MCE1458 BANCADA DE ANÁLISE DE VIBRAÇÃO EM MOTORES ELÉTRICOS PARA CONTROLE E SIMULAÇÃO DE DEFEITOS EM ROLA

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1 XVII Encontro de Iniciação Científica XIII Mostra de Pós-graduação VII Seminário de Extensão IV Seminário de Docência Universitária 16 a 20 de outubro de 2012 INCLUSÃO VERDE: Ciência, Tecnologia e Inovação para o Desenvolvimento Sustentável MCE1458 BANCADA DE ANÁLISE DE VIBRAÇÃO EM MOTORES ELÉTRICOS PARA CONTROLE E SIMULAÇÃO DE DEFEITOS EM ROLA BRUNA TAVARES VIEIRA DA SILVA bruna_tvs@yahoo.com.br MESTRADO - ENGENHARIA MECÂNICA UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ ORIENTADOR(A) ALVARO MANOEL DE SOUZA SOARES UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ

2 BANCADA DE ANÁLISE DE VIBRAÇÃO EM MOTORES ELÉTRICOS PARA CONTROLE E SIMULAÇÃO DE DEFEITOS EM ROLAMENTOS 1 (Autor 1) Bruna Tavares Vieira da Silva 2 (Orientador) Álvaro Manoel de Souza Soares 3 Resumo Os elevados níveis de vibração podem levar o equipamento à fadiga, e consequentemente à quebra, o que causa perdas de produção, problemas de fornecimento de material ou serviço. Sendo assim o problema que surge é: como controlar a vibração? Este trabalho será baseado no desenvolvimento do sistema para controle de acionamento, aquisição e interpretação de dados de uma bancada de análise de vibração em motores elétricos. O sistema proposto consiste em uma bancada composta por um motor fixado em uma plataforma e o seu eixo está acoplado a uma placa circular metálica para auxiliar o monitoramento da rotação e também através dela propor desbalanceamento do sistema, através de inserção de massas. O movimento do motor é monitorado por um sensor indutivo e a vibração será monitorada por um acelerômetro. Para controle de acionamento e aquisição de dados, será utilizado o software Labview, por possuir interface amigável e estar disponível para utilização no laboratório. Palavras-chave: Análise, Vibrações, Rolamentos, Motores Elétricos VIBRATION ANALYSIS IN ELECTRICAL MOTORS TO DRIVE, CONTROL AND SIMULATION OF DEFECTS IN BEARINGS 1 Abstract The high levels of vibration equipment can lead to fatigue and consequently to break, which causes production losses, problems in material supply or service. Thus the problem arises: how to control the vibration in rotating machines? This work will be based on the development of the system for drive control, data acquisition and interpretation of a vibration analysis on rotating machines. The proposed system consists of a bench comprising a motor whose shaft is coupled to a circular plate to monitor rotation and unbalance of the proposed system through insertion of pasta. The movement of the motor is monitored by an inductive sensor and the vibration is monitored by an accelerometer. To drive control and data acquisition, the software Labview is used, because it has friendly interface and be available for use in the laboratory. Keywords: Analysis, Vibration, Bearing, Electrical Motors 1 INTRODUÇÃO As máquinas rotativas tem larga aplicação nas indústrias petroquímica, aeronáutica, de geração de energia, entre outras. Pelo fato do nível elevado de exigência das atividades, é muito importante investigar possíveis formas de minimizar o nível de vibração no rotor. O uso de controladores passivos de vibração é a primeira alternativa à disposição

