Detecção de falha num rolamento com recurso a técnica de envelope em um alternador da fragata NRP Vasco da Gama

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1 Detecção de falha num rolamento com recurso a técnica de envelope em um alternador da fragata NRP Vasco da Gama João F. D. dos Santos (1)(2) ; Rui P. C. Sampaio (2) ; Hélder F. S. Ferreira (3) ; duarte.santos@marinha.pt; chedas.sampaio@marinha.pt; helder.silva.ferreira@marinha.pt; 1,3 Gabinete de Avaliação de Condição Direcção de Navios Marinha de Guerra Portuguesa Alfeite, Portugal Resumo 2 CINAV Centro de Investigação Naval, Marinha, Lisboa, Portugal A fragata NRP Vasco da Gama reportou, à Direcção de Navios (DN), a existência de um alarme de temperatura num rolamento do alternador do grupo electrogéneo n.º 2. Com a necessidade de efectuar o diagnóstico da causa do alarme, o Gabinete de Avaliação de Condição, da Divisão de Mecânica e Electrotecnia da DN, aplicou técnicas de avaliação de condição, nomeadamente, termografia e medição de vibrações, para diagnosticar a causa do aumento de temperatura. Através da termografia confirmou-se a existência de um ponto quente no rolamento em questão. Através da medição e análise de vibrações foi possível diagnosticar um defeito na pista interna do rolamento, o que se confirmou após desmontagem deste. Este artigo visa demonstrar a técnica de envelope, na medição de vibrações, para diagnosticar defeitos em rolamentos como uma técnica válida para evitar custos não previstos no ciclo de vida útil dos equipamentos. 1. Enquadramento As fragatas da classe Vasco da Gama estão equipadas com quatro grupos geradores. Os geradores são constituídos por um motor diesel MTU 8V396TB53, de 655kW de potência às 1800 RPM, acoplado a um alternador Siemens 1FR Ilustração 1-Motor diesel do grupo gerador O fabricante do alternador recomenda vários arranjos de rolamentos, como se pode verificar na figura abaixo. Nos geradores das fragatas da classe Vasco da Gama existe uma montagem com dois rolamentos de esferas.

2 Ilustração 2 - Arranjo dos rolamentos do alternador Para convencionar a posição dos rolamentos será utilizada a ilustração abaixo, em que o veio do alternador tem dois pontos de apoio A e B. Nestes pontos estão montados os rolamentos em questão. Ilustração 3- Esquema de pontos de leitura do grupo gerador Nos pontos A e B estão montados sensores de temperatura. Estes sensores transmitem, em tempo real, a temperatura para o sistema de gestão da plataforma, que dará alarme ao operador se a temperatura exceder os 90 o C. Este sistema funciona essencialmente como segurança para evitar uma falha catastrófica. Os rolamentos instalados são ambos da marca FAG da série 63. A série 63 é composta por rolamentos de esferas constituídos por uma pista externa, interna, esferas e gaiola. São rolamentos simples e fáceis de manter devido à sua simples constituição. Por serem abertos permitem uma lubrificação fácil. A geometria dos elementos rolantes permite suportar cargas axiais e radiais, o que os torna ideais para inúmeras aplicações. Nesta série de rolamentos existem variáveis de duas pistas e blindados (Schaeffler Technologies AG & Co., 2016). Ilustração 4 - Rolamento FAG da série 63 O rolamento do lado de fora do alternador (ponto A), junto ao ventilador de arrefecimento, é um rolamento da marca FAG com referência DIN C3. Este rolamento tem 7,67 kg de massa, diâmetro interno de 100 mm, velocidade limite de 4250 RPM e uma carga limite de fadiga de 7100 N.

