Análise de vibrações, termografia, análise de lubrificantes, entre outras, são técnicas de manutenção preditiva que permitem encontrar as causas de possíveis falhas antecipando a avaria. Para a implementação da manutenção preditiva é fundamental a realização de um programa e uma organização que garantam o acompanhamento constante e rigoroso dos elementos que compõem a empresa.
Programa de manutenção preditiva
As etapas nas quais se baseia o programa de manutenção preditiva podem ser explicadas a seguir. O programa de manutenção preditiva segue uma sequência lógica desde quando um problema é detectado, é estudado, sua causa é encontrada e finalmente é decidida a possibilidade de corrigi-lo no momento certo com a máxima eficiência.
- Detecção: Reconhecimento do problema.
- Análise: Localização da causa do problema.
- Correção: Encontre o momento e a maneira de resolver o problema.
Como dito, a detecção consiste em encontrar um problema no maquinário. Isto requer um monitoramento constante e rigoroso do nível de vibração de uma máquina. O intervalo entre medições depende de cada equipamento e pode variar de dois meses até medição contínua, dependendo do tipo e importância no processo. Os pontos escolhidos para receber vibrações são aqueles onde for possível encontrar algum defeito que afete o bom funcionamento do maquinário; serão locais onde estão alojados rolamentos, ventiladores, engrenagens ou juntas entre eixos; Nos pontos a serem medidos serão tomados valores de velocidade, aceleração ou deslocamento, dependendo da localização do ponto e das características do
máquina.
O dispositivo utilizado será um coletor de dados juntamente com um programa de computador que armazena os valores coletados nas inspeções de rotina dos elementos da fábrica. A partir de dados históricos dos pontos de cada máquina é possível detectar um problema quando a tendência de valor aumenta ou muda sensivelmente.
O próximo passo é analisar o problema detectado, uma vez encontrado, são identificadas suas possíveis causas; Este estudo é complicado, depende em cada caso do ponto onde aparece o defeito, da posição e do ambiente da máquina. Não existem características que caracterizem inequivocamente uma causa de excesso de vibração, mas a experiência, o bom senso e o conhecimento de cada máquina são pontos essenciais.
Por fim, o passo a seguir é a correção da falha detectada e analisada, portanto, uma vez encontrado um problema e analisadas suas causas, é necessário estudar as ações a serem tomadas para resolvê-lo, ao mesmo tempo em que encontra o momento certo para a sua reparação, procurando torná-la o mais eficiente possível e afectar minimamente o processo produtivo, aproveitando uma paragem ou uma situação em que a carga de trabalho da máquina seja menor do que noutras.
Organização do programa de manutenção preditiva
A monitorização rigorosa e constante das vibrações da máquina permite um aviso prévio de uma falha que possa forçar a sua paragem brusca, com o que isso pode implicar do ponto de vista da produção. Ao mesmo tempo, este tipo de manutenção pode reduzir custos nas alterações de elementos programados e estes ainda podem continuar funcionando por mais tempo. É, portanto, uma forma de melhorar a eficiência da manutenção preventiva. As nove etapas a seguir são importantes na organização da manutenção preditiva:
- Reconhecimento de plantas
Primeiramente, antes de implementar a manutenção preditiva, é necessário decidir a necessidade e eficácia em uma empresa. Esta decisão dependerá do tipo de máquinas, da quantidade e da sua importância no processo. - Seleção de máquina
Dentro de uma fábrica, será realizado um estudo de vibração de acordo com um cronograma estabelecido daqueles equipamentos que fazem parte do processo produtivo de forma essencial, ou seja, aqueles cuja falha causaria perdas significativas do ponto de vista da produção, por por exemplo, perdas económicas, dificuldade e tempo para reiniciar. Da mesma forma, a parte do maquinário que, pelo seu tamanho ou valor econômico ou produtivo, seja importante para a empresa será constantemente monitorada. - Escolhendo técnicas ideais para verificar
Forma de realizar a verificação, decidindo o que, como, quando e onde serão realizadas as medições. - Implementação de preditiva
O programa de implementação preditiva deve conter:- Máquinas para estudar.
