MATERIAL de PREDITIVA EngefazAnaliseConceitos

1NDICE

Anlise de Vibrao

1. Introduo .................................................................................. 02

2. A vibrao .................................................................................... 02

3. Nvel de vibrao .......................................................................... 06

4. Parmetros de vibrao .............................................................. 08

5. Guia de orientao de causas .................................................... 10

6. Anlise de causas ........................................................................ 16

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2ANLISE DE VIBRAO I TEORIA E PRTICA

1. INTRODUO

Este trabalho apresenta nossa modesta vivncia em prticas de anlise de vibraes, utilizandoinstrumentos portteis, estando os rotores em suportes e acionamentos prprios. A presena devibraes em equipamentos rotativos induz frequentemente a diagnsticos prematuros, apon-tando como causa, o desbalanceamento do rotor, falha dos rolamentos ou eixos desalinhados.Desta forma, atitudes so tomadas, s vezes sobre todas as variveis, com grande dispndio deesforos e a um custo elevado. Como veremos, a anlise de vibraes proporcionar umavaliosa ajuda na identificao de causas, e se confirmado que o caso de desbalanceamento,uma tcnica correta aplicada facilitar a execuo.Quanto mais voc conhece sobre o defeito, maior a confiana com a qual voc pode diagnosti-car. Em anlise de vibraes, isto deve ser adquirido passo a passo. Um pouco de teoria ne-cessrio para o entendirnento de procedimentos. O sucesso influenciado pela qualidade dosinstrumentos e tcnica utilizada, mas, sobretudo, pela habilidade do executante em lidar com asinformaes geradas pelos instrumentos, e o seu dominio sobre a mquina. Uma realimentaosobre acertos e erros auxilia o desenvolvimento pessoal, desbloqueando o raciocnio e promo-vendo a empatia com o assunto.

2. A VIBRAO

Um corpo dito estar vibrando, quando ele descreve um movimento de oscilao em torno deuma posio de referncia. O nmero de vezes de movimentos completos (ciclos), tomados du-rante o perodo de um segundo, chamado de freqncia e medido em Hertz (Hz = ciclos /Segundo).Vibraes mecnicas podem ser geradas intencionalmente para produzir um trabalho til comoem alimentadores, britadores, compactadores, vibradores para concreto, uso em ensaios de fa-diga, etc; porm, a vibrao normalmente considerada indesejvel, e sua presena em equipa-mentos rotativos acelera consideravelmente as falhas, provocando paradas inoportunas, elevan-do os custos de produo.Neste trabalho, nos dedicamos ao entendimento da vibrao no desejada, identificando a ori-gem pelo estudo de seu comportamento, registrada por instrumentos de medio, de modo apromover um diagnstico exato, que permita uma correo definitiva, pois acreditamos ser o en-tendimento do problema, um precioso passo no caminho da soluo.Na prtica, a vibrao existe devido a efeitos dinmicos, tolerncia de fabricao, folgas, atritoentre partes em contato, folgas desequilibradas em elementos rotativos e recprocos, ficando emnveis admissveis enquanto as condies de projeto so mantidas.Um aumento do nvel de vibrao est relacionado com alteraes ocorridas em um ou mais e-lementos da mquina, influenciando tambm outros componentes por estarem interligados. Umapequena vibrao pode excitar freqncias de ressonncia de outras partes estruturais e seramplificada para um nvel maior de vibrao, que geralmente ser percebido na estrutura e nodiretamente na fonte de vibrao.A vibrao de um componentes simples, como de uma lmina fina, excitada numa determinadafreqncia, facilmente identificada:


3Porm, o que encontramos nos equipamentos industrials, so vrios componentes vibrando emfreqncias diferentes, ao mesmo tempo, de modo que estas vibraes se somam e se subtra-em formando um espectro em funo do tempo, no qual no conseguimos ver quantos compo-nentes existem, e em quais frequncias eles ocorrem.

Estes componentes podem ser revelados, plotando nvel de vibrao pela frequncia. Quandoanalisamos as frequncias de vibrao de urna mquina, normalmente encontramos um certonmero de componentes de frequncias, as quais esto diretamente relacionadas aos movimen-tos fundamentais das vrias partes da mquina.

A decomposio dos sinais de vibrao em componentes individuais na freqncia, chamadode anlise de freqncia, uma tcnica fundamental no diagnstico de vibraes. Com anlisede freqncia, fica muito facilitado o trabalho de descobrir uma ou mais fontes de vibraes in-desejveis.

Am

plitu

de

Tempo


4Exemplo:

1x

Freq

unc

iado

com

pone

nte

A

1x

Freq

unc

iado

com

pone

nte

B

3x

Freq

unc

iado

com

pone

nte

A

1x

Freq

unc

iado

com

pone

nte

C

1x

Freq

unc

iado

com

pone

nte

D

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y P

DF

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e P

DF.

If y

ou w

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mov

e th

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ne, b

uy it

now

.

5Causa Amplitude x Tempo FreqnciaNvel de VelocidadeRMS

Desbalanceamentodo conjunto do Mo-tor Eltrico 6,41 mm/s

1180 RPM(19,68 Hz)

Desbalanceamentodo conjunto do Ro-tor do Ventilador

0,6 mm/s 1548,6 RPM(25,81 Hz)

Efeito Aerodinmi-co

0,049 mm/s 18576 RPM(309,7 Hz)

Rolamento 0,45 mm/s96.000 RPM(1.600 Hz)

Chaveta com folgano rotor 0,75 mm/s

6.940 RPM(115,67 Hz)

Falha eltrica 2,50 mm/s 7.200 RPM(120 Hz)

Correia0,80 mm/s 900 RPM

(15 Hz)

Poli-harmnica 12,74 mm/s Valor Global


6A anlise de freqncia representada com o parmetro escolhido para a medio em funoda freqncia.

