuito
fechado ajusta continuamente o sinal da unidade para o shaker.
Todos os sinais dos canais de controle são medidos, digitalizados e comparados com o espectro de controle
especificado.
Figura 33: Sistema de Controle de Vibração
A função de transferência do sistema é medido e o Hf inverso é calculado para permitir características de
resposta não linear.
O "sinal de controle" é ajustado para mudar a entrada para o shaker para manter a resposta especificada:
Canal único ou Multi Canal
Estratégia de Controle
Média ou Média Ponderada
Máximo (extremo)
Mínimo
O método utilizado vai depender da sua resposta estrutural
Figura 34: Sistema Multi-Canal
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Canais adicionais podem ser usados para obter informações. Estes são conhecidos como monitores ou canais
auxiliares. Para os ensaios de desenvolvimento destes também pode ser útil, limitando o controle para evitar
danos estruturais.
A estratégia de controle final é, portanto, conhecido como Controle de Limite.
Exemplos de Padrões e Especificações
Para uma boa qualidade de teste e repetibilidade, testes de vibração são aplicados dentro das tolerâncias
conhecidas.
Há muitas normas publicadas que podem ser consultadas para orientação. As tolerâncias para um teste
passa-não-passa e métodos de controle variam consideravelmente. Os documentos devem, portanto, ser
usados com um bom entendimento do teste exigido.
MIL-STD-810 – Métodos de Testes Ambientais e Diretrizes de Engenharia
DEF-STAN 07-55 – Teste Ambiental de Material de Serviço
DEF-STAN 00-35 – Manual de Aspectos Ambientais para Materiais da Defesa
BS3G100 – Requerimentos Gerais para Equipamentos em Aeronaves
ISO 7137 – Cronograma para Condições Ambientais e Procedimentos de Teste para Equipamentos
transportados por aeronaves
Mesa de Deslizamento – Teste levando a Gravidade em Consideração
Tipicamente, um dispositivo irá suportar o produto em todos os três
eixos, e portanto, um teste pode ser aplicado usando apenas um
agitador vertical.
No entanto, se a amostra tem uma exigência a ser testada no que diz
respeito à gravidade, devemos utilizar uma mesa de deslizamento.
A mesa de deslizamento pode ser concebida em vários tamanhos.
Para vibração horizontal, o agitador é girado e conectado
diretamente a uma placa de deslizamento.
A amostra é, então, montada na orientação
correta para um dispositivo que está ligado a esta
placa.
Figura 35: Mesa de Deslizamento
Figura 36: Agitador conectado à Placa de Deslizamento
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Uma combinação de bobina e molas de ar fornecem a força de centralização.
Figura 37: Elementos para Centralização
A placa de deslizamento é tipicamente feita de uma liga de magnésio e flutua sobre uma película de óleo
sobre um bloco de granito.
Figura 38: Esquema de montagem da mesa de deslizamento
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A placa de deslizamento é suportada em ambos os rolamentos de alta pressão ou baixa pressão.
Para mesas pequenas pode haver apenas 2 ou 3.
Para mesas grandes pode ser de 24 ou mais.
Figura 39: Granito aguardando montagem
dos rolamentos
Figura 40: Rolamentos inseridos no granito
e nivelados
Figura 41: Placa de deslizamento
posicionada
Figura 42: Componentes a serem testados nos 3 eixos em relação à gravidade
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Aplicações da Vibração
De pequenos agitadores para calibração, ...
Figura 43: Tipo imã permanente para 490N
Figura 44: Refrigerado a ar, de 670N a 5 KN
...até imensos agitadores usados para sistemas de satélite completo.
Figura 45: Médio refrigerado a Ar – 6,5KN a 60KN
Figura 46: Refrigerado a Água – 80 a 289KN
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