Análise de vibração em equipamentos rotativos

A análise de vibração segue parâmetros estipulados pela norma ABNT NBR 10082 e seu objetivo é identificar eventuais desbalanceamentos nos componentes rotativos em equipamentos. A partir de resultados obtidos em campo, são analisados possíveis defeitos no sistema como, por exemplo, desgaste em mancais causados por falta de lubrificação ou manutenção inadequada, interferências entre componentes, desbalanceamentos e desgaste natural.

Forma de aferição

Um acelerômetro é conectado à máquina gerando um sinal de tensão que corresponde à quantidade de vibração e à frequência de vibração que a máquina está produzindo, geralmente essa unidade é mensurada em deslocamento por segundo.

Todos os dados coletados do acelerômetro vão diretamente para um coletor de dados (software), que registra o sinal como amplitude pelo tempo (conhecido como forma de onda de tempo), amplitude pela frequência (conhecida como transformada rápida de Fourier - FFT) ou ambos. Todos esses dados são processados por algoritmos de programas de computador, que por sua vez são analisados por engenheiros e analistas de vibração treinados para determinar a saúde da máquina e identificar possíveis problemas iminentes. A análise de vibração pode detectar problemas como:

· Desalinhamentos;

· Desgastes nos rolamentos;

· Folgas mecânica;

· Desalinhamentos;

· Ressonância e frequências naturais;

· Falhas em motores elétricos;

· Eixos danificados;

· Falhas na caixa de velocidades;

· Espaço vazio ou bolhas (cavitação) nas bombas;

· Velocidades críticas.

Metodologia na análise de vibração

Embora os acelerômetros ainda sejam a ferramenta mais comum aplicada para coleta de dados, tecnologias modernas como sensores a laser de alta velocidade e sem contato permitem detectar problemas que os acelerômetros não conseguem. Isso permite uma análise mais precisa e mais bem localizada.

A análise de vibração é geralmente dividida em quatro princípios, e cada princípio fornece informações específicas sobre as condições de trabalho e características das peças vibratórias.

• Domínio de tempo: Quando um sinal de vibração é captado de um transdutor (dispositivo que converte uma grandeza física em um sinal elétrico) e exibido na tela de um osciloscópio, é chamado de forma de onda. Este sinal está no domínio de tempo. O domínio de tempo é a amplitude do deslocamento em relação ao tempo. Embora a maioria dos problemas de vibração da máquina seja detectada usando a análise de espectro, alguns tipos são mais facilmente vistos na forma de onda;

• Domínio da frequência: Quando a forma de onda discutida anteriormente é submetida à análise de espectro, o resultado final é uma imagem de frequência pela amplitude, conhecida como espectro. O espectro está no domínio da frequência como a vibração está no domínio de tempo. A análise mais aprofundada da vibração de máquinas é feita no domínio da frequência ou usando análise de espectro;

• Domínio de conjunto: Como os sinais de vibração variam com o tempo, o cálculo de mais de um espectro ao mesmo tempo pode ser útil. Para fazer isso, uma técnica de tempo chamada Gabor-Wigner-Wavelet pode ser utilizada. Essa técnica é usada para calcular variações da transformada rápida de Fourier, incluindo a transformada de Fourier de curta duração (STFT);

• Análise modal: A análise modal processa as funções de resposta de frequência medidas de uma máquina e as insere em um modelo computacional. Este modelo pode ser exibido com animações em variados modos de vibração. O modelo pode ser ajustado adicionando ou removendo variáveis como massa ou rigidez para analisar seus efeitos.

Além destes quatro princípios básicos estão inúmeras formas de análise, cálculos e algoritmos usados para determinar diferentes aspectos da análise de vibração:

• Forma de onda de tempo: Uma forma de onda de tempo é a aceleração pelo tempo exibida em tabelas e gráficos. As formas de onda de tempo mostram uma amostra de curta duração de vibração bruta, revelando a condição do maquinário. Um método de empregar sinais de vibração de forma de onda de tempo como uma ferramenta de análise de vibração é usando FFT;

• Fast Fourier Transform (FFT): FFT é definido como um algoritmo usado para calcular um espectro em forma de onda de tempo. Em outras palavras, é um cálculo destinado a fragmentar um sinal em todas as suas frequências. O método FFT converte um sinal do domínio do tempo para o domínio da frequência. A transformada rápida de Fourier é mais frequentemente usada para detectar falhas na máquina, como desalinhamento ou desbalanceamentos;