3. NVEL DE VIBRAO

0 nvel de vibrao de um espectro, em funo do tempo, pode ser medido em valor pico a pico,valor de pico, valor mdio retificado e valor RMS (Root mean-Square).

0 valor pico a pico indica o percurso mximo da onda, e pode ser til onde o deslocamento vi-bratrio da parte da mquina crtico para a tenso mxima ou a folga mecnica limitante.

Nvel RMS

Tempo

Nv

elde

Vibr

ao

Nvel Pico a Pico

Nvel de Pico

Nvel RMS


70 valor de pico particularmente vlido para indicao de choques de curta durao, porm,indicam somente a ocorrncia do pico, no levando em considerao o histrico no tempo daonda.0 valor mdio retificado, leva em considerao o histrico da onda no tempo, mas considera-do de interesse prtico limitado, por no estar relacionado diretamente com qualquer quantidadefsica til.

0 valor RMS a medida de nvel mais relevante, porque leva em considerao o histrico daonda no tempo e registra um valor de nvel que diretamente relacionado energia contida nosinal, e portanto, capacidade destrutiva da vibrao.

Correlao entre nvel pico a pico, nvel de Pico, nvel mdio retificado e nvel RMS, para urnaonda seno:

4. PARMETROS DE VIBRAO

Os parmetros de medio de vibrao so: deslocamento, velocidade ou acelerao.Observando a vibrao de um componente simples, como uma lamina fina, consideramos a am-plitude da onda, como sendo o deslocamento fsico da extremidade da lmina, para ambos oslados da posio de repouso. Podemos tambm descrever o movimento da ponta da lmina, emtermos de sua velocidade e sua acelerao. Qualquer que seja o parmetro considerado, deslo-camento, velocidade ou acelerao, a forma e o perodo da vibrao permanecem similares. Adivergncia principal que existe uma diferena de fase entre os trs parmetros.

Nv

elde

Vibr

ao

V,D

,A

Nvel Pico a Pico (2,0) Nvel de Pico (1,0)

Nvel RMS(0,707)

T

Nvel MdioRetificado (0,637)

Tempo


8Para sinais senoidais, amplitudes de deslocamento, velocidade e acelerao esto relacionadasmatematicamente em funo da freqncia e tempo.


9Para "n" fontes de vibrao:

Os parmetros de vibrao so quase universalmente medidos em unidades mtricas de acordocom recomendaes ISO, sendo:

deslocamento : m, mm, m.velocidade : m/s, mm/s.acelerao : m/s2, km/s2

5. CAUSAS E SINTOMAS

CAUSA DA VIBRAO FREQNCIA PLANO DOMINANTE

Desbalanceamento 1 x RPM Radial

Correlao Desbalanceamento Esttico - 0De fase Par desbalanceado - 180

Desbalanceamento Dinmico - 0a 180

. A correlao de fase dada a diferena de fase aproximada medida nos dois mancaisde sustentao do rotor, estando os dois transdutores na mesma direo, porexemplo, radial horizontal.

.Rotores em balano apresentam tambm vibrao axial significativa. Um par desbalan-ceado tambm provoca vibrao axial.

Eixo empenado oudesalinhamento

Angular

1 X, 2 X RPM AXIAL

. A componente 2 X RPM pode ser esperada dependendo da magnitude do problema eda mobilidade do sistema.

CORRELAO Axial - 180


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DA FASE Radial - 0

. Transdutores colocados axialmente em cada mancal, podem estar posicionados emdirees opostas, apresentando correlao de fase medida de 0para uma correlaoverdadeira de 180.

A leitura de fase influenciada pela forma de fixao axial do eixo do rotor em seusmancais, se comportando conforme descrito acima, onde os dois mancais suportamcarga axial, fugindo da correlao de fase citada quando apenas um dos mancais su-porta carga axial, ficando o outro mancal livre para dilatao,.

Desalinhamento paralelo 1 X, 2 X RPM RADIAL

CORRELAO Radial - 180DE FASE Axial - 180

Falta de rigidez mecnica 1 X, 2 X, 3 X, 4 X RPM etc...,tambm 0,5 X, 1,5 X RPM,

etc...

RADIAL

. Harmnicas superiores estaro presentes, e tambm inter-harmnicas de 1 X RPM,isto , 0,5 X, 1,5 X RPM, etc ..., podem muitas vezes estar presente, resultante da nolinearidade causada por truncao, ou seja, na prtica, quando ocorrer uma excessivafalta de rigidez.

Correia de transmisso de-feituosa

1 X, 2 X, 3 X, 4 X RPMda CORREIA

RADIAL

Com auxlio de lmpada estroboscpica, possvel localizar visualmente a correia defei-tuosa, posicionando-a na freqncia previamente calculada.

Nc = p. D. nLc

Nc = rotao da correia. (RPM)Lc = comprimento nominal da correia. (m)D = dimetro de uma das polias. (m)N = rotao da polia de dimetro D. (RPM)

Massa com movimento al-ternativo

1 X, 2 X, 4 X Freqncia docurso

Radial

Os nveis de vibrao medidos geralmente diminuem com o aumento do nmero de ordem,para um elemento alternativo somente.


