Módulo 1 - Fundamentos da Vibração
Dentro de Fundamentos da Vibração temos de uma forma simples a familiarização com
conceitos muito importantes ao longo de nosso curso, tais como: Período, Freqüência,
Freqüência Natural e Ressonância. O bom entendimento desta primeira parte irá refletir
diretamente no entendimento das fases seguintes.
1.1 O que é Vibração
Um corpo vibra quando descreve um movimento oscilatório em relação a um
sistema de referência. Ou seja, vibração pode ser definida como um movimento
de oscilação de um corpo em torno de sua posição de equilíbrio.
Todos nós podemos sentir as vibrações. Percebemos a vibração do solo causada
pelo impacto de uma prensa.
Um pêndulo percorre sua trajetória 30 vezes por minuto, então sua freqüência é de
30 oscilações por minuto.
Concluímos que a freqüência de um movimento vibratório é o número de
oscilações completas, por intervalo de tempo.
A freqüência é usualmente utilizada em unidades Hz ciclos/ segundos. Se houver
ruído a freqüência é uma escala que indica a intensidade sonora.
O mesmo pêndulo oscila a cada 2 segundos. Isso é um ciclo ou oscilação
completa.
O período de um pêndulo é o tempo que ele gasta em uma vibração completa.
Voltemos ao exemplo da prensa, se a prensa atinge a mesa 10 vezes a cada
segundo, dizemos que a freqüência de trabalho da prensa é de 10 ciclos por
segundo.
Assim o período de trabalho da prensa é o tempo gasto em um ciclo apenas.
Na prática, é muito difícil evitar a vibração. Geralmente ela ocorre por causa dos
efeitos dinâmicos de tolerâncias de fabricação, folgas, contatos, o atrito entre peças
de uma máquina e, ainda, devido a forças desequilibradas de componentes
rotativos e de movimentos alternados. É comum acontecer que vibrações
insignificantes excitem as freqüências de outras peças da estrutura, transformandose em vibrações e ruídos indesejados.
Entretanto, às vezes, a vibração mecânica realiza um trabalho útil. Por exemplo,
podemos provocar a vibração intencionalmente em dispositivos alimentadores de
componentes ou peças numa linha de produção, em compactadores de concreto,
em banhos de limpeza ultra-sônicos, em britadores e bate-estacas. Máquinas
vibratórias de ensaio são bastante usadas para transmitir um certo nível controlado
de Vibração aos conjuntos e subconjuntos.
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1.2 Modelos
Na análise de vibrações em máquinas é importante definir o modelo
representativo da dinâmica de máquinas. Diferentes técnicas de modelagem
podem ser adotadas. Para efeito de análise será considerado o modelo que
descreve o comportamento do sistema em termos dos elementos físicos, massa,
mola e amortecedor, pois todo sistema mecânico possui massa, rigidez e
amortecimento, semelhante ao sistema massa-mola.
Esse sistema possui um ponto de equilíbrio ao qual chamaremos de ponto zero
(0). Toda vez que tentamos tirar o nosso sistema desse ponto zero (0), surge uma
força restauradora da mola que tenta trazê-lo de volta a situação inicial.
O Grau de Liberdade indica o número de coordenadas necessárias para
descrever o movimento de um dado sistema. As coordenadas podem ser de
movimento linear (translação) e angular (rotação).
Os modelos podem ser simples de um grau de liberdade, ou seja, se movimentam
em apenas uma direção, e complexos quando descritos por vários graus de
liberdade, ou seja, têm a possibilidade de se movimentaram em várias direções.
Sistemas vibratórios reais normalmente são complexos, e podem ter muitos graus
de liberdade. Portanto os movimentos devem ser descritos através de diferentes
coordenadas que caracterizarão os movimentos de rotação e translação. As
coordenadas são usadas para identificarmos o movimento no espaço.
Para saber mais sobre Vibração Livre, Vibração Forçada e Vibração Amortecida,
clique sobre o tópico correspondente na janela acima e visualize graficamente o
comportamento de diferentes características de carregamento sobre o sistema
massa-mola-amortecedor.
Vibração Livre
Este tipo de vibração ocorre em situações em que a massa do sistema estrutural é
deslocada de sua posição de equilíbrio e então liberada.
Vibração Amortecida
Este é o caso real, geralmente não gostamos das vibrações e usamos
amortecedores para amortizar a amplitude das vibrações.
Vibração Forçada ou Regime Permanente
Este tipo de vibração ocorre quando uma força persistente atua a todo instante no
sistema.
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1.3
Parâmetros
Um sistema de um grau de liberdade excitado por uma força senoidal apresenta
uma resposta caracterizada por movimento harmônico simples.
Qualquer movimento periódico é composto por uma série de movimentos
harmônicos simples, cada um deles descrito por uma função senoidal.
Freqüência - Número de ciclos que ocorrem em um dado intervalo de tempo.
Período - Tempo para que o corpo execute um ciclo completo do movimento.
Amplitude, Magnitude ou tamanho do movimento vibratório - As unidades de
medida a serem empregadas dependem de qual grandeza esta sendo usada:
Deslocamento, Velocidade e Aceleração.Aqui a amplitude máxima ou Valor de Pico
é de 5 mm, o valor Pico a Pico desse movimento é de 10mm.
1.4 Freqüência Natural
Freqüência Natural
A freqüência de uma vibração livre é uma característica do sistema denominada
Freqüência Natural e depende basicamente da sua distribuição de massa e rigidez.
