CIMATEC
TÉCNICAS DE ANÁLISE DE VIBRAÇÕES I
CIMATEC
TÉCNICAS DE ANÁLISE DE VIBRAÇÕES I
Salvador 2004
CIMATEC
TÉCNICAS DE ANÁLISE DE VIBRAÇÕES I
Salvador 2004
Copyright ©2004 por SENAI DR BA. B A. Todos os direitos reservados Área Tecnológica de Manutenção Industrial Elaboração: Antonio Fernando Abreu de Andrade Revisão Técnica: Robson da Silva Silv a Magalhães Revisão Pedagógica: Pedagógica: Rita Cruz Normalização: Sueli Madalena Costa Negri
Catalogação na fonte (NIT – Núcleo de Informação Tecnológica) ___________________________ _________________________________________ ____________________________ ______________ SENAI- DR BA. Técnicas de análise de vibrações l. Salvador, 2004. 125p. il. (Rev.01)
1. Análise de Vibrações l. Título CDD 621 ___________________________ _________________________________________ ____________________________ ________________ SENAI CIMATEC Av. Orlando Gomes, 1845 - Piatã Salvador – Bahia – Brasil CEP 41650-010 Tel.: (71) 3462-9500 Fax. (71) 3462-9599 http://www.senai.fieb.org.br
SUMÁRIO APRESENTAÇÃO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................7 1.1 1.2 1.3
CONDIÇÕES DO MONITORAMENTO DE MÁQUINAS POR ANÁLISE DE VIBRAÇÕES:.................. 7 MANUTENÇÃO PREDITIVA ATRAVÉS DA ANÁLISE DE VIBRAÇÕES:........................................ 9 RESULTADOS PREVISTOS: .................................................................................................... 10
2 FUNDAMENTOS DE VIBRAÇÃO E RESPOSTAS ÀS EXCITAÇÕES ...................11 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
MOVIMENTOS BÁSICOS: ....................................................................................................... 12 CONCEITOS BÁSICOS:........................................................................................................... 14 DOMÍNIO DO TEMPO E DOMÍNIO DA FREQÜÊNCIA:............................................................... 16 PRINCIPAIS PARÂMETROS: ................................................................................................... 18 CONCEITUAÇÃO BÁSICA DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE ESTRUTURAS:..................... 19
3 MEDIDAS DE VIBRAÇÃO - INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO.............................23 3.1 3.2 3.3 3.4
SENSORES:............................................................................................................................ 23 VANTAGENS E DESVANTAGENS NA ESCOLHA DOS SENSORES: ............................................ 25 ESCOLHA E MONTAGEM DE SENSORES:................................................................................ 26 ANALISADORES DE FREQÜÊNCIA DE VIBRAÇÃO: ................................................................. 28
4 PROCESSAMENTO DIGITAL ....................................................................................32 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
CARACTERÍSTICAS DOS SINAIS DINÂMICOS: ........................................................................ 32 SINAIS HARMÔNICOS:........................................................................................................... 32 ANÁLISE DE FOURIER:.......................................................................................................... 33 CARACTERÍSTICAS DA FFT:................................................................................................. 35 ENJANELAMENTO (JANELAS): .............................................................................................. 40 MODULAÇÃO DE SINAIS: ...................................................................................................... 43
5 IDENTIFICANDO OS PROBLEMAS MAIS COMUNS EM MÁQUINAS ...............49 5.1 VIBRAÇÃO POR DESBALANCEAMENTO: ............................................................................... 49 PROBLEMAS COM EIXOS TORTOS: ..................................................................................................... 50 5.2 VIBRAÇÃO POR DESALINHAMENTO:..................................................................................... 52 5.3 VIBRAÇÃO PROVOCADA POR FOLGA:................................................................................... 55 5.4 VIBRAÇÃO OCASIONADA POR EXCENTRICIDADE: ................................................................ 57 5.5 VIBRAÇÃO POR RESSONÂNCIA: ............................................................................................ 59 5.6 VIBRAÇÃO EM FUNÇÃO DE PROBLEMAS EM MANCAIS DESLIZANTES: ................................. 61 5.7 VIBRAÇÃO DEVIDA À PROBLEMAS HIDRÁULICOS / AERODINÂMICOS.................................... 63 5.8 CONSIDERAÇÕES SOBRE OS TIPOS DE DEFEITOS EM ENGRENAGENS E MANCAIS DE ROLAMENTO DEVIDO À VIBRAÇÃO.................................................................................................... 66 5.9 TABELA DE DEFEITOS EM ELEMENTOS MECÂNICOS CAUSADOS PELA PRESENÇA DE VIBRAÇÕES:....................................................................................................................................... 70
6 PROGRAMA DE MONITORAMENTO DAS CONDIÇÕES DE MÁQUINAS........93 6.1 6.2 6.3 6.4
LEVANTAMENTO DO LOCAL:................................................................................................ 94 PROCEDIMENTOS FINAIS: ................................................................................................... 106 PROGRAMAÇÃO DOS BANCOS DE DADOS PRISM: ............................................................. 107 ESTABELECIMENTO DE NÍVEIS DE ALERTA: ....................................................................... 118
Referências.............................................................................................................................125
APRESENTAÇÃO
Com o objetivo de apoiar e proporcionar a melhoria contínua do padrão de qualidade e produtividade da indústria, o SENAI BA desenvolve programas de educação profissional e superior, além de prestar serviços técnico e tecnológicos. Essas atividades, com conteúdos tecnológicos, são direcionadas para indústrias nos diversos segmentos, através de programas de educação profissional, consultorias e informação tecnológica, para profissionais da área industrial ou para pessoas que desejam profissionalizar-se visando inserir-se no mercado de trabalho. Este material didático foi preparado para funcionar como instrumento de consulta. Possui informações que são aplicáveis de forma prática no dia-a-dia do profissional, e apresenta uma linguagem simples e de fácil assimilação. É um meio que possibilita, de forma eficiente, o aperfeiçoamento do aluno através do estudo do conteúdo apresentado no módulo.
1. INTRODUÇÃO Ensaios não-destrutivos (END) são métodos que garantem a qualidade e a manutenibilidade de produtos e processos. A escolha de um END depende de uma grande quantidade de parâmetros. O conhecimento de detalhes sobre o possível tipo de defeito e a localização deste sãorequeridos na maioria dos casos. A acessibilidade ao defeito também deve ser garantida. Algumas observações servem para justificar o emprego de END na indústria recentemente: • • • • •
Um aumento nos padrões de qualidade dos produtos e processos; O aumento dos custos causado por paradas imprevistas da planta; Um aumento nos padrões de segurança e proteção ambiental; Uma melhoria dos instrumentos de controle e sensores; Um aumento da experiência e do entendimento na interpretação de sinais.
Os mais comuns END são: • • • • • • •
1.1
Inspeção Visual; Ensaios de Líquido Penetrante; Ensaios de Partículas Magnéticas; Ultra-som Raio X; Ensaios com a Corrente de Eddy; Análise de Vibrações.
Condições do monitoramento de máquinas por análise de vibrações: Com os altos investimentos que as indústrias fazem atualmente em máquinas e equipamentos, paradas por períodos longos ocasionam interrupção da produção, tornando-se uma situação dispendiosa para as empresas. Conseqüentemente, uma grande quantidade de esforços e inovações são aplicadas no processo de manutenção das plantas industriais, visando reduzir estes intervalos de tempo. Durante sua vida útil sabemos que as máquinas vão sofrendo um processo de desgaste contínuo. Com o passar do tempo se nada for feito para minimizar ou evitar este desgaste, o equipamento quebrará causando a parada do processo ao qual faz parte.
Quando é que uma máquina quebra? Esta pergunta é difícil de responder e sua resposta envolve muitas considerações. Podemos dizer intuitivamente que se não fizermos a manutenção correta de um equipamento, sua quebra ocorrerá mais cedo do que uma máquina que possui um plano de manutenção e que é corretamente executado. Podemos
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fazer o acompanhamento de determinados parâmetros das máquinas e através destes prever com uma certa antecedência a ocorrência de falhas. Chamamos este acompanhamento de monitoramento e para tanto, devemos encontrar parâmetros característicos, os quais descrevam as condições de operação das máquinas sob análise. Uma possibilidade é medir o nível de vibrações em unidades tais como, deslocamento (amplitude), velocidade ou aceleração, e observar sinais característicos presentes nas variações destes parâmetros, os quais fornecerão informações importantes sobre as condições de trabalho do equipamento, indicando o momento em que a manutenção deve ser realizada para evitar a quebra do mesmo. Vibração é uma oscilação mecânica em torno de um ponto. Podemos encontrá-la em máquinas como resultado da presença de forças dinâmicas, originadas nas partes em movimento. Freqüentemente ela é citada como um fenômeno destrutivo, mas às vezes pode ser gerada intencionalmente para realizar algum tipo de trabalho, como por exemplo as britadeiras, os compactadores, as caixas de som, etc. O controle de vibrações como um método de END utilizado no monitoramento de equipamentos, permite identificar com precisão os possíveis defeitos presentes nos componentes mecânicos de máquinas e estruturas. Podemos observar abaixo alguns exemplos de defeitos em componentes que podem ser acompanhados através da Análise de Vibrações, quanto a sua evolução:
Figura 1-Exemplos de defeitos.
Atualmente as indústrias de processos têm enfrentado problemas gerais, tais como: redução de custos, aumento do tempo de operação das máquinas e outros problemas diversos inerentes a qualquer unidade produtiva. Com isso, a busca de técnicas que possibilitem solucionar esses problemas, tornou-se intensa. Uma destas alternativas é a programação de intervenções através do acompanhamento da qualidade de funcionamento das máquinas, conhecida por Manutenção Preditiva ou Manutenção por Condição.
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A manutenção preditiva diferencia-se da corretiva pelo fato de que a intervenção no equipamento somente ocorrerá a partir do momento em que este apresentar os sinais característicos de falha, enquanto que na manutenção corretiva a intervenção ocorre quando o equipamento quebra, implicando num aumento de custos de manutenção (horas de parada, mão-de-obra, falta de reposição, etc.). A manutenção preditiva é aquela que indica as condições reais de funcionamento das máquinas, baseada em dados que informa o seu desgaste ou processo de degradação. Trata-se da manutenção que prediz o tempo de vida útil dos componentes das máquinas e equipamentos e as condições para que esse tempo de vida seja bem aproveitado. A manutenção preditiva baseia-se no monitoramento da condição, que é feita com a coleta de dados periódicos, interpretação dos mesmos, avaliando a sua severidade e traçando sua tendência ao longo do tempo, visando uma intervenção coerente tanto técnica como econômica. Os ensaios não destrutivos, entre eles a análise de vibrações são utilizados para realizar uma avaliação segura das condições de funcionamento dos equipamentos, acompanhado da evolução de falhas detectadas nas máquinas. Com isso, é possível fornecer previsões de quebra dos equipamentos, garantindo a operação sem riscos de quebras inesperadas até a execução de uma parada planejada. A análise de vibrações é a técnica utilizada na manutenção preditiva para avaliação de máquinas rotativas que apresenta um melhor custo/benefício, em relação as demais técnicas, fornecendo dados que possibilitam prolongar a vida dos equipamentos, baseando-se nas informações obtidas durante a operação normal do mesmo. 1.2
Manutenção preditiva através da análise de vibrações: Em linhas gerais, o planejamento da implantação desta técnica de diagnose pode ser dividido em duas fases: •
A primeira inclui o domínio da tecnologia e o acompanhamento das máquinas consideradas críticas para o processo produtivo. O sistema de gerenciamento é geralmente constituído de 1 coletor de dados,e o respectivo Software de análise.
•
A segunda fase consiste na divulgação e suporte à implantação desta tecnologia às manutenções de área. Serão gerenciados através dos recursos das manutenções de área, os equipamentos que, por razões diversas, não foram atendidos na primeira fase.
Portanto, o planejamento (definição dos níveis de vibração, periodicidade das medidas, etc.), acompanhamento histórico, diagnósticos e a decisão de onde e quando intervir, são atribuições da manutenção de área. A Manutenção Preditiva central prestará, sempre, apoio a implantação, planejamento e às análises das
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manutenções de área, quando os recursos alocados nas áreas não forem suficientes. Veja Figura 2.
Figura 2-Fluxograma de um programa de a nálise de vibração.
Para a implantação da Manutenção Preditiva em máquinas rotativas através da medida e análise de vibrações, é necessário estabelecer o seguinte: • •
• • • • • • • •
1.3
Lista dos equipamentos a serem medidos com respectiva identificação e cadastramento no sistema; Levantamento de dados construtivos e operacionais dos equipamentos, tais como: rolamentos, número de dentes das engrenagens, rotação, potência, desenhos construtivos, etc.; Histórico de manutenção dos equipamentos; Escolha dos pontos de medição e sua identificação no sistema e na máquina; Aparelho de medição e registro das vibrações; Grandezas a serem medidas para cada ponto; Níveis de alarme para cada ponto de medição; Periodicidade das medições; Programação dos pontos de coleta de dados; Informações e relatórios periódicos.
Resultados previstos: As atividades de Manutenção Preditiva permitem ganhos financeiros para a empresa, resultantes dos seguintes benefícios:
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•
Redução dos custos de manutenção: Com base na análise de vibrações e nas curvas de tendência, pode-se ter uma previsão de quando será necessário uma intervenção de manutenção, e quais os serviços a serem realizados, prolongando-se assim a vida útil de componentes, substituindose apenas o necessário;
•
Aumento da eficiência das intervenções de manutenção: Através da indicação antecipada dos elementos com falha e da avaliação dos resultados das intervenções;
•
Aumento da disponibilidade de equipamentos: A utilização de programas preditivos pode virtualmente eliminar paralisações imprevistas devido a falha de máquinas, bem como reduzir a necessidade de programação de paradas desnecessárias para serviços preventivos;
•
Aumento da confiabilidade operacional: A eliminação de paradas não programadas aumenta as confiabilidades operacionais, reduzindo riscos de perda de produção.
2. FUNDAMENTOS DE VIBRAÇÃO E RESPOSTAS ÀS EXCITAÇÕES: Todo movimento físico de um equipamento ou movimento de rotação de uma máquina é normalmente referido como vibração. Vibração tem haver com oscilação, movimento repetitivo, que na maioria dos casos provocam danos nas máquinas e estruturas onde ocorrem. Desde o início das atividades de manutenção, os inspetores tentam mensurar o tamanho da vibração através dos sentidos humanos. Medi-la significa a possibilidade de identificar sua origem e minimizar sua influência. Na prática, é muito difícil evitar a vibração. Geralmente ela ocorre devido aos efeitos dinâmicos de fabricação, folgas, contatos, atrito entre peças de uma máquina e ainda, devido a forças desequilibradas de componentes rotativos e de movimentos alternados. É comum que vibrações insignificantes para determinados elementos, excitem as freqüências de outras peças da estrutura, provocando defeitos que levam a quebra do equipamento. Com a evolução da eletrônica, foi possível desenvolver equipamentos para coleta e análise de dados, visto que a conversão da vibração mecânica para um sinal eletrônico é o melhor caminho para conseguirmos medi-la. O meio de conversão dos sinais mecânicos para sinais eletrônicos são os chamados transdutores, o sinal de saída de um transdutor é proporcional o quão rápido (freqüência), quão grande (amplitude) é o movimento oscilatório. A freqüência fornece qual é a fonte de vibração do equipamento e a amplitude qual a severidade, além destes parâmetros temos também o período que indica os intervalos de tempo em que ocorre a repetição do movimento vibratório, ver a Figura 3.
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Figura 3 – Sistema massa-mola.
Um exemplo de um transdutor é o sensor de aceleração (acelerômetro), por exemplo, onde é possível converter movimentos vibratórios em sinais elétricos e digitais para uma análise em tempo real ou posterior, dos fenômenos vibratórios envolvidos. Quando falamos de movimento vibratório temos que identificar as diferenças entre os diversos tipos. Os movimentos vibratórios podem ser harmônicos, periódicos e/ou randômicos. Todo movimento harmônico é periódico, porém nem todo movimento periódico é harmônico. O movimento randômico acontece quando não podemos predizer a maneira com que a máquina se comporta, sendo o mais comum de observarmos em casos práticos. 2.1
Movimentos básicos: Movimento periódico: O movimento oscilatório pode repetir-se regularmente, como no pêndulo de um relógio, ou apresentar irregularidade considerável, como em eventos da natureza (terremotos, por exemplo). Quando o movimento se repete em intervalos regulares de tempo (T) é denominado movimento periódico. Movimento harmônico: A forma mais simples de movimento periódico é o movimento harmônico: Uma massa suspensa por uma mola é deslocada de sua posição de equilíbrio, passando a oscilar em torno de um ponto de equilíbrio. Se representarmos graficamente a variação do deslocamento da massa em função do tempo, observaremos então um movimento de forma senoidal que chamaremos de movimento harmônico simples.O movimento registrado pode ser expresso pela equação:
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(
)
X = Asen 2π t T
Figura 4 – Exemplo de movimento harmônico.
Definimos a grandeza ω é como freqüência angular , e sua equação é dada por:
ϖ = 2π
T
= 2π f
onde T é o período e ƒ a freqüência. Podemos reescrever a equação do movimento harmônico usando a freqüência angular definida acima: X = Asen(ϖ t )
como foi mostrado na equação acima, a freqüência angular é expressa em radiano por segundo, uma vez em que um período, ou ciclo, a partícula em oscilação percorre uma circunferência completa, ou 2π radianos, e o período expresso em segundos. Exemplo: Vamos considerar uma engrenagem de 12 dentes com um diâmetro externo de 6 polegadas, girando a velocidade constante. Marcamos um dos destes e observa-se o número de voltas que este dente realiza durante um intervalo de tempo determinado. Se nosso dente realizou 20 voltas completas em um segundo, dizemos então que sua freqüência f será de 20 ciclos/s ou 20 Hertz (1 ciclo/s = 1 Hz (hertz)). Neste caso a freqüência angular de nossa engrenagem será de 2π x 20 Hz, ou seja ω = 125,7 rad/s. Movimento randômico: Movimento randômico ocorre de uma maneira aleatória e contém todas as freqüências em uma banda especifica de freqüência, podendo ser também
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chamado de ruído. Movimento randômico é cada movimento não é repetitivo. (Ex: O estourar de pipocas dentro de uma panela).
Figura 5 – Exemplo de movimento randômico.
2.2
Conceitos básicos: Relação entre tempo e freqüência: •
Período (T): É o intervalo de tempo em que o elemento gasta para realizar uma oscilação completa.
•
Freqüência (f): É o numero de ciclos (repetições) que ocorrem em um intervalo de tempo.
Exemplo: Vamos supor que um elemento oscila com uma freqüência de 60 ciclos por segundo, ou seja, durante o intervalo de tempo de 1 segundo ele repete o movimento 60 vezes. Para encontrarmos o período de tempo em que uma oscilação ocorre, dividiremos o intervalo de tempo pelo numero de repetições, teremos assim o intervalo de tempo gasto para realizar uma oscilação (o período). A freqüência relaciona-se com o período através da seguinte expressão: f =
1
T
Sendo que f é dada em ciclos por segundo (ou Hertz (Hz)) e
T em
segundos.
Para o caso acima citado, onde o elemento possui uma freqüência f = 60 Hz, podemos calcular o período, onde teremos: T = 0.0167 s.
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Amplitude de vibração: A amplitude de vibração descreve a severidade da vibração, pode ser quantificada de diversas maneira: Pico-a-pico, Pico, Valor-médio e Raiz Quadrática Media (RMS). •
Medição Pico-a-pico mostra o nível de vibração do topo do pico positivo à base do pico negativo. Esta medição se refere à amplitude total do deslocamento de equipamento em relação a uma referência (zero), indicando o percurso máximo da onda, este valor pode ser útil onde o deslocamento vibratório de uma parte da máquina é crítico para uma tensão máxima ou onde a folga mecânica é fator limitante.
•
A medição Pico mostra o nível de vibração do topo do pico positivo à linha de referência (zero). Este é um valor particularmente válido para a indicação de choques de curta duração, porém indica somente a ocorrência do pico, não levando em consideração o seu histórico no tempo da onda.
•
A medição de Valor-Médio Retificado representa (0.637 * Pico) da onda senoidal. Este valor calculado é exato somente quando a onda medida é uma senóide pura. Este é um valor que leva em consideração o histórico no tempo da onda, mas na prática é de interesse limitado, por não estar relacionado diretamente com qualquer quantidade física útil.
•
A medição RMS (Raiz Média Quadrática) é a verdadeira representante do valor eficaz da curva. O valor eficaz (RMS) pode ser calculado através de: cos( 45º ) * d [ 0−Pico ] = 0.707 * d [ 0−Pico ] ou através da aquisição do RMS Verdadeiro – calculado pela raiz quadrada da média do somatório dos quadrados de pontos da curva. Portanto, o valor RMS é a medida de nível mais relevante, porque leva em consideração o histórico no tempo da onda e dá um valor de nível, o qual é diretamente relacionado a energia contida na vibração, e portanto, à capacidade destrutiva da mesma.
Relação entre os tipos de medição: •
Valor Médio
=
0.637 * Pico;
•
Valor Médio
=
0.90 * RMS;
•
Pico-a-pico
=
2 * Pico;
•
Pico
=
1.414 * RMS;
•
Pico
=
1.57 * Valor Médio;
15
•
RMS
=
0.707 * Pico;
•
RMS
=
1.11 * Valor Médio.
Fontes de freqüência: Existem três diferentes tipos de fontes de freqüência na máquina:
2.3
•
Freqüências geradas: também chamadas de freqüência forçadas, são aquelas causadas pelos os esforços girantes da máq uina, quando em funcionamento. Podemos citar como exemplo o desbalanceamento, a freqüência de engrenamento, a de passagem de palhetas, as freqüências geradas por atrito de rolamento, etc. Essa freqüência estará sempre presente nas medições da máquina, porém podem estar em níveis aceitáveis sem indicar problemas vibratórios;
•
Freqüências excitadas: também chamadas de freqüências naturais, representam uma propriedade do sistema. Uma amplificação da vibração, chamada ressonância, ocorre quando a freqüência gerada é idêntica à freqüência natural. Em alguns casos a fonte de excitação pode ser removida, antes do fenômeno da ressonância ocorrer. Ex. Excitação das freqüências naturais de um rolamento, devido à quebra de um filme de óleo. Adicionando lubrificante ou alterando a viscosidade, podemos retornar a freqüência original. OBS: Ressonância em máquinas rotativas é semelhante aos amplificadores de eletrônica. Na maioria dos casos excessivas amplitudes de vibração são encontradas e a solução para tais casos é sempre complexa exigindo software avançados e profissionais experientes;
•
Freqüência causada por fenômenos elétricos/eletrônicos: Em certas situações sinais falsos ou errôneos podem estar presentes, por exemplo, quando um sinal senoidal é recortado (truncado) devido a um sinal saturado durante a coleta de dados, este fenômeno causa a inserção de uma onda quadrada no sistema. OBS: Deve-se conhecer bastante de máquinas para entender o que está acontecendo com as mesmas, não se deixando levar por coletas tomadas erroneamente.
