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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
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
Teoria
1) Falha de vedação - Abrasão por entrada de elemento estranho no
mancal de rolamento
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
Exemplo de pista de mancais de rolamento foscas por abrasão
resultante de elemento estranho
2) Marcas durante instalação (Indentações ou impactos)
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
Impacto na
gaiola
3) Lubrificação inadequada, excessiva ou insuficiente
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
Escorregamento causado por excesso de lubrificante
4) Corrosão
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
Corrosão na esfera e na pista de rolamento de uma carreira de
esferas
5) Descarga elétrica
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
Exposição contínua a cargas elétricas geram marcas axiais de
tonalidade escura em grande parte da pista
6) Lascamento
Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
Marcas de lascamento em esferas vistas em microscópio ótico
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
Teoria
Os mancais de rolamento possuem freqüências características de defeito
que podem ser calculadas em função de sua geometria e da freqüência de
rotação:
Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Cálculo
Onde:
d = Diâmetro da esfera
D = Diâmetro primitivo:
= Ângulo de contato
Z = número de esferas
As freqüências características de defeitos podem ser calculadas através da
seguinte formulação:
Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Cálculo
Onde:
d = Diâmetro da esfera
D = Diâmetro primitivo:
= Ângulo de contato
Z = número de esferas
Considere o mancal de rolamento 6205:
Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Demonstração
6205 - Rolamento fixo de
uma carreira de esferas
para aplicação com
cargas radiais.
Freqüências de defeito para o mancal de rolamento 6205:
Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Demonstração
As freqüências calculadas assumem que não há escorregamento entre as
esferas e as pistas, quando de fato há.
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Conceito
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.
Os mancais de rolamento com defeito produzem sinais com padrões
típicos dependendo do local onde está localizado o defeito:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais tipicos
Adaptado de Randal, R.B., Antony, J.
Rolling element bearing diagnostics -
A tutorial. Mechanical Systems and
Signal Processing, Vol. 25 (2011)
pag. 485-520
O sinal de defeito é modulado conforme a falha passa pelo local do dano:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Conceito
Adaptado de Randal, R.B., Antony, J.
Rolling element bearing diagnostics -
A tutorial. Mechanical Systems and
Signal Processing, Vol. 25 (2011)
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Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na pista interna:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
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
Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na pista externa:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
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
Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na esfera:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
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.
Esfera com dano
Exemplificando o padrão
dos sinais coletados em
rolamentos com vários
tipos de defeito:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
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
Conceito
1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio
Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral
Hz
1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio
Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral
Hz
1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio
Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral
Hz
1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio
Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral
Hz
1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio
Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral
Hz
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
Conceito
Utilizando a bancada experimental serão efetuadas coletas de dados
demonstrando como se identificam os sinais de defeito em mancais de
rolamento:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Montagem de um rolamento 6205
com defeito na pista interna:
Freqüências a 25Hz (1500 rpm):
Numero de Esferas 9
Diâmetro da Esfera 7,96mm
Diâmetro da Pista Interna 31,04 mm
Diâmetro da Pista Externa 46,72 mm
Sinais coletados na bancada experimental com o eixo a 25Hz:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
25
50
85
97
177
113
122
267
Sinais coletados na bancada experimental:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Observe que no espectro do sinal
não surge a freqüência de defeito de
135Hz, esperada para este
rolamento.
Isto ocorre pois a energia dos
impactos é muito pequena, não
permitindo que se destaque no
espectro de freqüências.
25
50
85
97
177
113
122
267
Técnica do Envelope utilizando Demodulação:
1ª Etapa – Selecionar a freqüência ressonante (freqüência portadora):
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
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
Técnica do Envelope utilizando Demodulação :
2ª Etapa – Extrair do sinal a região de interesse e retificar o sinal
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
2850 Hz
Aplicar o retificador meia-onda ao sinal
selecionado:
Técnica do Envelope utilizando Demodulação :
3ª Etapa – Aplicar o filtro ao sinal retificado
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Aplicar o retificador meia-onda ao sinal
selecionado:
Técnica do Envelope utilizando Demodulação :
4ª Etapa – Extrair as freqüências e comparar com os valores calculados:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Valor identificado: 135,5 Hz
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.
25
50
135
99
160
270
Técnica do Envelope utilizando Demodulação :
4ª Etapa – Extrair as freqüências e comparar com os valores calculados:
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Valor identificado: 135,5 Hz
Caracterizado defeito na pista interna do
mancal de rolamento.
As freqüências 25, 50, 99 correspondem a
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indicar um desalinhamento.
