CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MANUTENÇÃO INDUSTRIAL
ANÁLISE DE VIBRAÇÕES EM EQUIPAMENTOS ROTATIVOS DE
UMA INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA
DIEGO LILARGEM ROCHA
2 DIEGO LILARGEM ROCHA
ANÁLISE DE VIBRAÇÕES EM EQUIPAMENTOS ROTATIVOS DE
UMA INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA
Monografia apresentada ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense como requisito parcial para a conclusão do Curso Superior de Tecnologia em Manutenção Industrial.
Orientador: Prof. Flávio Nassur Espinosa
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Este trabalho, nos termos da legislação que resguarda os direitos autorais, é considerado propriedade institucional.
É permitida a transcrição parcial de trechos do trabalho ou menção ao mesmo para comentários e citações desde que não tenha finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
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Monografia intitulada ANÁLISE DE VIBRAÇÕES EM EQUIPAMENTOS
ROTATIVOS DE UMA INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA elaborada por Diego Lilargem
Rocha e apresentada publicamente perante a Banca Avaliadora, como parte dos requisitos para conclusão do Curso Superior de Tecnologia em Manutenção Industrial do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense.
Aprovada em 09/09/14 Banca Avaliadora:
Prof. Flávio Nassur Espinosa. (M.sc.) IFF/ Manutenção Industrial.
(Orientador)
Prof. Leonardo Peixoto de Oliveira. (M.sc.) IFF/ Engenharia de Controle e Automação.
5 AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço a Deus por tudo que tenho em minha vida. Ele é o principal responsável por podermos conhecer, entender e estudar os segredos do universo.
Ao professor Flávio Nassur Espinosa, meu orientador, por toda a dedicação e conhecimentos fornecidos para a minha pesquisa, pelos valiosos conselhos e pelas cuidadosas revisões.
Aos funcionários da Purac Sínteses: Fábio Alcântara, engenheiro de manutenção e Felipe Almeida, técnico de manutenção industrial que facilitaram o acesso para a execução do trabalho.
Aos meus pais e amigos, que sempre me incentivaram nos momentos mais difíceis da minha vida.
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Se queres compreender o universo pense em termos de energia, frequência e vibração.
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Resumo
Esse trabalho busca avaliar as vibrações que frequentemente ocorrem em alguns equipamentos típicos da indústria. Para tanto foi usado um coletor de vibrações e seu software de análises para interpretação de dados. Os espectros e formas de onda coletados serviram de base para diagnosticar defeitos nos equipamentos, e pela análise da tendência estimar quando as falhas iriam ocorrer, e dessa forma, intervir neles antes que as falhas se concretizassem. No estudo foi realizado uma série de coletas de vibrações em uma empresa da região, totalizando 10 coletas. Também faz parte do trabalho uma breve revisão bibliográfica, montagem adequada de uma configuração para cada medição executada através do conhecimento dos componentes dos equipamentos e demonstração dos gráficos de tendência de cada um dos equipamentos avaliados.
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Abstract
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SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS...13
LISTA DE TABELAS...19
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS...20
CAPÍTULO 1-APRESENTAÇÃO...21 1.1- INTRODUÇÃO...21 1.2 - OBJETIVO...23 1.3 - JUSTIFICATIVA...23 1.4 - ESTRUTURA DO TRABALHO...23 1.5 - METODOLOGIA...24 CAPÍTULO 2 -MANUTENÇÃO...26 2.1 - INTRODUÇÃO...26 2.2 - TIPOS DE MANUTENÇÃO...26 2.2.1 - MANUTENÇÃO CORRETIVA...26 2.2.2 - MANUTENÇÃO PREVENTIVA...27 2.2.3 - MANUTENÇÃO PREDITIVA...28 2.2.4 - MANUTENÇÃO DETECTIVA...28 2.2.5 - ENGENHARIA DE MANUTENÇÃO...29 2.2.6 - MANUTENÇÃO PROATIVA...29 CAPÍTULO 3- VIBRAÇÃO...30 3.1 - HISTÓRICO DA VIBRAÇÃO...30
3.2 - CONCEITOS E DEFINIÇÕES BÁSICAS...32
3.3 - ANÁLISE DE FREQUÊNCIA DE VIBRAÇÃO...40
3.4 - FALHAS PROVOCADAS POR ALTA VIBRAÇÃO...43
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3.4.2 - ELETROMAGNÉTICAS...52
3.4.3 - AERODINÂMICAS E HIDRODINÂMICAS...56
3.4.4 - DE IMPACTO...59
CAPÍTULO 4-PARÂMETROS PARA A CONFIGURAÇÃO DAS MEDIÇÕES...62
4.1 - PONTOS DE MEDIÇÃO...62
4.1.1 - IDENTIFICAÇÃO DOS MANCAIS...62
4.1.2 - DIREÇÃO DA MEDIÇÃO...62 4.1.3 - GRANDEZA MEDIDA...63 4.2 - PARÂMETROS DE MEDIÇÃO...63 4.2.1 - MEDIÇÕES EM DESLOCAMENTO...63 4.2.2 - MEDIÇÕES EM VELOCIDADE...64 4.2.3 - MEDIÇÕES EM ACELERAÇÃO...65
4.2.4 - MEDIÇÕES DE ENVELOPE DE ACELERAÇÃO...66
4.2.5 - MEDIÇÕES EM ONDA NO TEMPO...68
4.3 - ALARMES...71
CAPÍTULO 5- ESTUDO DE CASO...74
5.1 - APRESENTAÇÃO DO EQUIPAMENTO COLETOR E SOFTWARE DE ANÁLISE DE VIBRAÇÕES...74
5.2 - IDENTIFICAÇÃO DO AMBIENTE...78
5.3 - IDENTIFICAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS...79
5.3.1 - ESPECIFICAÇÕES E CONFIGURAÇÕES DAS MEDIÇÕES DO MOTO-VENTILADOR...80
5.3.2 - ESPECIFICAÇÕES E CONFIGURAÇÕES DAS MEDIÇÕES DA MOTO-BOMBA...84
5.3.3 - ESPECIFICAÇÕES E CONFIGURAÇÕES DAS MEDIÇÕES DO MOTO-REDUTOR...89
CAPÍTULO 6- ANÁLISES DOS ESPECTROS COLETADOS...97
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LISTA DE FIGURAS Figura 1: Primeiro sismógrafo da humanidade
(Fonte:www.fisicafascinante.com.br)...30 Figura 2:Forma de onda senoidal no tempo (Fonte: www.csolutions.com.br)...33 Figura 3: Onda no tempo com as diferentes leituras para amplitude.
(Fonte: Forum.clubedohardware.com.br)...33 Figura 4: Diferenças em um domínio temporal.
(Fonte: www.Wordpress.com.br)...34 Figura 5: Demonstração da variação da amplitude em função da relação W/Wc (frequência do sistema sobre a frequência natural), em várias curvas com diversos amortecimentos.
(Fonte: Apostila do instituto superior técnico)...35 Figura 6: Forma de onda com baixa amplitude (Fonte: www.sofisica.com.br)...37 Figura 7: Forma de onda com alta amplitude e frequência igual a forma de onda da figura 6. (Fonte: www.sofisica.com.br)...37 Figura 8: Superposição das duas ondas anteriores.
(Fonte: www.sofisica.com.br)...38 Figura 9: Batimento modulado por duas frequências próximas(acima), elevação da amplitude da frequência pela proximidade de sua frequência de ressonância
(abaixo). (Fonte: www.kdataserv.fis.fc.ul.pt)...39 Figura 10: Domínio temporal com modulação de frequência.
(Fonte: www.wordpress.com)...40 Figura 11: Várias formas de onda juntas que geram a onda resutante...40 Figura 12: Formas de onda e espectro de frequência característico de um diapasão, pistão de motor e conjunto de engrenagens.
(Fonte: www.feb.unesp.br)...41 Figura 13: Demonstração da captura de um sinal no domínio temporal e
reapresentado no domínio da frequência em FFT.
(Fonte: www.mecatronicaatual.com.br)...42 Figura 14: Massa gerando um desbalanceamento.
