Aula 25_10 - Vibracoes.pptx

Manutenção Preditiva – Análise de Vibrações
Profª. Viviane Cassol Marques
Universidade Federal do Mato Grosso
Campus Universitário de Rondonópolis
Pós-graduação em Engenharia da Qualidade
Aula 2 – 25/10/2014
15/03/2023 1

15/03/2023 Profa Viviane Cassol Marques 2
- Introdução sobre manutenção
- Manutenção Corretiva
- Manutenção Preventiva
- Manutenção Preditiva
- Vibração na Manutenção Preditiva
- Manutenção Preditiva pelo Nível Global de Vibrações
- Manutenção Preditiva pelo espectro de Frequência
- Manutenção Preditiva pelo espectro de Envelope
Objetivo da Aula

Qualquer planejamento tem início na definição do objetivo a ser alcançado.
No caso de uma intervenção de manutenção, o objetivo é reconduzir a
máquina às suas condições operacionais originais, ou pelo menos, às
condições mínimas para a restauração da
capacidade da máquina cumprir sua função
no processo para o qual foi projetada.
A partir deste ponto fundamental é que se
iniciarão os estudos quanto à quantidade de
mão de obra, ferramentas, peças
sobressalentes e prazos necessários.
Manutenção

O processo de gerenciamento de ativos na indústria mundial tem passado
por profundas modificações nos últimos trinta anos. Os fatores que
norteiam este processo são ligados a:
1 – A complexidade crescente dos equipamentos e suas condições de
serviço cada vez mais severas;
2 – A expectativa criada com relação às consequências de eventuais falhas,
no que diz respeito aos impactos ao meio
ambiente e a segurança dos usuários.
Manutenção

Evolução das expectativas com relação à manutenção ao
longo do século XX:

No inicio do século XX imperava o conceito de Manutenção meramente
Corretiva, atendo-se a cultura de conserto após avaria.
Neste caso, observam-se os elevados custos de manutenção atrelados a
quebras catastróficas e lucros cessantes em função de grandes intervenções
para restauração.
Ainda existe as graves consequências
da exposição de pessoas e do meio
ambiente ao risco decorrente das
quebras, como vazamentos,
altas temperaturas, estilhaços, etc.
Manutenção Corretiva

A cultura da manutenção preventiva surge em idos de 1970, da observação
do período semelhante entre quebras de componentes, correspondessem ao
seu final de vida.
A partir deste histórico, passa-se a programar parada de tempos em tempos
para a substituição dos componentes frágeis de um
equipamento.
A generalização de tal prática em uma planta acaba
por reduzir as falhas mas acaba por elevar o custo
Financeiro com a substituição de partes ainda
em bom estado.
Manutenção Preventiva

Manutenção Preditiva
O desenvolvimento de técnicas para diagnostico de falhas, a necessidade de
redução de custos atrelados à substituição desnecessária de componentes, e
a necessidade de explorar ao máximo a vida útil dos equipamentos revelou,
na década de 90 a manutenção preditiva, quando intervenções de
manutenção são executadas somente
com grande e real necessidade,
Através de monitoramento de
condição operacional que
possibilita antecipar as falhas.

Evolução das técnicas em resposta as expectativas com
relação a manutenção industrial.

A definição de manutenção preditiva passa pela compreensão dos seguintes
conceitos:
a) Monitoramento do desempenho dos equipamentos: avaliações de
desempenho são feitas através de monitoramento de pressões, vazão e
temperaturas do fluido de processo em sistemas de bombeamento,
monitoramento de rotação, corrente elétrica de
motores, vazão de vapor de turbinas, etc.
O mecanismo ideal é fazer a coleta de dados e a
avaliação automaticamente, estabelecendo níveis
de alarme para todas as variáveis.

b) Monitoramento de condição: visa a subsidiar um programa de
manutenção preditiva (baseado na condição do equipamento), utilizando o
monitoramento de vibração, temperatura dos mancais, temperatura e
pressão do óleo, vazamento de selo, ruído,
etc. Idealmente executado através de
coleta e análise automática de parâmetros.