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. A ordem das harmnicas superiores depende do nmero de cilindros da mquina, composi-o angular entre eles e ciclo de carga dos cilindros (um tempo, dois tempos, etc... )

Chicote ou turbilhonamentodo filme de leo em mancais

de deslizamento

0,43 a 0,48 X RPM Radial

Pode ocorrer em equipamentos de alta rotao com mancais de deslizamento, tipo turbi-nas. um problema de projeto e tambm de difcil ocorrncia. Pode ser confundida a suafreqncia com x RPM. A resoluo do espectro dever ser suficiente para diferenciareste tipo de defeito.

Folga em mancais de desli-zamento

1/3 X, X RPM Radial

Observado na rotao e temperatura de operao da mquina. , tambm um problemade falta de rigidez mecnica. Harmnicos de 1x RPM so esperados.

Engrenamento Defeituoso Z X RPM e Harmnicos Radial e axial

Z = nmero de dentes da engrenagem.

Bandas laterais em torno da freqncia de engrenamento (Z X RPM), indicam modulaode freqncia, para a freqncia correspondente ao espaamento das bandas laterais.Por exemplo, uma freqncia de engrenamento fundamental em 75 Hz, com bandas late-rais espaadas esquerda e direita por 3 Hz, que a freqncia de rotao do pinho,mostra-se como um problema de excentricidade do eixo do pinho e deficincia de conta-to no engrenamento.

2

1

f e = 75 Hz

f 2 = 0,6 Hz

f 1 = 3 Hz

Z1 = 25 dentesn1 = 180 RPM

Z2 = 125 dentesn2 = 36 RPM

4x eng3x eng2x eng

75 Hz

75 Hz75 Hz

1x eng

75 Hz

75 Hz

Bandas laterais de 3 Hz


12

fe = Z1 . n1 f e = 25 . 180 fe = 75 Hz.60

Um desalinhamento entre eixos de um par engrenado pode provocar harmnicos mltiplos da fre-qncia do eixo desalinhado, mostrando um pico na freqncia de engrenamento, e bandas late-rais em torno da segunda harmnica de engrenamento, espaadas na freqncia do eixo desali-nhado.

Neste exemplo temos harmnicos de 10 Hz (eixo de entrada de um redutor), um pico na freqn-cia de engrenamento (191 Hz), bandas laterais de 10 Hz em torno de 2x engrenamento.

RolamentoDanificado

Freqncias Fundamentais Freqncias Induzidas

Radial e Axial

. Os rolamentos so compostos de elementos como pista externa, pista interna, elemen-tos girantes e gaiola. O incio de defeito em um destes elementos, apresenta uma vibra-o de freqncia fundamental. A dificuldade de diagnosticar atravs da procura de vibra-o nestas freqncias, que elas so de baixas amplitudes e baixas freqncias, fican-do obscurecidas por outras vibraes e rudos de baixa freqncia. Instrumentos quepossibilitam aplicao da Tcnica de Envelope, conseguem auxiliar o usurio na identifi-cao das freqncias fundamentais.

f = freqncia fundamental (Hz)fr = freqncia relativa entre pista externa e pista interna (Hz)Dp= dimetro primitivo (mm)D = dimetro da esfera ou rolo (mm)n = nmero de esferas ou rolosb = ngulo de contato

Harmnicos de 10 Hz(eixo acionamento)

Bandas laterais de 10 Hz1x engrenamento (191 Hz)

2x engrenamento


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Defeito na pista externa: f = n . fr.(1 - D . cos b) [Hz]2 Dp

Defeito na pista interna: f = n . fr.(1 + D . cos b) [Hz]2 Dp

Defeito na esfera ou rolo: f = Dp . fr [ 1 - ( D . cos b) 2 ] [Hz]D Dp

Defeito na gaiola: f = 1 . fr. ( 1 - D . cos b ) [Hz]2 Dp

Nestas equaes assumido um movimento de giro puro, sendo que na realidade ocorre algumtipo de escorregamento tornando os resultados aproximados.Harmnicas superiores das freqncias fundamentais normalmente esto presentes.Softwares existentes no mercado, como, por exemplo, o FAM da SKF possui um banco de dadosbastante completo e podem calcular estas freqncias rapidamente, dependendo apenas do mo-delo do rolamento utilizado.

. As vibraes de rolamentos provocam ressonncia induzida na carcaa do rola-mento e estrutura da mquina, na faixa de 1000 Hz a 20.000 Hz. A freqncia natural excitada por impactos no local da falha do rolamento. Comparao de espectro me-dindo acelerao (m/s2) na faixa de 1 kHz a 20 kHz permite boa avaliao da evolu-o do estado do rolamento.A principal tcnica utilizada na deteco de problemas em rolamentos a tcnica deenvelope de acelerao, inclusive em se tratando de baixas e baixssimas rotaes.Medies simples de velocidade no so totalmente eficazes na diagnose, no sendoproibido procurar por vibraes de rolamentos a.

Histerese eRessonncia

Rotao crtica do eixo.Freqncia natural da estrutu-

ra

Radial

Vibrao excitada na passagem pela rotao crtica do eixo ou pela freqncia natural da estrutu-ra. Ocorre em mquinas cuja rotao de operao est acima da crtica. Em estruturas, um e-xemplo comum a vibrao momentnea provocada quando um esmeril de pedestal acionadoou desligado.Correes podem ser feitas alterando a rigidez da parte excitada, eixo, rotor ou estrutura. umproblema de projeto.Pode ocorrer influncia entre mquinas que operam prximas na mesma freqncia, provocandoflutuao na vibrao. As solues podem ser de eliminar fontes de vibrao de cada mquina,mudando de rotao de operao e amortecimento da vibrao atravs de isoladores.


