4.2.1 – Medições em Deslocamento
O deslocamento mede o quanto um determinado ponto do eixo se move quando este completa uma rotação. Ele é medido em micrômetros (µm). Tem como finalidade detectar problemas em baixa frequência (menores que 10Hz). É usado para monitorar o deslocamento físico do eixo (folga), comum em mancais de deslizamento de turbinas, geradores e compressores. Como é um parâmetro para vibrações de baixa frequência, ele não é estudado nesse trabalho. No acelerômetro ele é adquirido a partir da integração dupla do parâmetro de aceleração. Na figura 36, segue-se um ábaco de severidade de vibração para parâmetros em deslocamento em pico a pico.
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Figura 33: Ábaco de severidade em deslocamento em mils (milésimo de polegada). (Fonte: www.macallisterpowersystem.com)
4.2.2 -Medições de Velocidade de Vibração
Indica o quão rápido o corpo está se movendo. Tem como finalidade detectar problemas rotacionais do equipamento em baixa e média frequência (entre 10Hz e 1KHz), tais como: desbalanceamento, desalinhamento, problemas de falta de rigidez da base, pulsação de fluído, turbulência, folgas mecânicas, componentes
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alternativos, etc. A unidade no sistema internacional é metros por segundo (m/s), mas, normalmente é usada em mm/s. Tem como configuração básica realizar a medição de 10 Hz a 1.000 Hz (RMS) para avaliação segundo a norma ISO 10816. No acelerômetro ele é adquirido a partir da integral do parâmetro de aceleração.
Tabela 1: ISO 10816 para parâmetros em velocidade (Fonte: www.bibliotecadigital.ufmg.br)
4.2.3- Medições de Aceleração
É utilizada para detecção de falhas que ocorrem em alta frequência (acima de 1KHz) tais como: engrenamento, rolamentos, pulsação de fluídos em alta frequência. O estado de tais componentes é avaliado através de técnicas consagradas de análise de vibrações. A unidade de aceleração no sistema internacional é o metro ao quadrado por segundo (m/s²), convertido para a unidade da gravidade (g).
Na figura 34, segue um gráfico de severidade de vibração para todos os tipos de máquinas, englobando medições em aceleração, vibração e deslocamento.
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Figura 34: Gráfico de intensidade de vibração nos parâmetros de velocidade (pol/s - pico) e aceleração (G - pico). (Fonte:Apostila de análises de vibrações).
4.2.4 - Medições de Envelope de Aceleração (Demodulação)
É utilizada para identificar falhas mecânicas que geram choques, mesmo que de baixa energia. Aplicada em falhas em rolamentos, engrenamentos e alteração do componente elétrico da rede. Possibilita o aumento da confiabilidade dos espectros de velocidade de vibração e aceleração culminando em um melhor laudo técnico. A faixa de frequência para envelopes de aceleração varia entre 500Hz e 10 KHz.
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Os impactos dos elementos do rolamento geram baixas frequências. Esses componentes de baixa frequência propagam-se sem atenuação, mascarando o problema e dificultando o diagnóstico. Por isso a técnica de envelope (demodulação) é tão útil. Ela irá concentrar no espectro os componentes de baixa frequência em picos de ressonância da estrutura com suas amplitudes e faixa de frequências respectivas.
A técnica de envelope de aceleração, utilizada nesses tipos de defeitos, nada mais é que um processo eletrônico onde os sinais de defeitos de rolamentos e engrenamentos que aparecem com destaque em alta frequência são transferidos para uma faixa de baixa frequência onde podem ser vistos com maior nitidez. A frequência de defeito é então demodulada para que se tenha apenas o formato da onda em baixa frequência, e com isso, a informação original.
Frequência de ressonância (portadora) Frequência de defeito (moduladora)
Figura 35: Demonstração do funcionamento de um envelope nas frequências de impacto. (Fonte: apostila da SKF)
Se for medida a distância de um pico da onda para o outro, obtem-se então o período de tempo que a falha acontece. Quando o período é convertido para frequência, encontra-se a frequência exata do defeito que está causando os impactos. Por exemplo, se a falha é por defeito na pista interna de um dos rolamentos do mancal, quando se verifica a frequência causadora do defeito que está modulando a amplitude, encontra-se o BPFI, frequência de pista interna.
