XVII CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNIA E INDUSTRIAL

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1 XVII CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNIA E INDUSTRIAL ANÁLISE DE VIBRAÇÃO EM UM CONJUNTO MOTO-VENTILADOR UTILIZANDO COLETOR MOVILOG 2 E SOFTWARE EDIAG 2.2 EM UMA INDÚSTRIA Diego Lilargem Rocha (1) (1) (2) (diego.lilargem@gmail.com), André Luiz Vicente Carvalho (andrelvcarvalho@hotmail.com), Flávio Nassur Espinosa (2) (fnespinosa@terra.com.br) (1) Universidade Cândido Mendes (UCAM) (2) Instituto Federal Fluminense (IFF) RESUMO: Esse trabalho busca avaliar as vibrações mecânicas que frequentemente ocorrem em equipamentos típicos da indústria. Para tanto foi usado um coletor de vibrações e seu software de análises para adquirir e interpretar os dados. O software Ediag lê os dados e os apresenta na forma de espectros de frequência que servem de base para diagnosticar os defeitos no moto-ventilador. Pela análise da tendência estimasse quando as falhas irão ocorrer, e dessa forma, pode se intervir antes que as falhas se concretizem. O estudo analisou os dois mancais do equipamento sobre os variados parâmetro e direções de coleta. No estudo foi realizado uma série de coletas de vibrações em uma empresa situada em Campos dos Goytacazes - RJ. A metodologia do trabalho consiste na apresentação do equipamento utilizado, partindo para o estudo de caso onde serão analisados os espectros FFT. A partir da análise dos espectros FFT, constatou-se vibrações elevadas que caracterizam falhas, ainda em estado inicial. PALAVRAS-CHAVE: espectro de frequência, vibrações de equipamentos, análise de vibrações, manutenção preditiva, moto-ventilador. VIBRATION ANALYSIS IN A MOTO-VENTILATOR OF AN INDUSTRY ABSTRACT: This work tries to evaluate the mechanical vibrations that frequently occur in typical equipment of the industry. For this purpose the vibration collector and its analysis software were used to acquire and interpret data. The Ediag software reads the data and presents them in the form of frequency spectra that serves as a basis for diagnosing faults in the motor-fan. By analyzing the trend, estimate when the failures would occur, and in this way, it can intervene before the failures happen. In the study, a series of vibration collections was carried out at a company located in Campos dos Goytacazes - RJ. The methodology of the work consists in the presentation of the equipment used, starting to the case study where the FFT spectra will be analyzed. From the analysis of the FFT spectra, high vibrations were observed that characterize faults, still in an initial state. KEYWORDS: Frequency spectrum, equipment vibrations, vibration analysis, predictive maintenance, motor cycle fan. Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial

2 1. INTRODUÇÃO Na busca por uma maior produtividade, a indústria depende bastante do bom funcionamento das máquinas. Isto levou à ideia de que falhas nos equipamentos poderiam e deveriam ser evitadas, o que resultou no conceito de manutenção preventiva. Hoje é de conhecimento geral que a manutenção e a produção andam juntas. A produção necessita da manutenção para seguir trabalhando com alta confiabilidade e disponibilidade nos equipamentos (Pinto, 1998). Neste cenário não existe mais espaços para improvisos e arranjos. O pessoal da manutenção deve estar qualificado e equipado para evitar falhas, e não apenas corrigi-las. A visão atual da manutenção é a de que não ocorram paralisações que não sejam programadas, o que atrapalharia o andamento da produção. As paradas de operação devem ser pontuais, agindo diretamente nos modos de falhas para que essas não evoluam em defeitos, garantindo a disponibilidade da função dos equipamentos, de modo a atender a um processo de produção com confiabilidade, segurança, preservação do meio ambiente e custos adequados (Pinto, 1998). Por tudo isso é muito utilizado hoje a manutenção preditiva, na qual é possível monitorar a condição do equipamento continuamente durante o seu funcionamento. As técnicas de manutenção preditiva utilizam das condições do equipamento para fornecer dados para a análise. Dependendo do calor, ruído, falta de óleo ou vibração, as máquinas podem operar fora ou dentro das condições normais (Espinoza, 2001). A análise de vibração mecânica consiste no estudo do comportamento vibratório da máquina voltado para a manutenção. Vale lembrar que a análise de vibração não repara a falha. Ela indica a possível origem da causa da vibração e suas consequências, ficando a cargo dos responsáveis executarem os devidos reparos no equipamento (Costa, 2013). No início, a análise de vibração constituía apenas de uma observação cuidadosa do comportamento vibratório da máquina e, na maioria das vezes, reforçada com manutenções frequentes, quando o equipamento vibrava demais. Com o desenvolvimento da instrumentação pode-se descrever o comportamento da vibração através de sinais de ondas. Assim registrava-se o valor de vibração da máquina através de uma onda senoidal de amplitude por tempo (Espinoza, 2008). Para melhor compreensão e interpretação dos fenômenos vibratórios, foi desenvolvido o espectro FFT (Fast Fourier Transform), que mostra cada vibração individualizada num gráfico de frequência por amplitude. O formato de onda senoidal da vibração é interpretado e decomposto através do processamento matemático da transformada rápida de Fourier, distinguindo cada uma Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 2

