VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA
Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012
ASSOCIAÇÃO DAS TÉCNICAS PREDITIVAS: ANÁLISE DE VIBRAÇÃO
E ANÁLISE DE GRAXA, PARA DETECÇÃO DE FALHAS EM ROLAMENTOS
Brito, L. C*, Pereira, J. G.°, Brito, J. N.°°
* UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, São João del Rei - MG, CEP 36307-352, brito.lcb@gmail.com ° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, São João del Rei - MG, CEP 36307-352, jrclegrip@yahoo.com.br
°° UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, São João del Rei - MG, CEP 36307-352, brito@ufsj.edu.br
RESUMEN
As falhas em rolamentos são comuns em vários seguimentos industriais. Em muitas aplicações, o impacto econômico de uma falha em rolamentos pode exceder inclusive o custo da própria máquina. Monitorar o estado de funcionamento dos rolamentos, através de técnicas preditivas, é imprescindível para evitar que as falhas inesperadas ocorram, aumentando assim a disponibilidade e confiabilidade dos equipamentos dentro da planta industrial. Atualmente existem diversas técnicas consagradas nesse contexto, sendo a Análise de Vibração e Análise de Graxa, uma das mais importantes. Neste trabalho apresenta-se uma associação de técnicas preditivas aplicadas na detecção de falhas em rolamentos (análise de vibração - técnica de envelope e análise de graxa). Os sinais de vibração foram coletados em uma bancada experimental em dois rolamentos W209 PP retirados de um motor de indução trifásico pertencente a um sistema de refrigeração do carro do metrô. Posteriormente ao teste foram retiradas a graxa dos rolamentos e feito o teste. Os resultados dos testes realizados mostraram a eficiência das técnicas utilizadas podendo serem incluídas em um programa de Manutenção Preditiva.
PALABRAS CLAVE:Análise de Vibração, Análise de Graxa, Rolamento, Manutenção Preditiva.
INTRODUÇÃO
O crescimento da competitividade e os novos desafios relacionados com o aumento de produtividade entre as indústrias têm exigido sistemas cada vez mais complexos e sofisticados, por isso, o sistema de monitoramento da condição dessas máquinas tem se tornado muito importante [Silva et al., 2009]. Observa-se que a confiabilidade exigida para os motores elétricos cresce constantemente devido à importância de suas aplicações e do avanço tecnológico. No cenário, o custo anual de manutenção representa, em média, 4,39% do faturamento bruto das empresas [Kardec e Nascif, 2007].
As máquinas que têm maior velocidade, em geral, utilizam mancais de rolamento e os defeitos em rolamentos são um dos tipos mais comuns de falhas em vários seguimentos da indústria. De acordo com os trabalhos publicados pelo
Electric Power Research Institute (EPRI) em 1985 e pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.
(IEEE) em 1986, os problemas nos rolamentos são responsáveis por dois quintos de todas as falhas. Em muitas aplicações, o impacto econômico de uma falha desta natureza pode extremamente exceder o custo da própria máquina [Stack et al., 2003].
Os defeitos do rolamento introduzem no equipamento vibrações características bem peculiares e, na maioria das vezes, não são fáceis de serem evidenciadas. Dentre as causas mais comuns de defeitos em rolamentos destacam-se a seleção incorreta, estocagem e lubrificação inadequada (excessiva ou insuficiente), falha de vedação e descargas elétricas através dos mancais [Brito, 2002].
Portanto, uma melhoria na utilização de técnicas adequadas de manutenção torna-se indispensável. Conhecer as técnicas de monitoramentos já existentes aprimorá-las e até mesmo desenvolver novas tecnologias significa uma manutenção de melhor qualidade e, consequentemente, com menos tempo de horas paradas na planta industrial [Brito, 2002].
Com o avanço da tecnologia, novas técnicas ou métodos de diagnóstico de falhas mecânicas têm surgido. Conhecer essas técnicas e métodos pode ser um grande diferencial neste cenário de globalização, principalmente para as empresas que buscam ser benchmark em seu segmento.
Muitos programas de manutenção preditiva e sistemas de diagnóstico utilizam a condição da máquina para identificar e classificar falhas através da análise de vibração [Zhang et al., 1996]. Essa tem sido amplamente utilizada no diagnóstico de falhas e monitoramento da condição de máquinas rotativas. O que ainda não é tão difundido é a utilização da Análise de Graxa.
Até hoje, a análise de lubrificantes estava voltada mais para os óleos lubrificantes, no entanto, a graxa tem suma importância no processo de lubrificação, [Trevisan, 2010].
Neste trabalho apresenta-se o resultado de três testes distintos (consistência, propriedades de mudança no óleo e contaminação), além dos sinais de vibração coletados em quatro rolamentos (dois novos e dois usados) utilizados em ventiladores industriais. Alcançando os propósitos de uma análise de lubrificantes e de vibração os quais são monitorar as condições do lubrificante e do equipamento [Singh, 2010].
