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

Modos de falhas de mancais de rolamento Teoria 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 Apresentação dos modos de falha 1) Falha de vedação - Abrasão por entrada de elemento estranho no mancal de rolamento Exemplo de pista de mancais de rolamento foscas por abrasão resultante de elemento estranho

Modos de falhas de mancais de rolamento Apresentação dos modos de falha 2) Marcas durante instalação (Indentações ou impactos) Impacto na gaiola

Escorregamento causado por excesso de lubrificante Modos de falhas de mancais de rolamento Apresentação dos modos de falha 3) Lubrificação inadequada, excessiva ou insuficiente Escorregamento causado por excesso de lubrificante

Corrosão na esfera e na pista de rolamento de uma carreira de esferas Modos de falhas de mancais de rolamento Apresentação dos modos de falha 4) Corrosão Corrosão na esfera e na pista de rolamento de uma carreira de esferas

Modos de falhas de mancais de rolamento Apresentação dos modos de falha 5) Descarga elétrica Exposição contínua a cargas elétricas geram marcas axiais de tonalidade escura em grande parte da pista

Modos de falhas de mancais de rolamento Apresentação dos modos de falha 6) Lascamento Marcas de lascamento em esferas vistas em microscópio ótico

Freqüências de defeito em mancais de rolamento Teoria 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 Cálculo Os mancais de rolamento possuem freqüências características de defeito que podem ser calculadas em função de sua geometria e da freqüência de rotação: Onde: d = Diâmetro da esfera D = Diâmetro primitivo: = Ângulo de contato Z = número de esferas

Freqüências de defeito em mancais de rolamento Cálculo As freqüências características de defeitos podem ser calculadas através da seguinte formulação: Onde: d = Diâmetro da esfera D = Diâmetro primitivo: = Ângulo de contato Z = número de esferas

Freqüências de defeito em mancais de rolamento Demonstração Considere o mancal de rolamento 6205: 6205 - Rolamento fixo de uma carreira de esferas para aplicação com cargas radiais.

Freqüências de defeito em mancais de rolamento Demonstração Freqüências de defeito para o mancal de rolamento 6205:

Sinais de vibração em mancais de rolamento Conceito As freqüências calculadas assumem que não há escorregamento entre as esferas e as pistas, quando de fato há. 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.

Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais tipicos Os mancais de rolamento com defeito produzem sinais com padrões típicos dependendo do local onde está localizado o defeito: Adaptado de Randal, R.B., Antony, J. Rolling element bearing diagnostics - A tutorial. Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 25 (2011) pag. 485-520

Sinais de vibração em mancais de rolamento Conceito O sinal de defeito é modulado conforme a falha passa pelo local do dano: Adaptado de Randal, R.B., Antony, J. Rolling element bearing diagnostics - A tutorial. Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 25 (2011) pag. 485-520

Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na pista interna: 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

Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na pista externa: 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

Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na esfera: Esfera com dano 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.

Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos Exemplificando o padrão dos sinais coletados em rolamentos com vários tipos de defeito:

Evolução da Falha em mancais de rolamento Conceito 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 Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Hz

Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Hz

Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Hz

Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Hz

Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Hz

Sinais de vibração em mancais de rolamento Conceito 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 Experimento Utilizando a bancada experimental serão efetuadas coletas de dados demonstrando como se identificam os sinais de defeito em mancais de rolamento: Montagem de um rolamento 6205 com defeito na pista interna: Freqüências a 25Hz (1500 rpm):

Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Sinais coletados na bancada experimental com o eixo a 25Hz: 85 97 177 50 25 113 267 122

Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Sinais coletados na bancada experimental: 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. 85 97 177 50 25 113 267 122

Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Técnica do Envelope utilizando Demodulação: 1ª Etapa – Selecionar a freqüência ressonante (freqüência portadora): 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 2850 Hz Região de corte ao redor da ressonância

Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Técnica do Envelope utilizando Demodulação : 2ª Etapa – Extrair do sinal a região de interesse e retificar o sinal Aplicar o retificador meia-onda ao sinal selecionado: 2850 Hz

Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Técnica do Envelope utilizando Demodulação : 3ª Etapa – Aplicar o filtro ao sinal retificado Aplicar o retificador meia-onda ao sinal selecionado:

Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Técnica do Envelope utilizando Demodulação : 4ª Etapa – Extrair as freqüências e comparar com os valores calculados: 135 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. 50 99 160 25 270

Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Técnica do Envelope utilizando Demodulação : 4ª Etapa – Extrair as freqüências e comparar com os valores calculados: 135 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. 50 99 160 25 270