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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

BANCADA DIDÁTICA PARA MANUTENÇÃO

PREDITIVA UTILIZANDO ANÁLISE DE VIBRAÇÕES

RAÍSSA MARADJA KADYDJA SILVA

NATAL- RN, 2018







Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte como parte dos

requisitos para a obtenção do título de

Engenheira Mecânica, orientado pelo

Prof. Dr. João Bosco da Silva.

NATAL - RN

2018







Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso

Prof. Dr. João Bosco da Silva ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador

Prof. Dr. Fabio Dalmazzo Sanches ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno

Prof. Esp. Karllyammo Lennon de Souza ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Externo

NATAL, 11 de dezembro de 2018.

i

Dedicatória

Dedico este trabalho aos meus pais Maria do Socorro e Deusdete, que com

muito esforço me permitiram vencer e me tornar a pessoa que hoje sou. Meu irmão

Mikhail, em quem sempre me espelhei e tomei como exemplo a seguir e me fez

gostar do universo da engenharia.

ii

Agradecimentos

Agradeço a Deus, minha família e pessoas queridas por sempre me darem

forças e motivos para continuar seguindo em frente, ensinando a nunca desistir e

sempre lutar pelos meus objetivos.

Ao meu orientador Prof. Dr. João Bosco da Silva, que me estimulou e

contribuiu para o sucesso deste trabalho.

Ao meu professor Karllyammo Lennon por todo o conhecimento ensinado.

A todos que direta e indiretamente contribuíram para o sucesso deste

trabalho.

iii

Silva, R. M. K. Bancada didática para manutenção preditiva utilizando análise de

vibrações. 2018. 49 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia

Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2018.

Resumo

Este trabalho tem o propósito de elaborar uma bancada didática composta por elementos

mecânicos diversos, que será utilizada para realização de atividades práticas sobre o

estudo e a simulação das falhas mais comuns presentes em máquinas rotativas, baseado

na análise de vibrações, a qual se dará a partir de ensaios na bancada montada em

laboratório fazendo uso de um acelerômetro e um coletor e analisador de dados que

armazenará as informações as quais serão, posteriormente, interpretadas com o auxílio

de um software específico para este fim. Ao observar a presença de frequências

características de determinadas falhas mecânicas, diagnósticos poderão ser realizados,

bem como planejar a manutenção da mesma. Este tipo de procedimento, que pode ser

repetido periodicamente, permite acompanhar o status da máquina e verificar se alguma

das frequências característica de falha está surgindo ou aumentando de magnitude. O

trabalho também se propõe a apresentar os passos e os métodos utilizados para

desenvolver a análise das falhas, fornecendo embasamento teórico e prático, bem como

testificar a eficácia da análise ao aplicá-la em ensaios de bancada e compará-los com os

resultados esperados pela literatura.

Palavras-chave: Bancada, Análise de Vibração, Manutenção.

iv

Silva, R. M. K. Didactic workbench for predictive maintenance using vibration

analysis. 2018. 49 p. Conclusion work project (Graduate in Mechanical Engineering) -

Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2018.

Abstract

This papper has the purpose of elaborating a didactic workbench composed of several

mechanical elements, which will be used to perform practical activities on the study and

simulation of the most common faults present in rotary machines, based on the vibration

analysis, which will be done by tests assembled in the laboratory, making use of an

accelerometer and a collector and data analyzer that will store the information which will

later be interpreted using a specific software for this purpose. When observing the

presence of characteristic frequencies of certain mechanical faults, diagnoses can be

made, as well as planning the maintenance of the same. This type of procedure, which can

be repeated periodically, allows monitoring the status of the machine and checking if any

of the fault characteristic frequencies are appearing or increasing in magnitude. The

papper also proposes to present the steps and methods used to develop fault analysis,

providing theoretical and practical background, as well as to testify the effectiveness of the

analysis when applying it in bench tests and comparing them with the results expected by

the literature.

Keywords: Workbench, Vibration Analysis, Maintenance.

v

Lista de Ilustrações

Figura 1 – Classe de sinais. (a) Sinal de tempo contínuo. (b) Sinal de tempo discreto.

......................................................................................................................................4

Figura 2 – Representação de número complexo no eixo real e imaginário.................5

Figura 3 – Conversão de sinal no domínio no tempo para domínio da frequência

utilizando FFT...............................................................................................................7

Figura 4 – Representação de sinal modulado em amplitude.......................................8

Figura 5 – Representação de sinal modulado em frequência......................................9

Figura 6 – Tipos de desalinhamento. (a) paralelo, (b) angular, (c) combinado..........13

Figura 7 – Desbalanceamento causando excitação excessiva devido presença de

folga............................................................................................................................15

Figura 8 – Bancada experimental...............................................................................16

Figura 9 – Inversor de frequência WEG CFW08........................................................17

Figura 10 – Acelerômetro piezoelétrico utilizado para coleta.....................................18

Figura 11 - Direções de medição de vibração em um mancal de rolamento.............19

Figura 12 – Coletor e analisador de vibrações ROZH 802.........................................20

Figura 13 – Interface inicial do software MRS3000....................................................21

Figura 14 – Interface de trabalho do MRS3000.........................................................22

Figura 15 – Rolamento 1205 EKTN9/C3 com bucha e arruelha de trava..................24

Figura 16 – Evidência do procedimento de alinhamento...........................................25

Figura 17 – Resultado do alinhamento do conjunto motor/eixo.................................26

Figura 18 – Da esquerda para direita: Imagens antes e depois do alinhamento de

polias..........................................................................................................................27

Figura 19 – Rotor com massa de desbalanceamento................................................28

Figura 20 – Forma de onda do mancal de rolamento................................................31

Figura 21 – Gráfico de envelope de demolução com sinal de impacto na gaiola......32

Figura 22 – Gráfico de envelope de demodulação com bandas laterais...................32

Figura 23 – Gráfico de envelope de demodulação após ajuste do rolamento...........33

vi

Figura 24 – Gráfico de tendência em aceleração (g) do rolamento inspecionado.....34

Figura 25 – Envelope de demodulação do redutor de velocidades...........................35

Figura 26 – Sinal no tempo em aceleração do redutor de velocidades.....................35

Figura 27 – Espectros em aceleração dos pontos de (a) entrada e (b) saída do

redutor........................................................................................................................36

Figura 28 – Espectros em velocidade indicando excitação das polias e correias......37

Figura 29 – Espectro em velocidade indicando redução do sinal de vibração das

polias e correias.........................................................................................................38

Figura 30 – Gráfico de tendência em velocidade (mm/s)...........................................39

Figura 31 – Espectro em velocidade (a) antes do alinhamento; (b) após

alinhamento................................................................................................................40

Figura 32 – Espectro de vibração em velocidade do acoplamento excêntrico..........41

Figura 33 – Gráfico de tendência do alinhamento......................................................41

Figura 34 – Espectro em velocidade do rotor sem desbalanceamento.....................42

Figura 35 – Espectro em velocidade do rotor desbalanceado...................................43

Figura 36 – Espectro de vibração do mancal com folga de base...............................44

Figura 37 – Espectro de vibração do mancal após ajuste de folga............................44

Figura 38 – Gráfico de tendência do valor global de vibração...................................45

vii

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Especificações do acelerômetro…………………………………………….19

Tabela 2 Especificações do coletor e analisador de vibrações……………………….20

Tabela 3 – Severidade de vibração em velocidade…………………………………….29

viii

Sumário

Dedicatória....................................................................................................... i

Agradecimentos .............................................................................................. ii

Resumo ......................................................................................................... iii

Abstract.......................................................................................................... iv

Lista de Ilustrações ......................................................................................... v