3 O rolamento do lado do acoplamento ao motor diesel (ponto B) é um rolamento de esferas da marca FAG com referência DIN C3. Tem 12,8 kg de massa, diâmetro interno de 120 mm, velocidade limite de 3500 RPM e uma carga limite de fadiga de 9500 N. A manutenção recomendada pelo fabricante dos rolamentos contempla apenas lubrificação com massa ou óleo. O manual do grupo gerador recomenda a lubrificação dos rolamentos com 40 gramas de massa a cada 1500 horas de funcionamento. Esta rotina está implementada a bordo e é executada pelos operadores do grupo gerador. 2. Detecção de dano em rolamentos Os rolamentos por serem componentes fundamentais para o normal funcionamento das máquinas e por terem ampla aplicação na indústria, é aconselhável a sua monitorização. A temperatura é um dado facilmente recolhido que nos indica o correto funcionamento do rolamento. Porém, como é pouco sensível a danos incipientes não permite evitar danos colaterais nem a programação atempada da substituição do rolamento. A análise de vibrações tem-se consolidado como a técnica por excelência, para detectar e diagnosticar falhas em rolamentos antes que ocorram avarias graves nas máquinas. O controlo de condição de rolamentos por análise de vibrações é normalmente faseado, isto é, em primeiro lugar é necessário detectar se existe ou não dano no rolamento e, só depois, é que se diagnostica o tipo de dano. A detecção deverá ser o mais antecipada possível para dar tempo à programação da intervenção de manutenção. O diagnóstico deverá ser o mais preciso possível para se optimizar a disponibilidade do rolamento e para se programar com maior eficácia a sua substituição. A detecção é feita automaticamente pelo computador ou analisador de vibrações, sem recurso a operador especializado, que emite um alarme de alerta ou de perigo. O alarme é emitido quando determinado indicador ultrapassar um limite previamente estabelecido. Existem três tipos de indicadores disponíveis: Os níveis globais (valores escalares), como por exemplo, o crest factor (pico/rms em aceleração na banda dos 1000 aos Hz), o rms (root mean square) em aceleração na banda dos 1000 aos Hz,o spike energy (gse) 1 ou o ge que é um nível global calculado a partir do envelope, os níveis globais da ISO 10816, da Det Norske Veritas, da Turk Loydu Naval Ship Technology ou de outras sociedades classificadoras; Os sinais no tempo; E os espectros de frequência. Os mais sensíveis são os espectros de frequência medidos em aceleração e numa banda de 0 até 5000 Hz, no mínimo. A razão porque são os mais sensíveis deve-se à própria natureza da progressão do dano em rolamentos. Enquanto a fenda, ou defeito, não atinge a superfície da pista, gaiola ou elemento rolante, só por ultrasons é possível detectar o dano. Assim que a fenda atinge a superfície, e antes de ser visível a olho nú, geram-se impactos que excitam a frequência natural da caixa do rolamento (normalmente entre os 500 e os 5000 Hz). Como a amplitude dos impactos é reduzida (dano incipiente) a amplitude da vibração da chumaceira, na sua frequência natural, também é e, por isso, é aconselhável medir em aceleração para 1 Patente da IRD Mechanalysis

4 realçar as amplitudes das altas frequências. Como o espectro de frequência nos dá as amplitudes de vibração por frequência é fácil medir a variação destas relativamente à medição de referência (espectro medido quando não havia dano) e assim detectar se nas altas frequências existe um aumento significativo. Após a detecção segue-se o diagnóstico. Como os rolamentos podem apresentar 4 tipos de dano dano na pista interior, dano na pista exterior, dano no elemento rolante e dano na gaiola e cada um força a chumaceira a uma frequência característica, conhecida como frequência de falha, o diagnóstico consiste em identificar qual destas frequências surge no espectro de frequência. Estas frequências são normalmente pequenas, abaixo dos 500 Hz, mas como são de reduzida amplitude ficam submersas na vibração dominada pelo desequilíbrio e desalinhamento residual do veio. Por esta razão desenvolveu-se a técnica conhecida por envelope ou análise da envolvente. Esta técnica filtra o sinal numa banda estreita de frequência, em torno da frequência natural da caixa do rolamento, seguido da desmodulação em amplitude e apresentação em frequência da onda moduladora (frequência característica da falha do rolamento). Quando a frequência de falha, para além de aparecer no envelope, aparece também no espectro de frequência é sinal de que o dano é grande e estará eminente o colapso. As frequências de falha podem ser calculadas de forma aproximada, desprezando o escorregamento dos elementos rolantes, uma vez que dependem da rotação do veio, da geometria e do arranjo dos componentes que formam o rolamento, conforme é visível na ilustração abaixo. FT: Frequência de defeito na gaiola BPO: Frequência de defeito na pista externa BPI: Frequência de defeito na pista interna BS: Frequência de defeito no elemento rolante Ilustração 5- Frequências de falha de rolamentos Quando não se têm dados geométricos do rolamento é possível calcular de forma aproximada as referidas frequências:

5 Ilustração 6 - Frequências de falha, método simplificado (Pista interior) Ilustração 7 - Frequências de falha, método simplificado (Pista exterior) Sendo que estas frequências apenas são função das características do rolamento, o fabricante fornece-as e estão disponíveis em software de análise de vibrações. Na tabela abaixo são apresentadas as frequências de falha para os rolamentos aplicados no alternador (Schaeffler Technologies AG & Co., 2016). Tabela 1 - Frequências de falha para rolamentos 6320 e 6324 Frequências de falha (xrpm) Rolamentos BPO BPI BS FT Medição e análise de Vibrações na Marinha de Guerra Portuguesa Na Marinha de Guerra Portuguesa é utilizada a medição e análise de vibrações para controlo de condição dos vários equipamentos a bordo das unidades navais. Ao navio compete efectuar medições mensais para detecção do dano. Feita a detecção, o navio solicita o diagnóstico aos serviços técnicos de apoio do comando a que o navio pertence. Efectuado o diagnóstico decide-se a intervenção que pode passar por equilibragem no local, alinhamento, isolamento de vibrações, absorção de vibrações, modificações estruturais ou outro tipo de intervenção. Se o diagnóstico não for conclusivo ou a solução se afigure complexa é solicitada ao Gabinete de Avaliação de Condição (GAV) a intervenção. 4. Caso de estudo O caso de estudo que deu origem a este trabalho surgiu do relato ao GAV do NRP Vasco da Gama, de temperaturas elevadas no rolamento do ponto A no alternador do gerador n.º 2.

6 4.1. Critérios de Aceitação No equipamento em estudo, foram aplicados os critérios da norma ISO 10816, parte 6. Aplicável a motores alternativos com potência inferior a 750 kw. Os critérios de aceitação são apresentados na tabela a baixo. Tabela 2 - Critérios de aceitação (ISO ) ISO (Potência <750kW) Alerta 11.2 mm/s RMS Alarme 17.8 mm/s RMS 4.2. Parâmetros de recolha de dados Para conduzir as medições foram utilizados parâmetros de configuração no equipamento portátil de medição que são apresentados na tabela a baixo. Tabela 3 - Parâmetros de medição de vibrações Velocidade Aceleração (envelope) Fundo de escala 10 mm/s 25 ge Detecção RMS Pico a pico Aplicação de filtro - 30K a 600K CPM Linhas 800 Janela Hanning Gama de frequências De 0 a 60 kcpm 4.3. Dados recolhidos Temperatura registada nos rolamento. Na data da recolha de dados havia relatos de anomalias na temperatura do rolamento do ponto A com o gerador em funcionamento. Foram colocados em funcionamento o gerador 2 e o gerador 1. Foram recolhidas as temperaturas de funcionamento dos geradores nos mesmos pontos. Na tabela a baixo resumem-se os valores obtidos. Tabela 4 - Temperaturas recolhidas nos rolamentos do gerador n.º1 e n.º2 Temperaturas dos rolamentos (ºC) Gerador 1 Gerador 2 Ponto A Ponto B Níveis globais recolhidos Na tabela seguinte são apresentados os valores dos níveis globais da ISO recolhidos para os geradores n.º1 e n.º2. Os valores foram recolhidos no dia 26 de Julho de É visível que no gerador n.º2 os níveis globais são maiores no ponto A do que no ponto B. Em comparação entre geradores, o ponto A é o que apresenta uma maior diferença entre geradores, sendo que o gerador n.º2 tem os valores mais altos. O ponto A, na direcção horizontal com a aplicação do envelope, do gerador n.º2, está mais elevado que todos os outros pontos em envelope.

