PREVISÃO DE FALHAS EM ROLAMENTOS UTILIZANDO A DEMODULAÇÃO DE SINAIS DE VIBRAÇÃO

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1 PREVISÃO DE FALHAS EM ROLAMENTOS UTILIZANDO A DEMODULAÇÃO DE SINAIS DE VIBRAÇÃO ANUÁRIO DA PRODUÇÃO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DISCENTE Vol. 13, N. 17, Ano 2010 Rodrigo José Bastos Reinaldo Borges Junior RESUMO Curso: Engenharia Mecânica FACULDADE ANHANGUERA DE MATÃO Trabalho vencedor como primeiro colocado na categoria PIC Ciências Exatas, da Terra e Engenharia no VIII Encontro Interno de Iniciação Científica da Faculdade Anhanguera de Matão. As falhas em rolamentos podem ser evitadas utilizando a análise de vibrações, os rolamentos são componentes importantes presentes em vários equipamentos e processos produtivos, a assinatura vibratória resultante de uma falha inicial em rolamentos possui amplitudes muito baixas se comparadas com outras falhas, tais como, desbalanceamento, folgas e desalinhamento; a identificação de falhas em um estágio incipiente permite um melhor planejamento de uma ação corretiva, este artigo apresenta os conceitos básicos da técnica de demodulação dos sinais de vibração em rolamentos, bem como a analise prática da ferramenta, para tal foi analisado em estudo de caso, onde a falha é detectada e corrigida em um estágio inicial. Palavras-Chave: análise de vibrações; demodulação; rolamentos. Anhanguera Educacional Ltda. Correspondência/Contato Alameda Maria Tereza, 2000 Valinhos, SP - CEP rc.ipade@unianhanguera.edu.br pic.ipade@unianhanguera.edu.br Coordenação Instituto de Pesquisas Aplicadas e Desenvolvimento Educacional - IPADE Publicação: 30 de junho de 2011 Trabalho realizado com o incentivo e fomento da Anhanguera Educacional 359

2 360 Previsão de falhas em rolamentos utilizando a demodulação de sinais de vibração 1. INTRODUÇÃO Frente à crescente necessidade de ferramentas eficazes no diagnóstico de falhas, a análise de vibrações tem recebido vários focos de estudo como uma ferramenta poderosa na predição de falhas. A maior ênfase de acompanhamento de vibrações está concentrada nos equipamentos rotativos, os rolamentos são componentes importantes em processos industriais, falhas nesses componentes além perdas econômicas podem comprometer a segurança dos usuários e riscos ao meio ambiente. Os defeitos em rolamentos podem ser causados durante o processo de fabricação ou uso. Caso essas falhas não sejam detectadas a tempo, podem levar a um mau funcionamento da máquina e até comprometer outros componentes, podendo inutilizá-la (BEZERRA, 2004). A análise de vibrações busca a previsão ou antecipação da falha, medindo parâmetros que indiquem a evolução de uma falha a tempo de serem corrigidas (SIQUEIRA, 2005). Segundo Moubray (2000) quanto mais cedo uma falha potencial puder ser detectada maior será o tempo de tomada de decisão, porém a maioria dos desvios são menores que a percepção humana e somente pode ser detectados por instrumentos especiais. 2. OBJETIVO Este artigo tem o intuito de fornecer uma análise estruturada sobre as frequências de falha em rolamentos, tendo como foco a eficácia da análise por demodulação de sinais de falha em um estagio incipiente, avaliando os resultados obtidos em um estudo de caso. 3. METODOLOGIA O estudo foi segmentado em duas fases, o levantamento bibliográfico se limita na definição das frequências de falhas de rolamentos considerando as características constritivas e as técnicas disponíveis para análise de tais falhas em um estágio prematuro. O estudo de caso foi realizado em uma empresa prestadora de serviços no ramo de manutenção industrial, a empresa disponibilizou o uso do seu banco dados e softwares de apoio à análise de vibração. Os equipamentos monitorados fazem parte de um plano de manutenção preditiva, as periodicidades são determinadas por estatísticas de falha, o

