XVII CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNIA E INDUSTRIAL

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1 XVII CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNIA E INDUSTRIAL DEMONSTRAÇÃO DE FREQUÊNCIAS DE ENGRENAMENTO DE UM MOTO-REDUTOR UTILIZANDO ESPECTROS FFT Diego Lilargem Rocha (1) (1) (2) (diego.lilargem@gmail.com), André Luiz Vicente Carvalho (andrelvcarvalho@hotmail.com), Flávio Nassur Espinosa (2) (fnespinosa@terra.com.br) (1) Universidade Cândido Mendes (UCAM) (2) Instituto Federal Fluminense (IFF) RESUMO: Esse trabalho analisa a vibração de um conjunto moto-redutor, a fim de verificar a severidade de suas frequências de engrenamento. A análise de vibração mecânica é uma das formas de manutenção preditiva utilizadas na indústria para verificar a condição de seus equipamentos. Equipamentos que trabalham com variadores e redutores de rotação estão sujeito a esforços que podem causar avarias nas engrenagens como trincas, abrasão, sobrecargas entre outros. Esses sintomas prejudicam o bom funcionamento do equipamento aumentando a amplitude de vibração. O vigente artigo utiliza os dados de do um moto-redutor industrial com o objetivo de se analisar corretamente os picos de vibração e se estes não ocasionaram falha. Foi utilizado software de vibração para demonstração dos espectros FFT, um coletor e um acelerômetro para a coleta das vibrações. Os resultados demonstram onde os picos de engrenamento são mais severos e mostram as curvas de tendência de vibração do equipamento, traçando um histórico de sua condição. PALAVRAS-CHAVE: conjunto moto-redutor, frequência de engrenamento, análise de frequência, engrenagem, vibração. VIBRATION ANALYSIS IN A MOTO-VENTILATOR OF AN INDUSTRY ABSTRACT: The proposed article objected is to analyze the vibration of a gearbox assembly in order to verify the severity of its gear frequencies. Mechanical vibration analysis is one of the forms of predictive maintenance used in industry to check the condition of their equipment. Equipment that works with variators and speed reducers is subject to stresses that can cause breakdowns in the gears, such as cracks, abrasion, overloads and more. These symptoms impair the proper functioning of the equipment by increasing the amplitude of vibration. This article uses the data of an industrial gearbox motor in order to properly analyze the vibration peaks and if they did not cause failure. Vibration software was used to demonstrate the FFT spectra, a collector and an accelerometer for the collection of vibrations. The results demonstrate where the gear peaks are more severe and the equipment vibration curves trend, tracing the history of its condition. KEYWORDS: Gearbox assembly, gear mesh frequency, frequency analysis, gear, vibration. Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial

2 1. INTRODUÇÃO O redutor ou variador de velocidade é um conjunto mecânico constituído principalmente por eixo de entrada e de saída, rolamentos, engrenagens, eixos sem fim e carcaça. Ele permite a variação da velocidade, através da transmissão mecânica das engrenagens. As diferenças nos números de dentes das engrenagens variam a rotação de eixo para eixo e também variam o torque destes (Rocha, 2014). O redutor de velocidade é utilizado quando é necessária a adequação da rotação do acionador, geralmente um motor elétrico, para a rotação requerida no dispositivo a ser acionado. Quando há redução da rotação, aumenta o torque disponível, e vice-versa (Rocha, 2014). A engrenagem é o elemento fundamental do redutor, portanto esta exige uma atenção particular para o bom funcionamento do equipamento. As engrenagens apresentam problemas como desgaste dos dentes, defeito no passo, trabalho com carga elevada e dentes quebrados. A lubrificação é uma das formas de prevenir aquecimento e desgastes nos engrenamento. A análise de frequência é uma forma de verificar se o engrenamento está acontecendo de forma suave e apropriada, ou ocorrendo com trancos e sobrecarga. Quando em sobrecarga, geram-se vibrações indesejadas e perigosas que podem atrapalhar o funcionamento do equipamento, causando desbalanceamento e desalinhamento e empeno do eixo (Menegatti, 1999). O sistema de acionamento das engrenagens do redutor é composto por pinhão (engrenagem menor) e coroa (engrenagem maior). O eixo acionador está acoplado ao eixo de saída do redutor pela transmissão pinhão-coroa. A frequência de engrenamento (GMF Gear Mesh Frequency) é igual à rotação do eixo acionador multiplicada pelo número de dentes do pinhão. Essa frequência será a mesma para o eixo de saída multiplicado pelo número de dentes da coroa. A frequência de engrenamento é uma para cada transmissão pinhão-coroa que houver dentro do redutor. Dessa forma será possível descobrir as rotações dos demais eixos do redutor, apenas pelo conhecimento da rotação do elemento acionador e do número de dentes de cada engrenagem (Espinoza, 2008). A frequência pode ser medida em Hertz (Hz) ou rotações por minuto (RPM). Um sistema pode consistir em uma única componente com uma só frequência, a sua frequência natural, ou várias componentes vibrando com frequências variadas. Um redutor é um exemplo de um sistema com várias componentes, nele tem se a rotação de trabalho dos eixos, as frequências de vibração dos engrenamentos e dos rolamentos e problemas que apresentam nas frequências de alimentação da rede elétrica. Essas vibrações normalmente ocorrem em faixas de frequências diferentes, porém quando em mesma frequência ocorre o fenômeno conhecido como ressonância. A ressonância Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 2

3 produz uma vibração de amplitude muito elevada, sendo extremamente danosa a equipamentos e estruturas. Portanto é importante conhecer as frequências de vibração do sistema para impedir que essas se coincidam e ocasionem falhas (Prodonoff, 1990). Conhecendo as frequências de engrenamento será possível avaliar nos espectros FFT (Fast Fourier Transform Transformada Rápida de Fourier) se essa frequência está gerando elevada vibração, ou se está dentro dos parâmetros aceitáveis. O espectro FFT é um modelo de processamento matemático que transforma o sinal captado pelos sensores de vibração em gráficos de frequência por amplitude de vibração (Espinoza, 2008). Falhas em engrenamento ocorrem em frequências altas. Por isso parâmetros como aceleração e envelope de aceleração são os mais utilizados para obter os espectros de engrenamento. O espectro normal mostra picos de uma e duas vezes a frequência de engrenamento, e geralmente aparece com pequenas bandas laterais (Rocha, 2014). Desgaste dos dentes é demonstrado pelo aparecimento de frequências naturais do eixo da engrenagem defeituosa. Nesse caso a frequência de engrenamento pode aparecer com baixa amplitude, mas as bandas laterais são mais pronunciadas. Defeito de passo nas engrenagens produz picos e harmônicos do engrenamento, além de uma série de altos harmônicos da rotação do eixo com o problema. Carregamento elevado nos dentes destaca a frequência de engrenamento, não é necessariamente um problema, desde que as bandas sejam de baixa amplitude e não apareçam frequências naturais das engrenagens. Excentricidades, desalinhamentos e dentes quebrados também apresentam características diferenciadas nos espectros FFT (Espinoza, 2008). 1.1 Objetivos O objetivo desse trabalho é demonstrar o uso de análise de frequência como forma de manutenção preditiva em equipamentos com engrenagens. Para isso foi escolhido um equipamento industrial onde serão feitas coletas periódicas. Será necessário um levantamento das características técnicas desse equipamento. Serão demonstrados por meio de espectros FFT e gráfico de tendência os resultados das coletas. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Foi realizada uma pesquisa em campo com 10 coletas de frequência de vibração periódicas no conjunto moto-redutor em uma fábrica localizada na cidade de Campos dos Goytacazes - RJ. Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 3