ANÁLISE DE GRAXA Teste de Consistência
A principal propriedade dos óleos lubrificantes é a viscosidade, já a da graxa é a consistência. Através dela é possível determinar a rigidez da graxa e auxiliar em um diagnóstico tanto para o equipamento quanto para a graxa, [SKF, 2011]. O método de teste de consistência está de acordo com a norma ASTM D217. Basicamente, é medido o grau de penetração de um cone padrão em uma amostra da graxa e convertido em termos de grau NLGI (National
Lubrification Grease Institute) [ASTM, 2010].
Com o TKGT 1 da SKF, Figua 1, é possível determinar, em campo, a consistência da graxa. Certa quantidade de graxa é pressionada por um peso entre duas placas de vidro durante 15 segundos, Figura 2. Com uma escala calibrada, determina-se o grau NLGI, [SKF, 2011].
Fig. 2: Teste de Consistência. Propriedades de Mudança do Óleo (Teste de Sangria do Óleo)
As graxas são compostas de 70 a 95% de óleo base e é função do espessante mantê-la na estrutura [Texaco, 2005]. Mudanças nas propriedades de sangria da graxa são fortes indicativos de falhas. O teste de sangria do óleo, Figura 3, consiste em colocar uma quantidade de graxa em um aquecedor e depois de duas horas medir a área molhada para posteriormente comparar com os resultados da graxa nova.
Fig. 3: Teste de Sangria do Óleo. Teste de Contaminação
Entre 70 e 80% das falhas sistemas hidráulicos são devido a contaminantes, principalmente sólidos, presentes nos lubrificantes [Vieira et al., 2007]. Daí, conclui-se a importância de um teste de contaminação para orientar no diagnóstico de falha. Com o microscópio portátil, Figura 4, presente no kit TKGT 1 é possível observar os principais tipos de contaminantes. Com isso, associado aos testes anteriores, chega-se a um diagnóstico confiável.
ANÁLISE DE VIBRAÇÃO
Vibrações Características De Rolamento
Quando um defeito localizado (por exemplo, o pitting) aparece na superfície de rolamento, surge uma série de vibrações devido ao impacto dos elementos rolantes sobre o defeito. A taxa de repetição do impacto, denominada "frequência característica de defeito", está relacionada com a velocidade do eixo, a geometria do rolamento e a localização do defeito e, geralmente, apresenta valores baixos de frequência, [Almeida e Góz, 2000], [Brito, 2002].
Na Figura 5, tem-se os sinais típicos de vibrações geradas por defeitos localizados em vários componentes de um rolamento, pista externa, interna e esferas.
Figura 5: Forma de onda e espectro de rolamento com defeito [Shi et al,. 2004].
Se houver um defeito na pista externa, a direção e a amplitude da vibração impulsiva captada pelo sensor ao longo de um ciclo completo se mantém constante, porque a posição do defeito é mantida fixa em relação ao sensor durante a rotação, conforme mostrado na Figura 5a.
A presença de um defeito na pista interna ou nos elementos rolantes está associada a comportamentos de vibração mais complexos, em comparação com o defeito localizado em uma pista externa. A intensidade da carga e um caminho de transmissão da vibração muda continuamente com a posição relativa entre o defeito e o sensor. Quando o defeito gira mais perto do sensor durante um ciclo a amplitude de oscilação atinge o máximo. Com o aumento da distância entre o sensor e o defeito, a energia da vibração impulsiva captado pelo sensor é atenuada suavemente, conforme mostrado na Figura 5b.
Especialmente, quando há um defeito em um elemento rolante, o comportamento de vibração torna-se bastante complexo. Em cada ciclo, o contato do defeito, tanto com a pista interna como com a pista externa gera dois impactos com diferentes níveis de energia, conforme mostrado na Figura 5c.
Cada tipo de falha em rolamento tem sua própria frequência característica de defeito. Essas frequências podem ser calculadas a partir de relações cinemáticas, velocidade de rotação e geométrica do rolamento.
Análise De Envelope
A Análise de Envelope é uma técnica de análise de sinais que consiste basicamente em evidenciar a repetição de um pulso dentro de um intervalo de tempo. Para rolamentos, a função da técnica de envelope é identificar a frequência de repetição dos pulsos, causados pelos sucessivos impactos gerados pela passagem de um elemento rolante sobre um defeito. Na técnica de envelope há uma formulação matemática complexa, que se resume nos passos descritos a seguir e mostrado, de forma simplificada, na Figura 6.
1. Aplica-se a Transformada de Fourier ao sinal. Com isso se consegue definir a faixa de filtragem. O intuito deste procedimento é conhecer a frequência central de ressonância (fc).