• Medição de fase: Ao estudar sobre análise de vibração, a fase é uma diferença de tempo relativa entre dois sinais medidos em unidades de ângulo em oposição ao tempo. Este método só funciona se os dois sinais comparados forem da mesma frequência. A medição de fase é usada em conjunto com FFT para decifrar falhas da máquina, como peças soltas, desalinhamento e desbalanceamentos;

• Análise de ordem: A análise de ordem é uma variação da análise FFT e é usada principalmente para quantificar as vibrações de máquinas com rotações por minuto (RPM) variadas. Em outras palavras, a análise de ordem é uma análise de frequência em que o eixo de frequência do espectro é mostrado em ordens de RPM em vez de hertz. O termo "ordens" refere-se a uma frequência que é um múltiplo de uma velocidade rotacional de referência. Por exemplo, se um sinal de vibração é igual a duas vezes a frequência de rotação do motor, a ordem é dois;

• Densidade espectral de potência (PSD): A densidade espectral de potência é calculada multiplicando a amplitude da FFT por suas diferentes formas para normalizá-la com a largura do compartimento de frequência (a largura do compartimento refere-se aos valores agrupados do eixo x). Para exemplificar, podemos tomar o método PSD como se estivéssemos olhando para vibrações ou movimentos "aleatórios" em muitas frequências diferentes. O PSD compara com precisão os sinais de vibração aleatórios que possuem diferentes comprimentos de sinal;

• Análise de envelope: A análise de envelope é uma forma de análise de vibração que pode detectar impactos com energia muito baixa, muitas vezes ocultos por outros sinais de vibração. É uma ferramenta de diagnóstico popular para dentes de engrenagem e rolamentos de rolos danificados;

• Órbita: A órbita é definida como um gráfico da linha central de um mancal de rolamento de manga. É medido colocando duas sondas na caixa do mancal a 90 graus de distância. Os dados dessas sondas podem ser exibidos digitalmente e usados para detectar vibrações do eixo causadas por turbilhonamento de óleo girando no interior do eixo oco;

• Análise de ressonância: A análise de ressonância identifica todas as vibrações e frequências naturais nas máquinas. A presença de ressonância significa alta vibração, que pode atingir níveis prejudiciais.

Categorias de aferição

• Nível geral de vibração: A adoção deste método se faz presente em máquinas complexas e com diversos elementos a serem analisados. Um profissional experiente têm a capacidade de determinar se ela está funcionando dentro de seus parâmetros de frequência apenas sentindo a máquina com a mão. Esta verificação inicial é melhor em máquinas rotativas, em particular máquinas de alta velocidade. Geralmente não é aplicável a máquinas alternativas;

• Análise espectral de vibração: A análise espectral é o processo de transformar um sinal do domínio do tempo para o domínio da frequência. Muitas vezes é feito usando FFT. O sinal é analisado para determinar quaisquer frequências substanciais provenientes dos componentes da máquina. Onde há um pico no sinal de frequência, essa é a provável fonte de vibração. As aplicações comuns para análise espectral incluem a velocidade de rotação de um eixo ou a frequência com que o engrenamento dos dentes ocorre em um par de engrenagens;

• Monitoramento de frequência discreta: Para análise de um componente específico dentro de uma máquina, o monitoramento de frequência discreta mede o nível de vibração que está sendo gerado em uma frequência específica que esse componente deveria gerar. Por exemplo, para analisar um determinado eixo em uma máquina é necessário ajustar os parâmetros adotados para a velocidade de rotação dessa máquina. A frequência discreta é calculada usando o algoritmo FFT;

• Monitoramento de pulso de choque: O monitoramento de pulso de choque é uma técnica de manutenção preditiva que monitora rolamentos de elementos rotativos com um instrumento portátil. O instrumento portátil emite uma frequência natural que é excitada por choques ou vibrações geradas por rolamentos. Em outras palavras, quando dois pedaços de metal se tocam enquanto estão em movimento, ondas de choque se desenvolvem a partir do impacto, que viaja através do metal. Esta onda de choque é usada no monitoramento de pulso de choque;

• Medição de Curtose: A Curtose fornece uma medida do "pico" de um sinal aleatório. Sinais com um valor de curtose mais alto têm mais picos maiores que três vezes o valor da raiz quadrada média (RMS) do sinal. Na análise de vibração, a curtose é usada para monitorar o desenvolvimento da fadiga em rolamentos com um instrumento simples de aferição;

• Média do sinal: Como os sinais mudam com o tempo, a média do sinal é importante na análise do espectro porque determina o nível do sinal em cada frequência. É particularmente importante para medições de baixa frequência porque elas precisam de um tempo médio mais longo para obter uma estimativa estaticamente precisa do espectro. A média do sinal é frequentemente usada no monitoramento de uma engrenagem em relação à sua velocidade de rotação. Neste exemplo, a média do sinal mostrará a ação cíclica de cada dente na engrenagem. Se um dente tiver uma grande rachadura, ela será detectada devido à sua maior flexibilidade.

