AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Mauro Hugo Mathias
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá
Programa de Pós-graduação em Mecânica
Área de Projetos
AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Capítulo 1 – Introdução e conceitos
Introdução e conceitos
Conteúdo do capítulo
Neste capítulo efetuaremos o estudo de:
1.1 – Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas;
1.2 – Conceitos de processamento de sinais;
1.3 – Diagnóstico de máquinas em condições operacionais;
1.4 – Normas Técnicas.
AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Capítulo 1.1 - Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Estratégias de manutenção na indústria
Na indústria atual existem basicamente 3 tipos de estratégias de
manutenção:
• Corretiva (Produzir até quebrar) – Método tradicional onde a máquina
produz até que um defeito ocorra e a forçe a parar para manutenção;
• Preventiva (Intervalos de tempo) – Paradas de manutenção ocorrem a
intervalos regulares menores que o “tempo entre falhas” especificado para
os componentes substituídos. Evita paradas inesperadas porém pode
significar substituição de componentes antes do fim da vida útil;
• Preditiva (Baseada na condição) – Baseia-se no monitoramento de
componentes da máquina buscando identificar variação de parâmetros de
funcionamento que indiquem início e desenvolvimento de uma falha,
efetuando a manutenção antes da quebra do componente.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Manutenção corretiva
Manutenção corretiva é a atividade de manutenção necessária para
corrigir uma falha que já ocorreu.
Esta atividade consiste na reparação, restauro ou substituição de
componentes para recolocar a máquina em funcionamento.
Em geral a parada não programada da máquina resulta
em custos de pessoa, interrupção de linha e
dependendo do momento em que ocorre pode resultar
em altos custos.
Via de regra, quando uma manutenção corretiva se
inicia não se sabe quando ela vai acabar, por isso é a
mais onerosa das manutenções.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Manutenção preventiva
Manutenção preventiva é uma manutenção planejada no tempo que
previne a ocorrência corretiva, o que implica na parada não planejada das
máquinas.
Os programas mais comuns de um plano de manutenção preventiva são:
• Lubrificação
• Ajustes
• Troca de peças
• Recondicionamentos de máquinas para toda a planta industrial.
Devido a considerar intervalos de tempo corre-se o risco de trocar peças
boas que ainda poderiam funcionar por mais algum tempo.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Manutenção preditiva
Manutenção preditiva apresenta vantagens de evitar a quebra prematura
do componente e também permitir a maximização de sua vida útil.
Através do monitoramento e uso de alarmes pode-se antecipar a
ocorrência da falha e efetuar a manutenção, evitando a ocorrência da
falha.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Monitoramento de máquinas
As etapas de um monitoramento:
1 - Avaliação do equipamento
2 – Definição do padrão
de monitoramento
3 – Determinação da
técnica de monitoramento
6 – Implementar correções
no plano de monitoramento
5 – Criação de um banco
de dados da máquina
4 – Implementação
da coleta de dados
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Monitoramento de máquinas
Avaliação do equipamento:
• Identificar qual equipamento tem maior impacto na produção;
• Presença ou não de sistemas de auto-supervisão;
• Obtenção dos índices de MTBF (Mean Time Between Failures) e MTTR
(Mean Time To Repair) dos componentes críticos da máquina;
• Identificar quais os pontos no equipamento são mais acessíveis para a
montagem de sensores e transdutores;
• Buscar por dados históricos ou análises de risco dos equipamentos, por
exemplo o FMEA da máquina.
1
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Monitoramento de máquinas
2
Definição do padrão de monitoramento:
Traçar o perfil da taxa de falhas no tempo dos componentes.
Perfil
Tipo
Monitoramento
Aumento gradual
Aplicar monitoramento com nível de alarme baixo para
identificar o momento de manutenção;
Mortalidade infantil
Aplicar testes iniciais de stress (burn-in) e monitoramento
durante a vida útil.
Poucas falhas
quando novo
Aplicar monitoramento durante toda a vida útil do
equipamento
Curva da banheira
Aplicar testes iniciais de stress (burn-in) e monitoramento
durante a vida útil com nível de alarme baixo.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Monitoramento de máquinas
3
Determinar a técnica de monitoramento:
Identificar qual parâmetro será monitorado e técnica a ser utilizada.
Métodos
Exemplo de equipamento a ser aplicado
Análise de
vibrações
Máquinas rotativas em geral: motores, redutores, compressores,
bombas, ventiladores, rolamentos e engrenagens.