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Perturbao Hidrulica OuAerodinmica

Nde ps X RPM Radial eAxial

Ocorre na freqncia de passagem de lminas, ps ou hlices, do rotor propulsor.Verificar rigidez das lminas, ps ou hlices, e/ou influncia de turbulncia do fludo sobre o rotor.Em Torres de Resfriamento pode-se ter inclinao das ps com desvios de ngulos, causandoturbulncia no fluxo de ar.Em bombas de mltiplo estgio deve-se montar os rotores defasados de forma a reduzir a ener-gia do bombeamento em uma determinada freqncia (nps x rpm).

VIBRAO EM MOTORES ELTRICOS DE INDUO

Excentricidade esttica2 X Freqncia da linha e

componentes para:W x [n.Rs.(1-s) / r K1}

Radial

W = freqncia da linha [Hz]N = nmero inteiro qualquerRs = nmero de ranhuras do rotorS = escorregamento unitrior = nmero de pares de plosK1 = zero ou npar (2, 4, 6, 8, ...)

Pode resultar de alinhamento interno deficiente, rolamento desgastado, ou de aqueci-mento local do estator. Vibrao mais intensa com o motor superaquecido. Aquecimentolocal do estator pode ser causado por Iminas em curto.

Fragilidade / afrouxamento do su-porte do estator.

Desbalanceamento de fase, resis-tncia ou bobina.

Lminas do estator em curto / enro-lamento.

2 X Freqncia da linha Radial

Referido como "ferro solto".Difcil diferenciar entre este grupo usando somente anlise de vibrao. A vibrao estarpresente com ou sem carga.

Lminas soltas do estator2 X Freqncia da linha e

componentes espaados por 2X freqncia da linha em torno

de 1 KHz. **

Radial

Pode ter alta amplitude, mas normalmente no destrutiva. Os componentes de alta fre-qncia podem ser similares aos de excentricidade esttica.


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Excentricidade Dinmica

1 X RPM com 2 X FREQUN-CIA de escorregamento em

bandas laterais e componentesde :

W X [((n.Rs Ke) x (1-s) / r) K1]

Radial

Ke = grau de excentricidade: zero para excentricidade esttica e um valor baixo de nme-ro inteiro para excentricidade dinmica.Pode resultar de rotor curvo, rotor danificado, ou de um aquecimento local do rotor.Vibrao mais intensa com motor superaquecido. Aquecimento local do rotor pode sercausado por lminas em curto ou barra(s) do rotor interrompida(s) ou trincada(s).

Barra de rotor rompida ou trinca-da.

Barra de rotor solta Lminas de rotor em curto Junta do anel final deficiente.

1 X RPM com 2 X freqnciade escorregamento em bandaslaterais e componentes simila-

res queles dados anterior-mente para excentricidade di-

nmica

Radial

As bandas laterais de escorregamento podem ser de nvel baixo, porm o instrumento de-ve ter condies de detect-las.

6. CAUSAS

6. 1. Desbalanceamento

Ocorre em 1x RPM e um dos grandes problemas causadores de vibrao em equipa-mentos rotativos nas industrias.Algumas vezes, equipamentos expostos a processos severos e que so atingidos direta-mente por produtos (algum tipo de massa) apresentam desbalanceamento de tempos emtempos, cabendo uma limpeza dorotor para que o problema sejaresolvido aps a anlise de vibraohaver detectado a elevao em 1xRPM.As vibraes se apresentam commaior intensidade nas proximidadesdo rotor indicando a fonte doproblema.Em contrapartida, diversas empresas(ou pessoas) tm em mente que todoo problema possa ser resolvido aps um balanceamento, o que verdade, se o caso forapenas de desbalanceamen

to!


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6. 2. Desalinhamento / Empenamento

Desalinhamentos ocorrem nas empresas como o maior ndice de problemas detectados atravsda manuteno monitorada.Um desalinhamento angular apresenta vibraes elevadas na direo axial, portanto, sendo defcil identificao nas medies. Um valor elevado na direo axial em 1x RPM indicar um de-salinhamento angular.Uma vibrao em 2x RPM tambm indicar um desalinhamento (paralelo).Quando surgem vibraes em 1x RPM o diagnstico dever levar em conta todas as mediesexecutadas em todos os pontos.Em se tratando de desalinhamento paralelo, a vibrao se manifestar na direo radial, o ques vezes torna a anlise mais demorada. Anlise de envelope apresenta a 2 harmnica elevadaquando se tratar de um desalinhamento, e apresentar a 1 harmnica elevada quando se tratarde um desbalanceamento.

6.3. Falta de rigidez mecnica ou folga

Sintomas de falta de rigidez no esto ligados somente a uma base solta, mas tambm a umadeficincia de projeto em muitos casos. comum termos equipamentos trabalhando com basesde apoio subdimensionadas e a prtica requer um redimensionamento que implicar em reforoadicional da estrutura. Em diversos casos de moto-bombas, um preenchimento com concreto embases que so construdas apenas com vigas podem resultar em grande melhora.

Vibrao em 2x RPM, causada por desalinhamento.Este tipo de espectro tambm gerado quando se tratade um eixo empenado, pois ele gera o mesmo sintoma.

Rotor desbalanceado devido a abraso.Vibrao em 1x RPM.


