AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Capítulo 3.2 – Avaliação de falhas com o uso de técnicas no domínio
da freqüência
Aplicação em falhas em mancais de rolamento
Modos de falhas de mancais de rolamento
Teoria
Os principais modos de falha são:
• Falhas de vedação – Abrasão causada por entrada de elemento estranho
no mancal de rolamento;
• Marcas durante instalação (montagem incorreta);
• Lubrificação inadequada, excessiva ou insuficiente;
• Corrosão;
• Descargas elétricas;
• Lascamento;
Todos os modos acima descritos causam o início da falha do rolamento,
sendo que após o surgimento, as cargas cíclicas sobre o rolamento fazem
com que o dano se estenda até a falha do mancal de rolamento.
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
1) Falha de vedação - Abrasão por entrada de elemento estranho no
mancal de rolamento
Exemplo de pista de mancais de rolamento foscas por abrasão
resultante de elemento estranho
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
2) Marcas durante instalação (Indentações ou impactos)
Impacto na
gaiola
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
3) Lubrificação inadequada, excessiva ou insuficiente
Escorregamento causado por excesso de lubrificante
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
4) Corrosão
Corrosão na esfera e na pista de rolamento de uma carreira de
esferas
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
5) Descarga elétrica
Exposição contínua a cargas elétricas geram marcas axiais de
tonalidade escura em grande parte da pista
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
6) Lascamento
Marcas de lascamento em esferas vistas em microscópio ótico
Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Teoria
Diferentemente dos demais tipos de defeito, os mancais de rolamento não
possuem uma freqüência característica de defeito única que possa ser
calculada através de múltiplos de rotação de eixo.
Dado que o mancal de rolamento é composto de vários componentes:
pistas, esferas e gaiola e existe movimento relativo entre eles, as
freqüências de defeito são calculadas em função da geometria de cada
mancal de rolamento.
Explicando de outra forma: Considere um ponto fixo na pista por onde
passarão as esferas, é necessário calcular a freqüência com que as
esferas passarão por este ponto, pois caso haja um defeito neste ponto
cada esfera que passar irá registrar um impacto no sinal.
Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Cálculo
Os mancais de rolamento possuem freqüências características de defeito
que podem ser calculadas em função de sua geometria e da freqüência de
rotação:
Onde:
d = Diâmetro da esfera
D = Diâmetro primitivo:
= Ângulo de contato
Z = número de esferas
Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Cálculo
As freqüências características de defeitos podem ser calculadas através da
seguinte formulação:
Onde:
d = Diâmetro da esfera
D = Diâmetro primitivo:
= Ângulo de contato
Z = número de esferas
Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Demonstração
Considere o mancal de rolamento 6205:
6205 - Rolamento fixo de
uma carreira de esferas
para aplicação com
cargas radiais.
Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Demonstração
Freqüências de defeito para o mancal de rolamento 6205:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Conceito
As freqüências calculadas assumem que não há escorregamento entre as
esferas e as pistas, quando de fato há.
Conforme o ângulo de carregamento varia
com a posição de cada esfera do rolamento,
ocorre uma mudança no carregamento de
cada esfera.
Como a gaiola obriga a velocidade média das
esferas a ser a mesma, as esferas que estão
na região mais carregada tentam girar mais
lentamente, sendo carregadas pela gaiola,
gerando um pequeno escorregamento.
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais tipicos
Os mancais de rolamento com defeito produzem sinais com padrões
típicos dependendo do local onde está localizado o defeito:
Adaptado de Randal, R.B., Antony, J.
Rolling element bearing diagnostics A tutorial. Mechanical Systems and
Signal Processing, Vol. 25 (2011)
pag. 485-520
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Conceito
O sinal de defeito é modulado conforme a falha passa pelo local do dano:
Adaptado de Randal, R.B., Antony, J.
Rolling element bearing diagnostics A tutorial. Mechanical Systems and
Signal Processing, Vol. 25 (2011)
pag. 485-520
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na pista interna:
Cada vez que uma das
esferas passa sobre o
defeito na pista é gerado
um sinal de impacto.
A Modulação do sinal
ocorre por causa da
rotação da pista interna
(com a falha) em relação
ao sensor (geralmente
posicionado na caixa do
rolamento).
Superfície com dano
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na pista externa:
Cada vez que uma das
esferas passa sobre o
defeito na pista é gerado
um sinal de impacto.
