ANANÁÁLISE DE DADOS DE LISE DE DADOS DE VIBRAVIBRAÇÇÃOÃO

Contributo para a definição do estado de condição

Rui Parreira / Valter Vairinhos / Victor Lobo

ÍÍndicendice

MotivaçãoObjectivosPlaneamento e recolha de dadosMétodo proposto (transformada de VMV)Apresentação de resultadosConclusões e trabalho futuro

MotivaMotivaççãoão

Projecto MECPAB na Escola Naval(Monitorização dos Estados de Condição e Predição de Avarias de Bordo)

Objectivo principaldesenvolvimento de metodologias estatísticas , adequadas à predição de avarias e à implementação de políticas de manutenção baseadas na condição dos equipamentos.

MotivaMotivaççãoãoManutenção Condicionada Analogia com a medicina

Técnicas utilizadas em Manutenção Condicionada:

•Análise de óleos.

•Análise de partículas de desgaste.

• Termografia.

• Análise de vibrações.

•Controlo das emissões acústicas.

•…

MotivaMotivaççãoãoDefeito

TécnicaAnálise de

vibraçõesTermografia

Análise de

óleos

Análise

acústica

Visualização

com

estroboscópio

Desequilíbrio √ ● ● ● ●

Desalinhamento √ ◊ ● ● ●

Empeno de veio √ ● ● ● ●

Desaperto √ ● ● ● ◊

Ressonância √ ● ● ● ●

Defeito em

rolamento

√ ◊ ◊ ◊ ◊

Cavitação √ ● ● ◊ ●

Defeito motores

eléctricos

√ ◊ ● ● ●

Defeito em

engrenagem

√ ● ◊ ◊ ◊

Defeito em

transmissão

√ ◊ ● ● ◊

√ adequada ◊ parcialmente adequada ● não adequada à detecção do defeito

Fonte : ISO_13380:2002

Objectivos especObjectivos especííficosficos

•Obter e registar numa BD adequada as características de vibração de um equipamento.

•Desenvolver metodologias de processamento de dados adequadas à tomada de decisão na gestão da manutenção.

•Obter uma representação gráfica que resuma a informação sobre a condição do equipamento.

•Obter dados de teste para validar trabalhos futuros.

Planeamento e recolha dos dadosPlaneamento e recolha dos dados

•Equipamento seleccionado

•Equipamento de medida

Equipamento rotativoBom conhecimento dos modosde falhaEscolhidos 13 pontos

Analisador colector marca Emerson CSI 2130

Possibilidade de exportar os dados

Planeamento e recolha dos dadosPlaneamento e recolha dos dados•Objectivos para a recolha de dados

Experimentação simultânea de vários factoresCombinação de factores que correspondem a estados de

condição relevantes em termos técnicos

1

2 4

10

11

3

5

12 13

7

6

9

8

Factores Nível baixo (‐1) Nível alto (+1)A‐ Desequilíbrio no veio 0 g 185 gB‐ Desequilíbrio nas pás do ventilador 0 g 120 gC‐ Desaperto lado da bomba 60 N/m2 0 N/m2 D‐ Desaperto lado do motor 30 N/m2 0 N/m2 E‐ Desalinhamento angular 0 mm 0,3 mm F‐ Desalinhamento paralelo 0 mm 0,6 mm

Planeamento e recolha dos dadosPlaneamento e recolha dos dados•Objectivos para a recolha de dados

Experimentação simultânea de vários factoresCombinação de factores que correspondem a estados de

condição relevantes em termos técnicos

1

2 4

10

11

3

5

12 13

7

6

9

8

Planeamento e recolha dos dadosPlaneamento e recolha dos dados

•O plano de recolha de dados

•Desenho factorial fraccional 2k-p

(K=6 ; p=2)(Montgomery:2005)

•16 condições diferentes.

•Obtidos 546 ficheiros / 60 MB/40 observações .

Ordem Desenho BásicoPadrão Aleat. A B C D E=ABC F=BCD

1 I 7 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 2 a 13 + ‐ ‐ ‐ + ‐ 3 b 4 ‐ + ‐ ‐ + + 4 ab 9 + + ‐ ‐ ‐ +5 c 1 ‐ ‐ + ‐ + +6 ac 2 + ‐ + ‐ ‐ + 7 bc 15 ‐ + + ‐ ‐ ‐ 8 abc 3 + + + ‐ + ‐ 9 d 6 ‐ ‐ ‐ + ‐ +

10 ad 16 + ‐ ‐ + + + 11 bd 14 ‐ + ‐ + + ‐ 12 abd 5 + + ‐ + ‐ ‐ 13 cd 11 ‐ ‐ + + + ‐14 acd 10 + ‐ + + ‐ ‐15 bcd 2 ‐ + + + ‐ + 16 abcd 8 + + + + + +

Planeamento e recolha dos dadosPlaneamento e recolha dos dados•Recolha de dados

• Em cada ponto obtém-se uma matriz dedados [1598x2] correspondentes à amplitudee à frequência.

1

2 4

10

11

3

5

12 13

7

6

9

8

• Os dados de uma observação correspondema 13 matrizes de [1598x2].

AnAnáálise cllise cláássica dos dadosssica dos dados

AnAnáálise cllise cláássica dos dadosssica dos dados1

2 4

10

11

3

5

12 13

7

6

9

8

AnAnáálise cllise cláássica dos dadosssica dos dadosDesvantagens:

•Análise e diagnóstico são altamente consumidoras de tempo.•Necessidade de técnicos experientes e qualificados.•Não existem normas/padrões universais.

