Escrito por Grant Maloy Smith, o especialista em aquisição de dados

As máquinas vibram durante o funcionamento e às vezes você pode ouvir um som. O som / ruído é, na verdade, uma função da vibração.

Usamos tecnologias de monitoramento de condição de máquina para ouvir as máquinas. Existem várias técnicas de monitoramento de condição de máquina disponíveis no mercado.

Figure 1: An operator monitoring the program process in a waste and residue treatmentFigura 1: Um operador monitorando o processo do programa em um tratamento de resíduos

No entanto, o monitoramento de vibração ainda é o método mais comumente usado para avaliar as condições da máquina. Através do monitoramento de vibração, obtemos sinais em um software de monitoramento de condição para posterior análise e interpretação de dados.

A interpretação pode ser manual (com um engenheiro de manutenção preditiva qualificado) ou automática (usando o software de manutenção preditiva). Os dados são mais comumente apresentados de duas maneiras:

  • Domínio do tempo: é uma representação dos valores físicos, mostrando a amplitude no eixo ye o tempo no eixo x
  • Domínio de frequência ou espectro: é apenas outra maneira de ver os mesmos dados. A análise de frequência decompõe os dados de tempo na série de ondas senoidais. A Transformada Rápida de Fourier (FFT) é um método matemático para transformar uma função de tempo em uma função de frequência. Os valores físicos são representados mostrando a amplitude no eixo y e a frequência no eixo x

O espectro de frequência é a representação de sinal mais comumente usada na análise de vibração.

Embora a amplitude seja importante, a mudança na amplitude ao longo do tempo é mais importante para compreender a gravidade do problema. Por este motivo, a disponibilidade da funcionalidade de dados históricos (monitoramento de tendência) no sistema de monitoramento de vibração é crucial.

Por outro lado, a frequência nos diz qual é a natureza da falha em desenvolvimento. Uma representação muito simplificada é colocar as frequências em duas categorias principais:

  • Vibrações de baixa frequência (DC a 1kHz) relacionadas à velocidade da máquina - são medidas em velocidade (mm / s). Nesta categoria estão o desalinhamento, a frouxidão mecânica e o desbalanceamento
  • A alta frequência (1kHz a 10kHz) relacionada à frequência natural do componente - é medida em aceleração (g). Nesta categoria, falhas de queda de rolamento e falhas de engrenagens

Vamos dar uma olhada na parte teórica do desbalanceamento e desalinhamento e compará-la com exemplos da vida real. Para isso, construímos o seguinte equipamento de demonstração:

Condition monitoring demo gear box equipmentFigura 2: Equipamento de demonstração

O motor usado na configuração de demonstração é um motor elétrico de 750 W funcionando a uma velocidade constante de 3.000 RPM (50 Hz). Ele é conectado a uma caixa de engrenagens externa acoplada por um acoplamento de mandíbula.

Para fins de monitoramento das condições da máquina, montamos dois acelerômetros ASI-1xVIB-50g na extremidade de acionamento do motor. Ambos alinhados horizontalmente, um na direção axial e outro na direção radial.

Conectamos os sensores ao dispositivo de aquisição de dados IOLITEd-2xASI e adquirimos os dados usando o software Dewesoft Machine Condition Monitoring. Para apresentar o status da máquina, definimos os limites de aceleração e velocidade e usamos três cores para representar três status diferentes:

  • Verde: Condição normal
  • Amarelo: Aviso
  • Vermelho: Alarme - a máquina precisa de manutenção imediatamente

Os gráficos FFT na parte inferior esquerda da tela (Figura 4. e 6.) mostram a velocidade de vibração medida no domínio da frequência de ambos os sensores.

  • O sensor axial é representado pelo gráfico vermelho
  • O sensor radial é representado pelo gráfico amarelo

O que é desbalanceamento e como ele se parece no domínio da frequência?

O desbalanceamento é uma das principais causas da vibração da máquina. É descrito pela distribuição desigual da massa em torno do eixo de rotação, o que leva à geração de uma força centrífuga criando alta vibração e reduzindo a vida útil das máquinas.

Existem várias causas para um desbalanceamento começando com corrosão ou desgaste (causando ganho ou perda de peso), tolerâncias de folga, partes soltas do rotor, peso distribuído de maneira desigual dentro do rotor, a porosidade das peças fundidas, desalinhamento do drivetrain em relação ao eixo do rotor , e muitos outros. Quando a máquina está desequilibrada, ela deve ser detectada pelo sistema de monitoramento de condição da máquina e representada com maior amplitude de primeira ordem e, em alguns casos, também como uma amplitude aumentada de segunda e terceira ordem da velocidade de rotação da máquina.

