BANCADA DIDÁTICA PARA MANUTENÇÃO PREDITIVA UTILIZANDO ANÁLISE DE VIBRAÇÕES

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA BANCADA DIDÁTICA PARA MANUTENÇÃO PREDITIVA UTILIZANDO ANÁLISE DE VIBRAÇÕES RAÍSSA MARADJA KADYDJA SILVA NATAL- RN, 2018

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA BANCADA DIDÁTICA PARA MANUTENÇÃO PREDITIVA UTILIZANDO ANÁLISE DE VIBRAÇÕES RAÍSSA MARADJA KADYDJA SILVA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheira Mecânica, orientado pelo Prof. Dr. João Bosco da Silva. NATAL - RN 2018

3 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA BANCADA DIDÁTICA PARA MANUTENÇÃO PREDITIVA UTILIZANDO ANÁLISE DE VIBRAÇÕES RAÍSSA MARADJA KADYDJA SILVA Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso Prof. Dr. João Bosco da Silva Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador Prof. Dr. Fabio Dalmazzo Sanches Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno Prof. Esp. Karllyammo Lennon de Souza Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Externo NATAL, 11 de dezembro de 2018.

4 i Dedicatória Dedico este trabalho aos meus pais Maria do Socorro e Deusdete, que com muito esforço me permitiram vencer e me tornar a pessoa que hoje sou. Meu irmão Mikhail, em quem sempre me espelhei e tomei como exemplo a seguir e me fez gostar do universo da engenharia.

5 ii Agradecimentos Agradeço a Deus, minha família e pessoas queridas por sempre me darem forças e motivos para continuar seguindo em frente, ensinando a nunca desistir e sempre lutar pelos meus objetivos. Ao meu orientador Prof. Dr. João Bosco da Silva, que me estimulou e contribuiu para o sucesso deste trabalho. Ao meu professor Karllyammo Lennon por todo o conhecimento ensinado. A todos que direta e indiretamente contribuíram para o sucesso deste trabalho.

6 iii Silva, R. M. K. Bancada didática para manutenção preditiva utilizando análise de vibrações p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, Resumo Este trabalho tem o propósito de elaborar uma bancada didática composta por elementos mecânicos diversos, que será utilizada para realização de atividades práticas sobre o estudo e a simulação das falhas mais comuns presentes em máquinas rotativas, baseado na análise de vibrações, a qual se dará a partir de ensaios na bancada montada em laboratório fazendo uso de um acelerômetro e um coletor e analisador de dados que armazenará as informações as quais serão, posteriormente, interpretadas com o auxílio de um software específico para este fim. Ao observar a presença de frequências características de determinadas falhas mecânicas, diagnósticos poderão ser realizados, bem como planejar a manutenção da mesma. Este tipo de procedimento, que pode ser repetido periodicamente, permite acompanhar o status da máquina e verificar se alguma das frequências característica de falha está surgindo ou aumentando de magnitude. O trabalho também se propõe a apresentar os passos e os métodos utilizados para desenvolver a análise das falhas, fornecendo embasamento teórico e prático, bem como testificar a eficácia da análise ao aplicá-la em ensaios de bancada e compará-los com os resultados esperados pela literatura. Palavras-chave: Bancada, Análise de Vibração, Manutenção.

7 iv Silva, R. M. K. Didactic workbench for predictive maintenance using vibration analysis p. Conclusion work project (Graduate in Mechanical Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, Abstract This papper has the purpose of elaborating a didactic workbench composed of several mechanical elements, which will be used to perform practical activities on the study and simulation of the most common faults present in rotary machines, based on the vibration analysis, which will be done by tests assembled in the laboratory, making use of an accelerometer and a collector and data analyzer that will store the information which will later be interpreted using a specific software for this purpose. When observing the presence of characteristic frequencies of certain mechanical faults, diagnoses can be made, as well as planning the maintenance of the same. This type of procedure, which can be repeated periodically, allows monitoring the status of the machine and checking if any of the fault characteristic frequencies are appearing or increasing in magnitude. The papper also proposes to present the steps and methods used to develop fault analysis, providing theoretical and practical background, as well as to testify the effectiveness of the analysis when applying it in bench tests and comparing them with the results expected by the literature. Keywords: Workbench, Vibration Analysis, Maintenance.

8 v Lista de Ilustrações Figura 1 Classe de sinais. (a) Sinal de tempo contínuo. (b) Sinal de tempo discreto....4 Figura 2 Representação de número complexo no eixo real e imaginário...5 Figura 3 Conversão de sinal no domínio no tempo para domínio da frequência utilizando FFT...7 Figura 4 Representação de sinal modulado em amplitude...8 Figura 5 Representação de sinal modulado em frequência...9 Figura 6 Tipos de desalinhamento. (a) paralelo, (b) angular, (c) combinado...13 Figura 7 Desbalanceamento causando excitação excessiva devido presença de folga...15 Figura 8 Bancada experimental...16 Figura 9 Inversor de frequência WEG CFW Figura 10 Acelerômetro piezoelétrico utilizado para coleta...18 Figura 11 - Direções de medição de vibração em um mancal de rolamento...19 Figura 12 Coletor e analisador de vibrações ROZH Figura 13 Interface inicial do software MRS Figura 14 Interface de trabalho do MRS Figura 15 Rolamento 1205 EKTN9/C3 com bucha e arruelha de trava...24 Figura 16 Evidência do procedimento de alinhamento...25 Figura 17 Resultado do alinhamento do conjunto motor/eixo...26 Figura 18 Da esquerda para direita: Imagens antes e depois do alinhamento de polias...27 Figura 19 Rotor com massa de desbalanceamento...28 Figura 20 Forma de onda do mancal de rolamento...31 Figura 21 Gráfico de envelope de demolução com sinal de impacto na gaiola...32 Figura 22 Gráfico de envelope de demodulação com bandas laterais...32 Figura 23 Gráfico de envelope de demodulação após ajuste do rolamento...33

