Analise de vibrações e manutenção preditiva

Uma máquina ideal não produz qualquer vibração, pois toda a energia é canalizada para a execução do trabalho a ser realizado. Na prática, os elementos que compõem as máquinas, em geral, interagem entre si e, devido à presença de atrito, ação de forças cíclicas, etc, dissipam energia na forma de calor, ruído e vibrações.

Um bom projeto deve apresentar bom rendimento, ou seja, baixo nível de dissipação de calor, baixo nível de ruído e baixo nível de vibração. De uma forma geral, as máquinas novas, quando bem projetadas, satisfazem a esses requisitos. Entretanto, com o desgaste, acomodação de fundações, má utilização, falta de manutenção, etc, as máquinas tem suas propriedades dinâmicas alteradas. Dessa forma, os eixos tornam-se desalinhados, partes começam a se desgastar, os rotores tornam-se desbalanceados, as folgas aumentam, etc.

Todos esses fatores são refletidos na diminuição de rendimento, e consequentemente, no aumento do nível de vibração.

Essas vibrações são dissipadas pela estrutura da máquina e no seu caminho, excitam ressonâncias e provocam esforços extras nos mancais. Causa e efeito se realimentam e a máquina progride em direção a sucessivas falhas.

No passado, os engenheiros de manutenção eram capazes de reconhecer, pelo toque ou audição, se uma máquina estava funcionando suavemente ou se estava caminhando para uma falha. Atualmente isto não é possível por, no mínimo, três motivos:

1. A relação pessoal entre o homem e a máquina não é mais economicamente viável;

2. As máquinas são construídas para funcionarem automaticamente com o mínimo de intervenção humana;

3. A grande maioria das máquinas modernas operam em velocidades tão elevadas que são necessários instrumentos apropriados para detectar e medir as vibrações e suas freqüências.

O nível de vibração como indicador da saúde da máquina

Como já vimos, vibração é normalmente um subproduto destrutivo da força cíclica transmitida através de uma máquina, que provoca desgastes e aceleração da ocorrência de falhas. Os elementos de máquinas que resistem a essas forças, por exemplo os mancais, são normalmente acessíveis pelo lado externo da máquina, onde a vibração resultante pode ser medida.

Enquanto as forças de excitação permanecerem constantes, ou variarem dentro de limites, o nível de vibração medido, também permanecerá constante ou dentro de limites similares. Para a maioria das máquinas, a vibração tem um nível típico e seu espectro de freqüência tem um formato característico, quando a máquina está em boas condições. Este espectro de freqüência, que é um gráfico da amplitude em função da freqüência, é conhecido como “assinatura” da máquina e é obtido analisando-se em freqüência o sinal de vibração da máquina.

Quando as falhas começam a se desenvolver, o processo dinâmico na máquina sofre alteração devido a modificações no quadro de forças presentes, influenciando, assim, o nível de vibração e a forma do espectro de freqüência. O fato de que os sinais de vibração carregam muita informação, relativa à condição da máquina, é a base para o uso regular da medida e análise de vibração, como um indicador da tendência da saúde da máquina e a necessidade de manutenção.

Observamos que a vibração mecânica é um bom indicador do estado de funcionamento (saúde) de máquina.

Os sistemas de instrumentação para a monitoração periódica de vibração podem ser classificados em 3 níveis: Medidor de vibração de nível global (sem filtro), Medidor de vibração com análise de freqüência(com filtro) e Analisadores de Frequência.

Medidor de Vibração de Nível Global (Sem filtro)

O medidor de vibração de nível global é um instrumento capaz de medir o valor global de vibração( pico ou rms), em uma extensa faixa de freqüência, que depende das normas e padrões aplicáveis. Pelo seu funcionamento, este instrumento mede a vibração total resultante da ação de todas as freqüências presentes no sinal de vibração, dentro da faixa considerada. As medições são comparadas com padrões gerais (Normas) ou valores de referências estabelecidos para cada máquina. A condição da máquina é assim avaliada no campo, com o mínimo de dados.

Este tipo de medidor deve ter a capacidade de medir o valor “true” RMS ou valor de Pico de velocidade, deslocamento e, em alguns casos, aceleração, sobre uma faixa de freqüência de 5 Hz a 5.000 Hz. Em casos de falta de valores de referência, as leituras de velocidade em RMS podem ser diretamente comparadas com critérios de severidade de vibração normalizados que podem indicar a necessidade de manutenção.

O medidor de vibração de nível global é um instrumento com grande capacidade de detecção de mau funcionamento de máquinas, porém possui capacidade limitada para a identificação e diagnóstico, tarefas estas que devem ser realizadas por medidores de vibração com análise de frequência ou analisadores de frequência.