1

2 4

10

11

3

5

12 13

7

6

9

8

DiscriDiscriçção do mão do méétodo propostotodo proposto• O método que se propõe para descrever o estado da máquina:

Usar como características as correlações entre os espectros

Método da Transformada de VMV (Vector de Monitorização de Vibrações)

Pontos de medida

FFT dos

Sinais

Freq. P1 Pj P13 P1 … Pk … P13 f1 f2 .

P1

.

fi aji Pj rkj

. F1600

.

P13 Observações da máquina Rk‐ Matriz de correlações dos espectros

aij =amplitude do sinal à freq. fi no

rkj =correlação entre o espectro

medido no pto.Pj e ponto Pk

aij rjk

rjk=

DiscriDiscriçção do mão do méétodo propostotodo proposto• O método da transformada de VMV

•Cada observação corresponde a um estado da máquina

•Cada estado/condição experimental corresponde a uma situação física bem definida para a qual faz sentido tentar expressar as amplitudes num ponto em função das amplitudes nos outros pontosatravés de expressões lineares.

•Essas relações serão diferentes para estados da máquina distintos.

•A matriz de correlações entre espectros traduz precisamente estasrelações.

•Essa Matriz é simétrica de diagonal unitária.

DiscriDiscriçção do mão do méétodo propostotodo proposto• O método da transformada de VMV

•A informação útil está toda contida nos coeficientes acima da diagonal, ou seja, em (13*13-13)/2= 78 coeficientes( vector VMV)

P1 P2 … …. …. … Pk P13 P1 1 P2 1 … 1 … 1 … 1 Pj 1 rjk

1 1 1 1 1 1 P13 1

,

ComparaComparaçção e visualizaão e visualizaçção das ão das diferentes observadiferentes observaççõesões

Como comparar os 16 estados de condição diferentes?

•Esta questão equivale a comparar os VMV, que correspondem àsmatrizes de correlação (R1,…,Rk,…,R16) duas a duas.

•Isto pode ser feito definindo um índice de dissemelhança para matrizes de correlação, que neste caso foi simplesmente a distância Euclidiana entre os vectores VMV.

1 … … 16

1

…

…

16

d (ck,ck´) , ´ ´16

1 2

ComparaComparaçção e visualizaão e visualizaçção das ão das diferentes observadiferentes observaççõesões

Como comparar os 16 estados de condição diferentes?Pode obter-se uma representação geométrica para estes estados realizando um Escalonamento Multidimensional

(MDS- Multidimensional Scaling)

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

IA

B

AB

C

AC

BC

ABC

DAD

BD

ABD

CD

ACD

BCD

ABCD

ComparaComparaçção e visualizaão e visualizaçção das ão das diferentes observadiferentes observaççõesões

Como comparar os 16 estados de condição diferentes?

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

IA

B

AB

C

AC

BC

ABC

DAD

BD

ABD

CD

ACD

BCD

ABCD

•Situação “normal I”aparece bem isoladadas outras condições

• Condições com vibrações muito intensasestão bastante afastadas(C, ABCD, ACD, e ABC)

Projecção MDS das médias da VMV para cada condição

ComparaComparaçção e visualizaão e visualizaçção das ão das diferentes observadiferentes observaççõesões

Como comparar os 16 estados de condição diferentes?

Projecções por MDS das transformadas VMV das 40 observações

-0.5 0 0.5 1-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

II

I I

a

aaa abb

b

bab

ab

c

c

acac

bc

bc

abc

abc

dd

ad

ad

bdbd

bd

abd abdcd

cd

acd

acdbcdbcdabcd

abcd

ComparaComparaçção e visualizaão e visualizaçção das ão das diferentes observadiferentes observaççõesões

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

IA

B

AB

C

AC

BC

ABC

DAD

BD

ABD

CD

ACD

BCD

ABCD

•A representação gráfica através de MDS permite preservar as distâncias originais. • A distorção introduzida (ou stress) que não é possível eliminar pode ser calculada para cada por

a distância verdadeira;

é a distância no gráfico 2D;

é a média das distâncias

;

ComparaComparaçção e visualizaão e visualizaçção das ão das diferentes observadiferentes observaççõesões

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

IA

B

AB

C

AC

BC

ABC

DAD

BD

ABD

CD

ACD

BCD

ABCD

•A representação gráfica através de MDS permite preservar as distâncias originais. • A distorção introduzida (ou stress) que não é possível eliminar pode ser calculada para cada por

;

• A distorção projecção é de 17.6

• Medida da qualidade da MDS:Kruskal(1964)

STRESS-I=0.1 (BOM)

ConclusõesConclusões

;

•O método proposto da transformada de VMV é viável para caracterizar o estado de condição de uma máquina através da correlação das medições das vibrações em diversos pontos.

•Podemos fazer esta caracterização é feita por meio de uma representação geométrica plana, obtida por MDS, em que cada estado fica representado por um único ponto do gráfico.

• O método proposto é uma alternativa ao software específico dos fabricantes de equipamentos.

Trabalho futuroTrabalho futuro

;

•Testar novos métodos de projecção dos vectores VMV.

•Utilizar SOM´s ; CP; Biplots como técnicas de redução da dimensionalidade dos dados.

•Desenhar classificadores que identifiquem automaticamente o estado de condição com base em dados experimentais recolhidos em equipamentos a funcionar em contexto real.

•Posicionar as sucessivas medidas em gráficos 2D para caracterizar a evolução da condição (trajectórias).ou traçar “níveis de alerta”

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

IA

B

AB

C

AC

BC

ABC

DAD

BD

ABD

CD

ACD

BCD

ABCD

ANANÁÁLISE DE DADOS DE LISE DE DADOS DE VIBRAVIBRAÇÇÃOÃO

Contributo para a definição do estado de condição

Rui Parreira/Valter Vairinhos/Victor Lobo