• Análise Cepstrum: Originalmente inventada para caracterizar ecos sísmicos produzidos por terremotos e explosões de bombas, o cepstrum é usado para observar os padrões repetidos em um espectro. Padrões repetidos no espectro são percebidos como um ou dois componentes no cepstro com vários conjuntos de bandas laterais, o que pode ser confuso. O cepstrum separa essas bandas laterais da mesma forma que o espectro separa padrões de tempo repetitivos na forma de onda. A análise Cepstrum é frequentemente utilizada para observar as interações entre a frequência rotacional dos rotores com pás e a frequência de passagem da pá. Outro exemplo é examinar as frequências de engrenamento dos dentes da engrenagem e as velocidades de rotação da engrenagem.

Parâmetros de aferição

Todas as técnicas de análise de vibração possuem a finalidade de identificar três parâmetros principais: aceleração, velocidade (RMS) e deslocamento. Cada um desses parâmetros enfatiza certas faixas de frequência à sua maneira e pode ser analisado em conjunto para diagnosticar problemas.

• Aceleração: O foco desse parâmetro são as altas frequências, podendo ser convertido em velocidade ou deslocamento.

• Deslocamento: Assim como a aceleração dá maior importância às altas frequências, o deslocamento é principalmente aplicado para as baixas frequências. As medições de deslocamento geralmente são usadas apenas ao examinar o quadro geral de vibrações mecânicas. É possível aplicar o deslocamento para descobrir o desequilíbrio em uma peça rotativa devido a uma quantidade significativa de deslocamento nas frequências rotacionais do eixo da máquina.

• Velocidade: A velocidade está relacionada com a força destrutiva da vibração, tornando-se o parâmetro mais importante. Ele dá igual importância às frequências altas e baixas. Normalmente, o valor RMS da velocidade (medido na faixa de 10 a 10.000 Hz) mostra o melhor sinal de gravidade da vibração. O RMS é calculado multiplicando a amplitude do pico por 0,707.

No próximo gráfico, é apresentado um exemplo de aceleração, deslocamento e velocidade no mesmo sinal. É possível verificar alguns picos nas mesmas frequências, mas cada um com amplitudes diferentes. Este é um bom visual de como cada parâmetro atribui importância diferente às faixas de frequência.

Benefícios do monitoramento contínuo

Os métodos e ferramentas apresentados não são apenas indicativos para determinar o que há de errado com um equipamento ou maquinário (reativo), mas também podem ser usados para detectar problemas antes que causem tempo de inatividade significativo (proativo). A aplicação da análise e monitoramento de vibração permite que sejam analisadas quantitativamente a fragilidade estrutural, folgas excessivas de componentes rotativos e se a ressonância está presente.

Se implementado corretamente, o monitoramento contínuo de vibração ajuda a otimizar o desempenho do maquinário. Com o uso de tecnologia moderna, é possível realizar leituras contínuas de vibração em diversos equipamentos em tempo real e ter os dados enviados diretamente para o smartphone, tablet ou desktop via nuvem.

• Monitoramento de equipamentos críticos: Equipamento crítico é qualquer peça de equipamento ou máquina que possa causar um grande impacto financeiro ou de segurança caso haja alguma falha. O monitoramento contínuo de vibração ajuda a detectar discrepâncias no espectro de vibração, o que pode revelar problemas de lubrificação e defeitos nos rolamentos muito antes que os principais problemas apareçam;

• Monitoramento de equipamentos antigos: Muitas plantas operam 24 horas por dia, 7 dias por semana, parando apenas mensalmente ou trimestralmente para manutenção de rotina. Parar mais do que isso pode custar à planta uma quantia significativa de recursos. O monitoramento contínuo de vibração on-line ajuda a monitorar a condição de máquinas muito usadas ou máquinas com problemas e envia alertas quando essa condição muda;

• Monitoramento de equipamentos de difícil acesso: É difícil realizar manutenção em equipamentos localizados em locais de difícil acesso. Máquinas em telhados, torres de resfriamento e aquelas que operam em áreas de alta temperatura podem ser monitoradas continuamente quanto a anormalidades de vibração, permitindo que a manutenção seja feita em um momento conveniente. Isso evita o tempo de inatividade não planejado e impede que a equipe de manutenção acesse esses locais desnecessariamente.

Fontes:

1. Arquivo pessoal.