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  • 1. 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
  • 2. 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 Teoria
  • 3. 1) Falha de vedação - Abrasão por entrada de elemento estranho no mancal de rolamento Modos de falhas de mancais de rolamento Apresentação dos modos de falha Exemplo de pista de mancais de rolamento foscas por abrasão resultante de elemento estranho
  • 4. 2) Marcas durante instalação (Indentações ou impactos) Modos de falhas de mancais de rolamento Apresentação dos modos de falha Impacto na gaiola
  • 5. 3) Lubrificação inadequada, excessiva ou insuficiente Modos de falhas de mancais de rolamento Apresentação dos modos de falha Escorregamento causado por excesso de lubrificante
  • 6. 4) Corrosão Modos de falhas de mancais de rolamento Apresentação dos modos de falha Corrosão na esfera e na pista de rolamento de uma carreira de esferas
  • 7. 5) Descarga elétrica Modos de falhas de mancais de rolamento Apresentação dos modos de falha Exposição contínua a cargas elétricas geram marcas axiais de tonalidade escura em grande parte da pista
  • 8. 6) Lascamento Modos de falhas de mancais de rolamento Apresentação dos modos de falha Marcas de lascamento em esferas vistas em microscópio ótico
  • 9. 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 Teoria
  • 10. Os mancais de rolamento possuem freqüências características de defeito que podem ser calculadas em função de sua geometria e da freqüência de rotação: Freqüências de defeito em mancais de rolamento Cálculo Onde: d = Diâmetro da esfera D = Diâmetro primitivo: = Ângulo de contato Z = número de esferas
  • 11. As freqüências características de defeitos podem ser calculadas através da seguinte formulação: Freqüências de defeito em mancais de rolamento Cálculo Onde: d = Diâmetro da esfera D = Diâmetro primitivo: = Ângulo de contato Z = número de esferas
  • 12. Considere o mancal de rolamento 6205: Freqüências de defeito em mancais de rolamento Demonstração 6205 - Rolamento fixo de uma carreira de esferas para aplicação com cargas radiais.
  • 13. Freqüências de defeito para o mancal de rolamento 6205: Freqüências de defeito em mancais de rolamento Demonstração
  • 14. As freqüências calculadas assumem que não há escorregamento entre as esferas e as pistas, quando de fato há. Sinais de vibração em mancais de rolamento Conceito 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.
  • 15. Os mancais de rolamento com defeito produzem sinais com padrões típicos dependendo do local onde está localizado o defeito: Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais tipicos Adaptado de Randal, R.B., Antony, J. Rolling element bearing diagnostics - A tutorial. Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 25 (2011) pag. 485-520
  • 16. O sinal de defeito é modulado conforme a falha passa pelo local do dano: Sinais de vibração em mancais de rolamento Conceito Adaptado de Randal, R.B., Antony, J. Rolling element bearing diagnostics - A tutorial. Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 25 (2011) pag. 485-520
  • 17. Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na pista interna: Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos 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
  • 18. Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na pista externa: Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos 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
  • 19. Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na esfera: Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos 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. Esfera com dano
  • 20. Exemplificando o padrão dos sinais coletados em rolamentos com vários tipos de defeito: Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos
  • 21. 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 Conceito
  • 22. 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral Hz
  • 23. 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral Hz
  • 24. 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral Hz
  • 25. 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral Hz
  • 26. 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral Hz
  • 27. 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 Conceito
  • 28. Utilizando a bancada experimental serão efetuadas coletas de dados demonstrando como se identificam os sinais de defeito em mancais de rolamento: Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Montagem de um rolamento 6205 com defeito na pista interna: Freqüências a 25Hz (1500 rpm): Numero de Esferas 9 Diâmetro da Esfera 7,96mm Diâmetro da Pista Interna 31,04 mm Diâmetro da Pista Externa 46,72 mm
  • 29. Sinais coletados na bancada experimental com o eixo a 25Hz: Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento 25 50 85 97 177 113 122 267
  • 30. Sinais coletados na bancada experimental: Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Observe que no espectro do sinal não surge a freqüência de defeito de 135Hz, esperada para este rolamento. Isto ocorre pois a energia dos impactos é muito pequena, não permitindo que se destaque no espectro de freqüências. 25 50 85 97 177 113 122 267
  • 31. Técnica do Envelope utilizando Demodulação: 1ª Etapa – Selecionar a freqüência ressonante (freqüência portadora): Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento 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
  • 32. Técnica do Envelope utilizando Demodulação : 2ª Etapa – Extrair do sinal a região de interesse e retificar o sinal Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento 2850 Hz Aplicar o retificador meia-onda ao sinal selecionado:
  • 33. Técnica do Envelope utilizando Demodulação : 3ª Etapa – Aplicar o filtro ao sinal retificado Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Aplicar o retificador meia-onda ao sinal selecionado:
  • 34. Técnica do Envelope utilizando Demodulação : 4ª Etapa – Extrair as freqüências e comparar com os valores calculados: Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Valor identificado: 135,5 Hz 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. 25 50 135 99 160 270
  • 35. Técnica do Envelope utilizando Demodulação : 4ª Etapa – Extrair as freqüências e comparar com os valores calculados: Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Valor identificado: 135,5 Hz 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. 25 50 135 99 160 270