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6.4. Correia de transmisso defeituosa

As vibraes provenientes da correia so em geral de baixas freqncias, podendo ser detecta-das em velocidade, porm, sua energia de vibrao pequena. Uma vibrao proveniente decorreia defeituosa esperada acompanhada de um desalinhamento das polias, geralmente, oque no acontecer se apenas a correia estiver defeituosa.O uso de lmpada estroboscpica auxilia na visualizao da correia em movimento.

Calculando-se a rotao da correia posiciona-se a lmpada e pode-se ento ver se h escorre-gamento de alguma correia ou mesmo se ela est transmitindo fora pela lateral do canal e nopelo fundo.

Falta de rigidez mecnica. Harmnicos de 1x RPM.

Dois exemplos de falta de rigidez mecnica: 1. Corroso na chapa da base onde fixado o para-fuso do pedestal de um ventilador; 2. Base mal projetada.

Um exemplo de desalinhamento atacado da forma incorre-ta. Para suportar a vibrao, foi fixado o mancal monoblococom uma chapa. A causa no foi atacada: desalinhamento e

correia defeituosa.


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Um tensionamento incorreto na correia tambm implicar em vibrao excessiva na freqnciade correia.

6.5. Movimento Alternativo

Equipamentos que possuem movimento alternativo apresentam vibraes em harmnicos de 1xRPM em nveis maiores que aqueles que no possuem estas caractersticas. Compressores, mo-tores diesel so os mais comumente encontrados. Estes equipamentos transmitem tais vibraese, assim como em motores veiculares, so montados sobre coxins, evitando a transmisso davibrao.O monitoramento das vibraes pode ser executado via espectros e tendncias das freqncias.Os nveis de alarme devem ser ajustados para cada equipamento em especfico.

6.6. Turbilhonamento do Filme de leo

um problema de projeto e bastante incomum de ser encontrado como fonte de problema. Es-pera-se o aparecimento desta vibrao to logo o equipamento entre em funcionamento.Importante analisar com boa definio para diferenciar entre 0.48 x RPM e 0.50 x RPM.

Turbilhonamento do filme de leo. Boa resoluo para a anlise.

6.7. Engrenamento Defeituoso

6.7.1 - Sintomas e Problemas

sabido que vibraes no engrenamento proporcionam vibraes na freqncia calculada pornmero de dentes vezes a rotao do eixo e harmnicos.

Movimento alternativo (motor diesel). Harmnicos de 1xRPM.

1 X RPM0.5x RPM

0.48x RPM


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Para saber-se qual eixo contm a engrenagem defeito (pinho ou engrenagem), observa-se apresena de bandas laterais em torno desta freqncia de engrenamento, conforme figura abai-xo.

Figura 44 - Freqncia de engrenamento com bandas laterais de 1x rpm do eixo problema.

Exemplo 1:

Para um eixo pinho que rotacione em 130 Hz, e possua 31 dentes, teremos uma freqncia deengrenamento de 4030 Hz. Encontrando-se vibrao em 4030 Hz, com bandas laterais de 130Hz, comprova-se uma excentricidade do eixo pinho, provocando deficincia no contato do en-grenamento.Esta vibrao com relao freqncia de engrenamento apresentada de acordo com o tipode problema existente no equipamento.Uma folga no eixo pinho provocar uma vibrao de 1x rpm e harmnicos deste eixo, alm de1x freq. engrenamento e harmnicos.

Fe = Z x rpm

Fe

bandas laterais de 1x rpm

Engrenamento com pitting. Deteco atravs da anlise devibraes.


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Um eixo desalinhado pode provocar uma elevao da 2 harmnica do engrenamento, alm dosurgimento da 3 harmnica. Bandas laterais podem ou no surgir em torno destas freqncias,dependendo da gravidade do problema.

Exemplo 2:

Um caso prtico das vibraes na freqncia de engrenamento pode ser comprovado na se-qncia do trabalho a seguir, onde foi-se desalinhando e realinhando o eixo pinho e regis-trando-se as vibraes geradas por este problema.Vibraes elevadas neste acionamento so repassados para a pea a ser usinada, causandorugosidade elevada na sua superfcie e provocando a rejeio pelo controle de qualidade.

Engrenamentos (121.5 Hz) e espectro mostrando a supremacia da segundaharmnica do engrenamento.

Este equipamento apresenta a engrenagem intermediria com pitting em alguns dentes, diag-nosticada atravs dos nveis de vibrao encontrados na freqncia de engrenamento.Sucessivas tentativas de baixar os nveis de vibrao na freqncia de engrenamento mostraramaumentos das harmnicas superiores, sem a queda esperada da primeira harmnica.Na figura abaixo temos a amplitude da segunda harmnica maior que a primeira, mostrando queum desalinhamento do eixo pinho provoca tal sintoma.Novas posies no eixo de entrada (inferior na figura), mostraram que alm do agravamento dodesalinhamento, um engrenamento defeituoso aumenta o nmero de harmnicas do engrena-mento.

E1

E2

ENGRENAMENTO E1 = E2 = 121,5 Hz

Harmnicos de 1x engrenamento.


21

A figura abaixo mostra o aumento das harmnicas de 1x freqncia de engrenamento, devido aodesalinhametno do eixo de acionamento (pinho) e engrenamento defeituoso. sabido que um problema em uma engrenagem deve ser corrigido atuando-se no par engrena-do, e no se consegue a melhora com outro tipo de correo. Neste caso especfico, o aciona-mento foi substitudo, passando a ser feito por corrente dentada que absorve os choques quepossam surgir com a operao.

