Ø = ângulo de contato
As freqüências de defeitos dos rolamentos comerciais podem ser obtidas de varias fontes, como através de distribuidores dos fabricantes de rolamentos, bancos de dados disponíveis comercialmente, etc.
3. Efeitos de Modulação de Amplitude em Rolamentos
Chama-se Modulação de Amplitude a variação com o tempo da amplitude de uma vibração (Figura 1). Neste caso, a componente básica é denominada Portadora e o sinal que descreve a variação da amplitude da
portadora ao longo do tempo é denominado Sinal Modulante ou Componente Moduladora e a sua freqüência é denominada Freqüência de Modulação.
Figura 1 – Modulação de Amplitude Figura 2 – Espectro de um Sinal Modulado
O espectro de um sinal modulado (Figura 2) consta de um pico central na freqüência da portadora (fp), ladeado por picos denominados Bandas Laterais, que se situam acima e abaixo da portadora e são espaçados entre si e do pico central por um valor igual à Freqüência de Modulação (fm). Se o sinal modulante for senoidal existem apenas duas bandas laterais, uma de cada lado da portadora. Se o sinal modulante for complexo existe uma série de bandas laterais de cada lado da portadora.
Os defeitos em rolamentos geram impactos repetitivos que excitam vibrações livres de curta duração (com alto amortecimento) em freqüências naturais elevadas (> 500 Hz), as quais se propagam pela caixa dos mancais e estrutura da máquina na forma de ondas de tensão. Assim, essas vibrações livres geradas pelos defeitos em rolamentos são moduladas em amplitude pela seqüência de impactos repetitivos e pelo efeito do amortecimento. As portadoras são as freqüências naturais dos componentes do rolamento (pistas e elementos rolantes) e da caixa. As modulantes são as freqüências básicas de defeito (BSF, BPFO e BPFI).
Outros efeitos importantes de modulação de amplitude em rolamentos são os seguintes:
¾ Quando há um defeito na pista girante (geralmente a interna), a intensidade da vibração aumenta quando a região defeituosa da pista passa pela zona de carga, provocando uma modulação de amplitude da componente BPFI (ou BPFO, caso a pista girante seja a externa) pela freqüência de rotação da pista S.
¾ Quando o defeito se localiza somente em alguns elementos rolantes (esferas ou roletes) a intensidade da vibração aumenta quando os elementos defeituosos passam pela zona de carga, provocando uma modulação de amplitude da componente BSF pela freqüência de giro da gaiola FTF (freqüência de giro do trem de elementos rolantes).
¾ Quando o defeito progride e se espalha pelas pistas e elementos rolantes, os efeitos de modulação e a intensidade das bandas laterais correspondentes são reduzidos.
4. Demodulação de Sinais para a Detecção de Defeitos em Rolamentos (Envelope)
As vibrações livres de alta freqüência geradas pelos defeitos de rolamentos possuem intensidade bastante reduzida em comparação com as amplitudes das componentes de baixa freqüência, relacionadas com
defeitos de alta energia como: desbalanceamento, desalinhamento, folgas, etc.
Figura 3 – Processo de Obtenção do Envelope (Demodulação)
A grande vantagem do processo de demodulação é eliminar essas componentes de alta energia, permitindo detectar com maior precisão e antecedência só os defeitos de rolamentos. Além disso, a análise dos
espectros de envelope permitem determinar as taxas de repetição dos impactos que geram as ondas de tensão, identificando a sua origem, ou seja, os componentes defeituosos do rolamento.
O processo de demodulação é geralmente realizado por um circuito analógico composto por:
¾ Um filtro passa - alta (denominado pré-filtro), cuja função é remover as componentes de grande amplitude que dificultam a detecção das componentes moduladas de baixas amplitudes.
¾ Um retificador e um filtro passa-baixa, que extraem a envoltória das vibrações livres de alta freqüência.
Esse processo é ilustrado na Figura 3.
Resumindo, as freqüências presentes no sinal demodulado correspondem às taxas de repetição dos impactos que geram as vibrações livres de curta duração e alta freqüência. Essas taxas de repetição são as freqüências básicas dos defeitos do rolamento. O valor de pico da seqüência de transitórios presente na forma de onda demodulada (o envelope) é uma medida da severidade dos impactos gerados pelo defeito.