Análise óleo
Redutores, circuitos hidráulicos e motores
Termografia
Caixas de distribuição de energia, equipamentos de alta-tensão e
componentes eletrônicos
Ultra-som
Equipamentos pneumáticos e máquinas de fluxo
Corrente
elétrica
Motores elétricos
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Monitoramento de máquinas
Implementação da coleta de dados:
• Nesta etapa são efetuadas as coletas de dados do equipamento;
• Nas primeiras coletas de dados, quando ainda não se possui histórico da
máquina é conveniente a utilização de mais sensores distribuídos pelo
equipamento e diminuir o tempo entre retirada de amostras;
• No início do monitoramento podem ocorrer falhas inesperadas em função
de componentes não monitorados ou que possuíam falhas de fabricação
ou instalação.
4
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Monitoramento de máquinas
Criação do banco de dados da máquina:
Com base nos dados coletados na etapa anterior e nas etapas de
manutenção cumpridas, pode-se criar um histórico do monitoramento.
• Total de máquinas monitoradas;
• Condição dos equipamentos após o enquadramento nos seus respectivos
alarmes (gráfico demonstrativo);
• Tipos de defeitos encontrados (gráfico demonstrativo);
• Resumo geral da condição de equipamento;
• Recomendações e observações de como eliminar os problemas
encontrados.
5
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Monitoramento de máquinas
Implantar correções no plano de monitoramento:
Com base nas informações coletas é possível:
• Diminuir ou aumentar o tempo entre coletas de amostras;
• Alterar a técnica de análise dos dados;
• Identificar correções a serem efetuadas no equipamento;
• Utilização de outros tipos de sensores.
6
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Indicadores de estado das máquinas
Após a criação do primeiro banco de dados das máquinas, é necessário
identificar quais indicadores apropriados para as medições periódicas. Tais
indicadores devem possuir as seguintes características:
• Progredir com o defeito permitindo a definição de níveis de alarme;
• Ser pouco sensíveis, as mudanças de carga nos eixos, a perturbação por
fontes externas, e as características dos sensores, etc;
• Se medidos em duas falhas iguais porém em locais diferentes devem
permitir comparação dos valores antes e depois das falhas.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Monitoramento Permanente x Intermitente
Necessidade de monitoramento permanente:
•
Máquinas críticas que possuem transdutores de vibração permanentes
e continuamente monitoradas;
•
Equipamentos que podem sofrer mudanças rápidas nas condições de
operação que podem preceder falhas graves;
•
Máquinas que não possuem equipamento reserva.
Vantagens:
•
Permite reação muito rápida a mudanças abruptas e permite proteger
equipamentos de maior valor;
•
É a melhor forma de proteção para falhas não previsíveis.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Monitoramento Permanente x Intermitente
Desvantagem do monitoramento permanente:
•
Custo elevado de equipamentos e pessoal – Este monitoramento é
aplicado para máquinas críticas;
•
Onde os transdutores forem proxímetros estes tem que ser montados
dentro da máquina no estágio de projeto, assim modificações em
máquinas existentes algumas vezes são proibitivas;
•
O tempo de reação deve ser muito rápido, requerendo para tanto
técnicas simples de monitoramento baseadas no acompanhamento do
nível de vibração global e da fase.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Monitoramento Permanente x Intermitente
Monitoramento intermitente:
•
Aplicado a processos mais estáveis, onde os períodos de coleta de
dados possibilitam identificar mudanças nas características do processo
e ativar alarmes de manutenção;
•
Reduz custo de implementação, equipamento e pessoal;
•
A desvantagem é não conseguir identificar mudanças rápidas dos
parâmetros e falhas não previsíveis, para estes casos deve-se utilizar
monitoramento permanente.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Monitoramento de máquinas
Dentro do ciclo do monitoramento apresentado, atualmente as duas
grandes frentes de análise da condição de máquinas são:
• Análise de lubrificante – Consiste na
avaliação do óleo lubrificante utilizado na máquina
em busca de partículas em suspensão e contaminantes;
• Análise de vibração – Consiste na avaliação dos níveis
de vibração de componentes da máquina, também
chamados de “assinatura de vibração”.
O desenvolvimento das falhas altera o comportamento
destes sinais e podem ser utilizados como indicativo
da progressão da falha.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Análise de lubrificantes
A análise de óleo procura identificar as condições do lubrificante e
identificar a presença de partículas em suspensão no lubrificante.