A prtica de anlise de vibraes tem demonstrado que em redutores pesados onde h desgas-tes nos dentes, as vibraes se apresentam na primeira harmnica do engrenamento, em princ-pio; passando a se apresentar aumentar a segunda harmnica medida que o problema se a-grava, chegando a apresentar apenas a segunda harmnica num estgio avanado do defeito.

6.7.2 - GHOST

Por algumas vezes, em situaes de trabalho onde se tem uma regio da engrenagem deterio-rada, as vibraes so geradas em freqncias que aparentemente no se correlacionam com oengrenamento. So freqncias diferentes daquelas geradas pelo engrenamento, e tambm di-ferentes de harmnicos dos componentes do sistema. No incomum o analista se achar emsituao embaraosa para finalizar diagnsticos.

Um engrenamento defeituoso pode gerar freqncias diferentes, relacionadas a um setor defei-tuoso da engrenagem. Tal freqncia chamada de Ghost, exatamente por dar a impresso deque ela no tem ligao com nenhuma parte da mquina.O clculo do nmero de dentes defeituosos feito por:

Zd = Setor de dentes defeituosos da engrenagem problema.G = Freqncia GhostFe = Freqncia de engrenamentorpm = rotao do eixo que contm a engrenagem problema

Exemplo: Supondo o engrenamento conforme a figura abaixo.

Zd = I G - Fe I / rpm (ou Hz)

Medio aps a interveno. Desaparecimentoda freqncia de engrenamento.


22

Figura 48 - Engrenamento e espectro de vibrao para um Ghost.

Este sinal mostra uma freqncia de 377 Hz, que a primeira vista no tem relao com o engre-namento. O clculo da freqncia Ghost usado neste estgio da anlise, e no no levantamen-to das freqncias esperadas.

Pela frmula do Ghost, temos: Zd = IG - FeI / rpm (ou Hz)O que tem-se que verificar a relao da freqncia encontrada com o Ghost. Portanto:

Zd = I 377 - 299 I = 5213

Este nmero, por ser inteiro, indica um setor de dentes defeituosos da engrenagem que possuium engrenamento em 299 Hz e que gira em 13 Hz, portanto, apontando para o pinho de sada.S ele gira em 13 Hz e possui engrenamento em 299 Hz.A freqncia Ghost pode surgir tanto direita como esquerda da freqncia de engrenamento,por isso utilizado o mdulo no clculo de G - Fe. A diferena entre o Ghost e a freq. engrena-mento aparecer no espectro de envelope, confirmando o problema de engrenamento.6.8. Rolamento defeituoso

Os problemas ocorridos em rolamentos so detectados via anlise de envelope.Na prtica nota-se que as vibraes provenientes dos componentes dos rolamentos no possu-em grande energia, sendo esse sinal geralmente encoberto nas outras tcnicas. Um defeito emgaiola de rolamento, por exemplo, de difcil deteco, apresentando-se com clareza atravs datcnica de envelope.

Medies executadas logo aps a lubrificao de rolamentos, tero resultados alterados paramenos devido ao amortecimento provocado pela graxa.

E2 = 299 Hz

E1 = 690 Hz

4.74 Hz

30 Hz

63 dentes

23 dentes13 Hz

53 dentes

23 dentes

299 Hz 377 Hz


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Medies em rolamentos na partida de equipamentos como ventiladores, exaustores, cuja tem-peratura de servio est acima da temperatura ambiente (bombeamento de gases quentes), de-vem ser feitas aps acomodao total do eixo de acionamento na temperatura de servio, pois, omancal com a capacidade de dilatao axial, apresentar picos de vibrao neste perodo de lo-comoo axial, alterando os resultados momentaneamente.

6.8.1. Anlise de envelope

A tcnica de "Envelope" um poderoso recurso de instrumentao, para identificar impactos pe-ridicos, diferenciando assim de impactos aleatrios presentes num espectro. Sua aplicao direcionada para a deteco e diagnstico de falhas em rolamentos, principalmente onde outrastcnicas podem falhar e atribuir aos rolamentos impactos que so provenientes de turbulncia defluido, cavitao (bombas), engrenagens.Os defeitos que se originam nos rolamentos, provocam impactos peridicos que iro excitar aestrutura que suporta os mesmos, entrando em ressonncia e se mostrando num espectro, comoum aumento de picos em faixas de alta freqncia. As freqncias fundamentais de excitaoso de baixo valor, ficando misturadas com outros sinais, dificultando sua identificao direta-mente no espectro. A "Anlise de Envelope" consegue extrair a freqncia fundamental de exci-tao e seus harmnicos, identificando a vibrao de rolamento e localizando o seu defeito (pistaexterna, pista interna, elementos girantes, gaiola).Desta forma, a tcnica de "Envelope" se mostra como uma anlise de vanguarda, sendo o mto-do mais preciso para auxlio no diagnstico de falhas em rolamentos, e isento das imperfeiesque outros mtodos de medio apresentam.

