ANÁLISE DE VIBRAÇÕES EM EQUIPAMENTOS ROTATIVOS DE UMA INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA

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1 CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MANUTENÇÃO INDUSTRIAL ANÁLISE DE VIBRAÇÕES EM EQUIPAMENTOS ROTATIVOS DE UMA INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA DIEGO LILARGEM ROCHA CAMPOS DOS GOYTACAZES / RJ 2014

2 DIEGO LILARGEM ROCHA ANÁLISE DE VIBRAÇÕES EM EQUIPAMENTOS ROTATIVOS DE UMA INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA Monografia apresentada ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense como requisito parcial para a conclusão do Curso Superior de Tecnologia em Manutenção Industrial. Orientador: Prof. Flávio Nassur Espinosa CAMPOS DOS GOYTACAZES / RJ

3 Este trabalho, nos termos da legislação que resguarda os direitos autorais, é considerado propriedade institucional. É permitida a transcrição parcial de trechos do trabalho ou menção ao mesmo para comentários e citações desde que não tenha finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa. Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade dos autores e não definem uma orientação da instituição. 3

4 Monografia intitulada ANÁLISE DE VIBRAÇÕES EM EQUIPAMENTOS ROTATIVOS DE UMA INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA elaborada por Diego Lilargem Rocha e apresentada publicamente perante a Banca Avaliadora, como parte dos requisitos para conclusão do Curso Superior de Tecnologia em Manutenção Industrial do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense. Aprovada em 09/09/14 Banca Avaliadora: Prof. Flávio Nassur Espinosa. (M.sc.) IFF/ Manutenção Industrial. (Orientador) Prof. Leonardo Peixoto de Oliveira. (M.sc.) IFF/ Engenharia de Controle e Automação. Prof. Carlan Ribeiro Rodríguez. (Esp.) IFF/ Manutenção Industrial. 4

5 AGRADECIMENTOS Primeiramente, agradeço a Deus por tudo que tenho em minha vida. Ele é o principal responsável por podermos conhecer, entender e estudar os segredos do universo. Ao professor Flávio Nassur Espinosa, meu orientador, por toda a dedicação e conhecimentos fornecidos para a minha pesquisa, pelos valiosos conselhos e pelas cuidadosas revisões. Aos funcionários da Purac Sínteses: Fábio Alcântara, engenheiro de manutenção e Felipe Almeida, técnico de manutenção industrial que facilitaram o acesso para a execução do trabalho. Aos meus pais e amigos, que sempre me incentivaram nos momentos mais difíceis da minha vida. E por fim, a todos que direta e indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho. 5

6 Se queres compreender o universo pense em termos de energia, frequência e vibração. Nikola Tesla 6

7 Dedicamos esse trabalho a todos aqueles que se interessam por essa ciência e todos os profissionais que executam serviços na área de vibrações. 7

8 Resumo Esse trabalho busca avaliar as vibrações que frequentemente ocorrem em alguns equipamentos típicos da indústria. Para tanto foi usado um coletor de vibrações e seu software de análises para interpretação de dados. Os espectros e formas de onda coletados serviram de base para diagnosticar defeitos nos equipamentos, e pela análise da tendência estimar quando as falhas iriam ocorrer, e dessa forma, intervir neles antes que as falhas se concretizassem. No estudo foi realizado uma série de coletas de vibrações em uma empresa da região, totalizando 10 coletas. Também faz parte do trabalho uma breve revisão bibliográfica, montagem adequada de uma configuração para cada medição executada através do conhecimento dos componentes dos equipamentos e demonstração dos gráficos de tendência de cada um dos equipamentos avaliados. Palavras-chave: espectro de frequência, vibrações de equipamentos, análise de vibrações, manutenção preditiva. 8

9 Abstract This work intends evaluate the vibration that frequently happen in some typical equipments in industry. For that, it was used a vibration data collector and its analysis software for data interpretation. The spectras and waveforms collected served as the basis to diagnose faults in equipment and using the tendency analysis estimate when this will happen, and this way, intervene them before they happen. In the study was performed a lot of collect of vibrations in a company, totalizing 10 collects. Also is part of this work a brief bibliography review, the correct assembly of the configuration to each measurement, through the knowledge of equipments; and demonstration of graphics tendency for each evaluated equipment. 9

10 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS...13 LISTA DE TABELAS...19 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS...20 CAPÍTULO 1-APRESENTAÇÃO INTRODUÇÃO OBJETIVO JUSTIFICATIVA ESTRUTURA DO TRABALHO METODOLOGIA...24 CAPÍTULO 2 -MANUTENÇÃO INTRODUÇÃO TIPOS DE MANUTENÇÃO MANUTENÇÃO CORRETIVA MANUTENÇÃO PREVENTIVA MANUTENÇÃO PREDITIVA MANUTENÇÃO DETECTIVA ENGENHARIA DE MANUTENÇÃO MANUTENÇÃO PROATIVA...29 CAPÍTULO 3- VIBRAÇÃO HISTÓRICO DA VIBRAÇÃO CONCEITOS E DEFINIÇÕES BÁSICAS ANÁLISE DE FREQUÊNCIA DE VIBRAÇÃO FALHAS PROVOCADAS POR ALTA VIBRAÇÃO DINÂMICAS

11 ELETROMAGNÉTICAS AERODINÂMICAS E HIDRODINÂMICAS DE IMPACTO...59 CAPÍTULO 4-PARÂMETROS PARA A CONFIGURAÇÃO DAS MEDIÇÕES PONTOS DE MEDIÇÃO IDENTIFICAÇÃO DOS MANCAIS DIREÇÃO DA MEDIÇÃO GRANDEZA MEDIDA PARÂMETROS DE MEDIÇÃO MEDIÇÕES EM DESLOCAMENTO MEDIÇÕES EM VELOCIDADE MEDIÇÕES EM ACELERAÇÃO MEDIÇÕES DE ENVELOPE DE ACELERAÇÃO MEDIÇÕES EM ONDA NO TEMPO ALARMES...71 CAPÍTULO 5- ESTUDO DE CASO APRESENTAÇÃO DO EQUIPAMENTO COLETOR E SOFTWARE DE ANÁLISE DE VIBRAÇÕES IDENTIFICAÇÃO DO AMBIENTE IDENTIFICAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS ESPECIFICAÇÕES E CONFIGURAÇÕES DAS MEDIÇÕES DO MOTO- VENTILADOR ESPECIFICAÇÕES E CONFIGURAÇÕES DAS MEDIÇÕES DA MOTO- BOMBA ESPECIFICAÇÕES E CONFIGURAÇÕES DAS MEDIÇÕES DO MOTO- REDUTOR...89 CAPÍTULO 6- ANÁLISES DOS ESPECTROS COLETADOS ANÁLISES DO MOTO-VENTILADOR

12 6.2 - ANÁLISES DA MOTO-BOMBA MOTOR BOMBA ANÁLISES DO MOTO-REDUTOR MOTOR ADAPTADOR REDUTOR CONCLUSÕES SUGESTÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

13 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Primeiro sismógrafo da humanidade (Fonte: Figura 2:Forma de onda senoidal no tempo (Fonte: Figura 3: Onda no tempo com as diferentes leituras para amplitude. (Fonte: Forum.clubedohardware.com.br)...33 Figura 4: Diferenças em um domínio temporal. (Fonte: Figura 5: Demonstração da variação da amplitude em função da relação W/Wc (frequência do sistema sobre a frequência natural), em várias curvas com diversos amortecimentos. (Fonte: Apostila do instituto superior técnico)...35 Figura 6: Forma de onda com baixa amplitude (Fonte: Figura 7: Forma de onda com alta amplitude e frequência igual a forma de onda da figura 6. (Fonte: Figura 8: Superposição das duas ondas anteriores. (Fonte: Figura 9: Batimento modulado por duas frequências próximas(acima), elevação da amplitude da frequência pela proximidade de sua frequência de ressonância (abaixo). (Fonte: Figura 10: Domínio temporal com modulação de frequência. (Fonte: Figura 11: Várias formas de onda juntas que geram a onda resutante...40 Figura 12: Formas de onda e espectro de frequência característico de um diapasão, pistão de motor e conjunto de engrenagens. (Fonte: Figura 13: Demonstração da captura de um sinal no domínio temporal e reapresentado no domínio da frequência em FFT. (Fonte: Figura 14: Massa gerando um desbalanceamento. (Fonte: Figura 15: Espectro de um desbalanceamento. (Fonte: 13

14 Figura 16: Demonstração de um espectro de frequência de um desalinhamento. (Fonte: Figura 17: Desalinhamento paralelo (Fonte: Figura 18: Desalinhamento angular (Fonte: Figura 19: Espectro de frequência mostrando roçamento. (Fonte: Apostila de análise de vibrações)...47 Figura 20: Espectro característico de folga. (Fonte: www. acervodigital.unesp.br)...48 Figura 21: Folga estrutural em um mancal. (Fonte: Figura 22: Folga demonstrada no domínio temporal. (Fonte: Figura 23: Tipos comuns de excentricidade.(fonte: Figura 24: Desalinhamento de correias. (Fonte: blogdamecanica.com.br)...55 Figura 25: Estator e rotor com suas ranhuras e barras respectivamente. (Fonte: Apostila de análise de vibração)...52 Figura 26: Funcionamento de um inversor de frequência (Fonte: Manual WEG de inversores de frequência)...55 Figura 27: Espectro de cavitação (Fonte: Figura 28: Mancal de filme de óleo (Fonte: e diagnóstico de vibrações)...58 Figura 29: Análise de uma máquina com turbilhonamento (Fonte: e diagnóstico de vibrações)...59 Figura 30: Rolamento traseiro 6318-C3 à direita e defeito na pista interna do rolamento traseiro 6318-c3 (Fonte: Figura 31: Onda no tempo de dente de engrenagem trincado. (Fonte: Figura 32:Identificação dos pontos nos mancais de um equipamento Horizontal, Vertical e Axial nos parâmetros de velociada e envelope 14

15 (Fonte:Tecnologia 01dB Brasil-Infrared Service-ThermanSoluções)...63 Figura 33: Ábaco de severidade em deslocamento em mils (milésimo de polegada). (Fonte: Figura 34:: Gráfico de intensidade de vibração nos parâmetros de velocidade (pol/s - pico) e aceleração (G - pico). (Fonte:Apostila de análise de vibração)...66 Figura 35: Demonstração do funcionamento de um envelope nas frequências de impacto. (Fonte: apostila da SKF)...67 Figura 36: Demonstração do domínio temporal (Fonte: Figura 37: Configuração da faixa de alarmes do software...71 Figura 38: Demonstração dos tipos de alarmes do software EDIAG. DG Danger e AL- Alarm...72 Figura 39: Coletor movilog (Fonte: Procedimento para análise de vibração utilizado coletor movilog 2 e software EDIAG2.2.0)...76 Figura 40: Imagem da tela do coletor Movilog (Fonte: Procedimento para análise de vibração utilizado coletor movilog 2 e software EDIAG2.2.0)...76 Figura 41: Imagem de entrada do software Ediag...77 Figura 42: Imagem da tela de monitoramento do software Ediag...77 Figura 43: Acelerômetro. (Fonte: Figura 44: Purac Sinteses Campos dos Goytacazes (foto)...79 Figura 45: Desenho do moto-ventilador da caldeira...80 Figura 46: Moto-ventilador da Purac (foto da vista ampla)...81 Figura 47: Moto-ventilador da Purac detalhe (foto)...81 Figura 48: Configurações para os defeitos no moto-ventilador...83 Figura 49: Desenho da Moto-Bomba...84 Figura 50: Moto-Bomba da Purac (foto)...85 Figura 51: Moto-bombas da Purac (foto)...86 Figura 52: Configurações para os defeitos no moto-bomba...88 Figura 53: Desenho do moto-redutor na Purac Sínteses (esquerda), croqui do adaptador do conjunto (direita e acima) e croqui do redutor de 3 estágios (direita e abaixo)...90 Figura 54: Moto-redutor da Purac Sínteses (foto de vista ampla)

16 Figura 55: Moto-redutor da Purac (foto)...92 Figura 56: Moto-redutor da Purac (foto)...93 Figura 57: Moto-redutor da Purac (foto)...93 Figura 58: Configurações para os defeitos no moto-redutor...96 Figura 59: Espectro de envelope de aceleração do motor da caldeira mancal 2V 4 Coleta...98 Figura 60:Espectro de envelope de aceleração mostrando 3º harmônico do 2Fl elevado no motor da caldeira mancal 2V 6º Coleta...99 Figura 61: Espectro envelope de aceleração mostrando 3º harmônico da 2Fl elevado no motor da caldeira mancal 2V 9º Coleta Figura 62: Espectro envelope de aceleração no motor da caldeira mancal 2H 10 Coleta Figura 63: Sinal de onda no tempo motor da caldeira mancal 2H 1 Coleta Figura 64: Sinal de onda no tempo motor da caldeira mancal 2H 6º Coleta Figura 65: Espectro em aceleração de banda larga mostrando a frequência de pulsos no mancal 2H 2 Coleta Figura 66: Espectro em aceleração de banda larga mostrando a frequência de pulsos no mancal 2H 9 Coleta Figura 67: Espectro em aceleração com zoom X2 mostrando a frequência de pulsos no mancal 2H 10 Coleta Figura 68: Gráfico de tendência mancal 1H Figura 69: Gráfico de tendência mancal 2V Figura 70: Espectro de frequência em velocidade do motor da bomba mancal 1H 1 Coleta Desalinhamento Figura 71: Espectro de frequência em velocidade do motor da bomba mancal 1H 3 Coleta Desalinhamento Figura 72:Mesmo espectro de frequência da figura 71 com um zoom no pico que mais se destaca Figura 73: Espectro em velocidade do motor da bomba 1H 9 Coleta Desalinhamento Figura 74: Mesmo espectro da figura 73 com zoom no maior pico Figura 75: Espectro em velocidade do motor da bomba mancal 1H 10 Coleta