- Sistema de medição, coleta de dados e análise dos mesmos.
- Dados para comparar.
- Conhecimento do tipo de manutenção e dos meios de recolha de dados.
- Definir e revisar dados e limites de condições aceitáveis
Para definir um limite de acordo com valores que podem ser chamados de normais, é fundamental ter um dado histórico obtido em
medições repetidas. Um valor médio dos dados obtidos dará o nível de vibração aceitável de cada um dos pontos.
medido. Os limites que determinam se um valor é aceitável serão definidos de acordo com estes dados históricos e experiência.
A princípio, quando não se tem um conjunto de valores que permita estimar se uma vibração está dentro dos limites que
assinalar sua normalidade, a aceitação de um valor será feita através das instruções do fabricante e com os gráficos de
gravidade. - Medições de referência
Sempre haverá uma medida de referência com a qual cada uma feita será comparada para verificar se está dentro dos limites.
de aceitabilidade. - Compilação, registro e análise de tendências.
Aqui tentaremos detectar um possível defeito na máquina. - Análise das condições da máquina
Nesta etapa será confirmado se realmente existe uma falha e serão determinadas suas causas e a evolução que podem sofrer. - Correções de bugs.
Vibrações
Definição e características
Para começar, podemos fornecer uma definição e características de vibração. Vibração é o movimento alternativo de uma máquina ou de seu elemento em qualquer direção do espaço a partir de sua posição de equilíbrio. Geralmente a causa da vibração está em problemas mecânicos como: desequilíbrio de elementos rotativos; desalinhamento em acoplamentos; engrenagens desgastadas ou danificadas; rolamentos deteriorados; forças aerodinâmicas ou hidráulicas e problemas elétricos.
Estas causas, como se pode supor, são forças que mudam de direção ou intensidade. Essas forças são devidas ao movimento rotativo das peças da máquina, embora cada um dos problemas seja detectado através do estudo das características de vibração. As características mais importantes são: frequência, deslocamento, velocidade, aceleração, energia de pico.
A frequência é uma característica simples e significativa nesta análise. É definido como o número de ciclos completos em um período de tempo. A unidade característica é cpm (ciclos por minuto). Existe uma relação importante entre a frequência e a velocidade angular dos elementos rotativos. A correspondência entre cpm e rpm (ciclos por minuto-rotações por minuto) identificará o problema e a parte responsável pela vibração. Essa relação se deve ao fato das forças mudarem de direção e amplitude de acordo com a velocidade de rotação. Os diferentes problemas são detectados por frequências iguais à velocidade de rotação ou múltiplos desta. Cada tipo de problema apresenta uma frequência de vibração diferente.
A amplitude da vibração indica a importância e gravidade do problema, esta característica dá uma ideia do estado da máquina. A amplitude de deslocamento, velocidade ou aceleração pode ser medida. A velocidade de vibração leva em consideração o deslocamento e a frequência, sendo portanto um indicador direto da severidade da vibração. A severidade da vibração é indicada com mais precisão medindo a velocidade, aceleração ou deslocamento de acordo com a faixa de frequência entre a qual ocorre, assim, para frequências baixas, abaixo de 600 cpm, são feitas medições de deslocamento. No intervalo entre 600 e 60.000 cpm é medida a velocidade, e para frequências altas, superiores a 60.000 cpm, são tomadas acelerações.
A velocidade é outra característica importante na vibração, graficamente pode ser vista na figura 1.
É medida a maior velocidade de pico de todo o caminho percorrido pelo elemento quando vibra. A unidade é mm/s. A alteração desta característica traz consigo uma mudança na aceleração. A velocidade tem relação direta com a severidade da vibração, por isso é o parâmetro que sempre se mede. As vibrações que ocorrem entre 600 e 60.000 cpm são analisadas levando em consideração o valor da velocidade.
