Ferramentas de Diagnóstico de Máquinas IMFDM Prof. Dr. Cesar da Costa Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações 5.a Aula: Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Teoria  Através da análise de vibrações de conjuntos mecânicos é possível identificar uma variedade de falhas e as mais comuns que respondem pela maior parte das ocorrências em manutenção são: Desbalanceamento Desalinhamento Componentes soltos Defeitos em mancais de rolamentos Defeitos em engrenagens

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Procedimentos experimentais  Os procedimentos experimentais demonstrados neste material deverão ser executados em bancadas experimentais especialmente desenvolvidas para simulação das falhas a serem apresentadas: 1ª - Bancada para testes de: Desbalanceamento; Desalinhamento de eixos; Desalinhamento de correias; Mancais de rolamentos; Falhas em engrenagens.

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Procedimentos experimentais 2ª Bancada para testes exclusiva para Mancais de rolamentos.

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações 3ª Bancada para testes de: Desalinhamento de eixos; Falhas em engrenagens; Mancais de rolamentos; Acoplamentos flexíveis;  Procedimentos experimentais

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Procedimentos experimentais 4ª Bancada para testes de: Desbalanceamento; Desalinhamento de eixos; Falhas em engrenagens; Mancais de rolamentos; Componentes soltos; Roçamento; Falha em motores elétricos.

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Sinais gerados por máquinas rotativas Quando se busca identificar falhas em máquinas rotativas, uma mudança no sinal de vibração pode ser considerada uma mudança na condição da máquina. Vibrações tendem a se alterar com a velocidade e a carga da máquina, assim nesta primeira etapa iremos apresentar os sinais gerados por equipamentos que trabalham a carga e velocidade constante.

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desbalanceamento de eixos  O desbalanceamento ocorre quando há uma distribuição desigual de massa em torno da linha central de rotação de um eixo, gerando cargas nos mancais como resultado das forças centrífugas. Massa desbalanceando o eixo

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desbalanceamento de eixos  O desbalanceamento pode ser identificado no espectro de frequências como um pico com valor igual ao valor de rotação do eixo:  Não há a presença de harmônicas. 1x RPM

 Utilizando uma bancada experimental nº 1 podem ser efetuadas coletas de dados demonstrando como se caracteriza o defeito de desbalanceamento: Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Nos discos são acopladas massas para induzir desbalanceamento no eixo em 3 condições: a)Massas opostas a 180º (sem desbalanceamento b)Massas a 90º c)Massas lado a lado (situação mais crítica)

1º caso – Massas opostas (Eixo sem desbalanceamento) Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desbalanceamento - Exemplo Massas no disco: Sinal coletado com eixo a 20 hz: Massa 1 Massa 2 Tempo Freqüência Freqüência de desbalanceamento não identificada Não há freqüência indicativa de falha no espectro

2º caso – Massas a 90º Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desbalanceamento - Exemplo Massa 1 Massa 2 Surge pico no espectro a 20 hz Tempo Freqüência Massas no disco: Sinal coletado com eixo a 20 hz: Surge pico no espectro a 20 hz

3º caso – Massas lado a lado (situação mais crítica) Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desbalanceamento - Exemplo Massa 1 Massa 2 Massas no disco: Sinal coletado com eixo a 20 hz: Tempo Freqüência Pico com alta amplitude

Comparando os espectros dos 3 sinais coletados a 20hz (1200 rpm): Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desbalanceamento - Exemplo Massas opostas Massas a 90º Massas lado a lado

 O desalinhamento ocorre quando o eixo motor e movido não estão no mesmo centro e pode ser de 2 tipos: 1º Tipo: Angular: quando as linhas de centro estão em direções diferentes do tipo paralelo (quando as linhas de centro estão na mesma direção porem lado a lado). Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desalinhamento

 O desalinhamento angular pode ser identificado no espectro de freqüências como um pico com valor igual ao valor de rotação do eixo e com a presença de harmônicas da rotação do eixo: Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desalinhamento angular 1x RPM 2x RPM 3x RPM  Este tipo de desalinhamento pode indicar componentes soltos que estão gerando impacto no sinal

 Utilizando a bancada experimental nº 4 serão efetuadas coletas de dados demonstrando como se caracteriza o defeito desalinhamento: Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desalinhamento angular – exemplo nº 1  O eixo será colocado em desalinhamento angular em relação ao eixo motor para a aquisição de dados.  Os pinos indicados na figura ao lado deslocam a base do eixo causando um desalinhamento angular.

Sinal característico de desalinhamento angular com rotação de eixo 25Hz: Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desalinhamento angular – exemplo nº 1 1x RPM 2x RPM 3x RPM

 Utilizando a bancada experimental nº 3 serão efetuadas coletas de dados demonstrando como se caracteriza o defeito desalinhamento: Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desalinhamemento angular – exemplo nº 2  Foram montados proxímetros ao redor de um acoplamento flexível a fim de demonstrar o uso destes para avaliação de desalinhamentos de eixos.