Lista de Tabelas ........................................................................................... vii

Sumário ........................................................................................................viii

1 Introdução .................................................................................................... 1

1.1 Objetivo geral ........................................................................................ 1

1.2 Objetivo específico ................................................................................ 1

2 Revisão Bibliográfica ................................................................................... 2

2.1 Manutenção Preditiva............................................................................ 2

2.2 Transformada Rápida de Fourier (FFT) ................................................ 3

2.3 Sinal no Tempo e na Frequência .......................................................... 4

2.3.1 Domínio do Tempo ......................................................................... 4

2.3.2 Domínio da Frequência .................................................................. 5

2.4 Fase e Magnitude ................................................................................. 5

2.5 Analisador de Espectro ......................................................................... 6

2.6 Modulação de Sinais ............................................................................. 7

2.6.1 Modulação de Amplitude (AM) ....................................................... 7

2.6.2 Modulação de Frequência (FM) ...................................................... 8

2.7 Análise de Falha em Máquinas Rotativas ............................................. 9

2.7.1 Análise de Engrenagem ............................................................... 10

2.7.2 Análise de Rolamento ................................................................... 10

2.7.3 Desbalanceamento ....................................................................... 12

2.7.4 Desalinhamento ............................................................................ 12

ix

2.7.5 Transmissão por Correia .................................................................. 13

2.7.6 Folga Mecânica ............................................................................ 14

3 Desenvolvimento ....................................................................................... 16

3.1 Acionamento da bancada .................................................................... 17

3.2 Aquisição de dados ............................................................................. 18

3.2.1 Acelerômetro ................................................................................ 18

3.2.2 Coletor e analisador de vibração .................................................. 20

3.3 Software de análise ............................................................................. 21

3.4 Ensaios de bancada ............................................................................ 22

3.4.1 Rolamentos .................................................................................. 24

3.4.2 Alinhamento motor-eixo ................................................................ 25

3.4.3 Alinhamento de polias .................................................................. 26

3.4.4 Ajuste de folgas ............................................................................ 27

3.4.5 Ajuste de tensionamento das correias .......................................... 27

3.4.6 Redutor de Velocidades ............................................................... 27

3.4.7 Simulação de desbalanceamento ................................................. 27

4 Resultados e Discussões........................................................................... 29

4.1 Análise de Rolamentos ....................................................................... 30

4.2 Análise de Engrenagens (redutor de velocidades) .............................. 34

4.3 Polias e correias .................................................................................. 37

4.4 Alinhamento ........................................................................................ 39

4.5 Desbalanceamento ............................................................................. 42

4.6 Folgas ................................................................................................. 43

5 Conclusões ................................................................................................ 46

6 Referências ................................................................................................ 48

1

1 Introdução

Para que os diversos setores industriais consigam acompanhar o mercado

mundial de forma competitiva é necessário que se mostrem mais eficientes, fazendo

o uso de tecnologias mais modernas e eficazes capazes de aumentar sua produção,

qualidade e também reduzam os custos, oferecendo assim produtos e serviços que

atendam às diversas exigências dos consumidores, elevando a sua participação de

mercado (MISES, 2009).

Dentre as diversas tecnologias de diagnóstico, a análise de vibração tem um

papel importante na identificação de sintomas que levam a defeitos e falhas, tal

tecnologia permite a previsão futura de uma provável parada da máquina devido à

impossibilidade de operar com as especificações desejadas. A análise de vibração

pode oferecer muitas vantagens para os setores industriais, dentre as quais é

possível citar a redução de falhas, redução de custos, aumento da vida útil das

maquinas, entre muitos outros.

Com base nestas ideias, a motivação deste trabalho é estudar os resultados

obtidos na análise da bancada experimental e compará-los com o que se encontra

na literatura, demonstrando na prática que os defeitos mais comuns observados nas

máquinas rotativas apresentam uma assinatura vibratória característica, tornando-os

mais fáceis de serem diagnosticados e resolvidos, quando interpretados

corretamente.

1.1 Objetivo geral

Elaborar uma bancada didática dispondo de diferentes elementos

mecânicos, com a finalidade de realizar testes de coleta e análise de vibrações,

simulação de defeitos, bem como a elaboração de diagnósticos e prognósticos.

1.2 Objetivo específico

Elaborar de forma clara e objetiva, a partir dos testes e das análises de

vibração, um guia teórico e prático para detecção e correção de defeitos, indicando

as características de cada um e as respectivas medidas a serem tomadas para a

correção.

2

2 Revisão Bibliográfica

2.1 Manutenção Preditiva

Empresas de todo o mundo estão sempre buscando maneiras de reduzir

custos de operação e melhorar a produtividade de seus equipamentos, para que

isso aconteça, é necessário fazer uma boa gestão das máquinas e adotar a

manutenção que traga os melhores resultados.

A manutenção preditiva consiste em realizar o acompanhamento das

variáveis ou parâmetros que indicam a condição dos equipamentos, de maneira

sistemática e utilizando instrumentação adequada, com objetivo de definir de

maneira precisa o momento certo de intervir na máquina (SILVA, 2012). Logo, é

possível predizer a ocorrência futura de uma determinada falha, determinar

antecipadamente a necessidade de substituição de peças, diminuindo assim o

tempo de máquina parada e consequentemente aumentar a disponibilidade dos

equipamentos, que é o maior objetivo da manutenção em si.

A prática de manutenção preditiva reduzirá significativamente as ocorrências

de manutenções corretivas, que normalmente, ocorrem quando o equipamento falha

de maneira aleatória. A seguir estão listados alguns dos principais benefícios da

manutenção preditiva para a indústria de modo geral.

Aumento da segurança operacional e disponibilidade dos equipamentos,

diminuindo riscos de acidentes e paradas inesperadas.

Diminuição do custo e do prazo de paradas, uma vez que há o conhecimento

antecipado do defeito a ser corrigido.

Redução de danos em partes secundárias causados por quebra de

equipamentos em operação.

Tendo em vista que, a manutenção preditiva necessita de um investimento

inicial relativamente elevado, o que pode levar a conclusão de que é uma prática

que não oferece compensação, estudos detalhados mostram que aquelas indústrias

que fazem uso de tal prática obtêm resultados muito satifatórios, sendo hoje

3

considerada a principal forma de levantamento de dados e parâmetros para a

prevenção e correção de falhas nos equipamentos.

2.2 Transformada Rápida de Fourier (FFT)

A Transformada Rápida de Fourier (FFT) é um algoritmo bastante eficiente

para calcular a Transformada Discreta de Fourier (DFT), sendo de grande

importância para diversas operações como, por exemplo, o processamento digital de

sinais. Fazendo uso da periodicidade de senos, é possível reduzir significativamente

a quantidade de cálculos necessários para realizar a DFT. De maneira simplificada,

o funcionamento da FFT se dá através da divisão das informações da série a ser

transformada em séries cada vez menores, e estas em outras menores a serem

transformadas. Por fim, todas as pequenas divisões são combinadas de tal maneira,

terminando com a DFT de cada uma delas. A função abaixo demonstra a FFT a

partir da DFT:

𝐹𝑛 = ∑ 𝑓𝑘 𝑒−𝑖2𝜋𝑛𝑘𝑁

𝑁−1

𝑘=0

= ∑ 𝑓𝑘𝑊𝑘𝑛

𝑁−1

𝑘=0

, 𝑛 = 0, … , 𝑁 − 1

Reduzindo o número de cálculos necessários de 2N² para N.

Na prática a FFT converte uma função que está no domínio do tempo para o

domínio da frequência, separando os harmônicos presentes no sinal, dessa forma é

possível detectar as respectivas frequências e amplitudes desses harmônicos bem

como a frequência dominante, SPAMMER (2009).