(Fonte: www.guhring.com.br)...44 Figura 15: Espectro de um desbalanceamento.
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Figura 16: Demonstração de um espectro de frequência de um desalinhamento. (Fonte: www.acervodigital.unesp.br)...45 Figura 17: Desalinhamento paralelo
(Fonte: www.blogdamecanica.com.br)...46 Figura 18: Desalinhamento angular
(Fonte: www.blogdamecanica.com.br)...46 Figura 19: Espectro de frequência mostrando roçamento.
(Fonte: Apostila de análise de vibrações)...47 Figura 20: Espectro característico de folga.
(Fonte: www. acervodigital.unesp.br)...48 Figura 21: Folga estrutural em um mancal.
(Fonte: www.acervodigital.unesp.br)...48 Figura 22: Folga demonstrada no domínio temporal.
(Fonte: www.furg.br/piccoli/apostila)...49 Figura 23: Tipos comuns de
excentricidade.(Fonte:www.blogdamecanica.com.br)...50 Figura 24: Desalinhamento de correias.
(Fonte: blogdamecanica.com.br)...55 Figura 25: Estator e rotor com suas ranhuras e barras respectivamente.
(Fonte: Apostila de análise de vibração)...52 Figura 26: Funcionamento de um inversor de frequência
(Fonte: Manual WEG de inversores de frequência)...55 Figura 27: Espectro de cavitação (Fonte: www.blogdamecanica.com.br)...57 Figura 28: Mancal de filme de óleo
(Fonte: www.furg.br/piccoli/apostila/análise e diagnóstico de vibrações)...58 Figura 29: Análise de uma máquina com turbilhonamento
(Fonte: www.furg.br/piccoli/apostila/análise e diagnóstico de vibrações)...59 Figura 30: Rolamento traseiro 6318-C3 à direita e defeito na pista interna do
rolamento traseiro 6318-c3 (Fonte: www.mecatronicaatual.com.br)...60 Figura 31: Onda no tempo de dente de engrenagem trincado.
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(Fonte:Tecnologia 01dB Brasil-Infrared Service-ThermanSoluções)...63
Figura 33: Ábaco de severidade em deslocamento em mils (milésimo de polegada). (Fonte: www.macallisterpowersystem.com)...64
Figura 34:: Gráfico de intensidade de vibração nos parâmetros de velocidade (pol/s - pico) e aceleração (G - pico). (Fonte:Apostila de análise de vibração)...66
Figura 35: Demonstração do funcionamento de um envelope nas frequências de impacto. (Fonte: apostila da SKF)...67
Figura 36: Demonstração do domínio temporal (Fonte: www.wordpress.com.br)...68
Figura 37: Configuração da faixa de alarmes do software...71
Figura 38: Demonstração dos tipos de alarmes do software EDIAG. DG – Danger e AL- Alarm...72
Figura 39: Coletor movilog (Fonte: Procedimento para análise de vibração utilizado coletor movilog 2 e software EDIAG2.2.0)...76
Figura 40: Imagem da tela do coletor Movilog (Fonte: Procedimento para análise de vibração utilizado coletor movilog 2 e software EDIAG2.2.0)...76
Figura 41: Imagem de entrada do software Ediag...77
Figura 42: Imagem da tela de monitoramento do software Ediag...77
Figura 43: Acelerômetro. (Fonte: www.meas-spec.com/product/vibration)...78
Figura 44: Purac Sinteses Campos dos Goytacazes (foto)...79
Figura 45: Desenho do moto-ventilador da caldeira...80
Figura 46: Moto-ventilador da Purac (foto da vista ampla)...81
Figura 47: Moto-ventilador da Purac detalhe (foto)...81
Figura 48: Configurações para os defeitos no moto-ventilador...83
Figura 49: Desenho da Moto-Bomba...84
Figura 50: Moto-Bomba da Purac (foto)...85
Figura 51: Moto-bombas da Purac (foto)...86
Figura 52: Configurações para os defeitos no moto-bomba...88
Figura 53: Desenho do moto-redutor na Purac Sínteses (esquerda), croqui do adaptador do conjunto (direita e acima) e croqui do redutor de 3 estágios (direita e abaixo)...90
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Figura 55: Moto-redutor da Purac (foto)...92
Figura 56: Moto-redutor da Purac (foto)...93
Figura 57: Moto-redutor da Purac (foto)...93
Figura 58: Configurações para os defeitos no moto-redutor...96
Figura 59: Espectro de envelope de aceleração do motor da caldeira mancal 2V 4° Coleta...98
Figura 60:Espectro de envelope de aceleração mostrando 3º harmônico do 2Fl elevado no motor da caldeira mancal 2V 6º Coleta...99
Figura 61: Espectro envelope de aceleração mostrando 3º harmônico da 2Fl elevado no motor da caldeira mancal 2V 9º Coleta...100
Figura 62: Espectro envelope de aceleração no motor da caldeira mancal 2H 10° Coleta...100
Figura 63: Sinal de onda no tempo motor da caldeira mancal 2H 1° Coleta...101
Figura 64: Sinal de onda no tempo motor da caldeira mancal 2H 6º Coleta...101
Figura 65: Espectro em aceleração de banda larga mostrando a frequência de pulsos no mancal 2H 2° Coleta...102
Figura 66: Espectro em aceleração de banda larga mostrando a frequência de pulsos no mancal 2H 9° Coleta...103
Figura 67: Espectro em aceleração com zoom X2 mostrando a frequência de pulsos no mancal 2H 10° Coleta...103
Figura 68: Gráfico de tendência mancal 1H...104
Figura 69: Gráfico de tendência mancal 2V...105
Figura 70: Espectro de frequência em velocidade do motor da bomba mancal 1H 1° Coleta– Desalinhamento...106
Figura 71: Espectro de frequência em velocidade do motor da bomba mancal 1H 3° Coleta – Desalinhamento...106
Figura 72:Mesmo espectro de frequência da figura 71 com um zoom no pico que mais se destaca...107
Figura 73: Espectro em velocidade do motor da bomba 1H 9° Coleta – Desalinhamento...108
Figura 74: Mesmo espectro da figura 73 com zoom no maior pico...108
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Figura 76: Mesmo espectro da figura 75 com zoom no 2°harmônico...109
Figura 77: Gráfico de tendência do mancal 2H...110
Figura 78: Espectro em envelope de aceleração da bomba mancal 3H 1° Coleta...111
Figura 79: Envelope em aceleração da bomba mancal 3H 6° Coleta...111
Figura 80: Envelope em aceleração da bomba mancal 3V 9° Coleta...112
Figura 81: Envelope de aceleração da bomba mancal 3H 6° Coleta...113
Figura 82: Envelope de aceleração com alta resolução da bomba mancal 4H 1°Coleta...114
Figura 83: Onda no tempo mostrando o problema no rolamento da bomba mancal4H4ºcoleta...114
Figura 84: Onda no tempo mostrando o problema no rolamento da bomba mancal 4H7º coleta...115
Figura 85: Onda no tempo mostrando o problema no rolamento da bomba mancal 3H10ºcoleta...115
Figura 86: Gráfico de tendência se mantém estável, bomba 3H aceleração global...116
Figura 87: Gráfico de tendência decaindo, bomba 4H aceleração global...117
Figura 88: Frequência de engrenamento1 visível em um espectro de aceleração do motor mancal 1H 8° Coleta...118
Figura 89: Frequência de engrenamento 1 vista em um espectro de aceleração no motor mancal 1H 9° Coleta...118
Figura 90: Gráfico de tendência do motor mancal 2H...119
Figura 91: Espectro em velocidade do adaptador no mancal 3H 9° Coleta...120
Figura 92: Gráfico de tendência do adaptador mancal 3H...120
Figura 93: Espectro em aceleração da frequência de engrenamento de entrada do redutor mancal 5H 5° Coleta...121
Figura 94: Espectro em aceleração da frequência de engrenamento de entrada do redutor mancal 5H 8° Coleta...122
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Figura 96: Onda no tempo mostrando a rotação do eixo de entrada mancal 8V 8º coleta...123 Figura 97: Onda no tempo mostrando a rotação do eixo de entrada mancal 7V
3°coleta...123 Figura 98: Sinal de onda no tempo do redutor mancal 6V 6°
Coleta...124 Figura 99: Sinal de onda no tempo do redutor mancal 7V 6° Coleta...124 Figura 100: Gráfico de tendência do redutor mancal 7H em aceleração
global...125 Figura 101: Gráfico de tendência do redutor mancal 8H em aceleração
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LISTA DE TABELAS
TABELA 1: ISO 10816 PARA PARÂMEROS EM VELOCIDADE...65 TABELA 2: TABELA DE ROLAMENTOS DO MOTO-VENTILADOR...81 TABELA 3: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFIETOS DO MOTOR DO