A tcnica bastante poderosa para a deteco de problemas que ficam mascarados devido presena de vrias outras fontes de vibrao que possuem maior energia.Atravs do uso de filtros, as fontes de vibrao so separadas, de modo que freqncias de me-nor intensidade podem ser detectadas como modulantes do sinal.A tcnica de envelope permite diferenciar entre eventos aleatrios e peridicos presentes nosespectros. utilizado para a deteco de falhas em rolamentos, cavitaes, engrenagens, etc. importante para diferenciar entre um desbalanceamento e um desalinhamento, quando temosvibrao em 1x rpm no espectro de FFT direto. Em anlise de envelope temos a presena dasegunda harmnica da rotao maior que a primeira.Os defeitos provenientes dos rolamentos provocam impactos peridicos, que excitam a estruturados mancais, provocando vibraes em altas freqncias. Estas vibraes so mais facilmentepercebidas em acelerao. As freqncias fundamentais de defeito so baixas e possuem valo-res de amplitudes baixos, ficando encobertas pelas outras fontes de maior energia no sistema.A anlise de envelope permite extrair do sinal excitado a fonte (freqncia fundamental) de exci-tao e seus harmnicos, localizando o componente problemtico (pista interna, pista externa,elemento girante, gaiola).Portanto, o filtro serve para selecionar que freqncias entraro como portadoras dentro do in-tervalo de interesse.A figura abaixo mostra um espectro coletado em funo do tempo, sem a utilizao do filtro doenvelope. Fontes de baixa energia podem ficar mascaradas neste tipo de medio.


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O espectro acima mostra uma medio de envelope na qual ficam claras as harmnicas de com-ponente de rolamento (pista externa).

O setup desta medio mostra a utilizao do filtro para a seleo das vibraes de interesse. Ocoletor analisador CMVA SKF Microlog possui 4 filtros pr-determinados.

Para a medio acima foi utilizado o terceiro como pode ser visto na figura abaixo.

Se tivermos o rolamento 22230CC, por exemplo, trabalhando com 1725.60 rpm, esperaremosfreqncias fundamentais de vibraes conforme a seguir:

Espectro em funo do tempo sem aplicao de filtro.

Espectro de anlise de envelope.

Setup para anlise de envelope


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Freqncias esperadas de defeito do rolamento 22230CC - 1725.6 rpm. Fonte Atlas SKF:

Identificao do Rolamento : 22230CCRotao do Anel Interno (RPM) : 1725.60Rotao do Anel Interno (Hz) : 28.76Freqncia de Defeito na Pista interna BPFI (Hz) : 311.34Freqncia de Defeito na Pista Externa BPFO (Hz) : 235.10Rotao do Elemento Girante BSF (Hz) : 99.59Freqncia de Defeito no Elemento Girante 2xBSF (Hz) : 199.19Freqncia de Defeito na Gaiola FTF (Hz) : 12.37

Estas freqncias so encobertas por outras que possuem maior energia e so geralmente de-tectadas via Anlise de Envelope.

Gaiolas de rolamentos quando com problemas modulam o sinal, porm no se mostram clarasem nenhuma tcnica de monitorao, a no ser em anlise de envelope.A presena de harmnicos superiores indica a existncia de problemas na componente do rola-mento, sendo que apenas o aparecimento da primeira harmnica de um componente pode serapenas devida sobrecarga no rolamento, sem que este ainda esteja danificado. Analisar o sur-gimento de harmnicos interessante.Para o clculo das freqncias fundamentais de rolamentos usa-se a geometria deste: Pd = di-metro nominal; Bd = dimetro do elemento; n = nmero de elementos girantes; = ngulo decontato.As frmulas utilizadas para este fim esto abaixo, porm, softwares fazem este trabalho.Sem possuir-se um software para o clculo em se possuindo as dimenses do rolamento, pos-svel calcular manualmente.

Sinal de rolamento somado a um sinal de estrutura.


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Estas equaes assumem que o elemento no desliza, apenas rola nas pistas.Uma aproximao bastante interessante para um rolamento que no se possui as medidas inter-nas, ou as freqncias fundamentais, seria:

Pista interna = rpm x nelementos girantes x 0.6Pista externa = rpm x nelementos girantes x 0.4

Estas duas equaes do uma idia da regio da localizao das freqncias destas duas com-ponentes.

6.8.1.1. Funcionamento do envelope

O Envelope Detector tem como objetivo separar altas freqncias de rolamentos de baixas fre-qncias do equipamento, atravs de um filtro passa banda. Nesta etapa, torna-se difcil detec-tar baixas amplitudes. Um sinal de defeito em funo do tempo muito baixo, sendo dissipadono range total de medio, consequentemente as amplitudes das harmnicas so quase quecompletamente escondidas no sinal.O circuito do envelope aproximadamente eleva ao quadrado o sinal no tempo filtrado.Desde que o sinal do defeito seja repetitivo, ele pode ser simulado por uma srie de harmnicasde ondas senoidais que so mltiplos inteiros da freqncia de defeito.Quando uma srie de harmnicas multiplicada por ela mesma, a srie resultante a soma e adiferena entre as componentes desenvolvidas durante todo o processo de multiplicao. Todasas componentes somadas atingem valores fora da faixa de medio. Todas as componentessubtradas que so equivalentes a 1x defeito so somadas vetorialmente e retornam faixa demedio. As harmnicas superiores so realadas desta mesma maneira. A figura 16 mostra ma-tematicamente como a soma faz com que as freqncias se situem fora da faixa de medio ecomo a subtrao faz com que se situem dentro.

Por exemplo, aps filtrar, via band-pass, um sinal de um acelermetro, suponha que toda a vi-brao restante seja de componentes de defeito situadas da 51 at a 100 harmnica. A soma

Clculos das freqncias fundamentais de componentes de rolamentos.

Clculos das freqncias na medio de envelope.


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vetorial de todas as diferenas transformada em um forte sinal de 1x freqncia de defeito quepode ser normalmente processado pela FFT.Uma ilustrao do que ocorre ao aplicar-se a tcnica de envelope de acelerao mostrada nafigura abaixo, onde h a soma de um pulso de 3 milesegundos de durao, com intensidade de0.01 g e freqncia de 0.5 Hz, com uma onda senoidal de 0.5 Hz, com intensidade de 24 g.O espectro normal no domnio da freqncia composto apenas pela onda senoidal de 0.5 Hz,conforme figura abaixo.