Com essas informações é possível utilizar a FFT para capturar anomalias

nos sinais no domínio da frequência que facilmente passariam despercebidos nos

sinais no domínio do tempo, sendo de grande utilidade na prática de análise

vibratória de máquinas rotativas.

4

2.3 Sinal no Tempo e na Frequência

2.3.1 Domínio do Tempo

Os sinais que são definidos para todos os instantes de tempo são chamados

de sinais de tempo contínuo, no entanto, aqueles sinais definidos apenas em alguns

instantes são chamados de sinais de tempo discreto (HIGUTI e KITANO, 2003). O

sinal senoidal apresentado na Figura 1(a) é o sinal de tempo contínuo, e o sinal da

Figura 1(b) é um sinal de tempo discreto, visto que estão definidos apenas para

alguns instante de tempo, podendo este sinal ser obtido por meio da amostragem do

sinal de tempo contínuo.

Figura 1 – Classe de sinais. (a) Sinal de tempo contínuo. (b) Sinal de tempo

discreto.

Fonte: Higuti e Kitano (2003) e editada pelo autor.

É possível representar matematicamente um sinal através de uma função de

uma ou múltiplas variáveis. Para o sinal no tempo contínuo utiliza-se a variável

independente que representa o tempo, t, entre parênteses como, por exemplo, y(t).

Quanto ao sinal de tempo discreto, comumente a variável independente é indicada

por n ou k, entre colchetes, como por exemplo, y[n] ou y[k], onde n e k são números

inteiros.

5

2.3.2 Domínio da Frequência

O domínio da frequência determina a análise das funções matemáticas em

relação à frequência, contrastando com a análise no domínio do tempo. A resposta

em frequência é o resultado da resposta do sistema em estado estacionário, ou em

regime permanente, podendo, na prática, ser aplicada a qualquer tipo de sinal,

inclusive os não periódicos.

2.4 Fase e Magnitude

Sinais como ondas sonoras e ondas eletromagnéticas são sempre descritos

no domínio da frequência como uma função complexa, composta de parte real e

parte imaginária. De forma simples, isso pode ser interpretado da seguinte maneira:

a amplitude da onda, em determinada frequência, é representada pela magnitude do

número complexo correspondente, e a fase do sinal é dado pelo ângulo em relação

ao eixo real. A Figura 2 a seguir mostra de forma esquematizada essa relação.

Figura 2 – Representação de número complexo no eixo real e imaginário

Fonte: Elaborada pelo autor.

Onde a amplitude é dada por:

𝑧 = √𝑥² + 𝑦² (1)

6

Enquanto a fase corresponde a:

𝛼 = tan−1 𝑦

𝑥 (2)

2.5 Analisador de Espectro

O analisador de espectro é, basicamente, um aparelho que recebe um sinal

no tempo, e por meio da FFT, disponibiliza ao usuário informações da frequência. É

bastante utilizado na física e engenharia, sendo o aparelho responsável por efetuar

o registro das vibrações das estruturas por meio de sensores ou captadores

colocados em pontos estratégicos das máquinas. Esses sensores transformam a

energia mecânica de vibração em sinais elétricos. Esses sinais elétricos são, a

seguir, encaminhados para os aparelhos registradores de vibrações ou para os

aparelhos analisadores de vibrações, como também são chamados.

Em seguida, os dados coletados no analisador podem ser interpretados por

especialistas, obtendo-se um diagnóstico complete da máquina, seja ela velha ou

nova. Os níveis de vibrações podem ser representados de diversas maneiras, sendo

a representação espectral a mais utilizada, em que a amplitude da vibração está

diretamente relacionada com a frequência.

Abaixo a Figura. 3 ilustra como o sinal obtido pelo analisador de espectro é

obtido no domínio do tempo e transformado para o domínio da frequência, para que

posteriormente possa ser interpretado.

7

Figura 3 – Conversão de sinal no domínio no tempo para domínio da

frequência utilizando FFT.

Fonte: NTiAudio (2017)

2.6 Modulação de Sinais

É importante conhecer alguns fundamentos de modulação para poder

identificar de forma correta os sinais de excitação obtidos durante as análises.

A partir do momento que um sinal é captado pelo sensor e transferido para o

aparelho analisador, comumente vem misturado com outros sinais ou está

modificado por algum processo de modulação. É necessário escolher a maneira

adequada de separá-los para que sejam associados às causas que o geram. Os

sinais dinâmicos simplesmente se misturam, porém são facilmente separados

através do processo de FFT. O processo de dados de vibração favorece a

sobreposição dos sinais, surgindo formas diferentes de modulação. Neste trabalho

trataremos da Modulação de Amplitude (AM) e Modulação de Frequência (FM).

2.6.1 Modulação de Amplitude (AM)

A modulação AM consiste na utilização de uma onda de alta frequência,

chamada de portadora, e uma onda de baixa frequência, chamada de modulador,

que representa o sinal que se deseja transmitir. Na prática, a modulação AM associa

8

os dois sinais por um processo de soma, o resultado é uma onda com a mesma

frequência da onda portadora, porém a amplitude varia de acordo com a amplitude

da onda a ser transmitida, gerando um sinal modulado.

Figura 4 – Representação de sinal modulado em amplitude.

Fonte: SENAI CIMATEC, 2003

2.6.2 Modulação de Frequência (FM)

Neste caso, também existe a onda portadora de alta frequência e o sinal

modulador que se deseja transmitir, sendo o resultado é um sinal modulado de

amplitude idêntica a da onda portadora e frequência variável de acordo com o sinal

modulador. O espectro FM possui algumas características particulares:

Infinitas bandas laterais que variam em torno da frequência portadora,

indicando maior severidade do defeito

A análise se torna mais difícil devido a modulação FM não ser linear;

Dependendo do valor do índice de modulação, a portadora pode ter amplitude

nula.

9

Figura 5 – Representação de sinal modulado em frequência.

Fonte: SENAI CIMATEC, 2003

Sendo (a) onda portadora; (b) onda moduladora e (c) o sinal modulado.

2.7 Análise de Falha em Máquinas Rotativas

As máquinas são compostas de elementos mecânicos variados. As peças

que sofrem excitação podem vibrar de tal maneira, que transmitem essa vibração às

demais peças as quais estejam acopladas, o resultado disso é um complexo de

frequências que caracterizam o sistema.

Toda máquina rotativa possui o que é chamado de assinatura vibracional,

que consiste na vibração produzida quando a mesma opera em condições normais e

não emitem sinais de defeitos, esse tipo de informação é importante para que se

possa fazer um comparativo entre as condições em que a máquina está boa e as

condições em que a máquina apresenta falhas em desenvolvimento. Sempre que

alguma parte constituinte do sistema mecânico sofre alteração devido ao desgaste,

trinca, folga ou outro defeito, ocasionará a alteração ou o surgimento de novas

10

frequências. Segundo Marçal (2000), cada tipo de falha mecânica de uma máquina

em operação produz uma resposta em frequência específica, que nas condições

normais de funcionamento, alcança uma amplitude máxima que dependerá de quão

grave é a falha.

2.7.1 Análise de Engrenagem

Engrenagens são parte constituinte de um grande número de mecanismos,

máquinas e equipamentos que possuem a finalidade de transmitir movimento e

potência entre esses mecanismos. Tratando-se da análise de vibração em

engrenagens, dependerá de alguns fatores divididos em três áreas que afetam de

forma diferente os sinais observados nos sistemas de engrenagem (SENAI

CIMATEC, 2003), essas áreas são:

Projeto: Abrange geometria, tipo de engrenagem, materiais utilizados, carga

unitária, entre outros;

Fabricação: Envolve a qualidade do elemento, acabamento superficial,

desbalanceamento residual, alinhamento, entre outros;

Operação: Diz respeito às condições de operação, rotação, lubrificação,

modo de montagem, ressonância natural, entre outros.

