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AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Mauro Hugo Mathias Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá Programa de Pós-graduação em Mecânica Área de Projetos AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Capítulo 1 – Introdução e conceitos Conteúdo do capítulo Neste capítulo efetuaremos o estudo de: 1.1 – Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas; 1.2 – Conceitos de processamento de sinais; 1.3 – Diagnóstico de máquinas em condições operacionais; 1.4 – Normas Técnicas. Introdução e conceitos AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Capítulo 1.1 - Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Estratégias de manutenção na indústria Na indústria atual existem basicamente 3 tipos de estratégias de manutenção: • Corretiva (Produzir até quebrar) – Método tradicional onde a máquina produz até que um defeito ocorra e a forçe a parar para manutenção; • Preventiva (Intervalos de tempo) – Paradas de manutenção ocorrem a intervalos regulares menores que o “tempo entre falhas” especificado para os componentes substituídos. Evita paradas inesperadas porém pode significar substituição de componentes antes do fim da vida útil; • Preditiva (Baseada na condição) – Baseia-se no monitoramento de componentes da máquina buscando identificar variação de parâmetros de funcionamento que indiquem início e desenvolvimento de uma falha, efetuando a manutenção antes da quebra do componente. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Manutenção corretiva Manutenção corretiva é a atividade de manutenção necessária para corrigir uma falha que já ocorreu. Esta atividade consiste na reparação, restauro ou substituição de componentes para recolocar a máquina em funcionamento. Em geral a parada não programada da máquina resulta em custos de pessoa, interrupção de linha e dependendo do momento em que ocorre pode resultar em altos custos. Via de regra, quando uma manutenção corretiva se inicia não se sabe quando ela vai acabar, por isso é a mais onerosa das manutenções. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Manutenção preventiva Manutenção preventiva é uma manutenção planejada no tempo que previne a ocorrência corretiva, o que implica na parada não planejada das máquinas. Os programas mais comuns de um plano de manutenção preventiva são: • Lubrificação • Ajustes • Troca de peças • Recondicionamentos de máquinas para toda a planta industrial. Devido a considerar intervalos de tempo corre-se o risco de trocar peças boas que ainda poderiam funcionar por mais algum tempo. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Manutenção preditiva Manutenção preditiva apresenta vantagens de evitar a quebra prematura do componente e também permitir a maximização de sua vida útil. Através do monitoramento e uso de alarmes pode-se antecipar a ocorrência da falha e efetuar a manutenção, evitando a ocorrência da falha. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Monitoramento de máquinas As etapas de um monitoramento: 1 - Avaliação do equipamento 2 – Definição do padrão de monitoramento 3 – Determinação da técnica de monitoramento 4 – Implementação da coleta de dados 5 – Criação de um banco de dados da máquina 6 – Implementar correções no plano de monitoramento Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Monitoramento de máquinas Avaliação do equipamento: • Identificar qual equipamento tem maior impacto na produção; • Presença ou não de sistemas de auto-supervisão; • Obtenção dos índices de MTBF (Mean Time Between Failures) e MTTR (Mean Time To Repair) dos componentes críticos da máquina; • Identificar quais os pontos no equipamento são mais acessíveis para a montagem de sensores e transdutores; • Buscar por dados históricos ou análises de risco dos equipamentos, por exemplo o FMEA da máquina. 1 Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Monitoramento de máquinas Definição do padrão de monitoramento: Traçar o perfil da taxa de falhas no tempo dos componentes. 2 Perfil Tipo Monitoramento Aumento gradual Aplicar monitoramento com nível de alarme baixo para identificar o momento de manutenção; Mortalidade infantil Aplicar testes iniciais de stress (burn-in) e monitoramento durante a vida útil. Poucas falhas quando novo Aplicar monitoramento durante toda a vida útil do equipamento Curva da banheira Aplicar testes iniciais de stress (burn-in) e monitoramento durante a vida útil com nível de alarme baixo. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Monitoramento de máquinas Determinar a técnica de monitoramento: Identificar qual parâmetro será monitorado e técnica a ser utilizada. 3 Métodos Exemplo de equipamento a ser aplicado Análise de vibrações Máquinas rotativas em geral: motores, redutores, compressores, bombas, ventiladores, rolamentos e engrenagens. Análise óleo Redutores, circuitos hidráulicos e motores Termografia Caixas de distribuição de energia, equipamentos de alta-tensão e componentes eletrônicos Ultra-som Equipamentos pneumáticos e máquinas de fluxo Corrente elétrica Motores elétricos Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Monitoramento de máquinas Implementação da coleta de dados: • Nesta etapa são efetuadas as coletas de dados do equipamento; • Nas primeiras coletas de dados, quando ainda não se possui histórico da máquina é conveniente a utilização de mais sensores distribuídos pelo equipamento e diminuir o tempo entre retirada de amostras; • No início do monitoramento podem ocorrer falhas inesperadas em função de componentes não monitorados ou que possuíam falhas de fabricação ou instalação. 