MOTO-VENTILADOR...82 TABELA 4: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFEITOS DO VENTILADOR DO MOTO-VENTILADOR...82 TABELA 5: TABELA DE ROLAMENTOS DA MOTO-BOMBA...85 TABELA 6: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFEITOS DO MOTOR DA
MOTO-BOMBA...86 TABELA 7: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFEITOS DA BOMBA DA
MOTO-BOMBA...87 TABELA 8: TABELA DOS ROLAMENTOS DO MOTO-REDUTOR...91 TABELA 9: TABELA DOS POSSÍVEIS DEFEITOS DO MOTOR DO
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LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas RMS – Raiz da Média Quadrática (Root Mean Square) RPM – Rotação por Minuto
FFT – Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transformer) ISO –International Organization for Standardization
Bpfo – Frequência de falhas da pista externa Bpfi – Frequência de falhas da pista interna
Bsf – Frequências de falhas de elementos rolantes Btf – Frequência de falhas da gaiola
CA – Corrente Alternada CC – Corrente Contínua Fr- Frequência de Ranhuras Fb – Frequência de Barras
Fe – Frequência de engrenamento
Fee – Frequência de engrenamento de entrada Fes – Frequência de engrenamento de saída BPF – Frequência de pás (Blade Pass Frequency) Ne – Rotação do eixo de entrada
21 CAPÍTULO I
1- Apresentação
1. 1 - Introdução
Já há tempo a manutenção deixou de ser uma função desvalorizada. Esse antigo conceito de que a manutenção era um estorvo que atrapalhava a produção, “patinho feio” dentre as outras modalidades da empresa, já não existe mais. Hoje é de conhecimento geral que a manutenção e a produção andam juntas. A produção necessita da manutenção para seguir trabalhando com alta confiabilidade nos equipamentos, disponibilidade dos mesmos e qualidade no produto final.
Neste cenário não existe mais espaços para improvisos e arranjos. O pessoal da área deve estar qualificado e equipado para evitar falhas, e não apenas corrigi-las. A visão atual da manutenção é a de que não ocorram paralisações que não sejam programadas, o que atrapalharia o andamento da produção. As paradas de operação devem ser pontuais, agindo diretamente nos modos de falhas para que essas não evoluam em defeitos, falhas ou gerando colapso no equipamento, garantindo a disponibilidade da função dos equipamentos, de modo a atender a um processo de produção com confiabilidade, segurança, preservação do meio ambiente e custos adequados.
Por tudo isso é muito utilizado hoje a manutenção preditiva, na qual é possível monitorar a condição do equipamento continuamente durante o seu funcionamento. As técnicas de manutenção preditiva utilizam dessas condições do equipamento para nos fornecer dados para a análise de como o equipamento está operando. Dependendo do calor, ruído, falta de óleo ou vibração, as máquinas podem operar fora ou dentro das condições normais.
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No início, a análise de vibração constituía apenas de uma observação cuidadosa do comportamento da máquina e, na maioria das vezes, reforçada com manutenções frequentes. Instrumentos elementares eram, muitas vezes, usados para medir e registrar os valores a partir dos quais se baseavam a detecção de falhas e as decisões de manutenção. Este método exigia pessoal de manutenção altamente treinado e experiente para garantir operação eficiente e evitar falhas catastróficas.
Com o desenvolvimento da instrumentação analógica foram desenvolvidos aparelhos para facilitar os procedimentos de análise, porém eles ainda eram pesados e incômodos. Com o desenvolvimento de microprocessadores os circuitos puderam ter dimensões e peso dos instrumentos reduzidos, permitindo que os dados pudessem ser manipulados em alta velocidade.
Uma característica muito importante da análise de frequência foi à computação eficiente do FFT (Fast-Fourier-Transformer) de medições multicanal e a capacidade de armazenar os dados para decisões futuras. A armazenagem de dados por longo prazo tornou-se prática comum.
Algumas empresas já desenvolveram conjuntos de software que permitem que todo o processo da máquina seja monitorado automaticamente, realizando todo o trabalho de análise de medição e diagnóstico de problemas, seguida de estratégias de ação e manutenção.
23 1.2 – OBJETIVO
O objetivo desse trabalho é demonstrar a aplicação da análise de vibração mecânica como técnica de manutenção preditiva atuando na indústria. Os softwares e coletores de análise de vibração cada vez mais modernos possibilitam a visualização dos mais variados tipos de frequências presentes nas máquinas. Pela análise dos espectros de vibração é possível determinar se tais frequências poderão ou não vir a se tornar problemas nas máquinas.
1.3 – JUSTIFICATIVA
Como existem poucos trabalhos em português sobre interpretação de espectros de frequências e a prática de análise de vibrações, achou-se necessário que a instituição (INSTITUTO FEDERAL FLUMINENSE) pudesse contar com um em seu acervo bibliográfico.
Esse trabalho serve como um guia. Um guia explicitando sobre um roteiro para a prática da análise de vibração feita nas indústrias que usam dessa técnica preditiva. Os dados dos equipamentos, os parâmetros de vibração utilizados na captura de espectros, gráficos de tendência e a análise de resultados são elementos básicos da prática.
E por fim, que esse trabalho possa ajudar aos futuros alunos que queiram enveredar-se por essa área, facilitando na hora de entender os conceitos teóricos aprendidos dentro da sala de aula e juntá-los com a prática da rotina de coleta de dados executada na planta das empresas. Que ele possa ser fonte de futuros trabalhos, assim como a monografia PROCEDIMENTO PARA ANÁLISE DE VIBRAÇÃO UTILIZANDO COLETOR MOVILOG 2 E SOFTWARE EDIAG 2.2.0 foi para esse trabalho.
1.4 – Estrutura do Trabalho
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Capítulo 1 – Apresentação do assunto, descrevendo a introdução, a motivação, o objetivo, a estrutura de montagem e a metodologia.
Capítulo 2 – Revisão bibliográfica da parte de manutenção, o histórico e os tipos de manutenção.
Capítulo 3 – Revisão bibliográfica a respeito de vibração, o histórico de uso pela humanidade, suas definições básicas, apresentação de ondas no tempo e espectros FFT e os tipos de falhas em equipamentos industriais.
Capítulo 4 – Configurações no software para a rota de coleta de vibrações, necessária no equipamento coletor de vibrações. Explicações sobre os pontos de medições nas máquinas, os parâmetros de medição e os alarmes utilizados.
Capítulo 5 – Estudo de caso, demostrando o equipamento utilizado na coleta de dados, local aonde foi realizada, os equipamentos escolhidos, as características dos equipamentos escolhidos e os tipos de falhas que os equipamentos podem vir a apresentar.
Capítulo 6 –Interpretação dos espectros de frequência e ondas no tempo coletadas no Estudo de Caso e demonstração dos seus gráficos de tendência.
Ao final encontra-se a conclusão, as sugestões e a bibliografia consultada.
1.5– Metodologia
Este trabalho foi desenvolvido conforme a seguinte metodologia:
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2° Estudo do software EDIAG 2.2.0 e do coletor movilog 2, utilizando-os em equipamentos da escola.
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Capítulo II
2. Manutenção
2.1 - Introdução
Com o passar dos anos a manutenção evoluiu. O que antes consistia apenas em consertar os equipamentos que falhavam, hoje, se transformaram em técnicas avançadas de manutenção que buscam sempre a melhoria continua. Com esse avanço, surgiram projetos cada vez mais complexos, com exigências de conhecimento técnico em níveis cada vez maiores, o que demanda uma atualização constante dos profissionais da área de manutenção.
