XVII CONGRESSO NACIONAL DE
ENGENHARIA MECÂNIA E INDUSTRIAL
DEMONSTRAÇÃO DE FREQUÊNCIAS DE ENGRENAMENTO DE UM MOTO-REDUTOR UTILIZANDO ESPECTROS FFT
Diego Lilargem Rocha (1) (diego.lilargem@gmail.com), André Luiz Vicente Carvalho (1)(2)
(andrelvcarvalho@hotmail.com), Flávio Nassur Espinosa (2) (fnespinosa@terra.com.br)
(1) Universidade Cândido Mendes (UCAM) (2) Instituto Federal Fluminense (IFF)
RESUMO: Esse trabalho analisa a vibração de um conjunto moto-redutor, a fim de verificar a severidade de
suas frequências de engrenamento. A análise de vibração mecânica é uma das formas de manutenção preditiva utilizadas na indústria para verificar a condição de seus equipamentos. Equipamentos que trabalham com variadores e redutores de rotação estão sujeito a esforços que podem causar avarias nas engrenagens como trincas, abrasão, sobrecargas entre outros. Esses sintomas prejudicam o bom funcionamento do equipamento aumentando a amplitude de vibração. O vigente artigo utiliza os dados de do um moto-redutor industrial com o objetivo de se analisar corretamente os picos de vibração e se estes não ocasionaram falha. Foi utilizado software de vibração para demonstração dos espectros FFT, um coletor e um acelerômetro para a coleta das vibrações. Os resultados demonstram onde os picos de engrenamento são mais severos e mostram as curvas de tendência de vibração do equipamento, traçando um histórico de sua condição.
PALAVRAS-CHAVE: conjunto moto-redutor, frequência de engrenamento, análise de frequência, engrenagem, vibração.
VIBRATION ANALYSIS IN A MOTO-VENTILATOR OF AN INDUSTRY
ABSTRACT: The proposed article objected is to analyze the vibration of a gearbox assembly in order to verify
the severity of its gear frequencies. Mechanical vibration analysis is one of the forms of predictive maintenance used in industry to check the condition of their equipment. Equipment that works with variators and speed reducers is subject to stresses that can cause breakdowns in the gears, such as cracks, abrasion, overloads and more. These symptoms impair the proper functioning of the equipment by increasing the amplitude of vibration. This article uses the data of an industrial gearbox motor in order to properly analyze the vibration peaks and if they did not cause failure. Vibration software was used to demonstrate the FFT spectra, a collector and an accelerometer for the collection of vibrations. The results demonstrate where the gear peaks are more severe and the equipment vibration curves trend, tracing the history of its condition.
1. INTRODUÇÃO
O redutor ou variador de velocidade é um conjunto mecânico constituído principalmente por eixo de entrada e de saída, rolamentos, engrenagens, eixos sem fim e carcaça. Ele permite a variação da velocidade, através da transmissão mecânica das engrenagens. As diferenças nos números de dentes das engrenagens variam a rotação de eixo para eixo e também variam o torque destes (Rocha, 2014).
O redutor de velocidade é utilizado quando é necessária a adequação da rotação do acionador, geralmente um motor elétrico, para a rotação requerida no dispositivo a ser acionado. Quando há redução da rotação, aumenta o torque disponível, e vice-versa (Rocha, 2014).
A engrenagem é o elemento fundamental do redutor, portanto esta exige uma atenção particular para o bom funcionamento do equipamento. As engrenagens apresentam problemas como desgaste dos dentes, defeito no passo, trabalho com carga elevada e dentes quebrados. A lubrificação é uma das formas de prevenir aquecimento e desgastes nos engrenamento. A análise de frequência é uma forma de verificar se o engrenamento está acontecendo de forma suave e apropriada, ou ocorrendo com trancos e sobrecarga. Quando em sobrecarga, geram-se vibrações indesejadas e perigosas que podem atrapalhar o funcionamento do equipamento, causando desbalanceamento e desalinhamento e empeno do eixo (Menegatti, 1999).
