MONITORAÇÃO DE EQUIPAMENTOS VIA ANÁLISE DE SINAIS DE VIBRAÇÃO INTRODUÇÃO À MANUTENÇÃO PREDITIVA

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1 MONITORAÇÃO DE EQUIPAMENTOS VIA ANÁLISE DE SINAIS DE VIBRAÇÃO INTRODUÇÃO À MANUTENÇÃO PREDITIVA

2 MONITORAÇÃO DE EQUIPAMENTOS VIA ANÁLISE DE SINAIS OBJETIVOS Avaliação do Estado de Funcionamento. Identificação, Caracterização e Evolução de DEFEITOS Diagnóstico de FALHAS. Manutenção PREVENTIVA/PREDITIVA METODOLOGIA Técnicas Experimentais: Instrumentação e Medição de sinais Técnicas de Análise de Sinais. Técnicas de Modelagem e Simulação Analítica - Computacional Técnicas de Detecção, Classificação e Avaliação de Eventos.

3 MONITORAÇÃO DE EQUIPAMENTOS VIA ANÁLISE DE SINAIS VIBRAÇÕES de MÁQUINA ROTATIVA Posição de medição Amplitude de Vibração SENSOR Amplitudes em cada FREQUÊNCIA do espectro podem ser relacionadas com o estado de funcionamento de COMPONENTES ESPECÍFICOS

4 MONITORAÇÃO DE EQUIPAMENTOS VIA ANÁLISE DE SINAIS Máquinas Rotativas: NÍVEIS de VIBRAÇÃO VALOR GLOBAL RMS na banda de 10 Hz a 1kHz Segundo as normas ISO2372/3945 e VDI2056 GRUPOS DE MÁQUINAS K: Máquinas PEQUENAS até 15kW M: Máquinas MÉDIAS de 15 a 75 kw ou até 300kW se montadas em fundações especiais G: Máquinas GRANDES em fundações RÍGIDAS (f n > Ω) com mais de 75 kw db 20log V Vr A Norma VDI usa V r = 10-6 mm/s V / V r = db V RMS [mm/s] PROIBIDO PROIBIDO PROIBIDO TOLERADO TOLERADO TOLERADO REGULAR REGULAR REGULAR BOM BOM BOM Grupo K Grupo M Grupo G 2.5x 2.5x

5 VIBRAÇÕES DO EQUIPAMENTO INTERPRETAÇÃO DOS SINAIS DE VIBRAÇÃO Vibração medida em uma Máquina Rotativa com intervalo de 1 ano: Valor RMS GLOBAL: Inicial: 0.53 mm/s Após 1 ano: 0.54 mm/s AUMENTO: 1.02 vezes AMPLITUDE em 600 Hz: Inicial: 0.63 mm/s Após 1 ano: 2.46 mm/s AUMENTO: 3.91 vezes CONCLUSÃO O valor RMS GLOBAL não é sensível para DIAGNOSTICAR a grande variação de amplitude ocorrida em 600 Hz o ESPECTRO de frequências é FERRAMENTA mais adequada!

6 SISTEMAS de MEDIÇÃO de VIBRAÇÕES MOVIMENTO POSIÇÃO ou DESLOCAMENTO VELOCIDADE ACELERAÇÃO ABSOLUTO ou RELATIVO SENSORES ABSOLUTOS ou INERCIAIS SENSORES RELATIVOS ou DIFERENCIAIS TRANSLAÇÃO ou ROTAÇÃO ( xyz,, ) ( xyz,, ) ( xyz,, ) 2 [ m] [ m/ s] [ m/ s ] (,, ) (,, ) (,, ) x y z x y z x y z 2 [ rd] [ rd / s] [ rd / s ]

7 VIBRAÇÕES DO EQUIPAMENTO ESCOLHA DOS PONTOS DE MEDIÇÃO ENTRADAS n FT (FRI e FRF) 1 2 k SAÍDAS Excitações DESCONHECIDAS geradas pelos componentes da máquina Vibrações MEDIDAS pelos sensores instalados em POSIÇÕES específicas Cada ENTRADA é transferida para a SAÍDA por uma FRF específica (caminhos de propagação diferentes) saídas são AMPLIFICADAS ou ATENUADAS ENTRADA 1 FRF 15 SAÍDA 5 f 1 f 2 f 3 f 4 f f 1 f 2 f 3 f 4 f f 1 f 2 f 3 f 4 f SAÍDA 5 = FRF 15 x ENTRADA 1