17 Figura 76: Mesmo espectro da figura 75 com zoom no 2 harmônico Figura 77: Gráfico de tendência do mancal 2H Figura 78: Espectro em envelope de aceleração da bomba mancal 3H 1 Coleta Figura 79: Envelope em aceleração da bomba mancal 3H 6 Coleta Figura 80: Envelope em aceleração da bomba mancal 3V 9 Coleta Figura 81: Envelope de aceleração da bomba mancal 3H 6 Coleta Figura 82: Envelope de aceleração com alta resolução da bomba mancal 4H 1 Coleta Figura 83: Onda no tempo mostrando o problema no rolamento da bomba mancal4h4ºcoleta Figura 84: Onda no tempo mostrando o problema no rolamento da bomba mancal 4H7º coleta Figura 85: Onda no tempo mostrando o problema no rolamento da bomba mancal 3H10ºcoleta Figura 86: Gráfico de tendência se mantém estável, bomba 3H aceleração global Figura 87: Gráfico de tendência decaindo, bomba 4H aceleração global Figura 88: Frequência de engrenamento1 visível em um espectro de aceleração do motor mancal 1H 8 Coleta Figura 89: Frequência de engrenamento 1 vista em um espectro de aceleração no motor mancal 1H 9 Coleta Figura 90: Gráfico de tendência do motor mancal 2H Figura 91: Espectro em velocidade do adaptador no mancal 3H 9 Coleta Figura 92: Gráfico de tendência do adaptador mancal 3H Figura 93: Espectro em aceleração da frequência de engrenamento de entrada do redutor mancal 5H 5 Coleta Figura 94: Espectro em aceleração da frequência de engrenamento de entrada do redutor mancal 5H 8 Coleta Figura 95: Espectro em aceleração da frequência de engrenamento de saída mancal 7H 7 Coleta

18 Figura 96: Onda no tempo mostrando a rotação do eixo de entrada mancal 8V 8º coleta Figura 97: Onda no tempo mostrando a rotação do eixo de entrada mancal 7V 3 coleta Figura 98: Sinal de onda no tempo do redutor mancal 6V 6 Coleta Figura 99: Sinal de onda no tempo do redutor mancal 7V 6 Coleta Figura 100: Gráfico de tendência do redutor mancal 7H em aceleração global Figura 101: Gráfico de tendência do redutor mancal 8H em aceleração global

19 LISTA DE TABELAS TABELA 1: ISO PARA PARÂMEROS EM VELOCIDADE...65 TABELA 2: TABELA DE ROLAMENTOS DO MOTO-VENTILADOR...81 TABELA 3: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFIETOS DO MOTOR DO MOTO- VENTILADOR...82 TABELA 4: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFEITOS DO VENTILADOR DO MOTO- VENTILADOR...82 TABELA 5: TABELA DE ROLAMENTOS DA MOTO-BOMBA...85 TABELA 6: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFEITOS DO MOTOR DA MOTO- BOMBA...86 TABELA 7: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFEITOS DA BOMBA DA MOTO- BOMBA...87 TABELA 8: TABELA DOS ROLAMENTOS DO MOTO-REDUTOR...91 TABELA 9: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFEITOS DO MOTOR DO MOTO- REDUTOR...94 TABELA 10: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFEITOS DO ADAPTADOR DO MOTO- REDUTOR...94 TABELA 11: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFEITOS DA CAIXA REDUTORA DO MOTO-REDUTOR

20 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas RMS Raiz da Média Quadrática (Root Mean Square) RPM Rotação por Minuto FFT Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transformer) ISO International Organization for Standardization Bpfo Frequência de falhas da pista externa Bpfi Frequência de falhas da pista interna Bsf Frequências de falhas de elementos rolantes Btf Frequência de falhas da gaiola CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua Fr- Frequência de Ranhuras Fb Frequência de Barras Fe Frequência de engrenamento Fee Frequência de engrenamento de entrada Fes Frequência de engrenamento de saída BPF Frequência de pás (Blade Pass Frequency) Ne Rotação do eixo de entrada Ni Rotação do eixo intermediário Ns Rotação do eixo de saída 2FL 2X Frequência de rede 20

21 CAPÍTULO I 1- Apresentação Introdução Já há tempo a manutenção deixou de ser uma função desvalorizada. Esse antigo conceito de que a manutenção era um estorvo que atrapalhava a produção, patinho feio dentre as outras modalidades da empresa, já não existe mais. Hoje é de conhecimento geral que a manutenção e a produção andam juntas. A produção necessita da manutenção para seguir trabalhando com alta confiabilidade nos equipamentos, disponibilidade dos mesmos e qualidade no produto final. Neste cenário não existe mais espaços para improvisos e arranjos. O pessoal da área deve estar qualificado e equipado para evitar falhas, e não apenas corrigilas. 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, falhas ou gerando colapso no equipamento, 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. 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 dessas condições do equipamento para nos fornecer dados para a análise de como o equipamento está operando. Dependendo do calor, ruído, falta de óleo ou vibração, as máquinas podem operar fora ou dentro das condições normais. Nesse trabalho as análises de vibrações mecânicas nos equipamentos industriais serão estudadas mais a fundo. 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. 21

22 No início, a análise de vibração constituía apenas de uma observação cuidadosa do comportamento da máquina e, na maioria das vezes, reforçada com manutenções frequentes. Instrumentos elementares eram, muitas vezes, usados para medir e registrar os valores a partir dos quais se baseavam a detecção de falhas e as decisões de manutenção. Este método exigia pessoal de manutenção altamente treinado e experiente para garantir operação eficiente e evitar falhas catastróficas. Com o desenvolvimento da instrumentação analógica foram desenvolvidos aparelhos para facilitar os procedimentos de análise, porém eles ainda eram pesados e incômodos. Com o desenvolvimento de microprocessadores os circuitos puderam ter dimensões e peso dos instrumentos reduzidos, permitindo que os dados pudessem ser manipulados em alta velocidade. Uma característica muito importante da análise de frequência foi à computação eficiente do FFT (Fast-Fourier-Transformer) de medições multicanal e a capacidade de armazenar os dados para decisões futuras. A armazenagem de dados por longo prazo tornou-se prática comum. Algumas empresas já desenvolveram conjuntos de software que permitem que todo o processo da máquina seja monitorado automaticamente, realizando todo o trabalho de análise de medição e diagnóstico de problemas, seguida de estratégias de ação e manutenção. Os resultados de um sistema de monitoramento de vibração detectam, diagnosticam e localizam condições de operação defeituosas em seu estágio inicial, a fim de prevenir falhas graves. Por exemplo, a detecção inicial de um defeito em um mancal de uma caixa de engrenagem e a possibilidade de troca imediata pode evitar uma grave avaria na roda dentada. Falhas que excedam os níveis de vibração, como por exemplo durante os procedimentos de liga e desliga da máquina, reduzem o seu tempo de vida útil. 22

23 1.2 OBJETIVO O objetivo desse trabalho é demonstrar a aplicação da análise de vibração mecânica como técnica de manutenção preditiva atuando na indústria. Os softwares e coletores de análise de vibração cada vez mais modernos possibilitam a visualização dos mais variados tipos de frequências presentes nas máquinas. Pela análise dos espectros de vibração é possível determinar se tais frequências poderão ou não vir a se tornar problemas nas máquinas. 1.3 JUSTIFICATIVA Como existem poucos trabalhos em português sobre interpretação de espectros de frequências e a prática de análise de vibrações, achou-se necessário que a instituição (INSTITUTO FEDERAL FLUMINENSE) pudesse contar com um em seu acervo bibliográfico. Esse trabalho serve como um guia. Um guia explicitando sobre um roteiro para a prática da análise de vibração feita nas indústrias que usam dessa técnica preditiva. Os dados dos equipamentos, os parâmetros de vibração utilizados na captura de espectros, gráficos de tendência e a análise de resultados são elementos básicos da prática. E por fim, que esse trabalho possa ajudar aos futuros alunos que queiram enveredar-se por essa área, facilitando na hora de entender os conceitos teóricos aprendidos dentro da sala de aula e juntá-los com a prática da rotina de coleta de dados executada na planta das empresas. Que ele possa ser fonte de futuros trabalhos, assim como a monografia PROCEDIMENTO PARA ANÁLISE DE VIBRAÇÃO UTILIZANDO COLETOR MOVILOG 2 E SOFTWARE EDIAG foi para esse trabalho. 1.4 Estrutura do Trabalho Este trabalho está estruturado em 6 capítulos da seguinte forma: 23

24 Capítulo 1 Apresentação do assunto, descrevendo a introdução, a motivação, o objetivo, a estrutura de montagem e a metodologia. Capítulo 2 Revisão bibliográfica da parte de manutenção, o histórico e os tipos de manutenção. Capítulo 3 Revisão bibliográfica a respeito de vibração, o histórico de uso pela humanidade, suas definições básicas, apresentação de ondas no tempo e espectros FFT e os tipos de falhas em equipamentos industriais. Capítulo 4 Configurações no software para a rota de coleta de vibrações, necessária no equipamento coletor de vibrações. Explicações sobre os pontos de medições nas máquinas, os parâmetros de medição e os alarmes utilizados. Capítulo 5 Estudo de caso, demostrando o equipamento utilizado na coleta de dados, local aonde foi realizada, os equipamentos escolhidos, as características dos equipamentos escolhidos e os tipos de falhas que os equipamentos podem vir a apresentar. Capítulo 6 Interpretação dos espectros de frequência e ondas no tempo coletadas no Estudo de Caso e demonstração dos seus gráficos de tendência. Ao final encontra-se a conclusão, as sugestões e a bibliografia consultada. 1.5 Metodologia Este trabalho foi desenvolvido conforme a seguinte metodologia: 1 Pesquisa bibliográfica sobre o tema de vibrações mecânicas visando manutenção, o histórico da vibração e leitura de espectros. 24

25 2 Estudo do software EDIAG e do coletor movilog 2, utilizando-os em equipamentos da escola. 3 Estudo de caso, utilizando o coletor de vibrações na prática na coleta de dados de vibração na empresa Purac Sínteses em Campos dos Goytacazes. 25

26 Capítulo II 2. Manutenção Introdução Com o passar dos anos a manutenção evoluiu. O que antes consistia apenas em consertar os equipamentos que falhavam, hoje, se transformaram em técnicas avançadas de manutenção que buscam sempre a melhoria continua. Com esse avanço, surgiram projetos cada vez mais complexos, com exigências de conhecimento técnico em níveis cada vez maiores, o que demanda uma atualização constante dos profissionais da área de manutenção. Uma tendência é que a área de manutenção nas empresas passa a ser considerada estratégica, pois por meio da manutenção sistemática é possível antecipar-se e evitar falhas que poderiam ocasionar paradas imprevistas dos sistemas produtivos. Da mesma forma, é possível detectar uma situação onde já se espera a ocorência de falha, e programar-se para uma intervenção em oportunidade mais apropriada, sem prejudicar os compromissos de produção assumidos Tipos de manutenção: Existem diversos tipos de manutenção, os abordados nesse capítulo serão: manutenção corretiva (não planejada e planejada), manutenção preventiva, manutenção preditiva, manutenção detectiva, engenharia de manutenção e manutenção proativa Manutenção corretiva: Manutenção corretiva não planejada: Esse tipo de manutenção ocorre quando o equipamento já esta com a ocorrência da falha, e esta ocorre de forma inesperada. Nesse caso não há tempo para a preparação de componentes e nem de planejar o serviço. 26

27 Do ponto de vista do custo de manutenção, esse tipo tem custo menor do que prevenir falhas nos equipamentos. Porém, pode causar grandes perdas por interrupção da produção Manutenção corretiva planejada: Assim como a corretiva não planejada, esse tipo de manutenção ocorre quando o equipamento já esta parado por falha. Porém, nesse caso, ocorre uma preparação prévia para a manutenção no equipamento, ou seja, a falha já é esperada. Normalmente esse tipo de manutenção é adotado quando, sabe se que o equipamento vai entrar em colapso, por meio do acompanhamento preditivo do equipamento, e decidem em operar até a quebra. A corretiva planejda também pode ocorrer por: negociação de parada do processo produtivo com a equipe de operação, aspectos ligados à segurança, melhor planejamento dos serviços, garantia de ferramental e peças sobressalentes, necessidade de recursos humanos tais como serviços contratados Manutenção preventiva: Trata-se de atuação da manutenção em períodos de tempos, determinados previamente, realizada de maneira a reduzir ou evitar a falha ou a queda no desempenho do equipamento, Utilizando dados estatísticos de arquivos ou históricos disponíveis nas empresas procura-se determinar o tempo provável em que ocorrerá a falha, pois sabe-se que esta poderá ocorrer mas não se pode determinar exatamente quando. Pode-se, ainda, reduzir a probabilidade de falhas pelo fato de a manutenção ser programada com antecedência, sendo o ônus desta paralisação, substancialmente baixo. A grande desvantagem desse tipo de manutenção, é o fato de ter que parar a produção de um equipamento, que esta operando em perfeitas condições, apenas por ter chegado a hora da manutenção. Em algumas situações, a manutenção forçada no equipamento acaba tendo um efeito inverso que se queria obter, ou seja, ocorre a introdução de falhas que antes não existiam. 27

28 Manutenção preditiva: Também é conhecida como manutenção sob condição ou manutenção com base no estado do equipamento. Nesse caso tenta-se definir o estado futuro de um equipamento ou sistema, por meio dos dados coletados ao longo do tempo por uma instrumentação específica, verificando e analisando a tendência de variáveis do equipamento. Esses dados coletados, por meio de medições em campo como temperatura, vibração, análise físico-química de óleos, ensaios por ultrassom, termografia, permitem um diagnóstico baseado no contexto de uma avaliação probalística. Uma vantagem desse tipo de manutenção sobre as comentadas anteriormente, é que nesse caso, não é necessário a parada do equipamento para a análise de dados. Pelo contrário, e necessário que o equipamento esteja operando para que ocorra a coleta de dados. Outra vantagem, é que se diminui os níveis de paradas indesejadas por manutenções não programadas Manutenção detectiva: É um tipo de manutenção na qual o nível de automatização é extremamente alto. Na manutenção detectiva utiliza-se um sistema de proteção automatizado buscando detectar falhas ocultas, ou seja, falhas não percepitíveis ao pessoal de manutenção e operação. Enquanto na manutenção preditiva, ocorre o diagnóstico a partir da medição dos parâmetros do equipamento, na detectiva o diagnóstico é obtido de forma direta, a partir do processamento de informações colhidas junto a planta. O único risco associado a esse processo, é a posibilidade de ocorrer falha no sistema de detecção de falha, porém, essa é uma possibilidade muito remota. 28