7 Tabela 5 - Níveis globais de vibração recolhidos nos geradores n.º1 e n.º2 Gerador n.º2 Gerador n.º1 Ponto/Direcção Nível global Diferença Unidade A Axial 12,912 5,697 7,22 mm/s A Horizontal 8,836 5,691 3,15 mm/s A Horizontal Envelope 18,070 2,555 15,52 ge A Vertical 5,598 6,597 1,00 mm/s B Axial 3,269 4,929 1,66 mm/s B Horizontal 6,606 8,916 2,31 mm/s B Horizontal Envelope 6,443 4,091 2,35 ge B Vertical 5,672 7,427 1,76 mm/s Todos estes factos indicam que poderá haver um defeito no rolamento da chumaceira do ponto A, no gerador n.º2. Posto isto, é relevante efectuar a análise do espectro do envelope no ponto A do gerador n.º2 para identificar a frequência de falha Análise do envelope. A análise espectral permitirá identificar as frequências de falha que poderão indicar o tipo de defeito no rolamento do ponto A. Tabela 6- Espectros de envelope nos pontos A e B do gerador n.º2 Espectro do envelope do gerador n.º2 Ponto A-H Ponto B-H É perceptível, da comparação entre espectros dos envelopes no ponto A e no ponto B do gerador n.º2, que no ponto A aparecem vários picos que poderão ser frequências de falha. O ponto B tem um espectro mais limpo, com picos na 20ª e 30ª harmónica. Provavelmente relacionado com o ventilador do alternador, mas não coincidentes com frequências de falha. No espectro representado a baixo, foram assinaladas a amarelo as frequências de falha correspondentes ao rolamento. É visível que nas frequências de falha assinaladas, há coincidência com a falha na pista interna (BPI). Esta frequência repete-se com várias harmónicas sendo visíveis a 2ª, 3ª e 4ª harmónica da BPI. Outro indicador do estado avançado do defeito é a existência de bandas laterais na frequência de falha.

8 Ilustração 8 - Espectro de frequências gerador n.º2, ponto A-H (envelope) Verificação dos resultados Após a emissão do relatório, com a indicação que haveria um possível defeito na pista interna do rolamento do ponto A, foi emitido um pedido de trabalho para o estaleiro substituir este rolamento. Após a substituição, o rolamento em causa foi inspeccionado tendo sido encontrado o defeito na pista interna tal como havia sido diagnosticado. Ilustração 9 - Rolamento desmontado Ilustração 10 - Defeito na pista interna (1)

9 É visível uma zona com arrancamento de material, com uma área bem definida. Ilustração 11 - Defeito na pista interna (2) Ilustração 12 Defeito na pista interna (3) Foi ainda identificado outro defeito semelhante pista interna mas de dimensões mais reduzidas. 5. Conclusões Verificou-se que a detecção e diagnóstico, de danos em rolamentos, com a técnica de envelope é eficaz. Apesar do rolamento, do caso de estudo, apresentar já sintomas de temperatura elevada, a análise de vibrações permitiu confirmar o defeito e identificar a sua natureza. Idealmente a medição de vibrações deveria ter detectado o defeito antes do aumento de temperatura e numa fase incipiente (fendas dificilmente visíveis a olho nú). Isto não foi possível por não estar ainda estabelecida, no navio referido, a rotina mensal de medição de vibrações.

10 Referências Howieson, D. D. (s.d.). A pratical introdution to condition monitoring of rolling element bearings using envelope signal processing. Roque, A., & Silva, T. (s.d.). Detecção de defeitos em rolamentos - Uma aproximação didática. Sanders, C. (2011). Maintenance and Asset Management. A maintenance managers guide to vibration analysis and associated techniques in condition monitoring, Schaeffler Technologies AG & Co. (2016). Rolling and Plain Bearings. Obtido em 12 de 10 de 2016, de FAG: _Bearings/radial_ball_bearings.jsp