Uma tendência é que a área de manutenção nas empresas passa a ser considerada estratégica, pois por meio da manutenção sistemática é possível antecipar-se e evitar falhas que poderiam ocasionar paradas imprevistas dos sistemas produtivos. Da mesma forma, é possível detectar uma situação onde já se espera a ocorência de falha, e programar-se para uma intervenção em oportunidade mais apropriada, sem prejudicar os compromissos de produção assumidos.
2.2 - Tipos de manutenção:
Existem diversos tipos de manutenção, os abordados nesse capítulo serão: manutenção corretiva (não planejada e planejada), manutenção preventiva, manutenção preditiva, manutenção detectiva, engenharia de manutenção e manutenção proativa.
2.2.1. Manutenção corretiva:
2.2.1.1. Manutenção corretiva não planejada:
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Do ponto de vista do custo de manutenção, esse tipo tem custo menor do que prevenir falhas nos equipamentos. Porém, pode causar grandes perdas por interrupção da produção.
2.2.1.2. Manutenção corretiva planejada:
Assim como a corretiva não planejada, esse tipo de manutenção ocorre quando o equipamento já esta parado por falha. Porém, nesse caso, ocorre uma preparação prévia para a manutenção no equipamento, ou seja, a falha já é esperada.
Normalmente esse tipo de manutenção é adotado quando, sabe se que o equipamento vai entrar em colapso, por meio do acompanhamento preditivo do equipamento, e decidem em operar até a quebra. A corretiva planejda também pode ocorrer por: negociação de parada do processo produtivo com a equipe de operação, aspectos ligados à segurança, melhor planejamento dos serviços, garantia de ferramental e peças sobressalentes, necessidade de recursos humanos tais como serviços contratados.
2.2.2. Manutenção preventiva:
Trata-se de atuação da manutenção em períodos de tempos, determinados previamente, realizada de maneira a reduzir ou evitar a falha ou a queda no desempenho do equipamento,
Utilizando dados estatísticos de arquivos ou históricos disponíveis nas empresas procura-se determinar o tempo provável em que ocorrerá a falha, pois sabe-se que esta poderá ocorrer mas não se pode determinar exatamente quando. Pode-se, ainda, reduzir a probabilidade de falhas pelo fato de a manutenção ser programada com antecedência, sendo o ônus desta paralisação, substancialmente baixo.
28 2.2.3. Manutenção preditiva:
Também é conhecida como manutenção sob condição ou manutenção com base no estado do equipamento. Nesse caso tenta-se definir o estado futuro de um equipamento ou sistema, por meio dos dados coletados ao longo do tempo por uma instrumentação específica, verificando e analisando a tendência de variáveis do equipamento. Esses dados coletados, por meio de medições em campo como temperatura, vibração, análise físico-química de óleos, ensaios por ultrassom, termografia, permitem um diagnóstico baseado no contexto de uma avaliação probalística.
Uma vantagem desse tipo de manutenção sobre as comentadas anteriormente, é que nesse caso, não é necessário a parada do equipamento para a análise de dados. Pelo contrário, e necessário que o equipamento esteja operando para que ocorra a coleta de dados. Outra vantagem, é que se diminui os níveis de paradas indesejadas por manutenções não programadas.
2.2.4 - Manutenção detectiva:
É um tipo de manutenção na qual o nível de automatização é extremamente alto. Na manutenção detectiva utiliza-se um sistema de proteção automatizado buscando detectar falhas ocultas, ou seja, falhas não percepitíveis ao pessoal de manutenção e operação.
Enquanto na manutenção preditiva, ocorre o diagnóstico a partir da medição dos parâmetros do equipamento, na detectiva o diagnóstico é obtido de forma direta, a partir do processamento de informações colhidas junto a planta.
29 2.2.5 – Engenharia de Manutenção
É a nova concepção de manutenção, praticar engenharia de manutenção é deixar de ficar consertando continuamente, e começar a procurar formas de se mitigar as situações de mau desempenho no equipamento e melhorar o funcionamento do mesmo. A idéia desse processo é deixar de conviver com problemas crónicos e, buscar melhorias a partir dos feedbacks de operação.
2.2.6 - Manutenção proativa
A manutenção proativa consiste na identificação de uma determinada falha, e eliminação das causas dessa falha em um equipamento. Nesse tipo de manutenção, reparar o defeito não é o suficiente, deve-se investigar a fundo a razão pela qual o equipamento falhou.
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CAPÍTULO III
3. Vibração
3.1- Histórico da Vibração
Desde os primórdios a humanidade utiliza a vibração e o som de instrumentos rudimentares para a utilização e facilitação em determinadas tarefas, por exemplo: tambores, apitos e instrumentos de percussão. O desenvolvimento da teoria da vibração é resultante de ciências como matemática e mecânica geral.
Antigamente, utilizava-se um escudo coberto por uma fina camada de bronze que era encostada ao solo. Dessa maneira, a menor mudança de estado vibratório do solo produziria uma vibração no escudo que provocaria um som que serviria de alerta para as pessoas sobre um possível tremor de terra. Este é o primeiro registro de um transdutor na humanidade. Atualmente os transdutores mais utilizados são compostos de cristais piezoelétricos, que convertem a energia mecânica das vibrações das máquinas, em pulsos elétricos que são interpretados como picos e espectros nos coletores de vibração.
Os primeiros instrumentos de medição de vibração originaram-se na Grécia e China antiga. Na China surgiu o primeiro sismógrafo criado pela humanidade. Sismógrafo é o aparelho que registra a intensidade dos terremotos. Os chineses foram capazes de construir um aparelho que registrava a ocorrência de um abalo sísmico e indicava a direção de sua procedência.
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Dentro da jarra havia um pêndulo imune a pequenos movimentos na superfície, mas sensível às ondas sísmicas de um terremoto. Oito cabeças de dragão ladeavam a jarra. Cada uma delas contendo uma bola. No plano inferior da jarra, em torno dela, oito sapos com as bocas abertas estavam posicionados na vertical dos dragões. Quando acontecia um tremor de terra a boca de dragão que estivesse na direção do sismo se abria e deixava a bola cair na boca do sapo. Há registros de que o aparelho foi de grande utilidade na detecção de movimentos sísmicos.
Pitágoras foi um dos primeiros a estudar a vibração. Ele fez experiências com martelos, cordas, placas e tubos. Ele provou, com a sua experiência com martelos que as frequências naturais são propriedades dos sistemas e não dependem da magnitude da força atuante.
Galileu foi quem observou a ressonância entre dois corpos conectados por algum meio de transferência de energia e sintonizados em uma mesma frequência natural. Ele também estabeleceu formalmente a relação entre o comprimento de um pêndulo e o seu período de oscilação.
Wallis e Sauveur estudaram os movimentos das cordas vibratórias e o fenômeno de formas modais. Eles descobriram que a frequência do primeiro modo é x e a do segundo modo 2x, a do terceiro 3x e assim por diante. A eles são creditado o termo de frequências harmônicas.
Frahm propôs o absorvedor dinâmico de vibração, que envolve a adição de um sistema massa-mola secundário para eliminar as vibrações de um sistema principal, diminuindo a sua amplitude, hoje conhecidos como amortecedores.
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matemáticos para representar o comportamento de sistemas de grande porte com muita precisão.
3.2 – Definição e conceitos básicos
Vibração é a descrição de um movimento que oscila em torno de um ponto de referência que se repete regular ou irregularmente depois de um intervalo de tempo. A vibração é a resposta a uma dada excitação. O número de vezes de um ciclo completo de um movimento durante um período de um segundo é chamado de frequência e é medido em Hertz [Hz]. Se analisarmos os movimentos de um ciclo completo em um minuto ele é medido em rotações por minutos (RPM), ou ciclos por minuto (CPM).