29 2.2.5 Engenharia de Manutenção É a nova concepção de manutenção, praticar engenharia de manutenção é deixar de ficar consertando continuamente, e começar a procurar formas de se mitigar as situações de mau desempenho no equipamento e melhorar o funcionamento do mesmo. A idéia desse processo é deixar de conviver com problemas crónicos e, buscar melhorias a partir dos feedbacks de operação Manutenção proativa A manutenção proativa consiste na identificação de uma determinada falha, e eliminação das causas dessa falha em um equipamento. Nesse tipo de manutenção, reparar o defeito não é o suficiente, deve-se investigar a fundo a razão pela qual o equipamento falhou. A manutenção proativa resulta da combinação da manutenção preditiva com a preventiva e permite identificar problemas potenciais antes deles acontecerem. A manutenção proativa é o meio importante de se conseguir economias que não são alcançadas por técnicas de manutenção convencionais. Seu objetivo principal é aumentar a vida útil do equipamento em vez de fazer reparos quando nada está quebrado. 29

30 CAPÍTULO III 3. Vibração 3.1- Histórico da Vibração Desde os primórdios a humanidade utiliza a vibração e o som de instrumentos rudimentares para a utilização e facilitação em determinadas tarefas, por exemplo: tambores, apitos e instrumentos de percussão. O desenvolvimento da teoria da vibração é resultante de ciências como matemática e mecânica geral. Antigamente, utilizava-se um escudo coberto por uma fina camada de bronze que era encostada ao solo. Dessa maneira, a menor mudança de estado vibratório do solo produziria uma vibração no escudo que provocaria um som que serviria de alerta para as pessoas sobre um possível tremor de terra. Este é o primeiro registro de um transdutor na humanidade. Atualmente os transdutores mais utilizados são compostos de cristais piezoelétricos, que convertem a energia mecânica das vibrações das máquinas, em pulsos elétricos que são interpretados como picos e espectros nos coletores de vibração. Os primeiros instrumentos de medição de vibração originaram-se na Grécia e China antiga. Na China surgiu o primeiro sismógrafo criado pela humanidade. Sismógrafo é o aparelho que registra a intensidade dos terremotos. Os chineses foram capazes de construir um aparelho que registrava a ocorrência de um abalo sísmico e indicava a direção de sua procedência. Figura 1: Primeiro sismógrafo da humanidade (Fonte: 30

31 Dentro da jarra havia um pêndulo imune a pequenos movimentos na superfície, mas sensível às ondas sísmicas de um terremoto. Oito cabeças de dragão ladeavam a jarra. Cada uma delas contendo uma bola. No plano inferior da jarra, em torno dela, oito sapos com as bocas abertas estavam posicionados na vertical dos dragões. Quando acontecia um tremor de terra a boca de dragão que estivesse na direção do sismo se abria e deixava a bola cair na boca do sapo. Há registros de que o aparelho foi de grande utilidade na detecção de movimentos sísmicos. Pitágoras foi um dos primeiros a estudar a vibração. Ele fez experiências com martelos, cordas, placas e tubos. Ele provou, com a sua experiência com martelos que as frequências naturais são propriedades dos sistemas e não dependem da magnitude da força atuante. Galileu foi quem observou a ressonância entre dois corpos conectados por algum meio de transferência de energia e sintonizados em uma mesma frequência natural. Ele também estabeleceu formalmente a relação entre o comprimento de um pêndulo e o seu período de oscilação. Wallis e Sauveur estudaram os movimentos das cordas vibratórias e o fenômeno de formas modais. Eles descobriram que a frequência do primeiro modo é x e a do segundo modo 2x, a do terceiro 3x e assim por diante. A eles são creditado o termo de frequências harmônicas. Frahm propôs o absorvedor dinâmico de vibração, que envolve a adição de um sistema massa-mola secundário para eliminar as vibrações de um sistema principal, diminuindo a sua amplitude, hoje conhecidos como amortecedores. Atualmente os estudos na área de vibração estão sendo influenciados pelo advento de novos computadores que permitem a realização de grandes quantidades de cálculos em curtos espaços de tempo. Isso permitiu a criação de modelos 31

32 matemáticos para representar o comportamento de sistemas de grande porte com muita precisão. 3.2 Definição e conceitos básicos Vibração é a descrição de um movimento que oscila em torno de um ponto de referência que se repete regular ou irregularmente depois de um intervalo de tempo. A vibração é a resposta a uma dada excitação. O número de vezes de um ciclo completo de um movimento durante um período de um segundo é chamado de frequência e é medido em Hertz [Hz]. Se analisarmos os movimentos de um ciclo completo em um minuto ele é medido em rotações por minutos (RPM), ou ciclos por minuto (CPM). A vibração pode consistir de um simples componente ocorrendo em uma única frequência ou muitos componentes ocorrendo em diferentes frequências simultaneamente. Um pêndulo ou a corda de um violão são exemplos de vibrações simples, ou seja, uma única frequência. Os movimentos de um motor de combustão são exemplos de diferentes frequências atuando no mesmo corpo ao mesmo tempo. Essas últimas são as situações mais encontradas em engenharia. Estes movimentos ocorrem em elementos de máquinas e nas estruturas, quando estes estão submetidos a ações dinâmicas. É possível marcar a trajetória do movimento oscilatório na forma de onda, em relação ao tempo que ela leva para se formar. Quando se tem uma única frequência atuando em um corpo, fica fácil de visualizá-la em uma gráfica amplitude X tempo. A amplitude da vibração é o que caracteriza e descreve a severidade da vibração. A amplitude é a medida escalar de oscilação positiva e negativa de uma onda no tempo, podendo ser medida de diferentes formas: pico, pico a pico e RMS (Raiz da Média Quadrática). 32

33 Figura 2: Forma de onda senoidal no tempo (Fonte: Na figura 2 é possível ver uma forma de onda se manifestando duas vezes no tempo medido. O tempo da onda é de aproximadamente 6s com uma frequência de 0.16 Hz (1/6) e uma amplitude medida em pico. Para se descobrir o período ou comprimento de uma onda mede-se a distância de um pico positivo para o outro, como na figura 2. Também pode-se medir a distância das amplitudes mínimas ou picos negativos, ou seja, aquelas que se manifestam abaixo do eixo vertical do gráfico. Na figura 3, tem-se uma imagem da medição da amplitude do sinal de onda das diferentes formas, como dito anteriormente. Figura 3: Onda no tempo com as diferentes leituras para amplitude. (Fonte: Forum.clubedohardware.com.br). 33

34 O valor de pico-a-pico é usado onde o deslocamento vibratório da máquina é a parte crítica, por exemplo, com turbomáquinas com mancal de deslizamento. O valor de pico é usado na indicação de falhas em elementos de alta frequência como falha em rolamentos e dentes de engrenagens. E o de RMS é uma média global da vibração, representa a quantidade de energia contida em uma vibração. É indicada para vibrações de média e baixa frequência relacionadas a dinâmica da máquina. É de muita importância determinar qual tipo de amplitude de vibração está sendo associada, pois uma interpretação errada pode alterar bastante um diagnóstico final. Os principais elementos da vibração são amplitude e frequência, sendo esta o inverso do período (tempo). Na figura 4, tem-se um gráfico mostrando essas diferenças numa forma de onda. Figura 4: Diferenças em um domínio temporal. (Fonte: A fase ou ângulo de defasagem é a diferença entre a excitação da vibração e a resposta no sistema. Como se observa na última figura, ao passo que a onda de cor verde já estava na amplitude máxima, a onda de cor vermelha estava iniciando a sua trajetória. Ou seja, a resposta para a excitação de vibração no sistema da onda 34

35 verde ocorreu depois na onda vermelha. A fase também é um diferencial quando se estuda ondas no tempo. Dependendo do grau do amortecimento, o sistema terá uma resposta à excitação mais ou menos imediata. Se o amortecimento é elevado o ângulo de fase também é elevado. Da mesma forma, para sistemas pouco ou sem amortecimento o ângulo de fase será bem pequeno. O amortecimento do sistema também influencia diretamente na amplitude da vibração. Mais amortecimento significa que haverá mais perda de energia por atrito, o que significa que o sistema não vibrará com tanta liberdade. Figura 5: Demonstração da variação da amplitude em função da relação W/Wc (frequência do sistema sobre a frequência natural), em várias curvas com diversos amortecimentos.(fonte: Apostila do instituto superior técnico). Um sistema massa mola pode vibrar com amortecimento ou sem amortecimento. Quando com amortecimento viscoso, ele dissipa energia do sistema vibratório, diminuindo o valor das amplitudes do sistema. Dois fenômenos que provocam amplitudes elevadas são a ressonância e o batimento. Ressonância mecânica é um fenômeno que acontece quando um sistema físico recebe energia por meio de excitações de frequência igual a uma de suas 35

36 frequências naturais de vibração. Assim, o sistema físico passa a vibrar com amplitudes cada vez maiores. Cada sistema físico capaz de vibrar possui uma ou mais frequências naturais, isto é, que são características do sistema, mais precisamente da maneira como este é construído. Quanto mais alta for a frequência natural, mais energia será requerida para produzir uma certa amplitude de vibração. Como por exemplo, um pêndulo ao ser afastado do ponto de equilíbrio, cordas de um violão ou uma ponte para a passagem de pedestres sobre uma rodovia movimentada. Todos estes sistemas possuem suas frequências naturais, que lhes são características. Quando ocorrem excitações periódicas sobre o sistema, por exemplo, como quando o vento sopra com frequência constante sobre uma ponte durante uma tempestade, acontece um fenômeno de superposição de ondas que alteram a energia do sistema, modificando sua amplitude. Se a frequência natural de oscilação do sistema e as excitações constantes sobre ele estiverem com a mesma frequência, a energia do sistema será aumentada, fazendo com que vibre com amplitudes cada vez maiores. Um caso muito famoso deste fenômeno foi o rompimento da ponte Tacoma Narrows, nos Estados Unidos, em 7 de novembro de Em um determinado momento o vento começou soprar com frequência igual à natural de oscilação da ponte, fazendo com que esta começasse a aumentar a amplitude de suas vibrações até que sua estrutura não pudesse mais suportar, fazendo com que ela rompesse. O caso da ponte Tacoma Narrows pode ser considerado uma falha humana, já que o vento que soprava no dia 7 de Novembro de 1940 tinha uma frequência característica da região onde a ponte foi construída, logo os engenheiros responsáveis por sua construção falharam na análise das características naturais da região. Por isto, atualmente é feita uma análise profunda de todas as possíveis características que possam requerer uma alteração em uma construção civil. 36

37 por: Supondo que a frequência de oscilação natural de uma ponte suspensa é dada Figura 6: Forma de onda com baixa amplitude (Fonte: Ao ser excitada periodicamente, por um vento de frequência: Figura 7: Forma de onda com alta amplitude e frequência igual a forma de onda da figura 6. (Fonte: 37

38 A amplitude de oscilação da ponte passará a ser dada pela superposição das duas ondas: Figura 8: Superposição das duas ondas anteriores. (Fonte: Se a ponte não tiver uma resistência que suporte a amplitude do movimento, esta sofrerá danos podendo até ser destruída, como a ponte Tacoma Narrows. O outro fenômeno que provoca elevação de amplitude é o batimento. Ele ocorre quando se tem a interferência de ondas ou sinais de frequências próximas. A superposição dos sinais com frequências próximas resulta num sinal com frequência igual à média das duas frequências. A manifestação do batimento se dá com uma vibração de amplitude modulada, variando sua amplitude, o que dará um aspecto de pulsação. 38

39 Figura 9: Batimento modulado por duas frequências próximas(acima), elevação da amplitude da frequência pela proximidade de sua frequência de ressonância (abaixo). (fonte: Pelo fato de as frequências das ondas diferirem uma da outra haverá momentos de interferência construtiva onde a amplitude resultante será alta (soma) e momentos de interferência destrutiva, onde a amplitude será menor (subtração). Quando essas frequências são muito próximas, fica difícil de identificar a verdadeira origem, e para isso é necessário se obter um gráfico de amplitude X frequência (espectro) de alta resolução. Às vezes a vibração é acompanhada de um ruído, e se a diferença de frequências não for muito reduzida, este evento é percebido pela audição. Além da modulação de amplitude, também existe a modulação de frequência. Na modulação de frequência a forma de onda tem a amplitude constante, porém o seu período varia continuamente. 39

40 Figura 10: Domínio temporal com modulação de frequência. (Fonte: A modulação de frequência pode ser causada por mudanças instantâneas na velocidade do eixo devido a variações de torque ou vibrações torcionais. Por exemplo: se a velocidade angular de uma engrenagem varia devido a um defeito geométrico, como um espaçamento desigual entre os dentes, certamente ocorrerá uma modulação das frequências de rotação e engrenamento. Também ocorrem em máquinas de velocidade variável Análise da frequência da vibração Como dito anteriormente, um sistema pode consistir em uma única componente em uma só frequência, ou várias componentes vibrando com frequências variadas. Em um sistema mais complexo, que são os mais estudados nos equipamentos industriais, tem-se a ocorrência de múltiplas vibrações ocorrendo ao mesmo tempo. Elas podem ter frequências, amplitudes e fases diferentes, devido a várias massas diferentes vibrando. Figura 11: Várias formas de onda juntas que geram a onda resultante de cor preta. 40

41 O resultado da soma dessas ondas muitas vezes gera uma forma de onda de difícil compreensão em um gráfico amplitude X tempo, como na figura 11, onde a forma de onda de cor preta é a junção das demais. Esses componentes podem ser visualizados plotando a amplitude da vibração X frequência. O mais importante dos sinais de vibração é o estudo dos componentes individuais da frequência que é chamado de análise de frequências, uma técnica que pode ser considerada a principal ferramenta de trabalho nos diagnósticos de medida de vibração. O gráfico mostrando o nível de vibração em função da frequência é chamado de espectro de frequência. Quando se analisa a vibração de uma máquina, encontra-se um grande número de componentes periódicos de frequência que são diretamente relacionados com os movimentos fundamentais de várias partes da máquina. Com a análise da frequência, é possível descobrir as fontes de vibração na máquina. Dessa forma, descobrir possíveis causas dos problemas. Vale lembrar que a vibração não é um problema nas máquinas. Vibração é uma forma de dissipação de energia, que é natural em todos os equipamentos que executam trabalho. Como se sabe, não é possível transformar toda a energia em trabalho final do equipamento. A vibração em condições anormais acarretam problemas nos equipamentos. Na figura 12, mostra-se a forma de onda (amplitude X tempo) e o espetro (amplitude X frequência) para diferentes tipos equipamentos que vibram. Figura 12: Forma de onda e espectro de frequência característicos de um diapasão, pistão de motor e conjunto de engrenagens. (Fonte: 41