 Sinal coletado e demonstrado através de um gráfico de órbita, mostrando o comportamento do eixo: Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desalinhamento angular – exemplo nº 2

 2º tipo de desalinhamento: Paralelo (quando as linhas de centro estão na mesma direção porem lado a lado). Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desalinhamento paralelo

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  O desalinhamento paralelo caracteriza-se por dois impactos por revolução do eixo (a cada 180º ocorre um impacto), gerando assim a frequências de 2x RPM com maior amplitude que a de 1x RPM.  Desalinhamento paralelo 1x RPM 2x RPM 3x RPM

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Utilizando uma bancada experimental podem ser efetuadas coletas de dados demonstrando como se caracteriza o defeito desalinhamento:  Desalinhamento paralelo – exemplo nº 1  O eixo será colocado em desalinhamento paralelo em relação ao eixo motor para a aquisição de dados.  Os pinos indicados na figura ao lado deslocam a base do eixo causando um desalinhamento paralelo.

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Sinal característico de desalinhamento paralelo com rotação de eixo 25Hz:  Desalinhamento paralelo – exemplo nº 1 1x RPM 2x RPM 3x RPM

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  As correias tem boa capacidade de absorver choques e vibrações da transmissão, porém podem gerar ruídos e vibrações em toda a máquina.  A frequência de vibração é fator chave para determinar a natureza da vibração da correia, Se a correia estiver reagindo a outras forças a vibração terá a frequência da fonte e a correia atua como um amplificador destes distúrbios.  Em caso de correias múltiplas, todas precisam ter a mesma tensão, caso não tenham as que estiverem frouxas irão ter vibração excessiva e aumentar o desgaste das demais. Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Desalinhamento de correias

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  A frequência de vibração causada pela correia ocorrerá em múltiplos da rotação da correia. A frequência específica dependerá do diâmetro das polias e pode ser calculada a partir da equação:  Os modos de falha que ocorrem com correias normalmente são: rachaduras ou fendas, lóbulos, tensão não apropriada, desalinhamento, cargas excessivas.  Desalinhamento de correias

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  O desalinhamento de correias e polias gera sinais no espectro que são múltiplos da rotação da correia:  Desalinhamento de correias 1x RPM 2x RPM 3x RPM

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Utilizando uma bancada experimental nº 1 podem ser efetuadas coletas de dados demonstrando como se caracteriza o defeito desalinhamento de correias:  Desalinhamento de correias – exemplo  A correia será colocada em posição deslocada nas polias de forma a não ficar a 90º em relação ao eixo motriz e movido. para a aquisição de dados.

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Este tipo de falha caracteriza-se pela perda de um ou mais pontos de fixação dos mancais dos eixos, assim a cada giro do eixo a sua direção de carregamento pode causar movimentação dos mancais:  Componentes soltos (máquina em relação a sua base) Impacto

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Este tipo de falha caracteriza-se por apresentar uma frequência no sinal igual a 2x RPM e harmônicas.  Componentes soltos (máquina em relação a sua base) 1x RPM 2x RPM 3x RPM 4x RPM 5x RPM 6x RPM

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Utilizando a bancada experimental podem ser efetuadas coletas de dados demonstrando como se caracteriza o defeito:  Componentes soltos - exemplo  Os mancais serão desparafusados e a estrutura irá vibrar sob efeito do carregamento Alívio de torque

Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Sinal característico de componentes soltos com rotação de eixo 15hz:  Componentes soltos - exemplo Remoção de torque Tempo Freqüência

As engrenagens permitem a transmissão de potência com ou sem redução de velocidade e a relação de rotação entre os eixos está ligada ao número de dentes entre os pinhões em contato: Falhas em engrenagens  Teoria F1 F2 N1 – Numero de Dentes – N2 N1 * F1 = N2 * F2 Ou F2 N1 F1 N2 =

A relação entre as engrenagens estabelece a freqüência de engrenamento (Fe) que corresponde ao rítmo de engrenamento dos dentes. FE = N1 * F1 = N2 * F2 Falhas em engrenagens  Frequências características F1 F2 N1 N2 A amplitude do sinal da frequência de engrenamento Fe depende da carga da máquina pois a engrenagem está transmitindo torque.