3 Rodrigo José Bastos, Reinaldo Borges Junior 361 banco de dados permite o acompanhamento da evolução das falhas é conseqüentemente sua severidade. 4. FREQUENCIAS DETERMINANTES DE FALHA EM ROLAMNETO As freqüências de falha em rolamento somente são visualizadas no espectro de vibração se o rolamento apresentar algum defeito, a amplitude desta freqüência será a resultante do grau de degradação dos componentes do rolamento (CORONATO, 2003). As freqüências de falha de rolamentos são assíncronas à frequência de rotação, isto é, não são múltiplas inteiras da velocidade de rotação do eixo, uma característica importante a ser considerada durante análise. Existem quatro freqüências básicas geradas por defeitos em rolamentos: Defeito BPFI - Freqüência de passagem de elementos rolantes por um ponto da pista interna tem sua origem do inglês Ball Pass Frequency Inner Race, associada a defeitos na pista interna. Defeito BPFO - Freqüência de passagem de elementos rolantes por um ponto da pista externa, tem sua origem do inglês Ball Pass Frequency Outer Race, associada a defeitos na pista externa. Defeito BSF - Freqüência de giro dos elementos, tem sua origem do inglês Ball Spin Frequency, associada a defeitos nos elementos rolantes (rolos ou esferas). Defeito FFT - Freqüência de giro da gaiola ou do conjunto de elementos rolantes, tem sua origem do inglês Fundamental Train Frequency, associada a defeitos na gaiola e a defeitos em alguns dos elementos rolantes. A Figura 1 expõe as frequências de falha em um rolamento de esferas: Figura 1. Frequências de falha. As equações determinantes das frequência de falha consideram a sua forma construtiva, a Figura 2 detalha essas dimensões utilizadas no cálculo.

4 362 Previsão de falhas em rolamentos utilizando a demodulação de sinais de vibração Figura 2. Dimensões utilizadas no cálculo. Onde, D = diâmetro da esfera; d = diâmetro primitivo; dpi = diâmetro da pista interna; dpe = diâmetro da pista externa; β = ângulo de contato; Ne = Velocidade de Rotação A Tabela 1 expõe as equações utilizadas para determinar as frequências de falhas. Tabela 1. Equações para cálculo das frequências de falha em rolamentos. Fonte: (BEZERRA, 2007). 5. DEMODULAÇÃO DO SINAL DE VIBRAÇÃO (ENVELOPE) Os demoduladores são circuitos incluídos nos analisadores e coletores com o objetivo de remover a portadora de sinais modulados (CORONATO, 2003).

5 Rodrigo José Bastos, Reinaldo Borges Junior 363 Ponci e Cunha (2010) afirmam que vibrações livres de alta freqüência geradas pelos defeitos de rolamentos possuem intensidade bastante reduzida em comparação com as amplitudes das componentes de baixa freqüência, relacionadas com defeitos de alta energia como desbalanceamento, desalinhamento e folgas. Coronato (2003) evidencia que sua aplicação não se limita apenas à falhas em rolamentos, a técnica também pode ser utilizado na detecção de falhas em engrenagens e motores elétricos. A Figura 3 ilustra o processo de demodulação do sinal de vibração. Figura 3. Processo de obtenção do envelope (Demodulação). O filtro passa alta tem a função de remover os componentes de grande amplitude que dificultam a detecção das componentes moduladas de baixa amplitude, já o filtro passa baixa tem a função de extrair a envoltória das vibrações livres de alta frequência (CORONATO, 2003) Coronato (2003) define os principais sintomas de falha em rolamento: Para se detectar defeitos em mancais de rolamentos deve-se examinar cuidadosamente o espectro de frequência das vibrações axiais, procurando identificar picos harmônicos relacionados às frequências não assíncronas com a de rotação. As frequências básicas geradas por defeitos em mancais de rolamento são a frequência de passagem de gaiola (FTF), de rotação das esferas (BSF) e de falha nas pistas externa (BPFO) e interna (BPFI). Uma ou mais destas frequências fundamentais com seus harmônicos e bandas laterais podem aparecer no espectro. As harmônicas de ordem de 4 a 6 são mais elevadas no espectro de velocidade quando o defeito está em um estágio intermediário, quando o defeito progride as amplitudes das harmônicas de menor ordem aumentam. Se as frequências fundamentais são predominantes o defeito