 Predizer a ocorrência de uma falha ou degradação,
 Determinar, antecipadamente, a necessidade de correção em uma peça
específica,
 Eliminar as desmontagens desnecessárias para inspeção,
 Aumentar o tempo de disponibilidade dos equipamentos para
operação,
 Reduzir o trabalho de emergência e urgência não planejada,
 Impedir a ocorrência de falhas e o aumento dos danos,
Objetivos da Manutenção Preditiva

 Aproveitar a vida útil total de cada componente e de um
equipamento,
 Aumentar o grau de confiança no desempenho de um equipamento
e de seus componentes,
 Determinar previamente as interrupções de fabricação para cuidar dos
equipamentos,
 Redução de custos de manutenção,
 Aumento da produtividade e ,
 Consequentemente da competitividade.
Objetivos da Manutenção Preditiva

Algumas das técnicas de monitoramento preditivo, ou seja, baseadas
em condições, incluem:
Termografia
Análise de vibrações
Análise de lubrificantes
Ferrografia
Radiografia
Energia acústica
Fenômenos de viscosidade (líquidos penetrantes)
Tribologia, entre outras
Tipos de Análises Preditiva

A manutenção preditiva baseada na monitoração da vibração tem sido
empregada com sucesso em indústrias de processamento contínuo
desde o início dos anos 70.
As plantas de refinaria e petroquímicas adotaram esta técnica e
obtiveram economia considerável com o aumento de disponibilidade de
equipamento produtivo e correspondente
aumento de produtividade. Desde então,
a monitoração da condição tem sido
implantada com sucesso em industrias
que empregam máquinas rotativas em geral.
Vibração na Manutenção Preditiva

Desbalanceamento - vibração predominantemente radial, cuja frequência
coincide com a frequência de rotação do eixo. Causas mais comuns:
- assimetria
- não homogeneidade do material
- excentricidade
- desalinhamento dos rolamentos
- desbalanceamento dos rolamentos
- desbalanceamento hidráulico
ou aerodinâmico.
Fontes comuns de
vibrações e ruído

Desalinhamento - vibração radial, cuja frequência é igual à
frequência de rotação do eixo, acompanhada de outra frequências iguais ao
dobro e ao triplo da velocidade
de rotação (harmônicos).
Apresenta componentes na
direção axial ao eixo,
com mesma composição
de frequências.
Fontes comuns de

Eixo torto - da origem a vibração, cuja frequência é igual ao dobro
da frequência de rotação do eixo.
Fontes comuns de

Engrenamento - da origem a vibração, cuja frequência é igual ao produto
do número de dentes da engrenagem pela rotação do eixo. Para
engrenagens helicoidais ou cônicas, existirão os componentes axiais
correspondentes.
Sendo RPM em [rad/s]
Lembrando que
Fontes comuns de

Cavitação - relacionada à movimentação de líquidos, da origem a
vibração, que apresentam variações bruscas na indicação, principalmente
em altas frequências.
Fontes comuns de

Aerodinâmicas - encontrada em ventiladores, da origem a vibração, cuja
frequência é igual à passagem das pás ou palhetas nas aberturas de entrada
ou saída do fluido.
Fontes comuns de

Atrito - da origem a vibração de composição bastante complexa, é
detectada principalmente pelo barulho
que produzem.
Origem elétrica - devido a dilatação das lâminas, da origem a vibração
axial, cuja frequência é o dobro da frequência da linha de alimentação. Sua
identificação se faz desligando a alimentação, quando a vibração cessa
imediatamente.
Fontes comuns de

Origem elétrica - problemas nos polos, vibração predominantemente
radial, com frequência igual ao número de polos com problemas vezes a
frequência de rotação do rotor.
Rotor com lâminas soltas, vibração com
predominância radial, frequência da rede
multiplicada pela rotação do rotor.
Fontes comuns de

Fontes comuns de
Folga Mecânica – As folgas mecânicas causam vibrações no sistema em
geral na frequência de rotação da máquina seguida de muitas harmônicas
Estas vibrações são muitas vezes geradas por parafusos frouxos, folgas
excessivas nos mancais ou
talvez uma trinca na estrutura
ou nos pedestais de mancais,
danos na fundação,
peças partidas, etc.

