análise de vibração aplicada em máquinas rotativas de baixa velocidade2

8/20/2019 Análise de Vibração Aplicada Em Máquinas Rotativas de Baixa Velocidade2

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Análise de vibração em máquinas de baixa velocidade

Mundo Mecânico Página 1

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Análise de vibração aplicada em máquinas rotativas de baixa velocidade.

Autores:Edgar A. Estupiñan ([email protected])Professor Dpto. de Engenharia MecânicaUniversidade de TarapacáCasilla 6-D – Arica (Chile)

Pedro N. Saavedra ([email protected])Professor Dpto. de Engenharia MecânicaUniversidade de ConcepciónCasilla 160-C – Concepción (Chile)

Tradução: Mundo Mecânico -2011

RESUMO

Prevendo a presença de defeitos nos rolamentos de máquinas que operam em baixavelocidade, usar a análise espectral das vibrações é uma tarefa difícil. As vibraçõesgeradas por estas máquinas são de baixa amplitude e o nível de ruído em muito doscasos pode ser o suficiente para não ser capaz de identificar as vibrações geradas pelapresença de defeitos.

Este Trabalho ilustra tanto os testes de laboratório como os casos históricos e reais daindustria de celulose e papel. Com uma análise integrada do espectro e de forma deonda é possível detectar defeitos em mancais de máquinas de baixa velocidade.Também é ilustrado com a análise de um caso, a utilidade da técnica PeakVue deanálise de vibrações de alta freqüência.

INTRODUÇÃO

Hoje as indústrias mais modernas, dentro de seus programas de manutençãopreditiva, utilizam o monitoramento da análise de vibração, a fim de estabelecer o queo estado de saúde mecânica do equipamento e, em particular seus elementos maiscríticos, tais como rolamentos, mancais, engrenagens, e desta forma prevenir falhascatastróficas.

Sem dúvida, quando as máquinas giram a baixa velocidade, a análise é complicada,principalmente porque a magnitude das forças dinâmicas que geram as vibraçõesdiminui com a velocidade de rotação. Por exemplo, o desbalanceamento gera umaforça centrifuga proporcional ao quadrado da velocidade.

Alem disso, máquinas de baixa velocidade normalmente são maiores em tamanho epeso, portanto o sinal de vibração medido nos mancais é frequentemente debaixíssima amplitude e baixa relação sinal-ruído.

Para analisar as vibrações provenientes de máquinas de baixa velocidade exige-seuma seleção adequada e uso de componentes que formam a cadeia de medição, a fimde obter a melhor razão possível do sinal-ruído, Robinson(1995).

Neste artigo, o termo “máquina de baixa velocidade” refere-se a máquinas queoperam entre 6 e 300 cpm (ciclos por minuto). Os rolamentos são componentes mais

críticos de máquinas e que falham com mais freqüência. O estudo realizado nestetrabalho tem se concentrado principalmente no diagnóstico de defeitos de rolamentosde baixa velocidade, utilizando diversas técnicas de análise de vibração.


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EXATIDÃO NO DIAGNÓSTICO DE FALHAS DE ROLAMENTOS

Os rolamentos atuam como uma fonte de ruído e vibração devido tanto a variação demedida como a presença de defeitos neles, mesmo que geometricamente perfeitos,Tandon (1992 e 1999).

Defeitos em rolamentos podem ser classificados e distribuídos (rugosidade dasuperfície, ondulações nas pistas e elementos rolantes desiguais) e localizados(trincas, mordeduras, ressaltos, corrosão e fragmentação). Esta seção descrevealgumas das técnicas de análise de vibração que podem ser usadas para identificardefeitos típicos que se encontram nos rolamentos.

Dependendo da localização do defeito no rolamento, gera-se vibrações de diferentesfreqüências. Quando uma área defeituosa faz contato com a sua superfície, produz-sepulsos periódicos de curta duração. Os períodos com que se produzem tais pulsos éem função da geometria do rolamento, da velocidade de rotação e da localização dodefeito, Harris (1966), Berry (1991).

Suas freqüências são comumente associadas como BPFO, BPFI, BSF e FTF e pode ser

calculada analiticamente ou usando algum software comercial.

