Análise de vibração em máquinas de baixa velocidade



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Análise de vibração em máquinas de baixa velocidade





Análise de vibração em máquinas de baixa velocidade



Análise de vibração aplicada em máquinas rotativas de baixa velocidade.
Autores:

Edgar A. Estupiñan (eestupin@uta.cl)

Professor Dpto. de Engenharia Mecânica

Universidade de Tarapacá

Casilla 6-D – Arica (Chile)


Pedro N. Saavedra (psaavedr@udec.cl)

Professor Dpto. de Engenharia Mecânica

Universidade de Concepción

Casilla 160-C – Concepción (Chile)


Tradução: Mundo Mecânico -2011
RESUMO

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

Este Trabalho ilustra tanto os testes de laboratório como os casos históricos e reais da industria de celulose e papel. Com uma análise integrada do espectro e de forma de onda 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 de análise de vibrações de alta freqüência.

INTRODUÇÃO

Hoje as indústrias mais modernas, dentro de seus programas de manutenção preditiva, utilizam o monitoramento da análise de vibração, a fim de estabelecer o que o estado de saúde mecânica do equipamento e, em particular seus elementos mais críticos, tais como rolamentos, mancais, engrenagens, e desta forma prevenir falhas catastróficas.

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

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

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

Neste artigo, o termo “máquina de baixa velocidade” refere-se a máquinas que operam 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 neste trabalho tem se concentrado principalmente no diagnóstico de defeitos de rolamentos de baixa velocidade, utilizando diversas técnicas de análise de vibração.

EXATIDÃO NO DIAGNÓSTICO DE FALHAS DE ROLAMENTOS

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

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

Dependendo da localização do defeito no rolamento, gera-se vibrações de diferentes freqüências. Quando uma área defeituosa faz contato com a sua superfície, produz-se pulsos periódicos de curta duração. Os períodos com que se produzem tais pulsos é em função da geometria do rolamento, da velocidade de rotação e da localização do defeito, 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 elementos rolantes por um defeito na pista externa.

BPFI (Ball pass frequency of the inner race) é a frequência de passagem dos elementos rolantes por um defeito na pista externa.

BSF (Ball spin frequency) é a freqüência de giro dos elementos rolantes

FTF (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 para diagnóstico de falhas através da análise de vibração. Você pode identificar falhas típicas como rotor desbalanceado, desalinhamento, frouxidão e defeitos mecânicos em rolamentos. A idéia básica da análise de frequência é encontrar a relação existente entre a frequência discreta dos componentes presentes no espectro e a frequência de forças dinâmicas que geram as vibrações.

A figura 1 mostra o espectro de aceleração vibracional do rolamento do rolo superior lado 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 na maioria das máquinas, é comum o uso de um espectro com 400 linhas, obtido de quatro médias, como mostrado na figura 1. No entanto, quando os níveis de vibração são baixos, o ruído eletrônico e do ambiente podem mascarar os componentes espectrais devido a vibração e fazer que a análise espectral seja difícil. Faz-se necessário então, obter medições com uma melhor razão sinal-ruído (SNR*2) e durante a fase de coleta de dados de vibração é possível melhorar a SNR incrementando o número de médias e melhorando a resolução da frequência (utilizando mais linhas de espectro). Adicionalmente requer-se o uso de sensores com baixo ruído elétrico (inerente) e alta sensibilidade.

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 ruído aleatório em proporção direta a raiz quadrada do número de médias, Robinson et.AL(1992).