3 das componentes vibratórias. Os espectros FFT são apresentados de forma mais simples que os sinais de onda. No FFT é perceptível quais frequências são responsáveis por elevar a amplitude à níveis perigosos (Espinoza, 2008). 1.1 Objetivos O objetivo desse trabalho é demonstrar a aplicação da análise de vibração mecânica como técnica de manutenção preditiva atuando na indústria. Para isso foi escolhido um equipamento industrial onde serão feitas coletas periódicas. Será necessário um levantamento das características desse equipamento. Depois, serão demonstrados por meio de espectros FFT os resultados das coletas. No caso de encontrar vibrações elevadas, solucionar e mitigar as raízes da vibração indesejada indicadas nos espectros. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O equipamento escolhido para o estudo é um moto-ventilador, responsável pelo suprimento do ar primário da caldeira. O acionamento desse motor é através de inversor de frequência para possibilitar diferentes rotações e consequentes vazões de ar. Seguem as informações técnicas do moto-ventilador, sendo separadas para as informações referentes apenas do motor e do ventilador. Motor: WEG 225S Rotação nominal: RPM Rotação de trabalho: RPM Ranhuras: 48 Fr: RPM Barras: 40 Fb: RPM Rolamento 1/2: 6314-C3 Ventilador: Rotação: 2700 RPM Paletas:12 BPF: Na Tabela 1, são apresentados os valores multiplicadores de cada componente do rolamento 6314-C3. Tais valores foram encontrados no software Ediag 2.2: Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 3

4 TABELA 1. Rolamentos do moto-ventilador. Rolamentos BPFO BPFI BSF BTF 6314-C3 3,08 4,92 4,1 0,38 Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). A Figura 1 mostra a imagem do moto-ventilador: Figura 1: Moto-ventilador. Fonte: Autor (2013). 2.1 Configurações das medições Para se executar a análise de vibração é necessário estabelecer quatro itens. O primeiro são os pontos que identificam cada mancal, normalmente identificados de forma numérica. Segundo é a direção da medição que será realizada a coleta no software. O terceiro é indicar qual será o parâmetro usado na detecção das falhas, estes podem ser em: deslocamento, velocidade, aceleração e envelope de aceleração. A diferença entre eles, é que cada um analisa uma faixa de frequência diferente. Enquanto o parâmetro deslocamento coleta vibrações nas frequências mais baixas, os demais parâmetros coletam em frequências superiores. E o quarto, é o valor limite da amplitude do equipamento, ou seja, o valor que a vibração deve se manter para não prejudicar o equipamento, chamados de níveis de alarme (Rodrigues, 2010) Identificação dos mancais: 1 mancal do acionador do lado não acoplado 2 mancal do acionador do lado acoplado 3 mancal do equipamento do lado acoplado Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 4

5 4 mancal do equipamento do lado não acoplado Direção de medição: H horizontal V vertical A axial Parâmetro da medição: D - Deslocamento - µm (rms) V - Velocidade de vibração- mm/s (rms) A Aceleração G (pico) E - Envelope de Aceleração G (pico a pico) A Figura 2 demonstra a identificação do mancal, da direção da medição, e do parâmetro utilizado. O número identificando o mancal, a primeira letra maiúscula identificando a direção, e a segunda letra o parâmetro utilizado: Figura 2: Identificação dos pontos nos mancais com direção e parâmetro. Fonte: Autor. Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 5