9 Figura 24 Gráfico de tendência em aceleração (g) do rolamento inspecionado...34 Figura 25 Envelope de demodulação do redutor de velocidades...35 Figura 26 Sinal no tempo em aceleração do redutor de velocidades...35 Figura 27 Espectros em aceleração dos pontos de (a) entrada e (b) saída do redutor...36 Figura 28 Espectros em velocidade indicando excitação das polias e correias...37 Figura 29 Espectro em velocidade indicando redução do sinal de vibração das polias e correias...38 Figura 30 Gráfico de tendência em velocidade (mm/s)...39 Figura 31 Espectro em velocidade (a) antes do alinhamento; (b) após alinhamento...40 Figura 32 Espectro de vibração em velocidade do acoplamento excêntrico...41 Figura 33 Gráfico de tendência do alinhamento...41 Figura 34 Espectro em velocidade do rotor sem desbalanceamento...42 Figura 35 Espectro em velocidade do rotor desbalanceado...43 Figura 36 Espectro de vibração do mancal com folga de base...44 Figura 37 Espectro de vibração do mancal após ajuste de folga...44 Figura 38 Gráfico de tendência do valor global de vibração...45 vi

10 vii Lista de Tabelas Tabela 1 Especificações do acelerômetro.19 Tabela 2 Especificações do coletor e analisador de vibrações.20 Tabela 3 Severidade de vibração em velocidade.29

11 viii Sumário Dedicatória... i Agradecimentos... ii Resumo... iii Abstract... iv Lista de Ilustrações... v Lista de Tabelas... vii Sumário...viii 1 Introdução Objetivo geral Objetivo específico Revisão Bibliográfica Manutenção Preditiva Transformada Rápida de Fourier (FFT) Sinal no Tempo e na Frequência Domínio do Tempo Domínio da Frequência Fase e Magnitude Analisador de Espectro Modulação de Sinais Modulação de Amplitude (AM) Modulação de Frequência (FM) Análise de Falha em Máquinas Rotativas Análise de Engrenagem Análise de Rolamento Desbalanceamento Desalinhamento... 12

12 ix Transmissão por Correia Folga Mecânica Desenvolvimento Acionamento da bancada Aquisição de dados Acelerômetro Coletor e analisador de vibração Software de análise Ensaios de bancada Rolamentos Alinhamento motor-eixo Alinhamento de polias Ajuste de folgas Ajuste de tensionamento das correias Redutor de Velocidades Simulação de desbalanceamento Resultados e Discussões Análise de Rolamentos Análise de Engrenagens (redutor de velocidades) Polias e correias Alinhamento Desbalanceamento Folgas Conclusões Referências... 48

13 1 1 Introdução Para que os diversos setores industriais consigam acompanhar o mercado mundial de forma competitiva é necessário que se mostrem mais eficientes, fazendo o uso de tecnologias mais modernas e eficazes capazes de aumentar sua produção, qualidade e também reduzam os custos, oferecendo assim produtos e serviços que atendam às diversas exigências dos consumidores, elevando a sua participação de mercado (MISES, 2009). Dentre as diversas tecnologias de diagnóstico, a análise de vibração tem um papel importante na identificação de sintomas que levam a defeitos e falhas, tal tecnologia permite a previsão futura de uma provável parada da máquina devido à impossibilidade de operar com as especificações desejadas. A análise de vibração pode oferecer muitas vantagens para os setores industriais, dentre as quais é possível citar a redução de falhas, redução de custos, aumento da vida útil das maquinas, entre muitos outros. Com base nestas ideias, a motivação deste trabalho é estudar os resultados obtidos na análise da bancada experimental e compará-los com o que se encontra na literatura, demonstrando na prática que os defeitos mais comuns observados nas máquinas rotativas apresentam uma assinatura vibratória característica, tornando-os mais fáceis de serem diagnosticados e resolvidos, quando interpretados corretamente. 1.1 Objetivo geral Elaborar uma bancada didática dispondo de diferentes elementos mecânicos, com a finalidade de realizar testes de coleta e análise de vibrações, simulação de defeitos, bem como a elaboração de diagnósticos e prognósticos. 1.2 Objetivo específico Elaborar de forma clara e objetiva, a partir dos testes e das análises de vibração, um guia teórico e prático para detecção e correção de defeitos, indicando as características de cada um e as respectivas medidas a serem tomadas para a correção.

14 2 2 Revisão Bibliográfica 2.1 Manutenção Preditiva Empresas de todo o mundo estão sempre buscando maneiras de reduzir custos de operação e melhorar a produtividade de seus equipamentos, para que isso aconteça, é necessário fazer uma boa gestão das máquinas e adotar a manutenção que traga os melhores resultados. A manutenção preditiva consiste em realizar o acompanhamento das variáveis ou parâmetros que indicam a condição dos equipamentos, de maneira sistemática e utilizando instrumentação adequada, com objetivo de definir de maneira precisa o momento certo de intervir na máquina (SILVA, 2012). Logo, é possível predizer a ocorrência futura de uma determinada falha, determinar antecipadamente a necessidade de substituição de peças, diminuindo assim o tempo de máquina parada e consequentemente aumentar a disponibilidade dos equipamentos, que é o maior objetivo da manutenção em si. A prática de manutenção preditiva reduzirá significativamente as ocorrências de manutenções corretivas, que normalmente, ocorrem quando o equipamento falha de maneira aleatória. A seguir estão listados alguns dos principais benefícios da manutenção preditiva para a indústria de modo geral. Aumento da segurança operacional e disponibilidade dos equipamentos, diminuindo riscos de acidentes e paradas inesperadas. Diminuição do custo e do prazo de paradas, uma vez que há o conhecimento antecipado do defeito a ser corrigido. Redução de danos em partes secundárias causados por quebra de equipamentos em operação. Tendo em vista que, a manutenção preditiva necessita de um investimento inicial relativamente elevado, o que pode levar a conclusão de que é uma prática que não oferece compensação, estudos detalhados mostram que aquelas indústrias que fazem uso de tal prática obtêm resultados muito satifatórios, sendo hoje

