Manutenção Preditiva Análise de vibrações
O estudo das vibrações tem uma importância fundamental para a engenharia moderna. A análise das vibrações em máquinas e equipamentos permite-nos conhecê-los, melhorá-los e ganharmos muito em qualidade, desenvolvimento, etc... Muitas empresas no Brasil estão investindo nesta técnica, o que trará grandes lucros para a nação num futuro próximo. Se todas as máquinas que movem o país pudessem ser analisadas por esta técnica moderna, com certeza faríamos uma economia significativa de energia, ganharíamos muito em qualidade na manutenção, segurança, outros.
Autores: Alexandre Comitti, Wellington Rossi Kramer, Edson Jorge Michalak
O investimento em manutenção preditiva tem um retorno muito grande para as empresas. A implantação de sistemas preditivos não só reduz o custo de manutenção, mas também faz com que os técnicos e engenheiros melhorem seus conhecimentos e, automaticamente passem a definir que melhorias devem ser introduzidas nas máquinas de modo que estas se tornem de alta confiabilidade e robustez ao desgaste, ou seja, “Engenharia de Manutenção”. A manutenção preditiva por análise de vibrações é hoje uma técnica bastante desenvolvida. Com o surgimento dos coletores analisadores de dados digitais (figuras 1 e 2) mais os programas de gerenciamento, o potencial de uma equipe de manutenção aumentou consideravelmente em termos de controle das máquinas.
Algumas máquinas necessitam de vibrações, como alguns transportadores, peneiras vibratórias, etc... Porém quase na sua totalidade, máquinas, equipamentos, estruturas e o próprio ser humano não se adaptam em ambientes vibratórios.
Quando se coloca em marcha uma máquina nova, espera-se que esta tenha vida longa e isenta de problemas. Mas deficiência de projetos, erros de especificação, fabricação, transporte, instalação, operação e manutenção nos conduz a máquinas pouco confiáveis.
A análise de vibrações é uma ferramenta poderosa no trato destes problemas. Isto porque podemos verificar, por exemplo, a qualidade de manutenção numa troca de rolamentos, onde medições anteriores e posteriores à troca nos fornece um check-up do serviço. Através da análise de vibrações, podemos não só questionar um serviço de troca, mas também o projeto do equipamento, sua instalação, etc..., com o objetivo de obter um conjunto confiável e de vida longa.
As principais conseqüências das vibrações são:
- Altos riscos de acidentes;
- Desgaste prematuro de componentes;
- Quebras inesperadas (com paradas repentinas de produção);
- Aumento do custo de manutenção (consumo excessivo de peças de reposição);
- Perdas de energia;
- Fadiga estrutural;
- Desconexão de partes (instabilidade geométrica);
- Baixa qualidade dos produtos (acabamento ruim);
- Ambiente de trabalho inadequado.
O controle dos fenômenos vibratórios pode ser conseguido por 3 procedimentos diferenciados:
- Eliminação das fontes: balanceamentos, alinhamentos, trocas de peças defeituosas, eliminação de folgas, etc...
- Isolamento das partes: instalação de um meio elástico amortecedor de modo a reduzir a transmissão da vibração a níveis toleráveis;
- Atenuação da resposta: alteração da estrutura (reforços, massas auxiliares, mudanças de freqüência natural, etc...).
Exemplos de Defeitos Diagnosticáveis por Análise de Vibração:
- Desbalanceamentos;
- Desalinhamentos;
- Folgas Estruturais;
- Folgas Internas(mancais e alojamentos);
- Problemas em Engrenagens;
- Problemas em Rolamentos;
- Correias;
- Cavitação;
- Eixos Empenados;
- Falha de Lubrificação;
- Ressonâncias Estrutural;
- Problemas Elétricos(Motores).
ANÁLISE DE VIBRAÇÕES
Todos os equipamentos emitem freqüências de vibração quando estão em operação.
Através de equipamentos adequados, podemos captar quais são as freqüências normais de funcionamento e quais aquelas que aparecem apenas quando o equipamento se encontra com defeito.