O sistema de acionamento das engrenagens do redutor é composto por pinhão (engrenagem menor) e coroa (engrenagem maior). O eixo acionador está acoplado ao eixo de saída do redutor pela transmissão pinhão-coroa. A frequência de engrenamento (GMF – Gear Mesh
Frequency) é igual à rotação do eixo acionador multiplicada pelo número de dentes do pinhão. Essa
frequência será a mesma para o eixo de saída multiplicado pelo número de dentes da coroa. A frequência de engrenamento é uma para cada transmissão pinhão-coroa que houver dentro do redutor. Dessa forma será possível descobrir as rotações dos demais eixos do redutor, apenas pelo conhecimento da rotação do elemento acionador e do número de dentes de cada engrenagem (Espinoza, 2008).
produz uma vibração de amplitude muito elevada, sendo extremamente danosa a equipamentos e estruturas. Portanto é importante conhecer as frequências de vibração do sistema para impedir que essas se coincidam e ocasionem falhas (Prodonoff, 1990).
Conhecendo as frequências de engrenamento será possível avaliar nos espectros FFT (Fast
Fourier Transform – Transformada Rápida de Fourier) se essa frequência está gerando elevada
vibração, ou se está dentro dos parâmetros aceitáveis. O espectro FFT é um modelo de processamento matemático que transforma o sinal captado pelos sensores de vibração em gráficos de frequência por amplitude de vibração (Espinoza, 2008).
Falhas em engrenamento ocorrem em frequências altas. Por isso parâmetros como aceleração e envelope de aceleração são os mais utilizados para obter os espectros de engrenamento. O espectro normal mostra picos de uma e duas vezes a frequência de engrenamento, e geralmente aparece com pequenas bandas laterais (Rocha, 2014).
Desgaste dos dentes é demonstrado pelo aparecimento de frequências naturais do eixo da engrenagem defeituosa. Nesse caso a frequência de engrenamento pode aparecer com baixa amplitude, mas as bandas laterais são mais pronunciadas. Defeito de passo nas engrenagens produz picos e harmônicos do engrenamento, além de uma série de altos harmônicos da rotação do eixo com o problema. Carregamento elevado nos dentes destaca a frequência de engrenamento, não é necessariamente um problema, desde que as bandas sejam de baixa amplitude e não apareçam frequências naturais das engrenagens. Excentricidades, desalinhamentos e dentes quebrados também apresentam características diferenciadas nos espectros FFT (Espinoza, 2008).
1.1 Objetivos
O objetivo desse trabalho é demonstrar o uso de análise de frequência como forma de manutenção preditiva em equipamentos com engrenagens. Para isso foi escolhido um equipamento industrial onde serão feitas coletas periódicas. Será necessário um levantamento das características técnicas desse equipamento. Serão demonstrados por meio de espectros FFT e gráfico de tendência os resultados das coletas.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Foram realizadas medições em aceleração e envelopes de aceleração, em todos os mancais do conjunto, uma vez que problemas de engrenamento podem ser modulados para o motor e o adaptador e apresentar falhas nesses equipamentos, assim como o contrário também é possível.
2.1 Conjunto moto-redutor
O equipamento escolhido para o estudo é uma moto-redutor industrial. Na Figura 1 o esquema de montagem do equipamento, e na Figura 2 uma foto do conjunto moto-redutor.
Figura 2: Moto-redutor. Fonte: Autor (2017).
Seguem as especificações técnicas do conjunto moto-redutor necessárias para a análise de frequência no espectro FFT.