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Na avaliação de vibração de rolamento, as medidas de amplitude mais adequadas são as de pico (ou pico a pico) da aceleração das vibrações ou de seu envelope. Isso devido aos impactos gerados pelos defeitos dos rolamentos serem geralmente transitórios e de curta duração e apresentam valores de pico elevados e RMS reduzidos. O valor de RMS é uma média de vibração calculada ao longo do tempo, e não mostraria os impactos de curta duração.
4.2.5 - Medições em Onda no Tempo
Figura 36: Demonstração do domínio temporal (Fonte: www.wordpress.com.br)
Apesar do avanço dos procedimentos dos espectros FFT, o domínio temporal ainda é muita utilizado na prática. Esse parâmetro é muito bom para se diferenciar certos problemas onde apenas a análise espectrográfica não é capaz de encontrar. Por exemplo, problemas relacionados à excitação de frequências externas a frequência natural do equipamento, o que gera ressonância.
A forma de onda também fornece, de forma precisa, a frequência na qual o sistema está operando. Basta observar a diferença de tempo entre os picos de uma onda para a outra. Isso se torna útil pelo fato de alguns equipamentos rotativos operarem numa faixa de rotação diferente do que a normalmente usada. Dessa forma o analista de vibração não correrá o risco de analisar os gráficos de forma equivocada.
69 4.2.5.1 - Configurações de onda no tempo
Para fazer o estudo de sinais de onda no tempo, é necessário criar uma faixa de tempo que consiga pegar uma série de repetições de ondas nas frequências desejadas para o estudo.
Passando essas frequências para Hertz, elas são convertidas em período pela fórmula:
T= 1/f
Dessa forma se encontra o período de tempo em segundos onde se manifesta uma forma de onda relacionada a uma possível falha no equipamento.
Para se conseguir ver uma série de ondas, multiplica-se o valor de tempo da onda por 10, dessa forma será possível visualizar 10 repetições das ondas no tempo. Quando a frequência é muito pequena o tempo da onda fica muito grande. Nesses casos é preferível multiplicar o tempo por 3. Para que não se crie uma faixa de tempo muito grande, onde o equipamento demoraria muito na captura do sinal, o que deixaria a coleta de dados demorada.
Para cada equipamento foi escolhida a menor frequência, pois ela fornecerá o maior tempo para uma onda só. Dessa forma os outros tempos menores também seriam visualizados nesse parâmetro.
Para se configurar o tempo da onda no software EDIAG divide-se o número de pontos de sinal pela frequência de amostragem. O valor dessa divisão é o tempo máximo no sinal de onda. A frequência máxima desse sinal de onda, quando convertido para espectro de frequência é adquirido pela divisão inversa: frequência de amostragem pelos pontos de sinal de frequência.
70 4.2.5.2 – Exemplos:
Exemplo 1:
1.760 RPM = 29,3HZ 1/29,3Hz = 0,034s 0,034s x 10 = 0,34s
Nesse primeiro exemplo o 0,034s é o tempo que a falha leva para acontecer, logo na faixa de 10 vezes esse tempo serão visualizadas 10 ondas no tempo.
Exemplo 2:
3580 RPM = 59,7Hz 1/59,7Hz = 0,016s 0,016s x 10 = 0,16s
No segundo exemplo, a outra rotação gerou uma faixa de visualização menor que a primeira, porém como elas estão próximas pode se configurar no software uma única forma de onda que irá mostrar essas duas.
Configurando no software 2560Hz para a frequência de amostragem (Sampling
Frequency) e 1KHz como número de pontos de sinais (Number of signal points)
encontra-se uma faixa de tempo que será o resultado da divisão da segunda pela primeira.
1000Hz/2560Hz = 0,39s
Essa faixa é grande o suficiente para captar ondas no tempo dos dois exemplos anteriores. O sinal de onda no tempo que se manifestar mais crítico dentro da faixa criada, será a frequência que estará gerando o problema.
