Ferramentas de Diagnóstico de Máquinas IMFDM Prof. Dr. Cesar da Costa 6.a Aula: Falhas em motores elétricos.

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1 Ferramentas de Diagnóstico de Máquinas IMFDM Prof. Dr. Cesar da Costa 6.a Aula: Falhas em motores elétricos

2 Rotor Falhas em motores elétricos Motor de Indução trifásico Estator Ventilador

3 Um motor de indução possui frequências características mesmo que não tenha nenhuma falha, são as chamadas assinaturas de vibração do motor. Estas frequências são(em parêntesis a notação que iremos utilizar neste curso): Frequência de alimentação (Fal); Frequência de rotação (Frt); Frequência do campo magnético (Fcm); Frequência de escorregamento (Fes); Frequência de ranhura (Fran). Falhas em motores elétricos Frequências básicas de um motor elétrico

4 Frequência de alimentação (Fal): frequência da rede elétrica – 60 Hz Frequência de rotação (Frt): frequência real do eixo com que o motor está girando, depende da carga que está aplicada. Frequência do campo magnético (Fcm): frequência de alimentação dividida pelo numero de pólos do motor. Falhas em motores elétricos Frequências básicas de um motor elétrico

5 Frequência de escorregamento (Fes) – O rotor do motor não gira com velocidade síncrona, mas escorrega para trás no campo girante. A frequência de escorregamento é a diferença entre a velocidade síncrona e a velocidade do rotor. A Fes é calculada multiplicando a frequência de alimentação pelo escorregamento do motor, que é calculado por: Onde: Nm = Frequência de rotação do motor (medida no rotor) Ns = Rotação síncrona (do campo) Falhas em motores elétricos Frequências básicas de um motor elétrico

6 Frequência de ranhura (Fran) – As ranhuras do entreferro tanto no estator quanto no rotor geram vibração, pois criam desbalanceamento de forças magnéticas de atração, conseqüência da variação da relutância do circuito, em função da taxa de passagem pelas ranhuras do estator e do rotor. Falhas em motores elétricos Frequências básicas de um motor elétrico A frequência de ranhura é calculada por: Fal = Frequência da rede Rs = Numero de ranhuras do rotor S = escorregamento unitário P = numero de pares de pólos K = zero ou nº par (2,4,6,8,…)

7 Maquinas com conjunto rotativo leve e estruturas robustas e pesadas tem a maioria das forças geradas pelo rotor, como movimento relativo entre o eixo e o mancal. A estrutura da máquina funciona como amortecimento, assim deve-se medir a vibração no rotor, através de sensores sem contato. Máquinas com conjunto rotativo pesado, apoiado em mancais rígidos e com estrutura leve, tem as forças gerada pelo rotor dissipadas através dos mancais da estrutura, assim o melhor ponto para medição está localizado na estrutura da máquina, próximo a mancais de rolamentos ou chapas grossas. Falhas em motores elétricos Como medir a vibração em motores elétricos

8 Falhas em motores elétricos Como medir a vibração em motores elétricos

9 Falhas em motores elétricos Como medir a vibração em motores elétricos  A instalação do acelerómetro aparafusado é a melhor solução, mas nem sempre é possível este tipo de colocação devido as dificuldades de chegar aos pontos de leitura (Figura 5).

10 Falhas em motores elétricos Como medir a vibração em motores elétricos  Na Figura 6 é representada a fixação por cola. A desvantagem deste tipo de montagem consiste nos aumentos de temperatura excessivos que podem danificar o bloco adesivo (Figura 6).

11 Falhas em motores elétricos Como medir a vibração em motores elétricos  A base magnética é muito utilizada quando se pretende uma boa montagem e há necessidade de retirar o acelerómetro de maneira esporádica (Figura 7).