Domínio do tempo e domínio da freqüência: Podemos identificar o domínio da freqüência ao nosso redor através de alguns exemplos práticos. Por exemplo a Luz é freqüência, a cor vermelha é freqüência, som é freqüência. Nós não nos referimos a estes itens como freqüências, nós apenas chamamos de Luz, Cor e Som. O corpo humano está limitado a um determinado intervalo (range) de freqüência, por exemplo, podemos identificar sons entre 20 e 20000 Hz, o que nos impossibilita reconhecer certos tipos de
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defeitos em máquinas através do ruído gerado, ou ainda que estes defeitos podem estar mascarados por outros fora do nosso range de detecção. No domínio do tempo podemos fazer uso de parâmetros comuns em nossas vidas como deslocamento, velocidade e aceleração, para identificar tais defeitos. Vamos tomar como exemplo a suspensão de um carro. Ao passar por um buraco sentimos a carroceria subir e descer. Podemos identificar através do deslocamento quanto foi que esta carroceria deslocou em relação a sua posição inicial (por exemplo 2 cm) ou podemos dizer que esta carroceria oscilou em relação a sua posição com uma determinada velocidade (por exemplo 1 cm/s). Analisando alguns destes problemas no domínio do tempo, observamos que os sinais no domínio do tempo para máquinas rotativas se mostram bastante complexos.
Figura 6 – Exemplo de um sinal analisado no domínio do tempo e da freqüência.
Para análise de vibração é necessário dominar diagnósticos no domínio do tempo e da freqüência para análise completa e precisa. Para passarmos do domínio do tempo para o domínio da freqüência é necessário aplicar uma ferramenta matemática conhecida como Transformada de Fourier ao sinal (FFT). Fourier foi um grande matemático francês que desenvolveu um algoritmo (uma equação matemática) que quebrava um sinal complexo de ondas no tempo, decompondo-o em ondas individuas, facilitando assim a transposição matemática para o domínio da freqüência e conseqüentemente sua análise. Entretanto esta brilhante tecnologia não foi usada extensivamente até o advento do computador, utilizado na transformação do sinal do tempo em espectro de freqüência.
17
Figura 7 – Exemplo de um sinal onde foi aplicada a Transformada de Fourier.
2.4
Principais parâmetros: Relação entre deslocamento, velocidade e aceleração: Velocidade: é a medida de quão rápido o objeto se move de zero a pico e isto é normalmente mensurado em milímetros por segundos (mm/s) no sistema métrico. • Deslocamento: é medida de quão o longe o objeto se move em relação a uma referência, de forma alternada. Sua grandeza é mensurada em “mícrons” ( sistema métrico ). • Aceleração: é a razão de mudança (variação) da velocidade de zero a pico e é normalmente medida em unidades de força gravitacional (g’s) no sistema métrico. Isto significa que altas freqüências geram altos níveis de aceleração. •
Os parâmetros relacionam-se entre si através das seguintes equações: D = v
Onde:
2π f =
a
(2π f )2
D = deslocamento; v = velocidade; a = aceleração; f = freqüência.
OBS: Equação válida somente para sinais senoidais.
18
Figura 8 – Exemplo dos gráficos de deslocamento, velocidade e aceleração r espectivamente.
Podemos notar que indicações de baixa freqüência geram altos níveis de deslocamento e indicações de alta freqüência geram baixos níveis de deslocamento, ou seja, transdutores de deslocamentos são mais eficientes para realçar componentes de baixa freqüência. Componentes de alta freqüência são bem representados com o uso de aceleração como parâmetro, como por exemplo na identificação de componentes de rolamentos entre 1000Hz e 10000Hz de faixa de freqüência. A velocidade de vibração é o parâmetro mais influenciado por ruídos de baixas ou de altas freqüências, mostrando num espectro a mais planas das curvas, sendo por isso o parâmetro normalmente escolhido para a avaliação da severidade da vibração ou análise da mesma, entre 10Hz e 1000Hz. 2.5
Conceituação básica do comportamento dinâmico de estruturas: Graus de liberdade de um sistema: é a quantidade de coordenadas independentes necessárias pra se definir completamente (de forma inequívoca) a posição de um sistema, ou seja, como o sistema vibra. Um sistema tem tanto modos de vibrar quanto são os seus Graus de Liberdade. Sistema com comportamento linear: é aquele para o qual vale a regra da adição ou superposição, ou seja, se para uma entrada (excitação) E a, o sistema fornece uma saída (resposta) S a e, se para entrada (excitação) E b o sistema fornece uma saída (resposta) S b, diz-se que o sistema apresenta um comportamento linear se para uma nova entrada Ec = Ea + Eb o sistema fornece uma saída (resposta) Sc = Sa + Sb
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Conseqüência 1: se Ec = α (Ea + Eb)
Sc = α (Sa +Sb);
Conseqüência 2: um elemento elástico que apresenta um comportamento linear é uma mola que obedece a lei de Hooke (F = Kx); Conseqüência 3: para uns sistemas lineares , uma excitação senoidal gera uma resposta senoidal. Modo próprio de vibrar ou modo de vibrar: Um sistema mecânico pode armazenar energia mecânica de duas formas: •
Cinética: mv2 / 2 [função do movimento da(s) massa(s)];
•
Potencial: kx2 / 2 [função da deformação do(s) elemento(s) elástico(s)].
Como conseqüência, temos então três alternativas: •
O sistema armazena energia exclusivamente na forma cinética e o movimento deve permanecer inalterado (lei da inércia);
•
O sistema armazena energia exclusivamente na forma de energia potencial , e os elementos elásticos deverão ser mantidos deformados;
•
A terceira alternativa é o sistema de armazenar energia sendo trocada internamente de cinética ⇔ potencial. Esta troca se dá com um certo tempo “RITMO“ que é função das inércias das partes que se movem e da rigidez dos elementos que se deformam; Este Ritmo é chamado de freqüência própria ou freqüência natural do sistema.
O exemplo mais clássico de um sistema simples (1 grau de liberdade) é o sistema constituído por uma massa (m) e uma mola linear de rigidez (k). Sua Freqüência Natural pode ser calculada de forma simplificada da seguinte forma: Lei de Newton ⇒ F = m.a , onde a = d2x/dt2 Lei de Hook ⇒ F = - k.x ⇒ m.a = - kx ⇒
2
m.d x = -kx dt2 1
k x
m
Cuja solução é do tipo x = xo.sen(ω.t) , com ω = 2.π.f
20
Conseqüentemente a velocidade será:
v = vo.cos(ω.t) , com vo = ω.xo a = ω2.x
e a aceleração a = - ao. ω2.sen(ω.t) , com ao = ω2.xo , e ⇒
De
1
e
2
⇒
ωn =
2
k m
xo = amplitude de deslocamento; vo = amplitude de velocidade; ao = amplitude de aceleração. A amplitude corresponde ao valor de pico. É comum para o deslocamento se utilizar o valor pico a pico, p.p. ou D.A. (Double Amplitude) Um Sistema tem tantos Modos de Vibrar quanto são seus Graus de Liberdade. Cada modo de vibrar é caracterizado por uma freqüência própria ou natural (eigen frequency) e pela Forma de Vibrar (Modal Shape), que é representada por um vetor próprio (eigen vector). Exemplo: Dois Pêndulos iguais, conectados por uma mola bem flexível: MODO 1
M
FREQÜÊNCIAS NATURAIS: VETORES PRÓPRIOS (SHAPE):
MODO 2
M
F1 [X1 X2] = [ 1 1 ]
M
M
<
F2
,
[X1 X2] = [ 1 -1 ]
Figura 9 – Sistema de dois graus de liberdade (dois modos de vibrar).
OBS: Outros parâmetros modais (massa modal, rigidez modal, etc) podem ser utilizados, dependendo da modelagem aplicada; Para sistemas lineares, diferentes modos de vibrar podem ocorrer simultaneamente, e podem ser tratados (analisados) isoladamente. Desta forma,
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um sistema com n graus de liberdade e, portanto, n Modos de Vibrar, pode ser entendido/modelado/analisado como sendo n sistemas de um grau de liberdade superpostos (Análise ( Análise Modal). Modal). Se um sistema for excitado de forma periódica com freqüência igual a sua natural, (com o ritmo que ele gosta) ele tende a absorver toda a energia que puder, aumentando seu movimento. É o que se chama de ressonância. O gráfico a seguir, mostram que, quando as freqüências, natural e de excitação, estão próximas ( ωf / ω = 1) a amplitude amplitude tende a infinito, levando levando à quebra da máquina quando a resistência resistênci a mecânica é ultrapassada. ultrapassad a. Dizemos que que o sistema está em ressonância.
Figura 10 – Gráfico do deslocamento de um sistema na ressonância.
Em um sistema vibrando na ressonância (em um modo próprio), todos os pontos atingem a posição de máxima deflexão de cada ciclo, simultaneamente (andam em fase ou em oposição de fase 0º ou 180º); Velocidade Crítica: Definida como sendo a velocidade em eixos rotativos onde as deflexões, ocasionadas pelo desbalanceamento, tornam-se muito severas. A velocidade crítica ocorre quando a freqüência ou velocidade de rotação do eixo Ω se iguala a sua freqüência natural ω, podendo ocasionar danos graves ao equipamento.
Ω=
k m
⇒ Velocidade Crítica
Figura 11 – Gráficos de amplitude e de ângulo de fase identificando-se a velocidade crítica.
22
3. MEDIDAS DE VIBRAÇÃO - INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO: 3.1
Sensores: Os três principais caminhos para representar a detecção de movimentos pelos monitores de vibração são deslocamento, velocidade e aceleração. Estes três parâmetros são matematicamente relacionados e podem ser derivados da entrada de qualquer sensor de movimento. A seleção de um sensor proporcional a deslocamento, velocidade ou aceleração depende da freqüência de interesse e do nível de sinal envolvido. Sensores de deslocamento: Sensores de deslocamento são utilizados para medir deslocamento a baixa freqüência e pequenas amplitudes. No passado, os monitores de deslocamento utilizavam sensores de proximidade, sem contato, tais como Eddy Probes. Atualmente, transdutores de deslocamento piezelétrico (acelerômetro com dupla integração) têm sido desenvolvidos para superar alguns dos problemas associados aos transdutores do tipo Eddy Probe. Ele produz uma saída proporcional ao movimento absoluto da estrutura melhor do que o movimento relativo entre o ponto de proximidade do sensor e a superfície e o alvo, tal como um eixo.
Figura 12 – Exemplo de um sensor de deslocamento tipo Eddy Probe.
Distância
“Eddy Current” ou “Proxímetro” Área Elétrica Eixo
Figura 13 – Exemplo de um sensor de deslocamento tipo Eddy Probe.
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Sensores de velocidade: Sensores de velocidade são usados para medidas de baixa à média freqüência. Eles são úteis para monitoramento de vibração em máquinas rotativas. Quando são comparados aos acelerômetros, os sensores de velocidade têm sensibilidade menor para vibrações de alta freqüência. Desta forma, eles são menos suscetíveis a sobrecargas do amplificador. As sobrecargas podem comprometer a fidelidade fidelida de da amplitude baixa, e sinais de baixa freqüência. Os sensores de velocidade tradicionais utilizam um sistema eletromagnético (bobina e imã) para gerar o sinal proporcional de velocidade. Agora, os sensores de velocidade tradicional e do moderno sensor piezelétrico de velocidade são mostrados na figura abaixo.
Figura 14 – Exemplo de sensores de velocidade.
Acelerômetros: Acelerômetros são os sensores de movimento preferido para aplicações de monitoramento de vibração. Eles são úteis para medir de baixa à alta freqüência, e são disponíveis numa variedade ampla de fins gerais e desenhos para aplicações específicas.
Figura 15 – Exemplo de sensores de aceleração.
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Sensores piezelétricos: Os sensores piezelétricos podem operar normalmente nas mais severas condições, sem afetar a sua performance. A maioria dos sensores usados em monitoramento de vibração possuem amplificadores internos. O elemento piezelétrico de um sensor produz um sinal proporcional de aceleração. Este pequeno sinal de aceleração é amplificado para medições de aceleração e / ou convertido (integrado proporcionalmente) quando se deseja medir velocidade ou deslocamento. Material piezelétrico: Os dois materiais piezelétricos básicos usados nos medidores de vibração são: cristal de quartzo e cerâmica piezelétrica, enquanto ambos são adequados para design de sensores, a diferença em suas propriedades permite uma maior flexibilidade na sua escolha. Por exemplo, o quartzo natural tem sensibilidade menor à carga e exibe um ruído de fundo maior, quando comparados a materiais piezocerâmicos. A maioria dos fabricantes de sensores de vibração utiliza materiais piezocerâmicos desenvolvidos especialmente para aplicação de sensor. Formulações especiais otimizaram as características para obter informação confiável em meios de operações extremas. A sensibilidade excepcionalmente alta desse material piezocerâmico permite o design do sensor com resposta de freqüência aumentada quando comparas ao quartzo.
3.2
Vantagens e desvantagens na escolha dos sensores: Sensor de corrente (Eddy Probe): Vantagens: • • • •
Resposta em baixas freqüências; Mede deslocamento relativo; Útil como referência para análise e balanceamento dinâmico; Confiável, se apropriadamente instalado e mantido.
Desvantagens: • • • •
Dificuldade para instalação; Limitada para medição de deslocamento para freqüências altas; Calibração depende do material do eixo; Produz sinal de “run-out” falsos no eixo.
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Sensor de velocidade Vantagens: • • •
Não necessita de fonte externa; Saída do sinal: Força; Fácil de utilizar. Não é sensível aos problemas de montagens.
Desvantagens: • • • • •
Não é útil em freqüências muito baixas ou muito altas; Possui partes internas móveis; A orientação na montagem é importante; Tamanho; Precisão.
Acelerômetros Vantagens: • • • • •
Range (intervalo) muito grande de freqüências; Range grande de amplitudes; Suporta variações de temperatura; Disponível para saídas de velocidades e deslocamento; Design robusto.
Desvantagens: • • •
3.3
Não dá resposta DC; É limitado em temperatura, devido ao amplificador interno; Sensível a configuração de montagem.
Escolha e montagem de sensores: Quando selecionamos um sensor para monitoramento, alguns fatores devem ser considerados até que o melhor sensor seja escolhido para aplicação, o usuário deve-se questionar para se familiarizar com o sensor. As questões típicas são: •
Qual o nível de vibração?
•
Qual o range da medição que interessa?
•
Qual a temperatura exigida?
•
Existem corrosivos químicos presentes?
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•
O ambiente corre riscos de explosão?
•
Existe transiente acústico e ou eletromagnético intenso?
•
Existe descarga eletrostática na área?
•
A maquina é aterrada?
Outras questões também deve ser levantadas quanto aos conectores, cabos etc.: •
Qual tamanho de cabo é necessário?
•
O cabo deve possuir proteção externa?
•
A qual temperatura o cabo ficará exposto?
•
É necessário conector a prova d’água?
•
Será necessário utilizar outro tipo de instrumentação?
•
É necessária uma fonte externa de alimentação?
Montagem de sensores: O tipo da configuração de montagem depende primeiramente do tipo de sinal dinâmico a ser coletado, qual o range de amplitude necessário e qual o range de freqüência. Outros fatores também são considerados para montagem ou não de sensores, tais como acessibilidade, proibições, temperatura, etc. Em geral existem quatro configurações para montagem de sensores de vibrações: stud (prisioneiro), adesivo, magneto e ponteira.
Figura 16 – Exemplo de montagem de sensores.
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Montagem Stud (prisioneiro): Este tipo de montagem resulta na melhor resposta de range de freqüência. É recomendada para montagem de sensores em sistemas de monitoramento permanentes e medições em alta freqüência em geral. Conseguimos uma resposta máxima do range de freqüências dos acelerômetros. Deve-se observar, durante a montagem, a correta usinagem no ponto de conexão, o torque suficiente para montagem e a proteção posterior com silicone. Montagem com adesivo: Se não se pode aparafusar um sensor na máquina, podemos utilizar o adesivo como solução técnica. Existem atualmente diversos tipos de adesivos, os quais tem boa resposta de conexão, permitindo extrair até 70% do range de freqüência do acelerômetro. Deve-se observar a correta limpeza do local de montagem a fim de se ter a aderência necessária, com segurança. observando também o limite de temperatura do adesivo a ser utilizado com a realidade da máquina. Montagem com magneto e ponteira: Os magnetos são o tipo de montagem mais utilizados no campo, devido sua facilidade de manuseio, porém há um inconveniente: perde-se bastante do range de freqüências do acelerômetro, dependendo da qualidade de conexão entre mancal e magneto. Magneto tipo “plano” possui melhor resposta que os de “dois pólos” (plano: 50% e dois pólos: 30% do range de freqüências do acelerômetro). A ponteira deve ser o último recurso, sendo até não recomendada sua utilização, devido à perda de repetibilidade do sinal, trazendo o range de freqüências do acelerômetro para aproximadamente 10%. 3.4
Analisadores de freqüência de vibração: Sempre que uma máquina exibir vibração excessiva ou um aumento significativo em sua vibração durante as medições periódicas, o próximo passo é realizar uma análise completa da vibração de forma a determinar suas causas. O elemento chave de qualquer análise de vibração é determinar quais freqüências estão presentes e suas amplitudes, e separar dentre essas, aquelas que são indicadoras de problemas. Para fazer isso necessitamos do Analisador de Freqüências de Vibração. Esses instrumentos estão disponíveis em uma grande variedade de formatos, tamanhos e capacidades. Porém, o escopo desse curso não detalhará cada um desses instrumentos. Entretanto, todos esses instrumentos têm características
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comuns mínimas sem as quais nada poderia ser feito. É muito importante aos técnicos que irão trabalhar nessa área, entender esses conceitos básicos desses instrumentos, pois muitos problemas de vibração tem sido erroneamente identificados ou perdidos, simplesmente porque o analista não entende como funciona um analisador de vibração. Todos os analisadores disponíveis hoje podem ser divididos nas seguintes categorias: •
Analisadores Analógicos ou de Filtro Sintonizável;
•
Analisadores Digitais.
Figura 17 – Exemplo de montagem de sensores.
Analisadores de freqüência analógicos: Introduzidos durante a década de 50, os analisadores analógicos ou por filtro sintonizável, eram o que havia de mais moderno disponível para a realização da análise de vibração. Um analisador de filtro sintonizável trabalha de forma similar a um rádio. Numa determinada região existem, literalmente, dezenas de estações de rádio transmitindo programas ao mesmo tempo, mas cada estação está transmitindo em uma freqüência assinalada de transmissão. No nosso receptor de rádio existe um sintonizador que ajuda você a ajustar uma freqüência específica de transmissão fazendo então, com que se ouça a música de uma estação em particular. O sintonizador é na realidade um filtro eletrônico que aceita uma freqüência de transmissão de cada vez e rejeita todas as outras. Um analisador de freqüência tipo filtro sintonizável trabalha exatamente com o mesmo princípio do rádio. Uma máquina pode gerar diversas freqüências diferentes ao mesmo tempo em função de suas rotações de serviço, componentes mecânicos e freqüências de problemas.
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O analisador analógico inclui um filtro que pode sintonizar ou varrer sobre uma faixa de freqüência de interesse para capturar ou identificar cada freqüência gerada. As únicas diferenças entre um rádio comum e um analisador analógico são: 1. O filtro do analisador de vibração é projetado para responder à freqüências de vibração e não radiofreqüências (RF); 2. O analisador de vibração usa um sensor tipo acelerômetro enquanto o rádio utiliza uma antena; 3. O analisador apresenta os valores sintonizados de amplitude x freqüência em indicadores ou em cartas impressas (chamadas de Assinatura de Vibração ou Espectro); o rádio apresenta como resultado da sintonia o som através de auto-falantes. O instrumento inclui um botão de manuseio do filtro usado para a sintonia manual sobre uma faixa larga de freqüência de vibração. Chaves de seleção são incluídas para a seleção do parâmetro de medição da amplitude e largura da banda do filtro. Também são incluídos os mostradores para apresentar as informações de amplitude e freqüência. Uma lâmpada estroboscópica é também incluída para análise de fase, balanceamento, confirmação da rotação e estudos em câmera lenta. Especificamente o instrumento fotografado inclui uma impressora interna para a geração dos espectros impressos e outras informações; também possuem um sistema que pelo simples apertar de um botão produz uma varredura automática do filtro de análise ajustado, sobre a faixa de freqüência de interesse e produz um espectro impresso simultaneamente. Esse aperfeiçoamento nos analisadores tipo filtro sintonizável elimina a tarefa tediosa e demorada do rastreamento manual de cada freqüência de interesse e sua marcação gráfica manual em uma folha de dados. Os analisadores analógicos de filtro sintonizável são considerados hoje ultrapassados em comparação com os padrões tecnológicos existentes. Entretanto, alguns desses instrumentos são fabricados ainda hoje e ainda existem centenas de velhos instrumentos desse tipo em uso. Analisadores digitais de freqüência (FFT): Os analisadores analógicos por filtro sintonizável vêem sendo utilizados ao longo de muitos anos e tem sido utilizado para detectar, identificar e resolver muitos problemas em máquinas. Entretanto, esses aparelhos, como vimos anteriormente, possuem inúmeras desvantagens se comparados com os analisadores digitais modernos, entre elas: 1. Os analisadores analógicos são tipicamente grandes e pesados com pesos na faixa de 10 a 15 kg. Em compensação a maioria dos analisadores digitais atualmente, nem chegam a 2 kg;
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2. Os analisadores analógicos não podem armazenar dados ou se comunicarem diretamente com computadores. Já os analisadores digitais podem armazenar dados de vibração em memória própria e se comunicar com computadores externos; 3. Nos instrumentos analógicos as capacidades e funções são governadas basicamente pelo projeto inicial. As atualizações e aperfeiçoamentos só podem ser feitos através de mudanças de hardware. Os instrumentos digitais são basicamente computadores e os aperfeiçoamentos podem ser feitos alternando os programas internos; 4. Analisadores analógicos têm limitações de precisão em freqüência e não conseguem separar muito bem, freqüências muito próximas. Com ajustes apropriados, os analisadores digitais podem medir freqüências abaixo de frações de cpm; 5. Os analisadores analógicos são tipicamente limitados a 600.000 c pm de freqüência máxima, ao contrário dos analisadores digitais que podem medir até mais de 4 milhões de cpm; 6. Os analisadores analógicos são bem mais lentos que os digitais. O analisador analógico pode levar de 30 segundos a vários minutos para imprimir o espectro enquanto que o analisador digital pode tornar disponível um espectro simples em apenas alguns segundos (em alguns modelos, até em frações de segundo). Essas são apenas algumas das vantagens que os analisadores digitais de vibração, incluindo ai os coletores de dados, têm sobre os analisadores analógicos.
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4. PROCESSAMENTO DIGITAL: 4.1
Características dos sinais dinâmicos: As informações dos processos industriais e de todos os experimentos de engenharia são transmitidos por sinais dinâmicos. Em alguns casos, a análise tem de ser feita com a informação total incluindo o valor médio, as variações lentas e as rápidas. Este é o caso típico dos sinais do tipo DC. Outras vezes, é suficiente para a análise considerar apenas as variações rápidas do fenômeno, eliminando por filtragem o valor médio e as variações lentas. Os sinais usados são então, do tipo AC. Independentemente da forma dos sinais portadores das informações de interesse, será imperioso analisá-los com o maior critério, pois a qualidade da interpretação depende diretamente da Análise dos Sinais. É necessário então conhecer as diversas formas com as quais os sinais se apresentam e seus possíveis modos de combinação dinâmica. O analista deve captar os sinais emitidos pelas máquinas e perceber se neles existem formas puras, distorcidas, combinadas ou moduladas. Depois desta observação pode-se escolher as técnicas de Análise de Sinais mais convenientes e adequadas ao caso em questão. Atualmente são disponíveis inúmeros analisadores de sinais, com recursos computacionais e preços pequenos.
