22 º CONGRESSO NACIONAL DE TRANSPORTE AQUAVIÁRIO, CONSTRUÇÃO NAVAL E OFFSHORE - SOBENA 2008 AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DE SINAIS DE VIBRAÇÃO EM MODELOS REDUZIDOS DE ROTORES NA CAPACITAÇÃO PARA DIAGNÓSTICO DE PROBLEMAS EM MÁQUINAS NAVAIS E OFFSHORE Nathalie Marquesin de Oliveira Eng.Naval&Oceânica/UFRJ nathalie@peno.coppe.ufrj.br Osvaldo Pinheiro de Souza e Silva OSM, Prof.CIAGA ospisosa@ig.com.br Frederico Novaes, M.Sc. COPPE/UFRJ frederico@peno.coppe.ufrj.br Ulisses Admar Barbosa Vicente Monteiro, M.Sc. COPPE/UFRJ ulisses@peno.coppe.ufrj.br Luiz Antonio Vaz Pinto, D.Sc. Escola Politécnica/UFRJ vaz@peno.coppe.ufrj.br Severino Fonseca da Silva Neto, D.Sc. EP&COPPE/UFRJ severino@ufrj.br MOTIVAÇÃO Um motor é, em última análise, uma massa desbalanceada. Massas desbalanceadas geram vibração e ruído que são responsáveis pela deterioração de equipamentos e da qualidade de vida das pessoas que precisam trabalhar nesses ambientes. Por ser uma fonte de problemas, ao longo dos anos foram sendo criadas e aperfeiçoadas técnicas de manutenção desses equipamentos geradores de vibração e ruído, bem como métodos para diminuir ou mascarar esses dois grandes vilões como calços e revestimentos acústicos. No passado, quando a presença de trabalho humano nas linhas industriais era ostensiva e praticamente cada máquina tinha um operador, havia uma vivência e conhecimentos acumulados sobre o funcionamento da máquina por parte desse operador. Dessa forma, apenas pela mudança no ruído emitido o operador sabia que alguma coisa estava funcionando como deveria. Com a introdução da automação e o afastamento da presença humana dos ambientes industriais, o responsável pela supervisão das máquinas, isolado em uma sala de comando, tem mais dificuldade em identificar os problemas comuns que surgem em cada máquina, e fica dependente do diagnóstico de sistemas remotos de monitoração. Faz-se então necessária a capacitação desses profissionais para que eles entendam os diagnósticos fornecidos sobre esses equipamentos. O recurso didático de uma máquina semelhante às usuais, capaz de simular os defeitos mais comuns é, portanto, proveitoso para o aprendizado, uma vez que o aluno passa a vivenciar o problema num laboratório antes de enfrentá-lo em seu ambiente de trabalho tendo apenas as informações contidas num livro ou manual. CONSEQÜÊNCIAS DA VIBRAÇÃO NUMA INSTALAÇÃO NAVAL Quanto mais evolui a tecnologia numa instalação naval, acarretando, conseqüentemente, maior e melhor produtividade dentro de uma também maior e melhor segurança, mais se acentua o efeito colateral dessa evolução: a vibração. Esta, uma realidade em qualquer planta de produção industrial, torna-se mais relevante, e mesmo sensível, numa instalação naval, pela peculiaridade dessa instalação ser montada sobre uma única viga rígida, onde as freqüências geradas pelo funcionamento de vários tipos de maquinário interagirão, acarretando, normalmente, na resultante de uma vibração ainda mais danosa à instalação num todo. Portanto, combater a grande vibração inicia-se pelo combate as pequenas vibrações de cada componente operacional da instalação. Como exemplos práticos dos efeitos nocivos da vibração a bordo de uma instalação naval, podemos ressaltar: - Afrouxamento da fixação do MCP, motor de combustão principal responsável pelo