BPFO (Ball pass frequency of the outer race) é a frequência de passagem dos elementosrolantes por um defeito na pista externa.BPFI (Ball pass frequency of the inner race) é a frequência de passagem dos elementosrolantes por um defeito na pista externa.BSF (Ball spin frequency) é a freqüência de giro dos elementos rolantesFTF (Fundamental train frequency) é a frequência de giro da gaiola

ANÁLISE ESPECTRAL, MÉDIAS E RESOLUÇÃO DE FREQUÊNCIA

A análise de frequência (ou espectral) é a técnica mais comumente utilizada paradiagnóstico de falhas através da análise de vibração. Você pode identificar falhastípicas como rotor desbalanceado, desalinhamento, frouxidão e defeitos mecânicos emrolamentos. A idéia básica da análise de frequência é encontrar a relação existenteentre a frequência discreta dos componentes presentes no espectro e a frequência deforças dinâmicas que geram as vibrações.

A figura 1 mostra o espectro de aceleração vibracional do rolamento do rolo superiorlado livre, da quarta prensa de uma máquina de papel, que gira em 31 rpm.

O rolamento é SKF-23276 e o BPFO é 7.77 x RPM. Para verificação periódica namaioria das máquinas, é comum o uso de um espectro com 400 linhas, obtido dequatro médias, como mostrado na figura 1. No entanto, quando os níveis de vibraçãosão baixos, o ruído eletrônico e do ambiente podem mascarar os componentesespectrais devido a vibração e fazer que a análise espectral seja difícil. Faz-senecessário então, obter medições com uma melhor razão sinal-ruído (SNR*2) edurante a fase de coleta de dados de vibração é possível melhorar a SNRincrementando o número de médias e melhorando a resolução da frequência(utilizando mais linhas de espectro). Adicionalmente requer-se o uso de sensores combaixo ruído elétrico (inerente) e alta sensibilidade.


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Fig. 1. Espectro de aceleração vibratória (4 médias e 400 linhas de resolução)

Por meio da média espectral se reduz a variação das amplitudes espectrais do ruídoaleatório em proporção direta a raiz quadrada do número de médias, Robinsonet.AL(1992).

O espectro da figura 2(a) foi obtido com um maior número de médias(100) e pode-seobservar que o espectro é mais suave que o mostrado na figura 1.

No entanto, mesmo com este espectro não é possível distinguir os componentes davibração real, devido a baixa SNR. Agora se você tomar a medição com maior númerode linhas (3200), a energia é distribuída entre maior número de pontos discretos,diminuindo assim a amplitude espectral dos componentes aleatórios produzidas peloruído como se pode observar na figura 2(b).

Neste espectro, que possui uma melhor SNR é possível identificar as componentesdevido a vibração, as quais correspondam a múltiplos BPFO do rolamento, indicandoassim a presença de um defeito na pista externa.

*2 SNR : Razão sinal-ruído, proveniente da terminologia inglesa: Signal to Noise Ratio

(a) Espectro adquirido com 400 linhas e 100 médias

(b) Espectro adquirido com 3200 linhas e 100 médias

Fig. 2. Espectros de rolamento com um defeito na pista externa. (rotação = 31cpm)


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ANÁLISE DA FORMA DE ONDA

A análise da forma de onda da vibração é um tempo de domínio de técnicas maisúteis para a detecção de defeitos em rolamentos. Por exemplo, a análise da forma deonda da aceleração vibratória para identificar os impactos da passagem dos elementos

rodantes de um defeito localizado, e por meio de sua periodicidade e sua relação coma frequência de falha em identificar a localização do defeito (pista interna, externa ougaiola)

A figura 3 mostra o espectro de frequência em forma de onda da vibração gerado porum rolamento com defeito na pista externa. O rolamento pertence a um pequenoagitador, cuja velocidade nominal é de 60 cpm. Analisando o espectro não é possíveldeterminar se o rolamento tem uma falha. O espectro não tem nenhum componenteespectral discreto com uma frequência claramente definida, devido ao agitador mudarligeiramente a velocidade durante a tomada de dados, causando uma dispersão doscomponentes espectrais. Entretanto a análise do sinal de vibração no domínio dotempo permitiu a identificação de um defeito no rolamento, mesmo quando aconteceu

a mudança de velocidade da máquina durante a tomada de dados. Na figura 3(abaixo)pode-se identificar claramente os picos que se produzem cada vez que um elementorolante passa sobre o defeito. O tempo que ocorre entre um pico e outro correspondeaproximadamente ao inverso do BPFO, confirmando a existência de um defeito napista externa. A frequência tem algumas pequenas mudanças, que naturalmente sãorelacionadas à variação de velocidade do agitador.