Neste tipo de análise, a manutenção preditiva visa detectar os defeitos mais

comuns em engrenagens e seus sistemas, que são:

Desbalanceamento;

Desalinhamento;

Dentes danificados;

Turbulência no filme de lubrificante

Mudança de torque;

Problema de transmissão.

2.7.2 Análise de Rolamento

A análise das irregularidades nos rolamentos pode ser efetuada através da

medição de vibrações de um equipamento em operação, utilizando o analisador de

espectro, para medir a magnitude da vibração, no qual os resultados obtidos

determinam as causas dos defeitos.

11

Estes defeitos estão diretamente relacionados com o desgaste dos

componentes constituites do elemento. As vibrações são oriundas da passagem dos

elementos rolantes sobre tais irregularidades, que causam choques cuja amplitude

depende do estado do rolamento, e estão tipicamente entre 1 kHz e 20 kHz (SENAI

CIMATEC, 2003). As respostas vibratórias possuem pequenos níveis absolutos, mas

apresentam grande quantidade de energia, logo é recomendável acompanhar a

evolução espectral dos rolamentos utilizando medições em aceleração,

preferencialmente. Os defeitos mais comuns em rolamentos são devidos as

seguintes causas:

Sobrecarga

Lubrificação deficiente

Presença de particulados no lubrificante

Rolamento inadequado para função

Fadiga do material

Desbalanceamento

Variações bruscas de temperatura

Quando os rolamentos apresentam defeitos, geram sinais de vibração bem

característicos, tanto em aspecto como em frequência. Tendo conhecimento da

velocidade de rotação do eixo e as dimensões das partes constituintes, é possível

obter facilmente as frequências fundamentais dos elementos rolantes, pista interna,

gaiola e pista externa. As respectivas equações são demonstradas abaixo.

𝑓𝑏𝑎𝑙𝑙 = 𝑑

2𝐷𝑓0 (1 − (

𝑑

𝐷)

2

𝑐𝑜𝑠²𝛽) Frequência do elemento rolante (BSF);

𝑓𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 = 𝑁𝑓0

2(1 +

𝑑

𝐷𝑐𝑜𝑠𝛽)Frequência da pista interna (BPFI);

𝑓𝑔𝑎𝑖𝑜𝑙𝑎 = 𝑓0

2(1 −

𝑑

𝐷𝑐𝑜𝑠𝛽) Frequência da gaiola (FTF);

𝑓𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 = 𝑁𝑓0

2(1 −

𝑑

𝐷𝑐𝑜𝑠𝛽) Frequência da pista externa (BPFO);

Sendo:

d = diâmetro do elemento rolante (mm);

D = diâmetro primitivo do rolamento (mm);

12

N = número de elementos rolantes;

β = ângulo de contato do rolamento;

𝑓0 = frequência de rotação do eixo (Hz).

2.7.3 Desbalanceamento

É definido como uma distribuição não uniforme de massa em torno da linha

de centro da máquina rotativa que resulta em uma força centrífuga. Este defeito

apresenta elevados níveis de amplitude de vibração em 1x a rotação da máquina

desbalanceada, sendo assim, um defeito bastante destrutivo devido à grande

quantidade de energia que aumenta com o quadrado da rotação da máquina.

Devido às pequenas imperfeições nos processos de fabricação, montagem,

não homogeneidade do material e outros fatores, é normal que exista um

desbalanceamento residual em cada máquina que dificilmente será totalmente

eliminado, no entanto, é importante que este residual se encontre em níveis

aceitáveis pela norma ISO 20816-1 para que se possa garantir o funcionamento

adequado da máquina.

2.7.4 Desalinhamento

Cada máquina possui uma linha de centro a qual fica posicionada no centro

do eixo. O desalinhamento, problema tridimensional, ocorre quando não há o

alinhamento entre a linha de centro da máquina motora e a linha da máquina

movida, provocando forças de reações nos mancais de rolamentos e acoplamentos,

HATCH & FAHY [199-]. PodeM ocorrer de três formas: paralelo, angular e

combinado.

13

Figura 6 – Tipos de desalinhamento. (a) paralelo, (b) angular, (c) combinado.

Fonte: SENAI CIMATEC, 2003. Editada pelo autor.

O tipo de desalinhamento mais encontrado em máquinas rotativas é o

combinado, visto que existem fatores diversos que influenciam para o surgimento

desse problema, como por exemplo:

Mudanças de temperatura: máquinas de grande porte levam horas para

atingir a temperatura de operação, ou temperatura ambiente em caso de

desligamento. Esse fator influencia na dilatação térmica, ou seja, caso uma

máquina tenha sido alinhada a frio ela poderá atingir valores de

desalinhamento fora da tolerância quando atingir a temperatura de operação.

Fundação: pode causar mudanças na posição das máquinas ao longo do

tempo, é ideal que as máquinas estejam posicionadas sobre uma base

inercial bastante rígida.

Ancoragem: deterioração do material, por ação química ou eletroquímica,

aliado aos esforços mecânicos.

O desalinhamento provoca altas amplitudes de vibração, podendo ser

notado nos sentidos radial e axial, sendo responsável por falhas destrutivas em

rolamentos, acoplamentos, eixos e rotores.

2.7.5 Transmissão por Correia

Neste tipo de transmissão é possível identificar diferentes defeitos que

podem estar associados à condição da correia ou polias.

Correia gasta ou folgada: Quando a correia se encontra folgada ocorrerá

deficiência na transmissão da rotação, provocando deslizamento relativo entre

correia e polias, causando aquecimento e consequentemente desgaste do

componente.

14

Polia excêntrica: É um defeito semelhante ao desbalanceamento, porém o

sinal de excentricidade se manifestará em 1x a rotação da polia excêntrica, sendo

mais evidente no mancal mais próximo ao defeito.

Ressonância de correia: Pode causar grandes amplitudes se a frequência

natural da correia se aproximar ou igualar a frequência da polia motora ou movida. A

frequência natural da correia pode ser alterada pela tensão ou comprimento da

correia e pode ser detectada soltando a correia e observando a resposta, ou por

meio de cálculos.

Desalinhamento de polias: O desalinhamento entre polias produz grandes

vibrações em 1x rpm da polia motora ou movida e predominantemente na direção

axial. O aparecimento das frequências das polias motora ou movida dependerá do

ponto em que as medições forem tomadas. Após o alinhamento é comum que o

sinal de rotação do eixo acionador predomine no espectro.

2.7.6 Folga Mecânica

Folgas mecânicas consistem na ausência ou deficiência de rigidez do

equipamento e aparecem quando existem trincas, parafusos soltos, desgastes, entre

outros motivos.

É importante destacar que folgas não são forças de excitação, a vibração

excessiva pode existir devido a uma folga, mas, a folga não é a verdadeira causa da

vibração. Alguma força de excitação causada por um desbalanceamento ou

desalinhamento, por exemplo, poderá estar presente causando a vibração no

sistema.