deslocamento da embarcação, ao seu jazente, base da condição estrutural da instalação, implicando numa mobilidade indesejada no bloco do motor, avariando sua linha de mancais fixos, sustentação do seu eixo de manivelas, e de mancais móveis, sustentação das conectoras ao eixo de manivelas, pelo excessivo desgaste provocado pelo desalinhamento em função da movimentação indesejada do bloco do motor. Tal nível de avaria pode, num caso mais grave, provocar a paralisação da embarcação. - Afrouxamento da fixação da máquina-doleme, acarretando num mau governo da embarcação, como ainda no acelerado consumo dos anéis de vedação dos cilindros hidráulicos de acionamento provocando a perda deste fluido de ação. - Desgaste acelerado dos acoplamentos flexíveis dos conjuntos bomba/motor elétrico, tornando a operação desses equipamentos insegura, pela eventual ruptura do elemento elástico já comprometido. - Afrouxamento de conexões elétricas em quadros principais de distribuição, painéis de comando local e mesmo em ligações de motores elétricos, acarretando em sobreaquecimento que, quando não verificados e ajustados a tempo, levam a queima da conexão paralisando o equipamento, além de expor toda a instalação a um incêndio. - Mau funcionamento dos sistemas de automação, principalmente dos que se utilizam de sensores analíticos, pela variação da informação, induzida nestes pela freqüência vibratória, comprometendo o funcionamento dos equipamentos geridos por essa automação. - Perda, principalmente, de fluidos gasosos, ar comprimido, gases de trabalho e gases de descarga, por trincas nos seus respectivos dutos de transporte, ocasionando o mau funcionamento dos sistemas dependentes de tais fluidos como, em alguns casos, provocando poluição tóxica ao ambiente da instalação. Além dos exemplos citados, dentre vários outros de também ressaltada importância, estudos mais recentes comprovam ser a vibração o elemento de maior dano ao fator humano da instalação, ao ser a causa, conforme atuais constatações, de vários distúrbios, físicos e comportamentais, que comprometem a saúde do técnico embarcado. Portanto, conhecer, para conseqüentemente combater, os malefícios da vibração é hoje uma considerável busca ao avanço tecnológico da instalação naval. AMBIENTE LABVIEW E PROGRAMA DE ANÁLISE Por não ser uma linguagem de propósito geral, o LabView é uma linguagem de programação extremamente prática para a criação de softwares de aquisição, análise e tratamento de sinais. Seus blocos prontos e editáveis minimizam o esforço do engenheiro ou cientista que deles se utilizam para a criação de seus programas. Além disso, a linguagem gráfica reduz drasticamente a necessidade de se programar usando linhas de código em texto. A parte lógica é construída ao mesmo tempo que a interface do programa tornando o processo todo muito dinâmico, fazendo com que até mesmo um programador ocasional não precise abrir textos de referência no meio de seu trabalho para descobrir como realizar esta ou aquela tarefa. Além disso, é extremamente amigável com os diversos aparelhos de medição e com os mais variados sistemas operacionais disponíveis, possuindo um compilador próprio que gera códigos satisfatoriamente velozes. Para o presente trabalho, foram elaborados dois programas no ambiente Labview, um deles para aquisição dos sinais e outro para a posterior visualização dos arquivos gerados. O parâmetro utilizado para as medições foi a aceleração e as medidas foram tomadas por seis acelerômetros instalados nas carcaças dos dois mancais do equipamento. As informações lidas no domínio do tempo são transferidas para o domínio da freqüência no programa de aquisição através da Transformada Rápida de Fourier. TIPOS DE MONITORAÇÃO E ANÁLISE ESPECTRAL Existem diversas maneiras de se identificar o mau-funcionamento de uma máquina. Podemos verificar um problema através de inspeção visual, observando, por exemplo, vazamentos ou componentes frouxos. Uma análise do desempenho da máquina também é útil para o objetivo: se a vazão ou a