Ou seja, a freqüência natural é uma propriedade intrínseca do sistema. Para uma
máquina as freqüências naturais são aquelas em que ela vibrará livremente após
um impacto. È a freqüência na qual ela "tende" a vibrar, quando excitado por
alguma força. Em um sistema de um grau de liberdade com rigidez k e massa m a
freqüência natural é dada pela expressão:
Wn = k/m (rad/seg)
Da expressão Wn = k/m (rad/seg), verificamos a variação da amplitude do
deslocamento e do período com a variação da massa do sistema.
Nesse exemplo verificamos experimentalmente como a amplitude e o período
variam com o aumento da massa do sistema.
Percebemos que a freqüência natural se reduz pela metade quando aumentamos a
massa do sistema em quatro vezes
Wn1 =
k/m ;
Wn2 =
k/4m; Wn2 = 1/2 k/m; Wn2 = 1/2 Wn1
Ressonância
Quando a freqüência de uma das forças gerada pelo funcionamento de uma
máquina é igual a uma de suas freqüências naturais, ocorre uma ressonância e a
amplitude da vibração nessa freqüência será muito maior do que a natural.
Porém, ressonância é uma condição especial onde alguma força externa excita
continuamente alguma freqüência natural do objeto, agravando os seus níveis de
vibração.
Em outras palavras, ressonância é uma condição em que uma força é aplicada a
um objeto com uma freqüência muito próxima ou igual a uma das freqüências
naturais do objeto.
O resultado de uma condição de ressonância é um grande aumento da amplitude.
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Uma condição de ressonância pode afetar o desempenho dos equipamentos e a
qualidade dos produtos. Portanto para evitar essa situação os equipamentos são
projetados de forma a trabalharem em regiões distantes de suas freqüências
naturais, normalmente as faixas de trabalho se encontram em altas rotações e as
freqüências naturais estão nas baixas rotações.
1.5 Ressonância Grandezas Relacionadas
As grandezas utilizadas para quantificar os níveis de vibração de um sistema são:
deslocamento, velocidade e aceleração. Através destas grandezas o grau de
severidade da vibração em um sistema pode ser avaliado.
Deslocamento
Em sistemas vibratórios o deslocamento é uma grandeza que indica o quanto um
corpo desvia de sua posição de equilíbrio. A unidade de deslocamento no sistema
internacional é o metro (m), no diagnóstico de máquinas a unidade é o mícron
(0,001mm).
Velocidade
Indica quão rápido o corpo esta se movendo. A unidade no sistema internacional é
metros por segundo (m/s), ou (mm/s).
Aceleração
A aceleração de um corpo está relacionada com as forças que causam a vibração.
A unidade de aceleração no sistema internacional é o metro ao quadrado por
segundo (m/s2).
Na situação de máquinas operando em baixa velocidade, ou seja, rotação menor
que 600 rpm é recomendável utilizar o deslocamento como parâmetro de análise
da severidade da vibração. Assim a aceleração é preferível no diagnóstico de
máquinas operando em altas velocidades. Quando o aspecto do sinal é
desconhecido, recomenda-se iniciar a análise através da velocidade.
Na prática o uso do acelerômetro, o qual é um sensor de medida de aceleração, é
bastante usual. Com o sinal de aceleração, a velocidade e o deslocamento podem
ser obtidos facilmente.
Podemos dizer que a melhor grandeza utilizada para medir os níveis de vibração
são aqueles que nos apresentam as maiores amplitudes.
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Módulo 2 – Representação do Movimento Vibratório
Aqui entenderemos os principais domínios que o movimento vibratório pode ser
exibido, ou seja, os espectros de vibração. A familiarização desse conceito deve ser
feita de maneira clara e didática para que se torne duradoura visto que a implantação
de uma análise preditiva se baseia na análise dos espectros. Aprenderemos suas
principais diferenças, inclusive pela visualização de seus sinais característicos.
2.1 Domínios da Vibração
Há dois métodos principais de exibir o movimento vibratório:
• No domínio do Tempo
• No domínio da Freqüência
Esses dois domínios simplesmente observam o mesmo sinal dinâmico de dois
diferentes ângulos.
O domínio do tempo é uma exibição bidimensional de amplitude no eixo vertical
com o tempo ao longo do eixo horizontal, enquanto o domínio de freqüência vê a
amplitude no eixo vertical com freqüência exibida no eixo horizontal. Pense
nesses dois domínios como duas janelas colocadas a 90° uma da outra como
ilustrado na figura acima.
Domínio do Tempo
A forma de onda é a representação do sinal no domínio do tempo. Ela mostra o
que esta acontecendo a cada instante. O exame da forma de onda pode revelar
detalhes importantes das vibrações que não são visíveis nos espectros de
freqüência. Sua principal aplicação é identificar a ocorrência de eventos de curta
duração, como impactos, e determinar sua taxa de repetição.
Domínio da Freqüência
Analisar a própria forma de onda no tempo pode ser muito trabalhoso, incômodo e
muitas vezes inviável, quando existem muitas componentes de sinal, ou seja, caso
a pessoa de manutenção não possua conhecimentos amplos e completos do
equipamento e seus sinais analógicos, uma alteração não apresentará significado
imediatamente interpretado pelo mesmo.
Neste caso é necessário empregar uma exibição no domínio da freqüência. Essa é
uma das técnicas mais poderosas para o monitoramento das condições das
máquinas. Os instrumentos de manutenção preditiva com capacidade de
diagnóstico devem exibir vibrações no domínio da freqüência. A descrição dessa
forma é denominada forma espectral ou simplesmente espectro da vibração.
Para simplificar esse processo, os modernos analisadores de vibração utilizam a
Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transform). Uma FFT é uma
transformação de dados do domínio do tempo (amplitude em função do tempo)
em dados de domínio de freqüência (amplitude em função da freqüência), feita por
um computador (microprocessador). Podemos, nesse domínio, verificar qual
espectro de freqüência é mais relevante no espectro global de vibração.