3 dos projetistas, ou seja, reprojetar a máquina modificando o amortecimento distribuído no sistema, especialmente nos mancais. Entretanto existem máquinas operando que já apresentam nível de vibração além do aceitável e também outras máquinas a serem projetadas cujo uso de atuadores passivos não conseguiria cumprir os requisitos de projeto quanto ao nível de vibração máximo aceitável, Adams e McClosKey (1990). Para realizar estudos nessa área foi criado um modelo de trabalho para uma bancada de análise de vibração em máquinas rotativas, através de um sistema de aquisição de dados proposto para identificação de defeitos através de parâmetros estabelecidos para condição de funcionamento normal e realizar um comparativo com os dados obtidos. Após o desenvolvimento do trabalho, espera-se que a bancada possa ser utilizada para fins didáticos por reproduzir de maneira confiável simulações com relação ao comportamento adequado ou não de uma máquina rotativa, comprovando diversas questões relacionadas ao estudo teórico em atividades de laboratório. O objetivo do trabalho é comprovar que é viável e confiável desenvolver sistemas para análise de vibração para identificar precocemente as possíveis falhas em máquinas rotativas, principalmente em seus rolamentos, que são os principais causadores de defeitos neste tipo de equipamento. Tornar esta avaliação uma ferramenta que possa ser aprimorada e utilizada como referência em atividades de manutenção preditiva. 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 Motores Elétricos Um motor elétrico transforma energia elétrica em energia mecânica, utilizando o princípio da reação entre dois campos magnéticos. A classificação dos motores difere por suas características de construção e funcionais, podendo ser de corrente contínua, de indução ou assíncronos e síncronos Motores de Indução Trifásicos Um motor de indução é tem como partes importantes o estator, que constitui a parte estática de um motor, e o rotor sua parte móvel. O motor de indução é um motor de construção simples. Estator e rotor são montados solidários, com um eixo comum aos anéis metálicos que os compõem. A aplicação de uma tensão nos enrolamentos do estator produzirá um campo magnético girante devido à resultante das tensões aplicadas. Este campo magnético irá induzir correntes no rotor as quais produzirão um campo magnético. Com isso haverá uma tendência de alinhamento entre os dois campos magnéticos fazendo com que o rotor gire. O espaço entre o estator e o rotor é denominado entreferro. A figura 1 apresenta a vista explodida do motor de indução.

4 Figura 1 Motor de indução trifásico Mancais O mancal é um suporte de apoio dos elementos girantes das máquinas, eixos e rolamentos. Podem ser classificados como mancal de deslizamento e mancal de rolamento. Os mancais de deslizamento são concavidades nas quais as pontas de um eixo se apoiam já os mancais de rolamento são aqueles que compostos por esferas ou rolos onde o eixo se apoia. Quando o eixo gira, as esferas ou rolos também giram confinados dentro do mancal. A Figura 2 ilustra os dois tipos de mancal. (a) (b) Figura 2 Tipos de mancal (a)mancal de deslizamento (b)mancal de rolamento Rolamentos Os rolamentos são compostos por anéis internos e externos, elementos rolantes, que podem ser rolos e esferas, e gaiola, sua classificação é definida de acordo com a carga que irão suportar, podendo ser rolamentos radiais e axiais. Outra classificação pode ser dada a partir de seus elementos rolantes, rolamentos de esferas e de rolos, que poderão ainda ser sub-classificados pelo aspecto constitucional de seus elementos rolantes. Os rolamentos rígidos ou fixos de uma carreira de esferas, apesar de sua simples constituição, são muito utilizados. As principais aplicações dos rolamentos rígidos de uma carreira de esferas são: rodas dianteiras automotivas, caixas de transmissão, dínamos, motores elétricos, turbinas a gás, máquinas industriais, etc.

5 Antoniolli (1999) diz que os rolamentos são os componentes que tem recebido tratamento especial pelas técnicas de monitoramento de vibrações, especialmente os rolamentos rígidos de esfera, por: 1 Serem usados em grandes quantidades; 2 - O tempo de vida útil possui uma dispersão muito grande; 3 - Requerer cuidados de montagem e de manutenção que nem sempre são observados na prática, levando-os a frequentes danos irreparáveis; 4 - Possuir baixo custo comparado a outros componentes; 5 - Por se trabalhar a favor da segurança, grande número de rolamentos é substituído ainda em bom estado. As falhas ocorrem principalmente por condições de operação inapropriadas e não por má qualidade na fabricação. As causas de falha a serem destacadas são: contaminação por sujeira e água, sobrecarga, falta de lubrificação e manuseio inadequado durante a montagem do mancal. Alguns defeitos em rolamentos são identificados pela análise de vibração: falta de lubrificação ou lubrificação inadequada, fadiga do material, assentos defeituosos no eixo e/ ou dos mancais, montagem incorreta, corrosão ou erosão do material devido a agentes químicos, passagem de corrente elétrica, material estranho ao rolamento, vibrações externas, defeitos de fabricação, defeitos nas pistas, defeitos nas esferas ou nos rolos, defeitos na gaiola. Levando em consideração que o mancal de rolamento tenha sido instalado corretamente as prováveis falhas são: 1 - Fadiga; 2 - Desgaste; 3 - Deformações plásticas; 4 - Aderência; 5 - Aquecimento Frequências características de falha De acordo com Araújo (2011) cada um dos quatro elementos principais de um rotor tem uma frequência própria e essas frequências são: - frequência do anel externo; - frequência do anel interno; - frequência da gaiola; - frequência dos corpos rolantes. A figura 3 apresenta um diagrama esquemático de um rolamento e demonstra seus principais parâmetros a serem verificados:

6 Figura 3- Diagrama esquemático de um rolamento e seus parâmetros Velocidade ωo velocidade angular da pista externa; Velocidade ωi velocidade angular da pista interna; Ângulo α (alfa) ângulo entre a esfera e as pistas internas e externas (ângulo de contato operacional); Diâmetro d diâmetro das esferas; Diâmetro D diâmetro médio do rolamento (média aritmética do diâmetro externo e interno). É possível converter as velocidades angulares ωo e ωi em freqüência da pista externa (fo) e freqüência da pista interna (fi) através de cálculos específicos. Almeida(2007) demonstra através da tabela 1, o resumo das frequências de falhas em rolamentos. Tabela 1 Frequências de falha em rolamentos

7 2.2 Instrumentação Virtual De acordo com Sumathi e Surekha(2007), um sistema de instrumentação virtual utiliza um software para monitorar e um sistema de medição, controlando um dispositivo de medição externo a um computador, e que mostra o resultado do teste ou medição em painéis na tela do computador. Os dados coletados pelo dispositivo externo fazem interface com o computador. Importante considerar a maneira como ocorrerá a interface do meio real com o virtual, para isso é necessário conhecer o componente de interface, que é o meio físico que proverá o sinal e o padrão de comunicação. Chama-se de padrão de comunicação, ou protocolo, as definições da maneira com que os dados serão transmitidos no sistema, ou seja, a linguagem de comunicação entre os componentes que integram a instrumentação. Descrevendo genericamente o sistema é correto dizer que o módulo sensor detecta e condiciona o sinal, e o transforma em formato digital para manipulação posterior. Através da interface do sensor, o módulo sensor se comunica com o computador. Uma vez que a informação está em formato digital no computador, ela pode ser processada, convertida, comparada e manipulada de inúmeras formas, ou armazenadas em um banco de dados. A informação pode então ser mostrada, ou convertida novamente em sinal analógico para um posterior processo de controle. 3 MÉTODOS Foram realizados experimentos laboratoriais para verificar o funcionamento do sistema de aquisição proposto. Para interpretação dos dados obtidos foi necessário desenvolver uma pesquisa sobre a teoria de vibrações mecânicas, pois é por meio desta técnica que será desenvolvido o trabalho. Parâmetros de comparação em função de dados teóricos pesquisados serão estabelecidos, para que possa ser definido o que será monitorado e simulado, para assim indicar as análises que poderão ser realizadas. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 Bancada para desenvolvimento A bancada é composta por um motor trifásico 220/380V fixado em uma base. Acoplado ao eixo do motor uma haste e na extremidade uma placa circular de material metálico. Próximo a esta placa foi montado um sensor indutivo para dimensionar o deslocamento provocado pelo movimento do motor e um acelerômetro para capturar os sinais de vibração. O acionamento do motor é feito através de um contator que é controlado pelo software LABVIEW. A figura 4 mostra a bancada. A aquisição dos dados é feita através dos sensores conectados ao amplificador de sinal utilizado com interface com o software LABVIEW, através da Placa USB6009.

8 Figura 4 Bancada para análise de vibração A figura 5 demonstra a tela de operação do sistema de controle e aquisição de dados proposto para o trabalho na bancada, desenvolvido no LABVIEW. Figura 5 Tela do controle de acionamento e aquisição de dados