No caso específico de mancais de rolamentos onde, vibrações de outras fontes não predominam, é possível detectar deterioração de mancais, em seus estágios ainda iniciais. Para esta finalidade, o medidor de vibração deve ser chaveado para a leitura simultânea do valor RMS e valor de Pico.

Os defeitos nos elementos rodantes são responsáveis por pulsos de vibração em alta freqüência que podem ser medidos através do medidor de nível global de vibração. Nos estágios iniciais de falhas, os picos resultantes dos pulsos de vibração tem pouca influência sobre o valor RMS, e grande influência sobre o valor de Pico.

Dessa forma, à medida que a deterioração do rolamento aumenta, a relação entre o Valor de Pico e o Valor RMS aumenta consideravelmente (de 3 para aproximadamente 10 vezes).

Por outro lado, nos estágios mais avançados de falhas, os defeitos já não apresentam grande influência sobre o valor de Pico, porém o valor RMS, nesse instante, sofrerá grande alteração. A relação entre o valor de Pico e o valor RMS, denominada Fator de Crista, volta, então, a reduzir-se para aproximadamente 3 vezes.

Medidor de Vibração com Análise de Frequência

Medidor de Vibração simples, tais como os mencionados no parágrafo anterior, medem o nível de vibração global sobre uma faixa larga de frequência. O nível medido reflete o nível de vibração das componentes de frequência dominantes do espectro, que são, é claro, os componentes mais importantes para serem monitoradas. Mas quando o mesmo sinal de vibração é analisado em freqüência e o espectro registrado em forma de gráfico, o nível de muitos componentes, possivelmente também importantes, são revelados.

O gráfico abaixo, ilustra esta diferença. Note que devido aos componentes de frequência determinarem o nível de vibração global, aumentos em componentes importantes podem ser detectados nos estágios iniciais somente através da análise em frequência. Note também que assim que a largura da banda é reduzida, um espectro mais detalhado com picos individuais separados é obtido.

Em geral, quanto mais estreita é a banda de frequência da análise, mais cedo podem ser detectadas as falhas em desenvolvimento. Mas por outro lado, quanto mais estreita a largura da banda de frequência, mais tempo a análise levará, a não ser que instrumentos de medição mais sofisticados sejam utilizados.

A detecção de falhas nos estágios iniciais, juntamente com o diagnóstico e previsão de quebras torna-se possível com o uso de instrumentos capazes de separar as frequências presentes no sinal de vibração. Através do estudo da máquina analisada, é possível correlacionar cada componente de frequência, com o comportamento dinâmico dos elementos de máquina. A capacidade de separação de frequências dependerá da largura do filtro utilizado pelo instrumento. Quanto mais estreita for a largura do filtro, mais fácil será a separação de frequências muito próximas e consequentemente, mais fácil será a detecção de falhas.

Não apenas os aumentos de níveis em componentes de frequência fornecem indicação de falhas, mas também a frequência em que elas ocorrem indicam qual parte da máquina está se deteriorando.

O registro do aumento dos níveis para um ou mais componentes de frequência, sobre um número de medidas periódicas, possibilita a monitoração da tendência dos níveis dessas componentes em função do tempo para as falhas em desenvolvimento. A curva resultante conhecida por GRÁFICO DE TENDÊNCIA, pode ser extrapolada no tempo para indicar quando a condição atingirá limites perigosos para que a manutenção possa ser marcada antecipadamente para uma data conveniente.

Analisadores de Frequência

Em casos onde se deseja uma análise de frequência, com larguras de filtro muito estreita, ou deseja-se realizar a análise de frequência sobre um sinal transiente (choques) torna-se necessária a utilização de um sistema capaz de executar a Transformada de Fourier do sinal, que é uma ferramenta matemática capaz de transformar um sinal randônico, periódico ou transitório, numa série de Fourier equivalente, denominado ESPECTRO DE FREQUÊNCIA. Este instrumento baseia-se na propriedade de que qualquer sinal pode ser decomposto numa série infinita de componentes de frequência que representa o mesmo sinal no domínio da frequência.

Cada componente de frequência dessa série pode ser relacionada ao funcionamento dinâmico de determinado de máquina.

A utilização desse tipo de instrumento, permite que seja levantado o espectro de frequência de referência para cada ponto de medida denominada “ASSINATURA DA MÁQUINA ou BASELINE”. Dessa forma é possível comparar espectros de frequência de máquinas sob suspeita com seus espectros de referência, identificar as alterações, relacioná-las com as freqüências características de falhas dos diversos elementos de máquinas, e assim, proceder ao diagnóstico.

Em todas as embarcações que eu trabalhei, a análise de vibração, análise de óleo e termografia foram aliados fortes para o nosso sucesso na manutenção.

Bons Ventos a todos, e toda máquina a vante!