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2.2 Classificação dos Sinais Estacionários
Sinais Estacionários são aqueles que mantém as características ao longo do
tempo. São classificados em:
Determinísticos;
Aleatórios.
Sinais Determinísticos
São descritos por uma relação matemática explícita. O movimento de componentes
de sistemas mecânicos podem consistir de um sinal caracterizado por uma única
freqüência ou de sinais que contenham várias componentes, ocorrendo diferentes
freqüências simultaneamente.
Sinais determinísticos podem ser decompostos em n componentes de freqüência,
sendo a primeira componente a freqüência fundamental.
A senóide é um caso particular de sinal determinístico que contém somente a
freqüência fundamental.
Sinais Aleatórios
Não são representados por relações matemáticas explícitas, mas podem ser
analisados através de ferramentas estatísticas (médias, desvio padrão,
probabilidade, etc...).
Um sinal aleatório é aquele cujo valor num instante futuro não pode ser previsto
através de uma relação matemática explícita. Sinais aleatórios são aqueles que
não tem componentes periódicos e harmônicos relacionadas. A análise de sinais
aleatórios requer o uso de ferramentas estatísticas. O espectro de um sinal
aleatório estacionário apresenta uma distribuição contínua com a freqüência.
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Módulo 3 – Transdutores de Vibração
Os transdutores de vibração são instrumentos de extrema importância na medição de
sinais, pois eles traduzem uma forma de energia em outra ou uma grandeza física,
química em outra. Em nosso contexto, traduzem um sinal mecânico do equipamento
medido em um sinal elétrico capaz de ser medido e, principalmente, analisado.
3.1 Tipos de Transdutores
A medição de vibrações consiste simplesmente em transformar o sinal mecânico
originado pelas vibrações num sinal mensurável. Os transdutores, instrumentos que
traduzem um tipo de forma de energia em outra ou traduzem uma grandeza física,
química em outra, são os dispositivos utilizados para verificação desses sinais. Um
alto-falante, por exemplo, converte energia elétrica em energia sonora, ao passo
que o microfone faz a conversão contrária.
Tendo por base o fenômeno físico utilizado para conversão, é possível ter à
disposição transdutores sensíveis ao deslocamento, à velocidade das partes
móveis e à aceleração.
Os espectros de vibração, forma de leitura dos sinais de vibração, são formados
por componentes de freqüência que irão formar uma curva. As componentes de
freqüência da curva de medição de um transdutor de velocidade necessitam de
uma alteração relativamente menor que as outras para que comece a influenciar
nos níveis de vibração global.
Os transdutores de deslocamento são sensíveis a um movimento relativo, por
exemplo, a distância entre o sensor fixo em um mancal e um eixo vibrando. O
princípio de operação pode ser baseado na eletrodinâmica ou na variação da
capacitância, e são constituídos por uma bobina imersa num campo magnético e
ancorada através de suportes de baixa resiliência.
Este tipo de transdutor apresenta a vantagem de não ter contato com a superfície
que está sendo verificada, opera em freqüências extremamente baixas, e não
possui partes móveis de modo que não apresenta desgaste.
Entretanto, a faixa dinâmica é bastante limitada principalmente devido às variações
nas propriedades magnéticas e elétricas da superfície sendo medida, além das
irregularidades geométricas da superfície sendo ensaiada. Sendo assim, a faixa de
freqüência também é limitada devido ao fato dos deslocamentos serem
extremamente pequenos a altas freqüências.
Os transdutores de velocidade consistem basicamente de bobina enrolada em uma
massa suspensa por uma mola e envolvida por um imã permanente fixo à carcaça.
Este é um sensor absoluto que mede a velocidade de vibração do ponto ao qual é
fixado, com relação a um ponto fixo no espaço.
Os acelerômetros constituem uma classe de transdutores cuja resposta é
proporcional à aceleração, e representam o desenvolvimento presente no campo
da medida e análise de vibrações.
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Acelerômetros Piezoelétricos são os transdutores mais largamente usados para
converter a aceleração do movimento vibratório em um sinal elétrico proporcional,
para propósitos de medição, monitoramento e controle.
Graças a sua grande faixa de freqüência podem ser empregados para medir
vibração senoidal, randômica ou transitória.
Os acelerômetros Piezoelétricos são compostos por uma massa sísmica fixada
sobre um cristal de quartzo ou de material piezoelétrico cerâmico sintetizado que,
por sua vez, é fixado à base do sensor.
Os acelerômetros constituem uma classe de transdutores cuja resposta é
proporcional à aceleração, e representam o desenvolvimento presente no campo
da medida e análise de vibrações.
Acelerômetros Piezoelétricos são os transdutores mais largamente usados para
converter a aceleração do movimento vibratório em um sinal elétrico proporcional,
para propósitos de medição, monitoramento e controle.
Graças a sua grande faixa de freqüência podem ser empregados para medir
vibração senoidal, randômica ou transitória.
Os acelerômetros Piezoelétricos são compostos por uma massa sísmica fixada
sobre um cristal de quartzo ou de material piezoelétrico cerâmico sintetizado que,
por sua vez, é fixado à base do sensor.
3.2 Técnicas de Fixação
Uma das considerações mais importantes com relação à montagem, é seu efeito
sobre a faixa de freqüência utilizável.
Para melhores resultados de medida, especialmente em altas freqüências, é
importante preparar uma superfície lisa e plana na máquina, aonde o acelerômetro
será fixado. Inspecione a área para assegurar que nenhum pedaço de metal ou
outras partículas externas interfiram nas superfícies em contato.