Existem basicamente duas técnicas de análise:
a) Ferrografia: Investigação microscópica dos fragmentos em suspensão
para determinar o tipo e a localização das falhas;
b) Espectrografia: Amostras de lubrificantes passam por análise química
para determinar a presença de materiais que possam ser resultado de
abrasão entre os componentes.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Análise de lubrificantes
A seleção da técnica para análise de pequenas partículas e componentes
da amostra de óleo pode ser feita em função do tamanho da partícula em
análise:
• A Ferrografia
distingue
o
tamanho e forma da partícula
mas possui restrição a pequenos
tamanhos (< 2mm) e identificação
dos componentes da amostra;
• A Espectrometria não distingue
tamanho e forma, mas pode
identificar partículas menores e
quais são os componentes da
amostra.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Análise de lubrificantes
A espectrometria é uma técnica que se baseia na avaliação das
freqüências luminosas emitidas pelos elementos de uma amostra de óleo
quando entram em combustão (cada elemento químico possui a sua
própria freqüência).
Permite a identificação de substâncias metálicas (ferro, cobre, alumínio,
etc.) e contaminações externas (ex: silício).
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Análise de lubrificantes
A Ferrografia baseia-se na avaliação microscópica visual de partículas
extraídas e depositadas em uma lâmina de microscópio chamada de
ferrograma.
Examinando forma, cor, detalhe das bordas, efeitos de um campo
magnético e outros testes como tratamento térmico e adição de reagentes
químicos, pode-se identificar o mecanismo de desgaste.
Essa tecnologia diferencia o tipo de material contido na amostra e
determina o componente de desgaste a partir do qual ele foi gerado.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Análise de lubrificantes
O estado do óleo pode ser analisado de forma mais ampla para indicar
outras anormalidades:
INDICAÇÃO
CAUSA PROVÁVEL
AÇÃO SUGERIDA
Espuma
Agitação excessiva ou
passagem sob pressão
através de uma restrição.
Verificar o sistema
Emulsão
- Separa-se naturalmente
ou por Centrifugação
Contaminação por água
Drenar a água
Trocar o óleo
Escurecimento
Oxidação do óleo
Temperatura elevada
Produtos de combustão
em contato com o óleo
Trocar o óleo
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Análise de vibração
Um corpo é dito estar vibrando quando ele descreve um movimento de
oscilação em torno de uma posição de referência.
O número de vezes de movimento completo (Ciclos) efetuados no período
de 1(um) segundo é chamado de freqüência e medido em hertz (Hz).
A análise de vibrações busca por indícios (mudanças) de amplitude e
freqüências nos sinais coletados que são indícios de alteração no
funcionamento do equipamento.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Análise de vibração
A análise da vibração consiste em identificar freqüências específicas no
espectro de freqüência dos sinais coletados das máquinas em
funcionamento a fim de identificar antecipadamente falhas do sistema.
Um sinal no domínio do tempo não demonstra claramente quais as falhas
de um equipamento. O processamento dos sinais e visualização no
domínio da freqüência é necessário para melhor identificação das
freqüências que pode, indicar uma falha do equipamento.
Sinal no domínio do tempo
Sinal no domínio da freqüência
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Análise de vibração
Vantagens da análise de vibrações:
• Os sinais coletados identificam prontamente a mudança da condição dos
equipamentos;
• É capaz de detectar avaria na sua fase inicial, quando ainda não gerou
danos graves no equipamento;
• Pode (e deve) ser aplicado com a máquina em funcionamento;
• Na maioria dos casos permite identificar o componente que está gerando
a vibração;
• Alguns equipamentos de coleta de dados (ex: coletores portáteis) e
sensores tem tamanho pequeno e portanto facilidade para uso em campo;
• Permite monitoramento intermitente ou permanente.
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Análise de vibração
Entre os modos de falha que podem ser identificados por análise de
vibração estão:
• Defeitos de rolamento;
• Desbalanceamento e desalinhamento;
• Excentricidade;
• Interferência;
• Erosão localizada;
• Abrasão;
• Ressonância;
• Folgas;
Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas
Análise de vibração
As principais técnicas de análise de vibração utilizadas para o diagnóstico
de máquinas são:
• Deslocamento, velocidade e aceleração global;
• Fator de crista (Crest factor);
• Análise no domínio do tempo;
• Análise espectral;
• Análise do Envelope;
• Curtose.
Estas técnicas serão detalhadas nos capítulos posteriores.