8 SISTEMAS DE ENGENHARIA DETERMINAÇÃO DA FUNÇÃO RESPOSTA EM FREQUÊNCIA EXCITAÇÃO DE BANDA LARGA (MEDIDA) 1 FRF H j1 (f) 2 3 k SAÍDAS MEDIDAS G ( ) j1 f G 11 G j1 ( f) G ( ) 11 f H j1 ( f ) H21 H31 O PONTO de MEDIÇÃO mais ADEQUADO é o da FRF (H 21 ) com AMPLIFICAÇÃO na frequência RELACIONADA ao COMPONENTE monitorado Hk1

9 PROPRIEDADES DOS SINAIS DE VIBRAÇÃO CEPSTRUM DE POTÊNCIA O ESTIMADOR do CEPSTRUM de um sinal DISCRETO: É OBTIDA a partir do: 1. Cálculo da função densidade espectral G xx (f) 2. Cálculo do logaritmo de G xx LG = ln [G xx ] 3. Cálculo da Transformada INVERSA de Fourier de LG n 1 a G ( f) X ( f) X ( f) C ( ) ln G ( f) e d C ( ) xx * j2 f xx k k xx xx n a k 1 C xx é função COMPLEXA definida para 0 PERIODICIDADES NO ESPECTRO E TEMPOS DE ATRASO APLICAÇÃO: Análise de Defeitos em REDUTORES

10 PROPRIEDADES DOS SINAIS DE VIBRAÇÃO PROPRIEDADES DO CEPSTRUM Exemplo: Sinal Harmônico de 20 Hz, Exponencialmente Decrescente, com eco de ganho Ao = 0.2, localizado a partir de to = 0.25 segundos Ao to ESPECTRO: só identifica a frequência do sinal: 20 Hz. CEPSTRUM: identifica o TEMPO de ocorrência e o GANHO do eco.

11 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS FREQUÊNCIAS CARACTERÍSTICAS Banda de BAIXAS FREQUÊNCIAS (ALTA ENERGIA) TIPO DE FALHA FREQUÊNCIAS a. DESBALANCEAMENTO 1x Ω b. DESALINHAMENTO (1, 2, 3..)x Ω c. DEFLEXÃO DO EIXO (1, 2, 3..)x Ω d. MANCAIS HIDRODINÂMICOS ( )x Ω e. FOLGAS EM MANCAIS E ARTICULAÇÕES (0.5, 1.5, 2.5..)x Ω Ω é a rotação do eixo onde está localizado o DEFEITO a c b d e

12 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Banda de BAIXAS FREQUÊNCIAS (ALTA ENERGIA) DESBALANCEAMENTO: PONTOS de MEDIÇÃO MANCAIS F d e d 2 j t 1 2 FREQUÊNCIA = Ω AMPLITUDES : são proporcionais ao desbalanceamento Só desbalanceamento ESTÁTICO: DEFASAGEM Φ 12 = 0 Só desbalanceamento DINÂMICO: DEFASAGEM Φ 12 = 180

13 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Banda de BAIXAS FREQUÊNCIAS (ALTA ENERGIA) DESALINHAMENTO e DEFLEXÃO: PONTOS de MEDIÇÃO MANCAIS ou EIXO 1xΩ 2xΩ 3xΩ 0.5Ω Ω 1.5Ω 2.5Ω

14 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Banda de BAIXAS FREQUÊNCIAS (ALTA ENERGIA) ESTUDO de CASO: COMPRESSOR RADIAL: Ω = 160 Hz Esquema de UM dos mecanismos alternativos de um COMPRESSOR Frequências IDENTIFICADAS no ESPECTRO ANTES DO REPARO Com meio-harmônicos A RMS [m/s 2 ] Desalinhamento: 160, 320, 480 Hz... (1, 2, 3, 4, 5) x Ω (1, 2, 3, 4, 5) x 0.5Ω Folgas nos Mancais: 80, 240, 400 Hz f [Hz]