15 considerada a principal forma de levantamento de dados e parâmetros para a prevenção e correção de falhas nos equipamentos Transformada Rápida de Fourier (FFT) A Transformada Rápida de Fourier (FFT) é um algoritmo bastante eficiente para calcular a Transformada Discreta de Fourier (DFT), sendo de grande importância para diversas operações como, por exemplo, o processamento digital de sinais. Fazendo uso da periodicidade de senos, é possível reduzir significativamente a quantidade de cálculos necessários para realizar a DFT. De maneira simplificada, o funcionamento da FFT se dá através da divisão das informações da série a ser transformada em séries cada vez menores, e estas em outras menores a serem transformadas. Por fim, todas as pequenas divisões são combinadas de tal maneira, terminando com a DFT de cada uma delas. A função abaixo demonstra a FFT a partir da DFT: N 1 N 1 F n = f k e i2πn k N = f k W kn k=0 k=0, n = 0,, N 1 Reduzindo o número de cálculos necessários de 2N² para N. Na prática a FFT converte uma função que está no domínio do tempo para o domínio da frequência, separando os harmônicos presentes no sinal, dessa forma é possível detectar as respectivas frequências e amplitudes desses harmônicos bem como a frequência dominante, SPAMMER (2009). Com essas informações é possível utilizar a FFT para capturar anomalias nos sinais no domínio da frequência que facilmente passariam despercebidos nos sinais no domínio do tempo, sendo de grande utilidade na prática de análise vibratória de máquinas rotativas.

16 4 2.3 Sinal no Tempo e na Frequência Domínio do Tempo Os sinais que são definidos para todos os instantes de tempo são chamados de sinais de tempo contínuo, no entanto, aqueles sinais definidos apenas em alguns instantes são chamados de sinais de tempo discreto (HIGUTI e KITANO, 2003). O sinal senoidal apresentado na Figura 1(a) é o sinal de tempo contínuo, e o sinal da Figura 1(b) é um sinal de tempo discreto, visto que estão definidos apenas para alguns instante de tempo, podendo este sinal ser obtido por meio da amostragem do sinal de tempo contínuo. Figura 1 Classe de sinais. (a) Sinal de tempo contínuo. (b) Sinal de tempo discreto. Fonte: Higuti e Kitano (2003) e editada pelo autor. É possível representar matematicamente um sinal através de uma função de uma ou múltiplas variáveis. Para o sinal no tempo contínuo utiliza-se a variável independente que representa o tempo, t, entre parênteses como, por exemplo, y(t). Quanto ao sinal de tempo discreto, comumente a variável independente é indicada por n ou k, entre colchetes, como por exemplo, y[n] ou y[k], onde n e k são números inteiros.

17 Domínio da Frequência O domínio da frequência determina a análise das funções matemáticas em relação à frequência, contrastando com a análise no domínio do tempo. A resposta em frequência é o resultado da resposta do sistema em estado estacionário, ou em regime permanente, podendo, na prática, ser aplicada a qualquer tipo de sinal, inclusive os não periódicos. 2.4 Fase e Magnitude Sinais como ondas sonoras e ondas eletromagnéticas são sempre descritos no domínio da frequência como uma função complexa, composta de parte real e parte imaginária. De forma simples, isso pode ser interpretado da seguinte maneira: a amplitude da onda, em determinada frequência, é representada pela magnitude do número complexo correspondente, e a fase do sinal é dado pelo ângulo em relação ao eixo real. A Figura 2 a seguir mostra de forma esquematizada essa relação. Figura 2 Representação de número complexo no eixo real e imaginário Onde a amplitude é dada por: Fonte: Elaborada pelo autor. z = x² + y² (1)

18 6 Enquanto a fase corresponde a: α = tan 1 y x (2) 2.5 Analisador de Espectro O analisador de espectro é, basicamente, um aparelho que recebe um sinal no tempo, e por meio da FFT, disponibiliza ao usuário informações da frequência. É bastante utilizado na física e engenharia, sendo o aparelho responsável por efetuar o registro das vibrações das estruturas por meio de sensores ou captadores colocados em pontos estratégicos das máquinas. Esses sensores transformam a energia mecânica de vibração em sinais elétricos. Esses sinais elétricos são, a seguir, encaminhados para os aparelhos registradores de vibrações ou para os aparelhos analisadores de vibrações, como também são chamados. Em seguida, os dados coletados no analisador podem ser interpretados por especialistas, obtendo-se um diagnóstico complete da máquina, seja ela velha ou nova. Os níveis de vibrações podem ser representados de diversas maneiras, sendo a representação espectral a mais utilizada, em que a amplitude da vibração está diretamente relacionada com a frequência. Abaixo a Figura. 3 ilustra como o sinal obtido pelo analisador de espectro é obtido no domínio do tempo e transformado para o domínio da frequência, para que posteriormente possa ser interpretado.

19 Figura 3 Conversão de sinal no domínio no tempo para domínio da frequência utilizando FFT. 7 Fonte: NTiAudio (2017) 2.6 Modulação de Sinais É importante conhecer alguns fundamentos de modulação para poder identificar de forma correta os sinais de excitação obtidos durante as análises. A partir do momento que um sinal é captado pelo sensor e transferido para o aparelho analisador, comumente vem misturado com outros sinais ou está modificado por algum processo de modulação. É necessário escolher a maneira adequada de separá-los para que sejam associados às causas que o geram. Os sinais dinâmicos simplesmente se misturam, porém são facilmente separados através do processo de FFT. O processo de dados de vibração favorece a sobreposição dos sinais, surgindo formas diferentes de modulação. Neste trabalho trataremos da Modulação de Amplitude (AM) e Modulação de Frequência (FM) Modulação de Amplitude (AM) A modulação AM consiste na utilização de uma onda de alta frequência, chamada de portadora, e uma onda de baixa frequência, chamada de modulador, que representa o sinal que se deseja transmitir. Na prática, a modulação AM associa

20 8 os dois sinais por um processo de soma, o resultado é uma onda com a mesma frequência da onda portadora, porém a amplitude varia de acordo com a amplitude da onda a ser transmitida, gerando um sinal modulado. Figura 4 Representação de sinal modulado em amplitude. Fonte: SENAI CIMATEC, Modulação de Frequência (FM) Neste caso, também existe a onda portadora de alta frequência e o sinal modulador que se deseja transmitir, sendo o resultado é um sinal modulado de amplitude idêntica a da onda portadora e frequência variável de acordo com o sinal modulador. O espectro FM possui algumas características particulares: Infinitas bandas laterais que variam em torno da frequência portadora, indicando maior severidade do defeito A análise se torna mais difícil devido a modulação FM não ser linear; Dependendo do valor do índice de modulação, a portadora pode ter amplitude nula.