Existem seis tipos de fixação e cada uma delas exerce uma alteração na resposta
útil do acelerômetro. Veja cada um dos tipos de fixação acima.
Prisioneiro
É a montagem que apresenta os melhores resultados e o principal cuidado é com a
fixação da base do acelerômetro no prisioneiro. Recomenda-se torque da ordem de
18kpcm.
Arruela de Mica
Neste caso é necessário que a arruela seja o mais fina possível de modo a
proporcionar um acoplamento satisfatório. O torque máximo recomendado é de
6kpcm.
Camada de Cera
A cera também proporciona um acoplamento satisfatório, no entanto, a medida que
a temperatura se eleva o acoplamento é destruído.
Colagem
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Este acoplamento é bastante adequado quando se quer uma boa montagem e há
necessidade de retirar o acelerômetro de maneira esporádica. / Cola
Magnetização
É o tipo mais utilizado, no entanto, é inadequado quando as acelerações
apresentam uma amplitude igual ou superior a 100g para acelerômetros grandes e
a 200g para acelerômetros pequenos. / Magneto
Extensões (Caneta)
Consiste no uso de extensões e a pressão de contato é manual. Neste método a
freqüência máxima admissível é de 1KHz.
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Módulo 4 – Instrumentação de Medida e Análise de Vibração
Nesta parte do curso daremos continuidade à análise dos sinais de vibração
provenientes dos transdutores. Portanto aqui demonstraremos o modo de
funcionamento dos instrumentos de medida e também os mecanismos que permitem a
visualização do espectro de freqüência proveniente do transdutor.
4.1 Instrumentação
É importante conhecer os instrumentos e os dispositivos que são particularmente
úteis na análise de máquinas e alguma terminologia básica. Essas informações
poderão também propiciar um ponto de partida para a seleção dos instrumentos
mais adequados para uma aplicação específica.
4.2 Sistema de Condicionamento de Sinais
A leitura direta do sinal de saída de um acelerômetro piezelétrico tem uma
significativa perda de sensibilidade. Para eliminarmos esta ocorrência, fazemos o
uso de pré-amplificadores e amplificadores que conseguem transformar os sinais
oriundos do transdutor mais nítidos e confiáveis.
Além disso, os amplificadores podem apresentar amplificação variável e outras
facilidades para o condicionamento do sinal. Vários modelos incluem integradores
para converter o sinal de saída de aceleração em sinais de velocidade ou
deslocamento. Atualmente existem equipamentos com ICP, que tendem a substituir
os amplificadores.
Filtros
Os filtros têm a capacidade de limitar um sinal de vibração em uma faixa ou banda
de freqüência podendo isolá-la para medição ou estudo. Como referência,
podemos imaginar o filtro utilizado nos rádios AM / FM. Quando sintonizamos
alguma rádio, dentre as centenas de ondas que chegam até nossa antena,
estamos utilizando um filtro. Veja nos botões acima alguns exemplos práticos.
Analisador de Freqüência
Um analisador é um medidor de vibrações dotado de filtros específicos que podem
selecionar apenas faixas específicas, podem ser correlacionados à rotação do
equipamento ou então mostrar um espectro em função do tempo de forma
contínua. Cada tipo de analisador apresenta melhores qualidades dependendo do
que se quer medir (limpar sinais na análise de órbitas, balanceamento de eixos,
máquinas que apresentam mudança de rotação, dentre outras).
Alcance Dinâmico
O alcance dinâmico é a diferença de amplitude entre o maior sinal acomodado sem
saturação e o menor sinal detectável, logo acima do nível de ruído. Um grande
alcance dinâmico significa que o instrumento pode mostrar claramente as vibrações
muito pequenas e muito grandes no mesmo espectro, assegurando que picos que
representam defeitos incipientes nas máquinas poderão ser vistos com maior
antecedência.
Em um instrumento com um alcance dinâmico pequeno, o nível de ruído visível
pode ocupar uma porção considerável da exibição, de forma que componentes de
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baixa amplitude são mascarados pelo ruído de máquinas, não sendo mais
discerníveis no espectro.
Resolução, Zoom e Expansão de Freqüência
Na análise de motores elétricos, caixas de engrenagens entre outros equipamentos
existem componentes espectrais de alta freqüência proximamente espaçadas que
devem ser separadas e precisamente identificadas. Isto pode ser conseguido de
duas maneiras:
• Através de alta resolução, geralmente expressa por um grande número de linhas;
• Pela capacidade de zoom, isto é, de concentrar a máxima resolução em uma faixa
de freqüência estreita, escolhida pelo operador.
A capacidade de zoom não deve ser confundida com expansão de freqüência. A
expansão de freqüência envolve a ampliação de parte do gráfico de espectro para
ocupar toda a largura de exibição da tela sem aumento de resolução. Isto é, a
expansão de freqüência não aumenta a precisão de análise e não revela nenhum
pico novo, mas somente torna mais fácil identificar visualmente os picos no gráfico
do espectro.
4.3 Coletores de Dados FFT
Os coletores de dados FFT (Fast Fourier Transform) são instrumentos básicos em
um Programa de Manutenção Preditiva. Esses instrumentos estão disponíveis em
muitos modelos e configurações, e a escolha de qual utilizar depende do tipo de
análise necessária para as máquinas a serem monitoradas.
O coletor de dados de preditiva combina a habilidade para medir vibração e
analisar espectros com armazenamento automático. Possui recursos de
comunicação com microcomputadores, para receber rotas com todas as condições
de medição programadas e transferir os resultados das medições.
