Assim como um eletrocardiograma é aplicado em nossos corações para determinar a frequência cardíaca e avaliar seu estado de saúde, nas máquinas são aplicadas análises de vibração. Essa análise serve para medir a magnitude e frequência das vibrações, e determinar se essas magnitudes estão dentro ou fora dos parâmetros requeridos.
Da mesma forma que os médicos interpretam os eletrocardiogramas para diagnosticar problemas cardíacos, os especialistas em manutenção utilizam a análise de vibrações para avaliar a condição e o desempenho da maquinaria, permitindo uma intervenção precoce e precisa se forem detectadas anomalias.
Definição da análise de vibração
A análise de vibração é o processo de medir e avaliar as vibrações complexas das máquinas, compostas por várias vibrações simples ligadas aos seus componentes internos em movimento. Utilizando ferramentas como acelerômetros para detectar os níveis e frequências de vibração, essa análise ajuda a decifrar a condição e desempenho atuais dos equipamentos.
Essa técnica é uma parte importante das estratégias de manutenção preditiva e da manutenção baseada na condição aplicada na maioria das indústrias.
Como são geradas as vibrações nas máquinas?
As vibrações são tipicamente criadas pelas partes móveis dentro do sistema. Isso pode incluir componentes rotativos, engrenagens, rolamentos, eixos ou qualquer outra parte que possa oscilar. Um desequilíbrio ou desalinhamento nesses componentes pode resultar em vibrações.
Por exemplo, um rotor levemente dobrado em um motor poderia causar vibração ao girar. Essas vibrações podem ser simples (constantes em frequência e amplitude) ou complexas (compostas por muitas frequências e amplitudes diferentes).
Vibrações no domínio do tempo
Essencialmente, é uma representação gráfica da amplitude da vibração plotada ao longo do tempo, mostrando o padrão ou forma da onda de vibração em qualquer momento dado.
Analisar uma forma de onda no domínio do tempo ajuda a compreender o comportamento geral da vibração. Isso fornece uma ideia direta da ocorrência de eventos periódicos ou transitórios no sinal de vibração, e frequentemente é o ponto de partida para uma análise adicional no domínio da frequência, que pode oferecer informações mais detalhadas sobre as frequências específicas envolvidas.
Para uma melhor compreensão deste conceito, é necessário definir quais são as magnitudes envolvidas no momento da leitura do gráfico.
Frequência e período
É a duração que uma massa leva para se deslocar até o ponto A e retornar ao mesmo ponto. Neste intervalo de tempo constante é conhecido como período de oscilação, geralmente medido em segundos ou milissegundos, representando a conclusão de um ciclo completo pelo elemento vibratório. A frequência, geralmente expressa em Hz (ciclos por segundo) ou CPM (ciclos por minuto), é o inverso do período, o que significa que F = 1 / P.
A vibração muitas vezes pode estar relacionada à velocidade de um elemento rotativo ou outros movimentos periódicos dentro da máquina. Compreender a frequência ajuda a diagnosticar problemas específicos, já que diferentes componentes podem vibrar em diferentes frequências características.
Amplitude
A amplitude da vibração reflete sua intensidade, evidenciando o grau de severidade. Sua medição pode ser feita por vários métodos. O primeiro deles é determinar a amplitude de pico, que neste contexto é denotada por A. O segundo, conhecido como amplitude pico a pico, ocorre quando a onda é simétrica e apresenta um movimento correspondente de amplitude -A na direção oposta.
Finalmente, o terceiro enfoque é conhecido como valor RMS (Root-Mean-Square), uma métrica mais complicada. Isso representa a raiz quadrada da média dos quadrados dos valores da onda. No caso de uma onda senoidal, o valor RMS é igual a 0.707 do valor de pico. No entanto, é importante destacar que isso só é válido para ondas senoidais. O valor RMS é útil como indicador da energia contida na forma de onda.
Vibrações no domínio da frequência
As vibrações no domínio da frequência se referem à análise de um sinal de vibração examinando suas frequências. Ao contrário do domínio do tempo, onde o comportamento de um sinal é representado ao longo do tempo, o domínio da frequência mostra a amplitude e a fase do sinal em várias frequências.
Analisar as vibrações no domínio da frequência é particularmente útil para compreender os diferentes componentes que constituem um sinal de vibração complexo. Isso ajuda a identificar as frequências específicas em que um sistema está vibrando e a contribuição de cada frequência para a vibração geral.
Aqui estão alguns conceitos relacionados às vibrações no domínio da frequência.
Espectro de frequência: É um gráfico que mostra a amplitude das vibrações em várias frequências. O espectro pode revelar frequências dominantes que podem corresponder a componentes mecânicos específicos, auxiliando na identificação de possíveis problemas ou desequilíbrios no sistema.
Harmonias: Muitos sistemas mecânicos exibem vibrações harmônicas, onde certas frequências são múltiplos inteiros de uma frequência fundamental. Analisar esses harmônicos no domínio da frequência pode fornecer uma ideia do comportamento do sistema e possíveis problemas.
Transformada de Fourier: Geralmente, a transição do tempo para a frequência é feita usando a Transformada de Fourier, principalmente a Transformada Rápida de Fourier (FFT). Essa técnica matemática decompõe um sinal no domínio do tempo em suas formas de onda senoidais (seno) e cossenoidais (cosseno), representando esses componentes como diferentes frequências.
Simplificando, as vibrações mostradas como forma de onda estão no domínio do tempo, enquanto o espectro se refere ao gráfico no domínio da frequência. Transformar a informação do sinal do tempo para a frequência é o que chamamos de análise de espectro através da Transformada Rápida de Fourier (FFT).