Através do acompanhamento periódico dessas máquinas, temos o comportamento da sua tendência. Isso visa diminuir custos e aumentar a disponibilidade dos equipamentos monitorados, pois ao invés de se fazer revisões periódicas e trocar todos os itens, estas serão realizadas apenas quando forem necessárias e somente os itens defeituosos serão trocados.
A coleta de dados se dá através de um acelerômetro ligado a um coletor de dados (figura 2). Esses dados são passados para o computador, onde podem ser analisados. A análise é feita através do espectro de freqüências (figura 3), onde é possível distinguir as diferentes freqüências, bem como a sua amplitude. Todo sinal é captado em forma de onda pelo coletor de dados, ou seja um sinal no domínio do tempo.
Fourier, um matemático francês, demonstrou que era possível tomar um sinal no domínio do tempo e identificar os conteúdos de freqüência por uma série de cálculos de senos e co-senos. A Transformada de Fourier evoluiu para a Transformada Direta de Fourier (Direct Fourier Transform DFT), que leva muito menos tempo na execução dos mesmos cálculos. Na realidade, nem todas as freqüências são calculadas com o DFT, o que resulta em uma transformação mais rápida e o nome de Transformada Rápida de Fourier - FFT surgiu. Neste processo o sinal é convertido para um espectro de freqüência, ou seja, agora ele apresenta um sinal no domínio da freqüência.
Um sinal de domínio de freqüência é impresso com o eixo vertical (Y) como a amplitude e o eixo horizontal (X) como a assinatura de freqüência, conforme figura 4.
O sinal de entrada é composto de muitas ondas de senos diferentes. O FFT pega estas ondas de senos complexas e as separa em ondas de seno por componente. Estas ondas de seno separadas são projetadas no eixo da freqüência e temos um espectro.
Além do espectro de freqüências, temos ainda o recurso da demodulação de freqüências, (envelope, peak view), onde podemos analisar rolamentos e engrenamentos.
Como exemplo, temos o caso de um problema de rolamento (figura 5). No espectro normal em velocidade fica impossível saber se o rolamento está com problemas.
Já com o recurso do Peak View (figura 6), temos a clara informação a respeito do problema, ou seja, defeito na pista externa, (BPFO). Como tínhamos previamente inserido no sistema o tipo de rolamento, temos certeza desse defeito, pois podemos ver a coincidência dos picos do espectro com as linhas de defeito daquele rolamento em particular, (linhas tracejadas).
O acelerômetro (figura 7) é o transdutor que capta a vibração. Ele é constituído de um cristal piezoelétrico que tem a característica de enviar um sinal elétrico que é proporcional a sua deformação.
Um ponto importante, que deve ser levado em consideração, é o tipo de base na qual o acelerômetro está fixado. Toda estrutura possui a(s) sua(s) freqüência(s) de ressonância(s). A faixa útil do acelerômetro é justamente a que fica na região anterior a esta faixa de ressonância.
Para as medições feitas por um mesmo acelerômetro em um mesmo ponto de uma máquina, as leituras podem ser diferentes, caso se altere o tipo de fixação (figura 8). Os pontos de medição acompanham o fluxo mecânico da máquina (figura 9).
Portanto, é por isso que a análise de vibrações é tida como a melhor maneira de saber o que se passa com um equipamento sem a necessidade de desmonta-lo, mas para isso, temos que acompanhá-lo e saber quais são os itens que o compõem.
EXEMPLOS DE PROBLEMAS DETECTADOS POR ANÁLISE DE VIBRAÇÃO
Com o objetivo de demonstrar o emprego desta ferramenta na detecção de falhas, ilustramos, através de relatórios colhidos em campo, exemplos de inspeções por análise de vibração realizadas por pessoal técnico de Manutenção:
CASO 1
Problema: Tendência do rolamento em elevação.
Aonde é: Rolamentos do Motor do CS0016.
Como é: As vibrações nas freqüências de defeito de rolamento estavam em alta, principalmente no rolamento traseiro.
Quando é: Em dias normais de trabalho.