A demodulação aumenta a capacidade de detecção antecipada de certos defeitos
porque melhora a faixa dinâmica efetiva do analisador em medições de sinais de
baixo nível e alta freqüência relacionados com esses defeitos, que podem ser
mascarados num espectro comum por sinais de baixa freqüência, que geralmente
possuem amplitude muito mais elevada. Indicamos acima o sistema utilizado por
um demodulador.
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Módulo 5 – Cadastro de Equipamento, Preparação e Coleta
Com base na experiência acumulada por vários especialistas em medida de análise de
vibrações, serão apresentadas sugestões para montagem de bancos de dados e
definição das condições de medida e análise e dos limites admissíveis de vibração,
assim como procedimentos para a execução correta das medições.
5.1 Evolução das Atividades de Manutenção
Manutenção Corretiva - com atuação somente após a ocorrência da falha.
Manutenção Preventiva - programando-se paradas com periodicidade determinada
por estudos estatísticos.
Manutenção Preditiva - definição antecipada das intervenções a partir do
conhecimento da real condição de funcionamento das máquinas. Através da
aplicação sistemática de técnicas de monitoração, tais como:
• Análise de Vibrações
• Análise de Corrente Elétrica e Fluxo Magnético
• Análise de Lubrificantes (Tribologia)
• Ultra-Som
• Termografia
5.2 Manutenção Preditiva
Manutenção Preditiva é aquela que indica as condições reais de funcionamento
das máquinas com base em dados que informa o seu desgaste ou processo de
degradação. Trata-se da manutenção que prediz o tempo de vida útil dos
componentes das máquinas e equipamentos e as condições para que esse tempo
de vida seja bem aproveitado.
Benefícios da Manutenção Preditiva:
•
Eliminação das trocas de componentes e das intervenções preventivas
desnecessárias;
•
Diminuição dos custos e prazos das intervenções, através do conhecimento
antecipado dos defeitos a serem corrigidos;
•
Aumento da segurança operacional e disponibilidade dos equipamentos, com
redução dos riscos de acidentes e interrupções inesperadas de produção;
•
Redução das quebras de equipamentos em operação, que provocam danos
secundários em muitos componentes;
•
Determinar antecipadamente a necessidade de serviços de manutenção numa
peça específica de um equipamento;
•
Eliminar desmontagens desnecessárias para inspeção;
•
Aumentar o tempo de disponibilidade dos equipamentos;
•
Reduzir o trabalho de emergência não planejado;
•
Impedir o aumento de danos;
•
Aumentar o grau de confiança no desempenho de um equipamento;
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•
Aproveitar a vida útil total dos componentes de um equipamento;
•
Determinar previamente as interrupções de fabricação para cuidar dos
equipamentos que precisam de manutenção.
Implantação da Manutenção Preditiva Usando Análise de Vibração Mecânica
Em linhas gerais, o planejamento da implantação desta técnica de diagnose deve
ser iniciada com o domínio da tecnologia e acompanhamento das máquinas
consideradas críticas para o processo produtivo. O sistema de gerenciamento é
constituído de um coletor de dados e um respectivo software.
Implantação da Manutenção Preditiva Usando Análise de Vibração Mecânica
Para a implantação desta tecnologia é necessário suporte e divulgação das áreas
de manutenção, uma vez que serão gerenciados através dos recursos disponíveis
nas manutenções de área. Portanto, o planejamento (definição dos níveis de
vibração, periodicidade das medidas, etc.), acompanhamento histórico,
diagnósticos e a decisão de onde e quando intervir são atribuições da manutenção
de área.
Razões Econômicas
De uma maneira geral, a aplicação de programas de Manutenção Preditiva em
indústrias de processo resulta em reduções da ordem de:
•
2/3 nos prejuízos com paradas inesperadas de produção;
•
1/3 nos gastos com a manutenção.
5.3 Implantação da Manutenção Preditiva
•
•
•
•
•
Levantamento de Dados - cadastro dos equipamentos a serem monitorados e
dos seus dados básicos de projeto e funcionamento necessários para avaliação
e interpretação dos resultados das medições.
Testes Preliminares - medições e análises detalhadas do comportamento das
máquinas, visando:
Definir: grandezas de medida, alarmes, procedimentos de medição e análise,
roteiros de coleta de dados;
Estabelecer referências para posterior acompanhamento das condições de
funcionamento ("baselines").
Medições Sistemáticas, registro avaliação e análise periódica das grandezas
monitoradas, para detectar e diagnosticar falhas de funcionamento e orientar as
intervenções corretivas.
Definir Alvo do Programa
• Identificar os Equipamentos Críticos, máquinas que tem histórico de
manutenção crônico e/ou problemas recorrentes;
• Importância no Processo Produtivo, ou seja, máquinas que reduziriam
significativamente ou parariam as operações na planta;
• Disponibilidade de Sobressalente, máquinas que devem ser programadas para
conserto devido ao excessivo tempo de espera (lead Time) exigido para se
obter peças de reposição;
• Disponibilidade de Reserva;
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•
•
•
•
Condição de Operação da Máquina;
Valor do Investimento;
Custo do Reparo;
Duração do Reparo (Incluindo Retomada de Produção).
Determinar os Métodos de Coleta
Monitoramento Periódico (Baseado em Rotas)
• Fácil Acesso;
• Deslocamento de Pessoal;
• Equipamentos de Uso Geral;
• Coleta Manual;
• Medição Periódica (Tipicamente Mensal).
Monitoramento Permanente (On-line)
• Equipamentos Críticos;
• Áreas Inacessíveis ou Inseguras;
• Instalação de Sensores;
• Monitoração Automática;
• Intervalo Curto entre Medições (de 20 seg a on-line).