A tcnica de envelope, atravs do filtro, demonstrada na figura abaixo, tanto no domnio dotempo, como da freqncia.

O processo de envelope modificou e incrementou as componentes de baixa energia do sinal dedefeito das altas freqncias atravs do filtro, para clarear e mostrar a taxa de repetio de har-mnicas desta freqncia. Caso no houvesse este sinal de pequena intensidade, e houvesseapenas a senoidal de 0.5 Hz, o espectro de envelope seria ZERO.

Onda senoidal e espectro normal de uma vibrao de 0.5 Hz somadaa um pulso de 0.5 Hz, a cada 3 milisegundos.

Aplicao do filtro do envelope. 1. Domnio do tempo. 2. Domnio da freqncia.


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Isto ocorre quando aplicamos o envelope num caso, por exemplo, de um rolamento com defeitona gaiola, que possui pouca energia e que esteja somando vibrao para compor o sinal. O en-velope detecta esta falha, eliminando outras fontes que estejam em freqncias menores.Uma utilizao adicional do envelope para a deteco de bandas laterais. Por exemplo, vibra-es de folgas entre mancais e pista externa de rolamentos ou entre eixo e pista interna de ro-lamentos podem ser diagnosticadas como sendo apenas de rolamentos defeituosos, utilizandoas tcnicas convencionais. O filtro de envelope extrai deste sinal de vibrao as bandas lateraisde 1x rpm do eixo em torno de um componente do rolamento.

Problemas desta origem so comuns em tampas dianteiras de motores eltricos, onde s vezestroca-se vrios rolamentos sem a correo da causa do problema, devido no troca da tampa.

Outros problemas como correias, feltros em mquinas de papel so de difcil deteco atravsde outras tcnicas.

6.8.2.2 - Setup para envelope de acelerao

Bandas laterais de 1x rpm do eixo em torno da pistainterna de rolamento.

Bandas laterais em torno de 1x freqncia de pista interna.


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Deve-se selecionar o filtro em Input Filter Range, procurando escolher um filtro que, de prefe-rncia, contenha da segunda harmnica para frente, deixando-se a fundamental fora do filtro.Isto evita que um rolamento em bom estado se destaque na medio de envelope.

Exemplo: Para as freqncias esperadas de defeito do rolamento 22230CC - 1725.6 rpm.Fonte Atlas SKF:

Identificao do Rolamento : 22230CCRotao do Anel Interno (RPM) : 1725.60Rotao do Anel Interno (Hz) : 28.76Freqncia de Defeito na Pista interna BPFI (Hz) : 311.34Freqncia de Defeito na Pista Externa BPFO (Hz) : 235.10Rotao do Elemento Girante BSF (Hz) : 99.59Freqncia de Defeito no Elemento Girante 2xBSF (Hz) : 199.19Freqncia de Defeito na Gaiola FTF (Hz) : 12.37

O software/coletor CMVA SKF Microlog possui 4 filtros para a medio de envelope: 5-100 Hz;50-1khz; 500-10 Khz; 5K-40 Khz.

Para a escolha do melhor filtro para a deteco do problema deve-se procurar colocar dentro dofiltro a partir da segunda harmnica, excluindo a primeira harmnica do componente de interes-se.No caso acima, tendo interesse, por exemplo, na pista externa, sua freqncia esperada de vi-brao : Outer ring defect frequency (Hz) : 235.10. Relacionando esta freqncia com os fil-tros, temos que dois filtros envolvem a primeira harmnica. O terceiro e o quarto filtro no co-brem esta freqncia (primeira harmnica), portanto, a escolha pelo terceiro, que o mais pr-ximo, dentro do qual a energia ser maior.A escolha pelo fundo de escala (END FREQUENCY) ser feita com o objetivo de detectar-sepelo menos at a terceira harmnica. Neste caso, 3 x 235.10 = 705.3 Hz. Um fundo de 800 Hzcobrir as freqncias de defeito da pista externa. A figura abaixo mostra a tela do Setup do en-velope. A medio realizada em Pico-a-pico garante uma melhor performance da tcnica, detec-tando anteriormente o surgimento de problemas.

Setup para anlise de envelope.


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Outros tipos de problemas tambm so confirmados em anlise de envelope, como desalinha-mentos, desbalanceamentos, folgas, falta de rigidez mecnica, etc.

8.2.3 - Envelope do espectro de corrente

Em anlise de motores eltricos importante a coleta e verificao dos espectros de correntepara um melhor diagnstico sobre problema de origem mecnica ou magntica.O desenvolvimento e a tcnica da Anlise de Envelope podem ser aplicados tambm com su-cesso na medio de corrente.Nesta medio sero detectadas todas as freqncias modulantes dentro do filtro aplicado, queconter as harmnicas superiores da onda de energia gerada.Para isto, prepara-se o coletor para realizar Envelope de Acelerao, conforme figura 23.Apenas a sensibilidade alterada, sendo utilizado um alicate de corrente (pina amperimtrica),e a sua sensibilidade deve ser ajustada.

O espectro da figura abaixo mostra uma medio de envelope no terceiro filtro, na qual tem-semodulaes de harmnicos de 1x rpm do motor.

Trs problemas em rolamentos detectados via anlise de envelope.

Setup para Anlise de Envelope do Espectro de Corrente

Espectro via anlise de envelope


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