21 9 Figura 5 Representação de sinal modulado em frequência. Fonte: SENAI CIMATEC, 2003 Sendo (a) onda portadora; (b) onda moduladora e (c) o sinal modulado. 2.7 Análise de Falha em Máquinas Rotativas As máquinas são compostas de elementos mecânicos variados. As peças que sofrem excitação podem vibrar de tal maneira, que transmitem essa vibração às demais peças as quais estejam acopladas, o resultado disso é um complexo de frequências que caracterizam o sistema. Toda máquina rotativa possui o que é chamado de assinatura vibracional, que consiste na vibração produzida quando a mesma opera em condições normais e não emitem sinais de defeitos, esse tipo de informação é importante para que se possa fazer um comparativo entre as condições em que a máquina está boa e as condições em que a máquina apresenta falhas em desenvolvimento. Sempre que alguma parte constituinte do sistema mecânico sofre alteração devido ao desgaste, trinca, folga ou outro defeito, ocasionará a alteração ou o surgimento de novas

22 10 frequências. Segundo Marçal (2000), cada tipo de falha mecânica de uma máquina em operação produz uma resposta em frequência específica, que nas condições normais de funcionamento, alcança uma amplitude máxima que dependerá de quão grave é a falha Análise de Engrenagem Engrenagens são parte constituinte de um grande número de mecanismos, máquinas e equipamentos que possuem a finalidade de transmitir movimento e potência entre esses mecanismos. Tratando-se da análise de vibração em engrenagens, dependerá de alguns fatores divididos em três áreas que afetam de forma diferente os sinais observados nos sistemas de engrenagem (SENAI CIMATEC, 2003), essas áreas são: Projeto: Abrange geometria, tipo de engrenagem, materiais utilizados, carga unitária, entre outros; Fabricação: Envolve a qualidade do elemento, acabamento superficial, desbalanceamento residual, alinhamento, entre outros; Operação: Diz respeito às condições de operação, rotação, lubrificação, modo de montagem, ressonância natural, entre outros. Neste tipo de análise, a manutenção preditiva visa detectar os defeitos mais comuns em engrenagens e seus sistemas, que são: Desbalanceamento; Desalinhamento; Dentes danificados; Turbulência no filme de lubrificante Mudança de torque; Problema de transmissão Análise de Rolamento A análise das irregularidades nos rolamentos pode ser efetuada através da medição de vibrações de um equipamento em operação, utilizando o analisador de espectro, para medir a magnitude da vibração, no qual os resultados obtidos determinam as causas dos defeitos.

23 Estes defeitos estão diretamente relacionados com o desgaste dos componentes constituites do elemento. As vibrações são oriundas da passagem dos elementos rolantes sobre tais irregularidades, que causam choques cuja amplitude depende do estado do rolamento, e estão tipicamente entre 1 khz e 20 khz (SENAI CIMATEC, 2003). As respostas vibratórias possuem pequenos níveis absolutos, mas apresentam grande quantidade de energia, logo é recomendável acompanhar a evolução espectral dos rolamentos utilizando medições em aceleração, preferencialmente. Os defeitos mais comuns em rolamentos são devidos as seguintes causas: Sobrecarga Lubrificação deficiente Presença de particulados no lubrificante Rolamento inadequado para função Fadiga do material Desbalanceamento Variações bruscas de temperatura Quando os rolamentos apresentam defeitos, geram sinais de vibração bem característicos, tanto em aspecto como em frequência. Tendo conhecimento da velocidade de rotação do eixo e as dimensões das partes constituintes, é possível obter facilmente as frequências fundamentais dos elementos rolantes, pista interna, gaiola e pista externa. As respectivas equações são demonstradas abaixo. 11 f ball = d 2D f 0 (1 ( d D )2 cos²β) Frequência do elemento rolante (BSF); f interna = Nf 0 (1 + d cosβ) Frequência da pista interna (BPFI); 2 D f gaiola = f 0 (1 d cosβ) Frequência da gaiola (FTF); 2 D f externa = Nf 0 (1 d cosβ) Frequência da pista externa (BPFO); 2 D Sendo: d = diâmetro do elemento rolante (mm); D = diâmetro primitivo do rolamento (mm);

24 12 N = número de elementos rolantes; β = ângulo de contato do rolamento; f 0 = frequência de rotação do eixo (Hz) Desbalanceamento É definido como uma distribuição não uniforme de massa em torno da linha de centro da máquina rotativa que resulta em uma força centrífuga. Este defeito apresenta elevados níveis de amplitude de vibração em 1x a rotação da máquina desbalanceada, sendo assim, um defeito bastante destrutivo devido à grande quantidade de energia que aumenta com o quadrado da rotação da máquina. Devido às pequenas imperfeições nos processos de fabricação, montagem, não homogeneidade do material e outros fatores, é normal que exista um desbalanceamento residual em cada máquina que dificilmente será totalmente eliminado, no entanto, é importante que este residual se encontre em níveis aceitáveis pela norma ISO para que se possa garantir o funcionamento adequado da máquina Desalinhamento Cada máquina possui uma linha de centro a qual fica posicionada no centro do eixo. O desalinhamento, problema tridimensional, ocorre quando não há o alinhamento entre a linha de centro da máquina motora e a linha da máquina movida, provocando forças de reações nos mancais de rolamentos e acoplamentos, HATCH & FAHY [199-]. PodeM ocorrer de três formas: paralelo, angular e combinado.