5. Estágios de Degradação de Um Rolamento
Os sintomas característicos dos três estágios de degradação de um rolamento são:
1o Estágio – Inicial:
¾ Aumenta a energia da banda de 500 Hz a 20 kHz, aonde se situam as freqüências naturais das componentes dos rolamentos.
¾ No espectro de envelope surgem as freqüências básicas de defeito.
¾ Nos espectros de velocidade são visíveis apenas as harmônicas de ordem elevada (acima de 8) dessas freqüências, o que é uma característica espectral inerente aos transitórios de curta duração gerados pelos defeitos de rolamento no seu estagio inicial.
2o Estágio – Intermediário:
¾ No espectro de velocidade há maior energia nas harmônicas de ordem 4 a 8 das freqüências de defeito.
¾ Se o defeito se localiza em um ou em poucos elementos rolantes, bandas laterais espaçadas de FTF ao redor de BSF são claramente visíveis nos espectros.
¾ Se o defeito se localiza em uma região limitada da pista girante, bandas laterais espaçadas de S ao redor de BPFI são claramente visíveis.
¾ Uma redução de amplitude das bandas laterais indica que está havendo uma propagação dos defeitos.
¾ Por outro lado, um aumento brusco das amplitudes das bandas laterais, no 2o ou no 3o estágio indica que há uma degradação acentuada ou desprendimento de material em uma localização específica.
3o Estágio – Avançado:
¾ Diminuem o nível de energia na faixa acima de 500 Hz e o nível do sinal de envelope.
¾ No espectro de velocidade há maior energia nas harmônicas das freqüências de defeito de ordem 1 a 3.
¾ Uma elevação da linha de base do espectro de velocidade, provocada por ruído aleatório, indica que a maior parte das superfícies de contato está degradada e que pode haver ruptura da película lubrificante em vários pontos. Os picos ao redor das freqüências de defeitos ficam menos definidos (mais largos).
¾ No final do 3o estagio a vida remanescente do rolamento é de menos de 2%.
Durante o processo de degradação, o fator de crista das vibrações aumenta progressivamente ao longo do 1o e do 2o estagio e decai ao longo do 3o estagio. Na Figura 4 é apresentada de forma esquemática uma variação típica do fator de crista da aceleração das vibrações emitidas por um rolamento durante o processo de degradação. De uma forma geral, o rolamento deve ser substituído na transição do 2o para o 3o estágio, ou seja, quando uma redução do fator de crista se tornar evidente.
Figura 4 – Variação Típica do Fator de Crista Durante o Processo de Degradação de um Rolamento
6. Faixa de Análise dos Sinais de Vibração e Envelope
Analisando-se os dados espectrais pode-se detectar a presença das freqüências de defeito. Ocorrendo um defeito no rolamento, uma ou mais das freqüências fundamentais definidas no item 2 podem aparecer no espectro de vibrações, com seus harmônicos e bandas laterais.
Neste ponto é interessante examinar a ordem de grandeza das freqüências de defeitos através de um exemplo típico, como o do rolamento de contato angular SKF 7321, cujos dados geométricos e freqüências de defeito para pista externa estacionária são os seguintes:
Tabela 1 - Dados Geométricos e Freqüências de Defeito do Rolamento SKF 7321
Essa seqüência de valores das freqüências de defeitos é basicamente a mesma para qualquer rolamento, com exceção dos rolamentos axiais, em que BPFO = BPFI.
De acordo com o que foi exposto no item 5, para que seja possível detectar defeitos na pista interna, ainda no estagio intermediário, o fundo de escala de freqüências da análise espectral (Fmax) deve incluir pelo
menos a quarta harmônica de BPFI. No exemplo acima, o valor mínimo de Fmax é de trinta vezes a velocidade do eixo (4,2 x 7,11 x N @ 30N). No caso de uma máquina acionada por um motor de dois pólos (N @ 60 Hz), o fundo de escala adequado seria de 1.800 Hz.
Rolamentos especiais, como os encontrados em máquinas ferramenta e máquinas de papel, que possuem uma quantidade maior de elementos rolantes (20 ou mais), podem exigir um fundo de escala da ordem de 50 vezes a velocidade de rotação (ou mais), para garantir a detecção de defeitos no estagio intermediário.
Uma das razões pela qual o método de envelope permite uma detecção bastante antecipada dos defeitos é que, logo no estágio inicial, as freqüências básicas de defeito são claramente visíveis no espectro
demodulado, de modo que uma faixa de análise de 1.000 Hz é adequada na grande maioria dos casos.