4.2
Sinais harmônicos: Os sinais harmônicos representam perfeitamente a maioria dos sinais de uma máquina. Uma componente de vibração é essencialmente um movimento harmônico, uma senóide como visto anteriormente. O sinal harmônico tem grandezas características próprias que são: - Amplitude: valor medido do nível de referência a um valor máximo do sinal; - Freqüência: número de vezes que o ciclo se repete, por unidade de tempo; - Período: tempo de execução de um ciclo completo do sinal; - Defasagem: avanço ou atraso de um sinal em relação a outro qualquer. Sinais harmônicos de mesma espécie ocorrendo simultaneamente interagem entre si e podem formar um sinal harmônico único. São várias as formas de combinação de sinais. Se a combinação for por processo de soma, pode ocorrer os seguintes casos: - A soma de dois sinais harmônicos de mesma freqüência resulta em outra harmônica de mesma freqüência e amplitude de defasagens próprias;
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- A soma de dois sinais harmônicos de freqüências diferentes resulta em sinal periódico, mas não harmônico; - A soma de dois sinais com freqüências quase iguais é um caso especial chamado Batimento e é de ocorrência comum. 4.3
Análise de Fourier: Para compreender a informação contida em um sinal, é preciso discretizar o sinal captado, ou seja, dividi-los em sinais simples, para associá-los a suas origens e identificar as excitações correspondentes. Foi enfatizado, anteriormente, que a vibração de um equipamento real apresenta-se como um fenômeno complexo contendo um número apreciável de componentes, tanto em freqüência quanto em amplitude, devido a várias massas vibrando.
Figura 18 – Sinal no domínio do tempo, sua discretização e em seguida o sinal no domínio da freqüência.
No final do século passado, o barão Jean Baptiste Fourier mostrou que qualquer sinal ondulatório pode ser descrito como uma combinação de sinais senoidais. Demonstrou ainda que, para cada sinal, a combinação de sinais senoidais que o descreve é única. Assim, um sinal qualquer pode ser descrito matematicamente como: x( t) = X1 sen( ω1 t + ϕ 1 ) + X2
sen(ω 2 t + ϕ 2 ) +. . .+ Xn sen (ω n t + ϕ n )
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No caso do exemplo de sinal vibratório apresentado na Figura 18, ele é o resultado da combinação de apenas três funções senoidais (Figura 18 (b)) cuja descrição matemática é: x(t ) = X 1 sen(ω 1t + ϕ 1 ) + X 2 sen(ω 2 t + ϕ 2 ) + X 3 sen(ω 3t + ϕ 3 )
Levando-se em conta essas idéias, e considerando que uma máquina real se comporta como várias massas vibrando, se torna natural descrever o fenômeno vibratório de um equipamento indicando os valores das amplitudes máximas X i relativas a cada uma das freqüências de vibração ωi presentes na composição do sinal vibratório. A descrição dessa forma é denominada forma espectral ou simplesmente espectro da vibração. Usualmente o espectro da vibração é apresentado na forma gráfica, do tipo mostrado na Figura 18 (c), que exemplifica a representação espectral do sinal da Figura 18 (a). No caso de um sistema mecânico real que tem um sinal vibratório complexo, como, por exemplo, um sistema motor-esmeril, o espectro de vibração é composto por um número muito grande de sinais senoidais combinados, resultando em um gráfico do tipo apresentado na Figura 19.
Figura 19 – Sinal no domínio do tempo obtido no mancal de um sistema motor-esmeril.
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Para a separação das componentes harmônicas, determinar seu espectro de freqüências, hoje temos os recursos fantásticos em modernos coletores de dados, os quais aplicam o algoritmo matemático de decomposição harmônico chamado FFT (Fast Fourier Transformer).
Figura 20 – Sinal complexo e seu espectro FFT.
4.4
Características Características da FFT: O algoritmo da FFT foi especialmente desenvolvido para aplicação em analisadores digitais, em razão disso, ele tem uma série de propriedades e limitações decorrentes do processo. O fato básico a ser compreendido, é que a transformada é aplicada em blocos, Figura 20. O sistema ADC adquire um determinado tempo de sinal, normalmente identificado por T r, decorrente da denominação em inglês “time record”, e digitalizada esse sinal em N pontos espaçados igualmente. Por questões de hardware, normalmente N = 1024 pontos, ou algum múltiplo par desse número.
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Figura 21 – Esquema de obtenção do sinal e do espectro.
Verifica-se pelo esquema, que a FFT transforma o sinal em blocos, cada bloco equivalente a uma amostragem de um tempo T r do sinal. Em razão da forma como são as freqüências no cálculo dos coeficientes da FFT, cada bloco com N pontos de informação do sinal, é transformado em bloco com N/2 freqüências igualmente espaçadas. O valor mais alto de freqüência, para a qual é calculada a amplitude, é dada por:
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f max =
N
2 ⋅ Tr
as demais freqüências são igualmente espaçadas entre 0 e f máx, ou seja:
0, 1/Tr, 3/Tr, ..., (n/2)/Tr Assim, como o número de pontos utilizados na digitalização de um sinal é constante para um dado equipamento, a freqüência máxima que pode ser alcançada via uma análise por FFT é governada pelo tempo de amostragem referente ao sinal digitalizado. A separação entre os valores de freqüência é definida por decorrência, Figura 22 onde a resolução entre as freqüências é 1/T r.
Figura 22 – Relações entre a freqüência e o tempo de aquisição do sinal..
Problemas na Análise pela FFT: O primeiro cuidado ao se utilizar FFT para gerar um espectro de um sinal, é lembrar que o algoritmo se comporta como um analisador de filtros paralelos de largura de banda constante. Se o problema for distinguir componentes próximas de alta freqüência, a resolução conseguida com a FFT pode não ser suficiente. Neste caso a solução será proceder a filtragem do sinal através de um filtro de banda larga, limitando o campo de freqüências do sinal para a região de interesse. Este processo é realizado, nos analisadores digitais, por meio de um “filtro digital”, e o processo de seleção das faixas de interesse é conhecido por “zoom” ou BSA, iniciais da expressão em inglês “Band Select Analysis”. O outro problema associado ao uso da FFT na obtenção de espectros de vibração, é que a transformada de Fourier, ferramenta matemática usada na implementação da FFT, supõe que o sinal é periódico através do tempo. Com os dados disponíveis pela aquisição digital do sinal é limitado dentro de um intervalo
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de tempo, o algoritmo da FFT supõe que o sinal se espelha para trás e para frente de forma periódica. Este procedimento pode causar problemas sempre que o “corte” do sinal ocorrer de tal forma que a periodicidade do sinal fique distorcida. Ao assumir o sinal “espelhado”, a FFT estará transformando um sinal diferente do original, não periódico, e conseqüentemente o resultado não será adequado. Este tipo de defeito na montagem, ou melhor, na edição do sinal para FFT, é conhecido como “leakage” (“fuga”) sendo notório o surgimento de freqüências em torno da freqüência do sinal.
Figura 23 – Problema de “leakage” na FFT.
Uma observação importante sobre este fenômeno, é que se o sinal for transiente no tempo, a edição do sinal, via espelhamento para frente e para trás, redunda em um sinal periódico e, portanto, a sua FFT levará a um resultado correto. A Figura 24 ilustra este caso.
Figura 24 – Edição de um sinal transiente para FFT.
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Este fato, leva à uma proposta de solução para o problema de leakage: basta “enjanelar” a função editada de modo que nos pontos de edição, as amplitudes do sinal no tempo se anule, ou melhor, fiquem muito pequenas. Claude Shannon e Harry Nyquist provaram que, para não se perder a informação
contida num sinal amostrado, é necessário que a freqüência de leitura ou amostragem (Nº de leituras/Período de amostragem) seja pelo menos o dobro da maior freqüência de interesse contida no sinal. A esta freqüência é usual chamarse freqüência de Nyquist . De fato, se pretendermos adquirir o sinal harmônico da Figura 25 (a) e a freqüência de amostragem escolhida for igual à do sinal, acontecerá que seremos levados a pensar estar perante um sinal contínuo (freqüência = 0) de amplitude dependente do instante em que se iniciou a aquisição Figura 25 (b).
Figura 25 – Freqüência de amostragem igual à freqüência do sinal em análise
Se a freqüência de amostragem for maior que a do sinal, mas inferior ao seu dobro obteremos um sinal de freqüência inferior à verdadeira Figura 26 (a). Finalmente, se a freqüência de amostragem for maior ou igual ao dobro da freqüência do sinal ( freqüência de nyquist ) já se obtém o valor correto desta Figura 26 (b) e (c).
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Figura 26 – Exemplos da ocorrência do “aliasing”.
Ao fenômeno de confundir uma freqüência com outra menor, situação que se verifica quando a freqüência de amostragem é inferior ao dobro da freqüência em análise, é costume chamar-se aliasing. Na prática, a compreensão deste erro é muito importante quando se utiliza a lâmpada estroboscópica, pois é vulgar confundirmos a rotação real com outra de metade, um terço ou um quarto do seu valor. O princípio de funcionamento da lâmpada estroboscópica baseia-se numa luz intermitente, de freqüência regulável pelo utilizador que, ao refletir numa fita colada para o efeito no veio em rotação, cria a ilusão desta estar parada, caso a freqüência seja igual à do veio. Assim, quando se pretende medir a rotação varia-se a freqüência da lâmpada até se parar a fita refletora colada previamente no veio. Naturalmente que se o veio rodar ao dobro, triplo ou qualquer múltiplo inteiro da freqüência da lâmpada teremos sempre a ilusão da fita parada. Todos estes casos são erros de aliasing . Uma forma de determinarmos corretamente a rotação consiste no aumento da freqüência da lâmpada até obtermos duas imagens paradas da fita. A rotação verdadeira será igual à freqüência imediatamente anterior que mantinha uma imagem parada. O erro de aliasing não é problemático para os analisadores de vibrações pois estes equipamentos possuem filtros passa-baixa que impedem que freqüências mais elevadas presentes no sinal caiam no intervalo de freqüência da aquisição.
4.5
Enjanelamento (janelas): Já vimos anteriormente que o espectro de freqüência de um sinal harmônico é composto por uma só linha. Isto é verdade quando falamos de sinais contínuos, mas no caso do processamento de sinal digital pode não ser rigorosamente assim. De fato, na Figura 27 temos um sinal amostrado durante um período de tempo (T – período de amostragem) que por acaso coincidiu exatamente com um número inteiro de ciclos deste.
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Figura 27 – Período de amostragem coincidente com um número inteiro de c iclos (harmônica de amplitude 1, fase 0 radianos e freqüência 8 hz).
Assim o espectro obtido pela FFT é rigoroso. Mas na prática nada nos garante que, quando medimos uma vibração, o período de amostragem escolhido coincida com um número inteiro de ciclos. Além disso, a vibração real das máquinas é normalmente composta por variadas contribuições a diferentes freqüências e fases. Nas Figuras 28 e 29 podemos constatar o que acontece neste caso ao espectro de freqüência.
Figura 28 – Período de amostragem não coincidente com um número inteiro de ciclos (harmônica de amplitude 1, fase 0 radianos e freqüência 8 hz).
Figura 29 – Período de amostragem não coincidente com um número inteiro de ciclos da harmônica de maior freqüência.
Como podemos ver, a não existência de um número inteiro de ciclos no sinal amostrado provoca no espectro FFT o aparecimento de falsas componentes de freqüência assim como a amplitude à freqüência verdadeira surge menor. Este efeito chama-se windowing , ou efeito de janela ou enjanelamento .
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A razão deste nome deve-se a que parte amostrada do sinal seja como a parte do sinal real que vimos através de uma janela Figura 30.
Figura 30 – Amostragem do um sinal da figura 29 com uma janela retangular.
O erro de enjanelamento pode ser reduzido se escolhermos a janela adequada. Uma das janelas mais usadas na medição de vibrações periódicas em Manutenção é a janela Hanning (Figura 31). O objetivo desta janela é conseguir que as amplitudes do espectro sejam mais próximas dos seus valores verdadeiros e reduzir o número de componentes falsas do espectro. Se aplicarmos ao sinal a janela hanning o resultado será o seguinte:
Figura 31 – Período de amostragem não coincidente com um número inteiro de ciclos da harmônica de maior freqüência. Utilização da janela Hanning .
No tempo verifica-se uma atenuação do sinal amostrado nos extremos e na freqüência, se compararmos a Figura 31 com a Figura 29, podemos constatar que a amplitude da maior freqüência se aproximou mais do seu valor real (X = 2) e o número de falsas componentes diminuiu apesar das que restaram aumentarem em amplitude. No entanto será sempre fácil verificar se estas componentes são ou não verdadeiras bastando para tal mudar a escala de freqüências de modo a aumentar a resolução ou fazendo um zoom . Outras janelas também costumam ser usadas, como é o caso da Kaiser-Bessel , Flat-Top ou da Exponencial. Na Figura 32 listam-se as janelas mais vulgares e quais as suas aplicações.
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Tipo de sinal
Aplicação
Janela
Transiente
Geral
Retangular
Transientes curtos e testes de impacto com sinal de excitação curto
Transiente
Transientes longos e testes de impacto com sinal de excitação longo
Exponencial
Transientes muito longos
Hanning (x % sobreposição)
Geral e medição de respostas com excitação aleatória
Hanning
Separação de picos adjacentes
Kaiser-Bessel
Calibração
Flat-Top
Sinais pseudo-aleatórios, análise por ordens e medição de respostas com excitação pseudoaleatória
Retangular
Contínuo
de
Figura 32 – Janelas e suas aplicações
4.6
Modulação de sinais: O analista de Manutenção Preditiva deve conhecer alguns fundamentos de modulação para poder identificar e assim associar às excitações correspondentes. Quando um sensor capta um sinal dinâmico e o transfere para o analisador, provavelmente ele vem misturado com outros ou está modificado por algum outro processo de modulação. O analista necessita reconhecer a forma de modificação para escolher a maneira mais adequada de separá-los e associá-los às causas que o geram. No universo de sinais dinâmicos, muitos deles apenas se misturam e então são facilmente separados pelo processo de FFT. Algumas vezes, o processo físico favorece a combinação de sinais, surgindo diversas formas de modulação. Podemos citar como exemplo: gaiolas de rolamentos, campos magnéticos, correntes rotóricas, engrenamentos, etc. As formas mais comuns de modulação são: Amplitude Modulada (AM), Freqüência Modulada (FM) e a Modulação de Fase.
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A modulação é composta por um sinal modulador e um sinal portador (chamado portadora). O sinal portador em sua propagação “transporta” o sinal modulador. O sinal modulador modifica o portador alterando-lhe ou a amplitude ou a freqüência ou a fase. Modulação de amplitude: Uma forma de modulação em amplitude AM consiste em “multiplicar” uma harmônica de freqüência ωp (a portadora) pelo sinal modulador f(t). Esta forma de modulação cria duas componentes eqüidistantes da freqüência, suprimindo a portadora. É também chamado de Modulação em Amplitude com Portadora Suprimida. f (t ). cos ϖ p t
Outra forma de modulação em amplitude AM, o processo físico faz com que os sinais se associem por um processo de soma. Se a amplitude da portadora for sempre maior do que o maior pico do sinal modulador, o processo de modulação irá transportar o sinal modulador sem perder nenhuma informação. O espectro em freqüência deste tipo de AM contém um pico na freqüência da portadora com bandas laterais espaçadas da(s) freqüência (s) do sinal modulador.
Figura 33 – Espectro de freqüência AM com portadora.
Modulação em freqüência: Neste caso, o sinal de alta freqüência (onda portadora) tem sua freqüência variando conforme o sinal de menor freqüência, denominado sinal modulador. O sinal FM tem amplitude constante e igual à da portadora e freqüência instantânea variável. O espectro FM tem as seguintes características:
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Infinitas bandas laterais em torno da freqüência portadora; A modulação em freqüência não é linear, portanto, não vale o princípio da superposição, dificultando a análise de sinais modulados por sinais complexos; • Dependendo do valor do índice de modulação , a amplitude da portadora no espectro pode ser nula. • •
Os casos mais comuns de FM em máquinas rotativas ocorrem em Engrenamentos e Motores Elétricos.
Figura 34 – Sinal modulado em Freqüência.
Na prática, muitas vezes é difícil distinguir um espectro com FM de um outro com AM. Veja abaixo comparação entre eles:
Figura 35 – Comparação entre Batimento, AM e FM.
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Nos casos mais complexos podemos ter superposição de AM + FM + Batimento e Super-modulação.
Figura 36 – Comparação de sinais.
Grau de Modulação “β”: O grau de modulação β indica de uma forma geral o nível ou a intensidade de falha em determinados sintomas de falhas em máquinas. Por exemplo: em motores elétricos, se tivermos β = 2 no motor A e β = 5 no motor B, ambos associados a problemas de barras do rotor rompidas, podemos dizer que no motor B tal sintoma está mais acentuado do que no motor A, apenas comparando-se os graus de modulação β encontrados nos espectros.
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Figura 37 – Espectros em freqüência para vários graus de modulação.
Filtros: O filtro é um dispositivo que, teoricamente, deixa passar um determinado número de freqüências e bloqueia as demais. A separação entre a freqüência mínima e a máxima que o filtro deixa passar é denominada largura de faixa ou banda, definida por: B = f 2 − f 1
onde:
f1 = a freqüência mais baixa, f2 = a freqüência mais alta.
Visando uma maior conveniência para ajustar faixas de freqüência sobre as quais se deseja deixar passar o sinal, é definida internacionalmente, uma freqüência, denominada freqüência central, expressa pela relação:
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f c = f 1 ⋅ f 2
ou seja, a média geométrica das freqüências limites do filtro. Nos casos usuais são utilizados basicamente dois tipos de filtros: o de largura de faixa constante e o de largura de faixa percentual ou proporcional. Os filtros de largura constante cobrem a faixa de interesse num número de faixas cuja largura não é alterada em função de freqüência. Um exemplo são os filtros com largura de faixa de 20 Hz. Os filtros de largura proporcional ou percentual, apresentam uma largura de faixa que é percentualmente proporcional à freqüência central da faixa, por exemplo: B = n
f c
100
onde, n é a largura da faixa em porcentagem da freqüência central. Os filtros normalmente apresentam uma largura de faixa percentualmente igual a 6% da freqüência central. Os mais utilizados são os de oitava e de terça de oitava, que correspondem a uma largura de faixa é igual a 70,7% da freqüência central para os de oitava e para o filtro de terça 23,1% da freqüência central. Com o auxílio dos filtros obtém-se as amplitudes das diferentes freqüências, bastando então traçar o espectro versus freqüência.
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5. IDENTIFICANDO OS PROBLEMAS MAIS COMUNS EM MÁQUINAS: Está fora do objetivo deste curso introdutório descrever detalhadamente as características associadas a cada problema específico que podem ser encontrados em todos os tipos de máquinas. Essa apostila foi desenvolvida para aquelas pessoas que tem pouca experiência no uso da detecção de vibração e suas técnicas de análise para a Manutenção Preditiva. A seqüência deste capítulo aborda as características dos problemas mais comuns em máquinas em geral, a saber: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Desbalanceamento; Eixo torto; Desalinhamento; Folgas; Problemas de excentricidade; Ressonância; Rolamentos (caso típico em 88% das ocorrências); Mancais deslizantes; Problemas hidráulicos ou aerodinâmicos; Problemas em motores elétricos AC assíncronos; Engrenagens; Correias.
A análise de vibração, como a medicina, não é uma ciência exata. Entretanto, com a informação fornecida neste capítulo, associada ao bom senso, tornarão vocês aptos a indicar a maioria dos problemas de máquinas com confiança. 5.1
Vibração por desbalanceamento:
O desbalanceamento de componentes de máquinas é talvez o problema mais fácil de reconhecer com certeza. O desbalanceamento simples, não complicado por outros fatores, pode ser rapidamente identificado pelas seguintes características: 1.
A vibração ocorre a 1 x rpm do componente desbalanceado. A presença de múltiplas freqüências harmônicas (2x, 3x, 4x, etc.) usualmente indica problemas adicionais como folga, roçamentos entre outros;
2.
A vibração é razoavelmente uniforme na radial dos mancais, nunca excedendo uma relação 5:1 entre a horizontal e a vertical. As medições de
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fase geralmente apresentam uma diferença entre 60º e 120º, entre a horizontal e a vertical; 3.
Se um componente específico como motor, ventilador, bomba, é a fonte do desbalanceamento, esse componente vibrará mais que os outros. Se a fonte for um acoplamento toda a máquina vibrará.
O estado do desbalanceamento também pode ser afetado por condições de operação, tais como carga ou temperatura. Por exemplo, máquinas operando em altas temperaturas podem se distorcer fisicamente e deformar em função da dilatação, resultando em mudanças no balanceamento do rotor. Grandes ventiladores de tiragem de fornos de rotor soldado devem ser balanceados à temperatura de operação, de forma a compensar distorções térmicas. Quando balanceados à temperatura ambiente, podem rodar bem suaves a frio, mas, começam a vibrar violentamente quando em operação normal à quente., Complementando, devido a pequenas variações de posição e diâmetro médio nas pás de grandes ventiladores de rotor montado, podem apresentar variações significativas de balanceamento com a variação do fluxo. Em outras palavras, uma variação no ajuste das válvulas pode resultar em uma variação significativa na amplitude de desbalanceamento e características da fase. Esses efeitos são referenciados como desbalanceamento aerodinâmico e indicam a importância de balancear o rotor sob as condições normais de operação. Problemas com eixos tortos: Eixos tortos são um problema comum encontrado em máquinas devido a erros de fabricação ou então, da manipulação durante o transporte ou instalação. Também pode ser provocado por distorção térmica ou desbalanceamento excessivo. Independente das causas, eixos tortos produzem uma vibração predominantemente em 1 x rpm, muito parecida com o desbalanceamento. E como no desbalanceamento, na direção radial essa vibração é uniforme e não direcional. Mas, diferente do desbalanceamento, o eixo torto irá produzir um nível significativo de vibração AXIAL. Toda a vez que a amplitude da vibração medida na direção axial exceder 50% da maior amplitude medida na direção radial, um eixo torto será a provável causa de altas vibrações axiais. Sendo o eixo torto a principal causa da vibração axial, podemos confirmá-lo através de uma simples análise de fase nessa direção, pois, podem existir dois tipos diferentes de entortamento de eixo: 1. Rotores com um simples empenamento; 2. Eixos com um entortamento ou dobra, próximo a um mancal específico. Cada um desses tipos de distorção irá produzir alta amplitude axial, mas cada tipo irá ocasionar uma vibração axial notavelmente diferente. Portanto, uma análise de
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fase não apenas verificará uma condição de empenamento, mas também apontará a natureza e o local exato do empenamento. Identificando um eixo com um entortamento próximo a um mancal: A vibração axial causada por um eixo torto pode realmente acontecer de duas formas diferentes. Normalmente, o eixo se dobra próximo a um mancal em particular, como acontece em uma dobra na ponta de um eixo causada por uma pancada no transporte ou instalação, o mancal vai tender a "dançar" axialmente. Essa "dança" ou retorção pode ser facilmente reconhecida tomando medições axiais de fase em várias posições do mesmo mancal, como apresentado na figura abaixo.
Figura 38 – Exemplos de um mancal com entortamento.
