Como interpretar órbitas do eixo em turbomáquinas

O espectro mostra em que frequência o eixo vibra. A órbita mostra como ele se move. Em turbomáquinas com mancais de filme de óleo, uma única órbita revela o formato do movimento, o sentido em que ele acontece e a fase em relação a uma marca no eixo, com pistas importantes sobre desbalanceamento, pré-cargas, roçamento ou instabilidade.

Também é um dos gráficos mais fáceis de interpretar errado: uma sonda mal cadastrada ou um runout sem compensação mudam tudo. Neste artigo mostramos como a órbita é montada, como lê-la passo a passo e quais erros evitar.

De duas sondas a uma órbita

A órbita é a trajetória do centro do eixo dentro do mancal. Para desenhá-la, é preciso ter:

• Duas sondas de proximidade no mesmo plano, a 90° uma da outra, chamadas X e Y. A instalação mais comum as posiciona a 45° de cada lado da vertical, vistas a partir do acionador. Cada sonda mede a folga até o eixo, então o sinal tem uma parcela contínua (a posição média, ou gap) e uma parcela dinâmica (a vibração).
• Uma referência de fase (Keyphasor): um rasgo ou entalhe no eixo e uma sonda que gera um pulso por volta.
• Formas de onda de X e Y amostradas ao mesmo tempo, e não apenas valores globais.

A órbita é o sinal de Y plotado contra o de X, ponto a ponto, na mesma escala. Duas senoides de mesma amplitude defasadas 90° formam um círculo. Se as amplitudes ou a defasagem mudam, surge uma elipse. Com várias frequências, o formato fica mais complexo.

O ponto de Keyphasor

Cada vez que o entalhe passa pela sonda Keyphasor, o software marca um ponto na órbita. Esse ponto indica onde o eixo estava naquele instante e liga a órbita ao ângulo de fase 1X. Algumas regras práticas:

• Uma órbita filtrada em 1X tem um único ponto, que fica parado enquanto a fase for estável.
• Se a vibração dominante estiver perto de 1/2X, aparecem dois pontos, porque o padrão se repete a cada duas voltas.
• Se a componente subsíncrona não for uma fração exata (por exemplo, a faixa de 0,42X a 0,48X típica do oil whirl), os pontos se deslocam de uma volta para outra.

Órbita filtrada 1X versus órbita direta

O mesmo dado pode ser exibido de formas diferentes, e vale sempre olhar mais de uma:

Tipo de órbita	O que contém	Para que serve	Limitação
Direta (sem filtro)	Todas as frequências, inclusive runout e ruído	Ver o formato real: truncamentos, laços, harmônicos	Pode ficar confusa com muito ruído ou runout
Filtrada 1X	Só a componente na rotação	Ler desbalanceamento, fase 1X, precessão 1X	É sempre uma elipse; esconde roçamento e subsíncronas
Filtrada nX (2X, 0,5X…)	Uma componente escolhida	Isolar um mecanismo específico	É preciso saber o que procurar

Uma órbita filtrada em 1X é, por definição, uma elipse (ou um círculo, ou uma reta no extremo), então não adianta procurar nela banana ou laços. Compará-la com a direta mostra rapidamente quanto do movimento é síncrono.

Sentido de precessão: direta ou reversa

Precessão é o sentido em que o centro do eixo percorre a órbita:

• Precessão direta (forward): no mesmo sentido de rotação do eixo. É o normal na grande maioria das condições, inclusive no desbalanceamento e na instabilidade por filme de óleo.
• Precessão reversa (reverse): no sentido contrário ao da rotação. É pouco comum e merece atenção. Costuma estar associada a roçamentos severos, a pré-cargas radiais fortes que achatam bastante a órbita ou a suportes com rigidez muito assimétrica.

Para ler a precessão, é preciso conhecer o sentido de rotação e a orientação real das sondas. A sequência ponto-espaço da marca de Keyphasor mostra para onde o eixo está andando, desde que as sondas estejam configuradas corretamente no software. É justamente aí que começam muitos erros, como veremos adiante.

Formatos típicos e o que eles sugerem

Nenhum formato é um diagnóstico sozinho, mas alguns padrões ajudam a direcionar a investigação.

Elíptica

É a órbita típica do desbalanceamento, com predominância de 1X: elipse estável, ponto de Keyphasor parado e precessão direta. Ser uma elipse e não um círculo não é problema; normalmente reflete rigidez diferente do mancal ou do suporte na vertical e na horizontal.