Fig. 3. Espectro e forma de onda de rolamento com pista externa defeituosa e velocidade variável

Para realizar a análise espectral em máquinas que variam sua velocidade utilizando atécnica de análise de Ordens (Order Tracking Analysis), com a qual o analisador deFFT usa uma frequência de amostra que está diretamente relacionada à velocidadede rotação do eixo, Harris (1988).

Para Ao utilizar as técnicas de análise de Ordens, no caso do agitador, obtemos oespectro da Figura 4, onde, pode-se identificar claramente os componentesharmônicos da BPFO, ao contrário do espectro obtido com a análise normal.


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Fig. 4. Espectro obtido com a análise de Ordens

ANÁLISES DE CASOS HISTÓRICOS DA INDÚSTRIA DE CELULOSE E PAPEL

Neste caso analisamos o rolamento frontal do motor superior da terceira prensa desecagem, cuja velocidade de rotação é de 31 cpm. A Figura 5 mostra o espectro eforma de onda da vibração axial coletada com o acelerômetro de 500mV/g, e umafrequência máxima de 200 hz. Na forma de onda pode-se identificar impactosrepetitivos com uma periodicidade equivalente ao inverso do BPFI do rolamento SKF23276. Também pode-se notar que para cada revolução do eixo, quando o defeitopassa na zona de carga do rolamento, produz-se os impactos de maior magnitude. Noespectro da Figura 5, o cursor marca o BPFI e suas harmônicas (letra D) e ao redordeles identificam-se bandas laterais separadas pela frequência de rotação.

As linhas pontilhadas na figura indicam os valores teóricos da BPFI e seus harmônicos,os quais, como se pode observar diferem ligeiramente dos reais, devido às variações

na carga axial e a um deslizamento entre os elementos rolantes e as pistas.

Fig. 5. Espectro e forma de onda da vibração axial. (Rolamento da terceira prensa)

Com as informações obtidas a partir das vibrações geradas pelo rolamento, o pessoalde manutenção decidiu programar a troca. A Figura 6 mostra a fotografia dorolamento com defeito e observar-se claramente os defeitos localizados na pista


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interna, sendo consistente com o esperado de acordo com as análises de vibraçãorealizadas anteriormente.

Fig. 6. Rolamento da terceira prensa com defeitos na pista interna.

A Figura 7 mostra o espectro e a forma de onda da vibração, obtidos, após a troca dorolamento defeituoso. Você pode notar a grande diferença entre este espectro e oobtido antes da substituição do rolamento. O novo espectro é útil como referência

para identificar a ocorrência de defeitos no futuro.

Fig. 7. Espectro e forma de onda adquiridos depois da troca do rolamento.


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Fig. 8. Evolução do espectro da vibração axial do rolamento do motor da segunda prensa

ROLAMENTO COM UM DEFEITO LOCALIZADO NA PISTA INTERNA E UMDESLIZAMENTO NO EIXO

Neste caso, analisa-se o rolamento do lado motriz de um dos rolos da segunda prensade secagem, que gira a uma velocidade de 43,5 cpm. As Figuras 8 e 9 mostram os

espectros e formas de onda da vibração axial e sua evolução a partir de 09 de outubro(quando foi detectada uma mudança significativa na vibração) até 02 de Novembro de1999. O rolamento é um SKF 23184 e a BPFI é de 11.7 x RPM. As linhas tracejadas nográfico designadas pela letra “G” indicam a localização noi espectro da BPFI e suashamônicas.

Conforme mostrado na Figura 8, nas fases iniciais da falha, a análise espectral nãofornece informações claras sobre a origem do problema. Entretanto, ao analisar aforma de onda (Figura 9) podemos identificar os impactos repetitivos que ocorremdesde o início do defeito. Podemos ver também que a frequência desses impactosvariou ao longo do tempo, o que é considerado como um sintoma estranho,considerando que a velocidade de rotação permaneceu constante (43,5 cpm).

Na Figura 9, podemos identificar duas periodicidades: A periodicidade dos ciclos deimpacto, correspondente ao tempo que transcorre entre os impactos de maioramplitude e a periodicidade entre impactos, a qual corresponde ao tempo entre umimpacto e o seguinte. Na Figura 9 pode-se notar que ocorrem dois ou três impactospor cada ciclo de período dos impactos.