Motor:
Rotação: 1200 RPM
Ranhuras: 48 Freq. Ranhuras: 57600RPM Barras: 40 Freq. Barras: 48000RPM
Mancal 1: 6209-Z-C3 Mancal 2: 6309-C3
Adaptador
Rotação: 1200 RPM
Mancal 3/4: Esf- 6311-Z-J Mancal 4:6216-2Z-K3N Rolos- NJ311E
Redutor:
Rotação eixo acionador = 1200 RPM Nº dentes do pinhão = 18 dentes
1º Frequência de engrenamento - GMF = 21.600 RPM
Rotação do eixo intermediário = 400 RPM
2º Frequência de engrenamento - GMF = 5.200 RPM
Rotação do eixo de saída = 52 RPM Nº de dentes coroa eixo de saída = 98 dentes
Mancal 5: Rolos- 303 09 Mancal 6: Rolos- 303 07 Mancal 7/8: 6219-Z
A Tabela 1 apresenta os dados para se calcular a GMF no conjunto moto redutor:
TABELA 1. Dados para o cálculo da GMF. Especificações Eixo Acionador Eixo Intermediário Eixo de Saída Rotação 1200 RPM 400 RPM 52 RPM Nº de Dentes
do Pinhão 18 Dentes 13 Dentes N/A Nº de Dentes
da Coroa N/A 54 Dentes 98 Dentes
GMF 21600 RPM 5200 RPM N/A
Fonte: Autor (2017).
TABELA 2. Frequência dos rolamentos do conjunto moto-redutor.
Rolamentos BPFO BPFI BSF BTF
6209-Z-C3 4,08 x 1200= 4896 RPM 5,92 x 1200= 7104 RPM 5,28 x 1200= 6336 RPM 0,41 x 1200= 492 RPM 6309-C3 3,06 x 1200= 3672 RPM 4,94 x 1200= 5928 RPM 4,03 x 1200= 4836 RPM 0,38 x 1200= 456 RPM 6311-Z-J 3,06 x 1200= 3672 RPM 4,94 x 1200= 5928 RPM 4 x 1200= 4800 RPM 0,38 x 1200= 456 RPM NJ311E 5,18 x 1200= 6216 RPM 7,82 x 1200= 9384 RPM 4,71 x 1200= 5652 RPM 0,4 x 1200= 480 RPM 6216-2Z-K3N 4,13 x 1200= 4956 RPM 5,87 x 1200= 7044 RPM 5,6 x 1200= 6720 RPM 0,41 x 1200= 492 RPM 303 09 6,56 x 400= 2624 RPM 9,43 x 400= 3772 RPM 5,25 x 400 = 2100 RPM 0,41 x 400 = 164 RPM 303 07 5,59 x 400 = 2236 RPM 8,4 x 400 = 3360 RPM 4,69 x 400 = 1870 RPM 0,4 x 400 = 160 RPM 6219-Z 4,1 x 52 = 213,2 RPM 5,9 x 52 = 306,8 RPM 5,38 x 52 = 279,76 RPM 0,41 x 52 = 21,32 RPM Fonte: Software Ediag 2.2 (2013).
2.2 Software, coletor de vibrações e acelerômetro
2.2.1 O software Ediag 2.2.0
Figura 3:Tela do software Ediag. Fonte: Fonte: Software Ediag 2.2 (2013).
2.2.2 O coletor de vibrações Movilog 2
O movilog 2 é o aparelho coletor de vibrações mecânicas que será utilizado nesse artigo. Ele trabalha acoplado ao acelerômetro ASH201. Não há necessidade de configurações nele, uma vez que elas já são estabelecidas no software. Ele apenas armazena os dados da coleta para transferir para o software apresentar os espectros de frequência. A Figura 4 demonstra o coletor:
Figura 4: Coletor movilog. Fonte: Procedimento para análise de vibração utilizado coletor movilog 2 e software EDIAG2.2.0 (2010)
2.2.3 O acelerômetro ASH 201
O acelerômetro é o aparelho que capta as vibrações das partes não rotativas da máquina, os mancais. Ele é um transdutor piezelétrico que envia um sinal elétrico ao coletor proporcional à tensão mecânica recebida. Esse acelerômetro dispõe de uma base magnética, permitindo uma fácil aderência do acelerômetro no mancal. A Figura 5 mostra o acelerômetro:
Figura 5: Acelerômetro. Fonte: Analise de vibrações em equipamentos rotativos de uma indústria alimentícia (2014).
3. RESULTADOS E CONCLUSÕES
As características dos espectros apresentados mostram um carregamento elevado nos dentes. Não chega a ser um problema devido à baixa amplitude das bandas laterais e de não aparecer picos de amplitude na frequência natural das engrenagens.