Quatro medições de fase axiais por mancal são recomendadas, porém, limitações físicas e de segurança, com certeza, tornarão impossível obter todas as leituras recomendadas. De qualquer forma, mais de uma leitura axial é necessária. Então, tente medir a maior quantidade possível (no mínimo duas posições diametralmente opostas). Mancais que são montados tortos em seus alojamentos, também apresentam alta vibração axial e a mesma característica de fase exposta acima. Entretanto, o mancal torto possui vibração axial extremamente direcional, então, as amplitudes axiais nas posições indicadas na figura acima serão muito diferentes umas das outras, sendo que a maior amplitude será na posição para onde o mancal está torto. Identificando um eixo com um simples empenamento: Um eixo que possua um empenamento simples como o mostrado na Figura 39, pode não provocar que seus mancais vibrem axialmente na forma de movimentos de retorção. Também um simples empenamento pode fazer com que os suportes dos mancais vibrem axialmente de forma uniforme ou plana como o mostrado na figura abaixo. Nesse caso a amplitude axial e a fase medidas nas 4 posições indicadas serão muito uniformes, quase iguais, indicando um movimento plano ou uniforme do mancal. De forma a identificar um empenamento simples como a causa da alta vibração axial, será necessário comparar o movimento axial relativo entre os suportes dos
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mancais. Se o eixo está somente empenado, os suportes dos mancais do rotor irão revelar uma substancial condição de fora de fase conforme mostrado na figura abaixo. Apesar de um empenamento pronunciado revelar 180º de defasagem na direção axial entre os suportes, uma defasagem de apenas 90º é significativa o suficiente para indicar um possível empenamento. Uma verificação com um relógio comparador deve ser feita no rotor para determinar eventuais empenamentos, especialmente se as amplitudes axiais excederem 50% da mais alta amplitude radial. É importante observar que as leituras de fase axial nos suportes dos mancais sejam feitas com o sensor de vibração sempre na mesma direção. Por exemplo: se você mede o mancal da direita em sua face do lado direito, o mesmo deve ser feito no mancal da esquerda. Se não for possível e você girar o sensor e colocá-lo para a esquerda, o valor de fase lida terá que ser corrigido, subtraindo-se 180º da leitura obtida.
Figura 39 – Eixo com um empenamento simples. Abaixo temos a indicação do movimento plano do mancal.
5.2
Vibração por desalinhamento:
Verificações têm demonstrado que nos estágios iniciais da maioria dos Programas de Manutenção Preditiva, o desalinhamento de máquinas diretamente acopladas é de longe o problema mais comum que causa a vibração nas máquinas. A respeito de mancais auto-compensadores e acoplamentos flexíveis, é difícil alinhar dois eixos
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e seus mancais de forma a não existirem forças que irão produzir vibração. Mesmo com as máquinas bem alinhadas inicialmente, vários fatores podem afetar esse estado, incluindo: 1. Temperatura (máquinas alinhadas a frio ou na oficina, podem apresentar grandes desalinhamentos quando aquecidas - por fatores de operação ou pelo sol) devido à dilatação térmica dos metais; 2. Assentamentos de fundação; 3. Deterioração de ancoragens. A Figura 40 ilustra os três tipos desalinhamentos: off-set, angular e combinado. As características de vibração ocasionadas por desalinhamento dependem do tipo de desalinho e da extensão ou grau de desalinhamento. Seguem aqui as características gerais a verificar: 1. As forças resultantes do desalinhamento no acoplamento são geralmente "compartilhadas" pelas máquinas acopladas. Como resultado, as amplitudes de vibração medidas nas unidades motoras e movidas vão apresentar um nível razoavelmente próximo. É claro que diferentes massas e rigidez vão resultar em amplitudes de vibração levemente diferentes. Entretanto, a vibração não será tipicamente localizada em um único componente; 2. A vibração será normalmente direcional. O desalinhamento ocorre em uma certa direção, e como resultado as forças radiais não serão uniformemente aplicadas em todas as direções na radial; 3. As freqüências características da vibração ocasionadas pelo desalinhamento serão 1x, 2x e 3x rpm e podem aparecer em qualquer combinação, dependendo do tipo e da extensão do desalinho. Desalinhamento angular geralmente causa vibração em 1x rpm, enquanto que o desalinhamento off-set ou paralelo causa vibração predominante em 2x rpm. De fato o desalinhamento paralelo é provavelmente a causa mais comum de vibração predominante em 2x rpm. Combinações de desalinhamentos angulares e paralelos podem mostrar conjuntos de 1x e 2x rpm e em alguns casos, até 3x rpm; 4. Sempre que o desalinhamento é o problema, uma análise de fase axial, comparando o movimento axial relativo entre o motor e a máquina movida pode ser muito útil. Como resultado, problemas de desalinhamento irão normalmente revelar uma significativa defasagem axial de até 180º. Mas,
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defasagens da ordem de 60º na axial é suficiente para sugerir o desalinhamento; 5. Um desalinhamento paralelo pode não mostrar altas amplitudes axiais, especialmente em máquinas cujos eixos acoplados são muito curtos. Entretanto, é fato de que o desalinhamento é um problema fácil de ser reconhecido porque: •
A vibração é distribuída entre a máquina motora e a movida;
•
A vibração radial à altamente direcional;
•
Vai existir diferença de fase (até 180º) entre motor/movida na radial.
Figura 40 – Tipos de desalinhamentos.
Existem outras condições de desalinhamento que não envolvem um acoplamento. Um exemplo que já foi discutido é um mancal de rolamento torto no seu alojamento devido à distorções de montagem ou construção. Neste caso, medições comparativas de amplitude na axial ao redor do eixo irão indicar grande variação. Agora, se o rolamento ou seu suporte estiver torto em relação ao eixo, as amplitudes de vibração axial serão uniformes. Mas, a fase axial indicará um movimento de torcer do mancal exatamente como no caso do eixo torto. A Figura 41 é a de um mancal deslizante desalinhado. Diferentemente dos mancais de rolamento, esse desalinhamento irá raramente resultar em vibração significativamente alta, a não ser que exista uma condição de desbalanceamento. Um desbalanceamento provoca forças radiais significativas, que por sua vez, fazem com que o desalinhamento crie vibração axial. De fato existem vários casos relatados onde grandes amplitudes axiais de vibração causadas por mancais deslizantes desalinhados foram muito reduzidas por um simples balanceamento da máquina em tolerâncias mais finas. Porém, a causa real da amplitude axial é o desalinhamento que precisa ser corrigido. Se o mancal está realmente desalinhado, ocorrerá um rápido desgaste, mesmo quando a amplitude da vibração puder ser corrigida por balanceamento. Outra condição de desalinhamento que gera alta vibração axial é produzida pelo desalinhamento de polias e catracas usadas em transmissão por correias e correntes. Na Figura 41 podemos observar vários exemplos desse tipo de desalinhamento. Essas condições não resultam apenas em vibração destrutiva, mas também o rápido desgaste de polias, catracas, correntes e correias.
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Figura 41 – Exemplos de desalinhamento de mancais, rolamentos e polias.
5.3
Vibração provocada por folga:
A primeira coisa importante para entender a respeito de vibração ocasionada por folgas é que “Folga não é uma força de excitação”.De outro modo, a vibração excessiva pode existir por causa de uma folga, mas, a folga não é a verdadeira causa da vibração. Alguma outra força como um desbalanceamento ou um desalinhamento estará presente excitando a vibração. A folga é simplesmente a perda ou redução da rigidez normal da máquina ou sistema, por causa de parafusos soltos, rachaduras, deterioração da ancoragem, soldas quebradas ou rotores soltos sobre o eixo. Condições de folgas simplesmente ajudam a qualquer força de excitação que possa existir na máquina a exibir ou gerar altas amplitudes de vibração que aqueles que existiriam se não houvesse nenhuma folga. Se a força predominante é um desbalanceamento em 1 x rpm, então a vibração predominante pela folga será de 1 x rpm. Se a força predominante for de 2 x rpm, então a vibração por folgas não tem que ocorrer predominantemente em 2 x rpm, como indicado em muitas cartas de diagnóstico publicadas. O termo "folga" é muito genérico porque cobre uma larga faixa de possibilidades. Para os nossos propósitos, dois tipos gerais de folgas e suas características identificáveis serão discutidas: 1. Folgas associadas ao sistema rotativo; 2. Folgas do sistema de suporte e fixação.
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Folgas associadas ao sistema rotativo: Folgas associadas ao sistema girante irão geralmente produzir uma condição "tamborilante", ou seja, uma série de pequenos impactos entre os vários componentes da máquina como no caso de um rotor solto sobre o eixo que gira em falso raspando ou pulando solto sobre ele. Outro exemplo é o de um anel de fixação solto batendo entre o eixo e o mancal produzindo um ruído típico de um pequeno sino sendo tocado. Como discutido antes, sempre que impactos ou pequenos pulsos ocorrerem, por qualquer razão, o resultado em termos do domínio de freqüência (espectro ou FFT) será de múltiplas freqüências harmônicas. Folgas do sistema de suporte: Diferente das folgas associadas ao sistema rotativo, folgas no sistema de suporte da máquina pode não apresentar múltiplas freqüências harmônicas relacionadas. Se essas freqüências são geradas ou não, não depende apenas da severidade da folga, mas também da intensidade das forças de excitação existentes. Por exemplo, um motor elétrico AC que tenha sido bem balanceado e não tenha nenhum outro problema, pode operar suavemente mesmo estando solto no chão. Entretanto, se houver um mínimo de desbalanceamento o motor poderá vibrar significativamente, e poderá inclusive "andar" em torno da fundação se não for fixado. O estado de folga no sistema de suporte da máquina, tais como parafusos de montagem soltos, deterioração da fundação ou rachaduras estruturais, podem ser usualmente identificadas pelas seguintes características de vibração: 1. Folgas estruturais acompanhadas por forças moderadas de excitação, como pequenos desbalanceamentos ou desalinhamentos, podem revelar apenas a freqüência de excitação predominante sem nenhum harmônico aparente. Porém, porque isso é uma folga, a vibração radial será altamente direcional e poderá apresentar uma alta amplitude vertical não usual, podendo até ser igual ou maior que a amplitude na horizontal, sendo isso um bom indicador de folga estrutural; 2. Se existe folga estrutural combinada com uma força de excitação significativa, a combinação das duas condições pode resultar em um estado de "martelamento". Para explicar, a Figura 42 mostra um mancal com seus parafusos soltos juntamente com um desbalanceamento pronunciado do rotor. Quando o desbalanceamento gira produzindo força centrífuga, ele empurra o mancal para cima, podendo erguê-lo até o limite que a folga permite, e a medida que o eixo gira levando a força de desbalanceamento, joga o eixo para baixo novamente, empurrando-o contra a base. A vibração resultante desse defeito é uma distorção da curva senoidal típica de um desbalanceamento. Como foi discutido antes, quando um sinal desvia de uma senoidal, múltiplas freqüências harmônicas de vibração serão evidentes no resultante no FFT.
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Aqui também, como evidência adicional de folga estrutural, uma alta amplitude vertical será indicada (no caso do exemplo, será realmente muito alta). Condições de folgas estruturais são facilmente verificadas e identificadas pelo uso de um simples estudo de sondagem.
Figura 42 – A folga mecânica combinada com uma força de excitação significativa pode resultar em “martelamento”.
5.4
Vibração ocasionada por excentricidade:
É claro que nenhum eixo ou rotor pode ser feito perfeitamente circular. Alguma excentricidade ou falta de circularidade estará presente em todas as montagens rotativas. Essa excentricidade é uma das causas mais comuns de
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desbalanceamento. Em máquinas simples como ventiladores, sopradores, bombas, o balanceamento pode ser utilizado normalmente para minimizar os efeitos de excentricidade. Entretanto, em certas situações, excentricidades podem resultar em forças de reação que não podem ser compensadas totalmente pelo simples balanceamento de rotor. Provavelmente os exemplos mais comuns são as polias excêntricas nos sistemas de correias, catracas de transmissão de corrente, pares engrenados excêntricos e armaduras de motores elétricos excêntricos. A figura abaixo ilustra essas fontes comuns de excentricidade juntamente com mancais de rolamento excêntricos. Mancais excêntricos são raramente causa de vibração excessiva por causa da alta precisão com que são fabricados, entretanto, no caso de máquinas-ferramenta, onde as vibrações têm que ser extremamente baixas, a simples troca de um rolamento pode resultar em um aumento significativo de vibração por causa das variações nas tolerâncias do rolamento. No caso de polias e catracas excêntricas, cada revolução da polia ou catraca irá causar uma variação no tensionamento das correias (ou correntes). O resultado será uma vibração à freqüência de 1x rpm do elemento excêntrico com uma força direcional, alinhada com os centros dos eixos motor e movido da transmissão. Apesar de poder ser facilmente indicado erroneamente como desbalanceamento, um simples teste para detectar a direcionalidade da vibração (por fase ou por várias medidas radiais) irá rapidamente revelar o problema. Um estudo utilizando o estroboscópio ou a medição com um comparador, confirmará a excentricidade. Engrenagens excêntricas irão causar vibração extremamente direcional a 1x rpm da engrenagem excêntrica exatamente como no caso das polias e pode ser identificada pelas mesmas técnicas.
Figura 43 – Fontes de excentricidade que não podem ser compensadas por simples balanceamento.
Se o balanceamento é tentado nas condições descritas anteriormente, os resultados serão pouco satisfatórios. Em muitos casos o balanceamento na direção horizontal irá produzir um acréscimo na vibração da direção vertical e vice-versa. A excentricidade da armadura em motores de indução é outro caso em que o balanceamento não irá resolver o problema de excentricidade. Uma armadura excêntrica irá resultar em uma variação da folga entre o rotor e o extator que muda de posição quando o rotor (armadura) girar. Apesar da armadura poder ser muito bem balanceada para compensar as distribuições de massa do rotor, isso não irá
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resolver o problema da folga de ar rotativa. Se a folga entre o rotor e o extator varia com a rotação, as forças magnéticas entre a armadura e o extator irão também variar com a rotação, causando um desbalanceamento de forças magnéticas. 5.5
Vibração por ressonância:
Como já foi mencionado várias vezes, cada objeto, e nisso se inclui cada elemento ou parte de uma máquina, tem uma "Freqüência Natural" ou uma freqüência na qual ele "gosta" de vibrar. Tocar um sino ou tanger a corda de um violão faz com que eles vibrem em sua freqüência natural. A freqüência natural de cada objeto é determinada por sua massa e rigidez. Aumentar a massa (ou peso) de um objeto reduz ou abaixa a sua freqüência natural. Aumentar a rigidez do objeto, como por exemplo aumentar a tração de uma corda do violão, aumenta ou sobe sua freqüência natural. O fato de que cada objeto tem pelo menos uma freqüência natural não implica em um problema. Mas, um problema de vibração excessiva pode acontecer como resultado da coincidência de uma freqüência natural da máquina com uma freqüência inerente de funcionamento dela. Quando isso acontece, o problema é denominado de "Ressonância". Do ponto de vista da vibração, a ressonância atua como um amplificador mecânico. Mesmo forças pequenas ou normais tais como o desbalanceamento residual, o desalinhamento, as forças hidráulicas ou aerodinâmicas, ou ainda as forças magnéticas em motores, que normalmente resultam em pequenas ou insignificantes vibrações, podem vir a ter amplitudes de vibração extremamente altas se uma delas excitar uma condição de ressonância. Ressonância é uma causa muito comum de vibração excessiva em máquinas porque: 1.
Máquinas consistem em uma reunião de diversos elementos diferentes como tubulações, mancais e seus pedestais, bases, itens acessórios como bombas de lubrificação e etc. É claro que cada um desses componentes tem a sua própria freqüência natural;
2.
A rigidez de cada componente da máquina é diferente em direções diferentes. Como resultado, cada componente da máquina terá várias freqüências naturais. Por exemplo, considere o mancal de um ventilador, a rigidez desse mancal é diferente nas direções horizontal, vertical e axial. Conseqüentemente, as freqüências naturais desse item em particular também serão diferentes para cada uma das direções. Portanto, é fácil de entender porque a ressonância é um fenômeno muito comum em máquinas; basta observarmos a quantidade de componentes que uma máquina tem, cada um deles com múltiplas freqüências naturais, basta somente uma freqüência de excitação gerada pelo equipamento coincidir
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com uma dessas freqüências naturais para a ressonância acontecer e os níveis de vibração resultantes serem bastante elevados. Apesar de várias máquinas recém instaladas e postas em serviço poderem não exibir esses problemas, no futuro é possível acontecer a ressonância devido à mudança de rigidez que ocorreu graças ao desgaste interno, a perda de parafusos, a acomodação estrutural, a deterioração da base e etc. Verificando o problema de ressonância: Sempre que o problema de ressonância é uma suspeita, existem várias maneiras simples de verificar e provar se esse é realmente o problema. Essas verificações incluem: 1.
Mude a força de excitação. A amplitude relacionada com uma ressonância depende da freqüência de excitação estar ou não próxima à freqüência natural do componente. Por isso, pequenas variações na freqüência da força de excitação produzem enormes variações de amplitude. Logo, se for possível mudar a rotação de uma máquina, verifique o efeito na amplitude da vibração. Se ela varia muito, o problema com certeza será uma ressonância;
2.
Mude a massa ou a rigidez do componente suspeito. Proceder às alterações na massa ou na rigidez de uma máquina, estrutura ou outro componente do sistema para testar a possibilidade de corrigir um problema de ressonância é outro procedimento direto e viável. Mudanças temporárias de massa podem ser feitas pela simples adição de sacos de areia, tijolos, blocos de concreto ou outros pesos adequados ao componente suspeito, para verificar o resultado antes de uma tentativa de reparo mais cara e definitiva;
Uma vez, em uma planta de cimento, havia uma laje que era suspeita de vibrar por ressonância. Durante a manobra de um caminhão grande carregado, ele precisou ser estacionado sobre essa estrutura. Foi verificada imediatamente uma drástica redução na vibração. A equipe de engenheiros encarregada de estudar o problema proibiu a retirada do caminhão da área por dois anos até ser estudada e executada uma reforma corretiva nas estruturas daquele piso. De modo similar, mudanças temporárias na rigidez podem ser feitas colocando-se calços, cunhas, apoios, cabos e etc. 3.
Executar um teste de impactos no componente suspeito. Esse é o método mais rápido, fácil e barato de verificar um problema de ressonância. Qualquer objeto que é golpeado certamente irá vibrar em sua(s) freqüência(s) natural(ais). Basta lembrar o princípio de funcionamento do sino, de um piano, de uma guitarra ou de um violão. É claro que a freqüência natural excitada pelo impacto decai com o tempo devido ao amortecimento. Repetidos impactos, porém, podem sustentar as
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freqüências naturais por um tempo necessário para se efetuar a análise de FFT, a fim de identificar as mais significativas freqüências naturais. Para executar um teste de impacto, apenas desligue a máquina a ser analisada, aplique o sensor no local e direção suspeitas, pegue um martelo de borracha ou de plástico, e mãos a obra. Martele a estrutura com força suficiente para excitar uma vibração alta o bastante para superar o ruído de fundo. Pancadas com o peso do martelo (300 a 400 g) serão suficientes para a maioria das máquinas. Não utilize martelos metálicos porque eles tendem a excitar freqüências naturais localizadas e não as estruturais, além de poderem danificar a máquina. Para melhores resultados, é recomendado que a máquina seja excitada regularmente a uma taxa de um ou dois impactos por segundo para sustentar as freqüências ressonantes em uma amplitude razoável. 5.6
Vibração em função de problemas em mancais deslizantes:
Os problemas de vibração associados a mancais deslizantes são normalmente o resultado de folgas internas excessivas ocasionadas por desgaste ou ajuste incorreto, ou então, folga entre os casquilhos do mancal e o alojamento. O desalinhamento do mancal é um outro tipo de problema e já foi abordado no item relativo ao desalinhamento. Folga excessiva: Quando existem folgas excessivas, a primeira indicação do problema aparece na forma de um aumento anormal em 1x rpm (desbalanceamento e alinhamento). O crescimento da folga simplesmente reduz a rigidez do mancal, ajudando qualquer força existente a exibir grandes amplitudes. Conforme o desgaste do mancal progride, as vibrações características associadas com folgas irão começar a aparecer. Usualmente, isso irá incluir múltiplos harmônicos da rotação e poderá ser localizado em apenas um dos mancais, se apenas um deles estiver com problema. Se o mancal estiver realmente folgado ou "jogando" na zona de carga o incremento da amplitude da vibração vertical poderá ser mais pronunciado que o da direção horizontal. Se a máquina está com proxímetros montados para medir a vibração relativa do eixo, o desgaste do mancal normalmente vai ser acompanhado por um notável crescimento na voltagem DC proporcional ao "gap" entre a ponta sensora e o eixo, indicando que o mancal está jogando em relação à localização da sonda. Folga excessiva de mancais deslizantes em algumas máquinas pode resultar em vibração associada. Por exemplo, folgas de mancais em caixas de engrenagens podem produzir uma elevação da amplitude na freqüência de engrenamento e seus harmônicos devido às mudanças nas folgas e alinhamento entre as engrenagens. De forma similar, folgas excessivas em bombas centrífugas de alta velocidade podem revelar um notável incremento na freqüência de passagem das pás, em
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função da perda de centro do rotor em relação à carcaça (ou difusores). No caso de grandes motores, o desgaste dos mancais pode causar uma mudança significativa no espaço vazio entre a armadura do rotor e o extator (corpo), resultando em forças magnéticas desbalanceadas, produzindo freqüências características de problemas elétricos. Em certos casos o desgaste no mancal pode resultar em freqüências subharmônicas em 1/2 rpm. Isso é observado em algumas ocasiões, em mancais com folga demasiadamente grande em grandes motores. Fenômeno do "Oil Whiril" (cunha de óleo móvel ou onda de óleo): O fenômeno do "oil whiril" é outro problema associado com os mancais deslizantes. Essa vibração ocorre apenas em máquinas equipadas com sistema de mancais deslizantes lubrificados com óleo sobre pressão e operando a velocidades relativamente altas, acima da freqüência natural do rotor, que no caso é chamada de freqüência crítica (rotação igual ao valor da freqüência natural).
Figura 44 – Oil whiril.
A figura acima mostra um eixo girando dentro do seu mancal. Devido à gravidade e outras forças, o eixo não gira perfeitamente centrado dentro do mancal. Apesar da linha de centro do eixo estar um pouco excêntrica em relação a linha de centro dos mancais, isso é normal. Como resultado disso, o filme de óleo ao redor do eixo tem uma espessura variável. Com a rotação do eixo o óleo é empurrado para a área de carga do mancal embaixo do eixo, como mostrado. Isso também é o normal. O filme de óleo junto ao eixo tende a aderir e girar com ele. Entretanto, o filme de óleo junto à parede do mancal tende a aderir a ela permanecendo parada, como conseqüência o óleo entre a superfície do eixo e do mancal serão cisalhadas e tenderão a girar dentro da folga em uma velocidade entre 0 rpm e a rotação do eixo. Normalmente, quando as perdas por fricção são consideradas, a rotação do filme de óleo estará em torno de 42 a 48% da rotação do eixo. Por exemplo, para uma máquina de 3.600 rpm, o filme de óleo gira a aproximadamente 1.600 rpm. 0 problema começa a acontecer quando a força do óleo girando se torna significativa ou dominante sobre as demais forças do sistema (estáticas e dinâmicas). O filme de óleo basicamente empurra o eixo ao redor do mancal na velocidade de giro da camada de óleo, de forma muito parecida como uma onda no mar carrega uma prancha de surf. Porém, isso não deverá acontecer se a carga normal nos
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mancais exceder a força do filme de óleo girante. Mas, existem condições que podem levar a força do filme de óleo girante a se tornar dominante, e, nesse caso, o eixo será arrastado, podendo até haver a ruptura do filme e o contato metal/metal. A freqüência característica será próxima a 112 rpm, tipicamente entre 42 e 48% da rpm do eixo. Sempre que um possível problema de "oil whiril" for detectado, as seguintes coisas devem ser verificadas:
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1.