15 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Banda de BAIXAS FREQUÊNCIAS (ALTA ENERGIA) ESTUDO de CASO: COMPRESSOR RADIAL: Ω = 160 Hz APÓS REPARO Sem meio-harmônicos A RMS [m/s 2 ] f [Hz] CORREÇÃO do DESALINHAMENTO A RMS [m/s 2 ] f [Hz] ANTES APÓS CORREÇÃO das FOLGAS A RMS [m/s 2 ] f [Hz] ANTES APÓS

16 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS FREQUÊNCIAS CARACTERÍSTICAS Banda de MÉDIAS FREQUÊNCIAS (ALTA ENERGIA) TIPO DE FALHA - ENGENAGENS FREQUÊNCIAS DEFLEXÃO DOS DENTES (1, 2, 3..)x ZΩ DESGASTE DOS FLANCOS (1, 2, 3..)x ZΩ ERROS GEOMÉTRICOS (fantasmas) α(1, 2, 3..)x ZΩ TRINCAS, PITTING (LOCALIZADAS) MODULAÇÕES (Ω) Ω é a ROTAÇÃO do eixo onde está localizado o defeito Z é o NÚMERO DE DENTES da engrenagem f e = ZΩ é a FREQUÊNCIA de ENGRENAMENTO Ω 1 Z 1 Z Z f Z 2 Ω e

17 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS FREQUÊNCIAS CARACTERÍSTICAS Banda de MÉDIAS FREQUÊNCIAS (ENGRENAGENS) Deflexão devida à CARGA PERFIL IDEAL do DENTE PERFIL GASTO PERFIL IDEAL AMPLITUDE Sem desgaste Com desgaste fe 2fe 3fe OS AUMENTOS das AMPLITUDES nas frequências MÚLTIPLAS de fe são MAIS SIGNIFICATIVOS

18 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS FREQUÊNCIAS CARACTERÍSTICAS Banda de MÉDIAS FREQUÊNCIAS (ENGRENAGENS) PERFIL IDEAL do DENTE TRINCA Deflexão devida à CARGA TRINCA em um ÚNICO DENTE: Uma excitação IMPULSIVA a cada rotação da engrenagem é modulada com o sinal gerado pela deformação do dente BANDAS LATERAIS em torno de fe e seus MÚLTIPLOS espaçadas de Ω 1/Ω Ω fe 2fe 3fe

19 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS FREQUÊNCIAS CARACTERÍSTICAS Banda de MÉDIAS FREQUÊNCIAS (ENGRENAGENS) FALHAS em VÁRIOS DENTES EVOLUÇÃO DA FALHA 1/Ω Ω fe 2fe 3fe As AMPLITUDES das bandas laterais AUMENTAM e se destacam em torno da FREQUÊNCIA de ENGRENAMENTO e de seus MÚLTIPLOS.

20 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Banda de MÉDIAS FREQUÊNCIAS (ENGRENAGENS) Estudo de caso: REDUTOR com Z 1 = 40 dentes f 1 = Hz Engrenamento f e : 333, 666, 999, 1332 Hz... Desalinhamento do eixo f d : 8.325, 16.65, Hz... Modulações k*f e ±n * f d bandas laterais em torno de k*f e -db df = 1.25 Hz f [Hz] Frequências IDENTIFICADAS no espectro: f e e seus múltiplos: 333, 666, 999 e 1332 Hz Bandas LATERAIS em torno de f e e seus múltiplos: 308 e ± 25 Hz 641 e ± 25 Hz 974 e ± 25 Hz ESPECTRO CONCLUSÕES POSSÍVEIS: - Existe DESGASTE nos flancos dos dentes (amplitudes em k*f e ) -As MODULAÇÕES são MAIORES em torno de 3 * f e

