Detecção de falhas em rolamentos através da análise de vibração, Notas de estudo de Engenharia de Manutenção

Baixe Detecção de falhas em rolamentos através da análise de vibração e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Manutenção, somente na Docsity! DETECÇÃO DE FALHAS EM ROLAMENTOS ATRAVÉS DA ANÁLISE DE VIBRAÇÃO Anderson dos Santos DIAS (1); Jaiane das Chagas RODRIGUES (2); Geraldo Luis Bezerra RAMALHO (3) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará, Av. Contorno Norte, 10 - Parque Central Distrito Industrial - Maracanaú - Ce, Cep:61925-315, Fone: (85) 3878.6300 - Fax: (85) 3878.6311, e-mail: (1) asdias7@gmail.com; (2) jaiane.rodrigues@gmail.com; (3) gramalho@ifce.edu.br RESUMO A detecção de falha em equipamentos rotativos tornou-se primordial no cenário industrial brasileiro, a fim de aumentar a eficiência nas indústrias. Com o interesse de evitar acidentes e prejuízos ocasionados por falhas inesperadas nos equipamentos, surgiu a necessidade de monitorá-los. O monitoramento de uma máquina é capaz de detectar um defeito na sua fase inicial quando não há riscos de quebra, permitindo um melhor planejamento na manutenção do equipamento. Este trabalho utiliza a simulação de falhas em rolamentos e técnicas de processamento de sinais para detectar a ocorrência dessas falhas em sinais de vibração. Foi utilizada a técnica da Transformada Rápida de Fourier, para a representação de danos nos componentes. O ambiente Octave foi escolhido para desenvolver os algoritmos computacionais dos experimentos. Os resultados experimentais demonstram que essa metodologia pode ser aplicada em estratégias de manutenção preditiva na indústria, com o objetivo de aumentar a produtividade e diminuir a ocorrência de paradas por quebra dos equipamentos. Palavras-chave: Análise de Vibração, Detecção de Falhas. 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, com o aumento do desenvolvimento econômico e a competitividade entre as indústrias cada vez maior, nota-se uma excessiva preocupação na prevenção de falhas mecânicas por parte dos empresários. Problemas estes que podem acarretar grandes prejuízos, não só pelo conserto ou substituição do equipamento, mas principalmente com a parada da produção pode-se perder muito dinheiro. Muitas vezes, os componentes que são danificados na máquina, possuem um custo bem menor em relação aos prejuízos com a parada da linha de produção na qual este participa. Um dos principais exemplos disto é o rolamento, que representa 40% das ocorrências de falhas dentro de uma máquina (BONALDI; OLIVEIRA; SILVA, 2008). Portanto, é imprescindível monitorar o estado de funcionamento desses componentes, através de técnicas preditivas, evitando que falhas inesperadas ocorram (ABREU, 2007). Em diversos tipos de indústria o acompanhamento e a análise de vibração tornaram-se um dos mais importantes métodos de predição. Na pesquisa realizada por Abreu (2007), foi utilizada uma bancada de testes para induzir diferentes níveis de defeitos em rolamento, como a utilização de diferentes níveis de lubrificantes e a aplicação de cargas. Comparando-se os resultados obtidos a modelos matemáticos de falhas, verificou-se a eficiência dos métodos de análise de vibração através da identificação dos espectros de frequência de cada tipo de defeito. Este trabalho baseia-se no estudo de falhas em rolamentos, por se tratar de um componente tão importante e fundamental no funcionamento das máquinas rotativas. A técnica empregada para identificação dessas falhas é a análise de vibração por sua grande eficiência e confiabilidade em seus resultados. A pesquisa proporciona o estudo gráfico dos padrões de falhas incipientes, a fim de caracterizá-los antes do aparecimento de um defeito no equipamento monitorado. 2. ANÁLISE DE VIBRAÇÃO De acordo com Rao (2008), pode-se definir como vibração todo movimento que se repete após um intervalo de tempo. O balanço de um pêndulo e o movimento do dedilhar de uma corda são típicos exemplos de vibração. O número de ciclos de movimento em um segundo é chamado de freqüência, medido em hertz (Hz). Um sistema vibratório pode apresentar um único componente de frequência, como ocorre com o diapasão, ou em vários componentes com diversas frequências simultâneas, como no caso de um conjunto de engrenagens. A freqüência fundamental é a freqüência básica que um corpo apresenta quando vibra. Os harmônicos são freqüências múltiplas das freqüências fundamentais. Na prática, os sinais de vibração consistem em um somatório de sinais periódicos de diferentes frequências, não sendo possível a distinção clara entre elas no domínio do tempo. Através da análise espectral (domínio da frequência) é possível a identificação de cada frequência, com seus respectivos níveis de vibração (FERNANDES, 2000). Quando se analisa uma máquina através da representação da amplitude em função da frequência, pode-se observar um grande número de componentes periódicas. Tais componentes estão diretamente relacionadas às frequências fundamentais de várias partes da máquina, facilitando a identificação de sinais característicos, que podem representar uma determinada falha. Uma importante ferramenta matemática utilizada na análise de vibração é a Transformada Rápida de Fourier (FFT, do inglês Fast Fourier Transform). Segundo Gonçalves (2004), ela é responsável pela transição entre as variáveis de um sinal no domínio do tempo para o domínio da frequência (espectro de frequência). realizada a simulação de falhas em rolamento. Para a realização da simulação, foi gerado dois sinais artificiais equivalente a um rolamento da SKF 7321(ver Figuras 7 e 9), com uma rotação de 600 RPM (10 Hz). Aplicando a FFT nestes sinais, obtém-se os espectros de frequência ilustrados nas Figuras 8 e 10. Figura 7 – Onda no domínio do tempo Figura 8 – Espectro do rolamento SKF 7321 Figura 9 – Onda no domínio do tempo Figura 10 – Espectro do rolamento SKF 7321 Utilizando as equações de falhas em rolamentos apresentada na seção 3, foram encontradas algumas frequências referenciais de falhas, apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 – Frequências correspondentes à falhas Tipos de Falhas Frequências Calculadas (Hz) BPFO 48,9353 BPFI 71,0647 BSF 20,9172 FTF 4,0779 Interpretando o gráfico da Figura 8, percebe-se que o pico que está próximo de 10 Hz, equivale à rotação do sistema. O pico de amplitude de 21,2 Hz representa a falha no elemento rolante (BSF). A frequência de 71,7 Hz indica falha na pista interna (BPFI). O espectro da Figura 8 não apresenta amplitude na frequência relativa a defeito na gaiola (FTF) e pista externa (BPFO). A presença dessas amplitudes no espectro indica o surgimento alguma trinca na pista interna e nos elementos rolantes do rolamento. No gráfico da Figura 10, também se observa um pico em 10 Hz, equivale à rotação do sistema. O pico de amplitude de 21,2 Hz representa a falha no elemento rolante (BSF). A frequência de 49,1 Hz indica falha na pista externa (BPFO). Em 4,1 Hz há uma pequena amplitude referente ao defeito na gaiola (FTF). A presença dessas amplitudes no espectro indica o surgimento de pequenas trincas na pista externa, nos elementos rolantes e na gaiola do rolamento. 5. CONCLUSÃO Neste artigo, foi feita a identificação de diferentes tipos de falhas que ocorrem em rolamentos, através de técnicas de análise de vibração aplicadas em sinais artificiais. A caracterização das falhas que o componente pode apresentar é demonstrada através da identificação de harmônicas correspondentes as falhas em um espectro de frequência, obtidas pelo uso da ferramenta FFT. Essas características permitem extrair importantes informações sobre o estado dos rolamentos e as possíveis falhas que estes componentes podem apresentar. Os resultados obtidos neste artigo, demonstram como as frequências do rolamento se comportam mediante aos diferentes tipos de falhas. Com as informações adquiridas través da análise de vibração é possível planejar uma reparação, evitando uma parada inesperada da máquina. A partir desse estudo, serão realizados ensaios em laboratório para confirmar o método e aprimorar os algoritmos utilizados. REFERÊNCIAS ABREU, R. D. A.; BRITO, J. N.; LAMIM FILHO, P. . Diagnóstico de Falhas em Rolamentos Utilizando as Técnicas de Decomposição em Wavelet e Detecção de Envelope. In: 8º Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica, 2007, Cusco. Anais do 8º Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica, 2007. BONALDI, E. L.; OLIVEIRA, L. E. L.; SILVA, J. G. B. . Análise e Identificação de Falhas em Motores de Indução Trifásicos através da Técnica de Análise da Assinatura Elétrica - ESA. In: 23o. Congresso Brasileiro de Manutenção, 2008, Santos. Anais do 23o. Congresso Brasileiro de Manutenção, 2008. FERNANDES, J. Segurança nas Vibrações sobre o Corpo Humano. [S.I.]: Unesp, 2000. Disponível em: <http://wwwp.feb.unesp.br/jcandido/vib/index.htm>. Acesso em: 13 jul. 2009. GONÇALVES, L. A. Um Estudo sobre Transformada Rápida de Fourier e seu uso em processamento de imagens. 2004. 61 f. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2004. KARDEC, A.; NASCIF, J.; BARONI, T. Gestão Estratégica e Técnicas Preditivas. Rio de Janeiro: Qualitymark, 2002. RAO, S. S. Vibrações Mecânicas. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. Tradução de: Arlete Simille. TAYLOR, J. I. The Vibration Analysis Handbook. Flórida: Vibration Consultants, 1994. AGRADECIMENTO Agradecemos ao programa PIBICT/FUNCAP pela bolsa de pesquisa e consequente oportunidade de realizar este trabalho.