AnaliseDeVibracoes

(1)

Análise de vibrações

Professor Marco Aurélio Carloto

marco_carloto@ibest.com.br

(2)

Objetivos

• Revisão dos conceitos de Vibração;

• Análise de falhas em rolamentos;

• Análise de falhas em engrenagens;

• Exemplo de ferramentas de software para

análise de vibrações (RBM Ware)

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Conceitos básicos

(4)

O que é Vibração?

• Vibração é o movimento alternativo de um corpo ao redor de uma posição de equilíbrio, causado por uma força indesejável.

– Por exemplo:

• A oscilação de um eixo ao redor de uma posição central em um mancal de escorregamento.

(5)

Vibração

• O movimento vibratório de uma máquina é o resultado das forças dinâmicas que a excitam. Essa vibração se propaga por todas as partes da máquina, bem como para as estruturas

ligadas a ela. Geralmente uma máquina vibra em várias frequências diferentes.

Fonte: Princípios de vibrações mecânicas. Pág. 11. Disponível em:

(6)

Vibração

• Cada elemento de máquina induz uma

excitação própria, gerando uma perturbação específica. Geralmente esses elementos são rotores, engrenamentos, mancais, etc...

• O comportamento dinâmico da máquina é uma

composição das perturbações de todos os

componentes, defeitos e excitações oriundos dos movimentos.

Fonte: Princípios de vibrações mecânicas. Pág. 15. Disponível em:

(7)

FFT

Vibrações de máquinas

(8)

Frequ ency A m p li tud e Time A mpli tude Time A mpli tud e

Análise de espectro

Transformada Rápida de Fourier (FFT)

(9)

Causas de vibrações em máquinas

• Desbalanceamento de massa • Desalinhamento de eixos • Folgas generalizadas • Dentes de engrenagens • Rolamentos

(10)

Efeitos das vibrações

• Altos riscos de acidentes

• Desgaste prematuro de componentes

• Quebras inesperadas

• Aumento dos custos de manutenção

(11)

Controle das vibrações

• Faz-se por três procedimentos

diferenciados:

– Eliminação das fontes

– Isolamento das partes

(12)

Eliminação das fontes

• Balanceamento

• Alinhamento

• Substituição de peças defeituosas

• Aperto de bases soltas

(13)

Isolamento das partes

• Colocação de um meio elástico

amortecedor de modo a reduzir a

transmissão da vibração a níveis

toleráveis.

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Atenuação da resposta

• Alteração da estrutura (reforços, massas

auxiliares, mudança da freqüência natural,

etc...

(15)

Movimento periódico

• O movimento oscilatório pode repetir-se

regularmente, como no pêndulo de um

relógio, ou apresentar irregularidade

considerável, como em terremotos.

Quando o mesmo se repete a intervalos

iguais de tempo (T) ele é chamado de

periódico.

(16)

Movimento harmônico

• A forma mais simples de um movimento

periódico é o movimento harmônico

simples, representado pelas funções seno

e cosseno. Todo movimento harmônico é

periódico, mas nem todo movimento

(17)

Frequências X Rotações

• Velocidades de rotação em hertz:

• 3.600 rpm = 60 rps = 60 Hz

• 1.800 rpm = 30 rps = 30 Hz

• 1.200 rpm = 20 rps = 20 Hz

(18)

Figura 1

t

Xo

(19)

t

T

Amplitude

90 180 270 360

(20)

Domínio do tempo

• Em regime de funcionamento um

equipamento está sujeito a vibrações que

ocorrem ao mesmo tempo mas em

diversas frequências diferentes. Isto torna

difícil uma avaliação destes eventos no

domínio do tempo, pois os sinais se

sobrepõe.

(21)

t

EVENTOS SIMULTÂNEOS

(22)

Domínio da frequência

• Para avaliar simultaneamente todos os sinais, é melhor que o façamos no domínio da

frequência, onde podemos explicitar cada evento separadamente.

(23)

Domínio da frequência

• Para exemplificar, tomemos três sinais

simultâneos no intervalo de tempo “t”, e

que ocorram em frequências múltiplas

entre si. Vejamos estes sinais em um

sistema de três dimensões cujos eixos

determinem o tempo, a amplitude e a

frequência de cada sinal.