12 Falhas em motores elétricos Defeitos de origem elétrica e mecânica

13  Em um motor de indução os defeitos de origem elétrica podem ser resultado de: Degradação do isolamento da bobina do estator; Desequilíbrio da alimentação; Quebra das barras do rotor; Quebra do anel curto-circuito.  Os defeitos de origem mecânica podem ser identificados como: Rotor excêntrico ou desbalanceado; Ventoinha quebrada. Falhas em motores elétricos Defeitos de origem elétrica e mecânica

14  As falhas: Degradação do isolamento da bobina do estator; Desequilíbrio da alimentação; Enrolamentos em curto e folgas no entreferro do motor.  Caracterizam-se por uma frequência no espectro de vibração igual a duas vezes a frequência de alimentação. A amplitude é determinada pela carga do motor. Falhas em motores elétricos Defeitos elétricos 2* Fal (Frequência de alimentação)

15  As falhas: Quebra das barras do rotor; Quebra do anel curto-circuito.  Caracterizam-se pelo surgimento de bandas laterais ao redor da frequência de rotação do motor (Nm) igual ao valor da frequência de polos que por sua vez é igual a 2x o valor da frequência de escorregamento (Fes). Falhas em motores elétricos Defeitos elétricos Nm 2*Fes

16  Um rotor excêntrico ou um rotor desbalanceado provocam variações no campo magnético entre os pólos do estator e o rotor (altera o chamado air gap – distância entre o rotor e o estator), causando uma frequência de 1X rpm no sinal medido no motor: Falhas em motores elétricos Rotor excêntrico ou desbalanceado Nm 2*Fs

17  Como saber se o defeito é mecânico (Desbalanceamento) ou elétrico (Excêntrico)?  Deve-se medir a vibração no momento em que a corrente de alimentação do motor é cortada, duas situações podem ocorrer: 1º - Amplitude de vibração decai bruscamente: Problema é elétrico e pode ser causado por excentricidade do rotor no estator; 2º - Amplitude decai lentamente: Problema mecânico possivelmente devido a desbalanceamento do rotor. Falhas em motores elétricos Rotor excêntrico ou desbalanceado

18 Falhas em motores elétricos Falhas de Rolamento Rolamento rígido de esferas (a), rolamento rígido com dupla carreira de esferas e rolamento de rolos cilíndricos ou roletes (c)

19 Falhas em motores elétricos Falhas de Rolamento Elementos de um rolamento de esfera (Fonte: COELHO et al., 2008).

20 Falhas em motores elétricos Falhas de Rolamento Tipos de falhas que podem ocorrer num rolamento de esferas (Fonte: OLIVEIRA, 2005).

21 Falhas em motores elétricos Falhas de Rolamento

22 Falhas em motores elétricos Falhas de Rolamento  INTRODUÇÃO  Os rolamentos são a componente singular, que mais preocupações e trabalho dão a uma equipe de Manutenção.  São comuns as unidades industriais com componentes deste tipo instalados em suas máquinas rotativas.  Assim, um dos principais objetivos de um sistema de detcção de falhas em máquinas rotativas é saber o estado dos rolamentos.

23 Falhas em motores elétricos Vibrações Produzidas por um Rolamento em Degradação  Para se perceber como funcionam as diversas técnicas de detecção e diagnóstico de avarias em rolamentos, deve-se conhecer as características das vibrações, que dão origem a estes fenómenos.  Considere o caso da degradação de um rolamento pelo surgimento de fissuras de fadiga na pista externa, de uma máquina que opere, por exemplo, a 3000 RPM.

24 Falhas em motores elétricos Vibrações Produzidas por um Rolamento em Degradação  1ª Fase  Por efeito do fenomeno de fadiga produzem-se microfissuras por baixo da superfície de rolamento.  Dando lugar a rajadas de vibrações frequências altas (centenas de Khz), que são chamadas de Emissão Acústica. Normalmente estas vibrações perdem-se no ruído de fundo da máquina.

25 Falhas em motores elétricos Vibrações Produzidas por um Rolamento em Degradação  2ª Fase  As microfissuras atingem a superfície da pista.  As bordas da fenda são cortantes. Quando ocorrem os impactos estes produzem ondas de choque muito abruptas. Estes choques produzem vibrações que se estendem até 300 KHz. As vibrações produzidas são muito pequenas e inferiores às vibrações de fundo produzidas pela máquina até algumas dezenas de KHz.