Quanto é (tabela 1):
Caso o motor queimasse e tivesse que ser rebobinado, teríamos (tabela 2):
Deve-se ainda levar em consideração o fato de que para o motor em questão não existe reserva, e o seu rebobinamento levaria em torno de 3 semanas para ser executado.
Análise
Desde o dia 20 de fevereiro, a tendência do rolamento traseiro vem aumentando sensivelmente, como demonstra o gráfico da figura 16. Aqui ele mostra inclusive a medição após a troca do rolamento.
Podemos verificar as linhas de defeito da pista interna (BPFI) do rolamento FAG 6318 de nove esferas coincidirem com os picos do espectro colhido, (assinalados com X na figura 17).
Após a troca, verificamos que os picos existentes anteriormente sumiram. Os picos que aparecem no espectro são relativos as freqüências dos elementos do compressor. Apenas aparecem maiores devido ao ajuste automático da escala do eixo vertical do gráfico (figura 18).
Vida do Rolamento
O compressor começou a operar no dia 12 de dezembro de 1998. Tomando um período aproximado de 3,5 anos de uso ininterrupto, temos: Rotação do motor = 1.782 RPM 936.619.200 Rotações / ano X 3,5 anos = 3.278.167.200 de Rotações
Através do Manual SKF de Manutenção de Rolamentos, temos uma vida útil estimada em cerca de 2.000.000.000 de rotações.
Com isso, tivemos uma sobrevida de 1.278.167.200 rotações para o rolamento, o que equivale a um período de 1,3 ano a mais do que o estimado através do catálogo.
Graças à análise de vibrações, pudemos monitorar o comportamento do rolamento durante todo esse tempo e saber o tempo de quando trocá-lo.
CASO 2
Problema: Tendência do rolamento em elevação.
Aonde é: Rolamento da biela do excêntrico.
Como é: As amplitudes de vibrações nas freqüências de defeito de rolamento e folgas estavam aumentando em demasia.
Quando é: Em dias normais de trabalho.
Quanto é: tabela 3
ANÁLISE
Podemos verificar no gráfico de tendências (figura 22), a evolução do estado de deterioração do rolamento da biela. Esse rolamento rodou no mancal, resultando no espelhamento da sua superfície externa,como pode ser visto na figura 21. Após a substituição do mesmo, a biela voltou a ter parâmetros aceitáveis em seu nível de vibração.
Nas tendências da figura 23, temos as condições dos rolamentos dos mancais de suporte do eixo. Esses rolamentos não estavam tão ruins, podendo ter sofrido a influência da biela. Podemos verificar que essas tendências também baixaram após a troca dos rolamentos.
O que significa dizer que a análise de vibrações proporcionou uma redução de custos de cerca de 67% se comparado ao valor citado anteriormente de troca do conjunto excêntrico durante a produção.
Deve ser revisto se o alojamento do rolamento na biela está gasto e caso isso se verifique, providenciar a confecção de uma nova. Montar os rolamentos com travas anaeróbicas.
CONCLUSÃO
Convém, lembrar que nenhuma tecnologia de preditiva é “milagrosa”, e que todas as técnicas possuem limitações. Uma das tarefas mais difícieis para um analista de vibrações está em determinar o momento para troca de rolamentos no equipamento, uma vez que, o aumento de vibração indica que está havendo desgaste no componente, não necessariamente que ele já esteja deteriorado. Em muitos casos, é possível efetuar-se a troca sem que haja indicativos visuais de falha no rolamento, no entanto nova leitura de vibração indicará diminuição da amplitude da vibração. Uma melhor determinação do momento adequado para manutenção só poderá ser conseguida com um correto acompanha mento e histórico do equipamento a ser inspecionado. Apesar disso, a análise de vibração é uma ferramenta valiosa que vêm somar-se as outras, para uma maior qualidade nos serviços de Manutenção, contribuindo de maneira significativa para redução de custos e perdas.
* Matéria originalmente publicada na revista Mecatrônica Atual; Ano: 2; N° 12; Out / Nov – 2003
Fonte: www.mecatronicaatual.com.br