A vibração pode consistir de um simples componente ocorrendo em uma única frequência ou muitos componentes ocorrendo em diferentes frequências simultaneamente. Um pêndulo ou a corda de um violão são exemplos de vibrações simples, ou seja, uma única frequência. Os movimentos de um motor de combustão são exemplos de diferentes frequências atuando no mesmo corpo ao mesmo tempo. Essas últimas são as situações mais encontradas em engenharia. Estes movimentos ocorrem em elementos de máquinas e nas estruturas, quando estes estão submetidos a ações dinâmicas.
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Figura 2: Forma de onda senoidal no tempo (Fonte: www.csolutions.com.br)
Na figura 2 é possível ver uma forma de onda se manifestando duas vezes no tempo medido. O tempo da onda é de aproximadamente 6s com uma frequência de 0.16 Hz (1/6) e uma amplitude medida em pico.
Para se descobrir o período ou comprimento de uma onda mede-se a distância de um pico positivo para o outro, como na figura 2. Também pode-se medir a distância das amplitudes mínimas ou picos negativos, ou seja, aquelas que se manifestam abaixo do eixo vertical do gráfico.
Na figura 3, tem-se uma imagem da medição da amplitude do sinal de onda das diferentes formas, como dito anteriormente.
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O valor de pico-a-pico é usado onde o deslocamento vibratório da máquina é a parte crítica, por exemplo, com turbomáquinas com mancal de deslizamento. O valor de pico é usado na indicação de falhas em elementos de alta frequência como falha em rolamentos e dentes de engrenagens. E o de RMS é uma média global da vibração, representa a quantidade de energia contida em uma vibração. É indicada para vibrações de média e baixa frequência relacionadas a dinâmica da máquina. É de muita importância determinar qual tipo de amplitude de vibração está sendo associada, pois uma interpretação errada pode alterar bastante um diagnóstico final.
Os principais elementos da vibração são amplitude e frequência, sendo esta o inverso do período (tempo). Na figura 4, tem-se um gráfico mostrando essas diferenças numa forma de onda.
Figura 4: Diferenças em um domínio temporal. (Fonte: www.Wordpress.com.br)
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verde ocorreu depois na onda vermelha. A fase também é um diferencial quando se estuda ondas no tempo.
Dependendo do grau do amortecimento, o sistema terá uma resposta à excitação mais ou menos imediata. Se o amortecimento é elevado o ângulo de fase também é elevado. Da mesma forma, para sistemas pouco ou sem amortecimento o ângulo de fase será bem pequeno. O amortecimento do sistema também influencia diretamente na amplitude da vibração. Mais amortecimento significa que haverá mais perda de energia por atrito, o que significa que o sistema não vibrará com tanta liberdade.
Figura 5: Demonstração da variação da amplitude em função da relação W/Wc (frequência do sistema sobre a frequência natural), em várias curvas com diversos amortecimentos.(Fonte: Apostila
do instituto superior técnico).
Um sistema massa mola pode vibrar com amortecimento ou sem amortecimento. Quando com amortecimento viscoso, ele dissipa energia do sistema vibratório, diminuindo o valor das amplitudes do sistema. Dois fenômenos que provocam amplitudes elevadas são a ressonância e o batimento.
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frequências naturais de vibração. Assim, o sistema físico passa a vibrar com amplitudes cada vez maiores.
Cada sistema físico capaz de vibrar possui uma ou mais frequências naturais, isto é, que são características do sistema, mais precisamente da maneira como este é construído. Quanto mais alta for a frequência natural, mais energia será requerida para produzir uma certa amplitude de vibração. Como por exemplo, um pêndulo ao ser afastado do ponto de equilíbrio, cordas de um violão ou uma ponte para a passagem de pedestres sobre uma rodovia movimentada.
Todos estes sistemas possuem suas frequências naturais, que lhes são características. Quando ocorrem excitações periódicas sobre o sistema, por exemplo, como quando o vento sopra com frequência constante sobre uma ponte durante uma tempestade, acontece um fenômeno de superposição de ondas que alteram a energia do sistema, modificando sua amplitude.
Se a frequência natural de oscilação do sistema e as excitações constantes sobre ele estiverem com a mesma frequência, a energia do sistema será aumentada, fazendo com que vibre com amplitudes cada vez maiores.
Um caso muito famoso deste fenômeno foi o rompimento da ponte Tacoma
Narrows, nos Estados Unidos, em 7 de novembro de 1940. Em um determinado
momento o vento começou soprar com frequência igual à natural de oscilação da ponte, fazendo com que esta começasse a aumentar a amplitude de suas vibrações até que sua estrutura não pudesse mais suportar, fazendo com que ela rompesse.
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Supondo que a frequência de oscilação natural de uma ponte suspensa é dada por:
Figura 6: Forma de onda com baixa amplitude (Fonte: www.sofisica.com.br)
Ao ser excitada periodicamente, por um vento de frequência:
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A amplitude de oscilação da ponte passará a ser dada pela superposição das duas ondas:
Figura 8: Superposição das duas ondas anteriores. (Fonte: www.sofisica.com.br)
Se a ponte não tiver uma resistência que suporte a amplitude do movimento, esta sofrerá danos podendo até ser destruída, como a ponte Tacoma Narrows.
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Figura 9: Batimento modulado por duas frequências próximas(acima), elevação da amplitude da frequência pela proximidade de sua frequência de ressonância (abaixo). (fonte:
www.kdataserv.fis.fc.ul.pt).
Pelo fato de as frequências das ondas diferirem uma da outra haverá momentos de interferência construtiva onde a amplitude resultante será alta (soma) e momentos de interferência destrutiva, onde a amplitude será menor (subtração).
Quando essas frequências são muito próximas, fica difícil de identificar a verdadeira origem, e para isso é necessário se obter um gráfico de amplitude X frequência (espectro) de alta resolução. Às vezes a vibração é acompanhada de um ruído, e se a diferença de frequências não for muito reduzida, este evento é percebido pela audição.
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Figura 10: Domínio temporal com modulação de frequência. (Fonte: www.wordpress.com) A modulação de frequência pode ser causada por mudanças instantâneas na velocidade do eixo devido a variações de torque ou vibrações torcionais. Por exemplo: se a velocidade angular de uma engrenagem varia devido a um defeito geométrico, como um espaçamento desigual entre os dentes, certamente ocorrerá uma modulação das frequências de rotação e engrenamento. Também ocorrem em máquinas de velocidade variável.
3.3 - Análise da frequência da vibração
Como dito anteriormente, um sistema pode consistir em uma única componente em uma só frequência, ou várias componentes vibrando com frequências variadas. Em um sistema mais complexo, que são os mais estudados nos equipamentos industriais, tem-se a ocorrência de múltiplas vibrações ocorrendo ao mesmo tempo. Elas podem ter frequências, amplitudes e fases diferentes, devido a várias massas diferentes vibrando.
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O resultado da “soma” dessas ondas muitas vezes gera uma forma de onda de difícil compreensão em um gráfico amplitude X tempo, como na figura 11, onde a forma de onda de cor preta é a junção das demais. Esses componentes podem ser visualizados plotando a amplitude da vibração X frequência.
O mais importante dos sinais de vibração é o estudo dos componentes individuais da frequência que é chamado de análise de frequências, uma técnica que pode ser considerada a principal ferramenta de trabalho nos diagnósticos de medida de vibração.
O gráfico mostrando o nível de vibração em função da frequência é chamado de espectro de frequência. Quando se analisa a vibração de uma máquina, encontra-se um grande número de componentes periódicos de frequência que são diretamente relacionados com os movimentos fundamentais de várias partes da máquina. Com a análise da frequência, é possível descobrir as fontes de vibração na máquina. Dessa forma, descobrir possíveis causas dos problemas.
Vale lembrar que a vibração não é um problema nas máquinas. Vibração é uma forma de dissipação de energia, que é natural em todos os equipamentos que executam trabalho. Como se sabe, não é possível transformar toda a energia em trabalho final do equipamento. A vibração em condições anormais acarretam problemas nos equipamentos.
Na figura 12, mostra-se a forma de onda (amplitude X tempo) e o espetro (amplitude X frequência) para diferentes tipos equipamentos que vibram.