21 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Banda de MÉDIAS FREQUÊNCIAS (ENGRENAGENS) Estudo de Caso: REDUTOR com Z 1 = 40 dentes f 1 = Hz Uso do CEPSTRUM para identificar as frequências de MODULAÇÃO 2 (25 Hz) (8.3 Hz) QUEFRENCIAS identificadas no CEPSTRUM: 1 40 ms f m3 = 1/0.04 = 25 Hz 120 ms f m1 = 1/.120 = 8.3 Hz q [ms] CEPSTRUM CONCLUSÃO ADICIONAL: - Existem modulações SIGNIFICATIVAS para 1 * f e e para 3 * f e

22 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Banda de MÉDIAS FREQUÊNCIAS (ENGRENAGENS) Estudo de Caso: REDUTOR com Z 1 = 40 dentes f 1 = Hz REPARO: TROCA da engrenagem e ALINHAMENTO ESPECTRO -db df = 1.25 Hz FANTASMA FANTASMA f [Hz] Freq. [Hz] ANTES APÓS CONCLUSÕES a partir do ESPECTRO - As AMPLITUDES nos múltiplos de fe foram REDUZIDAS (maiores efeitos em 2*f e, 3*f e e 4*f e ) - O DESALINHAMENTO foi corrigido : BANDAS laterais SUMIRAM. - Apareceram frequências FANTASMA: -25dB@ 420 Hz e -34dB@760 Hz há ERROS GEOMÉTRICOS na fabricação da nova engrenagem.

23 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Banda de MÉDIAS FREQUÊNCIAS (ENGRENAGENS) Estudo de caso: REDUTOR com Z 1 = 40 dentes f 1 = Hz REPARO: TROCA da engrenagem e ALINHAMENTO CEPSTRUM 2 AMPLITUDES no CEPSTRUM: Quefrencia ANTES APÓS 1 40 ms (25 Hz) 120 ms (8.3 Hz) 40 ms ms q [ms] 300 CONCLUSÕES a partir do CEPSTRUM As AMPLITUDES das bandas laterais foram REDUZIDAS (maior efeito em q = 40 ms (25 Hz) correção do DESALINHAMENTO

24 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Banda de MÉDIAS FREQUÊNCIAS (ENGRENAGENS) Estudo de caso: REDUTOR com Z 1 = 40 dentes f 1 = Hz 4 ANOS APÓS REPARO: ESPECTRO -db FANTASMA f [Hz] Freq. [Hz] APÓS correção APÓS 4 anos db CONCLUSÕES a partir do ESPECTRO As AMPLITUDES dos MÚLTIPLOS de fe voltaram a AUMENTAR desgaste As AMPLITUDES nas frequências FANTASMA foram REDUZIDAS acerto do perfil OBS: os harmônicos MAIS ALTOS são mais SENSÍVEIS à EVOLUÇÃO ou REDUÇÃO de FALHAS

25 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS FREQUÊNCIAS CARACTERÍSTICAS Banda de ALTAS FREQUÊNCIAS: ROLAMENTOS (BAIXA ENERGIA) PD β BD LOCAL da FALHA 1. PISTA EXTERNA 2. PISTA INTERNA 3. ESFERA / ROLO FREQUÊNCIAS n BD fex fr 1 cos( ) 2 PD n BD fin fr 1 cos( ) 2 PD fro 2 PD BD fr 1 cos( ) BD PD Estas frequências são determinadas considerando o rolamento com um mecanismo planetário SEM escorregamento entre os componentes. n - número de esferas/rolos. fr - velocidade angular relativa entre as pistas externa e interna β ângulo de contato

26 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Banda de ALTAS FREQUÊNCIAS: ROLAMENTOS (BAIXA ENERGIA) β BD CASO: PISTA EXTERNA PARADA fr = rotação da pista INTERNA CARGA ESTÁTICA VERTICAL 2 3 PD 1 EXCITAÇÃO DE UMA FALHA NA PISTA EXTERNA (1) 1/fex EXCITAÇÃO DE UMA FALHA NA PISTA INTERNA (2) 1/fr 1/fin t t Pulsos de MESMA AMPLITUDE se repetem com a frequência de passagem do rolo/esfera pela FALHA Pulsos se repetem com a frequência de passagem do rolo/esfera pela FALHA com AMPLITUDES MAIORES na zona de CARGA

