Apostila Análise de Vibraçao Nível II - Revisao 1

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DOCUMENTO Nº: GPS/bDH/TT 32.700.006

Inspeção Dinâmica DATA EMISSÃO:

04/07/2005

APOSTILA ANÁLISE DE VIBRAÇÃO – Nível II

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VIGÊNCIA: 04/07/2005

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COMITÊ Diretivo – 10/01/2005

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ÍNDICE

Análise de Vibração II

1. Introdução................................................................................... 02

2. Conceito de multiparâmetros.................................................... 04

3. Técnica de Envelope.................................................................. 06

4. Análise em rolamentos com baixas rotações......................... 14

5. Modulações................................................................................ 16

6. Análise de redutores................................................................. 18

7. Batimento................................................................................... 22

8. Ensaio de ressonância............................................................. 24

9. Análise de ordem...................................................................... 29

10. Amostragem Síncrona........................................................... 35

11. Rotações Variáveis ............................................................... 42

12. Análise magnética.................................................................. 44

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1. INTRODUÇÃO

Cuidado com o auto-engano dos sistemas preditivos:

Só a tecnologia de multiparâmetro aplicada como rotina de monitoração

garante resultados superiores. “O objetivo da Análise de Vibração é garantir que o desempenho dinâmico dos equipamentos fique dentro de padrões estabelecidos, mantendo a qualidade e confiabilidade de fabricação dos produtos, a um custo de manutenção competitivo”. Isto é conseguido através da monitoração “off line” ou “on line” dos parâmetros importantes que influenciam no desempenho dos equipamentos, permitindo planejar correções seguras com base na tendência dos desvios, mantendo a “saúde dinâmica” dos equipamentos. Podemos considerar os últimos 12 anos como o período mais fértil em termos de evolução tecnológica de toda a história da manutenção industrial, quanto a instrumentos portáteis, softwares e técnicas de inspeção. O termo “preditivo” foi difundido e direcionado para o acompanhamento das “doenças dos equipamentos”. Houve um certo exagero na venda da idéia de se predizer o momento exato (cravado em dias, horas e minutos) em que uma falha culminaria com o “falecimento” de um determinado componente, como se instrumentos e softwares pudessem, isoladamente, operar tal proeza.

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Pelo menos duas distorções podem ser observadas: uma na retórica e outra na aplicação da tecnologia. Na retórica, pela diferença encontrada entre a panacéia prometida e o que é efetivamente realizado. Na aplicação, pela redução drástica das técnicas empregadas. Em análise de vibração, por exemplo, é comum encontrar apenas dois parâmetros de medição sendo usados como rotina de monitoração (espectro de velocidade e envelope), e com a pretensão de diagnosticar sobre todos os tipos de falhas. Sob a influência destas distorções, os sistemas experimentam uma redução comprometedora na eficácia dos diagnósticos e no domínio dos equipamentos. É como comprar um avião para andar pelas ruas, disputando espaço com os carros. Da mesma forma, as instrumentações podem ficar sub utilizadas na rotina diária da manutenção. É óbvio que os recursos, hoje disponíveis, são fantásticos e propiciam excelentes resultados se aplicados corretamente. Aviões voam e prestam serviços importantes aos usuários se estiverem sob o comando de pessoas certas e de empresas competentes.

Tá difícil decolar?

Sua manutenção precisa decolar! Ou você vai ficar disputando pequenos espaços no congestionado trânsito

empresarial? Não basta ter o avião, é preciso voar com ele.

Só a tecnologia de multiparâmetro aplicada como rotina de monitoração garante resultados superiores.

O conceito de manutenção monitorada é no sentido de focar a monitoração na “saúde” dos equipamentos, de modo a inibir a evolução de “não conformidade”. Mais do que acompanhar falhas, este sistema visa manter o desempenho dinâmico dos equipamentos, dentro dos padrões projetados. Para tanto, é selecionado um “universo de técnicas” de acordo com o “universo de problemas” esperado, sendo utilizada esta estratégia como rotina de inspeção e não somente diante de “enfermidade evidentes”. Além de uma aplicação técnica consistente, utiliza-se um método de avaliação que leva em consideração o efeito simultâneo provocado por todas as variáveis inspecionadas. A vantagem competitiva está na elaboração de análises sistêmicas dos equipamentos, em lugar da avaliação isolada de cada técnica. Além disso, o sistema absorve toda a experiência acumulada pela manutenção convencional, conservando este importante patrimônio.

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2. CONCEITO DE MULTIPARÂMETRO Através da aplicação de ferramentas avançadas de análise e de uma estratégia de monitoração com multiparâmetros, podemos obter o máximo do sistema de monitoramento, utilizando de forma eficaz recursos avançados da análise sistêmica, tais como: espectro de envelope, amostragem síncrona, espectro de corrente elétrica, técnicas para baixas rotações, monitoramento de ruído, parâmetros de processo, sistema CD (Comunicação Direta), etc. A precisão dos diagnósticos e o domínio sobre os equipamentos são a essenciais para obter credibilidade e resultados. Nossa fábrica está sujeita a diversos tipos de problemas, provenientes das mais diversas fontes.

Figura 01: Pizza de problemas

Figura 02: Conceito de multiparâmetro

folgas

desalinhamento

hidrodinamico

falha em baixa

rotaçãoempenamento

falha elétrica

falta rigidez

rolamentos

trinca localizada

outros

analise envelope

aceleração RMS

Velocidade RMS

Análise no tempo c/

ou s/ trigger ext.

Envel. do espec

corrente

Espectro corrente

Partida/parada

PkHold

Ensaio Ressonancia

Análise c/ sensores

proxim.

Análise transdut

pressão

temperatura

Parâmetros processo

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Figura 03: Pizza pobre de técnicas

As várias medições executadas tanto de vibração mecânica, quanto magnética e de processo têm por objetivo possibilitar o confronto dos dados, favorecendo assim o diagnóstico sobre a condição de trabalho do equipamento monitorado. Utilizando uma PIZZA POBRE DE TÉCNICAS não poderemos ter a pretensão de diagnosticar sobre toda gama de problemas. Por exemplo: em condições adversas de trabalho uma moto-bomba se comporta de maneira diferente com relação à vibração. Esta variação pode estar relacionada simplesmente à vazão, ou simplesmente ao fato de o cronograma de lubrificação não ter sido cumprido, enfim, são muitas variáveis, e quanto maior o controle, melhor será o funcionamento da máquina. A fig. 04 mostra a curva de tendência da temperatura de um rolamento de um motor. Quando houve situação de alarme o software demonstrou e antes que maiores danos ocorressem, a intervenção foi realizada.

Figura 04: Monitoramento da temperatura de rolamento de motor.

Aceleração RMS

Velocidade RMS

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Figura 05: Várias medições para o mesmo ponto. Conceito de multiparâmetro.

3. ANÁLISE DE ENVELOPE

3.1. FUNCIONAMENTO DO ENVELOPE

Esta técnica é bastante poderosa para a detecção de problemas que ficam “mascarados” devido à presença de várias outras fontes de vibração que possuem maior energia. Através do uso de filtros, as fontes de vibração são separadas, de modo que freqüências de menor intensidade podem ser detectadas como modulantes do sinal. A técnica de envelope permite diferenciar entre eventos aleatórios e periódicos presentes nos espectros. É utilizado para a detecção de falhas em rolamentos, cavitações, engrenagens, etc. Os defeitos provenientes dos rolamentos provocam impactos periódicos, que excitam a estrutura dos mancais, provocando vibrações em altas freqüências. Estas vibrações são melhor percebidas em aceleração. As freqüências fundamentais de defeito são baixas e possuem valores de amplitudes baixos, ficando encobertas pelas outras fontes de maior energia no sistema. A análise de envelope permite extrair do sinal excitado a fonte (freqüência fundamental) de excitação e seus harmônicos, localizando o componente problemático (pista interna, pista externa, elemento girante, gaiola). Portanto, o filtro serve para selecionar que freqüências entrarão como portadoras dentro do intervalo de interesse. A figura 06 mostra um espectro coletado em função do tempo, sem a utilização do filtro do envelope. Fontes de baixa energia podem ficar mascaradas neste tipo de medição.

Figura 06: Espectro em função do tempo sem aplicação de filtro.