A forma de onda não deve ser esquecida ao se analisar defeitos de rolamentos. O padrão típico de seqüência de transitórios, encontrado na forma de onda de aceleração (Figura 3), permite confirmar a existência de defeitos no rolamento.
7. Avaliação da Severidade
7.1 Na avaliação das vibrações de rolamentos, é fundamental considerar que as amplitudes dos espectros de freqüência e o valor rms global são valores médios calculados ao longo de certo tempo de integração, definido pela configuração da instrumentação. Por outro lado, os impactos gerados pelos defeitos de rolamentos são tipicamente transitórios de curta duração, que inevitavelmente apresentam fatores de crista bastante altos, isto é, valores de pico elevados e valores rms reduzidos.
Por isso as medidas de amplitude mais adequadas para caracterizar a severidade de um defeito de rolamento são o valor de pico (ou pico a pico) da aceleração das vibrações ou do seu envelope e os respectivos fatores de crista. Nunca é demais ressaltar que estamos nos referindo a valores de pico verdadeiros, isto é, extraídos do histórico da forma de onda. Valores deduzidos a partir do valor rms calculado no domínio das freqüências não possuem qualquer significado no nosso contexto, pois são validos somente para sinais senoidais, muito diferentes dos sinais emitidos por defeitos de rolamentos.
7.2 Outro aspecto fundamental a ser considerado ao se julgar a severidade de um defeito de rolamento é a sua localização. Quando o defeito tem sua origem na pista interna, na gaiola ou nos elementos rolantes, devido ao caminho de propagação mais longo e desfavorável, os níveis de vibração são captados de forma reduzida, em comparação com os níveis detectados quando defeitos de mesma severidade ocorrem pista externa. Pela mesma razão, defeitos da pista externa são sempre detectados com mais antecedência. Um estudo recente sobre a aplicação de demodulação digital na previsão de falhas de rolamentos, patrocinado pela CSI (referencia 4) demonstrou que, para máquinas que operam na faixa de 900 a 4000 rpm, valores pico a pico do sinal demodulado superiores a 3 g requerem a atenção do analista.
Se o espectro de envelope mostrar que existe um defeito na pista interna, na gaiola ou nos elementos rolantes, deve-se considerar a substituição do rolamento nesse instante. Caso se constate que o defeito se localiza na pista externa, pode-se aguardar até que o valor de pico a pico atinja 6 g para se realizar a intervenção.
7.3 Mesmo usando a medida de amplitude adequada e devidamente corrigida quanto à localização do defeito, para se definir o melhor instante para intervenção é necessário também avaliar em que estagio de degradação se encontra o rolamento. A chave para isso é avaliar a distribuição de energia ao longo dos espectros de velocidade, mais precisamente, saber qual o conjunto de harmônicas das freqüências e efeitos que apresenta maior amplitude. Uma forma de se avaliar essa distribuição de energia é través da análise de bandas de freqüência.
No estágio inicial, as freqüências fundamentais raramente são visíveis e as maiores amplitudes ocorrem em harmônicas bastante elevadas das freqüências básicas (oitava ordem ou mais). Quando o defeito está no estágio intermediário, as harmônicas de ordem 4 a 8 são as mais elevadas no espectro de velocidade. Quando o defeito progride ainda mais, as amplitudes das harmônicas de ordem 1 a 4 aumentam. Geralmente, quando as freqüências fundamentais são predominantes, a degradação é severa e a vida remanescente é bastante curta.
Um sistema de análise de vibrações que calcule a energia de vibração presente em bandas de freqüência definidas pelo usuário e permita especificar alarmes independentes para cada banda possibilita a detecção antecipada de defeitos em rolamentos, sem que haja necessidade de se examinar cada espectro coletado. Além disso, o exame das curvas de tendência dos níveis de cada banda permite o acompanhamento do processo de degradação do rolamento a medida que a energia migra de uma banda para outra.