42 Como se observa, fica muito mais simples estudar a vibração por gráficos amplitude X frequência quando se tem muitas frequências distintas no mesmo conjunto, como no caso do engrenamento. Para se transformar o gráfico de onda no tempo em um espectro de frequência, o equipamento coletor de vibrações faz uso de uma técnica conhecida como Transformada Rápida de Fourier (FFT - Fast Fourier Transform). Fourier foi um matemático francês que demonstrou que era possível tomar um sinal no domínio do tempo e identificar os conteúdos de frequência por uma série de cálculos de senos e cossenos. A transformada de Fourier é capaz de mostrar os componentes individuais da vibração separados pelas suas frequências. Ela estabelece que uma forma de onda periódica complexa, pode ser decomposta em formas de ondas senoidais individuais e separadas. O sinal de entrada é composto de muitas ondas de senos diferentes. O FFT é capaz de identificar estas ondas de senos complexas e as separar em ondas de seno por cada componente individualizado. Estas ondas de seno separadas são projetadas no eixo da frequência, obtendo assim um espectro de frequência. Figura 13: Demonstração da captura de um sinal no domínio temporal e reapresentado no domínio da frequência em FFT. (Fonte: 42

43 Pela figura 13 observa-se como é feita a mudança do domínio temporal para o domínio de frequência. A forma de onda original é decomposta em harmônicos relacionados. O primeiro harmônico terá a mesma frequência do sinal periódico do equipamento, enquanto os demais terão frequências que são múltiplos inteiros desse primeiro harmônico. Por esse conceito de harmônicos relacionados, é possível estudar o espectro de frequência FFT e descobrir os picos de frequência que tem relação com o primeiro sinal periódico. E a partir desse estudo pode-se captar quais são as frequências normais de funcionamento e aquelas que se manifestam quando o equipamento encontra se em defeito. Pela frequência com a amplitude elevada descobre-se a origem do problema e assim torna se possível solucioná-lo Falhas Provocadas por Alta Vibração A vibração é uma característica sempre presente nos equipamentos dinâmicos, porém sua ocorrência em níveis elevados pode ser danosa ao equipamento e até provocar falhas funcionais, gerando problemas tais como: fadiga, desgaste, afrouxamento, ruído, aquecimento e diversas condições insalubres. Essas vibrações anormais podem ser devido a diversos fatores distintos, dentre eles temos: falha do projeto, de fabricação, montagem, manutenção e as decorrentes da operação do equipamento em si. As causas de defeitos são agrupadas em categorias diferentes: Dinâmicas São falhas que se manifestam na frequência de rotação da máquina e se apresentam em todas as máquinas. Elas são: desbalanceamento, desalinhamento, folga, roçamento, folgas na estrutura, folga nas correias e outros. 43

44 Desbalanceamento O desbalanceamento é uma das causas mais comuns de vibrações em máquinas. Ele é provocado quando se tem alguma massa no rotor que gera uma força centrífuga. Pode ser provocado por desgaste ou corrosão do rotor, acumulo de material no rotor e excentricidade. Figura 14: Massa gerando um desbalanceamento. (Fonte: Manifesta-se em uma vibração com amplitude alta no pico de uma vez a rotação, 1X (onde X corresponde à frequência de rotação), e quanto maior for a amplitude mais acentuado será o desbalanceamento. O desbalanceamento tende a aumentar com o quadrado da velocidade de rotação do equipamento e se manifesta principalmente nas direções radiais (H e V). Figura 15: Espectro de um desbalanceamento. (Fonte: Para balancear o rotor novamente, basta igualar a força centrífuga causadora do desbalanceamento com uma outra força centrífuga contrária. Ela surgirá com a introdução de uma massa que irá gerar uma força de mesmo módulo e mesma direção, mas de sentido oposto que irá anular o desbalanceamento. 44

45 Abaixo segue a fórmula da força centrífuga: F= m.w².e Sendo: m: massa desbalanceada ou excêntrica w: velocidade angular e: distância entre o centro de gravidade da massa e o centro de rotação Desalinhamento O desalinhamento também é uma fonte de vibração bastante comum em máquinas rotativas. O desalinhamento normalmente é caracterizado por uma vibração com uma componente de mais de duas vezes a frequência de rotação, 2x, acompanhado de elevada vibração axial. Figura 16: Demonstração de um espectro de frequência de um desalinhamento. (Fonte: A análise da fase do equipamento constitui uma importante ferramenta para diferenciar um desalinhamento de um desbalanceamento. Outra forma de se diferenciá-los é observar o quanto o problema aumenta com o aumento da rotação, enquanto o desbalanceamento aumenta com o quadrado da rotação, o desalinhamento aumenta pouco. Há basicamente dois tipos de desalinhamento: paralelo e angular. O desalinhamento paralelo ocorre quando as linhas de centro dos eixos das máquinas não coincidem, não estão alinhadas, nesse caso observa-se alta vibração radial. O 45

46 desalinhamento angular ocorre quando as linhas de centro do eixo das máquinas se interceptam, formando um ângulo entre si, nesse caso a vibração axial é a mais elevada. Frequentemente o que se encontra é a ocorrência de ambos os tipos num mesmo equipamento, gerando o desalinhamento misto ou combinado. Figura 17: Desalinhamento paralelo (Fonte: Figura 18: Desalinhamento angular (Fonte: Devido a folgas de montagem, dilatações térmicas, imperfeições geométricas e diferentes condições de operação, um alinhamento aceitável não é isento de imperfeições. Pode-se tolerar um pequeno desalinhamento no eixo desde que este esteja dentro de uma faixa mínima que não atrapalhe a operação do equipamento Empeno de eixo O empenamento de eixo pode provocar elevada vibração, sendo um problema comumente confundido com desbalanceamento e desalinhamento. A execução de um balanceamento poderá reduzir a vibração provocada, porém raramente irá eliminá-la. A única solução do problema reside na remoção do empenamento que, quando viável, pode ser realizado mediante aquecimento ou uso de uma prensa. Um eixo empenado geralmente causa forte vibração axial em 1x. A vibração predominante ocorre em 1x se a curvatura estiver próxima do centro do eixo. Quando a curvatura estiver mais próxima de um dos mancais comumente surgirá um pico em 2x. A chave para a identificação deste tipo de falha reside na análise da fase. A fase medida nos mancais entre os quais encontra-se o empenamento apresentará uma defasagem de 180º na direção axial. 46

47 Roçamento O roçamento é o contato eventual entre as partes rotativas e estacionárias de uma máquina podendo provocar vibrações na frequência de rotação, em seu dobro, em seus sub harmônicos e até em altas frequências. O roçamento é normalmente resultado de um eixo empenado ou excentricidade. O roçamento exibe característica similar à folga mecânica. Geralmente uma ou mais frequências naturais são excitadas pela fricção. A análise da forma de onda pode ser bastante útil nesta análise, podendo revelar uma forma de onda truncada.com o agravamento do problema pode-se observar também a ocorrência de impactos. Entretanto, se o roçamento for contínuo, provavelmente não será possível ver nenhum truncamento. Contudo, esse atrito contínuo pode excitar a ressonância em algum componente da máquina gerando vibrações de amplitude e fase instável. O roçamento apresenta sub harmônicos e inter-harmônicos no espectro de frequência. Figura 19: Espectro de frequência mostrando roçamento. (Fonte: Apostila de análise de Folga vibrações). A folga é provocada pelo excesso de espaço livre entre elementos rotacionais e estruturais da máquina. Normalmente a folga ocorre por uma vibração excitada de outra fonte, como desalinhamento ou desbalanceamento, que aumentam as pequenas folgas já existentes no equipamento. A folga pode ocorrer também devido ao desgaste provocado no suporte dos mancais. Em mancais de rolamento, a folga entre a extremidade do eixo e o suporte do mancal tende a produzir harmônicos de 1x que podem se estender até 10x. Com o 47

48 aumento da folga a quantidade de harmônicos e suas amplitudes aumentam. Alguns picos serão maiores que outros devido à coincidência com alguma ressonância estrutural ou mesmo por coincidir com outra fonte de vibração da máquina. Quando a folga se torna excessiva podem surgir harmônicos de meia ordem (0,5x), ou sub harmônicos. Estes tendem a ser produzidos por atrito ou ocorrência de impactos. Nesse tipo de folga a fase é instável podendo variar a cada medição, uma vez que o rotor muda a sua posição no eixo a cada partida. Figura 20: Espectro característico de folga. (Fonte: A folga pode ser na estrutura do mancal, ou seja, entre um pé e a base, chamado de folga na base ou folga estrutural. A folga estrutural entre uma máquina e sua base tende a aumentar a vibração em 1x na direção de menor rigidez. Embora ocorra normalmente na direção horizontal, a direção na qual haverá maior aumento, depende da montagem física da máquina. Na ocorrência de folga estrutural normalmente a diferença de fase medida num mesmo plano entre a máquina e sua base é de 180º. O afrouxamento da base pode ser provocada por pinos ou parafusos soltos, corrosão, rachaduras, dentre outros. Figura 21: Folga estrutural em um mancal. (Fonte: 48

49 Figura 22: Folga demonstrada no domínio temporal. (Fonte: Excentricidade A excentricidade é outra causa comum de vibração em máquinas rotativas. Se diz que tal componente está excêntrico quando o centro da rotação difere do centro geométrico. 49

50 Figura 23: Tipos comuns de excentricidade.(fonte: Na correia em V da figura (a) a excentricidade provoca variação nas tensões na correia. Neste caso, a maior amplitude de vibração ocorre na direção de maior tensão na correia, que ficar alternando de lado, em frequência igual a 1x da polia excêntrica. Na figura (c) a excentricidade varia com a interação magnética entre o rotor (armadura) e o estator, criando uma vibração na frequência 1x. O aumento da carga pode resultar em um aumento da amplitude de vibração. Nas engrenagens excêntricas da Figura (d) a maior amplitude de vibração ocorre na direção da linha de centros das engrenagens na frequência 1x da engrenagem excêntrica. Em todos os casos os sintomas são os mesmos do desbalanceamento. Em alguns casos o efeito da excentricidade pode ser reduzida através de balanceamento, mas, em geral, os resultados não são bons. Normalmente o problema só é corrigido através da montagem correta dos elementos envolvido. Rotores excêntricos de ventiladores, bombas e compressores também podem gerar forças vibratórias. Nesses casos, as forças resultam da atuação desigual de forças aerodinâmicas e hidráulicas sobre o rotor. Os sintomas também são os mesmos do desbalanceamento. O procedimento é inspecionar a máquina na busca 50

51 de desgastes, danos ou excentricidade nos mancais, e se as amplitudes não forem reduzidas significativamente, verificar o balanceamento Correias As correias são umas das mais comuns e significantes fontes vibratórias em máquinas industriais. As correias em V são muito utilizadas em transmissão de potência por sua alta capacidade de absorver choques e vibrações. Na maioria dos casos as correias em V operam mais silenciosamente que correntes e engrenagens, o que evidencia níveis vibratórios menores. Porém, as correias podem apresentar problemas tais como: correias desequilibradas, frouxas, desalinhadas, desgastadas e com trincas, que são fatores provenientes de outros problemas da máquina. É bastante provável que a correia vibre em função de outros distúrbios na máquina, sendo apenas um indicador de um problema vibratório. Alguns problemas que normalmente produzem vibrações em correias são o desbalanceamento excessivo, polias excêntricas, desalinhamentos e elementos soltos. Um desalinhamento da máquina, por exemplo, pode ser o responsável de um desalinhamento da correia. Deve-se, portanto, investigar profundamente as causas da vibração antes de efetuar uma troca de correia. O fator chave para determinar a natureza do problema é a frequência da vibração da correia. Se a vibração da correia é produzida por uma causa proveniente de outro elemento, então a frequência da vibração estará associada ao problema gerador. Por outro lado, quando a vibração ocorre por defeito na correia, a frequência de vibração é igual a frequência da correia que apresentará harmônicos de sua rotação. A frequência de correias (Fc) normalmente aparece com múltiplos da rotação, ela é dada pela fórmula: Fc = Diâmetro da polia X RPMX π Comprimento da correia 51

52 Figura 24: Desalinhamento de correias. (Fonte: blogdamecanica.com.br) A identificação de defeitos na correia geralmente pode ser feita medindo-se a vibração em um mancal próximo à mesma. Correias defeituosas geralmente apresentam uma amplitude de vibração maior em uma direção paralela à direção de sua tensão. Rachaduras e pontos enfraquecidos na correia são os seus defeitos mais comuns Eletromagnéticas As vibrações causadas por falhas elétricas ocorrem em sistemas que possuem máquinas elétricas (motores, geradores, alternadores, etc.) e são causadas normalmente por forças magnéticas desequilibradas. São os problemas decorrentes de desbalanceamento ou excentricidade magnética, instabilidade de alimentação, passagem de ranhuras e barras nos motores elétricos. Figura 25: Estator e rotor com suas ranhuras e barras respectivamente. (Fonte: Apostila de análise de vibrações). 52

53 Para distinguir problemas elétricos de problemas dinâmicos é necessário usar espectros de alta resolução, devido aos problemas dessas duas categorias se manifestarem em frequências próximas, como por exemplo, o 2Fl (120Hz) que é o pico de 2X a frequência da rede elétrica, que pode ser confundido com um harmônico da rotação. Uma maneira de se verificar se a vibração é causada por problema elétrico é desligar a energia elétrica durante a medição da amplitude de vibração e verificar se a mesma desaparece ou diminui rapidamente. Em caso positivo a causa é certamente elétrica. Caso contrário, se a diminuição da amplitude for lenta e acompanhar a queda na frequência de rotação, então a causa é de natureza mecânica. Uma outra característica deste tipo de problema é que os níveis vibratórios dependem da carga. Muitas vezes, motores elétricos são testados em vazio e não apresentam amplitudes de vibração elevadas e quando em operação com carga vibram violentamente evidenciando problemas elétricos. Um problema típico em motores elétricos são problemas relacionados com as barras (rotor) e ranhuras (estator). A frequência de barras e ranhuras é calculada a partir do número de barras e ranhuras do motor (isso depende da dimensão do motor) multiplicado pela rotação de trabalho do eixo do motor. Quando as barras de um rotor estão trincadas ou quebradas, aparecerá no espectro de vibração um alto pico na frequência de barras, o que indica um problema nessa parte do motor. O mesmo se aplica com as ranhuras do estator. Apesar de haverem diferentes tipos de problemas elétricos que podem acontecer em motores ou geradores, todos eles apresentam espectros característicos desses problemas. Por exemplo: o pico de 2Fl alto e bem definido, às vezes com a presença de harmônicos; a frequência de barras e ranhuras, com presença de bandas laterais. Vale observar que a avaliação do distanciamento das bandas em relação à frequência central é de máxima importância, pois a diferença 53