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Figura 07: Espectro de análise de envelope.

O espectro da figura 07 mostra uma medição de envelope na qual ficam claras as harmônicas de componente de rolamento (pista interna). O setup desta medição mostra a utilização do filtro para a seleção das vibrações de interesse. O coletor analisador CMVA SKF Microlog possui 4 filtros pré-determinados. Para a medição acima foi utilizado o terceiro, como pode ser visto na figura 08.

Figura 08: Setup para análise de envelope.

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Se temos o rolamento 22230CC, por exemplo, trabalhando com 1725.60 rpm, esperaremos freqüências fundamentais de vibrações conforme segue:

Freqüências esperadas de defeito do rolamento 22230CC - 1725.6 rpm. Fonte Atlas SKF:

Inner ring speed RPM 1725,60 Inner ring defect frequency Hz 311,34 Outer ring defect frequency Hz 235,10 Rolling element defect frequency Hz 199,19 Inner ring rotational speed Hz 28,76 Cage rotational speed Hz 12,37 Rolling element rotational speed Hz 99,59

Estas freqüências são encobertas por outras que possuem maior energia e são geralmente detectadas via Análise de Envelope.

Figura 09: Sinal de rolamento somado a um sinal de estrutura.

Gaiolas de rolamentos quando com problemas modulam o sinal, porém não se mostram claras em nenhuma técnica, a não ser em análise de envelope. A presença de harmônicos superiores indica a existência de problemas na componente do rolamento, sendo que apenas o aparecimento da primeira harmônica de um componente pode ser apenas devida à sobrecarga no rolamento, sem que este ainda esteja danificado. Analisar o surgimento de harmônicos é interessante. Para o cálculo das freqüências fundamentais de rolamentos usa-se a geometria do rolamento (que é o que os softwares fazem automaticamente): Pd = diâmetro nominal; Bd = diâmetro do elemento; n = número de elementos girantes; Ø = ângulo de contato. Sem possuir-se um software para o cálculo em se possuindo as dimensões do rolamento, é possível calcular manualmente.

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Figura 10 - Cálculos das freqüências fundamentais de componentes de rolamentos.

Estas equações assumem que o elemento não desliza, apenas rola nas pistas. Uma aproximação bastante interessante para um rolamento que não se possui as medidas internas (freqüências fundamentais) é:

Pista interna = rpm x n elementos girantes x 0.6

Pista externa = rpm x n elementos girantes x 0.4

Estas duas equações dão uma idéia da região da localização das freqüências destas duas componentes, porém não permitindo uma maior precisão na análise.

3.2. FILTROS DE ENVELOPE

O Envelope Detector tem como objetivo separar altas freqüências de rolamentos de baixas freqüências de outras partes do equipamento, através de um filtro “passa banda”. Nesta etapa, torna-se difícil detectar baixas amplitudes. Um sinal de defeito em função do tempo é muito baixo, sendo dissipado no range total de medição, consequentemente as amplitudes das harmônicas são quase que completamente escondidas no sinal. O circuito para análise de envelope aproximadamente eleva ao quadrado o sinal no tempo filtrado. Desde que o sinal do defeito seja repetitivo, ele pode ser simulado por uma série de harmônicas de ondas senoidais que são múltiplos inteiros da freqüência de defeito. Quando uma série de harmônicas é multiplicada por ela mesma, a série resultante é a soma e a diferença entre as componentes desenvolvidas durante todo o processo de multiplicação. Todas as componentes somadas atingem valores fora da faixa de medição. Todas as componentes subtraídas que são equivalentes a 1x defeito são somadas vetorialmente e retornam à faixa de medição. As harmônicas superiores são realçadas desta mesma maneira. A figura 11 mostra

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matematicamente como a soma faz com que as freqüências se situem fora da faixa de medição e como a subtração faz com que se situem dentro.

Figura 11: Cálculos das freqüências na medição de envelope

Por exemplo, após filtrar, via “band-pass”, um sinal de um acelerômetro, suponha que toda a vibração restante seja de componentes de defeito situadas da 51ª até a 100ª harmônica. A soma vetorial de todas as diferenças é transformada em um forte sinal de 1x freqüência de defeito que pode ser normalmente processado pela FFT. Uma ilustração do que ocorre ao aplicar-se a técnica de envelope de aceleração é mostrada na figura 6, onde há a soma de um pulso de 3 milesegundos de duração, com intensidade de 0.01 g e freqüência de 0.5 Hz, com uma onda senoidal de 0.5 Hz, com intensidade de 24 g. O espectro normal no domínio da freqüência é composto apenas pela onda senoidal de 0.5 Hz, conforme figura abaixo.

Figura 12: Onda senoidal e espectro normal de uma vibração de 0.5 Hz somada

a um pulso de 0.5 Hz, a cada 3 milesegundos.

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A técnica de envelope, através do filtro, é mostrada na figura 7, tanto no domínio do tempo, como da freqüência.

Figura 13: Aplicação do filtro do envelope. 1. Domínio do tempo. 2. Domínio da freqüência.

O processo de envelope modifica e incrementa as componentes de baixa energia do sinal de defeito das altas freqüências através do filtro, para clarear e mostrar a taxa de repetição de harmônicas desta freqüência. Caso não houvesse este sinal de pequena intensidade, e houvesse apenas a senoidal de 0.5 Hz, o espectro de envelope seria ZERO. Isto ocorre quando aplicamos o envelope num caso, por exemplo, de um rolamento com defeito na gaiola, que possui pouca energia e que esteja somando vibração para compor o sinal. O envelope detecta esta falha, eliminando outras fontes que estejam em freqüências menores. Outra utilização da análise de envelope é para a detecção de bandas laterais. Por exemplo, vibrações de folgas entre mancais e pista externa de rolamentos ou entre eixo e pista interna de rolamentos podem ser diagnosticadas como sendo apenas de rolamentos defeituosos, utilizando as técnicas convencionais. O filtro de envelope extrai deste sinal de vibração as bandas laterais de 1x rpm do eixo em torno de um componente do rolamento, pois a freqüência de rotação modula o sinal.

Figura 14: Bandas laterais em torno de 1x freqüência de pista interna.

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Problemas desta origem são comuns em tampas dianteiras de motores elétricos, onde às vezes troca-se vários rolamentos sem a correção da causa do problema, devido não se trocar a tampa.

Figura 15: Bandas laterais de 1x rpm do eixo em torno da pista interna de rolamento.

3.3. ESTÁGIOS DE FALHAS DE ROLAMENTOS A identificação antecipada de condições problemáticas tais como lubrificação inadequada ou desalinhamento permite ao analista, aplicar medidas proativas corretivas para aumentar a vida útil do rolamento. O início da deterioração freqüentemente acontece muito cedo, à medida que as pistas começam a se desgastar, desenvolvendo microcavidades na zona de carga. As microcavidades, neste ponto incipiente, não reduzem necessariamente a vida operacional, mas é freqüentemente uma boa indicação de que a progressão para o estágio 1 é iminente. Um rolamento que esteja no PRIMEIRO ESTÁGIO ainda é um “bom” rolamento, porém, depois que uma parcela significativa da vida do rolamento tenha passado, as microcavidades resultam na degeneração do rolamento até o ponto onde cavidades muito pequenas se desenvolvem nas pistas. Estes pequenos defeitos nem sempre sofrem impactos com força suficiente para gerar sinais de vibração mensurável no domínio de velocidade. Um rolamento no ESTÁGIO DOIS já se encontra com algum dano e pode ser observado em seus harmônicos. Não há nenhuma razão para se trocar um rolamento neste ponto. De fato, foram retirados rolamentos nesta fase e o único dano aparente são diminutas descamações nas pistas. Porém, a medida que os harmônicos aumentam em amplitude, torna-se prudente aumentar a freqüência de coleta de dados. A degradação do rolamento é normalmente linear por um período de tempo e pode ser acompanhada em um gráfico de tendência, mas com o encurtamento da vida em serviço, tal degradação torna-se não linear. No ESTÁGIO TRÊS o rolamento está chegando ao estado terminal. Os espectros de FFT mostram a freqüência fundamental de defeito e os harmônicos começarão freqüentemente a indicar bandas laterais do rolamento na velocidade de rotação do eixo. Isto é particularmente verdade para a BPFI (Freqüência de Passagem de Esfera na Pista Interna) onde o defeito passa através da zona de carga do rolamento. A vibração aumenta como a passagem através do defeito na zona de carga e o sinal é modulado, produzindo as bandas laterais da rotação. O sinal BPFO (Freqüência de Passagem de Esfera na Pista Externa) geralmente tem carregamento constante