Se a máquina tem um histórico de operação perfeito, e a evidência de "oil whiril" está começando a aparecer. Verifique um possível desgaste do mancal. Se o mancal está desgastado, o eixo tende a operar de forma mais excêntrica que o normal em relação ao mancal, o que aumenta a susceptibilidade ao "oil whiril";
2.
Se a máquina nunca apresentou esse defeito e de repente ele aparecer, verifique se o óleo lubrificante é o mesmo que vinha sendo utilizado desde o início da operação. A temperatura, a viscosidade e outras propriedades do lubrificante afetam o "oil whiril";
3.
Se a máquina é nova, verifique o projeto do mancal. Normalmente, mancais deslizantes com lubrificação sob pressão, sujeitos a possíveis problemas de "oil whiril" tem que ter uma carga estática mínima de 100 libras/pol2. Se as superfícies do mancal são muito largas, o mancal pode estar muito pouco solicitado, o que acaba levando ao "oil whiril";
4.
Se a máquina apenas passou por uma reforma, tenha certeza de que os mancais não estejam sem carga devido a problemas como o desalinhamento ou outros problemas de instalação e montagem.
Vibração devida à problemas hidráulicos/aerodinâmicos
Vibrações ocasionadas por forças aerodinâmicas ou hidráulicas em ventiladores, sopradores, bombas, são facilmente e reconhecíveis porque a vibração resultante acontecerá à uma freqüência que é igual ao produto da rotação de giro da máquina pelo número de pás ou impelidores do rotor da bomba ou ventilador. Por exemplo, temos uma bomba centrífuga cujo rotor possui 7 pás e gira a 3.600 rpm, a freqüência de passagem das pás será de 3.600 rpm vezes 7 pás ou 25.200 cpm. Não é incomum detectar alguma vibração na freqüência de passagem de pás nas proximidades de um ventilador ou bomba, exatamente porque é impossível balancear e alinhar perfeitamente uma máquina; será também impossível construir uma máquina onde nenhuma força hidráulica ou aerodinâmica esteja presente. Entretanto, quando a amplitude das vibrações aerodinâmicas ou hidráulicas é
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excessiva ou tem apresentado um significativo aumento, é sinal de algum problema. Sempre que ocorrer alta vibração ou aumento pronunciado da amplitude à freqüência de passagem das pás, os seguintes problemas podem ser considerados: 1.
Ressonância, como discutido previamente, qualquer força vibratória pode excitar uma freqüência natural de um ou mais componentes da máquina, pulsações aerodinâmicas e hidráulicas não são exceções. Se o problema é de fato esse, a vibração será altamente direcional. Consulte o item que discorre a respeito da ressonância para testes adicionais e considerações de análise e correção;
2.
Erros de fabricação e montagem: simplesmente por ser nova nenhuma máquina deve ser considerada como 100% boa. Muitos defeitos de qualidade podem produzir vibração, entre eles destacam-se os seguintes problemas: • • • •
• • •
3.
Rotores deformados; Quando as pás são soldadas no rotor podem haver erros de posicionamento e espaçamento, e eventualmente até pás soltas; O rotor pode estar fora de centro em relação a carcaça (ou difusores), tanto no sentido radial quanto no axial; Quando bombas com disco estacionário de difusores, podem haver erros de projeto ou de montagem (difusor errado para o modelo do rotor) quando o número de difusores e o número de pás do rotor é múltiplo causa uma espécie de ressonância hidráulica; Erros de estocagem e transporte; Desalinhamentos internos de eixos e mancais; Etc.
Configuração de dutos e tubulações: às vezes altas amplitudes de vibração à freqüência de passagem de pás, pode simplesmente ser o resultado de projetos equivocados de tubulações ou dutos de entrada e saída. Mudanças bruscas na direção do fluxo de fluídos (líquidos e gasosos) vão geralmente resultar em grandes turbulências e vibração. Apesar da vibração poder ter alta amplitude à freqüência de passagem das pás, vibração aleatória tanto em baixa como em alta freqüência podem estar presentes também. Curvas imediatamente adjacentes à sucção ou descarga de ventiladores ou bombas, devem ser evitadas sempre que possível. Para ilustrar, uma curva de 90º colocada diretamente na flange de sucção de uma bomba centrífuga pode causar uma variação de pressão e velocidade do fluxo do fluído, entrando no centro do rotor. Essa variação causa vibração na freqüência de passagem das pás. Alguns padrões de performance industrial para ventiladores e bombas estabelecem que curvas em tubulações e dutos tem que ser posicionadas à uma certa distância da máquina. Por exemplo, a API estabelece em sua norma API std 610, que as curvas em tubulações de entrada de bombas não devem estar mais próximas que cinco vezes o diâmetro do tubo. Por exemplo, se temos uma bomba com diâmetro de entrada de 250 mm,
64
então a menor distância entre a tomada de entrada da bomba e um eventual cotovelo na tubulação deverá ser de cinco vezes 250mm ou 1.250mm (1,25 metros); 4.
Capacidade do projeto: ventiladores, sopradores, bombas e outras máquinas de movimentação de fluídos são normalmente projetadas para certas condições de fluxo que incluem pressões de sucção e descarga, taxas de vazão, pressão interna, densidade do fluído, etc. Se operadas fora dessas especificações de projeto, altas amplitudes de vibração irão ocorrer. Por exemplo, bombas que são forçadas a operar bem abaixo de sua capacidade de projeto irão experimentar a cavitação. Operando abaixo da pressão de sucção estabelecida, a bomba está essencialmente "faminta" e a quantidade de fluído que entra na bomba é insuficiente. Isso criará pequenas áreas de vácuo na borda das pás, esses pontos de baixa pressão geram bolhas de vapor instáveis e que logo em seguida, implodem violentamente. Essas implosões são de natureza "impactante", excitando portanto, as freqüências naturais dos vários componentes da máquina exatamente da mesma forma que os impactos dentro de um rolamento defeituoso. A cavitação causa o aparecimento de um piso de amplitudes elevadas em freqüências aleatórias na faixa entre 20.000 cpm e 150.000 cpm, exatamente como no caso de rolamentos com defeito. Entretanto, a vibração causada por um rolamento com defeito é tipicamente localizada no mancal com defeito, enquanto a cavitação pode ser medida em qualquer local da máquina até mesmo em tubulações adjacentes.
Como vimos acima, está claro que existem muitas causas possíveis para altas amplitudes das freqüências de pulsação hidráulica e aerodinâmica. De forma geral, as seguintes verificações identificam a causa específica: 1.
Verificar se a máquina está operando dentro das especificações projetadas (de outra forma, se a máquina é a correta para a função);
2.
Verificar as tolerâncias dimensionais da máquina, principalmente as novas e reformadas;
3.
Verificar se não há obstruções óbvias tais como: dampers, soltos, válvulas fechadas, tubos amassados, filtros entupidos, etc.
Se as verificações acima, juntamente com as verificações de ressonância eventual, falharem em identificar o problema, será necessário parar a unidade para uma inspeção interna a fim de detectar problemas como selos de desgaste soltos ou gastos, mau posicionamento do rotor, pás quebradas etc.
65
5.8
Considerações sobre os tipos de defeitos em engrenagens e mancais de rolamento devido à vibração
As engrenagens são elementos mecânicos que transmitem movimento e força entre dois eixos e, portanto, estão sujeitas a cargas dinâmicas que podem originar vibrações. Estas são parte constituinte de um número enorme de mecanismos, máquinas e equipamentos, estando presente em praticamente todo maquinário. No caso da manutenção interessa, como falamos anteriormente, verificar as vibrações, e como o estudo das mesmas pode indicar o estado das engrenagens ou sistemas de engrenagens de um dispositivo qualquer, incluído num programa de manutenção. As vibrações e seu nível, de um sistema de engrenagens, depende de vários fatores, existindo três áreas que afetam de maneira marcante, não somente o barulho, mas também as vibrações observadas nas engrenagens e sistemas de engrenagens: a)
Projeto: Envolvendo o tipo de engrenagem, a geometria dos dentes, a carga unitária sobre os dentes, os rolamentos, os materiais utilizados, etc.;
b)
Fabricação: Envolvendo a precisão, o nível de acamamento superficial dos dentes, o alinhamento, o balanceamento, o desbalanceamento residual, etc;
c)
Operação: Envolvendo a velocidade crítica, ressonância natural, condições ambientais, lubrificação, montagem da caixa que contém o sistema de engrenagens, etc.
Como recomendação geral, indica-se que as ressonâncias dos componentes do sistema rotativo devem apresentar uma freqüência natural de, no mínimo, 30% separadas da rotação de operação, múltiplos da rotação e freqüências de malha dos conjuntos de engrenagens. A ressonância de caixa-suporte, assim como de outros componentes estruturais, deve estar separada da rotação do sistema de 20%, incluindo-se os múltiplos da rotação, freqüência da malha, etc. Na manutenção preditiva, a medida e observação das vibrações visam detectar os defeitos mais comuns em engrenagens e sistemas de engrenagens (redutores) que, pela ordem, são os seguintes: •
Desbalanceamento das partes móveis;
•
Erro de transmissão estática;
•
Desalinhamento;
66
•
Dentes estragados;
•
Variações de torque;
•
Turbulência no filme de óleo.
Irregularidades nos rolamentos podem ser analisadas através da medição de vibrações de uma máquina em operação. O analisador de espectro de freqüência é usado para medir a magnitude da vibração e a distribuição das freqüências. Os resultados dos testes determinam as causas da irregularidade. Os valores encontrados variam de acordo com as condições de operação dos rolamentos e do ponto onde a vibração é medida. Deste modo, o método necessita de procedimentos padrões para cada máquina. Os defeitos ou irregularidades que aparecem nos rolamentos consistem na deterioração da pista externa ou interna, ou mesmo ambas. Quando os elementos rolantes passam sobre tais irregularidades, ocorrem choques que dão origem a vibrações, cuja amplitude depende do estado do rolamento no que diz respeito às machucaduras nas pistas. As respostas vibratórias estão tipicamente entre 1 kHz e 20 kHz. Os níveis absolutos das vibrações devidas aos rolamentos são pequenos, mas possuem grande energia. É recomendável então, acompanhar a evolução do espectro dos rolamentos, medindo a vibração preferencialmente em aceleração. Os principais defeitos em rolamentos são devidos a umas poucas causas, sendo as mais comuns as seguintes: o
Sobrecarga;
o
Desbalanceamento;
o
Variações bruscas de temperatura;
o
Lubrificação inadequada;
o
Partículas abrasivas ou corrosivas no lubrificante;
o
Erro de projeto, utilizando o rolamento inadequado à função;
o
Desgaste pelo uso (fadiga do material).
67
A construção dos rolamentos faz com que seu comportamento dinâmico seja bem definido. Quando os rolamentos estão com defeitos, as vibrações geradas apresentam sinais bem caracterizados tanto em aspecto e como em freqüência. Pela rotação do eixo, geometria e dimensões internas, as freqüências fundamentais dos elementos rolantes, gaiola, pista interna e externa são calculadas sem dificuldades. As fórmulas são: f Gaiola =
f Ball =
1 f o 1 − d cos β ) ⇒ Freqüência da gaiola (FTF); D 2
2 1 d f o 1 − (d ) cos 2 β ⇒ Freqüência do elemento rolante (BSF); 2 D D
f Externa =
1 Nf o (1 − d cos β ) ⇒ Freqüência da pista externa (BPFO); D 2
f Externa =
1 Nf o 1 + d cos β ) ⇒ Freqüência da pista interna (BPFI); D 2
onde: fo = freqüência de rotação do eixo (Hz); d = diâmetro da esfera ou rolo (mm); D = diâmetro primitivo do rolamento (mm); N = número de esferas ou rolos; β=
ângulo de contato do rolamento.
68
Figura 45 – Espectro da identificação de defeitos em rolamentos .
69
5.9
Tabela de defeitos em elementos mecânicos causados pela presença de vibrações:
Desbalanceamento
Caracterização A amplitude devida ao Desbalanceamento cresce com o quadrado da rotação (3X de aumento de rotação = 9X de aumento na vibração). Pode ser corrigida pela colocação, simplesmente, de um peso de balanceamento em um plano no centro de gravidade do Rotor (CG). 1X está sempre presente e normalmente domina o espectro. A amplitude varia com o quadrado do crescimento da rotação. Pode provocar vibrações axiais e radiais elevadas. A correção exige a colocação de pesos de balanceamento em pelo menos 2 planos. O Desbalanceamento do Rotor em Balanço causa elevado 1X RPM tanto na direção axial como na direção radial.
Rotor Excêntrico
Caracterização Ocorre Excentricidade quando o centro de rotação está fora do centro geométrico de uma polia, uma engrenagem, um mancal, uma armadura de motor, etc. A maior vibração ocorre a 1X RPM do componente excêntrico na direção das linhas dos centros dos dois rotores. A Tentativa de balancear um rotor com excentricidade resulta, muitas vezes, na redução da vibração em uma direção, porém em seu aumento na outra direção radial (dependendo da quantidade da excentricidade).
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Eixo Empenado
Caracterização Problemas de empenamento do eixo causam alta vibração axial. A vibração dominante é normalmente de 1X se a curvatura for próxima ao centro do eixo, mas será de 2X se a curvatura estiver próxima ao acoplamento.
Desalinhamento Angular
Caracterização O Desalinhamento Angular é caracterizado pela vibração alta na axial, 180° fora de fase através do acoplamento. Caracteristicamente haverá alta vibração axial tanto com 1X quanto com 2X RPM. Entretanto não é incomum que 1X, 2X ou 3X sejam dominantes. Estes sintomas podem indicar também problemas de acoplamento.
Desalinhamento Paralelo
Caracterização Desalinhamento Paralelo tem sintomas similares ao Angular, mas apresenta vibração radial alta. 2X é muitas vezes maior que 1X, mas sua altura relativa para 1X é habitualmente ditada pelo tipo e construção do acoplamento. Quando o Desalinhamento Angular ou Radial se torna severo, pode gerar picos de alta amplitude em harmônicos muito mais altos (4X-8X) ou mesmo toda uma série de harmônicos de alta freqüência similar na aparência à folga mecânica. A construção do acoplamento influenciará muitas vezes a forma do espectro quando o Desalinhamento é severo.
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Rolamento Enjambrado no Eixo
Caracterização Rolamento Enjambrado pode gerar considerável vibração axial. Causará Movimento de Torção com aproximadamente 180° de variação de fase de alto a baixo e/ou lado a lado quando medido na direção axial do mesmo local do mancal. Tentativas de realinhar o acoplamento ou balancear o rotor não aliviarão o problema. O Rolamento deve ser removido e corretamente instalado.
Ressonância
Caracterização Ocorre Ressonância quando uma Freqüência Forçada coincide com uma Freqüência Natural do Sistema, e pode provocar um grande aumento da amplitude, o que pode resultar em falha prematura ou mesmo catastrófica. Esta pode ser uma Freqüência Natural do rotor, mas pode, muitas vezes, se originar da carcaça, da fundação, da caixa de engrenagens ou mesmo de correias de transmissão. Se o rotor estiver em ressonância ou próximo dela, será quase impossível balanceá-lo devido à grande variação de fase que ele experimenta (90° em ressonância; aproximadamente 180° quando a ultrapassa). Muitas vezes exige mudança da localização da freqüência natural. Freqüências Naturais não mudam com a mudança de velocidade, o que ajuda a facilitar sua identificação.
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Folga Mecânica
Caracterização A folga Mecânica é indicada pelos espectros dos tipos A, B e C. O Tipo A é causado por folga/fragilidade. Estrutural nos pés, base ou fundação da máquina; também pela deterioração do apoio ao solo, folga de parafusos que sustentam a base; e distorção da armação ou base (ex.: . pé frouxo). A análise de fase revelará aproximadamente 180° de diferença de fases entre medições verticais no pé da máquina, local onde está a base e a própria base.
O tipo B é geralmente causado por parafusos soltos no apoio da base, trincas na estrutura do skid ou no pedestal do mancal.
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O tipo C é normalmente provocado por ajuste impróprio entre partes componentes para forças dinâmicas do rotor. Causa o truncamento da forma de onda no tempo. O tipo C é muitas vezes provocado por uma folga linear do mancal em sua tampa, folga excessiva em uma bucha ou de elemento rotativo de um mancal de rolamento ou um rotor solto com folga em relação ao eixo. A fase tipo CX é muitas vezes instável e pode variar amplamente de uma medição para a seguinte, particularmente se o rotor muda de posição no eixo à cada partida. A folga Mecânica é, geralmente, altamente direcional e pode causar leituras bem diferentes se comparamos incrementos de 30°de nível na direção radial em todo o caminho em torno de uma caixa de mancal. Observe também que a folga causará muitas vezes múltiplos de sub-harmônicos a exatamente 1/2 ou 1/3 RPM (.5X, 1.5X, 2.5X,etc.).
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Roçamento
Caracterização
O Roçamento do Rotor produz espectro similar à folga mecânica quando as partes rotativas entram em contato com componentes estacionários. O atrito pode ser parcial ou em toda a rotação. Usualmente, gera uma série de freqüências, muitas vezes excitando uma ou mais ressonâncias. Muitas vezes excita uma série completa de subharmônicos frações da velocidade de marcha (1/2,1/3, 1/4,1/5, ...1/n), dependendo da localização das freqüências naturais do rotor. O Roçamento do Rotor pode excitar muitas freqüências altas (ruído de banda larga semelhante ao ruído do giz quando risca o quadronegro). Ele pode ser muito sério e de curta duração se provocado pelo contato do eixo com o (Babbit) metal-patente do mancal; mas menos sério quando o eixo roça em uma vedação, a pá de um misturador roça na parede de um tanque, e o eixo ou a luva roça no guarda-acoplamento.
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Folga em Mancais Deslizamento
Caracterização
Os últimos estágios de desgaste dos mancais de bucha são normalmente evidenciados pela presença de séries inteiras de harmônicos da velocidade de operação (acima de10 ou até 20). Mancais de bucha desgastados comumente admitirão altas amplitudes verticais se comparadas com as horizontais. Mancais de bucha com excessiva liberdade podem permitir um menor desbalanceamento e/ou desalinhamento, provocando vibração alta, que poderia ser muito menor se as folgas do mancal fossem apertadas.
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Instabilidade na Camada de Óleo
Caracterização
A Instabilidade do Filme de Óleo por Turbilhonamento ocorre de .42 a .48X RPM e é muitas vezes bastante severa e considerada excessiva quando a amplitude exceder 50% das folgas dos mancais. O Turbilhonamento do Óleo é uma vibração firmemente excitada do óleo causada por desvios nas condições normais de operação (posição do ângulo e razão de excentricidade) fazem com que a cunha de óleo empurre o eixo ao redor da parte interna do mancal. A força desestabilizadora na direção de rotação resulta em um turbilhonamento (ou precessão). O Turbilhonamento é inerentemente instável, uma vez que ele aumenta as forças centrífugas que aumentam as forças do turbilhonamento. Pode levar o óleo a não sustentar o eixo, ou pode se tornar instável quando a freqüência do turbilhonamento coincide com a freqüência natural do rotor. Mudanças na viscosidade do óleo, pressão no tubo e cargas externas podem causar o turbilhonamento do óleo.
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Instabilidade de Filme de Óleo
Caracterização
Pode ocorrer Chicoteamento do Óleo se a máquina operar em ou acima de 2X a Freqüência Crítica do Rotor. Quando o Rotor atinge duas vezes a Velocidade Crítica, o Chicoteamento do Óleo estará muito próximo da Crítica do Rotor e talvez cause excessiva vibração a qual leva a película de óleo a não mais ser capaz de suportar o eixo por muito tempo. Agora a Velocidade do Turbilhonamento se amarrará à Crítica do Rotor e seu pico não ultrapassará mais esta, mesmo que a máquina atinja velocidades cada vez mais altas.
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Forças Aerodinâmicas e Hidráulicas
Caracterização Freqüência de Passagem de Palheta (BPF) = No. de Palhetas(ou Pás) X RPM. Esta Freqüência é inerente à bombas, ventiladores e compressores e, normalmente não constitui um problema. Entretanto, grande amplitude de BPF (e harmônicos) podem ser gerados em uma bomba se o intervalo entre as pás rotativas e os difusores estacionários não for mantido igual ao longo de todo o caminho. Também BPF (ou harmônico) pode coincidir algumas vezes com a freqüência natural do sistema causando alta vibração. Alto BPF pode ser gerado se formarem desgastes nos impulsores ou caírem as travas dos difusores. BPF alto também pode ser causado por bandas abruptas na tubulação (ou duto), obstruções que prejudiquem o fluxo, ou se o rotor da bomba ou do ventilador estiver descentralizado dentro de sua carcaça .
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A turbulência muitas vezes ocorre em sopradores devido às variações de pressão e velocidade do ar passando através do ventilador ou do sistema de dutos conectados. A passagem do fluxo causa turbulência, que gerará vibração aleatória de baixa freqüência, típicamente na faixa de 50 a 2000 Hz.
A cavitação normalmente gera energia em banda larga, de freqüência mais alta, de caráter aleatório, que algumas vezes se superpõe a harmônicos de freqüência de passo de lâmina. Normalmente, indica pressão de sucção insuficiente. A cavitação pode ser bastante destrutiva para a parte interna da bomba, se deixada sem correção. Ela pode particularmente erodir as palhetas do rotor. Quando presente, ela soa muitas vezes como se pedras estivessem passando através da bomba.
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Engrenagens
Caracterização O Espectro Normal mostra 1X e 2X, junto com a Freqüência da Rede de Engrenagens (GMF). Comumente GMF tem bandas laterais da velocidade de operação em torno dela todos os picos são de baixa amplitude, e não são excitadas as freqüências naturais das engrenagens. O indicador chave do Dente Gasto é a Freqüência de Engrenamento, junto com bandas laterais em volta dela, espaçadas na velocidade de operação da engrenagem em mau estado. A Freqüência de Engrenamento pode mudar ou não em amplitude, embora ocorram bandas laterais de alta amplitude envolvendo GMF, em geral quando o desgaste é perceptível. As bandas laterais podem ser melhores indicadores do desgaste que as próprias freqüências GMF.
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Freqüências de Dentes de Engrenagens são muitas vezes sensíveis à carga. Altas amplitudes GMF não indicam necessariamente um problema, particularmente se as freqüências de banda lateral se mantêm em nível baixo e as freqüências naturais das engrenagens não são excitadas. Cada análise deve ser executada com o sistema operando com carga máxima.
Engrenagem Excêntrica ou eixo fora de paralelismo: Bandas laterais de alta amplitude regularmente em volta de GMF sugerem muitas vezes excentricidade de engrenagem, folga, ou eixos não paralelos que permitem à rotação de uma engrenagem "modular" a velocidade de operação da outra. A engrenagem com o problema é indicada pelo espaçamento das freqüências de banda lateral. Folga excessiva normalmente excita GMF e a Freqüência Natural da
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Engrenagem, ambas tendo bandas laterais em 1X RPM. As amplitudes de GMF muitas vezes decrescem com o crescimento da carga, se o problema for de folga na engrenagem.