54 da frequência dessas duas pode indicar a frequência do defeito que causou o problema; e em algumas situações, picos relativos à frequência de pulsos de inversores de frequência utilizados para modificar a rotação do equipamento acionado Inversor de Frequência A utilização de inversores estáticos de frequência atualmente compreende o método mais eficiente para controlar a velocidade dos motores de indução. Os inversores transformam a tensão da rede, de amplitude e frequência constantes, em uma tensão de amplitude e frequência variáveis. Variando-se a frequência da tensão de alimentação, varia-se também a velocidade do campo girante e consequentemente a velocidade mecânica de rotação da máquina. Tem crescido significante o número de aplicações em que a variação de velocidade de motores de indução é feita por meio de inversores eletrônicos estáticos de frequência, haja vista os muitos benefícios propiciados por essas aplicações: controle a distância, redução de custos, aumento da produtividade, eficiência energética, versatilidade e maior qualidade. O processo de obtenção da tensão e frequências desejadas por meio de tais equipamentos passam por três estágios: -Ponte de diodos - Retificação do sinal alternado de tensão e frequência constantes, proveniente da rede de alimentação; -Filtro ou Link DC - Regulação da tensão retificada com armazenamento de energia por meio de um banco de capacitores; - Transistores IGBT - Inversão da tensão contínua proveniente do link DC num sinal alternado, com tensão e frequência variáveis. 54

55 Figura 26: Funcionamento de um inversor de frequência (Fonte: Manual WEG de inversores de frequência) Interação entre rede e inversor O sistema (motor + inversor de frequência) é visto pela fonte de alimentação como uma carga não linear, cuja corrente possui harmônicas (componentes de frequências múltiplas da frequência da rede). De forma geral, considera-se que o retificador produz harmônicas ímpares características no lado da CA, ou seja, na rede conforme o número de pulsos do inversor. No caso da ponte retificadora com 6 diodos (6 pulsos), as principais harmônicas geradas são a 5ª e 7ª ordens. Já para 12 pulsos (12 diodos) as harmônicas mais expressivas são a 11ª e 13ª. O inversor de frequência estudado nesse trabalho, assim como maioria dos inversores, é de 6 pulsos (6 diodos) Interação ente inversor e motor O motor de indução submetido a uma tensão, proveniente de um inversor de frequência, estará sujeito a tensões harmônicas (componentes de frequência acima da frequência fundamental). Dependendo da modulação da frequência empregada e de outras particularidades do controle, o motor poderá apresentar aumento de perdas e temperatura, aumento dos níveis de vibração e ruído e perda de rendimento. 55

56 Percebe-se no motor uma tensão pulsada adquirindo uma forma senoidal. Portanto, as frequências harmônicas de maior amplitude do motor são as de tensão pulsada, ou frequência de pulsos, do inversor de frequência. A frequência de pulsos do inversor de frequência estudado é de RPM ou 4KHz Aerodinâmicos e Hidrodinâmicos Essas falhas se apresentam em máquinas que trabalham com transportes de fluídos líquidos ou gasosos. Esses tipos de vibrações são causadas pela interação entre os elementos sólidos móveis do equipamento (pás) e os fluidos (ar, água, óleo, gases). Isso acontece frequentemente em bombas, compressores rotativos e ventiladores. Nesses tipos de máquina é de muita importância ter conhecimento a respeito de dinâmica dos fluídos, para que não ocorram problemas tais como: cavitação, turbulência, pulsação de fluxo, formação de vórtex. As vibrações geradas ocorrem em frequências altas (número de pás x a frequência da rotação). As causas da vibração são forças hidráulicas que geralmente são pequenas, mas se tornam severas quando excitam ressonância na máquina. Se não ocorre ressonância o problema pode ser originado por recirculação, turbulência ou cavitação. A vibração e o ruído associados com cavitação, recirculação e fluxo turbulento apresentam características similares. Este tipo de vibração é normalmente de natureza aleatória com amplitudes e frequências instáveis. A recirculação pode ocorrer quando uma bomba está operando em baixa capacidade ou alta pressão. Na tentativa de se mover uma quantidade excessiva de fluido da bomba, uma porção do fluido retorna. Este fluxo reverso e a consequente mistura de fluido movendo-se em direções opostas causa vibração. A recirculação ocorre algumas vezes dentro de uma bomba de múltiplos estágios com folga excessiva entre o rotor e seu alojamento. Esta forma de recirculação pode mostrar uma frequência quase constante não relacionada com a frequência de rotação. Em 56

57 qualquer situação, as vibrações devidas a recirculação apresentam flutuações aleatórias na frequência e na amplitude similares às causadas pela cavitação. O fluxo turbulento é o resultado da resistência ao fluxo normal de fluidos. Esta resistência pode ser causada por obstruções, curvas agudas ou apenas atrito superficial entre fluído e tubulação. A turbulência também pode ser causada pela mistura de fluidos de alta e baixa velocidades. Um exemplo é um motor a jato quando os gases de exaustão de alta velocidade se misturam ao ar externo quase estacionário. Embora os níveis de ruído gerado por fluxo turbulento sejam muito altos, a máquina vibra pouco, pois a condição de turbulência não depende exclusivamente dela. A cavitação ocorre quando uma bomba opera com excesso de capacidade ou baixa pressão de sucção. Como o fluido que já entrou não preenche completamente o espaço, o fluido que está entrando é puxado aos pulos para preencher os espaços vazios. Isto cria bolsas de vácuo que são altamente instáveis que podem literalmente implodir muito rapidamente. Os impactos gerados excitam frequências naturais localizadas em partes da bomba. Como as implosões podem ocorrer em tempos e posições aleatórios na bomba ou na tubulação a amplitude e a frequência da vibração também são aleatórias. Figura 27: Espectro de cavitação (Fonte: A figura mostra um espectro de uma vibração gerada por cavitação. Pode-se observar uma vibração de regime permanente em 3600 rpm (60 Hz), indicando, possivelmente, um pequeno desbalanceamento ou desalinhamento no motor. Existe, entretanto, uma vibração aleatória (banda larga) entre rpm e rpm (500 Hz e 1667Hz) indicando problemas de associados com fluxo hidráulico e aerodinâmico. 57

58 Instabilidade do filme de óleo Figura 28: Mancal de filme de óleo. (Fonte: e diagnóstico de vibrações) Em mancais de deslizamento são utilizados filme de óleo para apoiar e fixar o eixo. Em algumas ocasiões o óleo usado no mancal não é distribuído de forma uniforme, ocasionando em um aumento de pressão que empurra o eixo em torno do mancal. A força adicional desenvolvida pode produzir um movimento circular do eixo no interior do mancal. Se o sistema for bem amortecido, o eixo retorna à sua posição de equilíbrio no mancal. Caso contrário, o eixo continua com esse movimento chamado precessão ou turbilhonamento (whirl). A vibração resultante é severa, mas facilmente percebida por sua frequência incomum. Essa frequência é levemente menor do que a metade da rotação 1x. O problema de turbilhonamento (ou oil whirl) é normalmente atribuído a um projeto inadequado do mancal, desgaste excessivo do mancal, aumento na pressão ou mudança na viscosidade do óleo. 58

59 Figura 29: Análise de uma máquina com turbilhonamento (Fonte: e diagnóstico de vibrações) Uma máquina que é normalmente estável pode exibir sinais de vibração por oil whirle, algumas vezes, esta condição ocorre intermitentemente. Neste caso o problema não está relacionado com o mancal de deslizamento, mas, com forças externas que coincidentemente estão na mesma frequência do oil whirldo mancal, podendo vir de algum outro componente da máquina, ou de outra máquina. Além do turbilhonamento, problemas como insuficiência de lubrificação ou uso de lubrificante inadequado, podem causar vibração em mancais de deslizamento. Nestes casos, a lubrificação inadequada causa atrito excessivo entre o mancal estacionário e o eixo rotativo, e o atrito excita uma vibração no mancal ou partes a ele relacionadas (oil whip). A frequência da vibração, neste caso, é normalmente muito alta, produzindo ruído agudo, e não tem relação com a velocidade de rotação do rotor. Quando há suspeita sobre a existência de oil whip deve-se verificar a lubrificação do mancal e se a folga está correta, tanto folga excessiva como insuficiente pode causar oil whip De Impacto Problemas de impacto são os relacionados à engrenamentos e rolamentos. Eles costumavam ser englobados no grupo das falhas dinâmicas, mas devido à natureza diferenciada das demais falhas dinâmicas é preferível estudá-las em separado. 59

60 Rolamentos As falhas de rolamento se manifestam através de seus elementos, que são: pista externa (BPFO), pista interna (BPFI), gaiola (BTF), elementos rolantes (BFS). Cada uma dessas componentes terá um número de falha, e a multiplicação desse número de falha com a rotação do equipamento resultará na frequência de falha relativa ao componente do rolamento. Sendo assim há uma frequência de falha para o BPFO, uma para o BPFI, BTF e BFS. As falhas em rolamento se caracterizam por gerarem uma amplitude elevada quando se tem a passagem do seu elemento defeituoso por uma superfície a qual ele trabalha frequentemente. Por exemplo: Um rolamento que possui um pequeno defeito em sua pista interna. Cada vez que uma esfera passa sobre este defeito há um choque entre a superfície defeituosa e a superfície da esfera. Figura 30: Rolamento traseiro 6318-C3 à direita e defeito na pista interna do rolamento traseiro c3 (Fonte: Todas as vezes que a esfera passa por esse defeito ocorre uma elevação na amplitude. Estes choques são de curtíssima duração, repetindo-se em baixa frequência. Entretanto, eles excitam as frequências de ressonância do mancal ou da estrutura do equipamento em que ele está montado, que estão em alta frequência. Ou seja, o que ocorre é uma modulação da amplitude, onde a frequência de ressonância da estrutura é a portadora e a respectiva frequência de defeito como moduladora. A melhor forma para se verificar os elementos de um rolamento é 60

61 através da demodulação do sinal, chamado de envelope, que será explicada no capítulo Engrenagens Assim como em rolamentos, os problemas relativos a engrenamento se manifestam em frequências elevadas, iguais à frequência de rotação da engrenagem multiplicada pelo seu número de dentes (frequência de engrenamento - GMF). Engrenagens estão presentes em diversas máquinas, como por exemplo: caixas redutoras, bombas de óleo, acionamento de moendas, moinhos, fornos rotativos, e outros equipamentos de grande porte. As engrenagens apresentam problemas como desgaste dos dentes, defeito no passo, trabalho com carga elevada e dentes quebrados. As engrenagens também podem apresentar problemas comuns a outras partes da máquina como desbalanceamento, montagem excêntrica e desalinhamento. Os problemas de engrenamento, assim como os de rolamento, podem ser muito bem observados no sinal de onda no tempo. Por exemplo, em uma engrenagem em que um dos seus dentes está trincado, toda a vez que esse dente avariado engrenar com o dente da outra engrenagem a amplitude da vibração se elevará, naquele instante, acima da amplitude dos demais dentes. Quando ocorrem picos elevados no intervalo de um período de rotação sabe que se trata de um problema de impacto. Os impactos excitam as frequências naturais de engrenagens, mancais e componentes a eles ligados. Figura 31: Onda no tempo de dente de engrenagem trincado. (Fonte: 61

62 Capítulo IV 4. Parâmetros para as configurações das medições Quando se coloca uma máquina nova para operar, espera-se que esta tenha vida longa e isenta de problemas. Mas deficiências de projetos, erros de especificação, de fabricação, transporte, instalação, operação e manutenção conduzem a máquinas pouco confiáveis. A análise de vibrações é uma ferramenta poderosa no trato destes problemas. Isto porque, por exemplo, a qualidade de manutenção numa troca de rolamentos, onde medições anteriores e posteriores à troca fornecem uma avaliação do serviço. Para se executar a análise de vibração é necessário estabelecer os pontos e direções (H, V, A) para cada mancal; os parâmetros usados na detecção das falhas: deslocamento, velocidade, aceleração, envelope de aceleração e onda no tempo; e o valor dos alarmes para as medições globais em velocidade e aceleração Pontos de Medição 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 4 mancal do equipamento do lado não acoplado Direção de medição: H horizontal V vertical A axial 62

63 Grandeza medida: D - Deslocamento - µm (rms) V - Velocidade de vibração- mm/s (rms) A Aceleração - G (pico) E - Envelope de Aceleração G (pico a pico) T Tempo s (pico) Figura 32:Identificação dos pontos nos mancais de um equipamento Horizontal, Vertical e Axial nos parâmetros de velocidade e envelope (Fonte:Tecnologia 01dB Brasil-Infrared Service-Therman Soluções). 4.2 Parâmetros de medição Medições em Deslocamento O deslocamento mede o quanto um determinado ponto do eixo se move quando este completa uma rotação. Ele é medido em micrômetros (µm). Tem como finalidade detectar problemas em baixa frequência (menores que 10Hz). É usado para monitorar o deslocamento físico do eixo (folga), comum em mancais de deslizamento de turbinas, geradores e compressores. Como é um parâmetro para vibrações de baixa frequência, ele não é estudado nesse trabalho. No acelerômetro ele é adquirido a partir da integração dupla do parâmetro de aceleração. Na figura 36, segue-se um ábaco de severidade de vibração para parâmetros em deslocamento em pico a pico. 63

64 Figura 33: Ábaco de severidade em deslocamento em mils (milésimo de polegada). (Fonte: Medições de Velocidade de Vibração Indica o quão rápido o corpo está se movendo. Tem como finalidade detectar problemas rotacionais do equipamento em baixa e média frequência (entre 10Hz e 1KHz), tais como: desbalanceamento, desalinhamento, problemas de falta de rigidez da base, pulsação de fluído, turbulência, folgas mecânicas, componentes 64