Na tabela abaixo é apresentado, a titulo de exemplo, um conjunto de bandas de freqüência definido
para a monitoração de um motor de indução WEG de 2 pólos e carcaça 160 (28 barras e 36 ranhuras):
Tabela 2 - Bandas de Freqüência para Monitoração de um Motor de 2 Pólos e Carcaça 160
No caso deste exemplo, um alarme da banda 7 é um indicio de defeito no rolamento. O analista pode então confirmar esse defeito através de uma análise de espectro e acompanhar a degradação do defeito a medida que a energia migra da banda 7 para a banda 5. É importante ressaltar também que os rolamentos podem progredir pelos estágios de falha com taxas de degradação diferentes. Por essa razão, quando um defeito é detectado, os dados devem ser coletados mais freqüentemente para se ter segurança ao acompanhar a degradação e postergar a intervenção até o final do 3o estágio.
8. Recursos Existentes no Sistema SDAV para Previsão de Falhas de Rolamentos
Desde 2003, a Teknikao vem desenvolvendo um Sistema Digital de Análise de Vibrações – SDAV, incluindo as técnicas mais eficientes para detecção e diagnostico de falhas em equipamentos industriais, sugeridas por especialistas em Manutenção Preditiva.
Na versão atual (4002), este sistema pode ser usado como coletor e analisador para monitoração contínua ou periódica de máquinas e incorpora as seguintes facilidades para previsão de falhas em rolamentos:
· 04 canais com configuração independente do tipo e sensibilidade do sensor.
· Permite medições seqüenciais no mesmo canal com diferentes configurações, incluindo: grandeza de medida (velocidade, aceleração ou envelope), freqüência máxima, número de linhas e de médias.
· Arquiva as configurações de medida e análise e os endereços para registro dos resultados, para uso em medições periódicas da mesma máquina, permitindo a montagem de um banco de dados com vários níveis de hierarquia, com registro automático das medições em pastas padrão do Windows.
· Medida da freqüência de rotação através de tacômetro ou identificação no espectro de freqüências da componente correspondente à velocidade de rotação.
· Cursor simples e duplo, com indicação de harmônicas e localizador da amplitude máxima e da freqüência central das componentes do espectro, para refinamento do cálculo da freqüência de rotação da máquina e diferenciação das componentes síncronas em relação às dos defeitos de rolamentos.
· Demodulador analógico para detecção antecipada de defeitos em rolamentos por análise de envelope, com pré-filtro de 1KHz.
· Detecção do valor rms, pico verdadeiro e (a partir da forma de onda) e do fator de crista.
· Análise de tendência em até 12 bandas de freqüência, com dois níveis de alarme independentes para cada banda.
· Formação de tabelas e gráficos de tendência dos níveis globais (rms, valor de pico e fator de crista) dos sinais e dos níveis rms das 12 bandas de freqüência, com indicação de alarmes desses 15 parâmetros.
· Registros de forma de onda e espectro de freqüência por comando manual, automático ou através de alarmes, com acesso imediato aos espectros e formas de onda a partir dos gráficos de tendência.
· Sobreposição de freqüências de defeitos (como de engrenamentos) nos gráficos de espectros e das freqüências de rolamentos, a partir de banco de dados com cerca de 22.000 rolamentos comerciais.
· Capacidade de impressão rápida e exportação dos registros de sinais, espectros e tendências para planilhas de cálculo e editores de texto.
No desenvolvimento do SDAV foram utilizadas as mais modernas tecnologias para assegurar sua capacidade de detecção de defeitos em rolamentos que operam a baixas velocidades de rotação.
Nas Figuras 5 a 7 são apresentados os resultados de um teste de campo, em que foi introduzido um defeito na pista externa de um rolamento NJ205E, que operava a 37 rpm. Nas três figuras, as linhas verticais verdes representam as harmônicas da BPFO desse rolamento, calculadas pelo sistema.
No espectro de aceleração (Figura 5) são visíveis apenas a freqüência de rotação do motor de acionamento (29,6Hz) e uma harmônica elevada de BPFO.
No espectro de velocidade (Figura 6) aparece BPFO (3,26 Hz) acompanhada de algumas harmônicas, o que demonstra a qualidade do integrador analógico do SDAV em baixas freqüências.
Já no espectro de envelope (Figura 7) são claramente visíveis todas as harmônicas de BPFO, com bandas laterais espaçadas pela velocidade de rotação do eixo (0,61 Hz), demonstrando a capacidade do circuito demodulador do SDAV para detectar defeitos em rolamentos operando a apenas 37 rpm.