15

Figura 7 – Desbalanceamento causando excitação excessiva devido presença de folga

Fonte: SENAI CIMATEC, 2003. Editada pelo autor

16

3 Desenvolvimento

Com apoio do professor orientador e do Laboratório de Manufatura, foi

desenvolvida a bancada didática utilizada neste trabalho que se encontra disponível

no Grupo de Estudos de Tribologia e Integridade Estrutural da UFRN. A Figura 8

apresenta a bancada que foi desenvolvida com a finalidade de estudar o

comportamento dinâmico dos equipamentos e componentes mecânicos nela

presentes, simular defeitos e suas respectivas correções. A mesma será

posteriormente utilizada no ensino da disciplina de Vibrações Mecânicas com a

finalidade de apresentar aos alunos um pouco sobre a dinâmica das máquinas

rotativas e seus componentes, bem como sevir como ferramenta prática no

aprendizado sobre coleta e análise de vibrações e elementos de máquinas.

Figura 8 – Bancada experimental

Fonte: Elaborada pelo autor

17

Todos os elementos destacados na bancada experimental estão descritos

abaixo:

1. Motor elétrico WEG 5 CV.

2. Redutor de velocidades de engrenagens cônicas helicoidais.

3. Polia motora, 95 mm.

4. Polia movida, 65 mm.

5. Mancais de rolamento SN 505 (rolamento 1205 EKTN9/C3)

6. Rotor.

Como elementos de transmissão tem-se o acoplamento flexível tipo garra e

as correias lisas com perfil trapezoidal, especificação 3L 280.

3.1 Acionamento da bancada

O motor de indução é acionado por meio de um inversor de frequência que

permite controlar a frequência de rotação e mantê-la constante durante todo o

ensaio, além de atuar como rampa de aceleração no momento da partida, reduzindo

o desgaste dos componentes. A Figura 9 apresenta o inversor de frequência

utilizado no controle e acionamento do motor.

Figura 9 – Inversor de frequência WEG CFW08

18

3.2 Aquisição de dados

Conhecidos todos os equipamentos e componentes mecânicos da bancada

e o sistema de acionamento da mesma, é necessário descrever os itens que

compõem a instrumentação utilizada na aquisição de dados, junto ao software de

análise que será utilizado.

3.2.1 Acelerômetro

O tipo piezoelétrico é o mais utilizado para aplicações em análise de

vibrações. É composto por uma cerâmica ferroelétrica polarizada artificialmente que

utiliza a vibração para gerar uma tensão elétrica proporcional à aceleração do

movimento vibratório. A piezoeletricidade é conhecida como a capacidade, que

alguns cristais apresentam, de gerar energia elétrica quando são submetidas a uma

força mecânica, como a vibração ou agitação, por exemplo. Além de obter sinais de

aceleração, também é possível obter parâmetros de deslocamento e velocidade do

sinal. A Figura 10 apresenta o modelo de acelerômetro utilizado.

Figura 10 – Acelerômetro piezoelétrico utilizado para coleta

Fonte: Catálogo RONDS

19

A Tabela 1 traz as especificações do acelerômetro utilizado na aquisição dos

dados.

Tabela 1 – Especificações do acelerômetro.

Fonte: Catálogo RONDS

Os dados de vibração foram coletados nos mancais dos equipamentos, nas

direções horizontal, vertical e axial. Os dados foram coletados nos parâmetros

velocidade (mm/s - rms) e aceleração (g – pico e g – pico a pico). A Figura 11

apresenta uma ilustração das direções de medição de vibração em um mancal.

Figura 11 - Direções de medição de vibração em um mancal de rolamento.


Ítem Especificação

Modelo RH 103

Tecnologia Piezoelétrico

Fabricante Rozh

Escala de frequência 0,5 até 12 kHz

Sensibilidade 100 mVg

Tensão 12V DC

Peso 81g

20

3.2.2 Coletor e analisador de vibração

Este equipamento tem como principais funções receber, processar e

armazenar os sinais de vibração obtidos pelo acelerômetro e transformá-los em

espectros e formas de ondas que serão posteriormente transferidos para um

software de análise e monitoramento específico. A Figura 12 apresenta o modelo de

coletor utilizado.

Figura 12 – Coletor e analisador de vibrações ROZH 802

Fonte: Rozh

As especificações do coletor de vibrações são mostradas na Tabela 2.

Tabela 2 - Especificações do coletor e analisador de vibrações

Ítem Especificação

Modelo Rozh 802

Canais Canal 1: vibração (ICP acelerômetro), tensão (± 21 V AC ou DC) Canal 2: vibração (ICP acelerômetro), tensão (± 21 V AC ou DC),

Tacho canal

Transdutor Acelerômetro, velocidade, deslocamento, tensão transdutor

Análise de frequência máxima

40 kHz (Dual Channel máxima: 20 kHz)

Médias 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128

Linhas 400, 800, 1600, 3200, 6400, 12800

Comunicação USB 2.0

Fonte: Rozh e elaborada pelo autor

21

3.3 Software de análise

Neste trabalho foi utilizado o software MRS3000 que é vinculado ao modelo

do coletor de vibrações Rozh. A Figura 13 apresenta a interface de abertura do

programa.

Figura 13 – Interface inicial do software MRS3000


Inicialmente é necessário que o usuário crie um banco de dados com nome

e informações que o identifiquem.

Na área de trabalho apresentada na Figura 14, foi criada a árvore de

máquinas da bancada que é composta por motor elétrico, dois mancais e uma caixa

de redução, este último foi dividido em ponto de entrada e ponto de saída para

facilitar a análise. Por fim, em cada máquina foram configurados pontos de coleta

nas três direções, horizontal, vertical e axial, e nos parâmetros de deslocamento,

velocidade e aceleração. O passo-a-passo detalhado para configuração completa do

banco de dados esta disponível no manual de usuário do ROZH MRS3000.

22

Figura 14 – Interface de trabalho do MRS3000


Após finalizar configuração, o banco de dados é transferido para o coletor e

está pronto para realizar a aquisição dos dados de vibração.

Ao fim da aquisição, os dados coletados são transferidos do coletor para o

software e analisados por meio de espectros, formas de onda e outras técnicas que

serão detalhadas neste trabalho.

3.4 Ensaios de bancada

Os ensaios de bancada foram divididos em duas partes. Primeiro foram

coletados dados de vibração no motor, nos mancais e na caixa de redução com a

finalidade de mapear as frequências características do sistema associadas aos

diversos componentes mecânicos e os defeitos nela existentes, as quais foram

distinguidas entre si no espectro por meio de cálculos matemáticos. Fazendo uso do

inversor de frequência, observou-se que em torno de 28 Hz a bancada apresentou

sinal de vibração bastante acima do comum. Abaixo estão listadas as frequências

mapeadas na bancada.

23

1. Motor/eixo: 58,33 Hz

2. Polia motora: 58,33 Hz

3. Polia movida: 84,60 Hz

4. Engrenagem motora (entrada do redutor, 30 dentes): 84,60 Hz

5. Engrenagem movida (saída do redutor, 13 dentes): 194,3 Hz

6. Engrenamento (GMF): 2500 Hz

Nesse primeiro instante também foi possível obter o escorregamento do

motor elétrico, que é obtido calculando-se a diferentre a frequência de rotação

configurada no inversor de frequência e a rotação nominal especificada pelo

fabricante, logo:

58,125 Hz x 60 seg = 3487,5 RPM é a rotação que sai do motor.

Sendo 3500 a rotação nominal especificada pelo fabricante, tem-se que:

3500 RPM – 3487,5 RPM = 12,5 RPM ou 0,21 Hz de escorregamento do motor. Isso

ocorre devido a diferença de velocidade entre o rotor e o campo de indução girante.

Por meio de cálculos, conhecendo dados do elemento, é possível também

calcular a frequência das correias (Fc), de acordo com a sequinte equação:

Fc = 𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑎 𝑥 𝐹𝑟𝑒𝑞𝑢ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑥 𝜋

𝑁 𝑥 𝐿

Em que N representa a quantidade de correias e L representa o

comprimento da correia.