65 alternativos, etc. A unidade no sistema internacional é metros por segundo (m/s), mas, normalmente é usada em mm/s. Tem como configuração básica realizar a medição de 10 Hz a Hz (RMS) para avaliação segundo a norma ISO No acelerômetro ele é adquirido a partir da integral do parâmetro de aceleração. Tabela 1: ISO para parâmetros em velocidade (Fonte: Medições de Aceleração É utilizada para detecção de falhas que ocorrem em alta frequência (acima de 1KHz) tais como: engrenamento, rolamentos, pulsação de fluídos em alta frequência. O estado de tais componentes é avaliado através de técnicas consagradas de análise de vibrações. A unidade de aceleração no sistema internacional é o metro ao quadrado por segundo (m/s²), convertido para a unidade da gravidade (g). Na figura 34, segue um gráfico de severidade de vibração para todos os tipos de máquinas, englobando medições em aceleração, vibração e deslocamento. 65

66 Figura 34: Gráfico de intensidade de vibração nos parâmetros de velocidade (pol/s - pico) e aceleração (G - pico). (Fonte:Apostila de análises de vibrações) Medições de Envelope de Aceleração (Demodulação) É utilizada para identificar falhas mecânicas que geram choques, mesmo que de baixa energia. Aplicada em falhas em rolamentos, engrenamentos e alteração do componente elétrico da rede. Possibilita o aumento da confiabilidade dos espectros de velocidade de vibração e aceleração culminando em um melhor laudo técnico. A faixa de frequência para envelopes de aceleração varia entre 500Hz e 10 KHz. 66

67 Os impactos dos elementos do rolamento geram baixas frequências. Esses componentes de baixa frequência propagam-se sem atenuação, mascarando o problema e dificultando o diagnóstico. Por isso a técnica de envelope (demodulação) é tão útil. Ela irá concentrar no espectro os componentes de baixa frequência em picos de ressonância da estrutura com suas amplitudes e faixa de frequências respectivas. A técnica de envelope de aceleração, utilizada nesses tipos de defeitos, nada mais é que um processo eletrônico onde os sinais de defeitos de rolamentos e engrenamentos que aparecem com destaque em alta frequência são transferidos para uma faixa de baixa frequência onde podem ser vistos com maior nitidez. A frequência de defeito é então demodulada para que se tenha apenas o formato da onda em baixa frequência, e com isso, a informação original. Frequência de defeito (moduladora) Frequência de ressonância (portadora) Figura 35: Demonstração do funcionamento de um envelope nas frequências de impacto. (Fonte: apostila da SKF) Se for medida a distância de um pico da onda para o outro, obtem-se então o período de tempo que a falha acontece. Quando o período é convertido para frequência, encontra-se a frequência exata do defeito que está causando os impactos. Por exemplo, se a falha é por defeito na pista interna de um dos rolamentos do mancal, quando se verifica a frequência causadora do defeito que está modulando a amplitude, encontra-se o BPFI, frequência de pista interna. 67

68 Na avaliação de vibração de rolamento, as medidas de amplitude mais adequadas são as de pico (ou pico a pico) da aceleração das vibrações ou de seu envelope. Isso devido aos impactos gerados pelos defeitos dos rolamentos serem geralmente transitórios e de curta duração e apresentam valores de pico elevados e RMS reduzidos. O valor de RMS é uma média de vibração calculada ao longo do tempo, e não mostraria os impactos de curta duração Medições em Onda no Tempo Figura 36: Demonstração do domínio temporal (Fonte: Apesar do avanço dos procedimentos dos espectros FFT, o domínio temporal ainda é muita utilizado na prática. Esse parâmetro é muito bom para se diferenciar certos problemas onde apenas a análise espectrográfica não é capaz de encontrar. Por exemplo, problemas relacionados à excitação de frequências externas a frequência natural do equipamento, o que gera ressonância. A forma de onda também fornece, de forma precisa, a frequência na qual o sistema está operando. Basta observar a diferença de tempo entre os picos de uma onda para a outra. Isso se torna útil pelo fato de alguns equipamentos rotativos operarem numa faixa de rotação diferente do que a normalmente usada. Dessa forma o analista de vibração não correrá o risco de analisar os gráficos de forma equivocada. 68

69 Configurações de onda no tempo Para fazer o estudo de sinais de onda no tempo, é necessário criar uma faixa de tempo que consiga pegar uma série de repetições de ondas nas frequências desejadas para o estudo. fórmula: Passando essas frequências para Hertz, elas são convertidas em período pela T= 1/f Dessa forma se encontra o período de tempo em segundos onde se manifesta uma forma de onda relacionada a uma possível falha no equipamento. Para se conseguir ver uma série de ondas, multiplica-se o valor de tempo da onda por 10, dessa forma será possível visualizar 10 repetições das ondas no tempo. Quando a frequência é muito pequena o tempo da onda fica muito grande. Nesses casos é preferível multiplicar o tempo por 3. Para que não se crie uma faixa de tempo muito grande, onde o equipamento demoraria muito na captura do sinal, o que deixaria a coleta de dados demorada. Para cada equipamento foi escolhida a menor frequência, pois ela fornecerá o maior tempo para uma onda só. Dessa forma os outros tempos menores também seriam visualizados nesse parâmetro. Para se configurar o tempo da onda no software EDIAG divide-se o número de pontos de sinal pela frequência de amostragem. O valor dessa divisão é o tempo máximo no sinal de onda. A frequência máxima desse sinal de onda, quando convertido para espectro de frequência é adquirido pela divisão inversa: frequência de amostragem pelos pontos de sinal de frequência. 69

70 Exemplos: Exemplo 1: RPM = 29,3HZ 1/29,3Hz = 0,034s 0,034s x 10 = 0,34s Nesse primeiro exemplo o 0,034s é o tempo que a falha leva para acontecer, logo na faixa de 10 vezes esse tempo serão visualizadas 10 ondas no tempo. Exemplo 2: 3580 RPM = 59,7Hz 1/59,7Hz = 0,016s 0,016s x 10 = 0,16s No segundo exemplo, a outra rotação gerou uma faixa de visualização menor que a primeira, porém como elas estão próximas pode se configurar no software uma única forma de onda que irá mostrar essas duas. Configurando no software 2560Hz para a frequência de amostragem (Sampling Frequency) e 1KHz como número de pontos de sinais (Number of signal points) encontra-se uma faixa de tempo que será o resultado da divisão da segunda pela primeira. 1000Hz/2560Hz = 0,39s Essa faixa é grande o suficiente para captar ondas no tempo dos dois exemplos anteriores. O sinal de onda no tempo que se manifestar mais crítico dentro da faixa criada, será a frequência que estará gerando o problema. 70

71 4.3 Alarmes Todos os equipamentos operando produzem vibrações. A vibração da máquina em si não é um problema. O aumento do nível dessas vibrações que representam um problema. Por isso existem variados métodos para o controle da severidade dessas vibrações. Um deles é o acompanhamento dos valores globais de vibração e sua tendência ao longo do tempo. O valor global de vibração de um equipamento é o valor numérico da vibração conjunta de todos os componentes do equipamento. Ele pode ser medido em aceleração, velocidade e deslocamento. Esses valores são adquiridos das partes não rotativas da máquina (mancais) que contenham múltiplas fontes de vibração e são comparados com tabelas de normas internacionais para vibração, como por exemplo ABNT e a ISO, mostradas anteriormente nas figuras 36 e 37 e tabela 1. A partir da comparação se tem uma ideia de como está a vibração da máquina em relação a qual seria o ideal para esta operar. O software EDIAG, assim como a maioria dos softwares de monitoramento de manutenção, disponibilizam configurações de alarme, onde é possível estabelecer os valores para os alarmes. Existem dois tipos de alarmes: A1 - alarme para vibrações indesejáveis(alerta) e A2 alarme para vibrações inaceitáveis(perigo/danger). Figura 37: Configuração da faixa de alarme do software. 71

72 O A1 é caracterizado pela cor amarela e é disparado quando a vibração global se eleva à uma faixa incômoda de vibração, é a faixa de alerta. Nessa faixa, não há a necessidade de paralisação imediata do equipamento para a manutenção. É possível deixar o equipamento operando com um acompanhamento de perto da sua tendência de vibração. Acompanhando a tendência ao longo do tempo, ela pode abaixar e voltar para os parâmetros normais, se manter em A1 (caso se mantenha a sua manutenção deve ser adiada) ou piorar e chegar à faixa do A2. O A2 é caracterizado pela cor vermelha e é disparado quando a vibração global se eleva a uma faixa perigosa de operação do equipamento. Nessa faixa, o mais apropriado é a paralisação do equipamento para a manutenção. Porém, dependendo do histórico do equipamento, de ele não ser um equipamento crítico para a empresa e o custo de sua manutenção, é tolerável a operação deste em um limite de tempo para averiguar se a sua tendência seguirá crítica ou irá abaixar para os parâmetros de A1 e da vibração normal. Se continuar crítica, deve parar o funcionamento deste para a manutenção imediata. Abaixo segue um imagem de como são apresentados esses dois valores de alarmes com a variação da tendência global em um mancal de um equipamento. Em algumas ocasiões a vibração segue estável, abaixo dos alarmes; em outra segue entre os alarmes; e em outra segue elevada, acima dos dois alarmes. Figura 38: Demonstração dos tipos de alarmes do software EDIAG. DG Danger e AL- Alarm. 72

73 Nesse trabalho, foram analisados valores de vibração global em velocidade, onde o A1 era 3mm/s² e o A2 6mm/² e em aceleração global, onde o A1 foi 2g e o A2 4g. Não foi analisado um valor global em deslocamento, pois são parâmetros de vibração muito baixos, incompatíveis com as vibrações dos equipamentos industriais analisados. Os valores dos alarmes escolhidos são estipulados a partir das tabelas anteriores, com as suas respectivas massas. 73

74 Capítulo V 5. Estudo de Caso Para demonstrar o emprego da análise de vibração na detecção de falhas foram realizadas coletas periódicas de vibração em equipamentos industriais de uma importante fábrica da região. As medições periódicas realizadas visam acompanhar a condição de funcionamento das máquinas, com base na intensidade das vibrações geradas pelo seu funcionamento, identificar e fornecer os diagnósticos e as recomendações para correção das máquinas que ultrapassaram os limites de alarme e de falha. Para cada um dos possíveis defeitos citados no capítulo 3, é necessário estabelecer a faixa de frequência em que esses problemas poderiam aparecer. Para isso é necessário conhecer diversas características das máquinas que serão feitas as coletas: rotação, tipo de rolamentos, número de dentes de engrenagens e outros. Para cada um desses problemas é feito um cálculo específico para se saber a frequência em que eles se manifestariam e assim, facilitando a sua identificação. Nesse capítulo, essas características serão apresentadas, assim como o equipamento coletor de vibrações, e os seus dispositivos utilizados Apresentação do aparelho coletor e software de análise de vibrações Movilog 2 Com o surgimento dos coletores analisadores de dados digitais e os programas de gerenciamento de manutenção, o potencial de uma equipe de manutenção aumentou consideravelmente em termos de controle das máquinas. Com os aparelhos coletores foi possível adquirir os parâmetros de vibração do equipamento 74

75 de produção enquanto os softwares gerenciadores permitiram a interpretação dos dados. Antes de realizar a coleta é necessário estabelecer configurações no software de gerenciamento sobre as características das coletas nos equipamentos industriais que seriam analisados na indústria. E depois baixar as configurações das medições de cada equipamento no coletor de vibrações: Movilog 2. O movilog 2 é o aparelho coletor de dados de vibrações mecânicas utilizado pela escola, o Instituto Federal Fluminense. 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. Uma vez que este coletor trabalha com rota, então o primeiro passo será configurar a rota no computador, que deve estar instalado com o programa adequado. No caso, o programa utilizado é o EDIAG em sua versão Após realizar a configuração, carrega-se os dados no coletor, realiza as medições préestabelecidas na máquina e transfere-se os dados obtidos para o computador. É importante ressaltar que a roda de coleta de dados define as medições e os parâmetros que serão empregados em cada ponto da máquina. Especificações do Movilog 2: Possui 1 MB de memória interna Apresenta faixas de frequência de 0,5 a Hz Seu número de linhas vai de 100 a 3200 linhas Bateria com autonomia de aproximadamente 4 horas, podendo ser recarregada fora do aparelho. Utiliza deslocamento, velocidade, aceleração e envelope como parâmetros de vibração. 75

76 Figura 39: Coletor movilog (Fonte: Procedimento para análise de vibração utilizado coletor movilog 2 e software EDIAG2.2.0). Figura 40: Imagem da tela do coletor Movilog (Fonte: Procedimento para análise de vibração utilizado coletor movilog 2 e software EDIAG2.2.0) 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 e carregar essas informações no coletor Movilog 2. Os parâmetros para essas medições estão nas tabelas dos possíveis defeitos explicitadas nas especificações de cada equipamento, encontradas neste capítulo. Após realizada a medição na máquina, o software 76

77 recebe os dados coletados e expõe os espectros, ondas no tempo e gráficos de tendência. Figura 41: Imagem de entrada do software Ediag. Figura 42: Imagem da tela de monitoramento do software Ediag 77

78 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 para o referido trabalho. 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. Algumas de suas características são: frequência de ressonância maior do que 20kHz, frequência de resposta de 2 a 10 khz, sensibilidade de aproximadamente 0,1, peso de 78g (sem o cabo) e suporta até 120ºC de temperatura, e a conversão de seu sinal é de 100mV/g. Figura 43: Acelerômetro. (Fonte: Identificação do Ambiente Esse estudo de caso foi realizado na indústria Purac Sínteses localizada em Campos dos Goytacazes, Rua Élson Souza Oliveira. A Purac é uma empresa holandesa do ramo de alimentação. Sua base em Campos é produtora de ácido lático e seus derivados. A figura 44, exibe uma imagem da entrada da Purac Sínteses. 78