25 13 Figura 6 Tipos de desalinhamento. (a) paralelo, (b) angular, (c) combinado. Fonte: SENAI CIMATEC, Editada pelo autor. O tipo de desalinhamento mais encontrado em máquinas rotativas é o combinado, visto que existem fatores diversos que influenciam para o surgimento desse problema, como por exemplo: Mudanças de temperatura: máquinas de grande porte levam horas para atingir a temperatura de operação, ou temperatura ambiente em caso de desligamento. Esse fator influencia na dilatação térmica, ou seja, caso uma máquina tenha sido alinhada a frio ela poderá atingir valores de desalinhamento fora da tolerância quando atingir a temperatura de operação. Fundação: pode causar mudanças na posição das máquinas ao longo do tempo, é ideal que as máquinas estejam posicionadas sobre uma base inercial bastante rígida. Ancoragem: deterioração do material, por ação química ou eletroquímica, aliado aos esforços mecânicos. O desalinhamento provoca altas amplitudes de vibração, podendo ser notado nos sentidos radial e axial, sendo responsável por falhas destrutivas em rolamentos, acoplamentos, eixos e rotores Transmissão por Correia Neste tipo de transmissão é possível identificar diferentes defeitos que podem estar associados à condição da correia ou polias. Correia gasta ou folgada: Quando a correia se encontra folgada ocorrerá deficiência na transmissão da rotação, provocando deslizamento relativo entre correia e polias, causando aquecimento e consequentemente desgaste do componente.

26 14 Polia excêntrica: É um defeito semelhante ao desbalanceamento, porém o sinal de excentricidade se manifestará em 1x a rotação da polia excêntrica, sendo mais evidente no mancal mais próximo ao defeito. Ressonância de correia: Pode causar grandes amplitudes se a frequência natural da correia se aproximar ou igualar a frequência da polia motora ou movida. A frequência natural da correia pode ser alterada pela tensão ou comprimento da correia e pode ser detectada soltando a correia e observando a resposta, ou por meio de cálculos. Desalinhamento de polias: O desalinhamento entre polias produz grandes vibrações em 1x rpm da polia motora ou movida e predominantemente na direção axial. O aparecimento das frequências das polias motora ou movida dependerá do ponto em que as medições forem tomadas. Após o alinhamento é comum que o sinal de rotação do eixo acionador predomine no espectro Folga Mecânica Folgas mecânicas consistem na ausência ou deficiência de rigidez do equipamento e aparecem quando existem trincas, parafusos soltos, desgastes, entre outros motivos. É importante destacar que folgas não são forças de excitação, a vibração excessiva pode existir devido a uma folga, mas, a folga não é a verdadeira causa da vibração. Alguma força de excitação causada por um desbalanceamento ou desalinhamento, por exemplo, poderá estar presente causando a vibração no sistema.

27 Figura 7 Desbalanceamento causando excitação excessiva devido presença de folga 15 Fonte: SENAI CIMATEC, Editada pelo autor

28 16 3 Desenvolvimento Com apoio do professor orientador e do Laboratório de Manufatura, foi desenvolvida a bancada didática utilizada neste trabalho que se encontra disponível no Grupo de Estudos de Tribologia e Integridade Estrutural da UFRN. A Figura 8 apresenta a bancada que foi desenvolvida com a finalidade de estudar o comportamento dinâmico dos equipamentos e componentes mecânicos nela presentes, simular defeitos e suas respectivas correções. A mesma será posteriormente utilizada no ensino da disciplina de Vibrações Mecânicas com a finalidade de apresentar aos alunos um pouco sobre a dinâmica das máquinas rotativas e seus componentes, bem como sevir como ferramenta prática no aprendizado sobre coleta e análise de vibrações e elementos de máquinas. Figura 8 Bancada experimental Fonte: Elaborada pelo autor

29 17 Todos os elementos destacados na bancada experimental estão descritos abaixo: 1. Motor elétrico WEG 5 CV. 2. Redutor de velocidades de engrenagens cônicas helicoidais. 3. Polia motora, 95 mm. 4. Polia movida, 65 mm. 5. Mancais de rolamento SN 505 (rolamento 1205 EKTN9/C3) 6. Rotor. Como elementos de transmissão tem-se o acoplamento flexível tipo garra e as correias lisas com perfil trapezoidal, especificação 3L Acionamento da bancada O motor de indução é acionado por meio de um inversor de frequência que permite controlar a frequência de rotação e mantê-la constante durante todo o ensaio, além de atuar como rampa de aceleração no momento da partida, reduzindo o desgaste dos componentes. A Figura 9 apresenta o inversor de frequência utilizado no controle e acionamento do motor. Figura 9 Inversor de frequência WEG CFW08

30 Aquisição de dados Conhecidos todos os equipamentos e componentes mecânicos da bancada e o sistema de acionamento da mesma, é necessário descrever os itens que compõem a instrumentação utilizada na aquisição de dados, junto ao software de análise que será utilizado Acelerômetro O tipo piezoelétrico é o mais utilizado para aplicações em análise de vibrações. É composto por uma cerâmica ferroelétrica polarizada artificialmente que utiliza a vibração para gerar uma tensão elétrica proporcional à aceleração do movimento vibratório. A piezoeletricidade é conhecida como a capacidade, que alguns cristais apresentam, de gerar energia elétrica quando são submetidas a uma força mecânica, como a vibração ou agitação, por exemplo. Além de obter sinais de aceleração, também é possível obter parâmetros de deslocamento e velocidade do sinal. A Figura 10 apresenta o modelo de acelerômetro utilizado. Figura 10 Acelerômetro piezoelétrico utilizado para coleta Fonte: Catálogo RONDS

31 19 dados. A Tabela 1 traz as especificações do acelerômetro utilizado na aquisição dos Tabela 1 Especificações do acelerômetro. Ítem Especificação Modelo RH 103 Tecnologia Piezoelétrico Fabricante Rozh Escala de frequência 0,5 até 12 khz Sensibilidade 100 mvg Tensão 12V DC Peso 81g Fonte: Catálogo RONDS Os dados de vibração foram coletados nos mancais dos equipamentos, nas direções horizontal, vertical e axial. Os dados foram coletados nos parâmetros velocidade (mm/s - rms) e aceleração (g pico e g pico a pico). A Figura 11 apresenta uma ilustração das direções de medição de vibração em um mancal. Figura 11 - Direções de medição de vibração em um mancal de rolamento. Fonte: Elaborada pelo autor.