O Desalinhamento da engrenagem quase sempre excita harmônicos de segunda ordem, ou de ordem mais alta de GMF, os quais terão banda lateral na velocidade de operação. Muitas vezes mostrarão somente pequena amplitude 1X GMF, mas níveis muito mais altos em 2X ou 3X GMF. É importante aumentar a escala de Freqüência para capturar, ao menos o 2º Harmônico (2GMF), utilizando-se o transdutor para Altas Freqüências.
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Um Dente Trincado ou Quebrado gerará uma amplitude alta em 1X RPM desta engrenagem e além disso excitará a Freqüência Natural da Engrenagem (Fn) com a banda lateral em sua velocidade de operação. Ele é melhor detectado em Forma de Onda de Tempo, a qual mostrará uma ponta pronunciada cada vez que o dente com problema tentar engrenar nos dentes da engrenagem com que trabalha. O tempo entre impactos ( ∆) corresponderá a 1/velocidade da engrenagem com problema. Amplitudes de Pontas de Impacto na Forma de Onda de Tempo habitualmente serão muito maiores que aquela de 1X RPM em FFT. Batimento
Caracterização Uma Freqüência de Batimento é o resultado de duas freqüências muito próximas entrando e saindo de sincronismo, uma com a outra. O espectro de banda larga normalmente mostrará um pico pulsando para cima e para baixo.
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Quando se olha mais de perto nestes picos (espectro mais abaixo), vê-se dois picos muito próximos. A diferença entre estes dois picos (F1-F2) é a Freqüência de Batimento que aparece, ela mesma, no Espectro de Banda Ampla. A Freqüência de Batimento não é comumente vista nas medições de faixa freqüência normal, uma vez que ela tem como característica inerente ser uma freqüência baixa, usualmente ficando numa faixa de aproximadamente 5 a 100 CPM.
A vibração máxima se verificará quando a forma de onda no tempo de uma freqüência (F1) estiver em fase com a outra freqüência (F2). A vibração mínima ocorre quando as formas de onda destas duas freqüências estiverem defasadas de 180°.
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Problemas com Correias Transmissoras
Caracterização Freqüências de correias estão abaixo tanto da RPM do motor como da RPM do equipamento acionado. Quando elas estão gastas, frouxas ou desiguais, elas causam normalmente freqüências múltiplas, de 3 a 4, da Freqüência da Correia. Muitas vezes à 2X a Freqüência da Correia é o pico dominante. Amplitudes são normalmente instáveis, algumas vezes pulsando com a RPM do equipamento acionador ou do acionado. Em equipamentos com correias dentadas, o desgaste ou o desalinhamento da polia é indicada por altas amplitudes na Freqüência da Correia Dentada. O Desalinhamento das polias produz alta vibração em 1X RPM, predominantemente na direção axial. A relação de amplitudes da RPM do acionador para a do acionado depende do local de obtenção dos dados, bem como da
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massa relativa e da rigidez da armação. Muitas vezes, com o Desalinhamento dos eixos, a vibração axial mais alta no motor ocorrerá a RPM do acionado ( ex.: ventilador).
Polias excêntricas ou desbalanceadas ocasionam alta vibração em 1X RPM da polia. A amplitude é normalmente mais elevada quando em linha com as correias, e poderá ser identificada nos mancais do acionador e do acionado. Algumas vezes é possível balancear polias excêntricas prendendo arruelas aos parafusos de fixação. Entretanto, mesmo balanceada, a excentricidade induzirá à vibração e à tensões de fadiga reversíveis na correia.
A Ressonância da Correia pode provocar amplitudes elevadas, se ocorrer que a Freqüência Natural da Correia se aproxima ou coincide com a RPM do acionador ou da polia acionada. A Freqüência Natural da Correia
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pode ser alterada tanto pela mudança da Tensão da Correia como do seu Comprimento. Ela pode ser detectada tensionando e depois reduzindo a tensão da correia enquanto se mede a resposta nas polias ou nos mancais.
Problemas Elétricos
Caracterização Problemas no estator geram vibração alta em 2X a freqüência da linha (2FL=120Hz). Problemas no estator produzem um espaço vazio estacionário desigual entre o Rotor e o Estator, o que produz uma alta vibração bem definida em freqüência. O Air Gap Diferencial (Entreferro) não deve exceder 5% para motores de indução e 10% para motores síncronos. Pés amortecidos ou bases isoladas podem acarretar a excentricidade do estator. O ferro solto é devido à fragilidade ou a folga do suporte do estator. Lâminas do estator curto-
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circuitadas podem causar aquecimento localizado irregular, o que pode fazer curvar o eixo do motor, produzindo vibração induzida termicamente que pode crescer significativa mente ao longo do tempo de operação.
Rotores excêntricos produzem um Air Gap (entre-ferro) entre o rotor e o estator que induz à vibração pulsante (normalmente entre 2 FL e o harmônico da velocidade de operação mais próximo). Muitas vezes exige um "zoom" do espectro para separar 2FL e harmônicos da velocidade de operação.
Rotores excêntricos geram 2 FL cercado de bandas laterais de Passagem de Polo (FP), bem como bandas laterais em volta da velocidade de operação. A própria FP aparece em freqüência baixa (Freqüência de Passagem de Polo = Freqüência de Escorregamento X No.de Pólos). Valores
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comuns de FP vão de aproximadamente 20 a 120 CPM (.30 a 2.0 Hz).
Anéis de Curto e/ou Barras de Rotor trincadas ou quebradas, Soldas ruins entre Barras e Anéis em curto, ou Laminas do Rotor Curtocircuitadas, produzirão alta vibração na velocidade de operação 1X com bandas laterais iguais à Freqüência de Passagem de Pólo (FP) ou 2X Freqüência de Sincronismo. Além disso, Barras de Rotor quebradas gerarão muitas vezes bandas laterais (FP ou 2Fs) em volta do terceiro, quarto e quinto harmônicos da velocidade de operação. Barras do rotor frouxas são indicadas por bandas laterais de espaçamento igual à 2x Freqüência da Linha (2FL) em torno da Freqüência de Passagem de Barras do Rotor (RBPF) e/ou seus Harmônicos (RBPF = Número de Barras x RPM). Muitas vezes causará níveis altos em 2 X RBPF, (com apenas uma pequena amplitude em 1X RBPF).
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Problemas de Fase devidos a conectores frouxos ou partidos podem causar uma vibração excessiva em 2X da Freqüência da Linha (2 FL), a qual terá bandas laterais em sua volta em 1/3 da Freqüência da Linha (1/3 FL). Níveis em 2FL poderão ultrapassar 1.0 polegada/segundo se o problema não for corrigido. Isto será particularmente problemático se o conector defeituoso fechar e abrir contato periodicamente.
Bobinas do Estator frouxas, em motores síncronos, gerarão nitidamente alta vibração na Freqüência de Passagem da Bobina (CPF), que é igual ao Número de Bobinas do Estator x RPM (No. Bobinas do Estator = No. Pólos x No. Bobinas/Pólo). A Freqüência de Passagem da Bobina terá em sua volta bandas laterais de 1X RPM.
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Problemas em motores de CC podem ser detectados por amplitudes maiores que a normal na Freqüência de Disparo de SCR (6FL) e seus harmônicos. Estes problemas incluem enrolamentos de campo partidos, SCR com mau funcionamento e conexões soltas. Outros problemas, inclusive fusíveis queimados ou soltos e cartões de controle em curto, podem causar picos de grande amplitude em Freqüências da Linha de 1X até 5X (60 300 Hz).
92
6. PROGRAMA DE MONITORAMENTO DAS CONDIÇÕES DE MÁQUINAS: O objetivo deste procedimento é oferecer um método padronizado, idealizado para implementar um programa de monitoramento das condições utilizando instrumentos portáteis de aquisição de dados e softwares de análise, como por exemplo àqueles baseados no Microlog (SKF) e no software PRISM4 para Windows. Embora cada instalação seja única em função do projeto de equipamento, das condições de operação e foco dos negócios, existem sempre certas relações mecânicas e físicas básicas que permitem uma prática padrão, independentemente dos modelos de equipamentos. Esse capítulo descreve procedimentos padronizados de monitoramento de modo a auxiliar novos usuários em sistemas de monitoramento a ter um bom início. Esta metodologia está baseada em três considerações fundamentais: •
PROCESSO e PADRONIZAÇÃO: Uma vez compreendidos o processo e a lógica, as informações obtidas a partir dos dados serão repetitivas e consistentes, possibilitando a tomada de decisões corretas quanto às avaliações de riscos e operações dos negócios.
•
REPETITIVIDADE e INTEGRIDADE DE DADOS: É essencial que os dados obtidos sejam abrangentes e repetitivos, de maneira que o analista tenha segurança suficiente nas informações para detectar a alteração no desempenho dos equipamentos e seja capaz de diagnosticar com sucesso não apenas o sintoma mecânico, mas também a própria fonte da anomalia. Isto pode ser conseguido de modo consistente se a padronização for efetiva em termos de uma total abrangência das evidências do comportamento total do equipamento em seu ambiente operacional.
•
ANÁLISE, RELATÓRIOS e AVALIAÇÃO DE GARANTIA DE QUALIDADE BEM SUCEDIDOS: Os métodos de redução de dados devem ser consistentes para se evitar a perda de eventos importantes, mas ao mesmo tempo devem ser flexíveis o suficiente para permitir transições de operação associadas com a operação normal do equipamento. À medida que o programa amadurece, são desenvolvidas novas técnicas sistêmicas de análise, permitindo um exame mais seletivo dos dados, o que apontará certos eventos mecânicos de especial interesse. Essas técnicas serão discutidas em detalhe.
Descreveremos as linhas gerais de orientação que deverão aumentar de maneira sensível o potencial do cliente em implementar um programa bem sucedido. Para todos os casos, será definida aqui a abordagem mais conservativa - ou “segura”. Se um cliente optar pelos compromissos de implementação em qualquer uma de
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suas decisões relativas à implementação, é imperativo que os membros do suporte técnico discutam as opções e os compromissos resultantes. Embora muitas opções tenham sido consideradas na elaboração deste procedimento, é importante lembrar que estas são apenas diretrizes - o ‘BOM SENSO’, a característica empreendedora e a experiência do técnico em campo ainda são fundamentais para uma implementação bem sucedida do programa de monitoração.
6.1
Levantamento do local: Procedimentos locais, instalação física: Para uma implementação rápida, eficiente e segura no local, recomenda-se que a equipe de instalação seja formada por dois indivíduos: um especialista em instalação e um assistente. A experiência mostra que uma equipe de dois homens é mais rápida devido à divisão de responsabilidade, além de permitir uma atenção maior às condições de segurança em ambientes operacionais perigosos. Os procedimentos de instalação em equipe normalmente permitem a instalação de 20 equipamentos por dia, em média. A instalação de aproximadamente 32 unidades (acionador/acionado ou combinação acionador/redução simples/acionado) é uma média considerada alta. Os fatores que afetam inerentemente a velocidade e a precisão são: • • • • •
configuração complexa de equipamentos que exigem uma instalação mais extensa; longo tempo de trânsito entre as equipamentos (prospecção, etc.); facilidade de permissão de acesso; ambiente; segurança do acesso, etc.
Processo local: Reconhecimento: Percorra a área da fábrica onde os equipamentos deverão ser monitorados para determinar o local e desenvolver um plano de localização para o estabelecimento de rotas. Recomenda-se que um representante do setor esteja presente para o reconhecimento da área, para identificação de quaisquer peculiaridades de acesso e das opções de criação e estabelecimento de rotas. Preenchimento de Folhas de Dados de Máquina: Identifique os equipamentos a serem monitorados e preencha uma Folha de Dados de Máquina para cada unidade (FDM - Machinery Data Sheet). O objetivo das folhas de dados de equipamento, ou FDM, é fornecer as informações necessárias sobre o equipamento a partir das quais todos os componentes rotacionais pertinentes possam ser identificados por sua freqüência de assinatura. Em muitas fábricas, as informações sobre o equipamento constante das plantas “como projetado”
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podem não refletir a real configuração do equipamento instalado em campo. Este documento contém o seguinte: • • • • • • •
nome do equipamento, na nomenclatura familiar às pessoas do local; tempo de operação do equipamento; dados da placa de identificação de cada componente do trem de acionamento; esboço do perfil do equipamento mostrando local e identificação; quaisquer observações pertinentes sobre a instalação que será usada na programação ou diagnósticos do equipamento; dados de lubrificação, capacidade e filtros usados no início da análise dos lubrificantes associados; identificador do número de dentes de engrenagem, pás do ventilador, configurações, etc., relacionado aos registros do fabricante. (Este dado é vital para informações importantes de diagnósticos) e devem ser fornecidos diretamente pelo fabricante.
As Folhas de Dados de Máquina (FDM) fornecem ao analista as informações necessárias para programar os bancos de dados de equipamentos, bem como prover um local para um esboço do perfil do trem do equipamento e locais de pontos de coleta. OBS: Entretanto, deve haver uma FDM individual preenchida para cada unidade a ser testada. Observe que APENAS os dados de identificação real devem ser registrados na FDM. Os desenhos de plantas “como desenhado” ou “como construído” não podem ser usados para o preenchimento das FDM. Devido ao desgaste operacional de componentes, atualizações e modificações nos elementos dos equipamentos, os desenhos “como construído” podem não refletir verdadeiramente o que se encontra em campo. As informações vitais são registradas na placa de identificação do equipamento, que podem ser usadas como referência do fabricante, etc. Note que na FDM é fornecido um espaço para um desenho esquemático dos componentes do equipamento bem como para quaisquer observações adicionais que possam ser úteis ao técnico coletando ou analisando dados. Virtualmente, qualquer observação relativa à construção do equipamento pode ser útil, e deve ser anotada no esboço, caso o campo apropriado não esteja disponível nos dados da placa de identificação. Os pontos de coleta recomendados devem ser anotados no esboço da FDM. OBS: Sobre os Sensores Usados Nos Programas Portáteis de Monitoramento: A instrumentação portátil de monitoramento de vibração normalmente usa um acelerômetro piezelétrico como transdutor (sensor ou “pickup”). Em resumo, o acelerômetro é um aparelho eletromecânico calibrado que consiste de um cristal o qual, quando submetido a uma força (“vibração”), emite uma tensão proporcional à força aplicada. Mecanicamente, o acelerômetro contém um cristal piezelétrico e uma massa conhecida. A vibração é transmitida através da carcaça, e a interação entre a massa de referência e o cristal produz uma carga
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elétrica mensurável que é então condicionada/amplificada para a instrumentação de análise. Teoricamente, o acelerômetro, ou transdutor, deve ser fixado de modo permanente na máquina sendo fixado com um torque nominal de 12-18 libras/polegada. Isto, entretanto, não é economicamente viável para a maioria das aplicações industriais, uma vez que devem ser usados tantos transdutores quantos forem os pontos a serem medidos. Partindo-se da melhor opção até a menos desejada das técnicas de montagem, os acelerômetros podem ser montados para propósitos de testes como segue: MELHOR/MAIS DESEJÁVEL: •
(PREFERÍVEL) - Montagem através de prisioneiro com torque controlado/Montagem direta através de adesivo;
•
(BOM) - Montado através de base magnética;
•
(RUIM) - Adesivo/Cêra de dois lados (apenas aplicações de baixa freqüência e geralmente não recomendado para a coleta de dados de rotina num programa de monitoramento - diária).
MENOS DESEJÁVEL: •
(ÚLTIMA OPÇÃO) - Acelerômetro manual / ponteira de aço fixa ao acelerômetro.
OBS: ANSI S2.17-1980 e ASA 24-1980, Seção 6.1.5 declaram especificamente, “Pickups e vibrômetros manuais não são aceitáveis para medições segundo este padrão. Eles podem ser usados em superfícies de máquinas para identificação dos pontos de medições...” É importante notar que devem ser consideradas as freqüências a serem examinadas pelo operador. Normalmente, a regra prática é reduzir a resposta de freqüência esperada do transdutor montado com prisioneiro em aproximadamente 50% se for usada uma base magnética. Existem fatores a considerar como, por exemplo, a configuração do magneto sendo usado, uma base plana é mais forte do que uma com rabo de andorinha. As questões específicas relativas à combinação individual de configuração transdutor/magneto devem ser tratadas caso a caso. Na maioria das aplicações de equipamentos industriais, este não é um problema crítico, mas deve ser considerado no procedimento de diagnóstico em relação às atividades de verificação de tendência / monitoramento/ primeira detecção. O monitoramento portátil de vibração requer que os dados sejam coletados exatamente no mesmo local físico na máquina a cada coleta de dados, e a
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identificação positiva desse ponto de coleta é fundamental para se obter dados altamente confiáveis. Locais de medição: Os locais escolhidos para se medir os níveis de ruídos gerados na própria estrutura do equipamento instalado têm evoluído durante os últimos 30 anos. Conceitualmente, para equipamento montado horizontalmente, devem-se fazer medições nos planos horizontal e vertical de cada mancal, mais, no mínimo, uma posição axial de monitoramento para cada eixo de um sistema de vários eixos (“complexo”) (trem de engrenagens, etc.). Bombas e equipamento montados verticalmente devem ter uma posição de coleta medida radialmente em cada rolamento (posicionado horizontalmente), de preferência deslocado 90 o a partir do plano de descarga da bomba. Deve-se também considerar a guarda de uma certa distância a partir da conexão de terminação elétrica do motor, para evitar excitação excessiva à 60Hz e 120Hz do acelerômetro devido à interação com o campo. Convenções: Devem ser usadas as convenções padrão descritas nas figuras a seguir.
Figura 46 - Numeração dos pontos de medição seguindo o fluxo de energia
Identificação de locais de coleta: Como o equipamento varia de configuração dependendo do tipo, tamanho, função e componentes, os dados são coletados em cada mancal, e cada local de coleta é identificado numericamente em seqüência com o fluxo de energia através do sistema, partindo da unidade acionadora para a unidade acionada. A
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identificação do ponto de coleta é feito como segue: Numere cada mancal em seqüência partindo do mancal no lado oposto ao acoplamento (LOA) da unidade acionadora (geralmente um motor ou turbina), passando pelo trem de potência (na direção do fluxo de energia), pelos mancais do lado acoplado (LA) até o mancal no lado oposto ao acoplamento (LOA) de unidade não-acionada do último componente acionado. A compreensão da seqüência do fluxo de energia na máquina é vital para a avaliação de diagnóstico de dados de espectro de vibração. Embora muitas opções sejam consideradas na elaboração desta prática padronizada, é importante lembrar que estas são apenas diretrizes. O discernimento e a experiência do representante técnico em campo ainda são fundamentais para uma implementação bem sucedida do programa de monitoração. Em cada rolamento, o plano de coleta de dados será identificado por H para Horizontal, V para Vertical, A para Axial, ou R para Radial (normalmente para bombas verticais). Se o acesso a um local do ponto de coleta não estiver disponível, não “mude” a identificação padronizada do ponto. O exemplo a seguir mostra para uma bomba simples, de 4 mancais montada horizontalmente, como os pontos de coleta da bomba seriam marcados e rotulados: • • • •
LADO NÃO-ACOPLADO DO MOTOR (LOA) LADO ACOPLADO DO MOTOR (LA) LADO ACIONADO DA BOMBA (LA) LADO NÃO-ACIONADO DA BOMBA (LOA)
= 1H, 1V = 2H, 2V,2A = 3H, 3V = 4H, 4V
Figura 47 - Exemplo de moto-bomba com respectivos pontos de medição.
Em campo, o técnico de instalação poderá encontrar algumas unidades onde, por exemplo, o mancal do lado acoplado da bomba pode não estar disponível para as medições devido a uma proteção do acoplamento ou alguma outra restrição física. Neste caso, recomenda-se usar o seguinte: LADO NÃO-ACOPLADO DO MOTOR (LOA) LADO ACOPLADO DO MOTOR (LA) LADO NÃO-ACIONADO DA BOMBA (LOA)
= 1H, 1V = 2H, 2V,2A = 4H, 4V
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Novamente, sempre haverá situações em campo que exigirão avaliação e modificação das convenções de instalação. Certas aplicações, como bombas centrífugas verticais, demonstram uma necessidade de se entender o sistema operacional, e proceder-se às medições de acordo. As bombas verticais têm uma leitura radial ® medida abaixo do plano de mancais a 90 o, perpendicularmente ao plano da voluta de descarga. Se houver problemas de cavitação, é feita uma medição a 3 diâmetros da conexão da descarga para baixo no tubo de descarga
Figura 48 - Locais de medição em bomba vertical.
Redutores e trens de diversos componentes são bons exemplos. As convenções seguem as mesmas regras básicas, embora durante a fase de programação do banco de dados, deve ser lembrado que as mudanças de velocidade no processo de engrenamento farão com que as freqüências forçadas de componentes sejam definidas por estágio de componente.
Figura 49 - Locais de medição do Sistema Acionador/Redutor/Acionado.
Este é o ponto onde o bom senso de engenharia ditará a aplicação das convenções. Embora seja recomendado que se monitore todos os três planos
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para cada mancal, o acesso limitado poderá exigir apenas uma medição axial por plano de eixo em algumas aplicações de campo. Motores com tampas da ventoinha leves ou em forma de anel podem exigir que o orifício de acesso seja recortado na própria tampa para permitir o acesso de transdutor, ou podem ter a montagem do transdutor fixada diretamente em uma estrutura de disco. Não obtenha dados na capa do motor se o ponto de coleta não tiver acesso adequado, os dados poderão ser obtidos na extremidade acoplada do motor. Observe que as convenções de numeração são mantidas inalteradas (LA para lado acoplado).
Figura 50 – Exemplo de numeração.
Note que no exemplo acima, as convenções corretas de numeração (lado não acoplado foi denominado nº 1, lado acoplado foi denominado nº 2, etc.) são preservadas, mesmo que o ponto de coleta nº 1 não esteja disponível para coleta de dados. Os caracteres que seguem a identificação do ponto (“1”, por exemplo) e do eixo (“V”, “H”, “A”, ou “R”) identificam o parâmetro de medição física. Os caracteres são: • • • • •
1VVEL Ponto 1, Vertical, Velocidade 1HACC Ponto 1, Horizontal, Aceleração 1AD Ponto 1, Axial, Deslocamento 2VSEE Ponto 2, Vertical, medição SEE 2AgE3 Ponto 2, Axial, medição do Envelope de Aceleração, Filtro nº 3 e assim por diante.
Observe que as medições do Envelope de aceleração e as medições SEE são mais efetivas se feitas na zona de carga do rolamento, e portanto, num equipamento montado horizontalmente, por exemplo, as medições gE e SEE são feitas no eixo horizontal. HFD, SEE, e gE são todas medições de alta freqüência e, portanto, muito mais críticas para se garantir que os dados são medidos corretamente. Os melhores resultados para estas leituras são obtidos utilizando-se transdutores montados permanentemente. Em muitas instalações, entretanto, isto não é possível nem apropriado para a operação do cliente. Um erro bastante comum no processo de coleta de dados de uma medição de HFD, gE ou SEE é usar base magnética
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plana montada numa superfície arredondada. Um programa de sucesso tem que ser consistente. Quando selecionar o método mais adequado para uma aplicação específica, considere fatores como; experiência do operador e cansaço potencial do operador durante longas sessões de coleta.