(24)

t f a T = 2T = 3T a1 a2 a3 1ª harmônica 2ª harm. 3ª harm.

Domínio da frequência

(25)

T1

T2

T3

No plano ta temos uma visão superposta das três formas de onda onde distinguimos claramente os três períodos. Como os sinais são harmônicos entre si, temos: T3 = 2T2 = 3T3

t a

Domínio do tempo

(26)

No plano fa, o que temos é uma visão em separado de cada sinal segundo sua amplitude e frequência.

f a

Domínio da frequência

f1 f2 f3

(27)

Domínio da frequência

• Como estamos considerando sinais harmônicos

as frequências são múltiplas da primeira, ou seja:

»f2 = 2f1

»f3 = 3f1

»f4 = 4f1

(28)

Domínio da frequência

• Sinais harmônicos entre si são muito

comuns no campo das vibrações

mecânicas, por isso é de extrema

importância que saibamos identificar os

sinais presentes em uma máquina e

(29)

Domínio da frequência

• Em outras palavras, é necessário saber se

um determinado sinal acontece na

frequência fundamental de um evento ou

se é a consequência harmônica de um

outro sinal qualquer.

(30)

Domínio da frequência

• A primeira harmônica de um sinal

qualquer é chamada de fundamental.

Assim sendo, as harmônicas de um sinal

são consequência de sua fundamental e

não existem sem a mesma.

(31)

Domínio da frequência

• É natural que todo equipamento apresente

vibrações em determinadas frequências

quando de seu funcionamento. Essas

vibrações são decorrentes da própria

rotação do equipamento e de seus

(32)

Domínio da frequência

• Essas vibrações são consideradas

normais desde que mantidas dentro de

um limite aceitável de amplitude e sem o

aparecimento de componentes

indesejáveis tais como famílias de

harmônicas, bandas laterais, etc...

(33)

Domínio da frequência

• Dos sinais inerentes ao funcionamento dos

equipamentos podemos destacar como os mais comuns e que devem ser conhecidos de

antemão pelo analista:

– Frequência de rotação da máquina;

– Frequência de passagem de pás quando bombas ou

ventiladores;

(34)

Domínio da frequência

• Frequência de rotação - 1 x rpm

– Um sinal de vibração na frequência de

rotação da máquina é o sinal mais certo de obtermos, uma vez que o mesmo é causado pelo movimento de giro do eixo. Sendo assim é necessário que se conheça sempre a

(35)

Domínio da frequência

• Como os espectros são analisados no

domínio da frequência, em ciclos por

segundo, é necessário que façamos a

conversão da rotação de rpm para rps, ou

Hertz. Isso se faz dividindo a rotação em

rpm por 60.

(36)

Unidades de medida em vibrações

• Frequência

– Hertz (Ciclos por segundo)

– CPM (Ciclos por minuto)

• Amplitudes (Tipos de Medição de Ondas)

– Pico

– Pico a Pico

– RMS – Amplitude Média Quadrática

(37)

Unidades de medida em vibrações

• Aceleração

– G (m/s2_{) - PICO}

• Velocidade

– mm/s – RMS

• Deslocamento

(38)

Deslocamento

f(Hz)

Aceleração

Velocidade

Medições em velocidade são usadas para uma avaliação geral do espectro, pois cobrem uma ampla faixa de frequência.

(39)

Tipos de sensores de medição

• Acelerômetros

• Sensor de proximidade (Proxímetros)

(40)

(41)

Regras básicas de diagnóstico

• Cada defeito gera um padrão característico de vibrações;

• A frequência de vibração é determinada pela

geometria da máquina e pela sua velocidade de operação;

• Uma única medição de vibração fornece informação acerca de vários componentes.