Criar Banco de Dados
Levantar Dados Básicos das Máquinas:
• Localização do Equipamento (Posto);
• Identificação (Número de Patrimônio / TAG);
• Descrição;
• Velocidade (rpm, mps);
• Potência (cv, W);
• Especificação de Rolamentos;
• Número de Dentes de Engrenagens;
• Número de Pás de Máquinas de Fluxo.
Informações sobre os equipamentos
Devemos criar jogos de parâmetros, como bandas de freqüência, que nos
permitam distinguir cada um dos defeitos que possam surgir durante o
funcionamento da máquina. Dessa forma, a evolução de cada defeito poderá ser
acompanhada individualmente, através de Curvas de Tendência das respectivas
bandas ou parâmetros:
• Nomenclatura para Fácil Identificação;
• Descrição;
• Tipo de Sensor (Típico: Acelerômetro);
• Grandeza de Medida (Típica: Velocidade);
• Parâmetros para Análise (Bandas, Resolução, Médias);
• Limites de Alarme (Valores Aceitáveis).
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Localização dos Pontos de Medida
Normalmente as medições são realizadas nas carcaças dos mancais. È através
dos mancais que os esforços gerados pelo funcionamento da máquina são
transmitidos à estrutura. Por essa razão, as vibrações medidas junto aos mancais
são menos influenciadas pelas características dinâmicas da estrutura e são mais
representativas da condição dos componentes rotativos da máquina do que as
vibrações medidas em outros pontos.
Assim, as posições 1, A ou O (outboard) são reservados para o mancal externo de
um motor, as posições 2, B ou I (inboard) são reservadas para o mancal interno.
Para posição 1, a localização horizontal é identificada como 1H ou AH ou MOH e
para a posição 2, a posição horizontal é identificada como 2H, BH ou MIH. O
mesmo se aplica para identificar as medições verticais e axiais e todas as outras
posições.
Coleta de Sinais
Anteriormente a Coleta de Sinais, alguns pontos devem ser Discutidos:
• Análise Preliminar de Risco (Pessoal e Instrumental);
• Condições Técnicas de Medição;
• Avaliar o Método de Medição mais Adequado;
• Avaliar Pontos de Medição;
• Levantamento de Dados de Projeto das Máquinas.
Coletar de Sinais
Vantagens da Monitoração Contínua ou Permanente:
• Muito mais segurança para os equipamentos críticos;
• Detecção automática de falhas incipientes;
• Notificação imediata de condições de alarme;
• Histórico detalhado sempre disponível para diagnóstico;
• Tendência de alta resolução sempre disponível para prognóstico.
Análise e Diagnóstico dos Sinais
Podemos estabelecer alguns critérios de referência que podem caracterizar o
comportamento normal de trabalho de certo tipo de equipamento. As características
de um grupo de máquinas similares podem ser comparadas às características de
uma unidade do grupo em boas condições. Pode-se selecionar um grupo de
máquinas semelhantes e definir as características de vibração de uma delas,
considerada em boas condições, para servir de linha base ou de referência para
avaliação dos níveis de espectro de vibração registrados nas demais máquinas do
grupo.
Bandas de Freqüência:
• Muito mais segurança para os equipamentos críticos;
• Detecção automática de falhas incipientes;
• Notificação imediata de condições de alarme;
• Histórico detalhado sempre disponível para diagnóstico;
• Tendência de alta resolução sempre disponível para prognóstico.
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Principais sintomas verificados em equipamentos desbalanceados:
• Vibrações elevadas na direção radial, com predominância da componente 1N (N
freqüência de rotação do equipamento);
• A amplitude da componente 1N aumenta com o aumento da velocidade de
rotação;
• As amplitudes das componentes múltiplas não são elevadas. (Componentes
múltiplas de 1N, 2N, 3N, 4N... indicando os múltiplos da velocidade de rotação o
equipamento).
As vibrações na direção axial não são elevadas.
Principais sintomas verificados em equipamentos desalinhados:
• Vibrações elevadas nas direções radial e axial, com predominância de
componentes 1N, 2N e até 3N. Essas componentes apresentam amplitudes
estáveis;
• As amplitudes das componentes 4N a 10N geralmente não são elevadas.
O desalinhamento pode ser causado por erros de montagem, recalque de
fundações, dilatação térmica, deformação da estrutura ou travamento do
acoplamento.
Principais sintomas apresentados em equipamentos com folgas:
• Vibrações elevadas nas direções radiais, com amplitudes elevadas das
componentes 3 a 10N;
• As vibrações podem ter uma direção predominante, normalmente a vertical;
• Em certos casos podem ocorrer sub e inter-harmônicos;
• Geralmente as vibrações axiais são elevadas.
As folgas podem ser causadas por erros de montagem, desgaste excessivo, danos
na fundação ou na base, trincas ou ruptura de componentes de fixação.
Principais sintomas verificados em mancais de rolamentos
• Analisando o espectro de freqüência da vibração, os defeitos em rolamentos
estão dispostos de maneira harmonicamente relacionados, em freqüências não
síncronas com a rotação (Não múltiplos);
• Geralmente no espectro da velocidade podemos constatar defeitos em seu
estágio intermediário;
• Apenas no espectro da aceleração conseguimos captar com antecedência o
aparecimento de defeitos com predominância de freqüência na faixa de 1000 a
20000 Hz.
Geralmente defeitos em rolamentos evoluem com certa lentidão e emitem sinais
com bastante antecedência da falha final.