Figura 5 - Espectro de Aceleração de um rolamento NJ205E com defeito na pista externa
Figura 6 - Espectro de Velocidade de um rolamento NJ205E com defeito na pista externa
Figura 7 - Espectro de Envelope de um rolamento NJ205E com defeito na pista externa
9. Exemplo de Aplicação – Bomba de Alimentação de Caldeira
Na tabela 3 são apresentados os resultados de uma medição realizada em uma Bomba de Alimentação de Caldeira acionada por um motor de dois pólos, juntamente com a nomenclatura utilizada para identificação dos pontos de medida. A configuração do grupo é indicada na Figura 8.
Tabela 3 – Bomba de Alimentação de Caldeira – Níveis de Vibração e Envelope
Figura 8 – Bomba de Alimentação de Caldeira – Pontos de Medida
Rolamentos da Bomba: LOA – NU 308E, LA – 7308
A partir dos dados dessa tabela, pode-se verificar o seguinte:
1) Os níveis de vibração e do envelope e o fator de crista do ponto 3H (mancal do Lado Acoplado da Bomba, direção horizontal) são sensivelmente superiores aos valores dos demais pontos.
2) Segundo a referencia 4, o valor de pico de envelope desse ponto (9,56 g) é indicio de defeito no rolamento.
3) O fator de crista do ponto 3A também é elevado.
Na Figura 9 é apresentado o espectro de envelope do ponto 3H. Nesse espectro, além da componente na freqüência de rotação (59,7 Hz), existem amplitudes elevadas das seguintes componentes: 23,3 Hz que corresponde à freqüência da gaiola (FTF) do rolamento NU 308E; 279,2 Hz, que é a freqüência de defeito da pista externa desse rolamento (BPFO) e a sua segunda harmônica, 558,4 Hz; confirmando a existência de defeitos nesses componentes do rolamento NU 308E, instalado no lado acoplado da Bomba.
A partir dos dados da tabela 3, pode-se verificar também que o valor de pico do envelope do ponto 3H é 431% superior à média dos demais pontos, enquanto que o valor rms é 262% superior a média dos demais pontos. Isso confirma que o valor de pico do envelope é muito mais sensível a defeitos nos rolamentos do que valor rms.
Figura 9 – Bomba de Alimentação de Caldeira – Ponto 3H - Espectro de Envelope
Principais Componentes: 23,3 Hz = FTF NU380E; 59,7 Hz = Freqüência de Rotação;
279,2 Hz = BPFO NU380E e 558,4 Hz = 2 x BPFO NU380E
Figura 10 – Bomba de Alimentação de Caldeira – Ponto 3H - Espectro da Velocidade de Vibração
Principais Componentes: Harmônicos da Freqüência de Rotação (N= 59,7 Hz)
O espectro de velocidade do ponto 3H, mostrado na Figura 10, apresenta uma série de harmônicas da freqüência de rotação, característica de folga. Isso indica que a causa raiz do defeito detectado é uma folga excessiva do rolamento no seu alojamento, visto que esta máquina se encontra em operação há cerca de vinte anos e já sofreu várias substituições de rolamentos.
Embora fossem bastante evidentes no espectro de envelope, os defeitos nos componentes do rolamento (gaiola e pista externa) ainda não podiam ser detectados no espectro de velocidade, que é dominado pela série de harmônicas da freqüência de rotação, associadas à folga, um defeito de alta energia.
Como se trata de uma bomba reserva, o rolamento será substituído quando houver disponibilidade de mão de obra. Antes, será realizada uma verificação dimensional e, se necessário, um reparo da caixa do mancal, para evitar excesso de folga na montagem do rolamento.
Artigo escrito por:
Luciano Paiva Ponci – Diretor Técnico da Teknikao Ind. e Com. Ltda.
Paulo Mario Rodrigues da Cunha, MSc – Consultor
Referências:
1. Apostila do Curso “Manutenção Preditiva por Análise de Vibrações” – 4a Edição – Eng. Remo Alberto
Pierri e Eng. Paulo Mario Rodrigues da Cunha – Aditeq – março de 2004.
2. "Forcing Frequency Identification of Rolling Element Bearings," Schiltz, Richard L., Sound and Vibration,
Volume 24, No.5, May, 1990
3. "How to Track Rolling Element Bearing Health with Vibration Signature Analysis," Berry, James E., Sound
and Vibration, Volume 25, No. 11, November, 1991.
4. “Description Of Peakvue and Illustration of Its Wide Array of Applications in Fault Detection And
Problem Severity Assessment”, Robinson, James C. e Berry, James E., Emerson Process Management
Reliability Conference 2001.