6 2.1.4 Níveis de alarmes Visando controlar a severidade das vibrações são estabelecidos níveis de alarme que indicam quando a vibração está dentro de um limite aceitável, quando não ocasiona problema para o equipamento, e quando estão acima do permitido, quando causar problemas aos equipamentos. Tabelas normativas da ABNT e da ISO indicam quais os valores de vibração para cada equipamento de acordo com as suas massas. A partir desse dado foi estipulado qual o nível que o moto-ventilador pode vibrar sem sofrer danos. Serão dois tipos de níveis de alarmes: A1 - alarme para vibrações indesejáveis, e A2 alarme para vibrações que causam danos aos equipamentos. A1 significa que o equipamento pode continuar a operar sem que ocorram sérios danos, deve se apenas acompanhar se a tendência da vibração não chegue a A2. A2 significa vibração perigosa, nesse estado o mais apropriado é a paralisação do equipamento para a manutenção. Porém, dependendo do histórico do equipamento, caso ele seja ou não um equipamento crítico para a empresa e se o seu custo de sua manutenção for baixo, é tolerável a operação deste em um limite de tempo para averiguar se a sua tendência seguirá crítica ou irá abaixar para o nível de vibração normal. Se continuar crítica, recomenda-se a manutenção imediata. Os valores dos níveis de alarme adotados serão em aceleração: A1 = 2G e A2 = 4G. A unidade G significa gravidade e também pode ser medida em mm/s². 2.2 Equipamentos utilizados para a coleta O coletor Movilog 2 O movilog 2 é o aparelho coletor de dados de vibrações mecânicas pertencente ao Instituto Federal Fluminense Campus Centro RJ. Ele trabalha com o acelerômetro ASH201 e o software EDIAG O movilog foi fabricado pela empresa 01-dB e ele funciona tanto fora de rota como em da rota programada para a manutenção. Nesse caso, ele necessita de um software específico para a configuração de dados para depois carregar o coletor a fim de realizar a medição. Ele apresenta análises em espectro de frequência, ondas no tempo e medição de fase (Rodrigues, 2010). A Figura 3 demonstra o coletor: Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 6

7 Figura 3: Coletor movilog. Fonte: Procedimento para análise de vibração utilizado coletor movilog 2 e software EDIAG2.2.0 (2010) O software Ediag O programa EDIAG é um software de gerenciamento das análises de vibração, que assim com o Movilog 2, é desenvolvido pela empresa 01-dB e tem a função de configurar os parâmetros para a medição de vibrações. Após a coleta de vibração no moto-ventilador, o software recebe os dados coletados e expõe os espectros FFT. A Figura 4 mostra a imagem da tela de monitoramento do software: Figura 4: Tela do software Ediag. Fonte: Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 7

8 2.2.3 O acelerômetro O acelerômetro ASH 201 é o transdutor que capta a vibração no coletor Movilog. Ele é um sensor piezelétrico utilizado para a coleta dos dados de vibração mecânica. O acelerômetro é constituído de um cristal piezelétrico que tem a característica de enviar um sinal elétrico que é proporcional à tensão mecânica recebida do corpo em vibração. A Figura 5 mostra o acelerômetro: Figura 5: Acelerômetro. Fonte: Analise de vibrações em equipamentos rotativos de uma indústria alimentícia (2014). 2.3 O estudo de caso Para demonstrar o emprego da análise de vibração na detecção de falhas, foram realizadas coletas periódicas de vibração no moto-ventilador de uma importante fábrica localizada em Campos dos Goytacazes - RJ. As coletas formam todas as terças e quintas totalizando 10 coletas. Foram realizadas medições em aceleração e envelopes de aceleração, nos 2 mancais do moto-ventilador nas direções vertical, horizontal e axial. Para verificar os defeitos existentes no moto-ventilador, foi necessário analisar e calcular todas as possíveis falhas que poderiam existir no equipamento. As falhas são identificadas por sua frequência, esta determinará qual o problema no equipamento. Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 8

9 3. RESULTADOS E CONCLUSÕES 3.1 Detalhamento dos defeitos As Tabelas 2 e 3 apresentam os possíveis defeitos para o motor e o ventilador respectivamente: TABELA 2. Possíveis defeitos do motor do moto-ventilador. Defeitos Frequência Parâmetro Desbalanceamento 2700 RPM V Desalinhamento 5400 RPM V Folga nos mancais 8100 RPM V Empeno de eixo 8100 RPM V Folga na base 8100 RPM V Problemas elétricos 7200 RPM V Barras RPM A Ranhuras RPM A Falha no BPFO 8316 RPM Gev Falha no BPFI RPM Gev Falha no BSF RPM Gev Falha no BTF 1026 RPM Gev Frequência de pulsos RPM A Fonte: Autor (2017). Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 9

10 TABELA 3. Possíveis defeitos do ventilador do moto-ventilador. Defeitos Frequência Parâmetro Passagem de pás RPM V Fonte: Autor (2017). 3.2 Análise dos espectros coletados Os espectros FFT analisados do moto-ventilador apresentaram 2 falhas de características elétricas: Falha de rede, caracterizada pela alta amplitude na frequência da alimentação da rede elétrica e frequência de pulsos, caraterística de motores que trabalham com inversores de frequência que modificam a sua rotação. A vibração foi diferente para cada um dos mancais. O mancal 1 não apresentou amplitude de vibração alta suficiente para disparar o nível de alarme A2, como indicado na Figura 6: Figura 6: Gráfico de tendência mancal 1H. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). Contudo, no mancal 2 a vibração estava elevada, passando de A2, em quase todas as coletas, conforme indicado na Figura 7: Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 10