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do rolamento até que a amplitude das folgas do rolamento, desbalanceamento, desalinhamento ou flexão do eixo modulem o sinal de defeito resultando freqüentemente em bandas laterais na velocidade de rotação. Por exemplo, usando um BPFO de 107.6 Hz em um eixo que gira a 30 Hz, as bandas laterais estarão a 77.6Hz e 137.6Hz (107.6 + 30 e 107.6 - 30) e o segundo harmônico terá bandas laterais a 185.2 Hz e 245.2 Hz. (215.2 + 30 e 215.2 - 30). A futura progressão do dano gerará bandas laterais adicionais a 2x velocidade de rotação (47.6 e 167.6). Quando houver superposição das bandas laterais, os espectros tornar-se-ão mais difíceis de ser analisados. Mas tome cuidado, o rolamento está nos últimos dias de sua vida e deveria ser substituído o mais cedo possível. Durante o ESTÁGIO TRÊS além das informações do espectro, as amplitudes globais fornecem sintomas da condição da pista do rolamento. No ESTÁGIO QUATRO - Neste momento a vida de serviço é extremamente curta e requer ação corretiva imediata. Tal estágio é caracterizado freqüentemente no domínio espectral da velocidade ou aceleração como amplitudes “monte de feno” (ruído de banda larga) na região de defeito do rolamento. Nos espectros de envelope de aceleração irão aparecer componente de freqüência de defeito com altas amplitudes, como também bandas laterais de velocidade 1x, 2x (indicando folgas) sobre a BPFO e no caso extremo, aparecerão freqüentemente componentes de defeitos de gaiola.

3.4. SETUP PARA ENVELOPE DE ACELERAÇÃO

Deve-se selecionar o filtro em Input Filter Range, procurando escolher um filtro que, de preferência, contenha da segunda harmônica para frente, deixando-se a fundamental fora do filtro. Isto evita que um rolamento em bom estado se destaque na medição de envelope.

Exemplo: Freqüências esperadas de defeito do rolamento 22230CC – 1725,6 rpm Fonte Atlas SKF:

Inner ring speed RPM 1725,60 Inner ring defect frequency Hz 311,34 Outer ring defect frequency Hz 235,10 Rolling element defect frequency Hz 199,19 Inner ring rotational speed Hz 28,76 Cage rotational speed Hz 12,37 Rolling element rotational speed Hz 99,59

O software/coletor CMVA SKF Microlog possui 4 filtros para a medição de envelope: 5-100 Hz; 50-1khz; 500-10 Khz; 5K-40 Khz, conforme mostrado na figura abaixo.

Figura 16: Filtros para medição de envelope

Para a escolha do melhor filtro para a detecção do problema deve-se procurar colocar dentro do filtro a partir da segunda harmônica, excluindo a primeira harmônica do componente de interesse.

No caso acima, tendo interesse, por exemplo, na pista externa, sua freqüência esperada de vibração é: Outer ring defect frequency (Hz) : 235,10. Relacionando esta freqüência com os

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filtros, temos que dois filtros envolvem a primeira harmônica. O terceiro e o quarto filtro não cobrem esta freqüência (primeira harmônica), portanto, a escolha é pelo terceiro, que é o mais próximo, dentro do qual a energia será maior. A escolha pelo fundo de escala (END FREQUENCY) será feita com o objetivo de detectar-se pelo menos até a terceira harmônica. Neste caso, 3 x 235.10 = 705.3 Hz. Um fundo de 800 Hz cobrirá as freqüências de defeito da pista externa. A figura abaixo mostra a tela do Setup do envelope. A medição realizada em Pico-a-pico garante uma melhor performance da técnica, detectando antecipadamente o surgimento de problemas.

Outros tipos de problemas também são confirmados em análise de envelope, como desalinhamentos, desbalanceamentos, folgas, falta de rigidez mecânica, etc.

4. VIBRAÇÕES EM ROLAMENTOS COM BAIXAS ROTAÇÕES

4.1. TÉCNICAS UTILIZADAS Vários métodos já foram utilizados para tentar-se monitorar com sucesso baixas e baixíssimas rotações: deslocamento, trigger externo, etc. Estas técnicas não são descartadas, porém não oferecem toda a segurança necessária para a garantia de um correto e seguro diagnóstico, em monitorações que devem ser feitas cada vez em menor tempo. Abaixo de 10 rpm pode-se tratar de baixíssimas rotações, localizando-se então a faixa problemática para a monitoração. Estas regiões apresentam ruídos significativos, tornando distorcidos os dados coletados. Não é proibido utilizar deslocamento simplesmente, ou velocidade, uma vez que o objetivo é resolver o problema e diagnosticar o defeito, sendo assim, tudo é válido. Porém o uso da técnica mais adequada evitará perda de tempo e dará maior confiança na diagnose. Duas maneiras de monitoramento são bastante úteis em se tratando de baixas e baixíssimas rotações: aceleração pico-a-pico real, envelope no domínio do tempo.

Figura 17: Setup para análise de envelope

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4.1.2. ENVELOPE NO DOMÍNIO DO TEMPO A utilização da análise de envelope para baixas rotações é um tanto definidora, sendo que para baixas rotações temos o primeiro filtro (5-100 Hz) como o melhor para as medições das freqüências de interesse. Tem-se notado que em alguns casos de baixíssimas rotações (abaixo de 1 Hz - 60 rpm) apenas o sinal de envelope no domínio do tempo mostra-se eficiente. A melhor maneira de visualizar uma baixíssima freqüência está na plotação do envelope no domínio do tempo, pois as freqüências de interesse aparecem praticamente em cima do eixo das amplitudes quando plotado o espectro no domínio da freqüência.

4.2. CONFIGURAÇÃO ENVELOPE Calculando o RANGE no domínio do tempo: Freqüência – 6,5 RPM F = 1 / t 0,1083 Hz = 1 / t t = 1 / 0,1083 tempo = 9,23 Seg. Para perceber a presença de 1 ciclo é necessário um tempo de exposição de 9,23 segundos, porém precisamos pelo menos de 3 ciclos, desta forma multiplicamos este tempo por 3 e em seguida calculamos o range adequado. 9, 23 seg. x 3 ciclos = 27,69 seg (arredondar para 28 seg. para enxergar os 3 ciclos completos) r = l / t r = 1600 linhas / 27,69 seg. r = 57,78 (arredondar para 55). range = 55

4.3. CASO PRÁTICO Realizou-se um estudo das vibrações de um mancal com rolamento que gira com 1,32 rpm (0,022 Hz), sendo seu motor de acionamento WEG tipo 132S, o redutor principal SEW, e a rotação de Saída dos redutores secundários: 116,4 RPM (1,94 Hz). Existe no processo um ataque de vapor de ácido aos rolamentos, sendo que os componentes mais prejudicados são os retentores e algumas gaiolas. Outros dados importantes: Rolamentos lado redutor: Rolamento Y Rolmáx 3095/UCR 219. Rolamentos lado oposto ao redutor: Rolamento Y Rolmáx 217-800. Estes dados são imprescindíveis para calcularmos as freqüências de defeito esperadas deste rolamento:

F = Freqüência (Hz) t = Tempo (seg)

r = range l = n. de linhas t = Tempo (seg)

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FREQÜÊNCIA DE DEFEITO PARA ROLAMENTO UCR 219 (MANCAIS LADO REDUTOR)*: Pista Interna................................0,13 Hz Pista Externa..............................0,09 Hz Elementos Girantes....................0,12 Hz Gaiola..........................................0,01 Hz

FREQÜÊNCIA DE DEFEITO PARA ROLAMENTO UCR 217 (MANCAIS LADO OPOSTO)*:

Pista Interna...............................0,14 Hz Pista Externa..............................0,10 Hz Elementos Girantes...................0,14 Hz Gaiola.........................................0,01 Hz

* Cadastrados e calculados p/ rotação de 1,32 rpm no software F.A.M. (Frequency Analisys Module - SKF). As medições foram realizadas com o coletor de dados CMVA10 SKF.

