Dados reais de rolamentos: teste bancada de final de vida da NASA/IMS

A fim de aplicar os resultados da metodologia proposta nessa tese, foram utilizados dados reais de rolamentos instalados em bancada de testes. A razão para a utilização destes dados surge, justamente, da necessidade de se isolar as falhas dos rolamentos que, na prática, se desenvolvem

de maneira bastante complexa e este fato se intensifica ainda mais em um ambiente real onde além da presença de ruído no sinal, ocorrem interferências mecânicas e eletromagnéticas com os componentes no entorno das máquinas rotativas, como no caso das turbinas eólicas.

Os dados ora utilizados foram obtidos do Prognostics Center of Excellence of Nasa7 (QIU et al., 2006) que, para os testes de vibração de rolamentos, ficou sob a responsabilidade da Universidade de Cincinatti (EUA). Esse banco de dados representa um teste de vida útil completa dos rolamentos, que quando instalados na bancada nunca tinham sido utilizados anteriormente e, depois de carregados mecanicamente, foram testados até que um dos rolamentos viesse a falhar completamente.

A Figura 35 apresenta a configuração da bancada de testes da NASA/Cincinatti. Em cada teste foram utilizados 4 rolamentos montados em um mesmo eixo. Dois desses rolamentos, rolamentos 2 e 3, conforme apresentado na Figura 35 (a), foram carregados mecanicamente com uma carga radial de aproximadamente 27 kN (6.000 lbf) e o eixo, que gira a uma velocidade constante de 2.000 rpm, foi conectado a um motor elétrico através de correias e polias. Na Figura 35 (b) também é possível verificar os acelerômetros montados nos rolamentos nas direções radial horizontal e vertical.

Figura 35 – Configuração da bancada de testes da NASA/Cincinatti.

Fonte: (QIU et al., 2006).

Os rolamentos utilizados no teste foram do fabricante Rexnord, modelo ZA-2115. Uma foto do rolamento é apresentada na Figura 36 e as características mecânicas do mesmo, assim como suas frequências de falhas são apresentadas na Tabela 5.

7_{https://ti.arc.nasa.gov/tech/dash/groups/pcoe/prognostic-data-repository/. Acessado em 22 de janeiro} de 2018.

Figura 36 – Rolamento Rexnord ZA-2115.

Fonte: Catálogo do fabricante Rexnord, disponível em https://www.rexnord.com/Product/ZA2115 (acessado em 04/02/2018).

Tabela 5 – Dimensões geométricas e frequências características do rolamento Rexnord ZA-2115.

Fonte: Adaptado do catálogo do fabricante Rexnord, disponível em https://www.rexnord.com/Product/ZA2115 (acessado em 04/02/2018).

Os acelerômetros utilizados para medir a vibração dos rolamentos são do fabricante PCB, modelo 353B33. Uma foto do acelerômetro é apresentada na Figura 37 e suas características técnicas são apresentadas na Tabela 6.

Parâmetro Valor

Diâmetro (in) 0,408

Número de elementos rolantes 17 Dâmetro de giro (in) 2,796 Ângulo de contato (graus) 0,26

BSF (Hz)/RPM 0,05597

FTF (Hz)/RPM 0,00716

BPFI (Hz)/RPM 0,16164

Figura 37 – Acelerômetro PCB 355B33.

Fonte: Catálogo do fabricante PCB, disponível em http://www.pcb.com/Products/model/353B33 (acessado em 04/02/2018).

Tabela 6 – Características técnicas do acelerômetro PCB 353B33.

Fonte: Catálogo do fabricante PCB, disponível em http://www.pcb.com/Products/model/353B33 (acessado em 04/02/2018).

Dos três bancos de dados presentes no repositório, no presente trabalho, foram utilizados os bancos de dados 1 e banco de dados 2, cada um contendo 2.156 e 984 séries temporais respectivamente. Os dados foram registrados a cada 10 minutos (exceto nos 43 primeiros registros do banco de dados 1, quando foram registrados a cada 5 minutos) com uma frequência de amostragem de 20 kHz e cada série temporal contém o sinal de vibração dos rolamentos registrados por um período de 1,024 s. Dessa forma, cada medição contém um total de 20.480 pontos. No banco de dados 1 foram instalados 2 acelerômetros em cada rolamento, um na direção horizontal e outro na direção radial vertical. Já no banco de dados 2 foram utilizados apenas um acelerômetro na direção radial vertical.

De acordo com as informações fornecidas pela NASA/IMS, todos os rolamentos que apresentaram falha, obtiveram mais de 100 milhões de revoluções o que excedeu a vida projetada para o rolamento Rexnord ZA-2115. No banco de dados 1 o rolamento 3 apresentou falha na pista interna e o rolamento 4 apresentou falha nos elementos rolantes. No banco de

Parâmetro Valor

Sensitividade (±5%) 100 mV/g

Faixa de medição ± 50 g pk

Faixa de frequência (±10%) 0,7 a 6.500 Hz Frequência de ressonânica 22 kHz

dados 2 o rolamento 1 apresentou falha na pista externa no final do experimento. A Tabela 7 apresenta uma visão geral dos bancos de dados 1 e 2 utilizados nesta tese.

Tabela 7 – Visão geral dos bancos de dados 1 e 2.

Banco de dados Número de acelerômetros Número de séries temporais Tempo de execução do teste Falha apresentada

1 8 2.156 356 horas Rolamento 3: pista interna

Rolamento 4: elementos rolantes

2 4 984 166 horas Rolamento 1: pista externa

Fonte: O próprio autor adaptado de Qiu et al. (2006).

A fim de permitir uma primeira análise dos dados reais dos rolamentos dos bancos de dados da Nasa/IMS, a Figura 38 apresenta uma caracterização de cada conjunto de séries temporais para cada banco de dados através da plotagem dos valores máximo e mínimo para cada série temporal. A amplitude é plotada em função da vida do rolamento, com 0% correspondendo ao início do teste e 100% correspondendo ao final do teste quando a quebra completa interrompe o teste. É possível verificar na Figura 38 (a), quando de um defeito na pista interna, que no final do teste há um aumento substancial da amplitude por volta dos 83%, mas esse valor fica bastante instável no final do teste. Um comportamento diferente ocorre quando do defeito nos elementos rolantes, conforme Figura 38 (b), por volta dos 78% quando há um aumento repentino da amplitude e após os 83% há uma acomodação e esse valor não volta a subir, nem no final do teste. Já na Figura 38 (c) quando do defeito na pista externa o valor da amplitude máxima e mínima permanece estável durante todo o teste e apenas um aumento e acomodação da amplitude podem ser verificadas no final do teste, bem próximo a falha total do componente.

Fica claro pela análise da Figura 38 que apenas uma análise da amplitude ao longo do tempo, não é suficiente para identificar a evolução do status operacional de um rolamento. É preciso haver uma correlação com as frequências e também com a dinâmica das séries temporais através de ferramentas como as baseadas nos quantificadores da teoria da informação, que são propostas nesse trabalho.

Figura 38 – Caracterização das séries temporais dos dados da NASA/IMS através da plotagem dos valores máximos e mínimos para todos os rolamentos que apresentaram defeitos nos bancos de dados 1 e 2. Na figura (a) ocorreu uma falha na pista interna, na figura (b) ocorreu uma falha nos elementos rolantes e na figura (c) ocorreu uma falha na pista externa.

Fonte: O próprio autor (a)

(b)