A aceleração está relacionada à força que causa a vibração, algumas delas ocorrem em altas frequências, embora a velocidade e o deslocamento sejam pequenos. Na figura 2 você pode ver a aceleração da vibração.
A energia de pico ou energia de pulso fornece informações importantes ao analisar vibrações. Este parâmetro mede pulsos de energia vibratória de curta duração e, portanto, de alta frequência.
Podem ser impulsos devidos a: Defeitos na superfície de rolamentos ou elementos de engrenagem. Fricção, impacto, contato metal-metal em máquinas rotativas. Vazamentos de vapor ou ar de alta pressão. Cavitação devido à turbulência em fluidos.
Sem este parâmetro é muito difícil detectar engrenagens ou rolamentos defeituosos. Com esta medida, as vibrações de alta frequência causadas por estes defeitos são rapidamente encontradas. O valor da energia do pico é basicamente uma medida de aceleração, mas sua unidade é g-SE.
Gravidade da vibração
Um ponto importante quando se fala em vibrações é saber a gravidade da vibração, ela indica a gravidade que um defeito pode ter. A amplitude de vibração expressa a gravidade do problema, mas é difícil estabelecer valores limites de vibração que detectem uma falha.
O objetivo da análise de vibração é encontrar um aviso com tempo suficiente para poder analisar as causas e como solucionar o problema, provocando a mínima parada possível da máquina.
Uma vez obtidos os dados históricos de cada elemento das máquinas em estudo, o valor médio reflete a normalidade do seu funcionamento. Desvios contínuos ou excessivos indicarão uma possível falha que será identificada posteriormente, levando em consideração a frequência em que ocorrem as maiores vibrações.
Quando não existem dados históricos de uma máquina, a severidade da vibração pode ser analisada tendo em conta os seguintes gráficos (figs. 3 e 4):
Análise
A essência do estudo de vibrações é analisá-las. A análise dos dados consiste em duas etapas: aquisição e interpretação dos dados obtidos pela medição de vibração da máquina. O objetivo a ser alcançado é determinar as condições mecânicas do equipamento e detectar possíveis falhas mecânicas ou funcionais específicas.
A aquisição de dados é o primeiro e principal passo para fazer uma análise de vibração. Os dados a serem obtidos, deslocamento, velocidade ou aceleração dependerão da velocidade da máquina, conforme sua relação de frequência equivalente (rpm=cpm). Assim, para baixas rotações (low cpm), serão obtidos dados de deslocamento. Para velocidades que estão na faixa de 600 e 60.000 rpm, as velocidades serão medidas. E para aqueles que são de ordem superior, os dados a serem obtidos serão as acelerações (fig. 5).
Passos a seguir na aquisição de dados:
- Determinação das características de projeto e funcionamento da máquina, tais como: velocidade de rotação da máquina, tipo de rolamento, engrenagem e condições do ambiente em que está inserida como tipo de suporte, acoplamentos, ruídos, etc. Também será necessário levar em consideração as condições operacionais como velocidade e cargas, entre outras, que normalmente afetarão as medições de vibração.
- Determinação da finalidade da vibração que pode incluir:
Medidas de rotina para detectar uma possível falha num determinado momento e determinar as causas que a causam. Medições para criar um histórico de dados e com ele obter um valor base, sobre o qual será o valor de vibração que a máquina deverá ter quando suas condições de trabalho forem normais. Tomando dados antes e depois de um reparo, a medição anterior revelará o problema, o elemento defeituoso e assim seu reparo será mais eficaz. Após a reparação serão tomadas medidas para indicar a evolução do elemento substituído ou a correção do defeito existente. - Seleção de parâmetros de medição: deslocamento, velocidade, aceleração, energia de pico. Eles determinarão o transdutor a ser usado.
- Determinação da posição e direção das medições com os transdutores, a vibração geralmente será medida nos mancais da máquina ou pontos onde a falha é mais provável devido ao acoplamento, equilíbrio, pontos onde as forças vibratórias são transmitidas. As três direções principais em uma medição são horizontal, vertical e axial. As direções radiais são horizontais e verticais, e são tomadas com o eixo do transdutor a 90º em relação ao eixo de rotação, conforme visto na figura 6.
