Sistema da Máquina Vibratória

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Published on March 9, 2014

Author: m4rcel02005

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Sistema da Máquina Vibratória

Sistema de Máquina Vibratória Sistema de Máquina Vibratória Page 1

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 Sistema de Máquina Vibratória Page 2

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 Sistema de Máquina Vibratória Page 3

Sistema de Teste de Vibração Requisitos para o sistema de teste Figura 2: Acelerômetro Figura 1: Máquina Vibratória Figura 3: Amplificador de Força Figura 4: Controlador Sistema de Máquina Vibratória Figura 5: Operador Page 4

Configuração do Sistema de Vibração Diagrama de Bloco Sistema de Máquina Vibratória Page 5

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 Sistema de Máquina Vibratória Page 6

 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. Figura 8: Regra da mão esquerda  A regra da mão esquerda se aplica para motores e do direito para os geradores e dínamos. Figura 9: Regra da mão direita  A força da armadura na máquina vibratória é diretamente proporcional à corrente na bobina. Figura 10: Armadura da máquina F=BIL 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 Figura 11: Representação da Força  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. Sistema de Máquina Vibratória Page 7

Analisando o Auto-Falante  Quando as ondas do minúsculo sinal elétrico do nosso leitor de CD são amplificados para a bobina do altofalante, 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. Figura 12: Esquema do alto-falante  Quando a corrente elétrica que flui pela de bobina móvel muda de direção, a orientação polar da bobina inverte. Figura 13: Movimento da bobina 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 Sistema de Máquina Vibratória Page 8

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 Sistema de Máquina Vibratória Page 9

 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. Figura 17: Isolação por Sistema de Bolsas de Ar 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. Figura 18: Carga Útil  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. Sistema de Máquina Vibratória Page 10

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 Sistema de Máquina Vibratória Page 11

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 Figura 21: Amplificador  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 Figura 22: Amplificador de pequeno porte  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 23: Amplificador Interligado Sistema de Máquina Vibratória Page 12

 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 Figura 24: Sistema de Grande Porte  Corrente ~ Aceleração Características da Frequência  Resposta em frequência de um shaker vazio (simplificado): Figura 25: Ressonância da Suspensão do Induzido Figura 26: Ressonância Axial da Armadura  Na ressonância axial da armadura, a carga reduz a freqüência de ressonância. Sistema de Máquina Vibratória Page 13

Acelerômetros  Acelerômetro é um dispositivo electromecânico utilizado para medir a alteração na força. Existem muitos modelos e tipos. Figura 27: Acelerômetro Axial Figura 28: Acelerômetro Triaxial  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. Figura 30: Esquema do sensor Piezoelétrico  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. Figura 29: Emissão de Carga Tabela 1: Sensibilidade x Aplicação Sistema de Máquina Vibratória Page 14

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. Figura 31: ICP ISotron  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 Sistema de Máquina Vibratória Page 15

 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 Sistema de Máquina Vibratória Page 16

 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. Figura 35: Mesa de Deslizamento  A amostra é, então, montada na orientação correta para um dispositivo que está ligado a esta placa. Figura 36: Agitador conectado à Placa de Deslizamento Sistema de Máquina Vibratória Page 17

 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 Sistema de Máquina Vibratória Page 18

 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 Sistema de Máquina Vibratória Page 19

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 Sistema de Máquina Vibratória Figura 46: Refrigerado a Água – 80 a 289KN Page 20

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