79 Figura 44: Purac Sinteses Campos dos Goytacazes As coletas nos equipamentos da Purac formam feitas de 27/06/13 a 01/08/13, todas as terças e quintas totalizando 10 coletas. Não houve coleta no dia 25/07/13, quinta-feira, em razão de uma parada total na fábrica para a manutenção de alguns equipamentos. Foram realizadas medições em velocidade, aceleração, envelopes de aceleração e ondas no tempo em cada equipamento. Os dados de vibração foram estudados sob quatro diferentes técnicas: espectros FFT, medição global de vibração (velocidade e aceleração), sinais de onda no tempo e envelope de aceleração Identificação dos Equipamentos Foram escolhidos para análise: Um moto-ventilador, uma moto-bomba e um moto-redutor. Esses equipamentos foram especialmente escolhidos, pois, juntando a análise de vibração dos três, foi possível estudar as falhas das quatro categorias abordadas anteriormente no capítulo 3. 79

80 5.3.1 Especificações e configurações das medições do Moto-Ventilador O moto-ventilador é o responsável pelo suprimento do ar primário da caldeira. A caldeira gera vapor para a troca de calor com o ácido lático, devido ao fato de alguns processos de tratamento químico serem realizados a altas temperaturas. O acionamento desse motor é através de inversor de frequência para possibilitar diferentes rotações e consequentes vazões de ar. Figura 45: Desenho do moto-ventilador da caldeira Conforme a figura 45 sua forma construtiva é de acionamento direto com o rotor montado na extremidade do eixo do motor. Esquema do Moto-ventilador: TAG: FAN Motor: WEG 225S Rotação nominal: RPM Rotação de trabalho: RPM Ranhuras: 48 Fr: RPM Barras: 40 Fb: RPM Mancal 1/2: 6314-C Ventilador: Rotação: 2700 RPM Paletas:12 BPF:

81 Tabela de Rolamentos: Rolamentos BPFO BPFI BSF BTF 6314-C3 3,08 4,92 4,1 0,38 Tabela 2: Tabela de rolamentos do moto-ventilador Figura 46: Moto-ventilador da Purac (vista ampla) Figura 47: Moto-ventilador da Purac 81

82 Possíveis defeitos no moto-ventilador: Motor: Defeitos Frequência Zoom Factor Fmax Highpass filter Parâmetro 2700rpm= Não tem 1KHz 2Hz V 45Hz Desbalanceamento Desalinhamento Folga nos mancais Empeno de eixo Roçamento Folga na base Problemas elétricos Barras Ranhuras 2700rpm+3H= 180Hz 2700rpm+7H= 360Hz 2700rpm+2H= 130Hz 2700rpm+3H= 180Hz 2700rpm+2H= 130Hz 7200rpm= 120Hz rpm= 1800Hz rpm= 2160Hz Falha no rolamento rpm+4h= 66420Hz Sinal de onda 1000Hz/2560Hz = 0,39s Banda Larga 2700 rpmx20= 900Hz Frequência de RPM= pulsos 4KHz Não tem 1KHz 2Hz V Não tem 1KHz 2Hz V Não tem 1KHz 2Hz V Não tem 1KHz 2Hz V Não tem 1KHz 2Hz V X2 Fc=120Hz 500Hz 2Hz V X2 Fc=2000Hz 10KHz 10Hz A X2 Fc=2000Hz 10KHz 10Hz A X2 Fc=3000Hz 20KHz 3KHz Gev Não tem 0,39s 2Hz V Não tem 10KHz 10Hz A X2 Fc=4KHz 10KHz 10Hz A Tabela 3: Tabela dos possíveis defeitos do motor do moto-ventilador Ventilador: Defeitos Frequência Zoom Fmáx High-pass Parâmetro Factor filter Passagem 32400rpm= X2 1KHz 2Hz V de pás 540Hz Fc=540Hz Sinal de onda 1000Hz/2560= 0,39s Não tem 0,39s 2Hz V Tabela 4: Tabelas dos possíveis defeitos do ventilador do moto-ventilador 82

83 Para cada um dos defeitos mostrados nas tabelas 3 e 4, foi necessário criar um parâmetro específico para captar essas falhas. Na figura 48, são mostradas as configurações feitas no software Ediag para adquirir as vibrações relativas aos problemas no moto-ventilador. Figura 48: Configurações para os defeitos no moto-ventilador. Como pode se observar na figura 48 as configurações variam para cada falha. Em problemas que ocorrem em alta frequência, foi necessário aumentar a faixa de frequência (maximum frequency) para captar o problema. Em alguns casos, apenas o espectro simples não daria a visualização adequada para o problema. Nesse caso, usou-se um espectro com zoom, onde era determinada a frequência em que foi dado o zoom (zoom/envelope center frequency). 83

84 Especificações e configurações das medições da moto-bomba A moto-bomba é responsável pelo deslocamento do ácido lático nas diversas etapas do seu tratamento para a produção. Existe uma outra moto-bomba que fica de reserva, caso haja alguma falha na moto-bomba 1. Figura 49: Desenho da Moto-Bomba Conforme a figura 49, percebe-se que a motor aciona a bomba através de acoplamento, sendo essa uma bomba de 1 estágio. Esquema da moto-bomba: TAG: P9451/ Motor: WEG 160/L Rotação: 3580 RPM 30cv 22Kw Ranhuras: 36 Fr: RPM Barras: 28 Fb: RPM Mancal 1: 6209-Z-C3 Mancal 2: 6309-C Bomba: KSB Modelo: Megachem Série: Q= 75m³/h Rotação: 3580RPM Paletas Rotor: 6RBPF: RPM Mancal 3/ 4: 6308-C3 84

85 Tabela de rolamentos: Rolamentos BPFO BPFI BSF BTF 6209-Z-C3 4,08 5,92 5,28 0, C3 3,06 4,94 4,03 0, C3 3,07 4,93 4,08 0,38 Tabela 5:Tabela de rolamentos da moto-bomba Figura 50: Moto-Bomba da Purac 85

86 Figura 51: Moto-bombas da Purac (A 1º foi a bomba estudada, a outra é a reserva). Possíveis defeitos da moto-bomba: Motor: Defeitos Frequência Zoom Factor Fmáx Highpass filter Parâmetro Desbalanceamento 3580rpm= 59,7Hz Não tem 1KHz 2Hz V Desalinhamento 3580rpm+3H=238,7Hz Não tem 1KHz 2Hz V Folga 3580rpm+7H=477,3Hz Não tem 1KHz 2Hz V Folga na base 3580rpm+2H=179Hz Não tem 1KHz 2Hz V Problemas elétricos 7200rpm= 120Hz X2 Fc=120Hz 500Hz 2Hz V Barras rpm= X2 10KHz 10Hz A 1670,7Hz Fc=1900Hz Ranhuras rpm= 2148Hz X2 10KHz 10Hz A Fc=1900Hz Falha no rolamento 21194rpm+4H= 1766,2Hz X4 Fc=2500Hz 20KHz 3KHz Gev Sinal de onda 1000Hz/2560Hz= 0,39s Não tem 0,39s 2Hz V Banda Larga 3580 rpmx20= 1.193,3Hz Não tem 10KHz 10Hz A Tabela 6: Tabela possíveis defeitos do motor da moto-bomba 86

87 Bomba: Defeitos Frequência Zoom Factor Fmáx Highpassf ilter Parâmetro Desbalanceamento 3580rpm= 59,7Hz Não tem 1KHz 2Hz V Desalinhamento 3580rpm+3H=238,7Hz Não tem 1KHz 2Hz V Folga 3580rpm+7H=477,3Hz Não tem 1KHz 2Hz V Folga na base 3580rpm+2H=179Hz Não tem 1KHz 2Hz V Passagem de pás 21480rpm+1H=716Hz X2 Fc=360Hz 1KHz 2Hz Falha no 17650rpm+4H= X rolamento 1470,8Hz Fc=3000Hz KHz KHz Sinal de onda /2000= 0,039s Não tem 0,039 2Hz s Banda Larga 3580 rpmx20= Não tem 10 10Hz 1.193,3Hz KHz Tabela 7: Tabela dos possíveis defeitos da bomba da moto-bomba V Gev V A 87

88 Na figura 52 seguem as configurações para cada parâmetro de falha. Figura 52: Configurações para os defeitos no moto-bomba. 88

89 5.3.3 Especificações e configurações das medições do moto-redutor O moto-redutor ou redutor de velocidade é um dispositivo mecânico que reduz a velocidade (rotação) de um acionador. Seus principais componentes são basicamente: eixo de entrada (motor de entrada) e de saída, rolamentos, engrenagens, eixos sem fim e carcaça. O redutor de velocidade é utilizado quando é necessária a adequação da rotação do acionador para a rotação requerida no dispositivo a ser acionado. Devido às leis da física, quando há redução da rotação, aumenta o torque disponível. Existem diversos tipos de redutores de velocidade, sendo alguns deles os redutores de velocidade por coroa e rosca sem fim, uma vez que seus valores de compra e de manutenção são inferiores aos redutores de engrenagem. Na Purac Sínteses, foi estudado um redutor de engrenagem. O moto-redutor é o responsável pela agitação da mistura de água e açúcar contida dentro dos tanques, para o preparo de ácido lático. Na figura 56 pode-se ver sua esquematização e um desenho em corte do adaptador e da caixa redutora. 89

90 Figura 53: Desenho do moto-redutor na Purac Sínteses (esquerda), croqui do adaptador do conjunto (direita e acima) e croqui do redutor de 3 estágios (direita e abaixo). TAG: MIX Motor: WEG 160M Rotação nominal: cv 15 Kw Rotação de trabalho: 1200 RPM Ranhuras: 48 Fr: 57600RPM Barras: 40 Fb:48000RPM Mancal 1: 6209-Z-C3 Mancal 2: 6309-C3 90

91 Adaptador ou Cadeira: AM 160 Rotação: 1200 RPM Mancal 3/4: Esf Z-J Mancal 4:6216-2Z-K3N Rolos- NJ311E Redutor: SEW-EURODRIVE Ne: 1200 RPM Fee: RPM Modelo: FAF97 Z=18 dentes Ni: 400 RPM Z=54 dentes Z=13 dentes Fee: RPM Fes: RPM Ns: 52 RPM Fes: RPM Z=98 dentes Mancal 5: Rolos Mancal 6: Rolos Mancal 7/8: 6219-Z Tanque: Rotação: 52RPM Paletas: 3 RBPF: 156 RPM Tabela de rolamentos: Rolamentos BPFO BPFI BSF BTF 6209-Z-C3 4,08 5,92 5,28 0, C3 3,06 4,94 4,03 0, Z-J 3,06 4,94 4 0,38 NJ311E 5,18 7,82 4,71 0, Z-K3N 4,13 5,87 5,6 0, ,56 9,43 5,25 0, ,59 8,4 4,69 0, Z 4,1 5,9 5,38 0,41 Tabela 8: Tabela dos rolamentos do moto-redutor 91

92 Figura 54: Moto-redutor da Purac Sínteses (vista ampla) Figura 55: Moto-redutor da Purac 92

93 Figura 56: Moto-redutor da Purac Figura 57: Moto-redutor da Purac 93

94 Possíveis defeitos do moto-redutor: Motor: Tabela 9: Tabela dos possíveis defeitos do motor do moto-redutor Adaptador: Defeitos Frequência Zoom factor Fmáx Defeitos Frequência Zoom Fmáx Highpassfilter Parâmetro factor Desbalanceamento 1200rpm=20 Hz Não tem Hz V Hz Desalinhamento 1200rpm+3H=80 Hz Não tem Hz V Hz Folga 1200rpm+7H=160Hz Não tem Hz V Hz Problemas 7200rpm=120 Hz X Hz V elétricos Fc=120Hz Hz Barras rpm= 800 Hz X2 5 KHz 10 Hz A Fc=900Hz Ranhuras rpm= 960 Hz X2 5 KHz 10 Hz A Fc=900Hz Falha no 7104 rpm+4h= X KHz Gev rolamento 592Hz Fc=2500Hz KHz Sinal de onda 1000Hz/2560Hz= Não tem 39s 2 Hz V 0,39s Banda Larga 1200 rpmx20= 400Hz Não tem 5KHz 10Hz A Highpassfilt er Parâmetro Desbalanceamento 1200rpm=20 Hz Não tem 500 Hz 2 Hz V Desalinhamento 1200rpm+3H=80 Hz Não tem 500 Hz 2 Hz V Folga 1200rpm+7H= Não tem 500 Hz 2 Hz V 160Hz Empeno de eixo 1200rpm+2H=60Hz Não tem 500 Hz 2 Hz V Falha no 9384 rpm+4h= X KHz Gev rolamento 782Hz Fc=1250Hz KHz Onda no tempo 1000Hz/2560Hz= Não tem 0,39s 2 Hz V 0,39s Banda Larga 1200 rpmx20= 400Hz Não tem 5KHz 10Hz A Tabela 10: Tabela dos possíveis defeitos do adaptador do moto-redutor 94

95 Caixa Redutora Defeitos Frequência Zoom Fmáx Highpassfilter Parâmetro factor Folga Ee 1200rpm+7H= Não tem 200 Hz 2Hz V 160Hz Folga Ei 400rpm+7H= 53,3Hz Não tem 100 Hz 2Hz V Falha no 3772rpm+4H= X4 10 KHz 3 KHz Gev rolamento Ei 314,3Hz Fc=1250Hz Engrenamento 1200rpmX18dentes= X2 1 KHz 10 Hz A entrada 360 Hz Fc=360Hz Engrenamento 400rpmX13 dentes= X2 200 Hz 10 Hz A saída 86,6 Hz Fc=90 Hz Onda no 2000Hz/1280Hz= Não tem 1,56s 2Hz V tempo 1 1,56s Onda no tempo Hz/512Hz= 3,9s Não tem 3,9s 2Hz V Tabela 11: Tabela dos possíveis defeitos da caixa redutora do moto-redutor No eixo de entrada não existem mancais para o aparecimento de problema em rolamentos. As falhas nos rolamentos do eixo de saída se manifestam em frequências extremamente baixas, o que torna difícil a sua visualização em espectros de frequência. Nesse caso foi utilizado o sinal de onda no tempo. Também foi usado onda no tempo para estudar o comportamento das pás do tanque de ácido lático. A onda no tempo 1 foi escolhida para estudar os problemas de maior frequência (como a rotação do eixo intermediário), enquanto a onda no tempo 2 os problemas de frequências menores (rotação do eixo de saída e das pás do tanque). 95

96 Na figura 58 seguem as configurações nos parâmetros. Figura 58: Configurações para os defeitos de engrenamento no moto-redutor 96