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Fig. 9. Evolução da forma de onda da vibração axial do Rolamento motriz da segunda prensa

A chave para diagnosticar que o rolamento tinha uma pista interna defeituosa, foi queem todos os casos, os intervalos entre um e outro impacto variou na mesma

proporção que o fez na periodicidade de cada ciclo de geração de impactos. Tambémse deve ter em conta que o defeito está na pista interna. Os impactos de grandeescala ocorrem sempre que o defeito passa pela zona de carga e isso se produz umavez por cada revolução do eixo. Embora a velocidade de rotação sempre fosse amesma, a periodicidade do ciclo de impactos mudou com o tempo, provavelmentedevido a um ajuste insuficiente entre a pista interna do rolamento e eixo, permitindodeslizamentos ocasionais.

Segundo a análise realizada, foi diagnosticado que o rolamento provavelmente tinhaum defeito na pista interna e também estava deslizando sobre o seu eixo, portanto, aequipe de manutenção programou a troca do rolamento para 02 de Novembro. AFigura 10 mostra (esquerda) mostra o defeito encontrado na pista interna e a Figura10 (direita) mostra a superfície do eixo em que o rolamento é suportado e pode-sever nelas marcas causadas pelo deslizamento entre o anel interno do rolamento eeixo, confirmando assim o diagnostico feito anteriormente.

Fig. 10. Defeito localizado na pista interna (esquerda), e superfície do eixo sobre o qual apóia orolamento (direita).

Um Após o rolamento ter sido trocado, o espectro e a forma de onda da vibração axialdo rolamento são mostrados na Figura 11. Observa-se a ausência de impacto naforma de onda e de componentes espectrais significativos. Analisando este caso,pode-se ilustrar a utilidade da análise da forma de onda para diagnosticar umproblema que apresentou sintomas atípicos e onde as técnicas tradicionais dediagnóstico não foram eficazes.


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Fig. 11. Espectro e forma de onda da vibração, depois que o rolamento foi substituído

DETECÇÃO DE TRINCAS EM POLÍN(*) E ROLAMENTOS COM DEFEITO NAPISTA INTERNA

(*) O tradutor não conseguiu uma correspondência para polín. Provavelmente os

autores falam da do tambor da prensa (polia). Também define-se polin como

estrutura (viga “C”). Polines = vigas U, C, T em aço

Imagem ilustrativa

Neste caso, realizou-se a análise de vibração e ruído proveniente dos tamboressuperior e inferior da terceira prensa de secagem, os quais giram a uma velocidade de

56,3 cpm. Um dos operadores de máquinas notou um barulho estranho vindo do

tambor superior, portanto, o objetivo inicial da análise foi para determinar a fonte do

ruído e portanto tomar medidas corretivas.

A Figura 12 mostra os espectros da aceleração da vibração dos rolamentos lado livre e

lado acoplamento, adquiridos com um acelerômetro de 100mV/gv e com uma

frequência máxima de analise de de 200 kcpm. Analisando os espectros , pode-se

identificar componentes harmônicas de duas vezes a frequência da linha elétrica

(6000 cpm) e componentes discretas a 28.2 kcpm e 130 kcpm.


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Fig. 12. Espectro dos rolamentos lado motriz (interno) e lado livre (externo) (Fmáx = 200kcpm).

A causa mais provável da vibração a 130.57 com é que corresponde a excitação de

uma frequência natural. Utilizou-se a técnica de análise de Peakvue3 para identificar

que os componentes de baixa frequência são os que produzem as ondas de esforço

que produzem tal excitação. Canadá et AL (1998). Para a análise com Peakvue,requer-se um filtro que corte os componentes de baixa frequência, para isto, utilizou-

se um filtro passa alta com frequência de corte de 500 Hz

A Figura 13 mostra os espectros obtidos com a análise do Peakvue e pode-se

identificar freqüências harmônicas de 12.7 x RPM, correspondentes ao BPFI do

rolamento lado motriz do rolo inferior (SKF-23160). No entanto, também são notórias

freqüências harmônicas de BPFI/2, a qual corresponde tipicamente a um

comportamento não linear da estrutura. A resposta estacionária de sistema não

lineares devido a uma excitação periódica, em este caso é a BPFI, que é caracterizada

por harmônicas e sub-harmônicas da frequência de excitação, dependendo da classede não linearidade, Harris(1988). Uma das causas mais prováveis do comportamentonão linear para este caso, seria a presença de trincas no tambor.