Não ocorre modulação de
amplitude, pois a falha na
pista externa não se move
em relação ao sensor
(posicionado na caixa do
rolamento)
Superfície com dano
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na esfera:
Esfera com dano
Cada impulso é resultado do contato entre a esfera
defeituosa e uma das pistas.
A Modulação do sinal ocorre por causa do
movimento radial da esfera com o giro do rolamento,
conforme sua posição em relação ao sensor.
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
Exemplificando o padrão
dos sinais coletados em
rolamentos com vários
tipos de defeito:
Evolução da Falha em mancais de rolamento
Conceito
Uma vez iniciado um defeito em um mancal de rolamento este progride em
função do carregamento cíclico a que o elemento está submetido.
As freqüências de defeito irão começar a surgir no espectro do sinal
coletado e aumentar sua intensidade até o final da vida útil do mancal de
rolamento.
A evolução da falha pode ser dividida em quatro etapas de acordo com a
progressão do dano.
A seguir será apresentada a seqüência de evolução de uma falha do ponto
de vista da análise espectral.
Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral
1º Estágio
2º Estágio
3º Estágio
4º Estágio
Hz
Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral
1º Estágio
2º Estágio
3º Estágio
4º Estágio
Hz
Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral
1º Estágio
2º Estágio
3º Estágio
4º Estágio
Hz
Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral
1º Estágio
2º Estágio
3º Estágio
4º Estágio
Hz
Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral
1º Estágio
2º Estágio
3º Estágio
4º Estágio
Hz
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Conceito
A técnica do envelope por demodulação busca a região dos picos
ressonantes em alta freqüência (500Hz – 20 KHz) para através da
demodulação das freqüências de ressonância buscar pelas freqüências de
defeito moduladas no sinal (região 2);
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Utilizando a bancada experimental serão efetuadas coletas de dados
demonstrando como se identificam os sinais de defeito em mancais de
rolamento:
Montagem de um rolamento 6205
com defeito na pista interna:
Numero de Esferas
Diâmetro da Esfera
Diâmetro da Pista Interna
Diâmetro da Pista Externa
9
7,96mm
31,04 mm
46,72 mm
Freqüências a 25Hz (1500 rpm):
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Sinais coletados na bancada experimental com o eixo a 25Hz:
85
97
177
25
50
113
122
267
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Sinais coletados na bancada experimental:
Observe que no espectro do sinal
não surge a freqüência de defeito de
135Hz, esperada para este
rolamento.
85
97
177
25
50
113
122
267
Isto ocorre pois a energia dos
impactos é muito pequena, não
permitindo que se destaque no
espectro de freqüências.
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Técnica do Envelope utilizando Demodulação:
1ª Etapa – Selecionar a freqüência ressonante (freqüência portadora):
2850 Hz
Calculando a abertura em 3,5 vezes a
freqüência de defeito, temos os seguintes
parâmetros para corte:
Abertura: 3,5*135,5 = 474,25 Hz
Freqüência inicial: 2375,25 Hz
Freqüência final: 3324,25 Hz
Região de corte ao redor da ressonância
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Técnica do Envelope utilizando Demodulação :
2ª Etapa – Extrair do sinal a região de interesse e retificar o sinal
2850 Hz
Aplicar o retificador meia-onda ao sinal
selecionado:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Técnica do Envelope utilizando Demodulação :
3ª Etapa – Aplicar o filtro ao sinal retificado
Aplicar o retificador meia-onda ao sinal
selecionado:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Técnica do Envelope utilizando Demodulação :
4ª Etapa – Extrair as freqüências e comparar com os valores calculados:
135
50
25
Valor identificado: 135,5 Hz
99
160
270
Caracterizado defeito na pista interna do
mancal de rolamento.
As freqüências 25, 50, 99 correspondem a
múltiplos da rotação do eixo, podendo
indicar um desalinhamento.
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Técnica do Envelope utilizando Demodulação :
4ª Etapa – Extrair as freqüências e comparar com os valores calculados:
135
50
25
Valor identificado: 135,5 Hz
99
160
270
Caracterizado defeito na pista interna do
mancal de rolamento.
As freqüências 25, 50, 99 correspondem a
múltiplos da rotação do eixo, podendo
indicar um desalinhamento.