4 Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Monitoramento de máquinas Criação do banco de dados da máquina: Com base nos dados coletados na etapa anterior e nas etapas de manutenção cumpridas, pode-se criar um histórico do monitoramento. • Total de máquinas monitoradas; • Condição dos equipamentos após o enquadramento nos seus respectivos alarmes (gráfico demonstrativo); • Tipos de defeitos encontrados (gráfico demonstrativo); • Resumo geral da condição de equipamento; • Recomendações e observações de como eliminar os problemas encontrados. 5 Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Monitoramento de máquinas Implantar correções no plano de monitoramento: Com base nas informações coletas é possível: • Diminuir ou aumentar o tempo entre coletas de amostras; • Alterar a técnica de análise dos dados; • Identificar correções a serem efetuadas no equipamento; • Utilização de outros tipos de sensores. 6 Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Indicadores de estado das máquinas Após a criação do primeiro banco de dados das máquinas, é necessário identificar quais indicadores apropriados para as medições periódicas. Tais indicadores devem possuir as seguintes características: • Progredir com o defeito permitindo a definição de níveis de alarme; • Ser pouco sensíveis, as mudanças de carga nos eixos, a perturbação por fontes externas, e as características dos sensores, etc; • Se medidos em duas falhas iguais porém em locais diferentes devem permitir comparação dos valores antes e depois das falhas. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Monitoramento Permanente x Intermitente Necessidade de monitoramento permanente: • Máquinas críticas que possuem transdutores de vibração permanentes e continuamente monitoradas; • Equipamentos que podem sofrermudanças rápidas nas condições de operação que podem preceder falhas graves; • Máquinas que não possuem equipamento reserva. Vantagens: • Permite reação muito rápida a mudanças abruptas e permite proteger equipamentos de maior valor; • É a melhor forma de proteção para falhas não previsíveis. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Monitoramento Permanente x Intermitente Desvantagem do monitoramento permanente: • Custo elevado de equipamentos e pessoal – Este monitoramento é aplicado para máquinas críticas; • Onde os transdutores forem proxímetros estes tem que ser montados dentro da máquina no estágio de projeto, assim modificações em máquinas existentes algumas vezes são proibitivas; • O tempo de reação deve ser muito rápido, requerendo para tanto técnicas simples de monitoramento baseadas no acompanhamento do nível de vibração global e da fase. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Monitoramento Permanente x Intermitente Monitoramento intermitente: • Aplicado a processos mais estáveis, onde os períodos de coleta de dados possibilitam identificar mudanças nas características do processo e ativar alarmes de manutenção; • Reduz custo de implementação, equipamento e pessoal; • A desvantagem é não conseguir identificar mudanças rápidas dos parâmetros e falhas não previsíveis, para estes casos deve-se utilizar monitoramento permanente. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Monitoramento de máquinas Dentro do ciclo do monitoramento apresentado, atualmente as duas grandes frentes de análise da condição de máquinas são: • Análise de lubrificante – Consiste na avaliação do óleo lubrificante utilizado na máquina em busca de partículas em suspensão e contaminantes; • Análise de vibração – Consiste na avaliação dos níveis de vibração de componentes da máquina, também chamados de “assinatura de vibração”. O desenvolvimento das falhas altera o comportamento destes sinais e podem ser utilizados como indicativo da progressão da falha. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Análise de lubrificantes A análise de óleo procura identificar as condições do lubrificante e identificar a presença de partículas em suspensão no lubrificante. Existem basicamente duas técnicas de análise: a) Ferrografia: Investigação microscópica dos fragmentos em suspensão para determinar o tipo e a localização das falhas; b) Espectrografia: Amostras de lubrificantes passam por análise química para determinar a presença de materiais que possam ser resultado de abrasão entre os componentes. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Análise de lubrificantes A seleção da técnica para análise de pequenas partículas e componentes da amostra de óleo pode ser feita em função do tamanho da partícula em análise: • A Ferrografia distingue o tamanho e forma da partícula mas possui restrição a pequenos tamanhos (< 2mm) e identificação dos componentes da amostra; • A Espectrometria não distingue tamanho e forma, mas pode identificar partículas menores e quais são os componentes da amostra. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Análise de lubrificantes A espectrometria é uma técnica que se baseia na avaliação das freqüências luminosas emitidas pelos elementos de uma amostra de óleo quando entram em combustão (cada elemento químico possui a sua própria freqüência). Permite a identificação de substâncias metálicas (ferro, cobre, alumínio, etc.) e contaminações externas (ex: silício). Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Análise de lubrificantes A Ferrografia baseia-se na avaliação microscópica visual de partículas extraídas e depositadas em uma lâmina de microscópio chamada de ferrograma. Examinando forma, cor, detalhe das bordas, efeitos de um campo magnético e outros testes como tratamento térmico e adição de reagentes químicos, pode-se identificar o mecanismo de desgaste. Essa tecnologia diferencia o tipo de material contido na amostra e determina o componente de desgaste a partir do qual ele foi gerado. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Análise de lubrificantes O estado do óleo pode ser analisado de forma mais ampla para indicar outras anormalidades: INDICAÇÃO CAUSA PROVÁVEL AÇÃO SUGERIDA Espuma Agitação excessiva ou passagem sob pressão através de uma restrição. Verificar o sistema Emulsão - Separa-se naturalmente ou por Centrifugação Contaminação por água Drenar a água Trocar o óleo Escurecimento Oxidação do óleo Temperatura elevada Produtos de combustão em contato com o óleo Trocar o óleo Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Análise de vibração Um corpo é dito estar vibrando quando ele descreve um movimento de oscilação em torno de uma posição de referência. O número de vezes de movimento completo (Ciclos) efetuados no período de 1(um) segundo é chamado de freqüência e medido em hertz (Hz). A análise de vibrações busca por indícios (mudanças) de amplitude e freqüências nos sinais coletados que são indícios de alteração no funcionamento do equipamento. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Análise de vibração A análise da vibração consiste em identificar freqüências específicas no espectro de freqüência dos sinais coletados das máquinas em funcionamento a fim de identificar antecipadamente falhas do sistema. Um sinal no domínio do tempo não demonstra claramente quais as falhas de um equipamento. O processamento dos sinais e visualização no domínio da freqüência é necessário para melhor identificação das freqüências que pode, indicar uma falha do equipamento. Sinal no domínio do tempo Sinal no domínio da freqüência Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Análise de vibração Vantagens da análise de vibrações: • Os sinais coletados identificam prontamente a mudança da condição dos equipamentos; • É capaz de detectar avaria na sua fase inicial, quando ainda não gerou danos graves no equipamento; • Pode (e deve) ser aplicado com a máquina em funcionamento; • Na maioria dos casos permite identificar o componente que está gerando a vibração; • Alguns equipamentos de coleta de dados (ex: coletores portáteis) e sensores tem tamanho pequeno e portanto facilidade para uso em campo; • Permite monitoramento intermitente ou permanente. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Análise de vibração Entre os modos de falha que podem ser identificados por análise de vibração estão: • Defeitos de rolamento; • Desbalanceamento e desalinhamento; • Excentricidade; • Interferência; • Erosão localizada; • Abrasão; • Ressonância; • Folgas; Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas Análise de vibração As principais técnicas de análise de vibração utilizadas para o diagnóstico de máquinas são: • Deslocamento, velocidade e aceleração global; • Fator de crista (Crest factor); • Análise no domínio do tempo; • Análise espectral; • Análise do Envelope; • Curtose. Estas técnicas serão detalhadas nos capítulos posteriores. Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Mauro Hugo Mathias Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá Programa de Pós-graduação em Mecânica Área de Projetos AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Capítulo 1 – Introdução e conceitos Conteúdo do capítulo Neste capítulo efetuaremos o estudo de: 1.1 – Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas; 1.2 – Conceitos de processamento de sinais; 1.3 – Diagnóstico de máquinasem condições operacionais; 1.4 – Normas Técnicas. Introdução e conceitos AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Capítulo 1.2 – Conceitos de processamento de sinais Transformação entre domínios do tempo e da frequência Conceitos de processamento de sinais Uma sinal periódico complexo representado no tempo pode ser difícil de interpretar, porém com auxílio da transformada de Fourier obtém-se a representação no domínio da freqüência, que é de interpretação mais simples: Transformada de Fourier Considere uma onda no tempo, resultado da composição de sinais de freqüência de 4 Hz e de 12 Hz, conforme ilustrado. Demonstrando a freqüência de 4 Hz: Em 1 segundo ocorrem 4 ciclos completos (4 Hz). 