Figura 18: Coleta correta, mostrando freqüência de elemento girante

Por se tratar de uma freqüência bastante baixa, ela só foi detectada neste espectro. Nota-se a seleção do fundo de escala (END FREQUENCY) em 50 Hz, tornando impossibilitada a visualização da freqüência do elemento. Este rolamento foi trocado.

Verificou-se deformações dos elementos girantes, causando folga excessiva. Houve falha da vedação (retentor e capa do rolamento). Após troca pôde trabalhar sem perturbações quanto à vibração.

5. MODULAÇÕES

freqüência de elemento girante

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Por termos mais de uma fonte de vibração, ocorrem “interferências“ entre todas as ondas, que são produzidas pelas diferentes partes do equipamento. Tanto uma onda de baixa freqüência pode modular uma de alta freqüência como uma de alta freqüência pode modular uma de baixa. A fonte de maior energia predominará, sendo que as duas freqüências estarão visíveis no espectro.

Figura 19: Modulação de alta freqüência. Temos a portadora de 60 Hz e a modulante de 1113.04 Hz.

Figura 20: Portadora de 1629.01 Hz e modulante de 120 Hz.

120 Hz

60 Hz

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Figura 21: Modulação de baixa freqüência (120 Hz) em um sinal de 1991 Hz.

6. ANÁLISE DE REDUTORES 6.1. ANÁLISE DE ENGRENAMENTO É sabido que vibrações no engrenamento proporcionam vibrações na freqüência calculada por número de dentes vezes a rotação do eixo e harmônicos. Para saber-se qual eixo contém a engrenagem com defeito (pinhão ou engrenagem), observa-se a presença de bandas laterais em torno desta freqüência de engrenamento, conforme figura abaixo.

Figura 22: Freqüência de engrenamento com bandas laterais de 1x rpm do eixo problema.

Fe = Z x rpm

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Figura 23: Engrenamento com pitting. Detecção através da análise de vibrações.

Exemplo 1: Para um eixo pinhão que rotacione em 130 Hz, e possua 31 dentes, teremos uma freqüência de engrenamento de 4030 Hz. Encontrando-se vibração em 4030 Hz, com bandas laterais de 130 Hz, comprova-se uma excentricidade do eixo pinhão, provocando deficiência no contato do engrenamento. Esta vibração com relação à freqüência de engrenamento é apresentada de acordo com o tipo de problema existente no equipamento. Uma folga no eixo pinhão provocará uma vibração de 1x rpm e harmônicos deste eixo, além de 1x freq. engrenamento e harmônicos. Um eixo desalinhado pode provocar uma elevação da 2ª harmônica do engrenamento, além do surgimento da 3ª harmônica. Bandas laterais podem ou não surgir em torno destas freqüências, dependendo da gravidade do problema. Exemplo 2: Um caso prático das vibrações na freqüência de engrenamento pode ser comprovado na seqüência do trabalho a seguir, onde foi-se “desalinhando” e “realinhando” o eixo pinhão e registrando-se as vibrações geradas por este problema. Vibrações elevadas neste acionamento são repassados para a peça a ser usinada, causando rugosidade elevada na sua superfície e provocando a rejeição pelo controle de qualidade.

Figura 24: Engrenamento (121.5 Hz) e espectro mostrando a supremacia da segunda harmônica do engrenamento.

Este equipamento apresenta a engrenagem intermediária com “pitting” em alguns dentes, diagnosticada através dos níveis de vibração encontrados na freqüência de engrenamento. Sucessivas tentativas de baixar os níveis de vibração na freqüência de engrenamento mostraram aumentos das harmônicas superiores, sem a queda esperada da primeira harmônica.

E1

E2

ENGRENAMENTO E1 = E2 = 121,5 Hz

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Na figura abaixo temos a amplitude da segunda harmônica maior que a primeira, mostrando que um desalinhamento do eixo pinhão provoca tal sintoma. Novas posições no eixo de entrada (inferior na figura), mostraram que além do agravamento do desalinhamento, um engrenamento defeituoso aumenta o número de harmônicas do engrenamento.

Figura 25: Harmônicos de 1x engrenamento.

A figura a seguir mostra o aumento das harmônicas de 1x freqüência de engrenamento,

devido ao desalinhametno do eixo de acionamento (pinhão) e engrenamento defeituoso. É sabido que um problema em uma engrenagem deve ser corrigido atuando-se no par

engrenado, e não se consegue a melhora com outro tipo de correção. Neste caso específico, o acionamento foi substituído, passando a ser feito por corrente dentada que absorve os choques que possam surgir com a operação.

Figura 26: Medição após a intervenção. Desaparecimento da freqüência de engrenamento

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A prática de análise de vibrações tem demonstrado que em redutores pesados onde há desgastes nos dentes, as vibrações se apresentam na primeira harmônica do engrenamento, em princípio; passando apresentar aumento da amplitude da segunda harmônica, a medida que o problema se agrava, chegando a apresentar apenas a segunda harmônica num estágio avançado do defeito.

6.2 - GHOST

Por algumas vezes, em situações de trabalho onde tem-se uma região da engrenagem deteriorada, as vibrações são geradas em freqüências que aparentemente não se correlacionam com o engrenamento. São freqüências diferentes daquelas geradas pelo engrenamento, e também diferentes de harmônicos dos componentes do sistema. Não é incomum o analista se achar em situação embaraçosa para finalizar diagnósticos.

Um engrenamento defeituoso pode gerar freqüências diferentes, relacionadas a um setor defeituoso da engrenagem. Tal freqüência é chamada de “Ghost”, exatamente por dar a impressão de que ela não tem ligação com nenhuma parte da máquina.

O cálculo do número de dentes defeituosos é feito por: Zd = Setor de dentes defeituosos da engrenagem problema. G = Freqüência Ghost Fe = Freqüência de engrenamento rpm = rotação do eixo que contém a engrenagem problema

Exemplo: Supondo o engrenamento conforme a figura a seguir.

Este sinal mostra uma freqüência de 377 Hz, que a primeira vista não tem relação com o engrenamento. O cálculo da freqüência Ghost é usado neste estágio da análise, e não no levantamento das freqüências esperadas.

Pela fórmula do Ghost, temos: Zd = IG - FeI / rpm (ou Hz) O que tem-se que verificar é a relação da freqüência encontrada com o Ghost. Portanto:

Zd = I 377 - 299 I = 6

13

Zd = I G - Fe I / rpm (ou Hz)

E2 = 299 Hz

E1 = 690 Hz

4.74 Hz

30 Hz

63 dentes

23 dentes

13 Hz

53 dentes

23 dentes

299 Hz 377 Hz

Figura 27: Engrenamento

e ilustração do espectro de vibração para um Ghost.

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Este número, por ser inteiro, indica um setor de dentes defeituosos da engrenagem que possui um engrenamento em 299 Hz e que gira em 13 Hz, portanto, apontando para o pinhão de saída. Só ele gira em 13 Hz e possui engrenamento em 299 Hz.

A freqüência Ghost pode surgir tanto à direita como à esquerda da freqüência de engrenamento, por isso é utilizado o módulo no cálculo de G - Fe. A diferença entre o Ghost e a freqüência do engrenamento aparecerá no espectro de envelope, confirmando o problema de engrenamento.

Fig. 28 - Caso: Redutor do Acionamento da Prensa de Celulose.

A freqüência de engrenamento calculada é 241,25 Hz, porem a freqüência que está predominando nos espectro é a do Ghost é 220,31 Hz. Nos espectros de envelope detectamos a freqüência de 20,93 Hz que é a diferença entre a freqüência do engrenamento e do Ghost, confirmando os cálculos do defeito. Através deste calculo podemos afirmar que o defeito esta na coroa do 2º par engrenado e o defeito se localiza em 6 dentes da engrenagem de 69 dentes.

