Por Rok Mesar, Desenvolvedor de negócios
Grupo de monitoramento Dewesoft

As fábricas de papel, máquinas de fabricação de papel, são usadas na indústria para produzir papel em grandes quantidades e em alta velocidade. Eles processam uma polpa de fibras vegetais que se ligam na presença de água através de um sistema de rolos rotativos.

As empresas manufatureiras de papel e celulose podem enfrentar falhas de rolamentos prejudiciais e caras em suas fábricas de papel. Essas falhas no maquinário afetam a qualidade do papel, aumentam os custos de manutenção e operacionais, mas podem, no entanto, ser evitadas pelo monitoramento das condições da máquina.

As modernas máquinas de fabricação de papel são baseadas nos princípios da Máquina Fourdrinier, que usa uma malha de tecido móvel para criar uma trama contínua de papel, filtrando as fibras contidas em um estoque de papel e produzindo um tapete úmido de fibra em movimento contínuo. Isso é seco na máquina para produzir uma teia de papel forte.

Paper mill machine architectureFigura 1. Arquitetura da fábrica de papel.

Uma seção importante da máquina de papel é a seção de prensagem, que remove grande parte da água restante por meio de um sistema de estreitamentos formados por rolos pressionados um contra o outro, auxiliados por feltros de prensagem que sustentam a folha e absorvem a água prensada.

A seção de prensagem é composta por vários rolos apertados uns contra os outros para espremer a água da folha de papel. O feltro é usado para apoiar a folha e tirar a água da folha. A seção de prensa tem um grande impacto nas propriedades do papel, como rugosidade e absorção, bem como no custo de fabricação.

As ineficiências da remoção de água nesta seção causam aumento do consumo de vapor na seção de secagem - onde os custos de energia são mais altos - e diminuição da produção devido à menor velocidade da máquina.

Falhas nos Rolamentos da Seção da Prensa

Um dos problemas mais freqüentes na seção de prensas das fábricas de papel é o dano e as dispendiosas falhas nos rolamentos dos prensas, que afetam a qualidade do papel e levam à paradas de produção. Em muitos casos, o dano ao rolamento faz com que um rolamento inteiro pare completamente, resultando em grandes danos ao eixo do rolo.

Os defeitos nos rolamentos dos rolos da prensa podem surgir por vários motivos:

  • projeto inadequado do rolamento ou fabricação ou montagem inadequadas,
  • desalinhamento dos leitos de rolamentos,
  • um diâmetro desigual dos rolos,
  • lubrificação inadequada,
  • sobrecarga,
  • fadiga e
  • desgaste irregular.

As coisas quebram, mas naturalmente medidas preventivas regulares podem manter os rolamentos no desempenho máximo. O procedimento de manutenção é normalmente realizado nas seguintes etapas:

  • A máquina de papel está desligada.
  • O rolo danificado deve ser removido e substituído por um novo.
  • O rolo ruim é enviado para a oficina onde o rolamento ruim é substituído por um novo.

Executar a substituição e reiniciar a produção pode custar facilmente algo em torno de 80 homems-horas - além dos custos associados à produção interrompida.

Esses incidentes geralmente são um sinal claro para a equipe de operações de que a implementação de um sistema preditivo de monitoramento de condições da máquina é uma obrigação em cada estágio de produção da fábrica de papel para evitar futuras falhas caras.

Técnicas de manutenção preditiva e técnicas de monitoramento de condições ajudam a determinar a condição do equipamento em serviço para estimar quando a manutenção deve ser realizada. Isso permite uma programação conveniente da manutenção corretiva e evita falhas intempestivas no equipamento.

Solução de Monitoramento de Condições da Máquina

Monitoramento das Condições da Máquina (MCM) é uma técnica de manutenção preditiva que monitora permanentemente vários parâmetros das condições das máquinas para realizar análises de dados, como vibração ou temperatura, durante a operação. O monitoramento permanente é a única maneira de entender as condições da máquina rotativa em detalhes e de poder realizar a manutenção correta na hora certa.