97 Capítulo VI 6. Análises de espectros coletados Durante o tempo em que foram coletados, todos os dados foram estudados visando chegar a um resultado final a respeito da condição dos equipamentos, analisar o modo que uma determinada falha surge e evolui, e antecipar quais seriam as consequências para o equipamento se entrasse em colapso devido a tal falha. Verifica-se a importância da análise de modo e efeito, na prevenção de novas ocorrências semelhantes. A partir da análise de vibrações e tipo construtivo do equipamento em questão pode-se identificar seus possíveis causadores. É também de grande importância analisar os componentes substituídos e reparados para avaliação das características do seu modo de falha e possível causa. Serão apresentados nesse capitulo os resultados encontrados perante os valores de alarme A1 (alarme referente a vibração indesejável) e A2 (alarme referente a vibração inaceitável) determinados para sua classe. Nos espectros nas próximas páginas, à rotação do conjunto moto-ventilador é identificada como f0, na parte superior do espectro. As frequências dos elementos do rolamento são identificadas como: pista externa (E1), pista interna (I1), esferas (B1) e gaiola (C1). Enquanto a frequência de 1x e as suas harmônicas são representadas por ch1; 2, 3, 4..., respectivamente correspondente com a harmônica. No canto esquerdo superior fica: o nome do equipamento, a identificação do mancal, a direção e a grandeza analizadas, seguidas pela data e hora da coleta. Na lateral direita, ficam as informações de frequência e amplitude relacionada com os picos estudados. 97

98 6.1 - Análise do Moto-Ventilador No moto-ventilador a vibração global em aceleração estava elevada no mancal 2 do motor, passando do 2º alarme (A2), em quase todas as coletas. Observou-se picos de amplitude elevada nos espectros em envelope de aceleração no mancal 2. Figura 59: Espectro de envelope de aceleração do motor da caldeira mancal 2V 4 Coleta. Na figura 59, foi observado que a rotação de trabalho no dia era de 3187 RPM. Como já foi dito antes, a rotação mudava frequentemente por causa do inversor de frequência. O pico que mais se destaca é o 3 harmônico do pico de 2Fl, que chega à 2,91g. Percebe-se então pela análise da frequência que o problema está relacionado à alimentação elétrica. Esse problema se manifestou em mais de uma ocasião. 98

99 Figura 60: Espectro de envelope de aceleração mostrando 3º harmônico do 2Fl elevado no motor da caldeira mancal 2V 6º Coleta. No 6º dia mais uma vez se notou o problema de alimentação elétrica. Provavelmente o problema da rede está ligado ao inversor de frequência, devido ao fato desse problema ter se manifestado em coletas onde a frequência do equipamento era alterada. Em alguns dias a vibração esteve dentro dos parâmetros desejados, abaixo de A1 e A2. Isso ocorreu no 3º, 7º e 8º dias. Nos outros dias se mantiveram alta, porém estável. A frequência de 2Fl sempre aparece depois do segundo harmônico da frequência da rotação. Isso é uma característica comum em todos os motores elétricos de dois pólos, mesmo quando operando em condições normais. A rotação do equipamento foi alterada de 3560 RPM para 2700 RPM, pelo inversor de frequência. Isso também implica numa mudança na frequência do 2Fl. Se observado nos espectros o 2Fl não irá aparecer na frequência de 7200 RPM. Ele muda na mesma proporção que a rotação de trabalho. E assim continuará sempre aparecendo depois, apesar de estar bem próximo, do 2 harmônico da rotação. 99

100 As figuras 61 e 62 mostram alguns espectros coletados evidenciando o problema de rede durante o período de coletas. Figura 61: Envelope de aceleração mostrando 3º harmônico da 2Fl elevado no motor da caldeira mancal 2V 9º Coleta Figura 62: Envelope de aceleração no motor da caldeira mancal 2H 10 Coleta 100

101 Como o inversor de frequência alterava os valores das rotações e frequências dos equipamentos de coleta para coleta, era necessária cautela para saber qual a rotação que o equipamento estava operando no dia. Essa dúvida podia ser tirada observando o sinal de onda da medição do dia. Figura 63: Sinal de onda no tempo motor da caldeira mancal 2H 1 Coleta Figura 64: Sinal de onda no tempo motor da caldeira mancal 2H 6º Coleta 101

102 O sinal de onda é referente ao tempo de uma volta completa do eixo. Pela distância de um pico a o outro obtem-se o tempo e a frequência que o equipamento leva para operar. No sinal de onda da figura 63, as ondas se repetem em uma frequência numa média de 45Hz RPM. Enquanto na figura 64 as ondas se repetem em uma frequência de 53Hz RPM. Outro problema que gerava alta vibração em aceleração global era a frequência de pulsos, relativa ao inversor de frequência. Ela se manifestava na frequência de RPM, com amplitude considerável, por isso com potencial de danos. Figura 65: Espectro em aceleração de banda larga mostrando a frequência de pulsos no mancal 2H 2 Coleta Nesse espectro de banda larga é possível visualizar que em alta frequência o único pico que se destaca é o relativo à frequência de pulsos. Isso também pode ser observado em outras coletas. 102

103 Figura 66: Espectro em aceleração de banda larga mostrando a frequência de pulsos no mancal 2H 9 Coleta 4,53g. Na figura 66, a frequência de pulsos se manifestou bem elevada, chegando a Figura 67: Espectro em aceleração com zoom X2 mostrando a frequência de pulsos no mancal 2H 10 Coleta. 103

104 No espectro da figura 67, tem-se dois picos que se destacam. Observa-se que o pico que mais se destaca não é a frequência de pulsos e sim uma banda lateral de 6X. O segundo maior é o pico relativo a frequência de pulsos, enquanto os outros próximos a ele são bandas laterais, identificadas na parte superior do espectro como c/1, e suas bandas são identificadas pela numeração positiva para as bandas que estão do lado direito, e negativa para as bandas do lado esquerdo. Nos gráficos de tendência, em aceleração global observou-se vibrações muito elevadas no mancal 2 do moto-ventilador devidos às vibrações elevadas de frequência de pulsos e frequência da rede de alimentação. O mancal 1 não apresentou vibrações elevadas. Portanto é necessário averiguar se o mancal 2 está operando dentro das condições normais de uso. Pois ele se demonstrou mais sensível aos problemas eletromagnéticos do moto-ventilador. Abaixo, os gráficos de tendência em aceleração global nos dois mancais, tanto na horizontal (H) como na vertical (V). Figura 68: Gráfico de tendência mancal 1H 104

105 Figura 69: Gráfico de tendência mancal 2V Análise da moto-bomba Motor O motor demonstrava um problema de desalinhamento do seu eixo, devido a um problema no rolamento dos mancais da bomba, que será abordado mais à frente. 105

106 Figura 70: Espectro de frequência em velocidade do motor da bomba mancal 1H 1 Coleta - Desalinhamento Figura 71: Espectro de frequência em velocidade do motor da bomba mancal 1H 3 Coleta Desalinhamento 106

107 Figura 72: Mesmo espectro de frequência da figura 71 com um zoom no pico que mais se destaca. Com o zoom no espectro é possível perceber que o pico de maior amplitude é o 2 harmônico da rotação. O 2Fl se manifesta em um pico muito próximo a ele, só podendo ser visto em um espectro de alta resolução. Porém, isso muda nas ultimas coletas. No 8 dia de coleta a moto bomba esteve em manutenção, isso impediu que houvesse coleta nesse dia. Com isso o desalinhamento foi consertado e o pico de maior amplitude passa a ser o 2Fl. 107

108 Figura 73: Espectro em velocidade do motor da bomba 1H 9 Coleta Desalinhamento Figura 74: Mesmo espectro da figura 73 com zoom no maior pico. No mancal 2 observa-se o pico elevado da 2Fl também. Porém nesse mancal em nenhuma das coletas foi diagnosticado desalinhamento. 108

109 Figura 75: Espectro em velocidade do motor da bomba mancal 1H 10 Coleta Figura 76: Mesmo espectro da figura 75 com zoom no 2 harmônico. 109

110 O gráfico de tendência ficou um pouco acima de A1, devido ao problema de rede, mas abaixo de A2. Estando em níveis aceitáveis. Figura 77: Gráfico de tendência do mancal 2H Bomba Na bomba foi observada uma vibração extremamente alta em todas as coletas, as vibrações globais em aceleração chegavam até 11g. A razão disso eram os rolamentos 6308 dos dois mancais da bomba. Eles apresentaram uma falha na pista externa. Essa falha na pista externa (E1) apresentou várias frequências harmônicas. Elas podem ser observadas entre as figuras e

111 Figura 78: Espectro em envelope de aceleração da bomba mancal 3H 1 Coleta Figura 79: Envelope em aceleração da bomba mancal 3H 6 Coleta 111

112 Figura 80: Envelope em aceleração da bomba mancal 3V 9 Coleta Na figura 79, o envelope de aceleração demonstra vários harmônicos do BPFO. Mas existe um pico próximo ao que seria o 14 harmônico do BPFO que não coincide com este. Esse pico é um alto harmônico da frequência de pás (BPF), que está próximo a frequência de RPM. Ele pode ser bem observado na figura

113 Figura 81: Envelope de aceleração da bomba mancal 3H 6 Coleta O 7 harmônico do BPF é o pico que mais aparece elevado ( RPM), além de ter bandas laterais de 1X. Algum componente da bomba tem a sua frequência natural igual ao 7 harmônico. Para resolver isso, deve-se descobrir qual é esse componente, e se for possível, substituí-lo. Caso não seja possível, deve-se tentar modificar a sua frequência natural, com a adição de massa, para evitar a ressonância. Outra possibilidade é trocar o rotor da bomba por um com uma frequência natural diferente. Interessante ressaltar, que os 2 problemas da bomba estão interligados. O problema no rolamento 6308 provoca folgas no eixo, por isso a ocorrência de tantas frequências harmônicas em relação à frequência de pás (BPF). Se o problema do rolamento for resolvido, a folga irá diminuir, o que eliminará o pico de 7X a BPF. Assim sendo, não ocorrerá ressonância com o componente da bomba. Na figura, 82 segue-se um espectro em envelope do mancal 4, que também estavam com o rolamento danificado. 113

114 Figura 82: Envelope de aceleração com alta resolução da bomba mancal 4H 1 Coleta temporal: Foi possível visualizar o problema do rolamento da bomba no domínio Figura 83: Onda no tempo mostrando o problema no rolamento da bomba mancal4h4ºcoleta 114

115 Figura 84: Onda no tempo mostrando o problema no rolamento da bomba mancal 4H7º coleta Figura 85: Onda no tempo mostrando o problema no rolamento da bomba mancal 3H10º coleta 115

116 Por escolha dos técnicos de manutenção da Purac, era preferível usar o rolamento até o fim de sua vida útil a uma manutenção nessa bomba, já que isso implicaria em uma mudança dos componentes da bomba, por exemplo, trocar o selo de vedação que sairia muito mais caro que um rolamento. Por isso, eles preferiram deixar o equipamento operando nesses termos até o dia da manutenção do equipamento que já estava agendada. Isso fica a critério do responsável pela manutenção. Dependendo se a vibração do equipamento seguir evoluindo ou se estabilizar, o técnico pode optar pela paralisação imediata do equipamento ou postergar até o dia da manutenção deste, lembrando que é sempre um risco operar com o equipamento acima dos níveis padronizados pelas associações normalizadoras (ABNT e ISO), como visto no capítulo 4. Pelos gráficos de tendência coletados, percebemos que a vibração seguia de maneiras diferentes em cada ponto. Em um ela se estabilizava, em outro caia e em outro tendia a subir um pouco. Figura 86: Gráfico de tendência se mantém estável, bomba 3H aceleração global. 116

117 Figura 87: Gráfico de tendência decaindo, bomba 4H aceleração global Análise do moto-redutor Motor No motor não foi observada quase nenhuma condição de trabalho acima de A2. Porém, é possível observar o engrenamento de entrada de RPM no espectro do motor, nas figuras 88 e 89. Isso acontecia nos dias em que a vibração da caixa redutora estava alta. 117

118 Figura 88: Frequência de engrenamento 1 visível em um espectro de aceleração do motor mancal 1H 8 Coleta Figura 89: Frequência de engrenamento 1 com bandas de 1X vista em um espectro em aceleração no motor mancal 1H 9 Coleta 118

119 O gráfico de tendência ficou da seguinte maneira: Figura 90: Gráfico de tendência do motor mancal 2H Adaptador Seus espectros de vibração se mantiveram sempre com amplitudes baixas. Quase não passando de nenhum dos dois alarmes, em algumas ocasiões passou do A1, mas, logo retornando a faixa de vibração em outras medições. O espectro de frequência e o gráfico de tendência do adaptador podem ser observados nas figuras 91 e

120 Figura 91: Espectro em velocidade do adaptadorno mancal 3H 9 Coleta Figura 92: Gráfico de tendência do adaptador mancal 3H 120

121 Redutor O redutor não apresentou nenhuma vibração perigosa. Sua vibração esteve entre os dois alarmes, acima de A1 e abaixo de A2. A razão para operar com a vibração um pouco elevada era devido ao engrenamento que por vezes sofria de trancos repentinos em virtude da condição do fluído dentro do tanque, este podendo estar mais ou menos saturado, dificultando a sua agitação em certas ocasiões. Fora isso não foi observado nenhuma condição de vibração anormal no equipamento. Foi possível visualizar as duas frequências de engrenamento do redutor. Em quase todas as coletas elas apresentaram bandas laterais, mas todas com baixas amplitudes. Figura 93: Espectro em aceleração da frequência de engrenamento de entrada do redutor mancal 5H 5 Coleta 121

122 Figura 94: Espectro em aceleração da frequência de engrenamento de entrada do redutor mancal 5H 8 Coleta Figura 95: Espectro em aceleração da frequência de engrenamento de saída mancal 7H 7 Coleta 122

123 No domínio temporal puderam ser observadas as rotações do equipamento. Figura 96:Onda no tempo mostrando a rotação do eixo de entrada mancal 8V 8º coleta Figura 97: Onda no tempo mostrando a rotação do eixo de entrada mancal 7V 3 coleta 123

124 Para a visualização de problemas no eixo intermediário e de saída do redutor utilizou-se sinais de onda, pois eles apresentam uma melhor visualização de frequências baixas. Figura 98: Sinal de onda no tempo do redutor mancal 6V 6 Coleta Figura 99: Sinal de onda no tempo do redutor mancal 7V 6 Coleta 124