(42)

Procedimentos

Espectro de vibração típico

FNRG – TENTER ZONE 3 SUPPLY FAN 8501-10#3S-F1A FAN BRG. #1 - AXIAL

PK C ELOC IT Y IN I N /SEC Frequency in Order

(43)

De uma maneira geral:

Picos específicos se correlacionam

Numa velocidade específica

Com defeitos específicos

PK C ELOC IT Y IN I N /SEC Frequency in Order

Procedimentos

(44)

PK C ELOC IT Y IN I N /SEC Frequency in Order Desbalanceamento

Desbalanceamento tipicamente gera vibração na frequência de rotação (1N)

Procedimentos

(45)

PK C ELOC IT Y IN I N /SEC Frequency in Order Desalinhamento

Desalinhamento tipicamente gera picos nas frequências 1N e/ou 2N

N = frequência de rotação

Procedimentos

(46)

PK C ELOC IT Y IN I N /SEC Frequency in Order Folgas

Folgas geram uma série de picos cujas frequências são múltiplas

da frequência de rotação

Procedimentos

(47)

PK C ELOC IT Y IN I N /SEC Frequency in Order Defeito na Pista

Defeitos em rolamentos geram picos relacionados com a geometria do rolamento

Procedimentos

(48)

Defeitos em rolamentos

• Quatro frequências de defeitos de rolamentos:

1. Rotação dos roletes

Ball Spin Frequency (BSF)

2. Rotação da gaiola

Fundamental Train Frequency (FTF)

3. Defeito na pista interna

Ball Pass Frequency Inner Race (BPFI)

4. Defeito na pista externa

(49)

C C _{Um defeito em estágio avançado}C C C _C

aparece claramente no espectro

VIB – Outer Race Fault

OUTER – R4A ROLL BRG.#4 - AXIAL

PK V eloc it y in In/ Sec Frequency in Hz

Procedimentos

(50)

Frequency in Hz PK V elocit y in In/Sec

VIB – Outer Race Fault

OUTER – R3A ROLL BRG.#3- AXIAL

Procedimentos

Defeito na pista - estágio incipiente

Um defeito em estágio incipiente geralmente não é detectado em um espectro convencional

(51)

Demodulação X PeakVue

• A Demodulação e o

PeakVue detectam defeitos incipientes.

• Vantagens do PeakVue:

– Menor nível de ruído;

– O defeito aparece claramente; – A amplitude não varia com a

velocidade;

– Detecta defeitos em baixa velocidade

Demodulação

Amplitude 0.003 g

PeakVue

(52)

ALARM LEVEL = 0.11 IN/SEC

PEAK - RMS OVERALL VALUE

Alarme por nível global

• Nível Global = Nível de vibração total da máquina

• Fortemente influenciado pelos defeitos que geram mais energia como o desbalaceamento e o desalinhamento, mesmo residuais.

(53)

ALARM LEVEL = 0.11 IN/SEC

PEAK - RMS OVERALL VALUE

Alarme por nível global

• Nível Global = Nível de vibração total da máquina

• Pouco influenciado pelos defeitos que geram menos energia como os defeitos em rolamentos, mesmo em estágio avançado.

(54)

Bandas de frequência

• O espectro é dividido em faixas que englobam as frequências

correspondentes às possíveis falhas mecânicas que podem ocorrer na máquina.

1X

2X

3X- 6X

BEARING BAND 1 _{BEARING BAND 2}

9-30X RPM 30-50X RPM Imbalance Misalignment Looseness Bearing Band 1 Bearing Band 2

(55)

1X

2X

3X- 6X

Bandas de frequência

(56)

1X

2X

3X- 6X

Bandas de frequência

(57)

1X

2X

3X- 6X

Bandas de frequência

(58)

1X

2X

3X- 6X

Bandas de frequência

(59)

1X

2X

3X- 6X

Bandas de frequência

(60)

Tendência do desbalanceamento Alarme Am pl itude Sub-Harmônicos

1X 2X Rolamento Rolamento Engrenagem Rolamento

1xRPM 2xRPM 4,0 mm/s 1,0 mm/s Tempo (Dias) Tempo (Dias) Tendência de desgaste do rolamento 10-20xRPM

(61)

Diagnose de vibrações em rolamentos

• Dimensões para calculo das frequências

de falha

– Diâmetro primitivo do Rolamento = D – Diâmetro do elemento rolante = d

– Angulo de Contato = 

(62)