1º 2º 3º 4º Conceitos de processamento de sinais Transformação entre domínios do tempo e da frequência Demonstrando a freqüência de 12 Hz: Em 1 segundo ocorrem 12 ciclos completos (12 Hz). 1º 4º 7º 10º 2º 5º 8º 11º 3º 6º 9º 12º Conceitos de processamento de sinais Transformação entre domínios do tempo e da frequência Desta forma o mesmo sinal pode ser representado no domínio da freqüência como 2 barras sinalizando as freqüências das ondas senoidais que existem no sinal no domínio do tempo: A transformada de Fourier permite que esta mudança de representação seja efetuada de forma matemática para sinais mais complexos. Conceitos de processamento de sinais Transformação entre domínios do tempo e da frequência Componentes de um sistema de aquisição e análise Etapas de uma coleta de dados e análise: Sinal analógico Condicionamento de sinais Placa de aquisição Filtro digital Dado discreto Mostrador FFT Filtragem Digitalização Filtragem Transformação Operações Conceitos de processamento de sinais Itens a serem observados: Placa de aquisição Filtro digital Dado discreto Mostrador FFT Digitalização Filtragem Transformação Operações •Leakage •Janelamento •Digitalização e amostragem •Aliasing •Quantização do sinal Sinal analógico Condicionamento de sinais Filtragem Conceitos de processamento de sinais Componentes de um sistema de aquisição e análise Exemplo de um sistema de aquisição e análise: Sinal analógico Condicionamento de sinais Placa de aquisição Filtro digital Dado discreto Mostrador FFT •Leakage •Janelamento •Digitalização e amostragem •Aliasing •Quantização do sinal LabVIEW Conceitos de processamento de sinais Componentes de um sistema de aquisição e análise • Vídeo – Demonstração do equipamento de aquisição de dados experimentais. Apresentação dos equipamentos da bancada experimental: Conceitos de processamento de sinais Componentes de um sistema de aquisição e análise Digitalização – Frequência de amostragem É a taxa com que o sinal é digitalizado através do conversor A/D, ou seja, é a quantidade de eventos em que o conversor A/D registra o valor de tensão que está em sua entrada a cada segundo. É medido em amostras por segundo (samples / s). Analógico (sinal de entrada) Digital (sinal digitalizado) Conceitos de processamento de sinais Amostragem Considerando-se que entre cada amostra existe um intervalo de tempo (Dt), a quantidade de amostras precisa ser suficientemente grande para permitir que o sinal de entrada seja registrado sem perda de informação. O teorema de amostragem de Shannon define como freqüência de amostragem mínima o dobro da maior freqüência observável do sinal. Conceitos de processamento de sinais Subamostragem (Aliasing) A subamostragem é um efeito indesejado na coleta de dados e ocorre quando um sinal é coletado a uma taxa menor que o dobro da maior freqüência desejada. Este efeito se manifesta através do surgimento de freqüências incorretas no sinal, isto ocorre pois o conversor A/D não consegue representar corretamente o sinal, conforme ilustrado na figura abaixo: Em azul – sinal original com freq. 9 Hz Em vermelho – sinal coletado a uma taxa de 12 amostras/segundo Conceitos de processamento de sinais Quantização do sinal A quantização refere-se a precisão da medição da amplitude durante a digitalização do sinal, podendo resultar em várias formas de aquisição: 1) Resolução da placa incorreta para o sinal; 2) Faixa de tensão selecionada muito alta para a amplitude do sinal; 3) Ocorrência de acoplamento AC; 4) Corte e sobrecarga. Conceitos de processamento de sinais Quantização do sinal 1) Resolução do conversor A/D incorreta para o sinal: A escolha da resolução do conversor A/D é importante para obter uma boa representação do sinal. Uma resolução maior significa menores intervalos de tensão que o conversor A/D pode identificar nos terminais de entrada, podendo portanto detectar melhor as variações de tensão e por conseqüência obter uma melhor representação do sinal. Conceitos de processamento de sinais 2) Faixa de tensão selecionada muito alta para a amplitude do sinal: Ocorre quando a amplitude (tensão) definida no conversor A/D é muito grande em relação à tensão do sinal de entrada, isto implica em distorção de amplitude e fase nos domínios do tempo e freqüência, prejudicando a análise dos dados. Conceitos de processamento de sinais Quantização do sinal 3) Ocorrência de acoplamento AC: Ocorre quando uma corrente DC causa erros na parte alternada do sinal, resultando no uso de toda a faixa do conversor A/D. Para evitar este erro utiliza-se filtro um passa-alta para remover a componente DC do sinal. Conceitos de processamento de sinais Quantização do sinal 4) Corte e sobrecarga: A faixa de tensão selecionada na conversor A/D é muito baixa para a tensão do sinal, assim ocorre perda de informação durante a digitalização do sinal. Em alguns casos a sobrecarga na entrada do conversor pode resultar em danos no equipamento. Conceitos de processamento de sinais Quantização do sinal Transformada de Fourier No Século XVII: matemático e físico francês Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) demonstrou que qualquer forma de onda pode ser representada por uma somatória