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Como se observa, fica muito mais simples estudar a vibração por gráficos amplitude X frequência quando se tem muitas frequências distintas no mesmo conjunto, como no caso do engrenamento.
Para se transformar o gráfico de onda no tempo em um espectro de frequência, o equipamento coletor de vibrações faz uso de uma técnica conhecida como Transformada Rápida de Fourier (FFT - Fast Fourier Transform).
Fourier foi um matemático francês que demonstrou que era possível tomar um sinal no domínio do tempo e identificar os conteúdos de frequência por uma série de cálculos de senos e cossenos. A transformada de Fourier é capaz de mostrar os componentes individuais da vibração separados pelas suas frequências. Ela estabelece que uma forma de onda periódica complexa, pode ser decomposta em formas de ondas senoidais individuais e separadas. O sinal de entrada é composto de muitas ondas de senos diferentes. O FFT é capaz de identificar estas ondas de senos complexas e as separar em ondas de seno por cada componente individualizado. Estas ondas de seno separadas são projetadas no eixo da frequência, obtendo assim um espectro de frequência.
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Pela figura 13 observa-se como é feita a mudança do domínio temporal para o domínio de frequência. A forma de onda original é decomposta em harmônicos relacionados. O primeiro harmônico terá a mesma frequência do sinal periódico do equipamento, enquanto os demais terão frequências que são múltiplos inteiros desse primeiro harmônico.
Por esse conceito de harmônicos relacionados, é possível estudar o espectro de frequência FFT e descobrir os picos de frequência que tem relação com o primeiro sinal periódico. E a partir desse estudo pode-se captar quais são as frequências normais de funcionamento e aquelas que se manifestam quando o equipamento encontra se em defeito. Pela frequência com a amplitude elevada descobre-se a origem do problema e assim torna se possível solucioná-lo.
3.4- Falhas Provocadas por Alta Vibração
A vibração é uma característica sempre presente nos equipamentos dinâmicos, porém sua ocorrência em níveis elevados pode ser danosa ao equipamento e até provocar falhas funcionais, gerando problemas tais como: fadiga, desgaste, afrouxamento, ruído, aquecimento e diversas condições insalubres.
Essas vibrações anormais podem ser devido a diversos fatores distintos, dentre eles temos: falha do projeto, de fabricação, montagem, manutenção e as decorrentes da operação do equipamento em si.
As causas de defeitos são agrupadas em categorias diferentes:
3.4.1- Dinâmicas
44 3.4.1.1- Desbalanceamento
O desbalanceamento é uma das causas mais comuns de vibrações em máquinas. Ele é provocado quando se tem alguma massa no rotor que gera uma força centrífuga. Pode ser provocado por desgaste ou corrosão do rotor, acumulo de material no rotor e excentricidade.
Figura 14: Massa gerando um desbalanceamento. (Fonte: www.guhring.com.br)
Manifesta-se em uma vibração com amplitude alta no pico de uma vez a rotação, 1X (onde X corresponde à frequência de rotação), e quanto maior for a amplitude mais acentuado será o desbalanceamento. O desbalanceamento tende a aumentar com o quadrado da velocidade de rotação do equipamento e se manifesta principalmente nas direções radiais (H e V).
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Abaixo segue a fórmula da força centrífuga:
F= m.w².e Sendo:
3.4.1.2 – Desalinhamento
O desalinhamento também é uma fonte de vibração bastante comum em máquinas rotativas. O desalinhamento normalmente é caracterizado por uma vibração com uma componente de mais de duas vezes a frequência de rotação, 2x, acompanhado de elevada vibração axial.
Figura 16: Demonstração de um espectro de frequência de um desalinhamento. (Fonte: www.acervodigital.unesp.br)
A análise da fase do equipamento constitui uma importante ferramenta para diferenciar um desalinhamento de um desbalanceamento. Outra forma de se diferenciá-los é observar o quanto o problema aumenta com o aumento da rotação, enquanto o desbalanceamento aumenta com o quadrado da rotação, o desalinhamento aumenta pouco.
Há basicamente dois tipos de desalinhamento: paralelo e angular. O desalinhamento paralelo ocorre quando as linhas de centro dos eixos das máquinas não coincidem, não estão alinhadas, nesse caso observa-se alta vibração radial. O
m: massa desbalanceada ou excêntrica w: velocidade angular
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desalinhamento angular ocorre quando as linhas de centro do eixo das máquinas se interceptam, formando um ângulo entre si, nesse caso a vibração axial é a mais elevada. Frequentemente o que se encontra é a ocorrência de ambos os tipos num mesmo equipamento, gerando o desalinhamento misto ou combinado.
Figura 17: Desalinhamento paralelo Figura 18: Desalinhamento angular (Fonte: www.blogdamecanica.com.br). (Fonte: www.blogdamecanica.com.br)
Devido a folgas de montagem, dilatações térmicas, imperfeições geométricas e diferentes condições de operação, um alinhamento aceitável não é isento de imperfeições. Pode-se tolerar um pequeno desalinhamento no eixo desde que este esteja dentro de uma faixa mínima que não atrapalhe a operação do equipamento.
3.4.1.3 – Empeno de eixo
O empenamento de eixo pode provocar elevada vibração, sendo um problema comumente confundido com desbalanceamento e desalinhamento. A execução de um balanceamento poderá reduzir a vibração provocada, porém raramente irá eliminá-la. A única solução do problema reside na remoção do empenamento que, quando viável, pode ser realizado mediante aquecimento ou uso de uma prensa.
47 3.4.1.4 – Roçamento
O roçamento é o contato eventual entre as partes rotativas e estacionárias de uma máquina podendo provocar vibrações na frequência de rotação, em seu dobro, em seus sub harmônicos e até em altas frequências. O roçamento é normalmente resultado de um eixo empenado ou excentricidade.
O roçamento exibe característica similar à folga mecânica. Geralmente uma ou mais frequências naturais são excitadas pela fricção. A análise da forma de onda pode ser bastante útil nesta análise, podendo revelar uma forma de onda truncada.Com o agravamento do problema pode-se observar também a ocorrência de impactos. Entretanto, se o roçamento for contínuo, provavelmente não será possível ver nenhum truncamento. Contudo, esse atrito contínuo pode excitar a ressonância em algum componente da máquina gerando vibrações de amplitude e fase instável. O roçamento apresenta sub harmônicos e inter-harmônicos no espectro de frequência.
Figura 19: Espectro de frequência mostrando roçamento. (Fonte: Apostila de análise de vibrações).
3.4.1.5 – Folga
A folga é provocada pelo excesso de espaço livre entre elementos rotacionais e estruturais da máquina. Normalmente a folga ocorre por uma vibração excitada de outra fonte, como desalinhamento ou desbalanceamento, que aumentam as pequenas folgas já existentes no equipamento. A folga pode ocorrer também devido ao desgaste provocado no suporte dos mancais.
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aumento da folga a quantidade de harmônicos e suas amplitudes aumentam. Alguns picos serão maiores que outros devido à coincidência com alguma ressonância estrutural ou mesmo por coincidir com outra fonte de vibração da máquina. Quando a folga se torna excessiva podem surgir harmônicos de meia ordem (0,5x), ou sub harmônicos. Estes tendem a ser produzidos por atrito ou ocorrência de impactos. Nesse tipo de folga a fase é instável podendo variar a cada medição, uma vez que o rotor muda a sua posição no eixo a cada partida.
Figura 20: Espectro característico de folga. (Fonte: www.acervodigital.unesp.br)
A folga pode ser na estrutura do mancal, ou seja, entre um pé e a base, chamado de folga na base ou folga estrutural. A folga estrutural entre uma máquina e sua base tende a aumentar a vibração em 1x na direção de menor rigidez. Embora ocorra normalmente na direção horizontal, a direção na qual haverá maior aumento, depende da montagem física da máquina. Na ocorrência de folga estrutural normalmente a diferença de fase medida num mesmo plano entre a máquina e sua base é de 180º. O afrouxamento da base pode ser provocada por pinos ou parafusos soltos, corrosão, rachaduras, dentre outros.