Unidades de medida na análise de espectros
Um analisador de espectros utiliza a Transformada Rápida de Fourier (FFT) para decompor o sinal complexo de uma máquina em suas séries constituintes de sinais senoidais. Em seguida, essas séries são exibidas individualmente em um gráfico de espectro, onde podem ser visualizados parâmetros-chave da vibração, como deslocamento, velocidade e aceleração, fornecendo uma representação detalhada das características da vibração.
Aceleração: A aceleração destaca as altas frequências dentro de uma análise de vibração, mas não é um parâmetro exclusivo. Pode ser convertida em outros parâmetros, como velocidade ou deslocamento, oferecendo uma visão mais abrangente das vibrações da máquina.
Deslocamento: O deslocamento foca nas baixas frequências e é usado principalmente para obter uma visão geral das vibrações mecânicas. É especialmente útil para detectar desequilíbrios em componentes rotativos, já que uma quantidade significativa de deslocamento nas frequências de rotação do eixo pode indicar problemas.
Como as vibrações são medidas?
A instrumentação para medição de vibrações em máquinas rotativas é classificada em duas categorias principais: sistemas portáteis, que podem ser transportados e utilizados conforme necessário, e sistemas instalados permanentemente, que oferecem monitoramento constante e em tempo real das condições das máquinas.
Transdutores
Os transdutores convertem vibrações mecânicas em sinais elétricos analógicos, permitindo seu processamento e análise. Existem diferentes tipos de transdutores para medir deslocamento, velocidade e aceleração, cada um adequado para diferentes aplicações industriais.
É importante mencionar que a precisão na leitura de amplitude e frequência é essencial, fornecendo informações precisas sobre defeitos mecânicos. A consistência na detecção dessas vibrações, mesmo com sinais de mesma amplitude, fornece dados cruciais para identificar a causa subjacente das vibrações.
Medições de deslocamento: São adequadas para vibrações de baixa frequência e essenciais quando se precisa compreender detalhadamente o movimento de um rotor, além da vibração transmitida ao suporte do rolamento. Usando transdutores de deslocamento, essas medições indicam o esforço ou deformação que a máquina sofre.
Medições de velocidade: Têm aplicação mais ampla, já que a velocidade é um indicador da severidade da vibração e está proporcionalmente relacionada ao nível de fadiga do sistema mecânico. Embora sensores de velocidade possam ser utilizados, os acelerômetros são mais comuns devido à sua melhor resposta em frequência e menor custo. Além disso, o sinal do acelerômetro é processado para ser convertido em unidades de velocidade.
Medições de aceleração: São ideais para analisar fenômenos de alta frequência (como falhas em rolamentos), pois a aceleração oferece uma compreensão precisa das forças internas associadas a uma fonte específica de vibração, como refletido na relação F = m × a.
Toda essa categorização de medições oferece uma visão completa e detalhada do comportamento vibratório das máquinas.
Falhas detectadas pelos sensores de vibração
Os sensores de vibração podem detectar uma ampla variedade de falhas, fornecendo informações vitais para a manutenção preditiva e preventiva. Aqui está uma lista de algumas falhas comuns que esses sensores podem identificar:
- Desbalanceamento e desalinhamento
- Desgaste nos rolamentos
- Falhas nas engrenagens
- Excesso de atrito
- Folgas mecânicas e apoios soltos
- Fissuras ou rachaduras estruturais
- Problemas de lubrificação
- Cavitação em bombas
- Ressonância e sobrecarga
A importância da análise de vibrações
A análise de vibrações é um componente crítico na manutenção preditiva e na monitorização do estado de máquinas rotativas. A importância dessa análise pode ser resumida nos seguintes aspectos técnicos:
- Identificação precoce de anomalias: Através da detecção precisa de frequências e amplitudes de vibração, a análise de vibrações permite identificar anomalias em estágios iniciais em rolamentos, desbalanceamentos, desalinhamentos, folgas e outros defeitos mecânicos.
- Análise espectral e modal: Usando técnicas como a Transformada Rápida de Fourier (FFT), é possível transformar o sinal do domínio do tempo para o domínio da frequência. Isso fornece uma representação espectral que ajuda a detectar e diagnosticar falhas específicas de acordo com suas características de frequência.
- Redução da inatividade: A identificação proativa de falhas iniciais possibilita intervenções precoces, prevenindo falhas catastróficas e reduzindo o tempo e os custos associados à inatividade não planejada.
- Extensão da vida útil dos componentes: Ao evitar o funcionamento em condições não ideais e corrigir defeitos a tempo, ajuda a prolongar a vida útil dos componentes, otimizando o investimento em equipamentos.
- Conformidade com Normas e Padrões: A aplicação sistemática da análise de vibrações garante o cumprimento de normas e padrões de qualidade e segurança, reduzindo riscos potenciais.
- Caracterização detalhada de fontes de vibração: Através da análise modal, é possível identificar formas modais e frequências naturais, oferecendo uma compreensão detalhada de como as vibrações se propagam no sistema, essencial para o design e melhorias na engenharia.
A implementação da análise de vibrações em máquinas é uma estratégia crucial na manutenção moderna. Por meio de técnicas avançadas e compreensão profunda das dinâmicas de vibração, ela oferece uma visão única e detalhada da condição e desempenho dos equipamentos.
A capacidade de detectar e diagnosticar falhas iniciais, otimizar a eficiência, prolongar a vida útil dos componentes e cumprir normas e padrões torna a análise de vibrações uma ferramenta indispensável. Em última análise, contribui para uma gestão de ativos mais inteligente e sustentável, reduzindo custos e minimizando riscos.