32 Coletor e analisador de vibração Este equipamento tem como principais funções receber, processar e armazenar os sinais de vibração obtidos pelo acelerômetro e transformá-los em espectros e formas de ondas que serão posteriormente transferidos para um software de análise e monitoramento específico. A Figura 12 apresenta o modelo de coletor utilizado. Figura 12 Coletor e analisador de vibrações ROZH 802 Fonte: Rozh As especificações do coletor de vibrações são mostradas na Tabela 2. Tabela 2 - Especificações do coletor e analisador de vibrações Ítem Especificação Modelo Rozh 802 Canais Transdutor Canal 1: vibração (ICP acelerômetro), tensão (± 21 V AC ou DC) Canal 2: vibração (ICP acelerômetro), tensão (± 21 V AC ou DC), Tacho canal Acelerômetro, velocidade, deslocamento, tensão transdutor Análise de frequência 40 khz (Dual Channel máxima: 20 khz) máxima Médias 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 Linhas 400, 800, 1600, 3200, 6400, Comunicação USB 2.0 Fonte: Rozh e elaborada pelo autor

33 Software de análise Neste trabalho foi utilizado o software MRS3000 que é vinculado ao modelo do coletor de vibrações Rozh. A Figura 13 apresenta a interface de abertura do programa. Figura 13 Interface inicial do software MRS3000 Fonte: Elaborada pelo autor Inicialmente é necessário que o usuário crie um banco de dados com nome e informações que o identifiquem. Na área de trabalho apresentada na Figura 14, foi criada a árvore de máquinas da bancada que é composta por motor elétrico, dois mancais e uma caixa de redução, este último foi dividido em ponto de entrada e ponto de saída para facilitar a análise. Por fim, em cada máquina foram configurados pontos de coleta nas três direções, horizontal, vertical e axial, e nos parâmetros de deslocamento, velocidade e aceleração. O passo-a-passo detalhado para configuração completa do banco de dados esta disponível no manual de usuário do ROZH MRS3000.

34 22 Figura 14 Interface de trabalho do MRS3000 Fonte: Elaborada pelo autor Após finalizar configuração, o banco de dados é transferido para o coletor e está pronto para realizar a aquisição dos dados de vibração. Ao fim da aquisição, os dados coletados são transferidos do coletor para o software e analisados por meio de espectros, formas de onda e outras técnicas que serão detalhadas neste trabalho. 3.4 Ensaios de bancada Os ensaios de bancada foram divididos em duas partes. Primeiro foram coletados dados de vibração no motor, nos mancais e na caixa de redução com a finalidade de mapear as frequências características do sistema associadas aos diversos componentes mecânicos e os defeitos nela existentes, as quais foram distinguidas entre si no espectro por meio de cálculos matemáticos. Fazendo uso do inversor de frequência, observou-se que em torno de 28 Hz a bancada apresentou sinal de vibração bastante acima do comum. Abaixo estão listadas as frequências mapeadas na bancada.

35 23 1. Motor/eixo: 58,33 Hz 2. Polia motora: 58,33 Hz 3. Polia movida: 84,60 Hz 4. Engrenagem motora (entrada do redutor, 30 dentes): 84,60 Hz 5. Engrenagem movida (saída do redutor, 13 dentes): 194,3 Hz 6. Engrenamento (GMF): 2500 Hz Nesse primeiro instante também foi possível obter o escorregamento do motor elétrico, que é obtido calculando-se a diferentre a frequência de rotação configurada no inversor de frequência e a rotação nominal especificada pelo fabricante, logo: 58,125 Hz x 60 seg = 3487,5 RPM é a rotação que sai do motor. Sendo 3500 a rotação nominal especificada pelo fabricante, tem-se que: 3500 RPM 3487,5 RPM = 12,5 RPM ou 0,21 Hz de escorregamento do motor. Isso ocorre devido a diferença de velocidade entre o rotor e o campo de indução girante. Por meio de cálculos, conhecendo dados do elemento, é possível também calcular a frequência das correias (Fc), de acordo com a sequinte equação: Fc = Diâmetro polia motora x Frequência x π N x L Em que N representa a quantidade de correias e L representa o comprimento da correia. Resolvendo a equação: Fc = 95x58,33xπ 2x280 = 31,1 Hz No segundo momento, conhecendo as frequências características dos componentes é possível determinar com exatidão que tipos de defeitos estão presentes no conjunto e realizar as devidas correções com o intuito de deixar a bancada numa condição ajustada, ou seja, em condições normais com a menor presença possível de defeitos. Nesta análise foram detectados os seguintes defeitos a serem corrigidos.

36 24 1. Desalinhamento entre eixo e motor (angular e paralelo) 2. Desalinhamento de polias 3. Deficiência de fixação nas bases (folga) 4. Correia folgada 5. Defeito nos rolamentos dos mancais 6. Defeito nas engrenagens do redutor de velocidades Conhecendo os defeitos existentes na bancada, é hora de efetuar as devidas correções para que a bancada fique em condição ajustada Rolamentos Como descrito anteriormente, os mancais que apoiam o eixo apresentam rolamentos autocompensadores de duas carreiras de esferas com furo cônico, especificação 1205 EKTN9/C3. A fixação do componente ao eixo se dá por meio de uma bucha lisa cônica com rosca e arruela de trava. Devido à indisponibilidade de um componente novo para substituição, foi realizada uma desmontagem para retirada de sujeira e graxa envelhecida, depois de limpo o componente foi relubrificado e remontado na extremidade do eixo para que o mesmo não opere em balanço. Figura 15 - Rolamento 1205 EKTN9/C3 com bucha e arruela de trava Fonte: Catálogo SKF.

37 Alinhamento motor-eixo Esse procedimento, como o próprio nome diz, consiste em efetuar o alinhamento entre o motor e o eixo. O instrumento utilizado nessa operação é o alinhador a laser da FixturLaser. A Figura 16 apresenta a evidência do alinhamento a laser realizado na bancada, a correção do desalinhamento consiste em deslocar o motor na base, inserindo ou removendo calços, até que o instrumento indique valores aceitáveis que são definidos pelo próprio instrumento de acordo com as informações inseridas nas configurações, tai como rotação, distãncia sentre sensors, e distância entre os pés do motor. Neste procedimento não foi possível remover nenhum calço, visto que não existia nenhum, a correção ficou limitada aos movimentos laterais do motor. Figura 16 Evidência do procedimento de alinhamento. Fonte: Elaborada pelo autor A Figura 17 apresenta o resultado do procedimento de alinhamento, devido limitações na movimentação do motor sobre a bancada não foi possível obter valores ideais de alinhamento, fato este que também é prejudicado devido à excentricidade do acoplamento, porém foi possível obter melhora em relação ao estado inicial.