4 Foram realizadas medições em aceleração e envelopes de aceleração, em todos os mancais do conjunto, uma vez que problemas de engrenamento podem ser modulados para o motor e o adaptador e apresentar falhas nesses equipamentos, assim como o contrário também é possível. 2.1 Conjunto moto-redutor O equipamento escolhido para o estudo é uma moto-redutor industrial. Na Figura 1 o esquema de montagem do equipamento, e na Figura 2 uma foto do conjunto moto-redutor. Figura 1: Esquema de montagem do conjunto moto-redutor analisado. Fonte: Autor (2017). Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 4

5 Figura 2: Moto-redutor. Fonte: Autor (2017). Seguem as especificações técnicas do conjunto moto-redutor necessárias para a análise de frequência no espectro FFT. Motor: Rotação: 1200 RPM Ranhuras: 48 Freq. Ranhuras: 57600RPM Barras: 40 Freq. Barras: 48000RPM Mancal 1: 6209-Z-C3 Mancal 2: 6309-C3 Adaptador Rotação: 1200 RPM Mancal 3/4: Esf Z-J Rolos- NJ311E Mancal 4:6216-2Z-K3N Redutor: Rotação eixo acionador = 1200 RPM Nº dentes do pinhão = 18 dentes 1º Frequência de engrenamento - GMF = RPM Rotação do eixo intermediário = 400 RPM Nº de dentes da coroa eixo intermediário = 54 dentes Nº de dentes do pinhão eixo intermediário = 13 dentes Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 5

6 2º Frequência de engrenamento - GMF = RPM Rotação do eixo de saída = 52 RPM Nº de dentes coroa eixo de saída = 98 dentes Mancal 5: Rolos Mancal 6: Rolos Mancal 7/8: 6219-Z A Tabela 1 apresenta os dados para se calcular a GMF no conjunto moto redutor: TABELA 1. Dados para o cálculo da GMF. Especificações Eixo Eixo Eixo de Acionador Intermediário Saída Rotação 1200 RPM 400 RPM 52 RPM Nº de Dentes do Pinhão 18 Dentes 13 Dentes N/A Nº de Dentes da Coroa N/A 54 Dentes 98 Dentes GMF RPM 5200 RPM N/A Fonte: Autor (2017). Na Tabela 2 é apresentado as frequências características de cada componente dos rolamentos multiplicados pela rotação do eixo: Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 6

7 TABELA 2. Frequência dos rolamentos do conjunto moto-redutor. Rolamentos BPFO BPFI BSF BTF 6209-Z-C3 4,08 x 1200= 5,92 x 1200= 5,28 x 1200= 0,41 x 1200= 4896 RPM 7104 RPM 6336 RPM 492 RPM 6309-C3 3,06 x 1200= 4,94 x 1200= 4,03 x 1200= 0,38 x 1200= 3672 RPM 5928 RPM 4836 RPM 456 RPM 6311-Z-J 3,06 x 1200= 4,94 x 1200= 4 x 1200= 0,38 x 1200= 3672 RPM 5928 RPM 4800 RPM 456 RPM NJ311E 5,18 x 1200= 7,82 x 1200= 4,71 x 1200= 0,4 x 1200= 6216 RPM 9384 RPM 5652 RPM 480 RPM Z-K3N 4,13 x 1200= 5,87 x 1200= 5,6 x 1200= 0,41 x 1200= 4956 RPM 7044 RPM 6720 RPM 492 RPM ,56 x 400= 9,43 x 400= 5,25 x 400 = 0,41 x 400 = 2624 RPM 3772 RPM 2100 RPM 164 RPM ,59 x 400 = 8,4 x 400 = 4,69 x 400 = 0,4 x 400 = 2236 RPM 3360 RPM 1870 RPM 160 RPM 6219-Z 4,1 x 52 = 5,9 x 52 = 5,38 x 52 = 0,41 x 52 = 213,2 RPM 306,8 RPM 279,76 RPM 21,32 RPM Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). 2.2 Software, coletor de vibrações e acelerômetro O software Ediag Rodrigues (2010) diz que o programa EDIAG é um software de gerenciamento das análises de frequência de vibração. Conhecendo as frequências de engrenamento do equipamento, estabelece a faixa de frequência que será analisadas. Essas faixas de frequência são transferidas para o coletor de vibrações que fará a captação de dados no campo. Após isso, os dados coletados são transferidos para o software que irá gerar os espectros FFT. Na Figura 3 a imagem da tela de monitoramento do software: Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 7