7. BATIMENTO Batimento ocorre quando duas fontes de vibração com freqüências diferentes entram em fase. As vibrações são somadas e subtraídas a cada 360° graus. Imaginando dois vetores. como por exemplo os ponteiros de um relógio. Imaginemos que são dois vetores, com intensidades diferentes, e girando com freqüências diferentes: VETOR H VETOR M VETOR RESULTANTE

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Figura 29: Batimento. Representação vetorial do fenômeno.

As velocidades angulares são diferentes e portanto um vetor ultrapassará o outro de tempos em tempos. Tendo os vetores intensidade M e H, a resultante variará entre M+H até M-H. A pior situação ocorrerá quando H estiver na mesma direção de M: M+H, e a melhor quando tivermos M a 180° de H: M-H. A equação que descreve este movimento é dada por:

x = M. sen mt + H. sen ht

A freqüência do batimento é dada por:

fb = (m - h) / 2 = f m - f h

O exemplo abaixo mostra dois equipamentos com rotações diferentes e com pontos pesados. A cada passagem de um vetor pelo outro acontece uma inversão na fase de 180°.

Figura 30: Polias com desbalanceamentos e rotações diferentes.

É o resultado de duas freqüências muito próximas entrando e saindo de sincronismo. Com isso as amplitudes de vibração aumentam quando as freqüências entram em fase e diminuem quando as freqüências estão defasadas em 180°. O efeito do Batimento é transitório por isso produz um ruído modulado e característico. O poder destrutivo do Batimento é pequeno se comparado com o da ressonância.

1 2 3

4 5 6

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O exemplo abaixo se refere a um sistema de Transferência de Óleo de uma Plataforma de petróleo composto por cinco bombas. Motor GE, modelo 48.5632.221, potência de 200 cv e rotação de 3570 RPM. Bomba ULZ, modelo HZZ102-5321, nº palhetas 6, acoplamento Falk. Com a tentativa de melhorar as vibrações que ocorriam nas bombas devido a cavitações, problemas de processo e falta de rigidez da base, foi soldado uma chapa de 1” nas bases unindo todas as bomba, com isso houve grande evolução nas vibrações e também o surgimento o efeito Batimento. Demonstraremos abaixo espectros de vibrações coletados em vários momentos durante o efeito do Batimento. As coletas foram feitas utilizando a técnica do Pk-Hold.

Fig. 31 - Como podemos

observar o 1° espectro é no instante que as freqüências estão defasadas em 180°

Fig. 32 - No 2° já percebemos

um aumento nas amplitudes com a aproximação das fases

Fig. 33 - No 3° temos a maior

amplitude quando as freqüências estão em fase somando suas energias.

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8. ENSAIOS DE RESSONÂNCIA

Ressonância é o fenômeno que ocorre quando a freqüência das vibrações forçadas de um objeto se iguala à freqüência natural do mesmo, o que produz num crescimento da amplitude.

8.1. FREQÜÊNCIA NATURAL Todas as máquinas apresentam três características fundamentais que se combinam, determinando como a máquina irá reagir às forças que excitam a vibração. Essas características são: a rigidez, a massa e o amortecimento. São os efeitos combinados das forças retentoras de rigidez, massa e amortecimento que determinam como o sistema irá responder a uma determinada força de excitação de vibração. Em outras palavras a força de excitação está sempre em equilíbrio com as forças retentoras.

Como a força de inércia aumenta proporcionalmente com o quadrado da freqüência da força excitadora, haverá uma freqüência específica na qual as forças de inércia e rigidez vão se tornar iguais em magnitude. E como as forças retentoras de rigidez e inércia estão defasadas de 180 graus, elas literalmente se anulam mutuamente. Como resultado, para uma determinada força excitadora, o sistema apresentará uma amplitude de vibração muito mais alta nessa freqüência específica, permanecendo apenas a força de amortecimento para manter a resposta do sistema. A freqüência na qual as forças de rigidez e inércia têm igual magnitude e na qual ocorre a mais alta amplitude de vibração denomina-se freqüência de “ressonância”. Existem várias maneiras de se confirmar se um sistema ou uma parte deste está ou não vibrando em ressonância.

Por todo corpo possuir uma freqüência natural característica, devido à sua forma construtiva e à sua fixação no local de trabalho, às vezes torna-se necessário identificá-la. Há casos em que a freqüência natural é excitada em trabalho, constituindo problema e provocando danos mais graves ao sistema.

Figura 34: Freqüência natural excitada durante o processo.

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Além dos cálculos referentes a cada equipamento, existem técnicas que tornam mais rápida e real a localização destas freqüências “in loco”. São ensaios de ressonância estáticos e dinâmicos e que podem ser feitos sem complicações.

8.2. ROTAÇÃO CRÍTICA

Todos equipamentos possuem muitas freqüências próprias de vibração, ou freqüências ressonantes. Um conjunto rotor pode ser destruído, se for submetido a uma excitação externa constante de freqüência idêntica à freqüência ressonante do conjunto rotor. No caso de máquinas rotativas, esta freqüência ressonante é conhecida como rotação crítica. Muitos equipamentos são projetados de modo que seus conjuntos rotores tenham rotação de serviço abaixo ou acima da primeira rotação crítica. É recomendado que a primeira rotação crítica se situe 50% acima ou 50% abaixo da rotação de serviço de um conjunto rotor.

8.3. ENSAIO ESTÁTICO

No ensaio de ressonância estático é possível identificar a freqüência natural de uma máquina ou estrutura para esta condição. O objetivo deste ensaio é excitar a freqüência natural através de uma batida, com martelo ou algo semelhante e preparar o aparelho de medição para captar as freqüências excitadas.

8.3.1. PREPARANDO MICROLOG 1 CANAL: No menu Analyzer, selecione Input Setup e no campo Type selecione a opção Acceleration, Esta seleção é devido ao uso do acelerômetro como captador do sinal, portanto não haverá integração do sinal. Selecione Full Scale: 10 Gs, no caso ocorrer overload durante a coleta aumente o fundo de escala. Selecione agora Spectrum Setup. Todo a configuração deste menu encontra-se na figura abaixo, sendo importante selecionar Average Type: Pk Hold; Average mode: cont. e Window: uniform. A medição Pk Hold registra o maior valor ocorrido em cada frequência.

Selecione Display Setup; Trace: Dual, medindo em FFT e tempo e mostrando as duas medições na tela do coletor. Selecione Trigger Setup no menu Analyzer, este menu é muito importante para registrar o espectro do ensaio, pois o coletor precisa estar preparado e medir após o impacto. Selecione Trigger Mode: Trigger, esta opção fará o coletor aguardar e só coletar quando a amplitude do sinal atingir 20% do fundo de escala (no exemplo).

Lines: 400 Freq. Type: Freq. Start Freq: 0 Maximum Freq: 500 Number of averages: 1 Average Type: Pk Hold Average Mode: Cont. Average Overlap: None

Window: Uniform

Spectrum Setup

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Selecione Trigger Delay: -50 milisegundos. É um pré-filtro, que ajustará o display para -0.050 segundos de antes da batida. A mensagem NO TRIGGER aparecerá no visor, até que seja dada a batida. A mensagem NO TRIGGER deverá desaparecer quando a batida for aplicada com a força suficiente. Após o impacto a onda aparecerá no display. Poderá demorar alguns minutos, dependendo do sistema e de todo o Setup utilizado. É interessante a realização de 3 ou 4 vezes o mesmo ensaio, certificando-se assim que as mesmas freqüências estão presentes em todos os ensaios. É importante, também, a realização de uma medição em “free run” para o registro do espectro de fundo.

Trigger Mode: Trigger Trigger Source: Input Input Trigger Slope: + Input Trigger Level: 20 %FS Trigger Delay: -50 ms Pulses/Rev: 1.0

Lenght/Rev: 1.0

Trigger Setup

Figura 35: Ensaio de ressonância Estático FFT

Figura 36: Ensaio de ressonância Estático Time

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8.4. ENSAIO DINÂMICO Assim como temos freqüências naturais do equipamento estático, também a temos quando este se encontra em regime de trabalho. Para o registro destas freqüências pode-se usar a técnica “Pk Hold”. O Pk Hold é feito na subida e na descida de rotação do equipamento, registrando-se os maiores eventos em cada freqüência. Tanto na subida quanto na descida, as zonas de ressonância serão registradas. Este ensaio permite que durante o funcionamento da máquina avalie-se a passagem por freqüências naturais ou a proximidade da rotação de trabalho de alguma ressonante.