38 26 Figura 17 Resultado do alinhamento do conjunto motor/eixo. Fonte: Elaborada pelo autor Alinhamento de polias Aqui é utilizado o alinhador de polias modelo da EZ ALIGN. A Figura 18 apresenta a evidência do alinhamento de polias realizado na bancada nos instantes antes e depois do procedimento, respectivamente. O procedimento consiste em fixar uma base em cada polia e mover o redutor sobre os trilhos até que a linha do laser formado na base coincida com o gabarito, ou seja, centralizado e alinhado. Figura 18 Da esquerda para direita: Imagens antes e depois do alinhamento de polias Fonte: Elaborada pelo autor.

39 Ajuste de folgas Corrigir a deficiência de fixação dos elementos parafusados à base inercial consiste em eliminar as folgas existentes nas bases dos suportes, simplesmente realizando o aperto dos parafusos de fixação, neste caso, a limitação encontrada foi a respeito da base que não oferece condições para que os parafusos fiquem rigidamente fixados, havendo sempre a existência de folgas residuais Ajuste de tensionamento das correias Correias de perfil liso realizam a transmissão de movimento por meio de atrito, logo, é necessário que exista um tensionamento adequado para que a mesma não opere folgada ou excessivamente tensionada. Na primeira situação, folgada, a correia irá deslizar sobre as polias causando deficiência de transmissão e desgaste prematuro. Na segunda situação, o tensionamento excessivo reduzirá a vida útil da correia e dos rolamentos dos eixos das polias Redutor de Velocidades O redutor de velocidades utilizado na bancada experimental é composto por um trem com duas engrenagens cônicas helicoidais. A engrenagem de entrada possui 30 dentes e a engrenagem de saída possui 13 dentes. Para funcionar de fato como um redutor de velocidades a entrada deveria estar posicionada no eixo da engrenagem de 13 dentes, no entando, devido questões de espaço e acomodação da caixa na bancada ela foi montada de forma invertida, porém isso não é um problema para a análise tendo em vista o objetivo inicialmente estabelecido. Não foram realizadas modificações internas no redutor para evitar o comprometimento das engrenagens, ficando limitado apenas à coleta e análise da condição destes componentes Simulação de desbalanceamento Com objetivo de demonstrar qual o comportamento de uma máquina na presença do desbalanceamento, foi utilizado uma massa de aproximadamente 15

40 28 gramas parafusado ao rotor apresentado na Figura 19 para simulação do defeito. A massa de desbalanceamento foi colocada a uma distância de aproximadamente 5 centímetros do centro. Figura 19 Rotor com massa de desbalanceamento Fonte: Elaborada pelo autor

41 29 4 Resultados e Discussões Neste tópico serão apresentados e discutidos os resultados obtidos nos teste realizados na bancada experimental, demonstrando de forma clara e objetiva como analisar os gráficos e efetuar um diagnóstico preciso da condição do equipamento inspecionado. Em teoria, utiliza-se a norma ISO :2016: Vibração mecânica Medição e avaliação da vibração da máquina Parte 1: Diretrizes gerais, que estabelece condições e procedimentos gerais para a medição e avaliação de vibração em máquinas rotativas. Na Seção 6 encontra-se a Tabela 3 que apresenta valores de referência para vibração em velocidade, classificando as máquinas em diferentes níveis de condição: Bom, satisfatório, insatisfatório e inaceitável, e seus respectivos limites variam de acordo com a classe da máquina analisada. Neste trabalho a máquina rotativa utilizada encontra-se inserida na Classe 1 pequenas máquinas, são estas máquinas de até 15 kw de potência (20 CV). Tabela 3 Severidade de vibração em velocidade Fonte: ISO :2016 Por outro lado, é importante ressaltar que, na prática, a norma não pode ser utilizada como uma verdade absoluta, servindo apenas como uma orientação, uma

42 30 vez que, os níveis de vibração das máquinas variam de acordo com as condições de operação e processo as quais estão submetidas, ou seja, uma máquina que seja analisada de acordo com a norma encontre-se numa condição insatisfatória pode na realidade ser considerada em condição boa ou satisfatória, dependendo das condições citadas anteriormente. Logo, a análise de vibração de máquinas requer conhecimendo e um olhar mais crítico por parte do analista, além de um bom conhecimento a respeito da máquina e seus componentes mecânicos 4.1 Análise de Rolamentos Rolamentos são, sem dúvida, um dos principais componentes presentes em qualquer sistema rotativo, são responsáveis por suportar as cargas e esforços solicitados e ainda garantir a continuidade do funcionamento do sistema. Rolamentos de esferas são muito comumente utilizados em máquinas com alta rotação que necessitam de suportar elevadas cargas radiais, sendo na sua maioria limitados à aplicação de cargas radiais. Um rolamento que apresente um de seus componentes danificado (gaiola, pista externa, pista interna ou elemento rolante), sempre indicará sinais de impacto, pois, cada vez que um elemento passar passar pelo defeito ocorrerá um sinal de alta frequência, devido à grande quantidade de energia contido no impacto em um curto intervalo de tempo. A Figura 20 apresenta a forma de onda, sinal no tempo, do mancal de rolamento antes de se realizar o ajuste. É possível identificar uma modulação em amplitude do sinal que indica impactos de alta frequência no elemento devido à severidade dos defeitos presentes.

43 31 Figura 20 Forma de onda do mancal de rolamento Fonte: Elaborada pelo autor. As Figuras 21 e 22 a seguir apresentam os graficos da técnica chamada envelope de demodulaçao, bastante útil na análise e identificação de defeitos em rolamentos. O gráfico da Figura 21 apresenta o gráfico da técnica de envelope com um filtro passa-banda entre as frequências de 800 até 2400 Hz sendo possível identificar a repetição dos impactos no rolamento inspecionado com amplitudes de 0,20g, valor esse considerado elevado levando em consideração o tamanho do rolamento. Observa-se os picos que indicam impacto no rolamentos, os mesmos coincidem quase que perfeitamente com a frequência da gaiola (FTFI), isso significa que o desgaste ou defeito está localizado na gaiola do rolamento. A justificativa para a escolha da faixa de frequência selecionada é que a maioria das frequências de rolamentos ficam situadas entre esses valores, nessa faixa também é possível verificar deficiência de lubrificação, caso exista, que caracteriza-se pelo descolamento das linhas do gráfico do eixo horizontal, formando o que chama-se de carpete.