2. A segunda etapa é a aplicação do Filtro Passa Banda. O objetivo deste filtro é eliminar as frequências de vibrações indesejáveis como, por exemplo, as baixas frequências de alta amplitude que, em geral, estão relacionadas ao desalinhamento e desbalanceamento.
3. A terceira etapa é a aplicação do Filtro Passa Alta para eliminação da componente DC.
4. O passo seguinte é a aplicação da Transformada de Hilbert para obtenção do envelope do sinal do defeito. Essa transformada é responsável por evidenciar quantas vezes o pulso se repetiu em um segundo, ou seja, ela diz qual é a frequência característica de defeito do rolamento.
5. Na última etapa aplica-se novamente a Transformada de Fourier ao envelope do sinal para a obtenção das frequências características do defeito.
ANÁLISE EXPERIMENTAL
Na Figura 7, tem-se a bancada experimental de testes montada no Laboratório de Sistemas Dinâmicos do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de São João del Rei. Componentes da bancada: [1] motor de indução trifásico WEG-0596 EJ94209, 2 CV, 4 pólos, 1800 RPM, 60 Hz, 6,9 A; [2] acoplamento flexível; [3] mancal MDS SN 509 (LA - Lado do Acoplamento); [4] acelerômetro CMSS2200 SKF (LA - Lado do Acoplamento); [5] mancal MDS SN 509 (LOA - Lado Oposto do Acoplamento); [6] acelerômetro CMSS2200 SKF (LOA - Lado Oposto do Acoplamento); [7] freio mecânico Twiflex da Tec Tor; [8] multímetro para controlar a carga aplicada através da corrente do motor elétrico; [9] microlog GX-70 da SKF e [10] decibelímetro da SKF.
Os testes foram realizados nos rolamentos W209 PP (dois usados montados no motor do lado do ventilador). Para montagem dos rolamentos na bancada de testes usou-se o aquecedor indutivo da SKF, Figura 8.
Fig. 7: Bancada Experimental. Fig. 8: Aquecedor Indutivo SKF.
Na Tabela 1, tem-se as frequências características de falha da pista externa (BPFO), da pista interna (BPFI), do elemento rolante - esferas (BSF) e da gaiola (FTF) dos rolamentos W209 PP.
Tabela 1: Frequências características dos rolamentos W209 PP. Frequência Característica Rolamento W209 PP BPFO 3,621 fr BPFI 5,379 fr BSF 2,461 fr FTF 0,402 fr
Das quatro frequências determinísticas a única que apresentou falha foi a da pista interna. Abaixo, Figuras 9 a 12, tem-se os espectros de envelope destas frequências para os rolamentos inspecionados.
Análise de Vibração - Envelope: W209PP Usado 1 x W209PP Usado 2
Fig. 9: Analise de Envelope - W209 PP Usado 1 / Bancada Lado do Acoplamento / Posição Horizontal.
Fig. 10: Analise de Envelope - W209 PP Usado 1 / Bancada Lado do Acoplamento / Posição Vertical.
Fig. 11: Analise de Envelope - W209 PP Usado 2 / Bancada Lado do Disco / Posição Horizontal.
Análise de Graxa: W209PP Usado 1 e W209PP Usado 2
Foram coletadas amostras de graxa dos rolamentos W209PP e também amostras frescas de um rolamento novo. As amostras, Figura 13, foram testadas com o analisador de graxa SKF TKGT 1.
Também foram feitas análises físico-químicas para comprovar a eficácia dos resultados obtidos com o mini-laboratório de graxa.
Fig. 13: Amostras de graxa dos rolamentos W209PP usado I e II, respectivamente.
Na Tabela 2 tem-se os resultados dos testes da amostra de graxa fresca comparada com a coletada dos rolamentos W209PP usado I e usado II.
A consistência das amostras usadas I e II não variaram em relação à fresca. No entanto foi comprovada no teste de Sangria que a viscosidade do óleo base da amostra I diminuiu, houve aumento de 43,3% da área molhada. Em contra partida o rolamento usado II teve variação de -29,5%, considerada normal pois com o tempo de uso o óleo é expulso da graxa, deixando somente o sabão, motivo pelo qual deve-se relubrificar o equipamento no tempo correto.
Tabela 2: Resultados dos testes para a amostra de graxa retirada dos rolamentos Usado I e II. Teste Amostra Fresca Usado I Usado II Inspeção Visual Azul, inodor e
consistência normal Preta, inodor e consistência normal Preta, inodor e consistência normal Consistência Classe (Grau NLGI) 3 3 3
Variação (%) --- 0 0
Sangria
Diâmetro médio (mm) 22,0 25,5 19,25
Área molhada (mm²) 301,44 431,95 212,39
Variação (%) --- +43,3 -29,5
Contaminação Nada encontrado
Partículas carbonizadas e partículas metálicas
Poucas partículas carbonizadas
O craqueamento térmico ocorre quando a energia absorvida pelas moléculas do fluido é capaz de quebrar as ligações intermoleculares existentes e, através de um rearranjo, formar novas interações [Mariano, 2001]. Assim, a viscosidade que é definida como a resistência ao escoamento molecular, diminui de forma irreversível.