Resolvendo a equação:

Fc = 95𝑥58,33𝑥𝜋

2𝑥280 = 31,1 Hz

No segundo momento, conhecendo as frequências características dos

componentes é possível determinar com exatidão que tipos de defeitos estão

presentes no conjunto e realizar as devidas correções com o intuito de deixar a

bancada numa condição ajustada, ou seja, em condições normais com a menor

presença possível de defeitos. Nesta análise foram detectados os seguintes defeitos

a serem corrigidos.

24

1. Desalinhamento entre eixo e motor (angular e paralelo)

2. Desalinhamento de polias

3. Deficiência de fixação nas bases (folga)

4. Correia folgada

5. Defeito nos rolamentos dos mancais

6. Defeito nas engrenagens do redutor de velocidades

Conhecendo os defeitos existentes na bancada, é hora de efetuar as

devidas correções para que a bancada fique em condição ajustada.

3.4.1 Rolamentos

Como descrito anteriormente, os mancais que apoiam o eixo apresentam

rolamentos autocompensadores de duas carreiras de esferas com furo cônico,

especificação 1205 EKTN9/C3. A fixação do componente ao eixo se dá por meio de

uma bucha lisa cônica com rosca e arruela de trava. Devido à indisponibilidade de

um componente novo para substituição, foi realizada uma desmontagem para

retirada de sujeira e graxa envelhecida, depois de limpo o componente foi

relubrificado e remontado na extremidade do eixo para que o mesmo não opere em

balanço.

Figura 15 - Rolamento 1205 EKTN9/C3 com bucha e arruela de trava

Fonte: Catálogo SKF.

25

3.4.2 Alinhamento motor-eixo

Esse procedimento, como o próprio nome diz, consiste em efetuar o

alinhamento entre o motor e o eixo. O instrumento utilizado nessa operação é o

alinhador a laser da FixturLaser. A Figura 16 apresenta a evidência do alinhamento

a laser realizado na bancada, a correção do desalinhamento consiste em deslocar o

motor na base, inserindo ou removendo calços, até que o instrumento indique

valores aceitáveis que são definidos pelo próprio instrumento de acordo com as

informações inseridas nas configurações, tai como rotação, distãncia sentre sensors,

e distância entre os pés do motor. Neste procedimento não foi possível remover

nenhum calço, visto que não existia nenhum, a correção ficou limitada aos

movimentos laterais do motor.

Figura 16 – Evidência do procedimento de alinhamento.


A Figura 17 apresenta o resultado do procedimento de alinhamento, devido

limitações na movimentação do motor sobre a bancada não foi possível obter

valores ideais de alinhamento, fato este que também é prejudicado devido à

excentricidade do acoplamento, porém foi possível obter melhora em relação ao

estado inicial.

26

Figura 17 – Resultado do alinhamento do conjunto motor/eixo.


3.4.3 Alinhamento de polias

Aqui é utilizado o alinhador de polias modelo 7420-1000 da EZ ALIGN. A

Figura 18 apresenta a evidência do alinhamento de polias realizado na bancada nos

instantes antes e depois do procedimento, respectivamente. O procedimento

consiste em fixar uma base em cada polia e mover o redutor sobre os trilhos até que

a linha do laser formado na base coincida com o gabarito, ou seja, centralizado e

alinhado.

Figura 18 – Da esquerda para direita: Imagens antes e depois do alinhamento de

polias


27

3.4.4 Ajuste de folgas

Corrigir a deficiência de fixação dos elementos parafusados à base inercial

consiste em eliminar as folgas existentes nas bases dos suportes, simplesmente

realizando o aperto dos parafusos de fixação, neste caso, a limitação encontrada foi

a respeito da base que não oferece condições para que os parafusos fiquem

rigidamente fixados, havendo sempre a existência de folgas residuais.

3.4.5 Ajuste de tensionamento das correias

Correias de perfil liso realizam a transmissão de movimento por meio de

atrito, logo, é necessário que exista um tensionamento adequado para que a mesma

não opere folgada ou excessivamente tensionada. Na primeira situação, folgada, a

correia irá deslizar sobre as polias causando deficiência de transmissão e desgaste

prematuro. Na segunda situação, o tensionamento excessivo reduzirá a vida útil da

correia e dos rolamentos dos eixos das polias.

3.4.6 Redutor de Velocidades

O redutor de velocidades utilizado na bancada experimental é composto por

um trem com duas engrenagens cônicas helicoidais. A engrenagem de entrada

possui 30 dentes e a engrenagem de saída possui 13 dentes. Para funcionar de fato

como um redutor de velocidades a entrada deveria estar posicionada no eixo da

engrenagem de 13 dentes, no entando, devido questões de espaço e acomodação

da caixa na bancada ela foi montada de forma invertida, porém isso não é um

problema para a análise tendo em vista o objetivo inicialmente estabelecido. Não

foram realizadas modificações internas no redutor para evitar o comprometimento

das engrenagens, ficando limitado apenas à coleta e análise da condição destes

componentes.

3.4.7 Simulação de desbalanceamento

Com objetivo de demonstrar qual o comportamento de uma máquina na

presença do desbalanceamento, foi utilizado uma massa de aproximadamente 15

28

gramas parafusado ao rotor apresentado na Figura 19 para simulação do defeito. A

massa de desbalanceamento foi colocada a uma distância de aproximadamente 5

centímetros do centro.

Figura 19 – Rotor com massa de desbalanceamento


29

4 Resultados e Discussões

Neste tópico serão apresentados e discutidos os resultados obtidos nos

teste realizados na bancada experimental, demonstrando de forma clara e objetiva

como analisar os gráficos e efetuar um diagnóstico preciso da condição do

equipamento inspecionado.

Em teoria, utiliza-se a norma ISO 20816-1:2016: Vibração mecânica –

Medição e avaliação da vibração da máquina – Parte 1: Diretrizes gerais, que

estabelece condições e procedimentos gerais para a medição e avaliação de

vibração em máquinas rotativas. Na Seção 6 encontra-se a Tabela 3 que apresenta

valores de referência para vibração em velocidade, classificando as máquinas em

diferentes níveis de condição: Bom, satisfatório, insatisfatório e inaceitável, e seus

respectivos limites variam de acordo com a classe da máquina analisada. Neste

trabalho a máquina rotativa utilizada encontra-se inserida na Classe 1 – pequenas

máquinas, são estas máquinas de até 15 kW de potência (20 CV).

Tabela 3 – Severidade de vibração em velocidade

Fonte: ISO 20816-1:2016

Por outro lado, é importante ressaltar que, na prática, a norma não pode ser

utilizada como uma verdade absoluta, servindo apenas como uma orientação, uma

30

vez que, os níveis de vibração das máquinas variam de acordo com as condições de

operação e processo as quais estão submetidas, ou seja, uma máquina que seja

analisada de acordo com a norma encontre-se numa condição insatisfatória pode na

realidade ser considerada em condição boa ou satisfatória, dependendo das

condições citadas anteriormente. Logo, a análise de vibração de máquinas requer

conhecimendo e um olhar mais crítico por parte do analista, além de um bom

conhecimento a respeito da máquina e seus componentes mecânicos

4.1 Análise de Rolamentos

Rolamentos são, sem dúvida, um dos principais componentes presentes em

qualquer sistema rotativo, são responsáveis por suportar as cargas e esforços

solicitados e ainda garantir a continuidade do funcionamento do sistema.

Rolamentos de esferas são muito comumente utilizados em máquinas com alta

rotação que necessitam de suportar elevadas cargas radiais, sendo na sua maioria

limitados à aplicação de cargas radiais.