Diagnose de vibrações em rolamentos

• Dimensões para calculo das frequências de falha

– FTF: f_c = ½ . f_o (1-M)

– BSF: f_b = ½ . (D/d).f_o. (1-M2₎

– BPFO: f_e = f_c . N

– BPFI: f_i = (f_o – f_c).N

f_o = Rotação eixo

Constante auxiliar das frequências típicas dos rolamentos

(63)

• Estágios de falha dos rolamentos

1. Estágio 1: Frequências 20 a 60 KHz (PeakVue)

2. Estágio 2: 500 a 2000 Hz, bandas laterais na F_natural

3. Estágio 3: Frequências de falha, harmônicas

4. Estágio 4: 1xRPM aumenta, vibração aleatória

Obs.: A frequência Natural (f_n) não depende da rotação do eixo

(64)

• Fator de Crista

– É a relação do valor de pico da vibração pelo valor de RMS medidos em banda de

frequência

– Ex: 1 kHz a 10 kHz

– Requer apenas medições de pico e RMS de

Ondas no tempo, sem análise espectral.

(65)

PeakVue X Demodulação

• Falha em estágio inicial

– Pequena trinca na superfície

– Pulsos com duração inferior a 1ms.

• Falha em estágio avançado

– Pitting

– Pulsos de maior duração (diversos ms)

Less than 1 ms

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Teste em laboratório

• Simulação de sinal vibracional

– Desgaste inicial, 0.05g amplitude, pulso de 0.5

– Desgaste avançado, 0.05g amplitude, pulsos de 2 ms.

• Medições comparativas

(67)

Desgaste inicial

• Falha potencial • 94% de error na amplitude • Falha visível • Amplitude correta Espectro PeakVue Amplitude 0.05 g Espectro Demodulado Amplitude 0.003 g

(68)

Desgaste avançado

• Falha Visível • 88% de erro na amplitude • Falha Visível • Amplitude correta Espectro PeakVue Amplitude 0.05 g Espectro Demodulado Amplitude 0.003 g

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PeakVue

• Resumo PeakVue – Clara detecção da falha em ambos os casos – Medição correta da amplitude em ambos os casos. Desgaste avançado Amplitude Real Desgaste Inicial Amplitude Real

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Demodulação

• Resumo da Demodulação – Detecção da falha não evidente no estagio inicial

– Amplitudes dos sinais mudam com a duração do pulso. (84-92% de erro) Desgaste Avançado Amplitude 0.006 g Desgaste Inicial Amplitude 0.003 g

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Benefícios - PeakVue

• Indicação antecipada da ocorrência da falha

– melhor informação, maior tempo de planejamento

• Amplitude correta dos sinais vibracionais

– acuracidade nas tendências dos sinais

• Menor interferência de ruído nos espectros

• Resultados mais confiáveis, maior acuracidade no diagnostico.

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Diagnose de vibrações em

engrenagens

• Desgaste em engrenagens

– O desgaste se dá pelo deslizamento na entrada e saída dos dentes e fadiga por compressão no

engrenamento.

– Quando do desgaste das engrenagens as

harmônicas da frequência de engrenamento tendem a crescer.

(73)

Diagnose de vibrações em

engrenagens

• Análise Cepstral (Cepstrum de potência)

– Espectro de potência do Logaritmo.

– Ferramenta utilizada para identificar famílias de bandas laterais com igual espeçamento e evidenciá-las somente em um pico.

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Diagnósticos no RBMware

• Verificar pontos e bandas com alarmes

Alarme de FALHA (FAULT)

Alarme de ALERTA (ALERT)

Valores dentro dos limites de Alarme PONTOS MONITORADOS B A N D A S

(75)

Referências bibliográficas

• KARDEC, Alan; NASCIF, Julio. Manutenção

Função Estratégica. Rio de Janeiro: 2ª Ed. QUALITYMARK, 2002.

• L.X. Nepomuceno, Técnicas de Manutenção

Preditiva V.1 e 2.

• VIANA, Herbert R.G. PCM – Planejamento e Controle da Manutenção.