26 Falhas em motores elétricos Vibrações Produzidas por um Rolamento em Degradação  3ª Fase  A fenda aumenta e os impactos sucessivos dos corpos rolantes arredondam as suas bordas. As vibrações agora produzidas estendem-se até cerca de 100 KHz e aumentam a amplitude das vibrações nas baixas frequências.

27 Falhas em motores elétricos Vibrações Produzidas por um Rolamento em Degradação  4ª Fase  A degradação da superfície da pista torna-se significativa. O arranque de material tem por efeito, arredondar completamente as bordas da fissura. O efeito vibratório pode ser detectado nas médias frequências, e no fim a baixas frequências (frequências inferiores a 1 KHz).

28 Falhas em motores elétricos Vibrações Produzidas por um Rolamento em Degradação  Tem-se assim que para um rolamento com falha, nas fases iniciais da degradação, as vibrações produzidas pelo rolamento são de amplitude reduzida e superiores ao ruído de fundo produzido pelo meio onde se encontra o rolamento nas altas frequências.  À medida que a degradação vai evoluindo a amplitude do fenómeno vibratório vai aumentando, sendo que as frequências que eles conseguem ser detectados, são cada vez menores.

29 Falhas em motores elétricos Vibrações Produzidas por um Rolamento em Degradação  Em casos de rolamentos a rodarem a baixas velocidades (dezenas ou centenas de rotações por minuto), as vibrações produzidas são de reduzida amplitude, apresentando assim a detecção destas avarias, dificuldades acrescidas.  Quanto menor for a velocidade de rotação, menores são as amplitudes das vibrações produzidas.

30 Falhas em motores elétricos Técnicas de Detecção de Avarias em Rolamentos  As técnicas de detecção devem obedecer a diversos requisitos:  Darem um tempo razoável de pré-aviso antes da parada por avaria;  Existir uma diferença significativa entre as amplitudes medidas num rolamento em boas e más condições;  Serem simples de implementar.  Surgem assim, diversas técnicas de detecção, cada uma com vantagens e inconvenientes.

31 Falhas em motores elétricos Técnicas de Detecção de Avarias em Rolamentos  Têm-se como técnicas mais frequentemente utilizadas, as seguintes:  Medição do Nível Global de Vibrações (10 Hz - 1 KHz);  Medição das Altas Frequências (maiores que 1 KHz);  Análise por bandas;  Análise do Espectro de Frequência;  Análise do Envelope.

32 Falhas em motores elétricos Medição do Nível Global de Vibrações  A maneira mais simples de detectar uma degradação de um rolamento é através de medição regular do Nível Global de Vibrações no respectivo mancal.  Esta técnica tem por base a medição da média quadrática (RMS) do nível de vibrações numa larga banda de frequência.  A medição da aceleração dá os melhores resultados. Estas medições podem ser feitas usando um acelerómetro e um medidor de vibrações portátil com um filtro adequado incorporado.  Os resultados das medidas são comparados com normas ou com valores padrão estabelecidos para cada mancal.

33 Falhas em motores elétricos Medição do Nível Global de Vibrações  Apresentando graficamente os resultados das medidas ao longo do tempo pode-se seguir com facilidade a tendência da evolução e extrapolar o seu futuro de modo a predizer-se quando é que o rolamento precisa de ser substituído.  Contudo e porque é frequente, o Nível de Vibrações de um rolamento degradado só subirá na última fase da avaria, este método dá um aviso tardio, especialmente para rolamentos a rodarem a mais de mil rotações por minuto.

34 Falhas em motores elétricos Medição do Nível Global de Vibrações  Em rolamentos mais lentos como, por exemplo, que rodam entre 150 e 600 RPM, a aplicação desta técnica dá resultados satisfatórios.  Efetivamente o fato da taxa de evolução de uma avaria ser muito mais lenta num rolamento, que funcione na referida gama de velocidade, do que num que funcione a 1500 RPM, origina que esta técnica (nas baixas velocidades) dê um tempo de pré-aviso satisfatório.