temperatura ou a pressão não estão nas faixas esperadas reconhecemos imediatamente que algum componente não está trabalhando como deveria. A técnica de Análise do Óleo de Lubrificação faz uma avaliação físico-química dos óleos usados nas máquinas e determina a deterioração do mesmo devido a contaminantes, como, por exemplo, partículas metálicas sólidas. Existe também o método da Monitoração da Vibração que é dividido em: Acompanhamento do Valor Global O mais antigo dos acompanhamentos de vibração. Nele são medidos valores de vibração em pontos pré-determinados da máquina que são comparados com valores de uma máquina nova. A elevação nos níveis de vibração indica que algo está errado, mas não identifica o quê. Uma falha nesse sistema é que alguns defeitos relevantes não apresentam um acréscimo significativo nos níveis totais de vibração. MÁQUINAS ROTATIVAS USANDO O ROTOR-KIT Desbalanceamento Numa máquina rotativa, quando o centro de giração não coincide com o centro de gravidade ocorre o desbalanceamento que produz uma vibração característica. Ela se manifesta na freqüência de rotação da máquina produzindo um sinal de onda senoidal. No espectro de vibração da máquina encotramos uma elevaçao na primeira ordem, que caracteriza o desbalanceamento. Introduzimos este desbalanceamento instalando uma massa no volante do rotor do rotor-kit apresentado na foto a seguir. Acompanhamento de Freqüências Significativas Aqui são medidos além dos valores globais da vibração, os níveis de freqüência específicos onde problemas são esperados. Análise por Assinatura de Vibração São verificados todas as componentes de freqüência em cada ponto escolhido. A representação visual dos dados medidos é um gráfico de freqüência x amplitude. Ao comparar o espectro de vibração obtido com o de referência identifica-se não apenas que há um problema bem como tem-se uma idéia bastante razoável de onde é o problema antes mesmo de abrir a máquina. Por suas vantagens ela foi escolhida para o curso de capacitação. Figura 2 Rotor-kit utilizado nas simulações de defeitos Ao compararmos o espectro de assinatura da máquina com o espectro obtido depois da instalação da massa no volante vemos que a amplitude da primeira ordem do espectro sobe de 2,1 mm/s para 120,4 mm/s indicando um problema de desbalanceamento. Técnicas de Manutenção Preditiva Monitoração da Vibração Análise de Óleo Análise de Desempenho Inspeção Visual Acompanhamento do Valor Global Acompanhamento de Freqüências Significativas Análise por Assinatura de Vibração Figura 3 Assinatura da Máquina Acoplamento Rígido Figura 1 Técnicas de Manutenção Preditiva SIMULAÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DE ALGUNS PROBLEMAS MAIS COMUNS RESPONSÁVEIS PELA VIBRAÇÃO EM
O problema de desalinhamento nem sempre é detectado por análise de vibração. Considerando por exemplo o caso de eixos desalinhados unidos por um acoplamento flexível que anula completamente as forças que seriam transmitidas ao rotor e mancais em forma de pré-carga. Neste caso não haverá vibração e por isso o diagnóstico de desalinhamento não poderá ser feito. Figura 4 Espectro Desbalanceamento Acoplamento Rígido Balanceamento no Mesmo Plano Com a instalação do parafuso e porca, o centro de gravidade do volante está deslocado do centro geométrico do disco provocando vibração, como vimos. Essas forças de vibração que são transferidas para os mancais onde estão localizados os acelerômetros podem ser anuladas pela fixação de uma outra massa numa posição que leve o centro de gravidade a coincidir novamente com o centro geométrico do disco. Esta experiência é feita instalando-se outro conjunto semelhante de parafuso e porca na extremidade oposta do volante. O resultado obtido é um espectro de vibração muito semelhante ao espectro de assinatura. A amplitude da primeira ordem passa então a ser de 3,44mm/s. No experimento, com a montagem do Rotor-Kit com o acoplamento rígido, o mancal do lado não acoplado foi desalinhado. Obtivemos o resultado esperado, da elevação da segunda ordem do espectro. Figura 6 Espectro de Vibração Desalinhamento Ressonância Quando a velocidade de trabalho entra em ressonância com uma freqüência natural da máquina os problemas gerados por outras fontes são amplificados. A característica da freqüência de ressonância é o