Tipos de Desequilíbrio: Estático, de Momento e Dinâmico — Qual é a Diferença?

Desequilíbrio estático (num plano)

A física

O desequilíbrio estático ocorre quando o eixo central principal de inércia do rotor se desloca paralelamente ao eixo de rotação. Mais simplesmente, existe um único «ponto pesado» no rotor que desloca o centro de massa.

Fig. 1. Desequilíbrio estático: o ponto pesado rola sempre para baixo sob a força da gravidade. Em repouso, o rotor assenta numa posição definida.

Como se manifesta

A característica única do desequilíbrio estático é que é percetível mesmo em repouso. Se tal rotor for colocado sobre cutelos horizontais, ou suspenso num eixo com atrito mínimo, a gravidade rodá-lo-á sempre de forma a ficar com o «ponto pesado» na parte inferior.

É precisamente este o princípio subjacente à equilibragem estática simples «em cutelos» — um método conhecido desde o século XIX.

Para que rotores é típico

O desequilíbrio estático domina em rotores estreitos em forma de disco onde a relação comprimento/diâmetro (L/D) é pequena — inferior a 0,25–0,5. Exemplos:

• Mós de rectificação
• Polias estreitas
• Impulsores de ventiladores estreitos
• Serras circulares
• Volantes estreitos

O método de correção

Corrige-se colocando um único peso de correção num plano de correção, diametralmente oposto ao «ponto pesado» (a 180°).

Pode até ser feito sem rodar o rotor — por equilibragem estática em cutelos. Para um resultado preciso, recomenda-se, no entanto, a equilibragem dinâmica com medição de vibrações à velocidade de trabalho.

Desequilíbrio de momento (par)

A física

O desequilíbrio de momento surge quando o eixo principal de inércia do rotor se intersecta com o eixo de rotação no centro de massa, mas está inclinado em relação a ele. Fisicamente, corresponde a duas massas desequilibradas iguais colocadas em planos diferentes ao longo do rotor e desfasadas 180° na circunferência.

Fig. 2. Desequilíbrio de momento: as duas massas M1 e M2 criam um par de forças centrífugas F1 e F2 que fazem o rotor «balançar» ou «oscilar»

Como se manifesta

Em repouso (sem rotação), tal rotor está equilibrado — não tentará assentar em nenhuma posição particular nos cutelos. A equilibragem estática não revela, portanto, este problema.

Durante a rotação, no entanto, o par de massas cria um momento de derrubamento que tenta inclinar o rotor perpendicularmente ao eixo de rotação. Isto causa forte vibração nos apoios, com a vibração nos dois apoios em antifase (desfasagem de ~180°).

Para que rotores é típico

O desequilíbrio de momento é típico de rotores longos e esguios, tais como:

• Veios longos sem disco no meio
• Veios de cardan (propulsão)
• Rotores de ventiladores axiais longos

O método de correção

Para compensar o desequilíbrio de momento, os pesos de correção devem ser colocados em pelo menos dois planos de correção, criando um momento compensador.

Desequilíbrio dinâmico (combinado)

A física

Este é o caso mais geral e mais comum na prática. O desequilíbrio dinâmico é uma combinação de desequilíbrio estático e de momento.

Em termos mecânicos: o eixo central principal de inércia do rotor não é paralelo ao eixo de rotação nem o intersecta no centro de massa — em vez disso, cruza-o obliquamente (em modo cruzado) no espaço.

Como se manifesta

O desequilíbrio dinâmico manifesta-se apenas durante a rotação. Em repouso, pode observar-se um desequilíbrio parcial (se existir uma componente estática), mas o quadro completo só é visível com o rotor em funcionamento.

Para que rotores é típico

O desequilíbrio dinâmico ocorre na maioria dos rotores industriais:

• Impulsores de ventiladores centrífugos
• Rotores de motores elétricos e geradores
• Impulsores de bombas
• Rotores de trituradores e moinhos
• Batedores de colhedoras
• Qualquer rotor com L/D > 0,5

O método de correção

A correção do desequilíbrio dinâmico exige sempre equilibragem em pelo menos dois planos de correção. Isto permite compensar simultaneamente as componentes de força (estática) e de momento (par) do desequilíbrio.