35 Falhas em motores elétricos Medição do Nível Global de Vibrações  Tem-se assim as seguintes vantagens e desvantagens:  Vantagens - Rápido; - Simples; - Económico.  Desvantagens (para rolamentos a rodar a mais de 1000 RPM) - Só detecta algumas avarias; - Detecta as avarias numa fase tardia.  Desvantagens (para rolamentos a rodar a menos de 150 RPM) - Sensibilidade insuficiente.

36 Falhas em motores elétricos Medição das Altas Frequências  Em rolamentos funcionando acima de 600 RPM o método mais utilizado para detectar avarias em rolamentos é através da medição das vibrações nas altas frequências, produzidas pelo rolamento em degradação.  Hoje em dia existem no mercado diversos medidores de vibrações, com esta possibilidade e assim detectar as avarias nos rolamentos.  Nos mais divulgados o transdutor utilizado é um acelerómetro, contendo o medidor propriamente dito, um filtro que só deixa passar uma determinada gama de frequências das vibrações medidas, seguindo-se o processamento do sinal e uma medição de amplitude.

37 Falhas em motores elétricos  A seguir para efeito de ilustração refere-se a uma dessas técnicas, o "Factor de Crista".  O Factor de Crista é o resultado da divisão entre o Valor Pico e o Valor RMS da vibração. Medição das Altas Frequências

38 Falhas em motores elétricos Medição das Altas Frequências  As curvas na figura anterior mostram uma evolução típica do Factor de Crista à medida que a condição de funcionamento do rolamento se deteriora.  Inicialmente, existe uma razão relativamente constante entre o valor pico e o valor RMS. O valor de pico crescerá normalmente até um certo limite.  À medida que o rolamento se deteriora, mais impulsos vão ser gerados por cada passagem das esferas, influenciando finalmente os valores RMS, mesmo que a amplitude individual de cada pico não seja maior.

39 Falhas em motores elétricos Medição das Altas Frequências  Para o fim da vida do rolamento, o Factor de Crista pode ter descido para o seu valor original, mesmo que entretanto os valores pico e RMS tenham crescido consideravelmente.  A melhor maneira para apresentar os resultados das medidas é o apresentado; os valores de Pico e RMS no mesmo gráfico, com o Factor de Crista inferido a partir da diferença entre as duas curvas.

40 Falhas em motores elétricos  Na figura a seguir apresentada vê-se o efeito de filtrar as vibrações abaixo de 1 KHz. A subida do Factor de Crista torna-se por efeito da filtragem do sinal, muito mais perceptível. Medição das Altas Frequências

41 Falhas em motores elétricos Medição das Altas Frequências  No dia a dia encontram-se muitas situações em que isto não se verifica, donde as limitações deste tipo de técnica.  A primeira limitação está relacionada com o facto desta técnica perder sensibilidade para rolamentos a rodarem a velocidades inferiores a 1000 RPM, e ser de eficácia muito duvidosa para velocidades inferiores a 600 RPM. Efetivamente nesta gama de velocidades os choques já não produzem vibrações a altas frequências como as anteriormente descritas.  A segunda limitação vem do fato das vibrações a altas frequências serem rapidamente amortecidas nos materiais e a sua amplitude ser drasticamente reduzida pelas superfícies de separação entre as componentes das máquinas. Tem-se assim que se o ponto de medida não se situar na proximidade do rolamento a técnica perde sensibilidade, ou deixa mesmo de funcionar.

42 Falhas em motores elétricos  A terceira limitação advém de poderem existir outras fontes de vibração a altas frequências. Medição das Altas Frequências

43 Falhas em motores elétricos Medição das Altas Frequências  Do esquema, infere-se imediatamente que entre o resultado de medidas a alta frequência indicar amplitudes elevadas e se poder afirmar que um rolamento está degradado, vai uma grande distância.  Fenomenos com origem fora dos rolamentos que podem gerar vibrações a altas frequências são diversos, por exemplo:  Cavitação;  Fenómenos aerodinâmicos;  Choques de engrenagens em mau estado;  Choques de peças desapertadas;  Etc.