de senóides e cossenóides de diferentes freqüências, amplitudes e fases. A transformada de Fourier decompõe um sinal em suas componentes elementares de seno e cosseno. Conceitos de processamento de sinais Os sinais periódicos são compostos de senos e cossenos: + = Conceitos de processamento de sinais Transformada de Fourier Direta: S(x): Transformada de Fourier Inversa: x(t) = Sinal original Conceitos de processamento de sinais Transformada de Fourier Leakage (“Vazamento”) Para a aplicação da transformada de Fourier é necessário definir uma amostra do sinal (extrai-se uma parte do sinal com comprimento finito). Quando esta amostra não possui característica periódica, estimativas incorretas de amplitude e freqüência ocorrem. Este erro é conhecido como “Leakage” ou vazamento. Sinal periódico Sinal não-periódico Conceitos de processamento de sinais Diferença entre o resultado da transformada de Fourier para um sinal periódico e um sinal não-periódico: Sinal não-periódico Sinal periódico Transformada de Fourier Conceitos de processamento de sinais Leakage (“Vazamento”) Diferença entre o resultado da transformada de Fourier para um sinal periódico e um sinal não-periódico: Sinal não-periódico Sinal periódico • No “Leakage” a energia real do sinal é espalhada pelo espectro defreqüência e a energia “vaza” de um Df particular em Dfs adjacentes. • Diferentemente do aliasing os efeitos do “Leakage” não podem ser eliminados. Conceitos de processamento de sinais Leakage (“Vazamento”) Janelas A técnica do janelamento consiste na multiplicação do sinal por uma função que “zera” os extremos da amostra, tornando o sinal “periódico”. A aplicação de janelas ao sinal busca satisfazer o requisito de periodicidade da FFT, permitindo assim minimizar os efeitos do “Leakage”. Importante: Janelas NÃO eliminam o Leakage. • Exemplo de função Janela: Conceitos de processamento de sinais Existem vários tipos de funções janela para aplicações variadas, as mais utilizadas são: Hanning: Útil quando se deseja boa resolução de freqüência, mas precisão de amplitude não é importante. Aplicada para sinais permanentes (constantes com o tempo). Conceitos de processamento de sinais Janelas • Janela Hanning Exemplo de um sinal senoidal permanente multiplicado por uma janela Hanning: X = Conceitos de processamento de sinais Janelas • Janela Flat Top Flat-Top: Apresenta pico principal reto, o que a configura como uma janela de ótimo desempenho para resolução de amplitude, porém é pobre para resolução de freqüência. Aplicável para sinais permanentes . Conceitos de processamento de sinais Janelas • Janela Retangular Retangular: Consiste na janela mais simples de todas, zera os extremos e possui valor unitário para os demais pontos. Este tipo de janela pode não possui boa precisão para amplitude. Conceitos de processamento de sinais Janelas • Janela Exponencial Exponencial: Janela que impõe um decaimento exponencial ao sinal dentro do período de amostragem. É utilizada para sinais transientes quando se deseja avaliar a ocorrência de impactos no início do sinal. Conceitos de processamento de sinais Janelas Janelas Algumas características das janelas: • Para se identificar picos (impactos) em freqüências específicas uma janela retangular é mais adequada e quando se deseja verificar informações de impactos no inicio do sinal a janela exponencial é melhor; • Para sinais permanentes (estacionários), a Janela Hanning apresenta melhor resultado pois tem melhor resolução de freqüência, permitindo melhor separação dos picos de freqüência; • Melhor resolução de amplitude: Usar a janela Flat-Top; • Escolha da janela de acordo com a característica do sinal: - Sinais transientes (cessa com o tempo): Retangular / Exponencial; - Sinais permanentes (constantes com o tempo): Hanning, Flat Top; • Normalmente para o primeiro cálculo se utiliza à janela Hanning e as demais são utilizadas conforme necessidade. Conceitos de processamento de sinais Tipos de sinais Tipos de Sinais Periódicos TransientesContínuosDeterminísticosAleatórios Não-EstacionáriosEstacionários CicloestacionáriosQuase- Periódicos Continuamente Variáveis Conceitos de processamento de sinais • Sinais Estacionários: Apresentam os mesmos componentes de freqüência durante toda sua duração. • Nos sinais temporais medidos nas coletas de manutenção preditiva isto significa que se for respeitado o princípio da amostragem de Nyquist, para qualquer intervalo de tempo considerado, teremos os mesmos componentes de freqüência ao aplicarmos uma FFT ao sinal. Exemplo de sinal Estacionário com a freqüências de 4 e 8 Hz: Conceitos de processamento de sinais Tipos de sinais • Sinais Não-Estacionários: São aqueles cujas componentes de freqüência diferem ao longo do tempo. Em um sinal temporal as componentes de freqüência serão diferentes no intervalo de tempo considerado. Exemplo de sinal Não-Estacionário: Conceitos de processamento de sinais Tipos de sinais • Sinais Estacionários - Aleatórios São sinais que possuem incertezas quanto a sua ocorrência, não podem ser representados por um função matemática e somente podem ser representados através de suas características (média, variância, autocorrelação, etc...). Ex: Sinal senoidal: f(t) = A*Sen(wo*t), onde A é uma amplitude aleatória. Conceitos de processamento de sinais Tipos de sinais • Sinais Estacionários - Determinísticos São sinais que podem ser representados por um função matemática, ou seja, é possível determinar com exatidão o valor do sinal num dado instante de tempo. Ex: Sinal senoidal: f(t) = A*Sen(wo*t), onde A e wo são constantes. Conceitos de processamento de sinais Tipos de sinais • Sinais Estacionários - Determinísticos - Periódicos São sinais repetem-se periodicamente no tempo em regime permanente. Os mais conhecidos são o sinal senoidal e a onda quadrada. Exemplo: Sinal elétrico com freqüência de 60 Hz. Conceitos de processamento de sinais Tipos de sinais • Sinais Estacionários – Determinísticos - Quase Periódicos São sinais descritos por um somatório de funções periódicas (senóides) porém não é totalmente periódico pois no espectro de freqüência os componentes da série não são múltiplos da freqüência do componente fundamental. Exemplo de sinal Quase Periódico: Conceitos de processamento de sinais Tipos de sinais • Sinais Não-Estacionários - Transientes Os sinais transientes normalmente são decorrentes de eventos únicos e não possuem característica periódica. Via de regra o valor da amplitude decai com o tempo. Um exemplo de sinal transiente é a excitação por impacto durante um ensaio de análise modal. Exemplo de sinal Transiente resultante de impacto em uma estrutura: Conceitos de processamento de sinais Tipos de sinais • Sinais Não-Estacionários - Contínuos São os sinais aleatórios puros, ou seja, cada amostra retirada nunca é igual a anterior, isto permite que ao se fazer sucessivas médias nos dados coletados como resposta a excitação por um sinal aleatório (ruído branco), os efeitos de não-linearidades, ruídos e distorções nas medidas tenderão ao valor esperado de zero Exemplo de sinal Não- Estacionário Contínuo : Conceitos de processamento de sinais Tipos de sinais • Sinais Não-Estacionários – Contínuos – Continuamente Variáveis São sinais aleatórios caracterizados por uma forte variação de amplitude durante sua coleta. São medidos principalmente durante a partida e desligamento de equipamentos. Exemplo de sinal Contínuo Continuamente variável: Conceitos de processamento de sinais Tipos de sinais • Sinais Não-Estacionários – Contínuos – Cicloestacionários São sinais caracterizados por uma modulação de freqüência aplicada a um sinal aleatório puro. Também pode ser chamado de ruído branco modulado. Neste caso não ocorre variação de amplitude (variação de energia). Exemplo de sinal Contínuo Cicloestacionário: Conceitos de processamento de sinais Tipos de sinais AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Mauro Hugo Mathias Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá Programa de Pós-graduação em Mecânica Área de Projetos AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Capítulo 1 – Introdução e conceitos Conteúdo do capítulo Neste capítulo efetuaremos o estudo de: 1.1 – Introdução e técnicas de diagnóstico de máquinas; 1.2 – Conceitos de processamento de sinais; 1.3 – Diagnóstico de máquinas em condições operacionais; 1.4 – Normas Técnicas. Introdução e conceitos AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Capítulo 1.3 - Diagnóstico de máquinas em condições operacionais Coleta de dados de vibraçãoDiagnóstico de máquinas em condições operacionais Grandezas medidas no monitoramento de vibrações mecânicas: • Deslocamento Unidade: micrometro (mm) ou milésimos de polegada (mils). • Velocidade Unidade: metros por segundo (m/s) ou polegadas por segundo (ips). • Aceleração Unidade: metros por segundo ao quadrado (m/s2) ou aceleração da gravidade (g). Coleta de dados de vibração Diagnóstico de máquinas em condições operacionais Qualquer que seja a grandeza escolhida a forma e o período de vibração permanecem similares, o que muda é a existência de uma diferença de fase entre eles: Deslocamento: Velocidade: Aceleração: Coleta de dados de vibração Diagnóstico de máquinas em condições operacionais Equipamento de medição: Analisador de sinais dinâmico portátil. O analisador portátil é uma ferramenta aplicável as coletas em campo de dados de monitoramento de máquinas. Permite conexão a vários tipos de sensores e possui programação interna para coletas variadas. Fonte: Crystal Instruments - http://www.go-ci.com/products.asp Pontos de medição Diagnóstico de máquinas em condições operacionais Pontos de medição para monitoramento de máquinas: • Mancais são pontos obrigatórios; • Evitar pontos flexíveis em carcaças; • Em cada ponto estabelecer claramente as direções de medida - horizontal, vertical ou axial; • Os pontos escolhidos devem ser perfeitamente acessíveis, marcados de maneira visível no próprio equipamento; • Pontos de medição devem ser retos, limpos e isentos de graxa; • O sensor e o cabo não devem ser movidos durante a operação de medição. Pontos de medição Os pontos de medição são definidos de acordo com o item 4.2 da norma ABNT NBR 10082. Exemplo de pontos de medida recomendados. Diagnóstico de máquinas em condições operacionais Pontos de medição Pontos de medida recomendados para máquinas verticais. Fonte: ABNT Diagnóstico de máquinas em condições operacionais Pontos de medição Diagnóstico de máquinas em condições operacionais Pontos de medição recomendados e não recomendados em um motor elétrico padrão: Não recomendado: Chapa fina Recomendado: Estrutura rígida Recomendado: Estrutura rígida Recomendado: Base de apoio (Mancal) Pontos de medição Diagnóstico de máquinas em condições operacionais Vídeo – Demonstração de pontos de aquisição de dados Instalação de proxímetros para monitoramento de acoplamentos e eixos Diagnóstico de máquinas em condições operacionais Disposição dos sensores: Exemplo de montagem de proxímetros para monitoramento de desalinhamentos e desbalanceamentos de eixos. A montagem ocorre com uma diferença de 90º para permitir o monitoramento de dois eixos e a obtenção de um gráfico de órbita. Proxímetros Instalação de proxímetros para monitoramento de acoplamentos Diagnóstico de máquinas em condições operacionais Exemplo de instalação: • Proxímetros colocados a 90º para monitoramento de um acoplamento flexível. Instalação de proxímetros para monitoramento de acoplamentos Diagnóstico de máquinas em condições operacionais Pontos de medição: • Gráfico de órbita do sinal coletado nos proxímetros: AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Capítulo 1.4 – Normas técnicas Normas técnicas Introdução Medições de vibração são necessárias para a monitoração da condição de máquinas, mas máquinas podem já vir com vibrações mecânicas originais, então qual é o nível de vibração que representa um defeito? A resposta está nas normas: No Brasil: ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas www.abnt.org.br No mundo: ISO – International Organization for Standardization www.iso.org Normas técnicas Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas NBR 15928 Ensaio não destrutivo – Análise de vibrações – Terminologia • Define a terminologia e os termos empregados em vibrações mecânicas, choques e aplicações em monitoramento de máquinas. • A norma ISO corresponde à ela é ISO 13372, que trata do vocabulário usado monitoramento de condição de máquinas. • A NBR 15928 cancela e substitui a NBR 7497. • Publicação: Abril / 2011 Normas técnicas NBR 10082 Ensaio não destrutivo — Análise de vibrações — Avaliação da vibração mecânica de máquinas com velocidades de operação de 600 a 15000 rpm • Estabelece as regras a serem utilizadas na avaliação do estado de funcionamento de máquinas rotativas que operam entre 600 rpm e 15000 rpm, com potência acima de 15 kW e freqüência de vibração entre 10 Hz e 1000 Hz, através da medição de vibrações mecânicas na carcaça do mancal ou no pedestal que suporta o mancal. Além disso ela estabelece valores comparativos para que se possa avaliar e comparar o funcionamento de máquinas em geral. • NOTA: Esta norma não se aplica ao controle de ruído. E é aplicável somente à vibrações medidas na superfície da máquina. Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas NBR 10082 Ensaio não destrutivo — Análise de vibrações — Avaliação da vibração mecânica de máquinas com velocidades de operação de 600 a 15000 rpm A classificação do Grau de Severidade é definida a partir dos seguintes parâmetros: 1) Tipo de máquina e Potência desenvolvida: • Grupo 1: Potência acima de 300 kW. A maioria dos equipamentos possui mancais de escorregamento e recomenda-se o uso de sensores sem contato. • Grupo 2: Potência entre 15 kW e 300 kW. Normalmente possuem mancais de rolamento e rotação acima de 600 rpm. NOTA: As bombas são tratadas em norma específica. Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas NBR 10082 Ensaio não destrutivo — Análise de vibrações — Avaliação da vibração mecânica de máquinas com velocidades de operação de 600 a 15000 rpm A classificação do Grau de Severidade é definida a partir dos seguintes parâmetros: 2) Flexibilidade do suporte dos mancais: Efetuada de acordo com as características dinâmicas da montagem dos mancais na direção de medição, podendo ser: • Montagem rígida: Quando a menor freqüência natural do conjunto for pelo menos 25% superior à maior freqüência de rotação do equipamento. • Montagem flexível: Quando não obedece a regra da montagem rígida. Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas NBR 10082 Ensaio não destrutivo — Análise de vibrações — Avaliação da vibração mecânica de máquinas com velocidades de operação de 600 a 15000 rpm Na avaliação da severidade de vibração em máquinas rotativas são estabelecidos três critérios: 1º Magnitude de vibração; 2º Variação de magnitude da vibração; 3º Avaliação da severidade por meio de análise espectral do sinal. Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas NBR 10082 Ensaio não destrutivo — Análise de vibrações — Avaliação da vibração mecânica de máquinas com velocidades de operação de 600 a 15000 rpm 1º Magnitude de vibração; A vibração máxima em cada mancal é avaliada de acordo com zonas de avaliação (A, B, C e D) para cada classe de montagem. Zona A: Máquinas novas, em comissionamento ou revisadas; Zona B: Vibração dentro desta zona são consideradas aceitáveis para operação de longo termo. Zona C: Vibração nesta zona não permitida para operação em longo termo. Normalmente a máquina pode ser operada por um certo período nesta condição até aplicação de ações corretivas. Zona D: Vibração com energia suficiente para danificar a maquina. Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas NBR 10082 Ensaio não destrutivo— Análise de vibrações — Avaliação da vibração mecânica de máquinas com velocidades de operação de 600 a 15000 rpm Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas NBR 10082 Ensaio não destrutivo — Análise de vibrações — Avaliação da vibração mecânica de máquinas com velocidades de operação de 600 a 15000 rpm 2º Variação de magnitude da vibração; Uma alteração na magnitude de vibração, da ordem de um desvio- padrão para cima ou abaixo do valor de referência, é considerado uma alteração significativa no estado de funcionamento. Quando ocorrer tal efeito, é necessário uma investigação em comparação com histórico de vibração para determinar a causa da variação. NOTA: Para isto se tornar valido, é necessário que todas a medidas comparadas tenham sido feitas no mesmo ponto. Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas NBR 10082 Ensaio não destrutivo — Análise de vibrações — Avaliação da vibração mecânica de máquinas com velocidades de operação de 600 a 15000 rpm 3º Avaliação da severidade por meio de análise espectral do sinal Este critério aplica-se unicamente a equipamentos com rolamentos e motores elétricos, pois ele é destinado a identificar e avaliar fontes de vibração com pouca energia, mas caso estejam presentes no espectro de frequência podem evoluir rapidamente e causar danos. Se for encontrado uma frequência de vibração vinda do rolamento ou do motor elétrico, o equipamento deve ser enquadrado na zona C. Caso a magnitude chegue a 1 mm/s-rms, deve ser classificado na zona D. Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas ISO 10816 Vibrações mecânicas – Avaliação da vibração de máquinas através de monitoramento de partes não-rotativas Parte 1: Instruções gerais Parte 2: Turbinas a vapor fixas ao solo e geradores com capacidade maior que 50 MW com rotações normais de operação de 1500 rev/min, 1800 rev/min, 3000 rev/min e 3600 rev/min. Parte 3: Máquinas industruais com potência nominal acima de 15 kW e velocidades nominais entre 120 rev/min e 15000 rev/min quando medidos in situ. Parte 4: Turbinas a gas com rolamentos filme-fluido. Parte 5: Maquinas de geração de força hidráulica e plantas de bombeamento. Parte 6: Máquinas reciprocas com potência acima de 100 kW. Parte 7: Bombas de rotor para aplicações industriais, incluindo monitoramento de eixos rotativos. Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas ISO 10816-1 Vibrações mecânicas – Avaliação da vibração de máquinas através de monitoramento de partes não-rotativas • Classificação das máquinas: Classe I: partes individuais de motores e máquinas, integralmente conectadas à máquina completa em sua condição de operação normal (p. ex. motores elétricos de até 15 kW). Classe II: máquinas de tamanho médio sem fundação especial (motores elétricos de 15 kW a 75 kW), motores ou máquinas montados rigidamente sobre fundação especial (até 300 kW). Classe III: grandes turbinas ou motores grandes e outras máquinas grandes com massas rotativas montadas sobre fundação dura e pesada, e relativamente rígida. Classe IV: grandes turbinas ou motores grandes e outras máquinas grandes com massas rotativas montadas sobre fundações relativamente moles (p.ex. conjunto de turbogenerador e turbinas a gás com produção maior do que 10 MW). Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas ISO 10816-1 Vibrações mecânicas – Avaliação da vibração de máquinas através de monitoramento de partes não-rotativas Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas ISO 7919 Vibrações mecânicas – Avaliação da vibração de máquinas através de monitoramento de partes rotativas Parte 1: Instruções gerais Parte 2: Turbinas a vapor fixas ao solo e geradores com capacidade maior que 50 MW com rotações normais de operação de 1500 rev/min, 1800 rev/min, 3000 rev/min e 3600 rev/min. Parte 3: Máquinas industriais acopladas Parte 4: Turbinas a gás com rolamentos filme-fluido Parte 5: Maquinas de geração de força hidráulica e plantas de bombeamento Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas Normas técnicas ISO 7919-1 Vibrações mecânicas – Avaliação da vibração de máquinas através de monitoramento de partes rotativas Esta parte da ISO estabelece diretrizes gerais para medição e avaliação de vibração de máquinas por meio de medições feitas diretamente em eixos de rotação com a finalidade de determinar vibração do eixo em relação à: • mudanças no comportamento vibracional; • carga cinética excessiva; • o monitoramento da folga radial. É aplicável a medições de vibração do eixo absolutos e relativos radial, mas exclui vibração do eixo de torção e axial. Os procedimentos são aplicáveis tanto para o monitoramento operacional das máquinas e para os testes de aceitação em um suporte de teste e após a instalação. Orientações também são apresentados para a fixação de limites operacionais. Lista de normas aplicáveis ao monitoramento de máquinas
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