9 O sistema executa o controle de acionamento do motor, para que a bancada permaneça em funcionamento somente durante o período em que os dados estão sendo obtidos, para evitar assim, um desgaste desnecessário dos componentes. Este acionamento é feito através de um sinal de controle enviado a um contator para que controle e potência possam ser separados, evitando assim manipulação de tensões alternadas pelos usuários da bancada. Para tornar possível a interface do sistema físico com o sistema lógico, foi utilizado um amplificador de sinais e uma placa de interface para entradas e saídas digitais e analógicas, estes dispositivos trabalham em conjunto com o software LABVIEW da National Instruments. Com isso o desenvolvimento do sistema lógico se torna mais simplificado por já possuir ferramentas dedicadas para aplicações desta natureza, simulação de atividades e controle de sistemas. Já existem blocos para implementar filtros através do programa, o que possibilita uma redução de ruído dos sinais aquisitados, isto se trona interessante pois qualquer interferência num pequeno período pode alterar a informação, modificando assim a conclusão podendo ocasionar erros nas análises realizadas. Enquanto o motor está em funcionamento, o sensor indutivo e o acelerômetro trabalham na aquisição dos dados, para que um determinado número de amostras em um intervalo de tempo possam ser obtidas, estes sinais serão tratados e analisados via software. Após a obtenção dos dados é necessário fazer uma análise comparativa dos valores obtidos com parâmetros estabelecidos teoricamente, para indicar se o sistema está em falha ou não e se positivo, que falhas são essas. 5 CONCLUSÃO Visto que os motores elétricos são equipamentos que apresentam índices de falha consideráveis em suas aplicações, a manutenção preditiva é muito importante, para antever as falhas em função de alterações nas características normais de funcionamento. Para que isso seja possível, verificações periódicas devem ser feitas para que essas anormalidades possam ser identificadas. Baseado nesta ideia de que o monitoramento e consequente análise dos dados obtidos deve ser realizada, foi proposto um modelo para análise de comportamento de um sistema com uma máquina rotativa. Foi verificado que é possível realizar a aquisição dos dados para situação normal de funcionamento e com falhas propositadas, para que seja possível comprovar as informações teóricas sobre o tema em estudo. O trabalho ainda não foi finalizado, mas já é possível perceber que através da análise de vibração é possível identificar algumas falhas existentes no equipamento de acordo com as frequências de vibração encontradas e parâmetros de funcionamento estabelecidos. Com isso, em função das conclusões através dos resultados se torna possível definir quais atividades devem ser feitas, que atitudes devem ser tomadas para que a falha encontrada não se agrave.

10 REFERÊNCIAS ALMEIDA, F. R. Análises Estatísticas e Reconhecimento de Padrão Aplicados em Diagnosticos de Defeitos em Rolamentos Através da Análise de Vibração ANTONIOLLI, E. B. Estudo comparativo de técnicas de medição e análise de vibrações para a manutenção em mancais de rolamentos. Florianopolis: UFSC, ARAÚJO, R. d. Desgaste prematuro e falhas recorrentes em rolamentos de motores BAILLIE, D., & MATHEW, J. Diagnosing rolling element bearing faults with artificial neural networks DINIZ, P. S., SILVA, E. A., & NETTO, S. L. Processamento Digital de Sinais: projeto e análise de sistemas. Porto Alegre: Bookman, GIRDHAR, Paresh; SCHEFFER, Cornelius. Pratical machinery vibration analysis and predictive maintenance. Burlington, Reino Unido: Newnes, HAYKIN, S. S., & VEEN, B. V. Sinais e sistemas. Porto Alegre, HWANG, D.-H. A Method for Rotor Vibration Monitoring of Induction Motor by Air-gap Flux Detection. MATOS, C. S., ROCHA, R. d., MATOS, W. S., & ZINDELUK, M. (1997). Estudo de Efeitos Dinâmicos Induzidos por Folga em Mancais de Rolamento em um Rotor Vertical. MENDEL, E., MARIANO, L. Z., DRAGO, I., LOUREIRO, S., RAUBER, T. W., VAREJÃO, F. M., BATISTA, R. J. Reconhecimento automático de padrões de falhas em rolamentos usando análise de sinais de vibração. Juiz de Fora, MURPHY, B., VANCE, J. & ZEIDAN, F. Machinery Vibration and Rotordynamics. Hoboken, 2010 SILVA, J. G. Aplicação da análise de componentes principais (PCA) no diagnóstico de defeitos em rolamentos através da assinatura elétrica de motores de indução SINHA, A. Vibration of Mechanical Systems. Nova York: Cambridge University Press, SUMATHI, S., & SUREKHA, P. (2007). LabVIEW based advanced instrumentation systems. New York, 2007.