- Seleção do instrumento de medição e transdutores.
- Determinação do tipo específico de dados necessários para a interpretação das medições realizadas. Isso economizará tempo na realização das medições e obterá delas informações mais úteis na análise. Os dados obtidos podem ser: valores de magnitude total, espectro amplitude-frequência que indica o tipo de problema existente, amplitude-tempo para vibrações transitórias rápidas ou vibrações muito lentas, energia de pico em rolamentos, engrenagens e problemas de cavitação (fig. 7).
- Coleta de dados. Etapa essencial na análise, exigindo atenção e confiabilidade das medidas tomadas. Ao adquirir dados é importante levar em consideração:
- As sequências de medição, obtendo dados corretos o mais rápido possível, evitam perda de tempo.
- O local de coleta dos dados será sempre o mesmo, com o transdutor firmemente acoplado, para a veracidade dos dados.
- Monitoramento da máquina, ou seja, manter contato com os operadores que trabalham com ela e com os trabalhadores da manutenção, serão as pessoas que conhecerão a máquina de perto.
- Controle o ambiente externo da máquina, aparência, ruído, etc.
- Aborde tendências inesperadas. Esteja preparado para coletar mais dados e medições quando houver sinais de algum
problema. - Mantenha apenas dados consistentes, obtidos com precisão.
- Compare com máquinas semelhantes e com a mesma forma de trabalhar.
Portanto, pode-se dizer que a coleta de dados é uma etapa essencial para uma boa análise vibratória. Para uma boa interpretação dos dados é necessário ter dados confiáveis, obtidos de forma metódica e precisa. Dessa forma, o diagnóstico de um problema pode ser feito com a maior precisão possível.
Identificação das causas das vibrações. Interpretação de dados
Uma vez obtidos de forma metódica e precisa os dados de vibração de uma máquina onde foi detectado um problema, é necessário identificar qual foi a sua causa e assim encontrar a forma e o tempo de reparo mais eficiente, ou seja, aquele que elimina a falha e seu custo econômico é o mínimo possível.
Um defeito pode ser localizado comparando as amplitudes das vibrações obtidas. Normalmente uma máquina que funciona corretamente possui valores que costumam seguir uma linha com tendência ligeiramente ascendente ou constante. Quando em algum momento os valores aumentam ou a tendência sobe de forma inesperada, pode-se pensar na presença de um problema.
Geralmente, os valores de amplitude comparados são os da velocidade. Uma vez observado que esta aumentou de forma inesperada, é importante comparar os valores da energia do pulso (g). indicará a gravidade do problema. Assim, uma falha pode ser detectada encontrando uma tendência inesperada de velocidade ascendente e valores elevados do parâmetro g. Também é possível que se houver algum problema haja valores de energia de pico elevados e eles diminuam repentinamente e aumentem gradativamente, isso pode levar a uma falha total, onde a máquina para de funcionar. Valores elevados de energia de pico podem ser indicadores na maioria dos casos de problemas em rolamentos e acoplamentos e nos casos mais raros de problemas hidráulicos.
Geralmente, a amplitude máxima de vibração ocorre nos pontos onde o problema está localizado, embora muitas vezes a vibração seja transmitida para outros pontos da máquina mesmo que o problema não seja encontrado ali. A análise dos gráficos pode indicar o tipo de defeito que existe, mas muito raramente aparecem problemas únicos e, portanto, espectros onde um defeito é claramente refletido. A experiência e o conhecimento da máquina são dois fatores fundamentais na identificação da causa que produz uma vibração significativa.
É fundamental, uma vez corrigido o problema, acompanhar a evolução do reparo, desta forma você saberá se o defeito realmente existiu, se estava localizado no ponto com vibração máxima e, o que é mais importante, seguir o evolução após o reparo e garantir que o problema desapareceu.