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4.3 – Alarmes
Todos os equipamentos operando produzem vibrações. A vibração da máquina em si não é um problema. O aumento do nível dessas vibrações que representam um problema. Por isso existem variados métodos para o controle da severidade dessas vibrações. Um deles é o acompanhamento dos valores globais de vibração e sua tendência ao longo do tempo.
O valor global de vibração de um equipamento é o valor numérico da vibração conjunta de todos os componentes do equipamento. Ele pode ser medido em aceleração, velocidade e deslocamento. Esses valores são adquiridos das partes não rotativas da máquina (mancais) que contenham múltiplas fontes de vibração e são comparados com tabelas de normas internacionais para vibração, como por exemplo ABNT e a ISO, mostradas anteriormente nas figuras 36 e 37 e tabela 1. A partir da comparação se tem uma ideia de como está a vibração da máquina em relação a qual seria o ideal para esta operar.
O software EDIAG, assim como a maioria dos softwares de monitoramento de manutenção, disponibilizam configurações de alarme, onde é possível estabelecer os valores para os alarmes. Existem dois tipos de alarmes: A1 - alarme para vibrações indesejáveis(alerta) e A2 – alarme para vibrações inaceitáveis(perigo/danger).
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O A1 é caracterizado pela cor amarela e é disparado quando a vibração global se eleva à uma faixa incômoda de vibração, é a faixa de alerta. Nessa faixa, não há a necessidade de paralisação imediata do equipamento para a manutenção. É possível deixar o equipamento operando com um acompanhamento de perto da sua tendência de vibração. Acompanhando a tendência ao longo do tempo, ela pode abaixar e voltar para os parâmetros normais, se manter em A1 (caso se mantenha a sua manutenção deve ser adiada) ou piorar e chegar à faixa do A2.
O A2 é caracterizado pela cor vermelha e é disparado quando a vibração global se eleva a uma faixa perigosa de operação do equipamento. Nessa faixa, o mais apropriado é a paralisação do equipamento para a manutenção. Porém, dependendo do histórico do equipamento, de ele não ser um equipamento crítico para a empresa e o custo de sua manutenção, é tolerável a operação deste em um limite de tempo para averiguar se a sua tendência seguirá crítica ou irá abaixar para os parâmetros de A1 e da vibração normal. Se continuar crítica, deve parar o funcionamento deste para a manutenção imediata. Abaixo segue um imagem de como são apresentados esses dois valores de alarmes com a variação da tendência global em um mancal de um equipamento. Em algumas ocasiões a vibração segue estável, abaixo dos alarmes; em outra segue entre os alarmes; e em outra segue elevada, acima dos dois alarmes.
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Nesse trabalho, foram analisados valores de vibração global em velocidade, onde o A1 era 3mm/s² e o A2 6mm/² e em aceleração global, onde o A1 foi 2g e o A2 4g. Não foi analisado um valor global em deslocamento, pois são parâmetros de vibração muito baixos, incompatíveis com as vibrações dos equipamentos industriais analisados. Os valores dos alarmes escolhidos são estipulados a partir das tabelas anteriores, com as suas respectivas massas.
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Capítulo V
5. Estudo de Caso
Para demonstrar o emprego da análise de vibração na detecção de falhas foram realizadas coletas periódicas de vibração em equipamentos industriais de uma importante fábrica da região.
As medições periódicas realizadas visam acompanhar a condição de funcionamento das máquinas, com base na intensidade das vibrações geradas pelo seu funcionamento, identificar e fornecer os diagnósticos e as recomendações para correção das máquinas que ultrapassaram os limites de alarme e de falha.
Para cada um dos possíveis defeitos citados no capítulo 3, é necessário estabelecer a faixa de frequência em que esses problemas poderiam aparecer. Para isso é necessário conhecer diversas características das máquinas que serão feitas as coletas: rotação, tipo de rolamentos, número de dentes de engrenagens e outros. Para cada um desses problemas é feito um cálculo específico para se saber a frequência em que eles se manifestariam e assim, facilitando a sua identificação. Nesse capítulo, essas características serão apresentadas, assim como o equipamento coletor de vibrações, e os seus dispositivos utilizados.