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Figura 22: Folga demonstrada no domínio temporal. (Fonte: www.furg.br/piccoli/apostila)
3.4.1.6 – Excentricidade
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Figura 23: Tipos comuns de excentricidade.(Fonte: www.blogdamecanica.com.br) Na correia em V da figura (a) a excentricidade provoca variação nas tensões na correia. Neste caso, a maior amplitude de vibração ocorre na direção de maior tensão na correia, que ficar alternando de lado, em frequência igual a 1x da polia excêntrica. Na figura (c) a excentricidade varia com a interação magnética entre o rotor (armadura) e o estator, criando uma vibração na frequência 1x. O aumento da carga pode resultar em um aumento da amplitude de vibração. Nas engrenagens excêntricas da Figura (d) a maior amplitude de vibração ocorre na direção da linha de centros das engrenagens na frequência 1x da engrenagem excêntrica. Em todos os casos os sintomas são os mesmos do desbalanceamento.
Em alguns casos o efeito da excentricidade pode ser reduzida através de balanceamento, mas, em geral, os resultados não são bons. Normalmente o problema só é corrigido através da montagem correta dos elementos envolvido.
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de desgastes, danos ou excentricidade nos mancais, e se as amplitudes não forem reduzidas significativamente, verificar o balanceamento.
3.4.1.7 – Correias
As correias são umas das mais comuns e significantes fontes vibratórias em máquinas industriais. As correias em V são muito utilizadas em transmissão de potência por sua alta capacidade de absorver choques e vibrações. Na maioria dos casos as correias em V operam mais silenciosamente que correntes e engrenagens, o que evidencia níveis vibratórios menores. Porém, as correias podem apresentar problemas tais como: correias desequilibradas, frouxas, desalinhadas, desgastadas e com trincas, que são fatores provenientes de outros problemas da máquina.
É bastante provável que a correia vibre em função de outros distúrbios na máquina, sendo apenas um indicador de um problema vibratório. Alguns problemas que normalmente produzem vibrações em correias são o desbalanceamento excessivo, polias excêntricas, desalinhamentos e elementos soltos. Um desalinhamento da máquina, por exemplo, pode ser o responsável de um desalinhamento da correia.
Deve-se, portanto, investigar profundamente as causas da vibração antes de efetuar uma troca de correia. O fator chave para determinar a natureza do problema é a frequência da vibração da correia. Se a vibração da correia é produzida por uma causa proveniente de outro elemento, então a frequência da vibração estará associada ao problema gerador. Por outro lado, quando a vibração ocorre por defeito na correia, a frequência de vibração é igual a frequência da correia que apresentará harmônicos de sua rotação.
A frequência de correias (Fc) normalmente aparece com múltiplos da rotação, ela é dada pela fórmula:
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Figura 24: Desalinhamento de correias. (Fonte: blogdamecanica.com.br)
A identificação de defeitos na correia geralmente pode ser feita medindo-se a vibração em um mancal próximo à mesma. Correias defeituosas geralmente apresentam uma amplitude de vibração maior em uma direção paralela à direção de sua tensão. Rachaduras e pontos enfraquecidos na correia são os seus defeitos mais comuns.
3.4.2 – Eletromagnéticas
As vibrações causadas por falhas elétricas ocorrem em sistemas que possuem máquinas elétricas (motores, geradores, alternadores, etc.) e são causadas normalmente por forças magnéticas desequilibradas. São os problemas decorrentes de desbalanceamento ou excentricidade magnética, instabilidade de alimentação, passagem de ranhuras e barras nos motores elétricos.
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Para distinguir problemas elétricos de problemas dinâmicos é necessário usar espectros de alta resolução, devido aos problemas dessas duas categorias se manifestarem em frequências próximas, como por exemplo, o 2Fl (120Hz) que é o pico de 2X a frequência da rede elétrica, que pode ser confundido com um harmônico da rotação.
Uma maneira de se verificar se a vibração é causada por problema elétrico é desligar a energia elétrica durante a medição da amplitude de vibração e verificar se a mesma desaparece ou diminui rapidamente. Em caso positivo a causa é certamente elétrica. Caso contrário, se a diminuição da amplitude for lenta e acompanhar a queda na frequência de rotação, então a causa é de natureza mecânica.
Uma outra característica deste tipo de problema é que os níveis vibratórios dependem da carga. Muitas vezes, motores elétricos são testados em vazio e não apresentam amplitudes de vibração elevadas e quando em operação com carga vibram violentamente evidenciando problemas elétricos.
Um problema típico em motores elétricos são problemas relacionados com as barras (rotor) e ranhuras (estator). A frequência de barras e ranhuras é calculada a partir do número de barras e ranhuras do motor (isso depende da dimensão do motor) multiplicado pela rotação de trabalho do eixo do motor.
Quando as barras de um rotor estão trincadas ou quebradas, aparecerá no espectro de vibração um alto pico na frequência de barras, o que indica um problema nessa parte do motor. O mesmo se aplica com as ranhuras do estator.
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da frequência dessas duas pode indicar a frequência do defeito que causou o problema; e em algumas situações, picos relativos à frequência de pulsos de inversores de frequência utilizados para modificar a rotação do equipamento acionado.
3.4.2.1 - Inversor de Frequência
A utilização de inversores estáticos de frequência atualmente compreende o método mais eficiente para controlar a velocidade dos motores de indução. Os inversores transformam a tensão da rede, de amplitude e frequência constantes, em uma tensão de amplitude e frequência variáveis. Variando-se a frequência da tensão de alimentação, varia-se também a velocidade do campo girante e consequentemente a velocidade mecânica de rotação da máquina.
Tem crescido significante o número de aplicações em que a variação de velocidade de motores de indução é feita por meio de inversores eletrônicos estáticos de frequência, haja vista os muitos benefícios propiciados por essas aplicações: controle a distância, redução de custos, aumento da produtividade, eficiência energética, versatilidade e maior qualidade.
O processo de obtenção da tensão e frequências desejadas por meio de tais equipamentos passam por três estágios:
-Ponte de diodos - Retificação do sinal alternado de tensão e frequência constantes, proveniente da rede de alimentação;
-Filtro ou Link DC - Regulação da tensão retificada com armazenamento de energia por meio de um banco de capacitores;
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Figura 26: Funcionamento de um inversor de frequência (Fonte: Manual WEG de inversores de frequência).
3.4.2.2 - Interação entre rede e inversor
O sistema (motor + inversor de frequência) é visto pela fonte de alimentação como uma carga não linear, cuja corrente possui harmônicas (componentes de frequências múltiplas da frequência da rede). De forma geral, considera-se que o retificador produz harmônicas ímpares características no lado da CA, ou seja, na rede conforme o número de pulsos do inversor. No caso da ponte retificadora com 6 diodos (6 pulsos), as principais harmônicas geradas são a 5ª e 7ª ordens. Já para 12 pulsos (12 diodos) as harmônicas mais expressivas são a 11ª e 13ª. O inversor de frequência estudado nesse trabalho, assim como maioria dos inversores, é de 6 pulsos (6 diodos).
3.4.2.3 - Interação ente inversor e motor
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Percebe-se no motor uma tensão pulsada adquirindo uma forma senoidal. Portanto, as frequências harmônicas de maior amplitude do motor são as de tensão pulsada, ou frequência de pulsos, do inversor de frequência. A frequência de pulsos do inversor de frequência estudado é de 240000RPM ou 4KHz.
3.4.3- Aerodinâmicos e Hidrodinâmicos
Essas falhas se apresentam em máquinas que trabalham com transportes de fluídos líquidos ou gasosos. Esses tipos de vibrações são causadas pela interação entre os elementos sólidos móveis do equipamento (pás) e os fluidos (ar, água, óleo, gases). Isso acontece frequentemente em bombas, compressores rotativos e ventiladores. Nesses tipos de máquina é de muita importância ter conhecimento a respeito de dinâmica dos fluídos, para que não ocorram problemas tais como: cavitação, turbulência, pulsação de fluxo, formação de vórtex.