Um rolamento que apresente um de seus componentes danificado (gaiola,

pista externa, pista interna ou elemento rolante), sempre indicará sinais de impacto,

pois, cada vez que um elemento passar passar pelo defeito ocorrerá um sinal de alta

frequência, devido à grande quantidade de energia contido no impacto em um curto

intervalo de tempo.

A Figura 20 apresenta a forma de onda, sinal no tempo, do mancal de

rolamento antes de se realizar o ajuste. É possível identificar uma modulação em

amplitude do sinal que indica impactos de alta frequência no elemento devido à

severidade dos defeitos presentes.

31

Figura 20 – Forma de onda do mancal de rolamento


As Figuras 21 e 22 a seguir apresentam os graficos da técnica chamada

envelope de demodulaçao, bastante útil na análise e identificação de defeitos em

rolamentos. O gráfico da Figura 21 apresenta o gráfico da técnica de envelope com

um filtro passa-banda entre as frequências de 800 até 2400 Hz sendo possível

identificar a repetição dos impactos no rolamento inspecionado com amplitudes de

0,20g, valor esse considerado elevado levando em consideração o tamanho do

rolamento. Observa-se os picos que indicam impacto no rolamentos, os mesmos

coincidem quase que perfeitamente com a frequência da gaiola (FTFI), isso significa

que o desgaste ou defeito está localizado na gaiola do rolamento.

A justificativa para a escolha da faixa de frequência selecionada é que a

maioria das frequências de rolamentos ficam situadas entre esses valores, nessa

faixa também é possível verificar deficiência de lubrificação, caso exista, que

caracteriza-se pelo descolamento das linhas do gráfico do eixo horizontal, formando

o que chama-se de carpete.

32

Figura 21 – Gráfico de envelope de demolução com sinal de impacto na

gaiola


O gráfico da Figura 22 apresenta o mesmo sinal apresentado na imagem

anterior, porém enfatizando a presença de bandas laterais na frequência de rotação

do rolamento, isso quer dizer que o defeito do componente está modulando, ou seja

variando, com a rotação do mesmo. Na imagem também é possível observar com

mais clareza a formação do carpete.

Figura 22 – Gráfico de envelope de demodulação com bandas laterais


Frequência de banda

lateral 59,3 Hz

33

Após realizar a correção do problema no rolamento e efetuar nova coleta de

vibração é possível verificar que o sinal de vibração apresentou grande redução em

relação ao valor inicial, resultando em amplitudes de 0,005g.

Figura 23 – Gráfico de envelope de demodulação após ajuste do rolamento


A redução do defeito se torna mais evidente no gráfico de tendência, que

apresenta o valor global obtido em cada inspeção. Observa-se uma redução de

2,78g para 0,98g, indicando que o rolamento passou de uma condição de alerta para

uma condição aceitável, de acordo com a norma ISO 20816-1.

34

Figura 24 – Gráfico de tendência em aceleração (g) do rolamento

inspecionado.


4.2 Análise de Engrenagens (redutor de velocidades)

Não foram realizadas mudanças internas no redutor de velocidades, sendo

assim, esta análise limita-se à interpretação dos gráficos obtidos na fase inicial

indicando que tipo de falhas foram detectadas.

A Figura 25 apresenta o gráfico da técnica de envelope de demodulação,

bastante útil também para análise de engrenagens, nele é possível visualizar com

clareza os impactos que ocorrem entre os dentes das engrenagens com amplitude

de 1,6g, valor elevado que indica folga excessiva entre os dentes, gerando impacto

em alta frequência sempre que um dente encontra o outro.

Antes = 2,8g

Depois = 0,98g

35

Figura 25 – Envelope de demodulação do redutor de velocidades


Os impactos tornam-se ainda mais evidentes analisando o sinal no tempo

em aceleração do redutor. É possível observar que existe a repetição dos impactos

que se destacam na imagem, o intervalo entre cada repetição coincide com a

frequência de rotação da engrenagem de entrada, 84 Hz. Este fato indica que a

engrenagem em questão apresenta-se em um estado mais avançado de desgaste.

Figura 26 – Sinal no tempo em aceleração do redutor de velocidades


Intervalo de repetição = 84 Hz.

36

A Figura 27(a) e 27(b) apresentam, respectivamente, os espectros em

aceleração dos pontos de entrada e saída do redutor de velocidades. Em ambas as

imagens, observa-se a frequência de engrenamento, GMF, com presença de bandas

laterais nas frequências de rotação das engrenagens de entrada e saída,

evidenciando a presença de folga excessiva entre os dentes das engrenagens.

Figura 27 – Espectros em aceleração dos pontos de (a) entrada e (b) saída

do redutor


GMF com banda lateral de 84 Hz

GMF com banda lateral de 193 Hz

(a)

(b)

37

4.3 Polias e correias

Nas polias houve redução significativa na excitação das frequências de

defeito após o ajuste do alinhamento e do tensionamento da correia. Neste caso, as

limitações existentes foram devido a baixa mobilidade da caixa de redução sobre a

bancada e a ausência de um tensor capaz de oferecer um melhor ajuste da tensão

das correias, fator este que também influenciaria no esforço imposto aos mancais de

rolamentos. Porém, foi possível obter redução significativa nos níveis de vibração.

Figura 28 – Espectros em velocidade indicando excitação das polias e

correias


Frequência da polia motora.

Amplitude = 3,4 mm/s

Frequência das correias.


Frequência da polia movida.


38

Após realizado o alinhamento das polias e efetuada nova coleta de dados,

observa-se significativa redução das amplitudes de vibração, como comentado

anteriormente. Neste caso o sistema saiu de uma condição insatisfatória para uma

condição considerada satisfatória, de acordo com a ISO 20816-1.

Figura 29 – Espectro em velocidade indicando redução do sinal de vibração

das polias e correias.


Frequência da polia motora.


Frequência da correia.


Frequência da polia movida.


39

O gráfico de tendência apresenta a redução do nível global de vibração em

velocidade medidos antes e depois de efetuados os ajustes citados anteriormente.

Figura 30 – Gráfico de tendência em velocidade (mm/s)


4.4 Alinhamento

De acordo com o que foi citado no desenvolvimento, a correção do

alinhamento entre o eixo e o motor ficou limitado devido à baixa mobilidade do motor

sobre a bancada no sentido lateral, também somados ao fato de existir

excentricidade no acoplamento entre as partes. Sendo assim, obteve-se baixa

redução nos valores de vibração associados ao desalinhamento, saindo de uma

condição inaceitável para condição de insatisfatório, de acordo com a ISO 20816-1.

As Figuras 31(a) e 31(b) apresentam, respectivamente, os espectros em

velocidade indicando os sinais de vibração antes e depois do ajuste do

desalinhamento. Este defeito se caracteriza no espectro pela predominância da

rotação da máquina acompanhada de harmônicas que alternam de amplitude, tanto

no sentido radial quanto no sentido axial.

Antes = 5,5 mm/s

Depois = 4,4 mm/s

40

Figura 31 – Espectro em velocidade (a) antes do alinhamento; (b) após alinhamento.


Apesar de haver redução da amplitude do sinal, ainda é possível observar a

presença de harmônicos do defeito, indicando que o mesmo ainda não se encontra

em um nível adequado para o bom funcionamento da máquina a longo prazo.

A excentricidade do acoplamento é apresentada na a Figura 31, nesse

defeito a rotação da máquina predomina no espectro e surgem harmônicos que

alternam de amplitude, melhor visualizado no sentido radial horizontal.

(a)

(b)

Frequência de desalinhamento.


Sinal após correção


41

Figura 32 – Espectro de vibração em velocidade do acoplamento excêntrico.