44 Falhas em motores elétricos Medição das Altas Frequências  Se as vibrações tiverem origem no rolamento, ainda mesmo assim, pode ser que ele não esteja em mau estado.  Se a lubrificação não estiver a ser feita em condições convenientes vão ocorrer rupturas na película lubrificante, que deveria separar os corpos rolantes das pistas, que vão dar portanto lugar à ocorrência de choques tal como ocorreria se o rolamento estivesse degradado.

45 Falhas em motores elétricos Medição das Altas Frequências  Têm-se assim as seguintes vantagens e desvantagens desta técnica (para rolamentos a rodar a mais de 1000 RPM).  Vantagens - Rápido - Simples - Económico  Desvantagens - Ponto de Medida é Crítico - Sujeito a interferências de outras fontes

46 Falhas em motores elétricos Espectro de Frequência  Durante as fases da degradação em que ocorrem os impactos entre os corpos rolantes e as pistas de rolamentos vão ser excitadas as Frequências Naturais das componentes do rolamento.  Cada vez que o corpo rolante encontrar uma descontinuidade provocará um impulso vibratório.  A vibração resultante consistirá numa série de impulsos repetidos periodicamente a uma taxa determinada pela localização dos defeitos e pela geometria do rolamento.

47 Falhas em motores elétricos Espectro de Frequência  Estas taxas de repetição são conhecidas por Frequências Características dos Rolamentos. Mais concretamente:  Frequência de Passagem de Esferas na pista externa (BPFO), para um defeito na pista exterior;  Frequência de Passagem de Esferas na pista interior (BPFI), para um defeito na pista interior;  Frequência de rotação das esferas (BSF), para um defeito nas esferas;  Frequência da gaiola (FTF), para um defeito na gaiola.

48 Falhas em motores elétricos Espectro de Frequência  As frequências características de defeitos nos rolamentos podem ser calculadas a partir da geometria do rolamento com as fórmulas que se podem ver na próxima Figura.  Note-se contudo que estas fórmulas pressupõem um movimento de rolamento perfeito, enquanto na realidade existe sempre algum escorregamento. Assim, as equações devem ser consideradas como aproximadas.

49 Falhas em motores elétricos Geometria do Rolamento Onde: D= Diâmetro primitivo do mancal de rolamento D i = Diâmetro da pista interna D o =Diâmetro da pista externa  = Angulo de contato D= Diâmetro da esfera  I =Velocidade angular pista interna  o = Velocidade angular pista externa  c = Velocidade angular da esfera V i =Velocidade tangencial da pista interna V o =Velocidade tangencial da pista externa V c =Velocidade tangencial da esfera

50 Falhas em motores elétricos Tabela 2 – Equações característica de falhas para mancais de rolamento

51 Falhas em motores elétricos  O mancal de rolamento com falha irá gerar frequências em seu espectro, que são iguais às frequências características de falhas calculadas. Indicando que certas falhas ocorreram com os componentes do mancal de rolamento.  As relações que associam as frequências com as falhas ajudam a identificar a condição do mancal de rolamento, desde que se possua uma forma de localizar a frequência de falha no espectro do sinal coletado. Espectro de Frequência

52 Falhas em motores elétricos Espectro de Frequência  Espectro do sinal de vibração demodulado com a identificação da frequência característica de defeito na pista interna.

53 Falhas em motores elétricos Técnica do Envelope  A análise do Envelope pode extrair impactos periódicos como os que ocorrem num rolamento em degradação, da vibração de uma máquina.  Pode fazer isto mesmo quando os impactos forem de baixa amplitude e estiverem "submergidos" noutras vibrações da máquina.  No espectro do Envelope, os impactos regulares no rolamento apresentam-se como um pico (possivelmente com algumas harmónicas) à frequência do rolamento correspondente à localização da avaria, ou seja, pista exterior, pista interior, esfera ou gaiola.

54 Falhas em motores elétricos Técnica do Envelope  A seguir pode-se ver um exemplo de aplicação num rolamento num motor elétrico. O espectro normal mostra sintomas de defeito na pista interna, pouco claro. O Espectro com envelope mostra sintomas claros de defeitos na pista interna.

55 Falhas em motores elétricos Técnica do Envelope Espectro de frequência sem a técnica do Envelope. Espectro de frequência com a técnica do Envelope.