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Módulo 6 – Identificação da Origem das Vibrações
As exigências que a indústria moderna impõe às máquinas rotativas e equipamentos de
produção, como motores elétricos, geradores, compressores, turbinas, exaustores,
ventiladores, etc, devem ser satisfeitas apesar do aumento da velocidade de rotação.
Estas exigências são cada vez mais rigorosas quanto aos níveis de vibração, os quais
devem ser cada vez menores.
6.1 Desbalanceamento
O desbalanceamento é um problema que aparece sempre em toda a peça girante,
em grau maior ou menor. Como existe o problema da dilatação térmica, um eixo e
seu mancal devem ter, necessariamente, um pequeno ajuste ou folga, destinado à
lubrificação. Com isso os centros das duas peças dificilmente coincidirão, havendo
sempre uma pequena diferença. Portanto o desbalanceamento sempre existirá
mesmo utilizando-se materiais perfeitamente homogêneos e usinagens de
precisão. Principais causas:
• Gradientes térmicos
• Desbalanceamentos em mancais
• Não homogeneidade do material
• Excentricidades
A maior parte dos desbalanceamentos são originados nos processos de fabricação.
Principais sintomas verificados em equipamentos desbalanceados:
• Vibrações elevadas na direção radial, com predominância da componente 1N (N
freqüência de rotação do equipamento);
• A amplitude da componente 1N aumenta com o aumento da velocidade de
rotação;
• As amplitudes das componentes múltiplas não são elevadas. (Componentes
múltiplas de 1N, 2N, 3N, 4N... indicando os múltiplos da velocidade de rotação o
equipamento);
• As vibrações na direção axial não são elevadas.
A ação de eliminar o desbalanceamento em sistemas rotativos é denominada
balanceamento. De acordo com a ISO, o balanceamento é o processo pelo qual a
distribuição da massa é corrigida, de modo que as vibrações, assim como os
esforços nos mancais não ultrapasse os valores limite estabelecidos para o
sistema. Devemos sempre fazer o balanceamento de equipamentos que
apresentem níveis de vibração acima do nível residual do equipamento,
determinado por seu peso dinâmico.
6.2 Desalinhamento
Assim como o desbalanceamento o desalinhamento dá origem a vibrações. No
caso do desbalanceamento a freqüência da vibração coincide com a rotação do
rotor, mas, no caso do desalinhamento, pode aparecer outra freqüência igual ao
dobro ou triplo da velocidade de rotação. De maneira geral, existem dois tipos de
desalinhamento:
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•
•
Desalinhamento Paralelo: verificamos freqüências de rotação e do dobro da
rotação do eixo, a amplitude se propaga no plano radial;
Desalinhamento Angular: verificamos freqüências correspondentes a uma vez e
duas vezes a rotação do eixo, vibração dominante no plano axial.
Principais sintomas verificados em equipamentos desalinhados.
• Vibrações elevadas nas direções radial e axial, com predominância de
componentes 1N, 2N e até 3N. Essas componentes apresentam amplitudes
estáveis;
• As amplitudes das componentes 4N a 10N geralmente não são elevadas.
O desalinhamento pode ser causado por erros de montagem, recalque de
fundações, dilatação térmica, deformação da estrutura ou travamento do
acoplamento.
6.3 Folgas
Devido ao uso prolongado, aparece uma folga entre o eixo e o seu mancal, entre o
pistão e o cilindro, entre o cabeçote e as guias das corrediças em prensas. Toda
vez que duas peças mecânicas deslizam entre si, há necessidade de uma
diferença de dimensões, diferença comumente conhecida como ajuste, destinado a
manter uma película de lubrificante entre as peças deslizantes. Com o uso, tal
ajuste aumenta além do necessário, passando a constituir uma folga. A folga
comumente aparece nos mancais de metal patente, ou de desgaste sendo
importante sua detecção para evitar prejuízos de monta. Têm-se as seguintes
características:
• Folgas estruturais: Verificamos freqüências iguais a uma, duas ou três vezes a
rotação do eixo, sendo esta última predominante. Ocasionalmente pode podem
ser encontradas freqüências da ordem de dez vezes a rotação do eixo. A
vibração se dá predominantemente no plano radial;
• Folgas de elementos rotativos: Verificamos freqüência dominante igual à
rotação do eixo, com pequenas amplitudes. A vibração se dá
predominantemente no plano radial.
As folgas podem aparecer somente em certas condições de carga e temperatura,
ou a partir de impulsos transitórios no funcionamento da máquina.
Principais sintomas apresentados em equipamentos com folgas:
• Vibrações elevadas nas direções radiais, com amplitudes elevadas das
componentes 3 a 10N;
• As vibrações podem ter uma direção predominante, normalmente a vertical;
• Em certos casos podem ocorrer sub e inter-harmônicos;
• Geralmente as vibrações axiais são elevadas.
As folgas podem ser causadas por erros de montagem, desgaste excessivo, danos
na fundação ou na base, trincas ou ruptura de componentes de fixação.
6.4 Defeitos em Mancais de Rolamento
As principais causas de defeitos em mancais de rolamentos é a seleção incorreta
dos rolamentos, sobrecarga, desalinhamento, estocagem inadequada, lubrificação
inadequada e principalmente montagem incorreta.
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Quando os rolamentos giram, as pistas dos anéis interno e externo fazem contato
com os elementos rolantes, isto resulta em marcas de trabalho. Se os traçados são
claramente definidos é possível determinar, se o rolamento foi submetido à carga
axial, radial ou de momento. Verificar se cargas inesperadas ou erros de instalação
ocorreram. Também determinar a provável causa do dano do rolamento.