27 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Banda de ALTAS FREQUÊNCIAS: ROLAMENTOS (BAIXA ENERGIA) A MEDIÇÃO da vibração é feita com um ACELERÔMETRO instalado no mancal, preferencialmente na direção da CARGA. As FALHAS localizadas no rolamento provocam IMPULSOS de BAIXA ENERGIA que são TRANSMITIDOS até o ponto de medição. O CAMINHO de PROPAGAÇÃO é caracterizado por uma Função de Transferência. Há maior AMPLIFICAÇÃO da vibração nas bandas de frequência em torno das ressonâncias mais elevadas. (khz) O acelerômetro mede vibrações devidas à falha SUPERPOSTAS às devidas a OUTRAS excitações.

28 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS FREQUÊNCIAS CARACTERÍSTICAS FALHA em ROLAMENTOS: DETECÇÃO DO ENVELOPE B Banda de interesse fo FILTRAR [fo + B/2, fo -B/2] FILTRAR [0, B/2] T T T a [m/s 2 ] t [s] a t [s] a ENVELOPE t [s]

29 DEFEITOS EM MÁQUINAS ROTATIVAS FREQUÊNCIAS CARACTERÍSTICAS FALHA em ROLAMENTOS: DETECÇÃO via ESPECTRO do ENVELOPE ESTUDO DE CASO: Defeito na pista INTERNA (móvel) fr = 12 Hz, BD/BP=1/6, n=10, β = 0 f ex = 50 Hz, f in = 72 Hz, f ro = 70 Hz 0.2 A [m/s 2 ] 72 Hz 144 Hz 12 Hz -As frequências: 72 Hz e seus múltiplos inteiros indicam que o defeito está na PISTA INTERNA Hz f [Hz] - A presença de Bandas Laterais espaçadas de 12 Hz indicam que ocorre MODULAÇÃO com fr. (frequência de rotação da pista interna do rolamento)

30 MANUTENÇÃO DE EQUIPAMENTOS MÉTODOS CORRETIVA ESPERA OCORRER A FALHA PARA EFETUAR A MANUTENÇÃO - Não há previsão de ocorrência da falha. (exemplo: pneu furado) - O tempo gasto na manutenção é elevado. - Exige grande estoque de peças de reposição. - Equipe de pessoal de manutenção sempre disponível. CUSTO E RISCO ELEVADOS

31 MANUTENÇÃO DE EQUIPAMENTOS MÉTODOS PREVENTIVA A MANUTENÇÃO É REALIZADA A INTERVALOS DE TEMPO DEFINIDOS (VEÍCULO AUTOMOTIVO) - Exige o conhecimento prévio da vida de cada componente. - Cada etapa da manutenção é feita para subgrupos de componentes - O componente é trocado mesmo que esteja em bom estado. - O tempo gasto em cada etapa da manutenção é reduzido. - O estoque de peças de reposição pode ser planejado. - Equipe de pessoal de manutenção é programada com antecedência. CUSTO ELEVADO RISCO REDUZIDO

32 MANUTENÇÃO DE EQUIPAMENTOS MÉTODOS PREDITIVA A MANUTENÇÃO É REALIZADA SOMENTE SE UM COMPONENTE INDICAR PROBABILIDADE DE FALHA - Exige o monitoramento do estado de cada componente. - Exige um banco de dados do funcionamento do equipamento. - Cada etapa da manutenção é programada a partir do monitoramento - O componente é trocado quando seu estado é deteriorado. - O tempo gasto em cada etapa da manutenção é reduzido. - O estoque de peças de reposição pode ser planejado. - Equipe de pessoal de manutenção é programada com antecedência. CUSTO FINAL REDUZIDO RISCO REDUZIDO