Métodos de Manutenção Preditiva
por análise de vibrações
A escolha da variável a ser medida e sua posição constitui uma das etapas
mais importantes do processo de implantação de um programa de
manutenção preditiva por análise de vibrações.
O processo de detecção de um defeito está diretamente ligado ao nível
energético que este se
manifesta quando o
equipamento está em
funcionamento.

Componentes defeituosos com maior massa, se comparados com a massa
bruta total do equipamento, ou com defeitos em estágio avançado de
progressão terão maior facilidade de serem detectados.
Componentes menores demandarão maior complexidade no seu processo
de monitoramento.
No processo de manutenção preditiva em plantas industriais não são raros
os casos em que falhas catastróficas dos mancais de rolamento, por
exemplo, não foram sequer alertadas pelos métodos mais usuais de análise
pela medida do Valor Global de velocidade – RMS.

Os problemas mecânicos que se manifestam em baixas frequências são os
mais facilmente detectados pela análise espectral ou pela simples leitura do
Valor Global de velocidade RMS.
A ocorrência de desbalanceamentos de eixos e rotores, desalinhamento
entre bomba e motor, por exemplo, costumam ser precisamente detectados
antes de assumir maior criticidade, mas no espectro de frequência em
velocidades, as amplitudes associadas às frequências que caracterizam os
defeitos em mancais de rolamento tornam-se imperceptíveis em meio as
frequências associadas aos defeitos anteriormente citados.

A aplicação da técnica do espectro do ‘envelope’ de aceleração, que parte
da demodulação do sinal de vibração com amplitude modulada, em alta
frequência, tem se
mostrado o método
mais eficaz para
diagnostico de defeitos
em mancais de
rolamento.

A utilização desta técnica de manutenção deve seguir os níveis descritos
nas seguintes normas
• ISO 2372:1974
Mechanical vibration of machines with operating speeds from 10 to 200
Hz -- Basis for specifying evaluation standards.
• NBR-1082:1987
Vibração mecânica de máquinas. (Range de 600 a 1200 RPM)
• ISO 7919:2005
Mechanical vibration -- Evaluation of machine vibration by measurements
on rotating shafts.
Manutenção Preditiva pelo Nível
Global de Vibrações

Segundo a norma NBR-1082 os principais pontos de medição são:
• os mancais são pontos obrigatórios
• evitar pontos flexíveis em carcaças
• em cada ponto estabelecer claramente as direções de medida - radial
ou axial
• os pontos escolhidos devem ser perfeitamente acessíveis, marcados de
maneira visível no próprio equipamento

Critérios de severidade pela ABNT (NBR 10082)
• Nível A - boas condições, máquina nova ou revisada
após o amaciamento
• Nível B - aceitável para operação continuada
• Nível C - limite tolerável. Não aceitável para a operação continuada.
Deve-se programar parada
• Nível D - não permissível. Deve-se parar imediatamente o
equipamento

Classificação dos Equipamentos
• Classe I - máquinas pequenas acionadas diretamente por motores
elétricos, potência até15 kW.
• Classe II - máquinas acionadas diretamente por motores elétricos,
potência até75 kW.
• Classe III - máquinas motrizes grandes, montadas sobre fundações
rígidas.
• Classe IV - máquinas motrizes grandes, montadas sobre fundações
relativamente flexíveis.

Avaliação das Máquinas por Níveis de Severidade de Vibração
Na ausência de informações do equipamento a ser monitorado sobre seus
limites de vibração, a norma ISO 2372 propõe limites de severidade de
vibração classificando os equipamentos de acordo com suas características.

Manutenção preditiva pelo nível global de vibrações
Critério da Oscilação do Eixo
A medida da vibração do eixo é feita diretamente através da oscilação
relativa entre o eixo e o mancal fixo.
De acordo com a Norma ISO 7919-1,
esta técnica destina-se a grandes
Máquinas.
Ex. grupos geradores hidráulicos, etc.