O estudo dos dados de vibração e seus espectros é a base para encontrar as causas e como corrigir o defeito que elas indicam. É importante apenas prestar atenção especial às vibrações que são acompanhadas de outros efeitos como ruído, perda de óleo ou qualquer falha, ou valores de amplitude excessivos em comparação com outros em funcionamento correto. serão analisados espectros que identificarão as causas dos problemas.
Os problemas mecânicos mais comuns em máquinas que produzem vibrações são desequilíbrio entre eixos, falta de alinhamento de acoplamentos, defeitos em rolamentos e engrenagens e problemas elétricos. Abaixo você pode ver como identificar esses problemas analisando os dados e espectros de vibração.
Desequilíbrio
Esta é uma das causas mais prováveis de vibração nas máquinas, em quase todos os elementos é fácil encontrar um pico no gráfico amplitude versus frequência, o que denota um pequeno desequilíbrio. Como pode ser visto no gráfico seguinte (fig. 8) existe um pico numa frequência que coincide com a velocidade de rotação.
Para saber a quantidade de desequilíbrio, você deve encontrar a amplitude da vibração a uma frequência igual a 1 x rpm. A amplitude é proporcional à quantidade de desequilíbrio. Normalmente, a amplitude de vibração é maior na direção radial (horizontal e vertical) em máquinas com eixos horizontais, embora o formato do gráfico seja o mesmo nas três direções. Como dito anteriormente, para analisar dados de vibração, a experiência e o conhecimento da máquina são tão importantes quanto os dados dela coletados. Quando um pico aparece em uma frequência igual a 1 x rpm. O desequilíbrio não é a única causa possível; o desalinhamento também pode produzir picos nesta frequência. Quando surgem vibrações nesta frequência, outras possíveis causas são engrenagens ou polias excêntricas, falta de alinhamento ou eixo torcido se houver vibração axial elevada, correias em mau estado (se corresponder à rotação), ressonância ou problemas elétricos, nestes casos também A partir do pico na frequência de 1 x rpm, haverá vibrações em outras frequências.
Desalinhamento
É um problema muito comum devido à dificuldade de alinhar dois eixos e seus rolamentos para que não sejam geradas forças que produzam vibrações. O padrão de vibração de um eixo torto é semelhante ao desalinhamento angular. Para reconhecer uma vibração por desalinhamento, podem ser observados picos no gráfico em frequências iguais à velocidade de rotação do eixo, duas ou três vezes esta velocidade em situações onde este problema é grave. Um exemplo do espectro deste problema é visto na figura 9, o formato do gráfico será semelhante nas três direções, variando apenas a amplitude. Como em todos os casos, a amplitude é proporcional à gravidade do defeito, aqui o desalinhamento. Esta falha pode apresentar alta vibração tanto na direção axial quanto radial. Assim, sempre que houver uma vibração elevada em axial e radial, e se a axial for maior que a metade da radial, poderá haver problema de desalinhamento ou eixos torcidos. Na Figura 10 você pode ver os três tipos básicos de desalinhamento, paralelo, angular e uma combinação de ambos. A falta de alinhamento paralelo, figura 11, produz principalmente vibração no sentido radial com frequência igual ao dobro da velocidade de rotação do eixo.
A falta de alinhamento angular, representada na Figura 12, provoca vibração no sentido axial em ambos os eixos com frequência igual a 1 x rpm.
As condições de desalinhamento nem sempre envolvem acoplamento. Um desalinhamento entre o eixo e seu mancal, figura 13, é um exemplo comum desse defeito e só pode ser eliminado corrigindo a colocação do mancal. Uma bucha mal alinhada com seu eixo, como pode ser visto na figura 13, não gera vibração significativa, a menos que haja também um problema de desequilíbrio, esse defeito seria o que causaria a falta de alinhamento.
engrenagens
Este defeito pode ser observado encontrando picos em frequências que coincidem com múltiplos inteiros da velocidade de rotação da engrenagem em falha, além disso, haverá vibração de menor amplitude simetricamente na frequência da engrenagem; Na Figura 14 você pode observar picos de valor significativo em frequências múltiplas da velocidade de rotação de um pinhão. Simetricamente a esses picos, existem outros de valor muito pequeno e separados por uma distância igual à velocidade de rotação.