A coleta de dados, a preparação e a qualidade dos dados são as principais entradas para qualquer modelo preditivo e controle de qualidade. Para fazer manutenção preditiva, primeiro, adicionamos sensores ao sistema que monitorará e coletará dados sobre suas operações. Dados para manutenção preditiva são dados de séries temporais. Os dados incluem um registro de data e hora, um conjunto de leituras de sensor coletadas ao mesmo tempo que registros de data e hora e identificadores de dispositivo.

A melhor e mais econômica solução é instalar acelerômetros com sensores de temperatura incorporados e largura de banda de 0 a 10 kHz em cada rolo. Os sensores devem ser montados usando pinos roscados para garantir que a vibração seja transmitida fielmente aos acelerômetros. As posições de montagem selecionadas precisam estar o mais próximo possível dos rolamentos de rolos, se possível, diretamente no alojamento do rolamento.

Os acelerômetros devem ser colocados na extremidade do inversor e na extremidade que não é do inversor nas posições vertical e horizontal. Como as velocidades dos rolos da prensa mudam de velocidade, também é necessário montar tacômetros para referência de velocidade.

Devido à umidade muito alta presente na seção de impressão, recomendamos o uso de Dispositivos de aquisição de dados KRYPTON IP67 como, por exemplo, o módulo KRYPTON-4xACC - amplificador de sensor IEPE de 4 canais - e o KRYPTON-1xCNT para entradas de taômetro.

As unidades foram projetadas para serem conectadas em série com um único cabo, fornecendo energia, sincronização e transferência de dados. Os dados são enviados ao computador do sistema (referido como a Unidade de Medição) em que a licença Dewesoft X3 Profissional MCM está em execução e está convertendo dados brutos de vibração baseados em tempo em dados MCM.

Paper mill condition monitoring data acquisition configurationFigura 2. Configuração do hardware de aquisição de dados.

A unidade de medida envia os dados computados para o servidor local em que o banco de dados de tempo do Dewesoft Historian está instalado. Caso o cliente não tenha os recursos e a experiência adequados para interpretar adequadamente os dados para análise preditiva, podemos aproveitar nossos serviços adicionais que dão suporte a nossos clientes na geração dos Relatórios adequados de Análise Preditiva .

Para isso, instalamos nosso aplicativo baseado na Web usando o Dewesoft Grafana para apresentações e decisões de alto nível, bem como para acesso remoto e monitoramento de condições online. Isso permite que nossa equipe técnica trabalhe em estreita colaboração com a equipe de nossos clientes para fornecer suporte remoto 24 horas por dia, 7 dias por semana, e feedback em tempo real sobre a condição de suas máquinas.

Figura 3. Exemplo de uma interface de alto nível para cada um dos rolos.

Como são esperadas falhas nos rolamentos dos rolos, é recomendável usar o Pacote de software para aquisição de dados do Dewesoft X3 Profissional Monitoramento de Máquinas incluindo a funcionalidade de detecção de envelopes e order tracking.

Muitos rolos de prensagem usam rolamentos autocompensadores de rolos, e a velocidade de operação dos rolos deve estar entre 70 e 110 RPM. Para simular o cenário real do caso, avaliamos dois rolamentos: rolamento A danificado por uma rachadura externa da pista - veja a figura 4. e rolamento B, um rolamento SKF 2232E sem falhas.

Para os fins do teste, os dois rolamentos foram montados em um banco de ensaios interno. Usando um inversor de frequência variável (VFD) com um motor acoplado a uma caixa de engrenagens que aciona o rolo, alcançamos condições muito semelhantes às esperadas na seção de prensagem da fábrica de papel.

Bearing with outer ring crackFigura 4. Rolamento com rachadura no anel externo.

O sistema Dewesoft identificou o problema de rolamento defeituoso, primeiro filtrando os componentes de frequências mais baixas e mais altas do sinal e, em seguida, implementou um algoritmo de detecção de envelope que transferia o sinal para um espectro de frequência mais baixo (também conhecido como desmodulação). Isso mostrou claramente que o problema estava na pista externa do rolamento A.