crescimento acelerado junto com a rotação. Isto pode ser visto mais claramente num gráfico de espectro em cascata, onde são plotados os diversos espectros das várias velocidades de rotação. A experiência consiste num teste de partida da máquina até uma determinada velocidade. A seguir vemos este teste repetido para três tipos diferentes de acoplamentos. Figura 5 Volante Balanceado adição de massa Desalinhamento O desalinhamento pode ocorrer entre acoplamentos e entre mancais. Existem dois tipos de desalinhamento, o angular, que provoca vibrações axiais com a mesma freqüência de rotação do eixo (elevação da primeira ordem) e o paralelo, que produz vibrações radiais no dobro da freqüência da rotação do motor (elevação da segunda ordem). Figura 7 Teste de Partida com Acoplamento de Engrenagem
Figura 8 Teste de Partida -Acoplamento Flexível equipamentos mecânicos. Entretanto, é fundamental que a equipe de operação dos sistemas de máquinas navais e offshore estejam capacitados na interpretação dos sinais de vibração e diagnóstico das possíveis causas das falhas mecânicas indicadas pelos sistemas especialistas. Nesse sentido, a utilização de modelos reduzidos de rotores (rotor-kit) tem auxiliado a simulação de defeitos, possibilitando a capacitação da equipe na aquisição de sinais através de acelerômetros instalados em mancais e conectados a coletores de sinais para posterior processamento ou sistemas em tempo real (on-line). O trabalho apresentou uma série de defeitos simulados em rotor-kit, acompanhada por medições de vibração em mancais, permitindo a análise de seus espectros e outras técnicas como diagramas em cascata para identificação de condições de ressonância do sistema, e facilitando a capacitação de equipes de operação no diagnóstico de problemas de vibração em máquinas navais e offshore. Figura 9 Teste de Partida com Acoplamento Emborrachado CONSIDERAÇÕES FINAIS A manutenção preditiva baseada na análise de vibrações constitui a principal técnica usada para a maioria dos programas de gerência de manutenção, considerando que a maioria das fábricas e processos produtivos baseia-se em equipamentos mecânicos. Desta forma, a análise de vibração tem ganhado importância no campo industrial como uma valiosa ferramenta para êxito de programas de gerenciamento de manutenção. Os principais responsáveis pela vibração em equipamentos são desbalanceamento, desalinhamento e falha em mancais rolamentos. A mitigação desses tipos de falhas é um elemento chave para o êxito de um programa de manutenção. A maior ênfase do segmento de análise de vibração concentra-se nos equipamentos rotativos, para os quais tanto a metodologia de análise quanto a instrumentação e aparelhagem, além de softwares de apoio e sistemas especialistas, se encontram num estado bastante avançado. As técnicas clássicas empregadas na análise de vibração têm apresentado grande êxito no monitoramento e identificação de falhas em BIBLIOGRAFIA [1] LOPES, T. A. P.; TACQUES, R. R.; TROYMAN, A. C. R.; SILVA NETO, S. F.; NOVAES, S. F.; NOVAES, F. (SET-1985) - Failure Identification and Prevention in Rotating Equipment by Vibration Measurement - Proceedings of the 5 th International Symposium of Offshore Engineering, pp. 817-832. RJ. [2] DOMENICO, C.; SILVA NETO, S. F.; ALBRECHT, C. H. (OUT/97) - Sistema para Estimativa de Assinatura Acústica, Gerenciamento e Tratamento de Dados de Ruído e Vibração de Navios e Submarinos REVISTA MARÍTIMA BRASILEIRA Suplemento Especial: PESQUISA NAVAL Número 10 Capítulo XV - págs. 199-206. [3] LOPES, T. A. P.; TROYMAN, A. C. R.; SILVA NETO, S. F.; ADEJORO, S. T. (SET/2002) AD4: A System for Intelligent On-Line Condition Supervising COMADEM 2002 Conditioning, Monitoring and Diagnostic Engineering Management U.K. [4] LEGUE, H. J. L.; LOPES, T. A. P.; SILVA NETO, S. F. (OUT-1990) - Modelação e
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