Esquema de montagem dos transdutores de deslocamento

Exemplo de montagem dos transdutores de deslocamento através de base
magnética. (transdutores indutivos)

Critérios de severidade pela ISO 7919-1
• Nível A - boas condições, máquina nova ou revisada após o
amaciamento.
• Nível B - aceitável para operação continuada.
• Nível C - limite tolerável. Não aceitável para a operação continuada.
Deve-se programar parada.
• Nível D - não permissível. Deve-se parar imediatamente o equipamento.

Manutenção
Preditiva pelo
Nível Global de
Vibrações

Realiza-se uma análise espectral do sinal vibratório, então procura-se os
“picos” de amplitude nas frequências associadas a tais excitações,
observando-se o espectro é possível identificar as frequências de cada
componente da máquina,
tais como giro de eixos,
passagens de pás de
turbinas, acoplamento de
engrenagens, entre outros.
Manutenção Preditiva pelo
espectro de Frequência

espectro de Envelope
As vibrações livres de alta frequência geradas pelos defeitos de
rolamentos possuem intensidade bastante reduzida em comparação com
as amplitudes das componentes de baixa frequência, relacionadas com
defeitos de alta energia como: desbalanceamento, desalinhamento,folgas,
etc.
A grande vantagem do processo de demodulação é eliminar essas
componentes de alta energia, permitindo detectar com maior precisão
e antecedência só os defeitos de rolamentos.

O processo de demodulação é geralmente realizado por um circuito
analógico composto por:
 Um filtro passa-alta (denominado pré-filtro), cuja função é remover as
componentes de grande amplitude que dificultam a detecção das
componentes moduladas
de baixas amplitudes.
 Um retificador e um
filtro passa-baixa,
que extraem a
envoltória das vibrações
livres de alta frequência.

Resumindo, as frequências presentes no sinal demodulado correspondem
às taxas de repetição dos impactos que geram as vibrações livres de curta
duração e alta frequência. Essas taxas de repetição são as frequências
básicas dos defeitos do rolamento. O valor de pico da sequencia de
transitórios presente na forma de onda demodulada (o envelope) é uma
medida da severidade dos impactos gerados pelo defeito.

Aquisição de sinais

Domínio do Tempo X
Domínio da Frequência
A forma mais simples para análise de sinais no domínio da frequência é
utilizando a transformada discreta de Fourier.
Dado um conjunto discreto de números reais ou complexos: (inteiros), a
transformada de Fourier de tempo
discreto de é usualmente escrita:

Domínio do Tempo X
De forma a tentar melhorar as estimativas de funções de transferência de
sinais, são utilizadas janelas para o cálculo dos estimadores espectrais de
função de transferência.

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Domínio do Tempo X
Um sinal janelado representa uma multiplicação no tempo da janela pelo sinal,
o que no domínio da frequência irá significar:

Domínio do Tempo X
Além desta aplicação de janelas, elas também são necessárias em
processamento digital de sinais para reduzir um efeito muito indesájavel: o
leakage. Dois erros fatais que podem ocorrer em processamento digital de
sinais são: o aliasing e o leakage.

Domínio do Tempo X
Este efeito é o erro mais sério que um analista se depara quando processa um
sinal discreto. O uso de janelas é a grande ferramenta que pode ser usada para
minimizar o leakage. Uma vez que a janela w(n) pondera o sinal no tempo
x(n) ela pode ser feita de tal forma a dar um peso maior na informação contida
no centro do período e
reduzir a contribuição
das pontas dos sinal
visando minimizar a
descontinuidade.

Domínio do Tempo X
Considere um sinal senoidal processado por uma janela Hanning. Quando o
sinal janelado (sinal senoidal vezes a janela Hanning) é transformada para o
domínio da frequência, então a amplitude de espectro resultante será somente
a metade do equivalente para o sinal original não janelado. Assim para
corrigir o efeito da janela Hanning na amplitude do sinal o espectro de
frequência deve ser
multiplicado por um
fator de correção de
amplitude de 2.