Principais sintomas verificados em mancais de rolamentos
• Analisando o espectro de freqüência da vibração, os defeitos em rolamentos
estão dispostos de maneira harmonicamente relacionados, em freqüências não
síncronas com a rotação (Não múltiplos);
• Geralmente no espectro da velocidade podemos constatar defeitos em seu
estágio intermediário;
• Apenas no espectro da aceleração conseguimos captar com antecedência o
aparecimento de defeitos com predominância de freqüência na faixa de 1000 a
20000 Hz;
• Geralmente defeitos em rolamentos evoluem com certa lentidão e emitem sinais
com bastante antecedência da falha final.
6.5 Defeitos em polias e correias
Os principais motivos que equipamentos acionados por polias e correias de
transmissão vibram são: montagem inadequada da correia na polia, mau
acabamento das polias, desalinhamento das polias, tensão inadequada,
excentricidade e desalinhamento.
Os Principais sintomas que encontramos em equipamentos vibratórios são:
• Vibrações radiais elevadas em múltiplos da freqüência de passagem da correia
(geralmente múltiplos pares).
• No caso de desalinhamento das polias:
o Vibrações axiais elevadas na freqüência de rotação dos eixos
o As vibrações de um eixo são transmitidas ao outro.
6.6 Defeitos em Mancais de escorregamento
Os mancais de desgaste, normalmente constituídos de peças de aço, recobertas
com ligas especiais, também conhecidos por "babbit" ou "metal patente". O
problema se situa no seu desgaste.
Mancais de escorregamento podem apresentar várias falhas, incluindo folgas,
roçamentos e instabilidade dinâmica. Esses problemas podem ser causados por
montagem incorreta, folga excessiva, desgaste, lubrificação incorreta, carga radial
ou projeto inadequado.
Os principais sintomas de vibrações em mancais de escorregamento são:
• Vibrações radiais de nível elevado e constante, com predominância da
componente 1N, 2N ou 3N, podendo ser confundida com desbalanceamento,
desalinhamento ou folga na fixação dos componentes;
• Em máquinas horizontais, o melhor indicador é o nível elevado de vibração
vertical;
• Também podem ocorrer vibrações axiais elevadas em mancais de escora.
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6.7 Defeitos em Engrenagens
As engrenagens podem apresentar defeitos semelhantes aos de outras máquinas,
como desalinhamento, desbalanceamento, folgas, porém podem apresentar
defeitos específicos que se manifestam de forma característica no espectro de
vibração: deformação no círculo primitivo, irregularidades de passo e da forma dos
dentes e excentricidade.
Esses defeitos podem ser causados por erros de usinagem, montagem ou ajuste
incorretos, desgaste excessivo, lubrificação inadequada, contaminação,
desalinhamento, fadiga ou sobrecarga.
Mesmo em engrenagens em boas condições de uso, apresentam bandas laterais
em torno da componente na freqüência de engrenamento e seus múltiplos, devido
às não-uniformidades inerentes ao engrenamento, como: excentricidade das
engrenagens e irregularidades na geometria dos dentes.
Principais sintomas apresentados por equipamentos com defeitos em engrenagens:
• Aumento das amplitudes das vibrações radiais na freqüência de engrenamento
e seus harmônicos e, principalmente, das suas bandas laterais;
• Numa caixa de engrenagens a freqüência de engrenamento indica o par de
engrenagens defeituoso, enquanto que a causa do defeito está relacionado ao
espaçamento das bandas laterais.
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Módulo 7 – Exemplo de Aplicação
Aqui serão mostrados dois exemplos muito importantes e largamente utilizados na
indústria, que nos permitirão analisar os espectros de vibração e reconhecer os
principais problemas.
7.1 Exemplo de Problemas em Motores
Motor elétrico é o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as
vantagens da energia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e
simplicidade de comando - com sua construção simples, custo reduzido e grande
versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos. Em todo o setor
industrial é imensa a participação dos motores elétricos, tanto nos processos de
transformação de bens de consumo, quanto na prestação de serviços.
Espectro de Vibração de Motores elétricos
Seu objetivo é ajudar os profissionais da área de manutenção na tarefa de
interpretar espectros em freqüência obtidos através de técnicas preditivas (análise
de vibração, análise de corrente e análise de fluxo magnético), e concluir se há ou
não, defeitos nos motores estudados. Os problemas diagnosticáveis podem ser
tanto de origem mecânica (desalinhamento, desbalanceamento e folga mecânica),
como de origem elétrica (barras quebradas e desequilíbrio de fase), e a situação
sem defeito (condição normal da máquina).
7.2 Exemplo de Problemas em Redutores
Estes são equipamentos utilizados largamente na indústria. Redutores e
Motoredutores fornecem a solução para as mais variadas condições de aplicação,
desde a indústria naval até a mineração através do princípio básico de
acionamentos com velocidades específicas e torque apropriado. As aplicações são
inúmeras, entretanto, listamos aqui apenas alguns exemplos importantes, onde
estão presentes tais equipamentos. Indústria ferroviária, marítima, mineração e
ainda equipa os geradores de energia eólica.
Acionamento
Engrenagens são rodas com dentes padronizados que servem para transmitir
movimento e força entre os eixos. Elas permitem a redução ou aumento do
momento torsor, com mínimas perdas de energia, e aumento ou redução de
velocidades, sem perda nenhuma de energia, por não deslizarem.
Espectro de um redutor com problemas no pinhão
Quando verificamos problemas em redutores, seus espectros no domínio do tempo
e freqüência são mostrados nos quadros. Note no domínio da freqüência que as
bandas laterais são espaçadas igualmente na velocidade do pinhão. No domínio do
tempo verificamos o aumento dos impactos a cada volta do pinhão.
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