As vibrações geradas ocorrem em frequências altas (número de pás x a frequência da rotação). As causas da vibração são forças hidráulicas que geralmente são pequenas, mas se tornam severas quando excitam ressonância na máquina.
Se não ocorre ressonância o problema pode ser originado por recirculação, turbulência ou cavitação. A vibração e o ruído associados com cavitação, recirculação e fluxo turbulento apresentam características similares. Este tipo de vibração é normalmente de natureza aleatória com amplitudes e frequências instáveis.
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qualquer situação, as vibrações devidas a recirculação apresentam flutuações aleatórias na frequência e na amplitude similares às causadas pela cavitação.
O fluxo turbulento é o resultado da resistência ao fluxo normal de fluidos. Esta resistência pode ser causada por obstruções, curvas agudas ou apenas atrito superficial entre fluído e tubulação. A turbulência também pode ser causada pela mistura de fluidos de alta e baixa velocidades. Um exemplo é um motor a jato quando os gases de exaustão de alta velocidade se misturam ao ar externo quase estacionário. Embora os níveis de ruído gerado por fluxo turbulento sejam muito altos, a máquina vibra pouco, pois a condição de turbulência não depende exclusivamente dela.
A cavitação ocorre quando uma bomba opera com excesso de capacidade ou baixa pressão de sucção. Como o fluido que já entrou não preenche completamente o espaço, o fluido que está entrando é puxado aos pulos para preencher os espaços vazios. Isto cria bolsas de vácuo que são altamente instáveis que podem literalmente implodir muito rapidamente. Os impactos gerados excitam frequências naturais localizadas em partes da bomba. Como as implosões podem ocorrer em tempos e posições aleatórios na bomba ou na tubulação a amplitude e a frequência da vibração também são aleatórias.
Figura 27: Espectro de cavitação (Fonte: www.blogdamecanica.com.br)
58 3.4.3.1 – Instabilidade do filme de óleo
Figura 28: Mancal de filme de óleo. (Fonte: www.furg.br/piccoli/apostila/análise e diagnóstico de vibrações)
Em mancais de deslizamento são utilizados filme de óleo para apoiar e fixar o eixo. Em algumas ocasiões o óleo usado no mancal não é distribuído de forma uniforme, ocasionando em um aumento de pressão que empurra o eixo em torno do mancal. A força adicional desenvolvida pode produzir um movimento circular do eixo no interior do mancal. Se o sistema for bem amortecido, o eixo retorna à sua posição de equilíbrio no mancal. Caso contrário, o eixo continua com esse movimento chamado precessão ou turbilhonamento (whirl).
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Figura 29: Análise de uma máquina com turbilhonamento (Fonte: www.furg.br/piccoli/apostila/análise e diagnóstico de vibrações)
Uma máquina que é normalmente estável pode exibir sinais de vibração por oil
whirle, algumas vezes, esta condição ocorre intermitentemente. Neste caso o
problema não está relacionado com o mancal de deslizamento, mas, com forças externas que coincidentemente estão na mesma frequência do oil whirldo mancal, podendo vir de algum outro componente da máquina, ou de outra máquina.
Além do turbilhonamento, problemas como insuficiência de lubrificação ou uso de lubrificante inadequado, podem causar vibração em mancais de deslizamento. Nestes casos, a lubrificação inadequada causa atrito excessivo entre o mancal estacionário e o eixo rotativo, e o atrito excita uma vibração no mancal ou partes a ele relacionadas (oil whip). A frequência da vibração, neste caso, é normalmente muito alta, produzindo ruído agudo, e não tem relação com a velocidade de rotação do rotor. Quando há suspeita sobre a existência de oil whip deve-se verificar a lubrificação do mancal e se a folga está correta, tanto folga excessiva como insuficiente pode causar oil whip.
3.4.4- De Impacto
60 3.4.4.1. – Rolamentos
As falhas de rolamento se manifestam através de seus elementos, que são: pista externa (BPFO), pista interna (BPFI), gaiola (BTF), elementos rolantes (BFS). Cada uma dessas componentes terá um número de falha, e a multiplicação desse número de falha com a rotação do equipamento resultará na frequência de falha relativa ao componente do rolamento. Sendo assim há uma frequência de falha para o BPFO, uma para o BPFI, BTF e BFS.
As falhas em rolamento se caracterizam por gerarem uma amplitude elevada quando se tem a passagem do seu elemento defeituoso por uma superfície a qual ele trabalha frequentemente. Por exemplo: Um rolamento que possui um pequeno defeito em sua pista interna. Cada vez que uma esfera passa sobre este defeito há um choque entre a superfície defeituosa e a superfície da esfera.
Figura 30: Rolamento traseiro C3 à direita e defeito na pista interna do rolamento traseiro 6318-c3 (Fonte: www.mecatronicaatual.com.br)
Todas as vezes que a esfera passa por esse defeito ocorre uma elevação na amplitude. Estes choques são de curtíssima duração, repetindo-se em baixa frequência. Entretanto, eles excitam as frequências de ressonância do mancal ou da estrutura do equipamento em que ele está montado, que estão em alta frequência.
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através da demodulação do sinal, chamado de envelope, que será explicada no capítulo 4.
3.4.4.2 - Engrenagens
Assim como em rolamentos, os problemas relativos a engrenamento se manifestam em frequências elevadas, iguais à frequência de rotação da engrenagem multiplicada pelo seu número de dentes (frequência de engrenamento - GMF).
Engrenagens estão presentes em diversas máquinas, como por exemplo: caixas redutoras, bombas de óleo, acionamento de moendas, moinhos, fornos rotativos, e outros equipamentos de grande porte.
As engrenagens apresentam problemas como desgaste dos dentes, defeito no passo, trabalho com carga elevada e dentes quebrados. As engrenagens também podem apresentar problemas comuns a outras partes da máquina como desbalanceamento, montagem excêntrica e desalinhamento.
Os problemas de engrenamento, assim como os de rolamento, podem ser muito bem observados no sinal de onda no tempo. Por exemplo, em uma engrenagem em que um dos seus dentes está trincado, toda a vez que esse dente avariado engrenar com o dente da outra engrenagem a amplitude da vibração se elevará, naquele instante, acima da amplitude dos demais dentes. Quando ocorrem picos elevados no intervalo de um período de rotação sabe que se trata de um problema de impacto. Os impactos excitam as frequências naturais de engrenagens, mancais e componentes a eles ligados.
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Capítulo IV
4. Parâmetros para as configurações das medições
Quando se coloca uma máquina nova para operar, espera-se que esta tenha vida longa e isenta de problemas. Mas deficiências de projetos, erros de especificação, de fabricação, transporte, instalação, operação e manutenção conduzem a máquinas pouco confiáveis. A análise de vibrações é uma ferramenta poderosa no trato destes problemas. Isto porque, por exemplo, a qualidade de manutenção numa troca de rolamentos, onde medições anteriores e posteriores à troca fornecem uma avaliação do serviço.
Para se executar a análise de vibração é necessário estabelecer os pontos e direções (H, V, A) para cada mancal; os parâmetros usados na detecção das falhas: deslocamento, velocidade, aceleração, envelope de aceleração e onda no tempo; e o valor dos alarmes para as medições globais em velocidade e aceleração.
4.1 - Pontos de Medição
4.1.1 - Identificação dos mancais.
1 – mancal do acionador do lado não acoplado
2 – mancal do acionador do lado acoplado 3 – mancal do equipamento do lado acoplado 4 – mancal do equipamento do lado não acoplado
4.1.2 - Direção de medição:
63 4.1.3 - Grandeza medida:
D - Deslocamento - µm (rms)
V - Velocidade de vibração- mm/s (rms) A – Aceleração - G (pico)
E - Envelope de Aceleração – G (pico a pico) T – Tempo – s (pico)
Figura 32:Identificação dos pontos nos mancais de um equipamento Horizontal, Vertical e Axial nos parâmetros de velocidade e envelope (Fonte:Tecnologia 01dB Brasil-Infrared Service-Therman
Soluções).
4.2 –Parâmetros de medição
4.2.1 – Medições em Deslocamento
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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