Os problemas nas engrenagens que causam esta vibração são: desgaste excessivo dos dentes, imprecisão dos dentes, falhas de lubrificação, elementos estranhos entre os dentes. Vibrações causadas por defeitos nas engrenagens podem ser detectadas em vários pontos das máquinas. Este é um recurso que diferencia um gráfico causado por uma engrenagem levemente carregada e pela vibração produzida por um rolamento, uma vez que o gráfico de amplitude versus frequência pode ser confuso quando a carga do pinhão é baixa.
Tanto a falha da engrenagem quanto a falha do rolamento também levam ao aparecimento de ruído.
problemas elétricos
A vibração é criada por forças desiguais que podem ser causadas pela forma interna do elemento. É difícil reconhecer este problema graficamente, pois não possui características que simplesmente indiquem que esta é a causa da vibração.
O espectro pode levar a erros porque é semelhante ao do desequilíbrio, só aqui ao desligar a corrente o problema desaparecerá. Picos maiores serão detectados em distâncias iguais a quatro vezes a velocidade de rotação se houver quatro pólos, distinguindo a vibração separada em uma frequência coincidente com a velocidade de rotação. A Figura 15 mostra o espectro que esse tipo de problema oferece.
Rolamentos
Falhas em elementos de rolamento causam vibração em altas frequências não relacionadas à velocidade de rotação e também em amplitude aleatória. A seguir, nas figuras 16 e 17 você pode ver os espectros de velocidade e aceleração, respectivamente, de um rolamento de esferas com defeito. É relativamente fácil reconhecer esta falha olhando o gráfico amplitude-frequência, pois se caracteriza por possuir muitos picos juntos em altas frequências e de amplitude variável que dependerá da gravidade do problema. A frequência na qual ocorre a amplitude máxima pode dar uma ideia do elemento de rolamento defeituoso. Defeitos em corpos rolantes, pistas de rolamentos ou gaiolas de retenção geram forças que são transmitidas ao alojamento e à estrutura que os circunda.
Para detectar que tipo de falha existe, deve-se obter a frequência em que a amplitude é maior e compará-la com as calculadas segundo as fórmulas dadas na figura 18.
Quando esta é a causa da vibração é muito importante saber o valor da energia do pico, com este parâmetro você pode intuir a gravidade do problema. O gráfico que representa a frequência g indica que a vibração do rolamento em alta frequência é instável e gerada aleatoriamente.
Assim o estado da máquina é identificado conforme tabela a seguir:
A falha de um rolamento é detectada apenas na medição realizada nele, ou seja, não será transmitida aos demais pontos da máquina. Externamente, o rolamento defeituoso será perceptível devido ao ruído excessivo.
Os rolamentos são elementos importantes da máquina e cuja falha pode causar problemas mais graves, por isso é necessário ter cuidados especiais com eles. Podem falhar por erros de montagem, lubrificação inadequada, defeitos internos de fabricação, corrente elétrica, desalinhamento, rolamento não preparado para a carga que suporta. Estas são as causas mais comuns de falha.
Portanto, a análise de vibrações é uma técnica que, embora não seja exata, é capaz de encontrar falhas em máquinas, antecipando a quebra. As vantagens de realizar este tipo de manutenção são o desaparecimento de falhas repentinas nos equipamentos estudados, o conhecimento do estado da máquina em todos os momentos. Isto reduz os custos económicos devido a reparações imprevistas, paragens no processo produtivo, alterações em elementos que ainda podem continuar a funcionar, aumento de eficiência e redução de custos de uma paragem, além de tudo isto, ajuda a melhorar a manutenção preventiva na marca no fábrica. Por trás de tudo isto, as vantagens oferecidas por este estudo são sobretudo económicas,
segurança contra avarias repentinas.