O sinal coletado em um engrenamento sem falhas mostra a frequência de engrenamento Fe e seus harmônicos. FE = N1 * F1 = N2 * F2 Falhas em engrenagens  Frequências características F1 F2 N1 N2 Fe 3*Fe 2*Fe

Desgaste dos dentes Quando os dentes da engrenagem são desgastados, surgindo folgas entre eles, a velocidade de rotação não muda, porém passam a surgir choques entre os dentes que se manifestam no sinal com um aumento da amplitude da Fe. Falhas em engrenagens  Modos de Falha Fe 3*Fe 2*Fe

Folga insuficiente entre os dentes Se a folga entre os dentes for muito pequena, resulta em esforço extra no engrenamento e no desengrenamento, alterando o espectro aumentando a amplitude da frequência 2*Fe. Falhas em engrenagens  Modos de Falha Fe 3*Fe 2*Fe

Deflexão devido ao carregamento O dente da engrenagem sofre deflexão em função do carregamento, resultando no suporte da carga por um diferente numero de dentes com a variação da carga e da rotação, o que resulta em sinal distorcido na frequência de engrenamento. Falhas em engrenagens  Modos de Falha Tempo Forma de onda típica

Dente quebrado A passagem de um dente quebrado causa um choque a cada volta o espectro de frequência apresenta uma série de picos (harmônicos) da frequência de rotação da engrenagem com o dente quebrado. Falhas em engrenagens  Modos de Falha Fi 3*Fi 2*Fi Fi

Eixo com pinhão ovalizado A pressão sobre os dentes da engrenagem sofre uma modulação conforme ocorre a rotação do eixo. O resultado no espectro são bandas laterais de largura igual a rotação da engrenagem defeituosa (F1) ao redor da Fe. Falhas em engrenagens  Modos de Falha Fe F1 F2 Fe+F1 Fe-F1

É possível a ocorrência de mais de uma falha (exemplo: dente quebrado e ovalização de eixo), isto pode dificultar o diagnóstico da falha. Neste caso é possível distinguir a falha através da comparação das amplitudes no espectro: Falhas em engrenagens  Combinação de falhas Fe 3*Fe 2*Fe Amplitude decrescente: Desgaste excessivo

É possível a ocorrência de mais de uma falha (exemplo: dente quebrado e ovalização de eixo), isto pode dificultar o diagnóstico da falha. Neste caso é possível distinguir a falha através da comparação das amplitudes no espectro: Falhas em engrenagens  Combinação de falhas Fe 3*Fe 2*Fe 2*Fe > Fe Folga insuficiente

É possível a ocorrência de mais de uma falha (exemplo: dente quebrado e ovalização de eixo), isto pode dificultar o diagnóstico da falha. Neste caso é possível distinguir a falha através da comparação das amplitudes no espectro: Falhas em engrenagens  Combinação de falhas Fe 3*Fe 2*Fe Amplitude constante Folga excessiva

As falhas em engrenagens se caracterizam pela freqüência de engrenamento, o monitoramento constante da sua amplitude pode servir como alarme. È importante considerar o percentual de aumento da amplitude e não só o valor absoluto. Cada caso deve ter um valor de alarme analisado e definido. O parâmetro para identificar problemas de engrenamento é a aceleração e a modulação pode ser confirmada através de envelope. Falhas em engrenagens  Monitoramento por valor global

 Utilizando uma bancada experimental pode-se efetuar coletas de dados demonstrando como se evidencia a frequência de engrenamento: Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Frequência de engrenamento – exemplo  Uma engrenagem sem danos será montada no eixo.  Frequência Eixo:14Hz  Nº Dentes: 60 e 40  Frequência de Engrenamento:822 Hz

 Sinal característico de engrenagem sem defeito, existindo somente a frequência de engrenamento: Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Frequência de engrenamento – exemplo Freqüência Engrenamento:822 Hz

 Utilizando uma bancada experimental pode-se efetuar coletas de dados demonstrando como é o sinal característico de uma falha em engrenagem: Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Falha em engrenagem – exemplo  Uma engrenagem com um dente quebrado será montada no eixo.  Frequência do Eixo:14Hz  Nº Dentes: 60 e 40  Frequência de Engrenamento:822 Hz

 Sinal característico de engrenagem com defeito (dente quebrado), mostrando a harmônica características da falha e uma amplitude bem maior na frequência de engrenamento: Diagnóstico de falhas através de análise de vibrações  Falha em engrenagem – exemplo Freqüência Engrenamento:822 Hz Harmônica Freqüência Engrenamento:822 Hz

O roçamento é o contato eventual entre partes estacionárias e rotativas de uma máquina podendo gerar vibrações na frequência de rotação, no dobro dela, em seus sub-múltiplos e altas frequências. Se o atrito for contínuo poderão aparecer vibrações numa faixa larga em altas frequências. Quando o roçamento for parcial, aparecem no espectro picos correspondentes às frequências naturais do sistema Esse tipo de vibração é muito comum em selos de máquinas rotativas ou quando há eixos empenados, partes quebradas ou danificadas que levam ao atrito entre metal. Pode ocorrer também em pás de agitadores ou misturadores nas paredes do tanque, em máquinas de fluxo tipo axial onde as pás do rotor podem roçar as pás do estator. Roçamento  Teoria

Representação de roçamento: Roçamento  Teoria Selo de máquina que atrita com o eixo em rotação 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0xRPM