Em rolamentos lubrificados a graxa, para ter a condição de lubrificação elastohidrodinâmica (ideal), é preciso que o óleo base tenha quantidade e viscosidade cinemática ideal. Quando os valores são inferiores ao necessário, surge a condição de lubrificação mista ou limítrofe (lubrificação deficiente) que é responsável pelo aumento da taxa de desgaste.
No rolamento I não houve elevação da consistência provavelmente em função da existência de um elevado número de partículas carbonizadas, assim como da elevada concentração de ferro (desprendimento de material ocasionado pelas micro-soldas) diagnosticada na espectrometria. Como o método utilizado para verificar a consistência é baseado no cisalhamento do fluido entre lâminas de vidro, logo esse material de natureza sólida, foi
responsável por gerar um alto coeficiente de atrito, interferindo no cisalhamento do fluido e posteriormente no deslocamento das lâminas.
A análise físico-química realizada no rolamento I, comprovou o elevado nível de desgaste existente através das altas concentrações de elementos químicos de natureza de desgaste. Também foi verificada, por meio do ensaio qualitativo de morfologia de partículas, a presença de materiais de desgaste com elevada micragem.
Já o rolamento II, a amostra de graxa analisada no kit TKGT 1 não evidenciou variações que levassem a considerar que a amostra apresentou falhas no período de uso. A liberação de óleo de qualquer amostra de graxa ocorre em função do tempo de uso devido ao seu mecanismo de funcionamento. A variação de 29,5% foi normal, não havendo a necessidade de tomar medidas corretivas.
A análise físico-química realizada, não apresentou sinais de desgaste tribológico representativo. A concentração de ferro evidenciada foi gerada, provavelmente, durante o procedimento de coleta da amostra.
Neste caso é necessário apenas acompanhar as condições da graxa, relubrificando de acordo com o tempo recomendado. Desse modo, o equipamento não sofrerá nenhum dano inesperado devido a falhas na lubrificação e, portanto, evitar imprevistos.
Na Figura 14, tem-se as marcas da pista interna do rolamento W209PP Usado I. A presença de flauteamentos (arranhões), crateras, micro-soldas e corrosão nas pistas do rolamento são devido a corrente parasita circulando pelo eixo (shaft current) [Costello, 1991] e [Sohler, 1998]. Na Figura 15 tem-se as marcas da fuga de corrente em forma de estria no rolamento W209PP Usado II.
Fig. 14: Rolamento Usado I. Fig. 15: Rolamento Usado II.
A passagem desse fluxo de corrente pelo rolamento gera arcos elétricos repetitivos provocando aquecimento localizado [Kowal,1999]. Consequentemente esse fluxo de calor afetou as propriedades da graxa: redução da viscosidade por craqueamento e quebra da resistência dielétrica, por exemplo [Sohler, 1998], rolamento usado I. CONCLUSÃO
Os resultados mostram a eficiência do monitoramento das condições dos rolamentos através da análise de graxa e análise de vibração. Essas técnicas preditivas são valiosas para empresas que objetivam reduzir tempo com paradas e economizar custos com manutenção.
Comparando o kit SKF TKGT 1 com a análise físico-químicas laboratoriais e análise de vibração, fica evidente que com esse analisador de graxa, é possível obter e monitorar o estado de conservação do equipamento e da graxa. Outra vantagem é a economia com análises laboratoriais desnecessárias, ou seja, para as amostras que ainda estejam adequadas para uso.
Percebe-se que os testes são rápidos e eficientes, permitindo ao profissional da área de manutenção ter uma boa compreensão da condição da graxa e do equipamento, e assim tomar decisões diretamente em campo. Dessa maneira, a confiabilidade e a disponibilidade do maquinário atingem níveis ideais exigidos pelo mercado atual.
Em ambos os rolamentos a Análise de Graxa detectou presença de partículas carbonizadas o que evidencia a passagem de corrente pelo mesmo. Com a utilização da Análise de Vibração e Inspeção Visual pode-se confirmar o problema.
Fica evidente também, pelo resultado da análise de graxa e inspeção visual, que o rolamento usado I apresenta o problema em nível mais elevado do que o rolamento usado II. Basta olhar o acentuado desgaste na pista do mesmo.
Através dos testes realizados é possível afirmar que tanto a Técnica do Envelope como a Análise de Graxa se mostraram muito eficientes na detecção da falha. Sugere-se que as mesmas sejam incluídas em um programa de Manutenção Preditiva.
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