44 32 gaiola Figura 21 Gráfico de envelope de demolução com sinal de impacto na Fonte: Elaborada pelo autor O gráfico da Figura 22 apresenta o mesmo sinal apresentado na imagem anterior, porém enfatizando a presença de bandas laterais na frequência de rotação do rolamento, isso quer dizer que o defeito do componente está modulando, ou seja variando, com a rotação do mesmo. Na imagem também é possível observar com mais clareza a formação do carpete. Figura 22 Gráfico de envelope de demodulação com bandas laterais Frequência de banda lateral 59,3 Hz Fonte: Elaborada pelo autor

45 33 Após realizar a correção do problema no rolamento e efetuar nova coleta de vibração é possível verificar que o sinal de vibração apresentou grande redução em relação ao valor inicial, resultando em amplitudes de 0,005g. Figura 23 Gráfico de envelope de demodulação após ajuste do rolamento Fonte: Elaborada pelo autor. A redução do defeito se torna mais evidente no gráfico de tendência, que apresenta o valor global obtido em cada inspeção. Observa-se uma redução de 2,78g para 0,98g, indicando que o rolamento passou de uma condição de alerta para uma condição aceitável, de acordo com a norma ISO

46 inspecionado. Figura 24 Gráfico de tendência em aceleração (g) do rolamento 34 Antes = 2,8g Depois = 0,98g Fonte: Elaborada pelo autor 4.2 Análise de Engrenagens (redutor de velocidades) Não foram realizadas mudanças internas no redutor de velocidades, sendo assim, esta análise limita-se à interpretação dos gráficos obtidos na fase inicial indicando que tipo de falhas foram detectadas. A Figura 25 apresenta o gráfico da técnica de envelope de demodulação, bastante útil também para análise de engrenagens, nele é possível visualizar com clareza os impactos que ocorrem entre os dentes das engrenagens com amplitude de 1,6g, valor elevado que indica folga excessiva entre os dentes, gerando impacto em alta frequência sempre que um dente encontra o outro.

47 35 Figura 25 Envelope de demodulação do redutor de velocidades Fonte: Elaborada pelo autor Os impactos tornam-se ainda mais evidentes analisando o sinal no tempo em aceleração do redutor. É possível observar que existe a repetição dos impactos que se destacam na imagem, o intervalo entre cada repetição coincide com a frequência de rotação da engrenagem de entrada, 84 Hz. Este fato indica que a engrenagem em questão apresenta-se em um estado mais avançado de desgaste. Figura 26 Sinal no tempo em aceleração do redutor de velocidades Intervalo de repetição = 84 Hz. Fonte: Elaborada pelo autor

48 36 A Figura 27(a) e 27(b) apresentam, respectivamente, os espectros em aceleração dos pontos de entrada e saída do redutor de velocidades. Em ambas as imagens, observa-se a frequência de engrenamento, GMF, com presença de bandas laterais nas frequências de rotação das engrenagens de entrada e saída, evidenciando a presença de folga excessiva entre os dentes das engrenagens. Figura 27 Espectros em aceleração dos pontos de (a) entrada e (b) saída do redutor (a) GMF com banda lateral de 84 Hz GMF com banda lateral de 193 Hz (b) Fonte: Elaborada pelo autor

49 Polias e correias Nas polias houve redução significativa na excitação das frequências de defeito após o ajuste do alinhamento e do tensionamento da correia. Neste caso, as limitações existentes foram devido a baixa mobilidade da caixa de redução sobre a bancada e a ausência de um tensor capaz de oferecer um melhor ajuste da tensão das correias, fator este que também influenciaria no esforço imposto aos mancais de rolamentos. Porém, foi possível obter redução significativa nos níveis de vibração. Figura 28 Espectros em velocidade indicando excitação das polias e correias Frequência das correias. Amplitude = 1,36 mm/s Frequência da polia motora. Amplitude = 3,4 mm/s Frequência da polia movida. Amplitude = 1,34 mm/s Fonte: Elaborada pelo autor

50 38 Após realizado o alinhamento das polias e efetuada nova coleta de dados, observa-se significativa redução das amplitudes de vibração, como comentado anteriormente. Neste caso o sistema saiu de uma condição insatisfatória para uma condição considerada satisfatória, de acordo com a ISO Figura 29 Espectro em velocidade indicando redução do sinal de vibração das polias e correias. Frequência da correia. Amplitude = 0,90 mm/s Frequência da polia motora. Amplitude = 2,0 mm/s Frequência da polia movida. Amplitude = 0,95 mm/s Fonte: Elaborada pelo autor

51 O gráfico de tendência apresenta a redução do nível global de vibração em velocidade medidos antes e depois de efetuados os ajustes citados anteriormente. 39 Figura 30 Gráfico de tendência em velocidade (mm/s) Antes = 5,5 mm/s Depois = 4,4 mm/s Fonte: Elaborada pelo autor 4.4 Alinhamento De acordo com o que foi citado no desenvolvimento, a correção do alinhamento entre o eixo e o motor ficou limitado devido à baixa mobilidade do motor sobre a bancada no sentido lateral, também somados ao fato de existir excentricidade no acoplamento entre as partes. Sendo assim, obteve-se baixa redução nos valores de vibração associados ao desalinhamento, saindo de uma condição inaceitável para condição de insatisfatório, de acordo com a ISO As Figuras 31(a) e 31(b) apresentam, respectivamente, os espectros em velocidade indicando os sinais de vibração antes e depois do ajuste do desalinhamento. Este defeito se caracteriza no espectro pela predominância da rotação da máquina acompanhada de harmônicas que alternam de amplitude, tanto no sentido radial quanto no sentido axial.