11 Figura 7: Gráfico de tendência mancal 2V. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). Significando que as falhas existentes no equipamento são mais evidenciadas no segundo mancal. A Figura 8 apresenta um espectro no ponto 2VE da 4º coleta que apresenta o 3º harmônico da frequência de rede com amplitude elevada: Figura 8: Espectro de envelope de aceleração. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 11

12 O pico de 3x a frequência de rede chega a uma vibração de 2,91g, valor acima do nível de alarme A1 = 2g. Esse problema se manifestou em mais de uma ocasião, como mostra a Figura 9 referente ao ponto 2VE na 6º coleta: Figura 9: Espectro de envelope de aceleração. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). A frequência da rede elétrica em si não está alta. O problema são os picos harmônicos dela, que são uma série de picos de frequências múltiplas da frequência de rede de 7200 rpm. O problema da rede está ligado ao inversor de frequência. Quando a rotação nominal (3560 rpm) era alterada a rotação de trabalho (2700 rpm), pelo inversor, a vibração aumentava, ou seja os picos de amplitude subiam além dos níveis aceitáveis. Apenas em dias onde o inversor não alterava a rotação de trabalho a vibração esteve dentro dos parâmetros desejados, abaixo dos alarmes A1 e A2, como apresentado na Figura 7. Outro problema que gerava alta vibração era a frequência de pulsos do inversor. Um motor submetido a um inversor está sujeito a tensões de carga. Dependendo da modulação da frequência empregada o motor poderá apresentar aumento dos níveis de vibração e ruído e perda de rendimento. Percebe-se no motor uma tensão pulsada, chamada frequência de pulsos. Esses pulsos se manifestam em altas frequências, sendo diferente para cada inversor, nesse artigo essa frequência é de rpm. A Figuras 10 e 11 nos pontos 2HA nas segunda e nona e coletas Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 12

13 respectivamente, apresentam os espectros onde é possível visualizar os picos elevados na frequência de pulsos: Figura 10: Espectro em aceleração. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). Figura 11: Espectro em aceleração. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 13

14 4. Conclusões Baseado na análise das vibrações coletadas foi possível visualizar que o moto-ventilador da caldeira apresenta problema de rede e na frequência de pulsos do inversor. O equipamento opera normalmente, porém é perceptível que o moto-ventilador apresenta vibrações acima do aceitável. Como observou que o mancal 2 é o mais sensível as altas vibrações, aconselha-se na próxima parada de manutenção verifica-lo. Possivelmente, as falhas eletromagnéticas afetaram mais o segundo mancal e provocou uma folga em seu eixo, por isso ele vibra muito mais que o mancal 1 para o mesmo problema. Como esse mancal está mais próximo do ventilador, é natural que ele sofra mais com instabilidade do eixo e vibrações. Dessa forma, fica demonstrado o valor da análise de vibração como técnica de manutenção preditiva utilizada na indústria. Foi possível, traçar vários parâmetros sobre o moto-ventilador e ter indício de onde ele tem mais probabilidade de falhar, sem ter que desligar o equipamento. Pelo contrário, a manutenção preditiva necessita do equipamento em funcionamento para se obter as informações. E a análise de vibração provou-se confiável para desempenho de uma manutenção segura e produtiva. REFERÊNCIAS ALMEIDA, M. T.; GÓZ, R. D. Análise de Vibrações II Rolamentos e Engrenagens. Fundação de Pesquisa e Assessoramento à Indústria, FUPAI, BRANCO FILHO, G. Dicionário de termos de manutenção, confiabilidade e qualidade. Editora Ciência Moderna Ltda., Rio de Janeiro, COSTA, G. A. S. Análise vibratória de fundações de máquinas sobre estacas. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, ESPINOSA, F. N. Apostila de manutenção preditiva. Instituto Federal Fluminense. Campos dos Goytacazes, ESPINOSA, F. N. Estratégia de Manutenção Enfocada na Confiabilidade e Análise de Riscos. Dissertação de Mestrado em Engenharia de Produção Universidade Estadual Norte Fluminense, Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 14

15 PINTO, A. K.; XAVIER, J. N. Manutenção: função estratégica. Rio de Janeiro: Qualitymark, RAO, S. S. Vibrações Mecânicas, Pearson Prentice Hall, 4 ed.americana, ROCHA, D. L. Analise de vibrações em equipamentos rotativos de uma indústria alimentícia. Instituto Federal Fluminense, Campos dos Goytacazes, RODRIGUES, C. R.; GOMES, E. S.; DA SILVA, V. L. Procedimento para análise de vibrações utilizando coletor Movilog 2 e software EDIAG Instituto Federal Fluminense, Campos dos Goytacazes, Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 15