Envelope detection showing the Ball Pass Frequency Outer (BPFO) failure on the bearing AFigura 5. Detecção de envelope mostrando a falha do Ball Pass Frequency Outer (BPFO) no rolamento A.

Como tudo funciona nos bastidores? O algoritmo que calcula o envelope usa duas faixas de frequência como entradas (Figura 6):

  • A banda de frequência do sinal bruto sobre o qual o sinal resultante será envolvido: normalmente, um sinal de alta frequência, em nosso exemplo, 2500 Hz - 8000 Hz, que precisa incluir a frequência de toque das esferas, mas filtra os sinais de baixa frequência e
  • a largura de banda do sinal resultante do envelope, que precisa incluir as frequências de assinatura do componente de rolamento procuradas.

A figura abaixo mostra a configuração do Algoritmo de detecção de envelope no software Dewesoft, que é bastante fácil de configurar e usar. Também oferece um banco de dados abrangente de rolamentos calculado a partir de dados do fabricante. Selecionamos o tipo de rolamento SKF 22320E e o software calculou automaticamente as frequências correspondentes internas e externas da frequência de passagem de esferas (BPFI e BPFO), gaiola e elemento de rolamento.

Dewesoft envelope detection setup example with bearing database featureFigura 6. Exemplo de configuração de detecção de envelope Dewesoft com recurso de banco de dados de rolamentos.

Por que outros sistemas podem não reconhecer a falha? Porque eles podem estar usando acelerômetros de baixa velocidade e / ou não possuem o recurso de detecção de envelope.

A frequência do som de toque, proveniente de rolamentos, tem energia muito baixa. Para analisá-lo matematicamente, primeiro precisamos filtrar as frequências mais altas e mais baixas do sinal e envolvê-lo em um espectro de frequência mais baixa (também conhecido como desmodulação).

O sinal bruto, como visto na figura 7, determinou algum toque de alta frequência no sinal bruto do domínio do tempo, no entanto, é muito difícil entender qual é a razão por trás dele.

Raw time-domain signal and high-frequency spikesFigura 7. Sinal bruto no domínio do tempo e picos de alta frequência.

Para obter uma visão melhor, também fizemos a representação FFT do sinal bruto (veja a figura 8) mostrando picos de energia muito baixos nas 1 x RPM, 2 x RPM e especialmente na 1 x frequência BPFO.

Vibration analysis - FFT representation of the raw signalFigura 8. Análise de vibração - representação FFT do sinal bruto.

A razão pela qual não há grande amplitude em 1x BPFO do sinal de aceleração bruta pode ser explicada a seguir.

Quando uma esfera bate na fenda na pista externa, a vibração real que ocorre devido à batida tem uma frequência muito maior que a BPFO. A pista externa e a esfera produzem basicamente um sinal de vibração de alta frequência (também ouvido como som) por um curto período de tempo. Esse padrão de sinal ocorre novamente toda vez que uma esfera bate na fenda, portanto, o padrão está se repetindo na frequência BPFO, mas o toque em si tem uma frequência muito maior.

Conclusão

Inatalando a Solução Dewesoft de Monitoramento de Condição da Máquina as fábricas de papel obtêm uma solução confiável para detectar problemas de rolamentos em seus rolos de seção de prensagem. A eficiência da solução Dewesoft para detectar falhas nos rolamentos - bem antes da falha - também se aplica a outros tipos de máquinas do setor, como sopradores, correias transportadoras, picadores, classificadores de cavacos, refinadores, telas de pressão, transportadores tipo fuso, agitadores, monitoramento de nip, rolos de feltro, etc.

A solução de monitoramento de condições da máquina Dewesoft permite a detecção de falhas nos rolamentos, superaquecimento, desequilíbrio do eixo, folga de montagem, falha no dente da engrenagem, desalinhamento da carga e excentricidade do estator.

A solução reduz significativamente os custos e o tempo de manutenção, além de eliminar o tempo de inatividade na seção de prensagem devido a falhas nos rolamentos. No entanto, os vários recursos de software permitem uma supervisão clara do operador e uma análise profunda das condições da máquina, adequada para especialistas em Manutenção Preditiva.