8.4.1. PREPARANDO MICROLOG 1 CANAL:

No menu Analyzer, selecione Input Setup e no campo Type selecione a opção Aceleração p/ Velocidade, Esta seleção é devido ao uso do acelerômetro como captador do sinal, portanto não haverá integração do sinal. Selecione Full Scale: on, Selecione agora Spectrum Setup. Todo a configuração deste menu encontra-se na figura abaixo, sendo importante selecionar Average Type: Pk Hold; Average mode: cont. e Window: Hanning. A medição Pk Hold registra o maior valor ocorrido em cada freqüência.

Selecione Display Setup; Trace: Dual, medindo em FFT e tempo e mostrando as duas medições na tela do coletor. Selecione Trigger Setup Toda a configuração deste menu encontra-se na figura abaixo

Lines: 400 Freq. Type: Freq. Start Freq: 0 Maximum Freq: 100 Number of averages: 40 Average Type: Pk Hold Average Mode: Cont. Average Overlap: None

Window: Hanning

Spectrum Setup

Trigger Mode: Free run Trigger Source: Input Input Trigger Slope: + Input Trigger Level: 0 %FS Trigger Delay: 0 ms Pulses/Rev: 1.0

Lenght/Rev: 1.0

Trigger Setup

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Figura 37: Ensaio Pk Hold. Equipamento parando.

1º PASSO: > ANTES DE DETERMINAR A FREQUÊCIA NATURAL É NECESSÁRIO FAZER O ESPECTRO DE FUNDO COM O MODO DE DISPARO LIVRE (FREE RUN).

9. ANÁLISE DE ORDEM

9.1. CONCEITOS E FUNDAMENTOS Quando diante de casos que necessitam de estudos mais, detalhados temos alguns recursos que podem ser utilizados com sucesso. Na análise de ordem podemos acompanhar o comportamento das harmônicas e sub-harmônicas da rotação, gravando o comportamento das componentes durante a partida ou parada do equipamento. Acompanhando a evolução dos componentes múltiplos da rotação poderemos perceber a existência de freqüências naturais em regiões que a rotação não atingirá.

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Esta gravação pode ser via gravador ou mesmo via coletor de dados (por exemplo CMVa55, CMVA10 da SKF), aparecendo no espectro apenas a rotação e seus múltiplos. Caso a opção seja por um gravador tipo DAT ( figura 38 ), o sinal será gravado em fita cassete e depois processado quantas vezes forem necessárias. Isto oferece a vantagem de “partir-se” e “parar-se” a máquina sem interferência na produção. No caso de execução com coletor de dados, deverá ser realizada a análise de ordem “in loco”.

9.2. SUBIDA E DESCIDA DE ROTAÇÃO

CASO 1: Utilizando um coletor de dados CMVA55 SKF, para a coleta e plotagem dos gráficos, durante a partida e parada de um motor de um esmeril, que trabalha em 3600 rpm, teremos via software, a tabela de freqüências x amplitudes, que possibilitará a montagem do gráfico de subida e descida de rotação. A configuração do coletor CMVA55, pode ser feita conforme segue: Selecionar a opção INPUT SETUP no menu ANALYSER:

TYPE ACC TO VEL FULL SCALE 30 MM/S * DETECTION RMS INPUT 98,0 MV/EU LOW FREQ. CUT OFF 3,0 Hz RPM 60 Hz

Figura 38: Gravador digital (DAT) para gravação do sinal de vibração. Pode ser usado

simultaneamente com um coletor de dados.

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* A escolha do FULL SCALE é válida quando o campo AUTO RANGE estiver em “OFF”. Caso esteja em ON o FULL SCALE se ajusta automaticamente, independente do valos anteriormente definido.

Selecionar UTILITIES: Entrar em SYSTEM SETUP e selecionar no campo AUTO RANGE: “ON”.

LINES 400 * MEASUREMENT TYPE ORDERS NUMBER OF ORDERS 10 ** NUMBER OF AVERAGES 10 AVERAGE TYPE AVERAGE AVERAGE OVERLAP CONTINUOUS WINDOW HANNING

*400 linhas: menor número de linhas acelera a coleta, que neste caso é importante. ** 10 orders: número de harmônicos da rotação que se quer no espectro.

Selecionar TRIGGER SETUP no menu ANALYSER:

TRIGGER MODE TRIGGER TRIGGER SOURCE EXTERNAL * INPUT TRIGGER SLOPE + INPUT TRIGGER LEVEL 0 % FS TRIGGER DELAY _______ms PULSES / REV 1 ** LENGTH / REV 1

* Trigger source: external, é necessário um trigger externo, para “informar” o coletor a freqüência da rotação.

** Caso se queira Ter no espectro sub-harmônicas, selecionar no campo PULSES / REV: 2, 3 e assim por diante.

Executando-se TAKE DATA, iniciará a medição. É importante iniciar a medição antes de parar ou partir o equipamento em estudo, garantindo assim que a coleta comece com a condição inicial (repouso ou rotação de trabalho).

Para gravar a medição, pressione a tecla [SAVE]. As coletas consecutivas possibilitam as gravações dos espectros conforme as figuras 30,

31, e 32 a seguir.

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Figura 39: Rotação = 57,36 Hz, 1xRPM e harmônicos

Figura 40: Rotação em 33,80 Hz. Nota-se no domínio do tempo a ausência de outras fontes de vibração

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Figura 41: Rotação em 29,38 Hz.

Na figura 42 temos a tabela formada pelos valores obtidos nos ensaios de parada do motor em estudo, acompanhando 1xRPM. É a Análise de 1a ordem.

Figura 42: Dados coletados em Análise de ordem utilizando CMVA55 SKF

Plotando-se os valores das amplitudes x freqüências obtidos neste ensaio, tem-se gráfico conforme figura 43, que mostra claramente o que acontece com a componente 1xRPM, desde a rotação de trabalho (3600 RPM) até o momento em que ele para por completo.

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Figura 43: Acompanhamento de 1xRPM. Parada do equipamento ( freqüência x amplitude )

Nota-se uma região de ressonância localizada em torno de 40 Hz ( 2400 RPM ), pois é a região onde a vibração em 1xRPM atinge os maiores valores. Isto é útil para a eliminação das vibrações durante o processo de produção.

CASO 2:

Através da ANÁLISE DE ORDEM, realizada com gravador tipo DAT (ver figura 44), acompanhamos a evolução das componentes em 21xRPM e 22xRPM de um pinhão de moinho, com o objetivo também de estudar como a componente de 72,48 Hz é formado, sendo múltiplo exato de 21xRPM. Os gráficos das figuras 44, 45, 46 e 47 mostram os resultados do ensaio.

Figura 44: 21xRPM com motor 1 + motor 2 ligados

Figura 45: 22xRPM com motor 1 + motor 2 ligados

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Figura 46: 21xRPM com motor 2 ligado

Figura 47: 22xRPM com motor 2 ligado

A figura 44 e 45 apresentam o ensaio realizado com carga. O componente 21xRPM alcança amplitude máxima em 72,40 Hz de 21,25 mm/s RMS, o componente 22xRPM alcança amplitude máxima em 73,75 Hz de 17,36 mm/s RMS. A componente 22xRPM apresenta valores surpreendentes ao passar por 73,75 Hz, comparados a valores em torno de 1,0 mm/s RMS, quando ela estaciona em 75,85 Hz. As figuras 46 e 47 apresentam o ensaio realizado com 10% de carga. O componente 21xRPM alcança amplitude máxima em 72,40 Hz de 6,46 mm/s RMS. A componente 22xRPM alcança amplitude máxima em 72,49 Hz de 2,81 mm/s RMS. Estes ensaios permitiram localizar uma freqüência natural existente no pinhão, em uma posição bastante superior à sua rotação de trabalho (em torno de 3,45 Hz), ao constatar-se a passagem tanto da 21a quanto da 22a harmônica pela região de ressonância.