Peakvue Analysis : É uma técnica de análises patenteada por ComputationalSystem Incorporated (CSI).

Considerando ainda que nos espectros de Peakvue dos mancais, aparecem

componentes a 1xRpm, 2xRpm e 3xRpm, o pessoal de manutenção, solicitou uma

análise de ultrasom, a qual confirmou a presença de trincas no tambor e este foi

trocado, evitando assim possível falha catastrófica na máquina.

O fato de que as componentes espectrais do BPFI não apreçam na zona de baixa

frequência significa que o defeito na pista interna ainda encontra-se em fase inicial da

falha. Recomenda-se, portanto, para este caso monitorar a evolução do defeito e

considerar o momento mais oportuno para a troca. Com a análise deste caso

histórico, ilustra-se a utilidade de técnicas pouco tradicionais como a do peakvue para

detectar falhas incipientes em rolamentos.


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Fig. 13. Espectros de Peakvue dos rolamentos lado motriz (interno) e lado livre (externo) do tambor

inferior

Fig. 14. Espectro normal (acima) e do Peakvue (abaixo) do rolamento lado motriz do tambor superior

A Figura 14 (superior e inferior) mostra o espectro obtido a partir de uma análise

normal e o espectro da análise Peakvue da vibração do “mancal” (descanso) motriz do

tambor superior. Se compararmos apenas espectros da vibração dos tambores

superior e inferior, não é possível determinar qual deles esta com defeito, devido aos

espectros terem uma aparência similar, No entanto analisando os espectros de

peavue Figura 13 (inferior) e figura 14 (inferior), observa-se claramente a diferença

entre eles e pode-se afirmar que o tambor inferior é a fonte do problema, apesar de

que aparentemente para o operador da máquina, o ruído provinha do tambor superior.


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CONCLUSÕES

Por meio deste trabalho, se pode demonstrar que o uso da análise de vibração é

viável para monitorar e diagnosticar o estado da condição mecânica de máquinas de

baixa velocidade e em particular de seus rolamentos considerados como elementos

fundamentais para seu bom desempenho. Para se chegar a um diagnóstico preciso é

necessário realizar estudos de suas vibrações, utilizando de forma integrada várias

técnicas disponíveis hoje em dia nos vários equipamentos de análise de vibração

modernos. Para a análise de vibrações de frequências mais baixas, deve-se fazer uma

seleção adequada e uso de componentes que compõem a cadeia de medição, de

modo que seus componentes não sejam filtrados ou atenuados. Na etapa de medição

da vibração, deve-se realizar grandes esforços para a melhoria da relação sinal-ruído,

a fim de obter informações mais confiáveis para a análise e para alcançar cada vez

diagnósticos mais precisos.

Alguns tipos de filtros:

Passa-altas: remove freqüências baixas

Passa-baixas: remove freqüências altas

Passa-banda (ou passa-faixa): permite a passagem apenas de uma faixa de freqüências

Rejeita-banda (ou rejeita-faixa): bloqueia freqüências dentro de uma faixa

Passa-tudo: mantém intactas as amplitudes de todas as freqüências, mas altera suas fases

BIBLIOGRAFIARobinson, J. C., P/PM Technology , Vol. 8, 1995, N°6, pp. 47-50.Tandon, N. Nakra, B. C. The Shock and Vibration Digest , Vol. 24,1992, N°3, pp. 3-10.Tandon, N. Choudhury, A. Tribology International , Vol. 32, 1999,pp. 469-480.Harris, T. A. Rolling Bearing Analysis. John Wiley & Sons, Inc.,N.Y., 1966.Berry, E. B. Sound and Vibration, Vol. 25, 1991, N°11, pp. 24-27.Robinson, J. LeVert F.E, Mott. Sound and Vibration, Vol. 26, 1992,

N°5, p. 22-30.Harris, C. M. Shock and vibration handbook . McGraw Hill, N.Y.,(1988).Canada, R., Piety, K and Robinson, J. Application Paper CSI., (1998).
http://pt.wikipedia.org/wiki/Filtro_linearhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Filtro_linearhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Filtro_linear

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