Figura 51 - Montagem incorreta de base magnética plana em superfície curva permitindo excessiva liberdade, resultando em dados não repetitivos.
Marcação física dos pontos de coleta: A alta confiança na repetitividade dos dados é a chave do sucesso para o programa de monitoramento de vibrações. Os dois “elos mais fracos” observados são: A medição não é feita no mesmo lugar e segundo o mesmo ângulo de contato todas às vezes; O uso de hastes de extensão nos transdutores e nos instrumentos de medição apoiados manualmente contra o local da medição. A coleta de dados em campo feita através de instrumentos portáteis requer uma atenção absoluta aos detalhes para se garantir que os dados são obtidos da mesma maneira repetidamente, e que os dados sejam reproduzíveis. Como mencionado anteriormente, o uso de acelerômetros com ponteira é inaceitável. Por razões óbvias, um sensor montado com prisioneiro diretamente na estrutura da máquina seria o ideal. Contudo, na maioria das aplicações portáteis, sensores montados com prisioneiro são caros e nada práticos. Recomenda-se usar acelerômetros magneticamente acoplados para aplicações rotineiras em equipamentos industriais. O uso de acelerômetros com “extensões” não é aceitável. Entre os problemas normalmente encontrados com o uso de transdutores magneticamente montados estão: estrutura do equipamento feita de um metal sobre o qual o magneto não pode ser preso; • má fixação da base magnética; •
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• • •
a coleta de dados não é feita no mesmo local todas às vezes; aletas de trocador de calor obstruindo o acesso com o sensor, e; acesso limitado ao local do ponto de coleta onde devem ser obtidos os dados ideais.
Existem, evidentemente, vários outros problemas encontrados em campo, mas estes apontados acima estão entre os mais comuns. Para se garantir que os dados obtidos são confiáveis, recomenda-se o seguinte procedimento para a marcação de pontos de coleta no equipamento. Discos de montagem do acelerômetro: O acelerômetro e o prisioneiro de fixação do acelerômetro necessitam de uma área de montagem sobre as máquinas. O equipamento que é periodicamente medido deve ter um disco de aço laminado a frio de diâmetro mínimo de 30 mm (dependendo do tamanho do magneto a ser usado) permanentemente fixado nos locais de ponto de medição com adesivos aprovados. O lado a ser fixado à superfície da máquina deve ter uma aspereza de superfície de 500 rms (aproximadamente) para garantir uma fixação adesiva adequada. A espessura do disco deve ser suficiente para que o mesmo não tenha seu perfil plano distorcido (espessura mínima de 3 mm, ou, mais adequada, aproximando-se de 10 mm). A SKF CoMo recomenda um disco de aço inoxidável da série 409, que possui um conteúdo alto de ferro o suficiente para garantir boas características magnéticas, ao mesmo tempo em que apresenta uma boa resistência à corrosão em ambientes razoavelmente hostis. O aço inoxidável da série 409 torna-se “avermelhado” com uma camada de corrosão passiva num ambiente exposto, o que é aceitável nesta aplicação. Os discos de aço apresentam uma superfície plana e lisa para fixação do acelerômetro magneticamente acoplado para realização das medições. Além disso, tais discos garantem que cada medição periódica é obtida no mesmo local sobre as máquinas. A marcação da identificação do ponto (i.e., “2H”) sobre a face do disco ajuda o técnico a identificar o local correto para a coleta de dados.
Figura 52 - Exemplo de discos de montagem.
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Outros discos de montagem do acelerômetro (blocos sísmicos, arruelas ou outros materiais ferrosos em ambientes não corrosivos) podem ser usados como opções para os discos acima. Instalação de bases de fixação (discos de montagem) do acelerômetro: Verifique se o local de medição na máquina está limpo e livre de tinta, óleo, ferrugem, resíduo de tinta, etc. Limpe completamente a superfície do metal usando um esmeril de mão de 4º ou uma broca de perfuração rebaixada acoplada a uma furadeira elétrica para preparar a superfície . É fundamental que as superfícies limpas e metálicas sejam preparadas. Qualquer resíduo de óleo, tinta, poeira, ferrugem ou qualquer outro material estranho impedirá invariavelmente a adesão do disco. Lave a superfície preparada usando um solvente, como álcool isopropílico ou acetona. Quando trabalhar em ambientes voláteis ou explosivos, obtenha as autorizações apropriadas, ou use um solvente aceitável para preparar a superfície. Embora a superfície de fixação entre a base do disco e a máquina deva ser áspera para garantir uma adesão adequada, é importante que ela esteja livre de poeira, óleo, água e graxa. Fixe uma face do disco de montagem diretamente sobre a superfície preparada da máquina aplicando uma leve “torção” para criar um filete de adesivo (filete completo) em torno da base do disco usando os produtos aprovados para esta aplicação. Para as máquinas cuja temperatura de superfície não exceda 120 oC podem ser usados adesivos como 3M DP420 ou adesivos Versalok. Siga as instruções para a mistura e aplicação dos adesivos para obter uma instalação correta. A seleção do adesivo correto é vital! São recomendados os adesivos de epoxy com características de endurecimento após a secagem (“dureza”). Caso o adesivo não seque completamente, e o mesmo possuir características plásticas flexíveis, remova-o completamente e fixe o disco novamente fazendo a preparação correta da superfície, e/ou mude para um adesivo que seja adequado ao ambiente de aplicação. Note que a maioria das instalações requer o preenchimento de uma folha FDM para o adesivo e solventes a serem usados antes que os materiais sejam levados ou utilizados no local. As folhas FDM devem ser disponibilizadas para todos os adesivos e solventes trazidos para as facilidades do cliente. Podem ser usados temporariamente adesivos de cianoacrílico, para uma única coleta de dados. Entretanto, tais adesivos tornam-se muito frágeis após a secagem e estão sujeitos a quebras durante a dilatação decorrente do aquecimento da máquina em operação. Em aplicações gerais, os adesivos de cianoacrílico não são adequados. Fixe o disco no local usando uma fita. Embora a secagem do adesivo possa ocorrer em poucos minutos, é necessário aguardar-se 24 horas para garantir uma
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boa adesão e também até que o adesivo torne-se um corpo rígido para obter-se um bom acoplamento de sinal. É importante inspecionar visualmente o disco para verificar as características de adesão. Observe o filete uniforme de adesivo em torno da base do disco. O filete deve aparecer como uma fieira uniforme em torno da base do disco para proporcionar uma boa adesão e vedação. Uma superfície côncava no filete irá permitir o vazamento de óleo entre o disco e a superfície da máquina, o que causará falha na adesão do disco.
Figura 53 - Tipos de utilização de cola adesiva.
Embora seja preferível manter a fita no local por 24 horas, ela pode ser geralmente removida algumas horas depois da secagem ao toque do adesivo. É importante não remover a fita até que o adesivo esteja seco o suficiente para impedir qualquer movimentação do disco ou o rompimento do filete o que permitiria que óleo e outros materiais estranhos infiltrassem sob o disco. Aguarde 24 horas para a secagem do adesivo antes de iniciar a coleta de dados! É fundamental que a temperatura da superfície da máquina, a umidade e outros fatores ambientais sejam considerados na determinação de qual adesivo será utilizado. Ao fixar as montagens de transdutores sobre as máquinas, o principal fator é a dureza do adesivo no equipamento operante. O adesivo corretamente seco deve ser bem rígido, apresentando tanto quanto possível uma dureza de material cerâmico. Outras opções, dependendo da temperatura dos fatores ambientais, são cimentos odontológicos (e outros adesivos de alta temperatura e alta resistência). Opções para máquinas cuja montagem não permite o uso de discos: Em campo, haverá ocasiões em que a montagem de um disco não poderá ser feita por questões de segurança das pessoas ou segurança da máquina. Apresentamos a seguir algumas opções que podem ser úteis em aplicações específicas.
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•
Rebaixo feito por Broca de Perfuração Rebaixada:
Em algumas aplicações, como rolamentos para máquinas de papel, onde as caixas do rolamento podem ser de ferro fundido, se a colagem de um disco não for aceitável devido à possibilidade de o disco acidentalmente soltar-se e cair dentro da máquina, uma boa alternativa pode ser a perfuração de um rebaixo plano na superfície da máquina para fixação do transdutor magneticamente acoplado usando-se uma broca de perfuração rebaixada de 4 ranhuras. •
Bloco de Montagem do Acelerômetro (“Blocos Sísmicos”):
Em aplicações onde às máquinas não oferecem uma área adequada para a montagem de um disco de superfície ou para se fazer uma depressão usando broca de perfuração rebaixada (por exemplo, máquinas de moagem), ou se a temperatura da máquina é alta demais para a aplicação de adesivos, um bloco de montagem de acelerômetro pode ser uma alternativa aceitável.
Figura 54 - Bloco de montagem.
Nesta aplicação, é fabricado um quadrado sólido perfurado no centro em um único plano de diâmetro suficiente para permitir a passagem de um parafuso Allen na tampa M6. É feito um furo M6 e ajustado na caixa da máquina num determinado local. O bloco é anexado a ponto de coleta, permitindo que seja fixado um transdutor magneticamente acoplado a ponto de coleta da máquina, oferecendo acoplamento mecânico adequado para garantir uma boa coleta de dados.
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Os pontos principais nesta instalação são:
6.2
•
Na fixação do bloco à superfície da máquina, deve ser aplicada graxa às roscas do parafuso e a superfície de fixação do bloco voltada para a máquina;
•
As roscas do bloco devem receber um torque de acordo com as especificações mínimas para garantir que o bloco torne-se um componente rígido da caixa da máquina. Desta forma, consegue-se uma boa transferência de energia;
•
O furo no bloco para o parafuso deve ser escareado n o bloco a uma profundidade suficiente para criar uma superfície plana no bloco onde será inserido o transdutor magnético. Isto é particularmente importante se for usado um imã de metal raro de superfície plana;
•
Esta opção é também aceitável para o acoplamento do transdutor magnético a superfícies não ferrosas (exemplo: caixa de bombas de bronze);
•
Ambientes hostis/superfícies de máquinas não ferrosas;
•
Usando uma broca de perfuração rebaixada de 4 ranhuras, faça um rebaixo plano na superfície da máquina. Usando o adesivo apropriado, instale um disco de montagem de acelerômetro no rebaixo, certificando-se de que haja um filete adequado de adesivo preenchendo a área entre o disco e a superfície da máquina;
•
O equipamento localizado em ambientes hostis ou inseguros pode comprometer a segurança do técnico em colocar um transdutor magneticamente acoplado no local de coleta. Nestes casos, recomenda-se que um transdutor seja montado permanentemente no local/instalação corretos, e que um cabo seja disponibilizado adequadamente para um ponto conveniente onde um coletor portátil de dados será conectado para se fazer às medições.
Procedimentos finais: Ao completar os esboços das folhas de dados do equipamento e da instalação física dos discos de ponto de coleta, o especialista deve percorrer a fábrica segundo o esquema de montagem das rotas pretendidas e organizar as FDM’s na mesma seqüência. Deste modo, o técnico obterá uma referência cruzada de dados e localizações das máquinas, e poderá ajudar na programação do banco de dados.
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Durante a caminhada final, verifique: •
Se não existe qualquer tubulação acidentalmente deixada sobre alguma das máquinas;
•
Se não há algum disco de amostra que possa ter sido removido da posição;
•
Se não há lixo ou materiais acidentalmente ignorados durante a instalação, etc.
É aconselhável proceder esta caminhada final juntamente com um representante da área, para o caso de existirem questões ou outras informações disponíveis nesse momento.
6.3
Programação dos bancos de dados PRISM: Revisão: O aspecto mais crítico do monitoramento de vibração como parte de sistema de monitoramento integrado de múltiplos parâmetros é a coleta física dos dados propriamente. Por esta razão, as diretrizes a seguir devem ser utilizadas para implementação de um programa de monitoramento de vibração usando os bancos de dados PRISM. Este é um documento geral. Haverá situações em que será necessário desviar-se destes procedimentos. Contudo, o bom senso de engenharia é sempre nosso melhor recurso. É nossa responsabilidade, como provedores de recursos técnicos e instrumentação, oferecer ao usuário uma metodologia altamente confiável. A partir dessa base técnica, o cliente poderá então tomar decisões operacionais com relação às opções e compromissos de sua preferência para este programa específico. O banco de dados deve ser preciso e completo. Ambos o PRISM 2 e o PRISM4 para Windows visam “orientar” o técnico nas etapas de programação, e a programação, por sua vez, foi projetada para ser completada usando-se mais de um método, dependendo da experiência técnica do operador e das necessidades da aplicação. O desenvolvimento completo do banco de dados deverá incluir todos os pontos, alarmes gerais, alarmes espectrais ou de banda estreita, conforme o caso, e rotas. Classificando e selecionando máquinas a monitorar: Durante o levantamento do local, o equipamento deve ser avaliado com base na vida útil e segurança operacional. Geralmente, não é prático monitorar todos os
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equipamentos de uma instalação. Deve-se considerar atentamente os três critérios abaixo para determinar a classificação do equipamento: •
Crítico - Se ocorrer falha ou queda de energia, interrupção da produção, ou a operação da máquina criar um ambiente inseguro;
•
Essencial - Se ocorrer falha ou queda de energia e a produção for interrompida;
•
Não Essencial ou Redundante - Se ocorrer uma falha e houver perda da produção; entretanto, uma unidade redundante pode ser colocada em funcionamento, ou um reparo reativar o sistema de produção sem perda significativa da produção.
Deve-se considerar especialmente o que o equipamento pode afetar: •
Segurança - A falha no equipamento ou alguma condição de operação anormal poderá criar condições inseguras para as pessoas, ambiente ou público?
•
Falha catastrófica ou perda irrecuperável - a perda desta máquina criaria uma falha catastrófica, ou seria financeiramente comprometedora?
•
Manutenção excessiva - Esta máquina tem uma freqüência alta de falha, ou requer atenção especial para ser mantida operacional e produtiva?
•
Custo excessivo de reparos - Esta máquina requer custos de reparos extremamente altos?
OBS: O equipamento classificado como Crítico ou Essencial deve ser monitorado em todas as circunstâncias. O equipamento classificado como Não-Essencial deve ser monitorado quando possível. Normalmente, equipamentos essenciais operam por mais de 320 horas por mês (dois turnos completos, 5 dias por semana) devem ser monitorados no mínimo uma vez por mês. O equipamento Não-Essencial deve ser monitorado não menos do que uma vez a cada trimestre. Nota: Lembre-se de que quando uma máquina começa a demonstrar uma tendência indicando um aumento do nível de vibrações, a freqüência da coleta de dados deve aumentar para melhorar a confiabilidade da máquina, determinar a causa da falha, determinar condições operacionais que afetam a máquina, e/ou seu ciclo normal de desgaste com relação à sua confiabilidade. As máquinas que contêm mancal de escorregamento, sistemas de engrenagens, etc., têm freqüências de defeito e mecanismos de desgaste definíveis durante a falha. Uma vez que esses padrões ou seqüências são identificados durante o processo de análise e diagnóstico, a freqüência da coleta de dados deve ser
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ajustada para se avaliar a vida útil restante, durante o planejamento do reparo ou substituição. Esse processo de avaliação e diagnóstico contínuo pode ajudar a operação e a equipe de manutenção no controle de suas opções, permitindo que eles tomem as decisões operacionais para prolongar a vida da máquina visando conseguir um tempo de interrupção controlado e aceitável. Em muitas aplicações industriais, recomenda-se atribuir níveis de prioridade a freqüências crescentes de coleta de dados durante a identificação de um problema. As recomendações mais comuns são: •
Prioridade CRÍTICA - Os dados do equipamento indicam que a falha é iminente. O equipamento requer atenção imediata, e deve-se considerar uma interrupção imediata para reparos. Durante este nível de atenção, a máquina deve ser monitorada pelo menos uma vez a cada turno.
•
Prioridade ANORMAL - Os dados do equipamento indicam que a operação encontra-se na categoria hostil. Devem ser feitos planejamentos para se organizar interrupções para reparo na primeira oportunidade. Os dados sobre vibração, óleo, temperatura e dados operacionais devem ser examinados para se determinar não apenas as tendências dos dados dinâmicos, mas também a causa principal deve ser diagnosticada de maneira que não só sejam reparadas as falhas sistêmicas (i.e., rolamentos, lubrificante, etc.), como também sejam identificadas às falhas de origem, e sejam feitos reparos ou consideradas as opções de operação (desequilíbrio, desalinhamento, velocidade excessiva da máquina, problemas de resfriamento, etc.) para prolongar a disponibilidade da máquina e minimizar o risco de perda da produção.
•
Prioridade MONITORAÇÃO ESTREITA - tipicamente empregada quando é detectada uma alteração no desempenho da máquina ou em sua dinâmica. Todavia, deve-se observar as tendências para se determinar se a máquina estabiliza, ou se os métodos operacionais estão provocando algum desvio, em vez de os mecanismos de desgaste mecânico. Normalmente, a freqüência de coleta de dados do equipamento é dobrada durante este período (a coleta mensal passa para bissemanal, bimensal torna-se mensal, etc.).
•
Prioridade NORMAL - nenhuma tendência ou desempenho anormais são observados na época da coleta de dados. Assim nenhuma ação é normalmente recomendada neste período e a coleta de dados é programada para a próxima data estabelecida.
Métodos para aquisição de dados: O melhor método de coleta de dados é o que minimize a probabilidade de falha do equipamento. Embora, do ponto de vista da Física, recomenda-se que os três eixos de dados sejam tomados para cada mancal (horizontal, vertical, e axial), e
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que os dados sejam coletados considerando-se vários parâmetros (velocidade, aceleração, envelope de aceleração, etc.), as considerações práticas apelam para o bom senso dos componentes físicos sendo medidos, e a compreensão da maneira como a máquina pode potencialmente falhar para se detectar uma aberração de máquina com antecipação (tempo limite) suficiente para se adotar a medida corretiva apropriada. Em muitos casos, o simples acesso a um local de coleta pode impedir que se consiga dados no ponto sugerido. Em alguns casos, podem ser disponibilizados sensores de proximidade tipo eddy current para informações de orbitação de eixos. Como todas estas questões são variáveis, apresentamos aqui uma breve discussão das considerações mais comuns. Deslocamento é a medida linear física real entre um ponto de referência (superfície da caixa) e a posição física real do eixo. Por esta razão, é usado um dispositivo de proximidade ou fotométrico para se medir a mudança real do deslocamento, com o ponto de referência sendo o ponto físico real da superfície do instrumento de medição, e o eixo oferecendo a superfície variável de medição. O sensor típico para medição do deslocamento é um sensor de proximidade tipo eddy current permanentemente instalado. Uma vez que os sensores de proximidade devem estar fisicamente instalados no conjunto eixo/mancal, normalmente eles não são adequados para sistemas portáteis de monitoração. As medições de deslocamento são válidas como valores lineares reais SOMENTE quando tomadas a partir de um sensor de proximidade tipo eddy current instalado. As características e as aplicações de sensores de proximidade não são discutidas neste documento. Como a velocidade e a aceleração são medições feitas nas caixas dos mancais, são introduzidas variáveis pela impedância mecânica dos vários componentes e fluidos dos sistemas mecânicos. Isto invariavelmente resulta em coeficientes de erro que não são considerados, e são, portanto, inaceitáveis para integração de valores relativos de deslocamento. Velocidade é a primeira derivada do deslocamento, com a introdução do vetor velocidade. Encontram-se disponíveis numerosas referências ilustrando as relações matemáticas de deslocamento, velocidade e aceleração. Como a integração da aceleração para a velocidade depende da freqüência, observa-se uma interessante característica de apresentação. Se mantivermos constante a aceleração e representarmos num gráfico a relação velocidade x amplitude, veremos:
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Figura 55 – Gráfico Amplitude x Freqüência.
OBS: Observe que outros fatores como tempo de resposta de freqüência, filtros, etc., não foram considerados neste exemplo, para simplificar a apresentação do conceito. Assim, vemos que para uma medição de velocidade na faixa de baixas freqüências, temos um indicador visualmente bastante grande, que diminui à medida que a freqüência aumenta. Desta forma, a velocidade é um indicador visual muito bom para apresentações de freqüências de ordem mais baixa, como desbalanceamento, desalinhamento, folga mecânica, e freqüências de rolamento de ordem baixa que são evidentes em situações de falhas antecipadas. Aceleração é a segunda derivada do deslocamento, e é, por definição, a quantidade mensurável da taxa de mudança no sinal. A aceleração é a resultante de uma mudança na velocidade linear ou direção. Um objeto em repouso não está sob aceleração. Um objeto com velocidade linear constante sem mudança de direção tem aceleração nula. A aceleração é uma ferramenta bastante valiosa na análise de equipamento rotativo devido à característica de rotação de que o elemento está, por definição, constantemente mudando de direção. A aceleração é uma quantidade que, com modernos acelerômetros, produz um resultado que é linear ao longo de um amplo intervalo de freqüências, e torna-se mais visual à medida que a freqüência aumenta. OBS: Observe que a apresentação dinâmica de dados de aceleração torna-se um sinal maior e mais facilmente reconhecível à medida que a freqüência aumenta. É importante lembrar que a seleção do parâmetro de apresentação é mais uma função dos sentidos humanos em reconhecer a freqüência em questão, do que a física real do sinal presente, já que a Física nos diz que o sinal estará lá independentemente do método usado em sua detecção - é meramente uma questão de apresentação para tornar a característica de interesse reconhecível durante a observação! Tendo isto em mente, uma freqüência de desbalanceamento e uma freqüência de rolamento pareceriam algo como as seguintes apresentações.
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Figura 56 – Gráfico Velocidade x Freqüência.
A mesma medição de força, apresentada na aceleração, teria uma relação visual parecida com:
Figura 57 – Gráfico Aceleração x Freqüência.
Os acelerômetros são normalmente usados na coleta de dados de vibração em equipamento rotativo porque: •
Os acelerômetros são pequenos e de pouco peso (conveniência de acesso);
•
Os acelerômetros, essencialmente, não têm partes móveis, o que aumenta sua confiabilidade em campo;
•
Os modelos de cristal produzem um grande sinal de saída para um evento dinâmico razoavelmente pequeno, o que simplifica os requisitos de condicionamento de sinal;
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•
Os acelerômetros têm uma resposta linear razoavelmente constante ao longo de uma ampla faixa de freqüências;
•
Os acelerômetros são razoavelmente baratos de serem fabricados;
•
Os acelerômetros produzem uma saída alta para um nível de energia relativamente baixo nas faixas de freqüências mais altas. Isto os torna especialmente convenientes para a monitoramento de freqüências de rolamento.