10. AMOSTRAGEM SÍNCRONA COM TRIGGER EXTERNO

10.1. CONCEITOS E FUNDAMENTOS

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Quando temos a boa performance de componentes de uma máquina de baixa rotação afetada por algum problema de origem mecânica, a localização da falha é difícil exatamente por envolver baixas freqüências. Em um mancal temos a vibração global, que é a soma de todas as fontes influentes neste mancal. Esta técnica é importante ferramenta na separação das fontes de vibração, quando um sinal é composto por várias perturbações. Geralmente, o transdutor usado para fazer média no tempo síncrona é um acelerômetro, podendo também ser utilizado um sensor de proximidade. O fotosensor é obrigatório. A figura a seguir mostra um Kit de fotosensor da SKF.

Figura 48: Kit fotosensor SKF para medição com trigger externo

Especialmente quando temos duas fontes de vibração próximas e com freqüências também bastantes próximas, a técnica da amostragem síncrona diferencia a fonte problema. Média no tempo é uma medição dos componentes que coincidem com a rotação da máquina tendo como referência um sinal de luz que é emitido de um trigger externo para uma marca no eixo. Ruídos e sinais que não coincidem com a rotação não ficam na medição. Média no tempo é diferente das medições normais no domínio do tempo é medida e somada antes de acontecer a conversão para FFT. A seleção do componente de interesse é feita com a utilização de uma marca reflexiva em cada parte da máquina que irá ativar um fotosensor direcionado para esta parte. O fotosensor controla o analisador para registrar somente vibrações nas freqüências do componente focado e seus múltiplos harmônicos. No processo de medição de média síncrona é importante o trigger estar bem sincronizado para que o processo de medição seja coerente com a rotação.

Exemplo 1:

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A figura 47 mostra a região de uma prensa de máquina de papel. Nestas regiões são particularmente interessantes as medições de média no tempo com trigger externo, através de fotosensor. Ocorre vibração em um local onde temos três componentes influenciando (rolo superior, rolo inferior e feltro), sendo o feltro de baixa freqüência e os dois rolos com freqüências próximas.

Figura 49: Região de prensa de máquina de papel

Uma montagem em máquina de papel é mostrada na figura a seguir. Tem-se o fotosensor direcionado para o feltro. O acelerômetro é montado no mancal e as vibrações são medidas com o trigger variando de lugar (referência).

Figura 50: Fotosensor instalado e direcionado para o feltro de uma prensa de máquina de papel

A seqüência de medição ocorre na seguinte ordem:

Medição mancal superior. Trigger feltro.

Medição mancal superior. Trigger rolo superior.

Medição mancal superior. Trigger rolo inferior.

Medição mancal inferior. Trigger no feltro.

Medição mancal inferior. Trigger rolo superior.

Medição mancal inferior. Trigger rolo inferior.

Estas medições são feitas com acelerômetro, portanto são medições absolutas. Para a determinação da vibração exatamente da região do NIP, pode-se utilizar um sensor de proximidade para registrar o movimento da prensa. Esta montagem é mostrada na figura 51.

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Figura 51: Sensor de proximidade e fotosensor montados para realização de medição relativa na região do NIP

10.2. SENSORES DE PROXIMIDADE

Estes sensores podem ser utilizados para medições especiais, tanto através de instalações fixas como não fixas. Monta-se o sensor de proximidade no local de interesse e seleciona-se a superfície a ser medida.

10.2.1 COMO FUNCIONA UM SENSOR DE PROXIMIDADE Os transdutores sensíveis ao deslocamento operam sem contato com a superfície a ser monitorada, tendo capacidade de operar em baixas freqüências, proporcionando vantagens adicionais em relação aos outros transdutores. Não apresentam desgastes por atrito. É recomendada a sua utilização em máquinas onde pequenos deslocamentos podem danificar partes girantes, ou onde tais deslocamentos não sejam percebidos na carcaça ou ainda em componentes onde a massa do transdutor pode influenciar na medição. O conjunto de medição com transdutor de deslocamento é formado por componentes que são eletricamente conectados um ao outro, conforme figura 39.

Transdutor de deslocamento com cabo;

Cabo extensão;

Alimentador do transdutor.

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Figura 52: Transdutor de deslocamento. Identificação dos componentes

Este sistema é usado para medições de deslocamento e opera de acordo com o princípio de correntes parasitas, captando vibrações entre 0 e 10 Khz. A bobina do transdutor, cabo de extensão e os elementos do circuito do alimentador formam um circuito oscilante. O transdutor produz um campo magnético ao redor da bobina. Se o material condutor de eletricidade estiver presente no interior do campo magnético, correntes parasitas são geradas destro deste campo, as quais atenuam o circuito oscilador. A atenuação do circuito oscilador é convertida dentro de uma folga proporcional ao sinal de saída do oscilador. Os transdutores de deslocamento devem ser fixados preferencialmente em partes de máquinas que não interfiram no resultado da medição através de suas freqüências naturais. Ao fixar-se um transdutor, deve-se, precisamente, seguir os requisitos relacionados abaixo:

10.2.2. ESPAÇO LIVRE E DISTÂNCIA MÍNIMA Transdutores de deslocamento produzem campos de alta freqüência e, se algum condutor de eletricidade estiver presente dentro desde campo, ele irá interferir na medição, fornecendo valores falsos. Esta distância é chamada de GAP. Este ajuste é dado a partir da relação:

200 mV = 7,87 V mils mm

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Figura 53: Ponta do transdutor

Figura 54: Distância para o final do eixo. Medição

Figura 55: Montagem do sensor de proximidade

Segundo fabricantes, o limite inferior é de 10 mils (250 m), o que equivale a 2 volts pico-a-pico. Nos mancais axiais, o posicionamento correto é uma distância de 50 mils (1,27 mm), o que eqüivale a 10 volta pico-a-pico. O efeito da temperatura e o material do eixo também devem ser levados em consideração, porque alteram a condutibilidade do material do eixo.

Mínimo diâmetro de controle

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A capacitância do cabo, ou seja, a sua retenção de energia também influencia na sensibilidade, sendo este valor proporcional ao comprimento do cabo. O fabricante adota um comprimento padrão, sendo que o cabo não deve ser encurtado e nem aumentado, sob o risco de ocorrer distorção nos valores lidos.

10.2.3. UTILIZANDO O CMVA 10/55/60 SKF Em situações onde se necessita saber o deslocamento entre partes, a utilização do sensor de proximidade é bastante eficaz. Medições de folgas axiais ou radiais em situação de trabalho são facilmente mensuráveis. Seleciona-se deslocamento, no campo ANALYSER, INPUT SETUP, TYPE: ACELERATION P/ DISPLACEMENT. A sensibilidade do sensor de proximidade (200) deve se selecionada digitando-se.

Exemplo: Se quiser medir o deslocamento axial (folga axial) de um eixo de um gerador, com relação ao mancal, deve-se utilizar este tipo de medição, que é feita em deslocamento. Com isto pode-se verificar a instabilidade do eixo nesta direção. Ver figuras 56 e 57.

Figura 56: Sensor de deslocamento montado em eixo de gerador na direção axial

Pode-se utilizar o sensor de proximidade para uma medição relativa entre uma máquina e o piso, por exemplo, conforme croqui da figura 57. Este tipo de medição pode ser útil quando se trata de identificar a freqüência para a confecção de isolação.

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Figura 57: Posicionamento para medição relativa entre máquina e piso

As medições apontam baixas freqüências, neste caso utilizadas para a confecção de isoladores de vibração especiais, que evitam transmissões das vibrações.

Figura 58: Espectro obtido com sensor de proximidade, mostrando vibração em 2,46 Hz,

Deslocamento do equipamento com relação ao solo. Freqüência a ser isolada

A figura 59 mostra a configuração para a realização da média no tempo com trigguer externo utilizando o coletor / analisador CMVA55 da SKF.