Domínio do Tempo X
Os fatores de correção mais usados para compensar os efeitos de amplitude e
energia da janela são mostrados abaixo.

Domínio do Tempo X
Outra forma de corrigir a amplitude é utilizando a técnica de overlap.

Domínio do Tempo X

Oitava é a medida relativa geralmente utilizada para a
frequência: se duas frequências possuem a relação 2:1 se
diz que estão separadas por uma oitava.
Filtros de Oitava e Terço de Oitava

Decibel
A unidade técnica decibel é utilizada para expressar valores relativos da
amplitude do deslocamento, da velocidade e da aceleração.
É definida como dB = 20 log10(z/z0),
onde z a quantidade em
consideração e
z0 um valor de
referência para
a mesma
quantidade.
Bosque
Biblioteca
Oficina
Obra

Exemplos de Problemas Detectados
por uma Análise de Vibração
Com o objetivo de demonstrar o emprego desta ferramenta na detecção de
falhas, ilustramos, através de 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 frequências de defeito
de rolamento estavam em alta, principalmente
no rolamento traseiro.
Quando é: Em dias normais de trabalho.

Profa Viviane Cassol Marques 64
Quanto é: De acordo com a tabela abaixo.
Caso o motor queimasse e tivesse que
ser rebobinado, teríamos que:
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 abaixo. Aqui ele
mostra inclusive
a medição após
a troca do rolamento.

Análise
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).

Análise
Após a troca, verificamos que os picos existentes anteriormente sumiram.
Os picos que aparecem no espectro são relativos as frequências dos
elementos do compressor. Apenas aparecem maiores devido ao ajuste
automático da
escala do eixo
vertical do gráfico.

Análise
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.

Análise
Vida do Rolamento
Com isso, obteve-se 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, pode-se 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 frequências de defeito de rolamento
e folgas estavam aumentando em demasia.
Quando é: Em dias normais de trabalho.
Quanto é: De acordo com a tabela.

Análise
Pode-se verificar no gráfico de tendências, a evolução do estado de
deterioração do rolamento da biela.
Esse rolamento rodou no mancal, resultando no espelhamento da sua
superfície externa. Após a substituição do mesmo, a biela voltou a ter
parâmetros aceitáveis em seu nível de vibração.

Análise

Análise
Nas tendências das figuras abaixo, tem-se 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.

Análise
O que significa dizer que a análise de vibrações proporcionou uma redução
de custos de cerca de 67% se comparado ao valor de troca do conjunto
excêntrico durante a produção.

Conclusão
Convém lembrar que nenhuma tecnologia de preditiva é “milagrosa”, e que
todas as técnicas possuem limitações.
Uma das tarefas mais difíceis 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.

Conclusão
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 acompanhamento 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.

Rolamentos - defeitos tem origem na deterioração da pista interna,
externa, elementos rolantes ou gaiolas, cujas frequências de vibração são:
fBPFO = z n [1 – (d/D) cos  ] pista externa –
2 60 Ball Pass Frequency Outer Race
fBPFI = z n [1 + (d/D) cos  ] pista interna –
2 60 Ball Pass Frequency Inner Race
fBSF = d n [1 – (d/D)2 cos  ] elementos rolantes –
D 60 Ball Spin Frequency

Onde:
d = diâmetro da pista interna do rolamento
D = diâmetro da pista externa do rolamento
z = número de elementos rolantes (esferas, rolos ou agulhas)
n = rotação do eixo
 = ângulo de contato entre a pista e o elemento rolante

Estágios de Degradação de um Rolamento
Estágio 1 – Inicial:
② Aumenta a energia da banda de 500Hz a 20kHz, aonde se situam as
frequências naturais das componentes dos rolamentos.
② No espectro de envelope surgem as frequências básicas de defeito.
② Nos espectros de velocidade são visíveis apenas as harmônicas de ordem
elevada (acima de 8) dessas frequências, o que é uma característica
espectral inerente aos transitórios de curta duração gerados pelos
defeitos de rolamento no seu estagio inicial.

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