Achatada, em banana ou em oito

Quando uma pré-carga radial empurra o eixo contra um lado do mancal (desalinhamento, carga de engrenagens, forças de processo), a órbita se achata. Se houver também 2X relevante, o formato se curva como uma banana e, nos casos mais fortes, pode fechar em um oito com laço interno. Essas órbitas costumam vir acompanhadas de uma linha de centro do eixo deslocada da posição normal.

Teste aqui como a órbita muda com o desalinhamento:

DesbalanceamentoDesalinhamentoRoçamentoInstabilidade

Truncada ou cortada

Um roçamento limita o movimento do eixo em uma direção. A órbita aparece achatada contra um lado, com mudanças bruscas de trajetória. A forma de onda mostra picos cortados, e o espectro ganha harmônicos e, às vezes, componentes fracionárias. Se o roçamento for forte e ocorrer em toda a circunferência do selo ou do mancal, a precessão pode se inverter.

Com laços internos

Uma órbita direta com laços internos e pontos de Keyphasor que não ficam parados indica uma componente subsíncrona com precessão direta. É a assinatura clássica da instabilidade por filme de óleo (oil whirl e oil whip), que detalhamos neste artigo sobre oil whirl e oil whip. É um achado para acompanhar de perto: pode crescer rápido com mudanças de temperatura do óleo, carga ou rotação e terminar em trip.

Órbita e linha de centro do eixo: dois lados da mesma história

A órbita mostra o movimento dinâmico. O gráfico de linha de centro do eixo mostra a posição média do eixo dentro do mancal, calculada a partir do gap das sondas. Ler os dois juntos evita conclusões precipitadas:

• Uma órbita achatada com o eixo muito excêntrico (encostado em um lado do mancal) aponta para uma pré-carga forte.
• Um eixo centrado demais na rotação de operação, com baixa razão de excentricidade, costuma ficar mais sujeito à instabilidade.
• Um deslocamento lento da linha de centro ao longo do tempo pode indicar desgaste do mancal, mudança de alinhamento térmico ou mudança de carga.

Nas partidas e paradas, a linha de centro e a resposta 1X se completam com os diagramas de Bode e polar, que explicamos em análise de partidas e paradas.

Erros comuns na leitura de órbitas

Não compensar o runout

As sondas enxergam qualquer irregularidade na superfície do eixo (riscos, variações de material, magnetismo residual). Essa "vibração falsa" é o runout mecânico e elétrico. Ela é identificada medindo em slow roll (giro lento), quando praticamente não há resposta dinâmica, e depois subtraída vetorialmente das leituras na rotação de operação. As normas API de equipamentos costumam limitar o runout combinado a uma fração da vibração admissível, mas mesmo dentro desse limite ele pode distorcer uma órbita de baixa amplitude.

Cadastrar errado a orientação das sondas

Se X e Y forem trocadas no software, ou se os ângulos de montagem e o sentido de rotação forem informados errado, a órbita sai girada ou espelhada. A consequência mais perigosa é a precessão parecer reversa quando na verdade é direta, ou o contrário. Confira a convenção de ângulos (de qual lado da máquina se olha e a partir de qual referência os graus são medidos) em cada plano de medição.

Escalas diferentes em X e Y

A órbita só faz sentido se os dois eixos usarem a mesma escala, em µm pp ou mils. Uma escala automática diferente em cada eixo transforma um círculo em uma elipse aparente.

Olhar uma órbita só

Uma órbita é uma foto. O que realmente informa é como ela muda: em relação à linha de base da máquina saudável, entre mancais do mesmo trem e com a rotação e a carga. Para ver onde as órbitas entram em um diagnóstico completo, leia como detectar falhas em turbocompressores.

Como fazemos na RotorMetrics

Coletamos as formas de onda das sondas X/Y e do Keyphasor a partir do seu sistema de proteção existente (por exemplo, um Bently Nevada 3500), sem intervir nele. Nossos especialistas analisam órbitas diretas e filtradas, linha de centro, espectros e tendências em relação à linha de base de cada máquina, verificam a configuração das sondas e o runout e avisam quando algo muda, com uma recomendação concreta para a sua equipe de manutenção.

Fontes

• Bently, D. E.; Hatch, C. T. Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics. Bently Pressurized Bearing Press, 2002.
• Eisenmann, R. C. Sr.; Eisenmann, R. C. Jr. Machinery Malfunction Diagnosis and Correction. Prentice Hall, 1998.
• Muszynska, A. Rotordynamics. CRC Press (Taylor & Francis), 2005.
• American Petroleum Institute. API Standard 670: Machinery Protection Systems, 5ª edição, 2014.
• ISO 20816-1:2016. Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1: General guidelines.