8 Figura 3: Tela do software Ediag. Fonte: Fonte: Software Ediag 2.2 (2013) O coletor de vibrações Movilog 2 O movilog 2 é o aparelho coletor de vibrações mecânicas que será utilizado nesse artigo. Ele trabalha acoplado ao acelerômetro ASH201. Não há necessidade de configurações nele, uma vez que elas já são estabelecidas no software. Ele apenas armazena os dados da coleta para transferir para o software apresentar os espectros de frequência. A Figura 4 demonstra o coletor: Figura 4: Coletor movilog. Fonte: Procedimento para análise de vibração utilizado coletor movilog 2 e software EDIAG2.2.0 (2010) Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 8

9 2.2.3 O acelerômetro ASH 201 O acelerômetro é o aparelho que capta as vibrações das partes não rotativas da máquina, os mancais. Ele é um transdutor piezelétrico que envia um sinal elétrico ao coletor proporcional à tensão mecânica recebida. Esse acelerômetro dispõe de uma base magnética, permitindo uma fácil aderência do acelerômetro no mancal. A Figura 5 mostra o acelerômetro: Figura 5: Acelerômetro. Fonte: Analise de vibrações em equipamentos rotativos de uma indústria alimentícia (2014). 3. RESULTADOS E CONCLUSÕES Os engrenamentos por vezes sofriam de trancos repentinos em virtude da condição do fluído dentro do tanque, este podia estar mais ou menos denso, facilitando ou não a rotação do eixo de saída. Devido a essa condição, a amplitude de vibração das frequências de engrenamento (GMF) 1 e 2 se elevavam. Nas Figuras 6 e 7 a o espectro de FFT apresentando a 1º GMF ( RPM) coletadas em dias diferentes: Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 9

10 Figura 6: Espectro FFT da 1º frequência de engrenamento. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). Figura 7: Espectro FFT da 1º frequência de engrenamento. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 10

11 As características dos espectros apresentados mostram um carregamento elevado nos dentes. Não chega a ser um problema devido à baixa amplitude das bandas laterais e de não aparecer picos de amplitude na frequência natural das engrenagens. Na Figura 8 é apresentado o espectro FFT da 2º frequência de engrenamento (5.200 RPM): Figura 8: Espectro FFT da 2º frequência de engrenamento. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). A 2º GMF não apresenta bandas laterais nem definidas, uma vez que para isso, os picos devem estar afastados da GMF em distâncias iguais. Também nota-se uma amplitude inferior ao do 1ºGMF, caracterizando um engrenamento mais suave. A vibração mais elevada está ocorrendo no acionamento do redutor. O motor acionador do também foi analisado. Pois não é incomum a frequência de vibração do engrenamento aparecer modulado nos outros mancais. Seguem nas Figuras 9 e 10 os espectros FFT coletados nos mancais do motor que apresentam a 1º frequência de engrenamento ( RPM): Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 11

12 Figura 9: Espectro FFT da 1º frequência de engrenamento no motor. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). Figura 10: Espectro FFT da 1º frequência de engrenamento no motor. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013). Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 12