Embora seja coletado um sinal de aceleração, os coletores de dados de última geração e analisadores de tempo real fazem a integração da aceleração para a velocidade, e ambas as apresentações tornam-se disponíveis, aumentando a evidência dos sintomas mecânicos sob exame. As apresentações da velocidade são mais adequadas para fenômenos mecânicos de baixa ordem, e a aceleração é mais adequada para eventos de freqüência maior (exemplos: freqüências de rolamentos e de engrenamentos), podemos aproveitar as vantagens de cada medição. Resolução espectral: A resolução espectral é definida como:
onde: fmax fmin fres
= = =
freqüência máxima de interesse; freqüência mínima de interesse; resolução de freqüência por linha de filtro.
se os dados forem tomados de 0 a 100Hz e utilizando-se uma apresentação espectral de 400 linhas, teremos a seguinte resolução:
Uma vez que é importante ter-se uma resolução razoável para realizar a análise definitiva do espectro, podemos usar os dados obtidos por acelerômetro, estabelecer os respectivos valores de f max para melhor utilização de suas características ideais de apresentação, e aumentar a eficiência dos recursos de diagnose e detecção. Uma alternativa seria aumentar o número de linhas à
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medida que a freqüência aumenta. Todavia, isto também aumenta o tempo de coleta de dados, o que pode ser indesejável para os procedimentos de rotina de coleta de dados. Parâmetros de medição sugeridos: Sugerimos que os parâmetros de velocidade e aceleração sejam medidos através da seguinte diretriz geral para freqüência máxima de medição: Velocidade do Eixo [rpm] < 1200 1200 - 2400 > 2400*
VELOCIDADE [mm/s] 100 Hz (6 000 cpm) 200 Hz (12 000 cpm) 500 Hz (30 000 cpm)
ACELERAÇÃO [g’s] 1 000 Hz (60 000 cpm) 2 000 Hz (120 000 cpm) 5 000 Hz (300 000 cpm)
Figura 58 – Parâmetros de medições sugeridos.
*Turbinas a gás, turbocompressores, etc., que têm velocidades de operação muito altas, normalmente têm a aceleração f max definida em cerca de 10kHz (600kCPM), e necessitam de acelerômetros com resposta plana > 10 Khz e fixação através de prisioneiro. Em alguns casos, dependendo da configuração do sistema mecânico, pode ser desejável aumentar-se a f max de aceleração de um fator de 10, se existir a suspeita de ruído de alta freqüência gerados na própria estrutura, ou se os componentes internos forem desconhecidos, e existir a probabilidade de uma fonte de ruído gerado por alta freqüência. A medição da aceleração deve ser feita primeiro para se observar os eventos de freqüências mais altas relacionados com o desgaste prematuro de rolamentos, anomalias de engrenagens, problemas de lubrificação, etc., antes que se tornem consideráveis no espectro de velocidade. Durante esta fase da análise, é menos importante quantificar as medições do que garantir que os eventos são observáveis, assim, f max pode ser elevada a uma freqüência mais alta para melhorar a observação. No caso de avaliar-se a condição de engrenagens, as medidas de aceleração (g’s) e envelope de aceleração (gE) fornecem a melhor apresentação das características de engrenagens. Mostramos a seguir uma diretriz geral para estudos de engrenamento. ESTABELECIMENTO DA ACELERAÇÃO: fmax = (3 x FREQ CALCULADA DE ENGRENAMENTO.) + 10% Defina os números de linhas de análise a um mínimo de 400 linhas, apesar de um número maior de linhas espectrais melhorar a resolução do espetro.
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Definindo fmax a (3x Engrenamento)+10% garante que engrenamentos mais dois harmônicos do engrenamento fiquem disponíveis para a análise, mais uma “margem” suficiente para se observar à modulação de banda lateral, se existir, nos harmônicos da freqüência fundamental do engrenamento. Observe que as informações de velocidade da máquina são vitais para o processo de diagnóstico de velocidade variável ou equipamento com cargas variáveis. Por esta razão, recomenda-se que seja programado um ponto de verificação de velocidade a uma resolução mais alta no processo de coleta de dados normal. Na criação de modelos de equipamento, a SKF definiu a medição de velocidade do ponto 1H ou 2H como um espectro de 1600 linhas. Este ponto consome uma quantidade de tempo significativamente maior na coleta de dados, mas a velocidade é facilmente verificada através deste ponto. Note que o aumento do número de linhas de resolução aumenta o tempo de coleta de dados, mas o nível de confiança na medição final compensa largamente a desvantagem de alguns segundos a mais para se obter os dados. Envelope de aceleração (gE, ou Envelope de Aceleração) constitui uma excelente e eficaz ferramenta para a análise de eventos de alta freqüência mais comumente associados com a condição do rolamento. Em geral, é aplicado um dos quatro filtros de banda larga para se examinar o espectro de aceleração de alta freqüência. A próxima etapa é processar o sinal resultante de tal maneira que as freqüências mais proeminentes no espectro apresentado são as freqüências moduladas de rolamento. Existem vários estudos e diretrizes sobre a discussão das teorias e aplicações do envelope de aceleração. Os quatro principais filtros de envelope de aceleração usadas em equipamentos industriais são: Velocidade do Eixo (em rpm)
Envelope de Aceleração (em Hz)
Intervalo de Análise Espectral do Sinal do Envelope de Aceleração (em Hz)
< 50 25 500 250 5000 2500+
5 – 100 50 – 1 000 500 – 10 000
0 – 10 0 – 100 0 – 1000
5 000 – 40 000
0 – 10 000 (André Smulders, 1993)
Figura 59 – Uso do envelope de aceleração.
Nota: Uma simplificação da tabela acima para seleção do filtro de envelope é multiplicar a rotação da máquina por 10 e selecionar o filtro com freqüência superior. Na maior parte do intervalo de 1100 rpm a 3600 rpm de equipamento operante, o terceiro filtro do envelope de aceleração é mais aplicável. A freqüência máxima usada na apresentação do espectro da medição do envelope de aceleração pode ser definida como cerca de 40 vezes a velocidade de funcionamento da máquina
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sendo testada. Na maioria dos casos, o envelope de aceleração é mais adequado para as medições horizontal ou radial, uma vez que elas estão próximas à zona de carga e a folga no rolamento não é máxima. Nota: Em casos onde os componentes do equipamento foram definidos e a experiência do analista complementa o método, as medições do envelope de aceleração são geralmente substituídas por pontos de aceleração. Isto não é apropriado para redutores ou equipamento de configuração complexa . Outras tecnologias de processamento de dados, i.e., tecnologia SEE, HFD e outras técnicas de processamento fornecem opções adicionais para os recursos de detecção e análise, dependendo da configuração da máquina, experiência do analista, além de outros fatores. Estas tecnologias são especialmente confiáveis em sistemas montados permanentemente (LMU’s, etc.). Entretanto, em aplicações portáteis, as medições podem fornecer dados de difícil reprodução, devido às variáveis introduzidas durante a coleta de dados portátil. Estes parâmetros de tecnologias adicionais podem ser incorporados ao banco de dados, dependendo da aplicação. Médias: É necessário um mínimo de 8 médias para garantir a repetitividade de 1dB. Em termos de porcentagem de confiança na repetição de sinais, 6 médias resultam normalmente em uma qualidade de repetição de 75% em sinais periódicos. 8 médias aumentam esta repetitividade para aproximadamente 95%. Recomendase que seja usado um mínimo de 8 médias na coleta de dados de monitoramento dos dados espectrais. Contudo, surgem dois problemas: • •
Pequeno aumento no tempo de coleta de dados de 6 contra 8 médias; Problemas de baixa rotação do equipamento afetando a coleta de dados.
O pequeno aumento no tempo necessário para se obter dados em 8 contra 6 médias é mínimo para freqüências f max maiores do que 100Hz. 20 milissegundos multiplicado por mais duas médias é irrelevante, e o tempo de processamento de FFT é relativamente aceitável. A baixa rotação do equipamento apresenta problemas únicos. Pode ser necessário um número menor de médias, e isto é responsabilidade do analista para determinar o compromisso da duração do evento em função da disponibilidade dos dados. Entretanto, a prática para se medir equipamentos industriais deve ser de 8 médias. O espectro do envelope de aceleração (gE) é um sinal processado que apresenta apenas os sinais repetitivos e modulados normalmente associados com freqüências de rolamentos e engrenagens. Nesta aplicação, apenas 1 amostra, ou média, é necessária.
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Estabelecimento de bandas: A análise por bandas (bandagem) é usada em aplicações como avaliação de garantia de qualidade ou monitoramento de condições de equipamento de velocidade variável. Para maiores informações sobre as bandas no processo de avaliação e diagnose, consulte “Proven Method for Specifying Both 6 Spectral Alarm Bands As Well As Narrowband Alarm Envelopes Using Today’s Predictive Maintenance Software Systems”, de autoria e com direitos de reprodução da Technical Associates of Charlotte. Os produtos do software PRISM permitem configurar mais do que o método das 6 bandas. Observe que existem dois tipos diferentes bandas de alarme espectral: •
Limite Absoluto - permite aos usuários especificar a amplitude máxima permitida de qualquer pico único dentro de cada banda designada (se qualquer pico for igual ou maior do que este limite, o alarme da banda será acionado), e;
•
Faixas de Potência - calcule a energia total (ou “potência”) dentro de cada banda gerada por todos os picos dentro da banda (usando-se a mesma base de cálculo que a usada para calcular o nível geral de todo um espectro).
As freqüências máxima e mínima de cada banda podem ser definidas através do software, ou pode-se definir uma função da velocidade rotacional (1x rpm a 5x rpm, por exemplo). Uma vez que as características da análise de banda são específicas da aplicação e bastante subjetivas, consulte o documento acima para obter mais informações sobre a definição técnica de aplicações de bandas.
Figura 60 - Exemplo de Bandas.
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6.4
Estabelecimento de níveis de alerta: Os níveis de alerta dos “Números Críticos” são sempre difíceis de se determinar em um novo banco de dados, devido a variações nas características da máquina, montagem, carga, etc. A orientação mais geral usada na indústria é a Norma ISO. Existem duas áreas a serem consideradas na aplicação destas diretrizes: •
As diretrizes dependem da freqüência, em vez de projetadas para aplicações gerais;
•
Estas diretrizes são aplicadas para todas as classificações de equipamento.
Uma consideração importante para o operador de manutenção é que no processo de análise (redução dos dados no relatório de exceções), é desejável estabelecer um limite de alerta alto o suficiente para minimizar alarmes externos, e ao mesmo tempo conservativo o suficiente para não se perder um desvio crítico na condição da máquina. Para ser o mais conservativo possível, o quadro a seguir apresenta uma técnica de trabalho de avaliação: VELOCIDADE . ACELERAÇÃO
DEF A1 ALERTA GERAL 7.5 mm/s DEF A2 ALERTA GERAL 15 mm/s DEF A1 ALERTA GERAL 2 g’s DEF A2 ALERTA GERAL 3.5 g’s
Note que os níveis gerais, ou não filtrados, de alerta são mais difíceis de serem quantificados devido à resposta dentro das designações de banda, etc. Consulte o Vibration Diagnostic Guide (Guia de Diagnóstico de Vibração) para obter explicações e exemplos. 15 mm/s é considerado um nível operacional inseguro para a operação contínua da máquina e para as pessoas, e representa a amplitude dependente da freqüência que ultrapassa o limite das diretrizes gerais de segurança da ISO de HOSTIL para MUITO HOSTIL. Obviamente, os níveis de alerta da aceleração são mais conservativos do que os níveis de alerta da velocidade, devido às características de transferência de energia das freqüências mais altas e baixas amplitudes que ocorrem nos estágios iniciais do desgaste do rolamento. Os níveis de alerta de Envelope de aceleração são mais difíceis de serem quantificados devido à energia quantificada sendo dependentes não só da amplitude absoluta, mas também da largura variável do pulso do evento, carga,
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condições de defeito, etc. Na época em que este trabalho foi escrito, o quadro a seguir representava nossa melhor experiência em amplitudes de alerta para o sinal do envelope, obtidas através do MicroLog/MultiLog, com o uso do sensor de múltiplos parâmetros montado permanentemente ou magneticamente. Banda I A1 A2
INSATISFATÓRIO INACEITÁVEL
0,02 gE 0,05 gE
Banda II 0,2 gE 0,5 gE
Banda Banda III IV 2 gE 5 gE 5 gE 25 gE (SKF do Brasil - 95)
Figura 61 – Valores de referência para os níveis de vibração.
NOTA: Os valores da tabela acima são para valores de pico a pico de Envelope de Aceleração. A utilização destes níveis de alerta destina-se à configuração preliminar de um banco de dados somente. Eles podem ser modificados de acordo com os requisitos operacionais da máquina sendo testada à medida que o banco de dados torna-se qualificado em decorrência de uma coleta de dados de base. Observe que outros padrões e diretrizes podem ser mais apropriados para aplicações específicas da indústria, i.e., o processamento de petroquímicos normalmente utiliza especificações API. As aplicações militares usam padrões militares apropriados. Autocaptura: Autocaptura ou captura forçada do espectro é sempre um ponto de preocupação, com relação ao tempo da coleta de dados, armazenamento e tamanho do programa, bem como os recursos de diagnose. Se um espectro for retido apenas em alarme, a propagação histórica não estará disponível para exame. Um exemplo seria a identificação do desgaste avançado do rolamento. Sem uma base de dados históricos para se examinar, a causa real da falha do rolamento está sujeita a especulação, e existe o risco de um evento repetir-se devido à possibilidade de a fonte da degradação tornar-se incorreta. A determinação do mecanismo de falha é uma questão tão importante para o analista quanto a própria falha. A medida da velocidade é uma excelente, e reconhecida forma de apresentação do fenômeno em baixas freqüências, e um excelente registro dos eventos mecânicos. A aceleração é mais adequada para a detecção e diagnose de anomalias de rolamentos e engrenagens, em termos de mecanismo de falha. Contudo, a excitação de freqüências caracteristícas das falhas de rolamentos e engrenamentos é também normalmente atribuída às condições operacionais, como problemas de lubrificação, etc.
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Geralmente, essas condições podem ser corrigidas, e estenderão notadamente a vida útil do rolamento. Considerando-se tais atributos, recomenda-se a seguinte configuração: Velocidade Aceleração Envelope Aceleração
Registre VELOCIDADE GLOBAL Autocapture ESPECTRO DE VELOC. Registre ACELERAÇÃO GLOBAL Registre ESPECTRO DE ACELERAÇÃO, Somente em Alarme** Registre gE GLOBAL Autocapture ENVELOPE DE ESPECTRO Figura 62 – Configurações recomendadas.
** O equipamento operando a velocidades maiores do que 3600 rpm também deve ter o espectro de aceleração capturado. NOTA: Todos os espectros devem ser retidos para um registro de linha de base do trem da máquina para futura comparação, e para testes de garantia de qualidade do trem da máquina quando retornar à operação. Métodos de avaliação e gerenciamento de alertas: Os métodos para se estabelecer critérios e métodos de alerta variam de acordo com a experiência do usuário. Uma das principais preocupações na criação de um novo banco de dados é estabelecer critérios de alerta a um nível que alertará o operador para uma mudança na máquina, fornecendo a esse operador um aviso com antecipação suficiente para que ele pratique suas opções, e ao mesmo tempo manter os níveis de alerta realísticos de maneira que não ocorram alertas prematuros. A visão geral a seguir identifica um processo no qual um novo banco de dados pode começar a “se pagar” imediatamente em termos do tempo investido, e tornar-se mais eficiente e abrangente à medida que o mesmo amadurecer. Níveis de Alerta “Números Críticos”: Normalmente, conforme mencionado anteriormente, devem ser atribuídos números fixos aos níveis de alerta A 1 e A2 na construção do banco de dados. Os níveis de alerta descritos acima são configurados ao ponto em que os níveis de vibração ultrapassam os limites da Norma ISO de LEVEMENTE HOSTIL para HOSTIL. Este é um bom nível de avaliação preliminar, e alertará o operador sobre as máquinas que apresentam características de vibração excessiva, o que pode limitar seriamente sua confiabilidade. É importante lembrar que “níveis de alerta - números críticos” são um ponto de início de um programa que contém
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muitos fatores desconhecidos. Durante a fase de inicialização do programa, é normal que os níveis de alarme possam permanecer inalterados e indisponíveis durante um tempo considerável. Se o ajuste do alarme não for apropriado para a máquina em sua configuração única, o risco de falha da máquina permanece mais alto do que o aceitável. Nível de Severidade de Vibração: Severidade de vibração é uma unidade característica que descreve o estado vibratório de uma máquina. O valor global escolhido como unidade de medida para indicação da severidade de vibração é o valor eficaz da velocidade, ou simplesmente velocidade rms (V ef). No entanto, este parâmetro não é representado por uma escala de valores absoluta, pois, devido a grande diversidade de formas, massa, montagem e condições operacionais dos equipamentos acarretam em valores da velocidade rms diferentes para níveis de severidade aceitáveis. A despeito desse fato, baseado em experiência, é assumido que vibrações com mesma velocidade eficaz em qualquer ponto, no intervalo de freqüência de 10 a 1000 Hz, são de igual severidade. Considerando que uma diferença de 4 dB representa uma variação de velocidade que acarreta em uma mudança significativa na resposta vibratória da maioria das máquinas, é possível a construção de uma escala geral independente para a severidade de vibração. A Tabela da Figura 63 apresenta a escala publicada na NRB 10082, baseada na norma ISO 2372/74.
Faixa de classificação 0,11 0,18 0,28 0,45 0,71 1,12 1,80 2,80 4,50 7,10 11,20 18,00 28,00 45,00 71,00
Faixa de velocidade (rms) (valor eficaz da velocidade de vibração) mm/s acima de até 0,071 0,112 0,112 0,18 0,180 0,28 0,28 0,45 0,45 0,71 0,71 1,12 1,12 1,80 1,8 2,8 2,8 4,5 4,5 7,1 7,1 11,2 11,2 18,0 18,0 28,0 28,0 45,0 45,0 71,0
Figura 63 - Faixas de severidade de vibração 10 Hz a 100 Hz.
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A partir desse tipo de escala, é possível se estabelecer uma classificação para as máquinas onde se define faixas de severidade de variação associadas à classe e qualidade do equipamento. Existem internacionalmente várias normas sobre o assunto, as mais utilizadas são: •
VDI Richtilinie 2056
- Alemã;
•
BS 4375
- Inglesa;
•
AFNOR 90.300
- Francesa – Americana;
•
ISO 2372
- Internacional;
•
ISO 2373
- Internacional;
•
ISO 4945
- Internacional;
•
NBR 10082
- Brasileira;
•
NBR 10272
- Brasileira.
De um modo geral, as especificações supra citadas são praticamente idênticas com pequenas diferenças regionais. As normas ISO 2372, 2373 e 3945 são bem aceitas no Brasil. No apêndice A, é apresentada cópia da NBR 10082. Os valores e indicações fornecidos pelas especificações mencionadas devem ser encaradas como recomendações, não representando valores absolutos. No entanto, este tipo de medição do nível global é altamente interessante, principalmente no caso de inspeção e aceite, com o conseqüente recebimento de máquinas ou equipamento. A medição permitirá verificar, antes do recebimento, se a máquina adquirida está dentro das condições estabelecidas e recomendadas por especificações válidas em âmbito internacional e, além do mais, permite que seja estabelecido um marco inicial que servirá de base para comparação da evolução do nível de vibração em função da operação do equipamento ao longo de sua vida útil. Na manutenção preditiva, as medições são comparativas, o que torna bastante importante ter-se à mão um dado correspondente à máquina nova, que geralmente é considerado como um dispositivo apto a apresentar uma operação e funcionamento normal. Tal base de comparação é extremamente útil no futuro, por permitir estabelecer uma escala que se inicia na vida zero da máquina ou equipamento. Avaliação do GANHO ou DESEMPENHO DE TENDÊNCIA: A avaliação com base na inclinação da curva de ganho de amplitude do sinal global pode ser feita depois que três medições iniciais de dados são fornecidos
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ao banco de dados. A lógica que suporta os três históricos é simplesmente a de que é necessário um mínimo de três pontos para se calcular uma curva. É importante notar que a avaliação sobre o desempenho de tendência é bem sucedida independentemente do parâmetro medido (i.e., velocidade, aceleração, envelope de aceleração, ppm, etc.). Uma diretriz que produz bons resultados para a avaliação que usa o desempenho de tendência deriva da regra prática, “o ganho 6 AdB na amplitude sobre os últimos dados coletados indica que deve ser feito um diagnóstico para se avaliar os dados da máquina”. 6dB = 20 log
PotênciaLida PotênciaReferência
Se atribuirmos “2” para Potência lida, e “1” para Pontência ref, que indica um ganho de 2X na amplitude medida do sinal, o cálculo nos dirá que um ganho 6dB indica um aumento de duas vezes na amplitude. Se esta lógica for aplicada ao processo de avaliação, podemos agora ajustar nosso nível de detecção para identificar qualquer nível de sinal que seja duas vezes maior do que a amplitude da medição anterior, ou um ganho de 100%. Avaliação correlativa cruzada: O problema evidente entre os critérios de números críticos e a análise de tendência é identificado quando as características variáveis da máquina são apresentadas. Em muitos casos, o estabelecimento de critérios de alerta de números críticos apresenta um problema devido a estruturas muito flexíveis, ou sistemas que tenham níveis de vibração gerada na própria estrutura inerentemente altos que afetarão as amplitudes medidas. As medições que alertam o operador quanto a níveis de vibração não-filtrados altos ou globais podem não necessariamente indicar a existência de um problema mecânico, quando o espectro é examinado. A avaliação com base na inclinação da curva de tendência também causa preocupação, pois amplitudes anormalmente baixas podem acionar uma notificação de alerta, embora o sinal possa ainda ser muito baixo (por exemplo, um transiente de operação de 0,25 a 0,50 mm/s acionaria o alerta de tendência, embora as amplitudes estejam dentro das tolerâncias aceitáveis). Devido a estas questões, a avaliação correlativa cruzada torna-se uma ferramenta de trabalho flexível significativa. Em resumo, configure o banco de dados de modo a fornecer uma listagem tabular de todos os pontos que apresentam as características de acionamento do alerta A 1 ou A2, e demonstram um ganho de 100% desde a última vez que os dados foram coletados. Na maioria dos casos, este é um dos métodos mais confiáveis de avaliação disponíveis, especialmente em termos de um banco de dados relativamente recente.
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Avaliação de envoltório do espectro: Outro método de avaliação envolve o envoltório do espectro (diferente do envelope de aceleração!!). Neste método, é identificado um espectro representativo, e um “envoltório” é associado a esse espectro, permitindo uma pequena porcentagem de variação de freqüência devido às variações de velocidade e carga, e a tolerância de amplitude existente. Um exemplo seria um envelope associado que permitisse uma variação de 5 % na velocidade (freqüência), e um ganho de 20 % na amplitude de uma freqüência discreta antes que um componente do espectro furasse o envelope estabelecido, e uma condição de alerta fosse impressa. Este método particular requer um banco de dados de máquina historicamente maduro, e apoia-se fortemente na experiência do operador. Análise estatística: A análise estatística é bastante eficiente com bancos de dados maduros. De modo simplificado, qualquer característica de parâmetro de tendência pode ser considerada: •
ANORMAL quando for igual a UMA VEZ O DESVIO PADRÃO DE SUA TENDÊNCIA HISTÓRICA, e/ou;
•
CRÍTICA quando os dados forem DUAS VEZES MAIORES DO QUE O DESVIO PADRÃO DE SUA TENDÊNCIA HISTÓRICA.
Existem vários outros métodos de avaliação e gerenciamento de alarme disponíveis que produzem bons resultados. Cada um depende individual e coletivamente da experiência do operador e do processo da instalação na qual o equipamento é operado. A discussão acima simplesmente oferece uma orientação prática que pode ser implementada durante os estágios iniciais do programa e ainda assim fornecer resultados razoavelmente satisfatórios. Outros parâmetros e considerações são obviamente importantes para o processo de coleta de dados. Entretanto, os parâmetros acima são os mais comuns na configuração de novos bancos de dados. As convenções aqui usadas garantem que a configuração inicial será consistente, e que dados válidos podem ser coletados imediatamente. As modificações sempre ocorrem à medida que um banco de dados evolui em seus históricos.
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