Figura 33 – Gráfico de tendência do alinhamento


Sinal de excentricidade com presença de harmônicas da rotação

Antes = 9,4 mm/s

Depois = 7,7 mm/s

42

4.5 Desbalanceamento

Segundo comentado no desenvolvimento, o defeito de desbalanceamento foi

simulado no rotor inserindo uma massa de desbalanceamento, sendo assim, não

ocorreu nenhuma ação corretiva a respeito.

No espectro o desbalanceamento sempre aparece em 1x a rotação da

máquina sem presença de harmônicos, caso apareçam, esses harmônicos indicam

que o desbalanceamento está acompanhado de outro defeito, caso bastante comum

devido à grande quantidade de energia que pode estar presente no

desbalanceamento, podendo provocar folgas, desgastes de transmissões,

desalinhamentos e falha prematura de rolamentos. Resumindo, o desbalanceamento

é um defeito bastante destrutivo para máquinas rotativas.

Figura 34 – Espectro em velocidade do rotor sem desbalanceamento


Observa-se que, inicialmente, a máquina apresenta condição satisfatória e

que o sinal residual presente no espectro poderia ser reduzido realizando um

balanceamento para refinamento. No entanto, não se faz necessário para este

trabalho.

Sem desbalanceamento


43

Com a adição da massa de desbalanceamento e nova aquisição de dados,

torna-se evidente o aumento da amplitude na frequência de rotação da máquina,

evidenciando o desbalanceamento do conjunto que encontra-se em condição

insatisfatória, de acordo com norma ISO 20816-1.

Figura 35 – Espectro em velocidade do rotor desbalanceado


4.6 Folgas

De acordo com o que foi comentado no desenvolvimento, as folgas de base

se tornaram um problema mais difícil de solucionar devido à impossibilidade de

apertar os parafusos de fixação nos trilhos da bancada, no entando, com algum

esforço foi possível obter redução satisfatória no sinal de vibração e a máquina

passou de uma condição insatisfatória para condição satisfatória, de acordo com

tabela da norma ISO 20816-1.

Com desbalanceamento


44

Figura 36 – Espectro de vibração do mancal com folga de base


É comum folgas provocadas por deficiência de fixação apresentarem a

caracterísitica de “escadinha” no espectro de velocidade, normalmente a rotação da

máquina predomina com presença de harmônicas com amplitudes decrescentes,

sendo mais bem visualizado na direção vertical.

Figura 37 – Espectro de vibração do mancal após ajuste de folga


Sinal de folga na base


Sinal após ajuste


45

Apesar da redução de amplitude do sinal de vibração para níveis aceitáveis,

esse defeito poderia ser melhor resolvido se a bancada oferecesse condições para a

realização do ajuste adequado, no entando, para este trabalho resultado é

satisfatório, de acordo com norma ISO 20816-1.

Figura 38 – Gráfico de tendência do valor global de vibração


Antes = 2,75 mm/s

Depois = 2,4 mm/s

46

5 Conclusões

Os procedimentos executados sobre a bancada e os resultados obtidos nas

análises de vibração apresentaram-se satisfatórios, baseado na norma ISO 20816-1

utilizada, demonstrando de forma objetiva como identificar os defeitos mais comuns

presentes em máquinas rotativas, sendo possível observar seus respectivos efeitos

tanto no domínio do tempo quanto no domínio da frequência.

A manutenção preditiva utilizando a análise de vibrações é um estudo muito

importante para o monitoramento de equipamentos, principalmente aqueles em que

a continuidade do funcionamento é um fator crítico, tornando possível a elaboração

de diagnósticos e prognósticos que evitam quebras e falhas inesperadas. É

extremamente importante destacar a necessidade de se realizar a correta

configuração dos pontos de coleta antes da inspeção da máquina, pontos

configurados de forma errada podem facilmente mascarar defeitos e gerar

problemas sérios em relação aos equipamentos. Sendo assim, é comum que em

muitos casos juntamente com a análise de vibração ocorra inspeção por termografia

infravermelha para garantir mais ainda a confiabilidade dos resultados obtidos.

Apesar das limitações que surgiram durante a execução dos testes, os quais

foram descritos e comentados anteriormente, foi possível obter resultados bastante

interessantes capazes de gerar significativo embasamento teórico e prático para

aqueles que desejarem aprender um pouco sobre tal assunto.

Melhorias futuras podem ser implementadas com a finalidade de melhorar a

prática de simulação e correção de defeitos, como por exemplo, proporcionar aos

componentes mecânicos maior mobilidade, especialmente o motor elétrico. Outra

opção de melhoria é a instalação de sensores fixos montados nos mancais, esses

sensores ficam conectados à uma caixa a qual fica instalada na parede, permitindo a

coleta dos dados de vibração fora do contato com a bancada, evitando que o

operador fique próximo de partes móveis perigosas.

Assim como a bancada, este trabalho é uma contribuição para os alunos do

curso de Engenharia Mecânica que servirá de guia para a prática e o aprendizado

sobre manutenção preditiva utilizando análise de vibrações, oferecendo também a

47

oportunidade de conciliar conhecimentos com disciplinas de elementos de máquinas,

tribologia e mecânica dos sólidos.

48

6 Referências

DANTAS, Heryson Cirilo Dantas. Sistema de aquisição e análise de dados

com arduino e processing aplicado a manutenção de máquinas elétricas. 2016.

Monografia, UFRN, Natal.

HATCH, Charles T.; FAHY, Dave. Malfunction Diagnosis: Misalignment.

Bently Nevada Corporation, Nevada. p. 3-8.

HIGUTI, Ricardo Tokio; KITANO, Cláudio. Sinais e Sistemas, julho. 2003.

UNESP, São Paulo.

ISO 20816-1. Mechanical Vibration – Measurement and evaluation of

machine vibration – Part 1: General guildelines. 2016.

MARÇAL, Rui Francisco Martins. Sc. Um método para detectar falhas

incipientes em máquinas rotativas baseado em análise de vibrações e lógica

fuzzy, dez. 2000. Tese, UFRGS, Porto Alegre.

MISES, Lidwing v. As Seis Lições. 7 ed. São Paulo: Instituto Ludwing von

Mises Brasil, 2009.

NTI Audio. Fast Fourier Transformation. Disponível em: <https://www.nti-

audio.com/en/support/know-how/fast-fourier-transform-fft> Acessado em 20 out.

2017.

PROMARCHIVE. Ronds. Accelerometer Index. Disponível em:

<http://promarchive.ru/en/catalog/detection_-

_measurement/position_measurement/accelerometers_acceleration_sensors_shock

_sensors/accelerometer_-_100_mv_g_0_5_15_khz_80g_rh103/>. Acesso em 26 set.

2018.

ROZH. User Manual. MRS3000 System User Manual. 2013.

ROZH. User Manual. RH802 Dual-Channel Spectrum Analyzer, ShangHai

Rozh Measurement&Contrl co.,Ltd. 2013.

49

SCHEFFER, Cornelius; GIRDHAR, Paresh. Pratical Machinery Vibration

Analysis & Predictive Maintenance – (Pratical professional), ELSEVIER. 2004.

Netherlands.

SENAI CIMATEC – Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia. Técnicas

de Análise de Vibrações I. Salvador, 2003. 100p.

SILVA, Bruna Tavares Vieira da. Bancada para análise de vibração:

Análise de falhas em máquinas rotativas. 2012. Monografia, UNITAU, São Paulo.

SPAMER, Fernanda Rosa. Técnicas Preditivas de Manutenção de

Máquinas Rotativas, ago. 2009. Monografia, UFRJ, Rio de Janeiro.

bancada didÁtica para manutenÇÃo preditiva … · universidade federal do rio grande do norte...

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