13 O motor ao receber a vibração na frequência de engrenamento pode sofrer danos em seu funcionamento. Uma vez que essas frequências se manifestem em amplitude elevadas, elas podem gerar ressonância com outras frequências do motor elétrico. Não é o caso no equipamento, a 1ºGMF aparece no motor, porém não provoca vibrações elevadas, observa-se que as amplitudes de vibração de 0,2 g. A rotação do motor aparece com diferentes picos de amplitude nas Figuras 9 e 10. Esses espectros foram extraídos em dias diferentes, possivelmente alguns dias o motor tinha mais resistência para operar, ou pelo nível de fluido no tanque ser maior ou diferenças na mistura do fluído deixando ele mais ou menos denso. O software EDIAG tem a opção de marcar pontos indicando a amplitude de vibração para cada dia de coleta. Dessa forma, tem-se um histórico vibratório do equipamento. Na Figura 11 é apresentado o gráfico de tendência de um dos mancais do redutor: Figura 11: Gráfico de tendência de vibração. Fonte: Software EDIAG 2.2 (2013). Observa-se que a vibração é avaliada por duas faixas: Uma de vibração perigosa e que pode levar o equipamento ao colapso, e outra de vibração em estado de alerta que não significa estar em estado de falha, mas apresenta uma vibração indesejável. O equipamento varia entre a faixa de Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 13

14 vibração em alerta, o que significa que a análise das frequências de vibração devem se manter para se ter controle do funcionamento do equipamento e não permitir aumento nas vibrações. 4. Conclusões Foi possível analisar e avaliar os engrenamentos e assim conhecer o estado de funcionamento do equipamento. A interpretação dos espectros necessita cuidado para não avaliar como defeitos condições de trabalho mais bruscas. Entretanto, quando a máquina começa a operar de forma mais abrupta é o primeiro passo para aparecerem falhas. A análise das frequências de vibração acompanha o funcionamento do equipamento mostrando dados, em forma de espectros de frequência, em momentos onde a vibração começa a elevar. Desse ponto em diante, fica na responsabilidade dos técnicos e engenheiros de manutenção tomarem as devidas medidas para impedir maiores problemas. Por estarem sujeitas a impactos e variações de rotações dos eixos as engrenagens mostramse peças do redutor que necessitam de constante observação. E a análise das frequências de GMF se apresentam como técnica preditiva de manutenção confiável e que não necessita de parada de produção. Demais técnicas preditivas são utilizadas na indústria para as análises de engrenamento. Mas o espectro FFT permite a visualização do funcionamento de todas as partes rotativas do conjunto moto-redutor como: rolamentos, engrenagens e rotor do motor. E por isso apresenta confiabilidade para os responsáveis de manutenção. REFERÊNCIAS ALMEIDA, M. T.; GÓZ, R. D. Análise de Vibrações II Rolamentos e Engrenagens. Fundação de Pesquisa e Assessoramento à Indústria, FUPAI, ESPINOSA, F. N. Apostila de manutenção preditiva. Instituto Federal Fluminense. Campos dos Goytacazes, ESPINOSA, F. N. Estratégia de Manutenção Enfocada na Confiabilidade e Análise de Riscos. Dissertação de Mestrado em Engenharia de Produção Universidade Estadual Norte Fluminense, Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 14

15 MENEGATTI, W.B.; Duarte, M.A.V. Identificação de Falhas em Engrenagens de Câmbios. Anais do XV COBEM, Águas de Lindóia, PRODONOFF, V. Vibrações Mecânicas: Simulação e Análise. Rio de Janeiro: Maity, RAO, S. S. Vibrações Mecânicas, Pearson Prentice Hall, 4 ed.americana, ROCHA, D. L. Analise de vibrações em equipamentos rotativos de uma indústria alimentícia. Instituto Federal Fluminense, Campos dos Goytacazes, RODRIGUES, C. R.; GOMES, E. S.; DA SILVA, V. L. Procedimento para análise de vibrações utilizando coletor Movilog 2 e software EDIAG Instituto Federal Fluminense, Campos dos Goytacazes, Anais do XVII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 15