6 364 Previsão de falhas em rolamentos utilizando a demodulação de sinais de vibração está em um estágio avançado. O espectro de aceleração apresenta predominância de harmônicas de ordem mais elevada e de frequências naturais de componentes do rolamento na faixa de a Hz que podem ser mais facilmente detectados por filtragem e medição de valor de pico (HFD) ou por demodulação de sinal (envelope), esses métodos fornecem detecção antecipada dos defeitos. 6. ESTUDO DE CASO O estudo de caso se refere à análise de vibrações em um motor de corrente alternada. Dados do Motor: Motor de Indução Trifásica. Rotação: 1088 RPM (Real). Rolamento Lado Acoplado: NU316E SKF. Rolamento Lado Oposto: SKF. O rolamento oposto ao lado acoplado apresentou falha na pista externa BPFO, as frequências de falha foram determinadas utilizando o próprio software de análise, conforme Figura 4. Figura 4. Espectro de vibração com falha BPFO. Após a correção foi realizada uma nova coleta de dados, conforme Figura5, os níveis de vibração baixaram significativamente, tirando o equipamento da zona de risco de falha eminente.

7 Rodrigo José Bastos, Reinaldo Borges Junior 365 Figura 5. Espectro de vibração após a intervenção corretiva. 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS O estudo mostrou a eficácia da ferramenta análise de vibrações. Os softwares e analisadores disponíveis no mercado possuem recursos capazes de diagnosticarem falhas em um estágio incipientes, fornecendo informações importantes para o processo de tomada de decisão. A demodulação aumenta a capacidade de detecção antecipada de falhas em rolamentos, isso porque melhora a faixa dinâmica efetiva do analisador em medições de sinais de baixo nível e altas frequências relacionadas a esse defeito. A análise de vibrações permite uma avaliação confiável dos sistemas operacionais em funcionamento. É possível realizar um planejamento antecipado das intervenções corretivas, definindo o momento mais oportuno para a sua realização, reduzindo os prazos os custos das intervenções pelo conhecimento antecipado dos componentes a serem substituídos. REFERÊNCIAS CORONATO, M. Apostila de treinamento de vibrações. São Paulo: GYR, 2003.

8 366 Previsão de falhas em rolamentos utilizando a demodulação de sinais de vibração MARÇAL, R. F. M. Um método para detectar falhas em máquinas rotativas. Net. Tese (Doutorado). Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Disponível em: < Acesso em: 07 maio MESQUITA, A. L. A. Identificação de modos operacionais e naturais de vibração em máquinas rotativas utilizando coordenadas complexas. net Tese (Doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Disponível em: < Acesso em: 09 maio MOUBRAY, J. Manutenção centrada na confiabilidade. São Paulo: Aladon, MIRSHAWKA, V. Manutenção preditiva: caminho para zero de defeito. São Paulo: Makron Books, PINTO, A. K. Manutenção: função estratégica. Rio de Janeiro: Qualitymark, PONCI, L. P; CUNHA, P. M. R. Previsão de falhas de rolamentos por análise espectral e de envelope. Disponível em: < Acesso em: 10 jul SIQUEIRA, I. P. Manutenção centrada na confiabilidade: manual de implantação. Rio de Janeiro: Qualitymark, 2005.