Representation of imbalance in the frequency domainFigura 3: Representação do desequilíbrio no domínio da frequência

Em nosso exemplo, simulamos o desequilíbrio adicionando uma massa de 5 gramas no lado externo do acoplamento, trocando o parafuso de acoplamento por um mais longo e mais pesado. Isso moveu o centro de massa para longe da linha central do eixo e causará maior vibração na frequência da velocidade de rotação do motor (50 Hz) - primeira ordem na direção radial.

Representation of imbalance in the frequency domain on a demo equipmentFigura 4: Representação do desequilíbrio no domínio da frequência em um equipamento de demonstração

O que é o desalinhamento paralelo (deslocamento) e como ele se parece no domínio da frequência?

Existem vários tipos de desalinhamento:

  • Desalinhamento angular
  • Desalinhamento de rolamento
  • Desalinhamento da polia
  • Desalinhamento paralelo

Dizemos que dois eixos estão paralelamente desalinhados quando estão paralelos um ao outro, mas a uma certa distância um do outro.

O desalinhamento paralelo também é um problema muito comum que faz com que as máquinas vibrem. Quando a máquina está paralelamente desalinhada, ela deve ser detectada pelo sistema de monitoramento de condição da máquina e representada com maior amplitude de primeira ordem, segunda e às vezes também na terceira ordem da velocidade de rotação da máquina.

Representation of parallel misalignment in the frequency domainFigura 5: Representação do desalinhamento paralelo no domínio da frequência

Para simular o desalinhamento paralelo entre o motor e a caixa de engrenagens, na bancada de teste, movemos o motor na direção perpendicular ao eixo.

A posição do motor foi alterada horizontalmente em 3 mm. Como você pode ver o sistema detectou um aumento da amplitude na 1ª ordem (frequência da velocidade de rotação do motor (50 Hz)) e 2ª ordem na direção radial.

parallel misalignment in the frequency domain on a demo equipmentFigura 6: Representação do desalinhamento paralelo no domínio da frequência em um equipamento de demonstração

Embora a compreensão da vibração de baixa frequência normalmente não seja tão difícil, é necessário muito mais experiência para entender os níveis de vibração de alta frequência.

Você está familiarizado com os rolamentos e possíveis defeitos?

Os defeitos nos rolamentos são uma das falhas mais comuns que ocorrem em máquinas rotativas. Para entender as falhas, primeiro precisamos saber a composição do rolamento. Um rolamento típico consiste nos seguintes componentes:

  • Elementos rolantes - esferas / rolos
  • Gaiola
  • Pista interna
  • Pista externa

Rolling Bearing componentsFigura 7: componentes do rolamento

Defeitos Típicos de Rolamento

Os defeitos mais típicos dos rolamentos são:

  • Defeitos de pista externa
  • Defeitos da pista interna
  • Defeitos do elemento rotativo
  • Defeitos da gaiola
  • Vários defeitos de componentes
  • Problemas de lubrificação do mancal
  • Desalinhamento
  • Frouxidão                                                                 

Vamos examinar mais de perto as falhas típicas de rolamentos e como podemos identificá-las no espectro de frequência.

Defeitos de Pista Externa

Os defeitos da pista externa são normalmente caracterizados no espectro de frequência pela presença de múltiplos picos (harmônicos) da BPFO - Freqüência de passagem da esfera na pista externa. BPFO é representado pelo número de passes que as esfera fazem sobre um ponto defeituoso na pista externa no período em que o eixo dá uma volta multiplicado pela frequência de rotação do eixo.

A equação para calcular o BPFO é a seguinte:

Onde Nb é o número de corpos rolantes, Bd é o diâmetro da esfera, Pd é o diâmetro do passo e β é o ângulo de contato. A frequência típica do BPFO é de 2-15 x RPM.

Representation of outer race defects in the frequency domainFigura 8: Representação dos defeitos da pista externa no domínio da frequência

Defeitos da gaiola

Os defeitos da gaiola são normalmente caracterizados no espectro de frequência pela presença de múltiplos picos (harmônicos) do FTF, frequência de falha da gaiola. FTF (Fundamental Train Frequency) - a velocidade de rotação do trem corresponde ao número de rotações que o trem faz no período em que o eixo dá uma volta multiplicado pela frequência de rotação do eixo.

A equação para calcular o FTF é a seguinte:

Onde Bd é o diâmetro da esfera, Pd é o diâmetro do passo e β é o ângulo de contato. A frequência TFT típica é inferior a 1/2 x RPM.