33 MANUTENÇÃO DE EQUIPAMENTOS PREDITIVA ETAPAS ESTATÍSTICA DE VIDA DOS COMPONENTES DE CADA MÁQUINA 1. DADOS DO FABRICANTE OU ENSAIOS/EXPERIÊNCIA ADQUIRIDA PELO USUÁRIO - NÍVEIS ACEITÁVEIS, DE ATENÇÃO E DE MANUTENÇÃO - INTERVALOS DE CONFIANÇA - CONDIÇÕES DE MEDIÇÃO: - GRANDEZA FÍSICA - PONTOS DE MEDIÇÃO - REGIME DE OPERAÇÃO DA MÁQUINA - FREQUÊNCIAS CARACTERÍSTICAS DA FALHA

34 MANUTENÇÃO DE EQUIPAMENTOS PREDITIVA ETAPAS 2. DEFINIÇÃO DOS INTERVALOS DE TEMPO DE MEDIÇÃO Nível MANUTENÇÃO DIAGNÓSTICO ATENÇÃO T 2T 3T 4T Td Tm tempo COMPONENTE 32 AUMENTO da VIBRAÇÃO AÇÃO 3 a 8 db Reduzir intervalos de medição 8 a 10 db Iniciar diagnóstico 20 db Fazer manutenção ( falha eminente)

35 MANUTENÇÃO DE EQUIPAMENTOS PREDITIVA ETAPAS 3. GERAÇÃO DO BANCO DE DADOS DA MÁQUINA - incluir os estados medidos - comparar com os padrões - criar formatos de saída 4. ESTABELECER ROTINA DE TOMADA DE DECISÃO - prever momento da parada para manutenção - selecionar componentes a serem substituídos - programar aquisição dos componentes - programar o procedimento de manutenção 5. EFETUAR A MANUTENÇÃO 6. VERIFICAR RESULTADO E INCLUÍ-LO NO BANCO DE DADOS

36 MANUTENÇÃO PREDITIVA ESTRATÉGIAS FLUXOGRAMA DE ATIVIDADES

37 MANUTENÇÃO PREDITIVA ESTRATÉGIAS BANCO DE DADOS - Para CADA MÁQUINA: organizar os pontos de medição associados à monitoração de cada defeito. - Para cada tipo de DEFEITO escolher a técnica de análise mais eficiente (espectro, cepstrum,...) para auxiliar a DETECÇÃO da FALHA. - Para cada tipo defeito escolher a BANDA de frequências que melhor caracteriza a sua evolução. O BANCO DE DADOS DEVE SER OTIMIZADO: SOMENTE AS INFORMAÇÕES RELEVANTES DEVEM SER ARMAZENADAS

38 MANUTENÇÃO PREDITIVA ESTRATÉGIAS CENTRO DE DECISÕES - Engenheiro especializado analisa os DADOS MEDIDOS e os compara com os PADRÕES da máquina. - Pode-se utilizar rotinas computacionais (redes neurais ou lógica Fuzzy) para auxiliar a Previsão de Falha. - Decidir quais componentes serão trocados apesar de desempenho aceitável, com base no tempo de parada da máquina e seu efeito na produção da indústria. (otimização da operação) - Gerar RELATÓRIOS e REQUISIÇÕES de MANUTENÇÃO. - Manter AVALIAÇÃO DE CUSTOS por máquina para poder definir sua vida útil global.

39 MANUTENÇÃO PREDITIVA CUSTOS e APLICAÇÕES 1. IMPLANTAÇÃO DA ESTRATÉGIA: (CUSTO INICIAL ELEVADO) - sistemas de medição - equipe de manutenção preditiva (medição, análise e decisão) - equipe técnica operacional da manutenção (própria ou terceirizada) - sistema de computação especializado (hardware e software) 2. APLICAÇÃO DA ESTRATÉGIA: (CUSTO MÉDIO BAIXO) - Treinamento contínuo da equipe de manutenção - Procedimentos operacionais para cada máquina incluída na estratégia - Avaliação do custo de inclusão de nova máquina 3. APLICAÇÃO VIÁVEL PARA: - EQUIPAMENTOS DE ALTO VALOR AGREGADO - EQUIPAMENTOS SENSÍVEIS PARA A PRODUÇÃO/SEGURANÇA - FAMÍLIAS DE EQUIPAMENTOS IDÊNTICOS