Na Figura 8 é apresentado o espectro FFT da 2º frequência de engrenamento (5.200 RPM):
Figura 8: Espectro FFT da 2º frequência de engrenamento. Fonte: Software Ediag 2.2 (2013).
A 2º GMF não apresenta bandas laterais nem definidas, uma vez que para isso, os picos devem estar afastados da GMF em distâncias iguais. Também nota-se uma amplitude inferior ao do 1ºGMF, caracterizando um engrenamento mais suave.
O motor ao receber a vibração na frequência de engrenamento pode sofrer danos em seu funcionamento. Uma vez que essas frequências se manifestem em amplitude elevadas, elas podem gerar ressonância com outras frequências do motor elétrico. Não é o caso no equipamento, a 1ºGMF aparece no motor, porém não provoca vibrações elevadas, observa-se que as amplitudes de vibração de 0,2 g.
A rotação do motor aparece com diferentes picos de amplitude nas Figuras 9 e 10. Esses espectros foram extraídos em dias diferentes, possivelmente alguns dias o motor tinha mais resistência para operar, ou pelo nível de fluido no tanque ser maior ou diferenças na mistura do fluído deixando ele mais ou menos denso.
O software EDIAG tem a opção de marcar pontos indicando a amplitude de vibração para cada dia de coleta. Dessa forma, tem-se um histórico vibratório do equipamento. Na Figura 11 é apresentado o gráfico de tendência de um dos mancais do redutor:
Figura 11: Gráfico de tendência de vibração. Fonte: Software EDIAG 2.2 (2013).
vibração em alerta, o que significa que a análise das frequências de vibração devem se manter para se ter controle do funcionamento do equipamento e não permitir aumento nas vibrações.
4. Conclusões
Foi possível analisar e avaliar os engrenamentos e assim conhecer o estado de funcionamento do equipamento. A interpretação dos espectros necessita cuidado para não avaliar como defeitos condições de trabalho mais bruscas. Entretanto, quando a máquina começa a operar de forma mais abrupta é o primeiro passo para aparecerem falhas.
A análise das frequências de vibração acompanha o funcionamento do equipamento mostrando dados, em forma de espectros de frequência, em momentos onde a vibração começa a elevar. Desse ponto em diante, fica na responsabilidade dos técnicos e engenheiros de manutenção tomarem as devidas medidas para impedir maiores problemas.
Por estarem sujeitas a impactos e variações de rotações dos eixos as engrenagens mostram-se peças do redutor que necessitam de constante obmostram-servação. E a análimostram-se das frequências de GMF se apresentam como técnica preditiva de manutenção confiável e que não necessita de parada de produção. Demais técnicas preditivas são utilizadas na indústria para as análises de engrenamento. Mas o espectro FFT permite a visualização do funcionamento de todas as partes rotativas do conjunto moto-redutor como: rolamentos, engrenagens e rotor do motor. E por isso apresenta confiabilidade para os responsáveis de manutenção.
REFERÊNCIAS
ALMEIDA, M. T.; GÓZ, R. D. Análise de Vibrações II – Rolamentos e Engrenagens. Fundação de Pesquisa e Assessoramento à Indústria, FUPAI, 1994.
ESPINOSA, F. N. Apostila de manutenção preditiva. Instituto Federal Fluminense. Campos dos Goytacazes, 2008.
MENEGATTI, W.B.; Duarte, M.A.V. Identificação de Falhas em Engrenagens de Câmbios. Anais do XV COBEM, Águas de Lindóia, 1999.
PRODONOFF, V. Vibrações Mecânicas: Simulação e Análise. Rio de Janeiro: Maity, 1990.
RAO, S. S. Vibrações Mecânicas, Pearson Prentice Hall, 4 ed.Americana, 2009.
ROCHA, D. L. Analise de vibrações em equipamentos rotativos de uma indústria alimentícia. Instituto Federal Fluminense, Campos dos Goytacazes, 2014.