Representation of cage defects in the frequency domainFigura 9: Representação dos defeitos da gaiola no domínio da frequência

Defeitos de esfera

Os defeitos da esfera são normalmente caracterizados no espectro de frequência pela presença de múltiplos picos (harmônicos) do BSF, frequência de falha do elemento rotativo. BSF (Ball Spin Frequency) - o número de rotações que uma esfera faz em torno de si mesma no período em que o eixo dá uma volta multiplicado pela frequência de rotação do eixo.

A equação para calcular o BSF é a seguinte:

Onde Bd é o diâmetro da esfera, Pd é o diâmetro do passo e β é o ângulo de contato. A frequência típica do BSF é de 5-15 x RPM.

Representation of ball defects in the frequency domainFigura 10: Representação de defeitos de bola no domínio da frequência

Defeitos da pista interna

Os defeitos da pista interna são normalmente caracterizados no espectro de frequência pela presença de múltiplos picos (harmônicos) do BPFI, frequência de falha da pista interna. BPFI (Ball Pass Frequency Inner) - o número de passes que as esferas fazem sobre um ponto defeituoso na pista interna no período em que o eixo dá uma volta.

A equação para calcular o BSFI é a seguinte:

Onde Nb é o número de corpos rolantes, Bd é o diâmetro da esfera, Pd é o diâmetro do passo e β é o ângulo de contato. A frequência típica do BPFO é de 4-15 x RPM.

Figura 11: Representação dos defeitos da pista interna no domínio da frequência

Na prática, uma técnica especial chamada Detecção de envelope normalmente precisa ser usada para determinar com eficácia as frequências de assinatura dos elementos de rolamento.

Defeitos de vários componentes do rolamento

Os defeitos de vários componentes do rolamento são bastante comuns. Eles são visíveis no espectro de frequência pela presença de diferentes frequências de falha de elemento de rolamento e seus harmônicos.

Frouxidão

A folga ocorre quando os elementos rotativos foram montados incorretamente ou o rolamento foi instalado incorretamente. Existem três tipos de folga de rolamento conhecidos:

  • Folga interna excessiva do rolamento: geralmente apresenta uma assinatura espectral caracterizada pela presença de vibração síncrona (harmônicos de velocidade de rotação), vibração subsíncrona (0,5x RPM) e não síncrona (1,5x RPM, 2,5xRPM, 3,5x RPM, etc.) . Essas frequências às vezes podem ser moduladas pelo FTF.
  • Frouxidão entre o rolamento e o eixo: aparecem vários harmônicos de frequência de rotação, mas normalmente o principal é 3x RPM.
  • Frouxidão entre o rolamento e a caixa: aparecem várias harmônicas de frequência de rotação, mas normalmente as duas principais são 1x RPM e 4x RPM.

Desalinhamento de rolamento

O desalinhamento do rolamento é caracterizado pela presença de vibração em vários harmônicos da frequência de rotação, sendo a amplitude mais significativa em NB x RPM, onde NB é o número de corpos rolantes no rolamento.

Lubrificação inadequada

Os problemas de lubrificação inadequada são caracterizados por vibrações de alta frequência (entre 1 kHz e 20 kHz), com bandas de picos espaçadas entre si, devido à excitação das frequências de ressonância dos mancais nessas faixas de frequência.

Como sabemos a gravidade do problema?

Até agora, falamos mais ou menos sobre como identificar a localização do problema e, portanto, nos concentramos nas frequências das assinaturas.

Quando estamos tentando estimar a gravidade do problema, precisamos olhar para a amplitude do sinal. Embora a amplitude absoluta seja importante, a mudança na amplitude ao longo do tempo é mais importante para compreender a gravidade do problema. Por esse motivo, a disponibilidade da funcionalidade de dados históricos no sistema de monitoramento de vibração é crucial.

Existem muitas normas, como a International Standards Organization (ISO), a Associação Alemã de Engenheiros (VDI) e muitas outras, que regulam as vibrações mecânicas propondo limites, técnicas de medição, classificações de máquinas, etc. As normas podem servir como um bom ponto de partida para definir os limites dos alarmes.

No entanto, um bom entendimento dos elementos da máquina e do comportamento da máquina a longo prazo, com base em dados históricos coletados e análise de dados avançada, é vital para determinar as condições da máquina. Ele permite que os engenheiros de manutenção definam uma estratégia de manutenção e a executem de forma eficaz e eficiente.

Conclusão

A análise do espectro FFT é uma técnica muito importante para a interpretação do sinal de vibração e é freqüentemente usada para detectar desbalanceamento e desalinhamento.

Na prática, os especialistas em monitoramento de condição de máquina usam, para proteger máquinas críticas, monitoramento permanente e várias formas de análise e algoritmos para melhor compreensão e avaliação da integridade da máquina, como detecção de envelope, rastreamento de ordem, gráficos de órbita e outros.