Fig. 3. Diagrama de equilibragem dinâmica: para corrigir o desequilíbrio dinâmico, os pesos de correção são colocados em dois planos e os sensores de vibração são montados em ambos os apoios

Consulta rápida: identificar o tipo de desequilíbrio

Utilize esta tabela para identificar rapidamente o tipo provável de desequilíbrio e o número de planos de correção necessários:

Recomendações práticas

Rotores rígidos e flexíveis

Uma adição importante à classificação é a distinção entre rotores rígidos e flexíveis:

• Rotor rígido: a velocidade de trabalho está bem abaixo da primeira velocidade crítica. O rotor praticamente não se deforma sob forças centrífugas. Para tais rotores, a equilibragem em dois planos é suficiente. A maioria dos rotores industriais são rígidos.
• Rotor flexível: funciona a uma velocidade de rotação próxima ou acima da velocidade crítica. A flexão elástica do veio torna-se comparável ao deslocamento do centro de massa. A equilibragem de rotores flexíveis requer métodos especiais e pode exigir mais de dois planos de correção.

Quando é necessária uma verificação mecânica prévia

Antes de equilibrar, é aconselhável verificar:

1. Batimento radial: o rotor não deve ter batimento
2. Batimento axial: os discos devem ser perpendiculares ao eixo
3. O ajuste no veio: sem desalinhamento na montagem

Se forem encontrados defeitos geométricos, devem ser corrigidos primeiro; caso contrário, a equilibragem será ineficaz.

Rotores rígidos e flexíveis: uma distinção crítica

Um dos conceitos fundamentais na equilibragem é a divisão dos rotores em rígidos e flexíveis. Esta divisão determina tanto a própria possibilidade de uma equilibragem bem-sucedida como a metodologia a utilizar.

O rotor rígido

Definição: um rotor é considerado rígido se a sua velocidade de rotação de trabalho estiver bem abaixo da sua primeira velocidade crítica e não sofrer deformação elástica significativa (flexão) sob forças centrífugas.

Características:

• A velocidade de trabalho é geralmente inferior a 70% da primeira velocidade crítica
• A flexão do veio sob forças centrífugas é negligenciável
• A equilibragem em dois planos de correção é geralmente suficiente
• Instrumentos como o Balanset-1A foram concebidos precisamente para trabalhar com rotores rígidos

O rotor flexível

Definição: um rotor é considerado flexível se funcionar a uma velocidade de rotação próxima ou acima de uma das suas velocidades críticas. Nesse caso, a flexão elástica do veio torna-se comparável ao deslocamento do centro de massa e contribui significativamente para a vibração global.

O problema: tentar equilibrar um rotor flexível com a metodologia para rotores rígidos (em dois planos) costuma terminar em insucesso. A colocação de pesos de correção pode compensar a vibração a baixa velocidade, abaixo da ressonância, mas à medida que a velocidade de trabalho é atingida e o rotor se dobra, esses mesmos pesos podem amplificar a vibração ao excitar um dos modos de flexão.

Como identificar o tipo de rotor

Um método prático:

1. Determinar a velocidade de rotação de trabalho do rotor (rpm)
2. Realizar um teste de desaceleração (medir a vibração enquanto o rotor abranda após ser desligado)
3. Se picos distintos forem visíveis no gráfico de vibração durante a paragem, estas são ressonâncias (velocidades críticas)
4. Se a velocidade de trabalho estiver próxima de um pico de ressonância (±20%), o rotor está a funcionar numa zona de perigo

O que fazer quando se opera próximo da ressonância:

• Se a ressonância não puder ser evitada (por exemplo, a máquina funciona a uma velocidade fixa que coincide com a ressonância), é aconselhável alterar temporariamente as condições de montagem da unidade durante a equilibragem
• Por exemplo, reduzir a rigidez dos apoios ou colocar suportes elásticos temporários para deslocar a ressonância
• Depois de o desequilíbrio do rotor ter sido corrigido e a vibração normalizada, a máquina pode ser devolvida às suas condições de montagem padrão