INPUT SETUP

TYPE ACEL p/ VELOC

FULL SCALE 10

DETECTION PK a PK ou RMS

INPUT 98 MV / EU

LOW FREQ. CUT OFF 3

RPM 1780

SPECTRUM SETUP

LINES 400

FREQÜÊNCIA TYPE ORDERS

NUMBER OF ORDER 30

NUMBER OF AVERAGE 40

AVERAGE MODE TIME SYNC

AVERAGE OVERLAP NONE

WINDOW UNIFORM

TRIGGER SETUP

TRIGGER MODE TRIGGER

TRIGUER SOURCE EXTERNAL

INPUT TRIGGER SLOPE +

INPUT TRIGGER LEVEL 0

TRIGGER DELAY 0 MS

PULSES / REV 1

LENGHT / REV 1

DISPLAY SETUP

TRACE Dual

SCREEN 1 Magnitude

SCREEN 1 Time

PHASE TYPE 0 – 360

CURSOR TYPE CROSS

X AXIS LABEL 3

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Figura 59: Telas para configuração do coletor / analisador CMVA55 SKF

Figura 60: Média síncrona com trigger externo

11. MONITORAÇÃO DE MÁQUINAS COM ROTAÇÃO VARIÁVEL

Todas as componentes serão dadas em função da rotação, porém não serão cortadas outras freqüências, fixando-se o número de linhas na coordenada horizontal. Para isto deve ser utilizada a técnica order, aliada a um trigger externo. Para que os maiores picos ocorridos durante a medição em cada freqüência sejam mantidos no display, utiliza-se a técnica Peak-Hold. A figura 61 mostra um espectro realizado com a técnica Order / Peak-Hold durante a variação de rotação de um motor de 3600 RPM, 50 CV.

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Figura 61: Variação de rotação num motor de 3600 RPM. Análise order / peak-hold

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12. ANÁLISE MAGNÉTICA

12.1. CONCEITOS E FUNDAMENTOS Vibrações em motores elétricos de indução estão relacionadas à problemas mecânicos e magnéticos. Problemas de desbalanceamento, desalinhamento, falta de rigidez mecânica, entre outros, podem alterar o comportamento dinâmico do conjunto, afetando o campo magnético e provocando perturbações elétricas, variando o “air-gap”. Problemas elétricos, como por exemplo, variações da resistência ôhmicas das bobinas do estator, causam a mudança da posição de giro do rotor, se manifestando como um sintoma de desbalanceamento do rotor. E mais, a vibração encontrada no motor é influenciada pelas partes acionadas, como engrenamentos, rolamentos, rotores, etc..., que são transmitidos ao rotor. Alguns testes práticos podem ser realizados no motor em estudo, possibilitando a conclusão do diagnóstico com maior precisão. Por exemplo, teste de desligamento de energia elétrica, pois, se tivermos um problema elétrico, haverá a queda na vibração instantaneamente após a remoção da alimentação. Acompanhando-se no analisador a queda das amplitudes de vibração, a solução poderá ser encontrada.

O esquema da figura 62 ilustra o processo de medição de rotação variável

Figura 62: Análise de rotação variável

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Redução de carga no equipamento acionado causa redução das vibrações mecânicas, porém, se houver problema elétrico, a redução será muito mais significativa. Modulações de amplitude podem indicar combinações de problemas elétrico e mecânico. Freqüências muito próximas podem causar este tipo de problema, se somando e se subtraindo, de acordo com a fase de cada onda.

Figura 63 - Neste micromotor também existem vibrações. Porém, a energia das componentes é bem reduzida.

O rotor do motor não gira com velocidade síncrona, mas escorrega para trás no campo girante. A frequência de escorregamento é a diferença entre velocidade síncrona e a velocidade do rotor. Se o rotor tivesse de acompanhar a velocidade do campo girante, os condutores do rotor não seriam cortados por qualquer fluxo, não haveria corrente induzida e, portanto, nenhum esforço de rotação. Para que haja corrente induzida no rotor é necessário que suas espiras cortem as linhas de força do campo, necessitando de uma diferença (atraso) de velocidade entre rotor e campo girante. A velocidade síncrona depende da alimentação e do número de pólos do motor.

A frequência esperada de escorregamento pode ser definida como sendo o escorregamento

unitário vezes a frequência da linha (alimentação): s = Ns - Nm. fr.

Ns

Os campos girantes avançam em relação ao rotor por 2 polaridades para cada ciclo da frequência de escorregamento. O torque é produzido quando existem forças balanceadas dos dois lados do rotor. Forças de atração desbalanceadas resultam em vibração. Forças desbalanceadas podem ter como fonte variações de corrente ou do air-gap. A tabela abaixo relaciona e compara os problemas e suas causas:

TIPO DE

PROBLEMA

FREQUÊNCIA

SINTOMÁTICA DE

VIBRAÇÃO

CAUSAS TÍPICAS

VARIAÇÃO NO “AIR-GAP” VARIAÇÃO DE

Por exemplo: em um motor de 2 pólos, com fornecimento de energia em 60Hz, com escorregamento de 1%, a rotação do rotor estará em 3564 rpm (59,4 Hz). Em presença de problemas mecânicos e elétricos é esperadas a modulação de amplitude em 59,4 Hz e 60 Hz (1x rpm e 1x frequência da rede) e 118,8 Hz e 120 Hz (2x rpm e 2x freqüência síncrona, respectivamente). Poderá ocorrer também modulação de amplitude de um componente do motor devido à problema magnético.

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CORRENTE

ESTACIONÁRIO

2X FREQÜÊNCIA DA

REDE

EXCENTRICIDADE

ESTÁTICA, FALTA DE

RIGIDEZ DO SUPORTE DO

ESTATOR

FALHA DO

ENROLAMENTO DO

ESTATOR

ROTATIVO

1X RPM, COM 2X

FREQÜÊNCIA DE

ESCORREGAMENTO EM

BANDAS LATERAIS

EXCENTRICIDADE

DINÂMICA, BARRA(S)

SOLTA(S) DO ROTOR.

BARRA(S) DO

ROTOR ROMPIDA(S)

OU QUEBRADA(S).

LAMINADOS DO

ROTOR EM CURTO.

Excentricidade estática refere-se a excentricidade que não se move, por exemplo, devido ao desgaste de um rolamento, folga entre uma tampa e a pista externa de um rolamento, estator deformado, etc. Estas situações produzirão vibração em 2x freqüência da rede (2x 60 Hz, para alimentação padrão, no Brasil). Excentricidade dinâmica move-se com o rotor (por exemplo, devido a um rotor empenado). Isto produzirá uma vibração forçada em 1x rpm e 2x freqüência de escorregamento em bandas laterais em torno de 1x rpm, além de produzir picos em 2x escorregamento em análise de envelope e envelope de espectro de corrente.

Figura 64 - Frequências esperadas de vibração para excentricidade estática (a) e dinâmica (b)

Deve-se ter em mente que em alguns casos práticos temos os dois efeitos e apenas uma causa, sendo que a verdadeira origem da vibração será identificada após a análise de todos os espectros.

2x rede 1x rpm c/ bandas laterais de 2x escorregamento

(a) (b)

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12.2. ENVELOPE DO ESPECTRO DE CORRENTE Em análise de motores elétricos é importante a coleta e verificação dos espectros de corrente (ver apostila ENGEFAZ - MOTORES ELÉTRICOS), para um melhor diagnóstico sobre problema de origem mecânica ou magnética. O desenvolvimento e a técnica da Análise de Envelope pode ser aplicada também com sucesso na medição de corrente. Nesta medição serão detectadas todas as freqüências modulantes dentro do filtro aplicado, que conterá as harmônicas superiores da onda de energia gerada. Para isto, prepara-se o coletor para realizar Envelope de Aceleração, conforme figura 65. Apenas a sensibilidade é mudada, sendo que agora usando um alicate de corrente, a sua sensibilidade é a que deve ser escolhida.

Figura 65: Setup para Análise de Envelope do Espectro de Corrente

O espectro da figura abaixo mostra uma medição de envelope no terceiro filtro, na qual tem-se modulações de harmônicos de 1x rpm do motor.

12.1. ESPECTRO DE CORRENTE – AMPER

Figura 66: Espectro da corrente via

análise de envelope

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É uma técnica executada como rotina de monitoração. Através de um alicate de corrente acoplado ao instrumento que monitora vibração, coleta-se os sinais elétricos provenientes das fases. Esta técnica permite verificar a forma de onda da corrente elétrica em motores e geradores.

Figura 67: Espectro de corrente em função da freqüência

Figura 68: Espectro de corrente em função do tempo. Senóide fundamental.

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Figura 69: Espectro de corrente em função do tempo. Pacote de senóides.

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Apostila Análise de Vibraçao Nível II - Revisao 1