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

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

Neste espectro, que possui uma melhor SNR é possível identificar as componentes devido a vibração, as quais correspondam a múltiplos BPFO do rolamento, indicando assim 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)
ANÁLISE DA FORMA DE ONDA

A análise da forma de onda da vibração é um tempo de domínio de técnicas mais úteis para a detecção de defeitos em rolamentos. Por exemplo, a análise da forma de onda 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 com a frequência de falha em identificar a localização do defeito (pista interna, externa ou gaiola)

A figura 3 mostra o espectro de frequência em forma de onda da vibração gerado por um rolamento com defeito na pista externa. O rolamento pertence a um pequeno agitador, cuja velocidade nominal é de 60 cpm. Analisando o espectro não é possível determinar se o rolamento tem uma falha. O espectro não tem nenhum componente espectral discreto com uma frequência claramente definida, devido ao agitador mudar ligeiramente a velocidade durante a tomada de dados, causando uma dispersão dos componentes espectrais. Entretanto a análise do sinal de vibração no domínio do tempo 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 elemento rolante passa sobre o defeito. O tempo que ocorre entre um pico e outro corresponde aproximadamente ao inverso do BPFO, confirmando a existência de um defeito na pista externa. A frequência tem algumas pequenas mudanças, que naturalmente são relacionadas 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 a técnica de análise de Ordens (Order Tracking Analysis), com a qual o analisador de FFT usa uma frequência de amostra que está diretamente relacionada à velocidade de rotação do eixo, Harris (1988).

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

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 de secagem, cuja velocidade de rotação é de 31 cpm. A Figura 5 mostra o espectro e forma de onda da vibração axial coletada com o acelerômetro de 500mV/g, e uma frequência máxima de 200 hz. Na forma de onda pode-se identificar impactos repetitivos com uma periodicidade equivalente ao inverso do BPFI do rolamento SKF 23276. Também pode-se notar que para cada revolução do eixo, quando o defeito passa na zona de carga do rolamento, produz-se os impactos de maior magnitude. No espectro da Figura 5, o cursor marca o BPFI e suas harmônicas (letra D) e ao redor deles 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 pessoal de manutenção decidiu programar a troca. A Figura 6 mostra a fotografia do rolamento com defeito e observar-se claramente os defeitos localizados na pista interna, sendo consistente com o esperado de acordo com as análises de vibração realizadas 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 do rolamento defeituoso. Você pode notar a grande diferença entre este espectro e o obtido 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.









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



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

Neste caso, analisa-se o rolamento do lado motriz de um dos rolos da segunda prensa de 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 de 1999. O rolamento é um SKF 23184 e a BPFI é de 11.7 x RPM. As linhas tracejadas no gráfico designadas pela letra “G” indicam a localização noi espectro da BPFI e suas hamônicas.

Conforme mostrado na Figura 8, nas fases iniciais da falha, a análise espectral não fornece informações claras sobre a origem do problema. Entretanto, ao analisar a forma de onda (Figura 9) podemos identificar os impactos repetitivos que ocorrem desde o início do defeito. Podemos ver também que a frequência desses impactos variou 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 de impacto, correspondente ao tempo que transcorre entre os impactos de maior amplitude e a periodicidade entre impactos, a qual corresponde ao tempo entre um impacto e o seguinte. Na Figura 9 pode-se notar que ocorrem dois ou três impactos por cada ciclo de período dos impactos.

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 que em 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. Também se deve ter em conta que o defeito está na pista interna. Os impactos de grande escala ocorrem sempre que o defeito passa pela zona de carga e isso se produz uma vez por cada revolução do eixo. Embora a velocidade de rotação sempre fosse a mesma, a periodicidade do ciclo de impactos mudou com o tempo, provavelmente devido a um ajuste insuficiente entre a pista interna do rolamento e eixo, permitindo deslizamentos ocasionais.

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

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



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

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



DETECÇÃO DE TRINCAS EM POLÍN(*) E ROLAMENTOS COM DEFEITO NA PISTA 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 tambores superior 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.





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 classe de não linearidade, Harris(1988). Uma das causas mais prováveis do comportamento não linear para este caso, seria a presença de trincas no tambor.



Peakvue Analysis : É uma técnica de análises patenteada por Computational System 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.

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.

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

BIBLIOGRAFIA

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Tandon, N. Nakra, B. C. The Shock and Vibration Digest, Vol. 24,

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Harris, C. M. Shock and vibration handbook. McGraw Hill, N.Y.,



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