DETECÇÃO DE FALHAS

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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
DISCIPLINA: MECÂNICA VIBRATÓRIA
PROFESSOR: DÉCIO ALVES DA SILVA
TÉCNICAS DE DETECÇÃO DE
FREQUÊNCIAS DE ROLAMENTOS NOS
PRIMEIROS ESTÁGIO DE DETERIORAÇÃO
ALUNO:
MARCIO SCHIAVINATO
MATR. 201002119286
RIO DE JANEIRO
2º sem/2014
INTRODUÇÃO
 Pode-se definir como vibração todo movimento que se repete após um intervalo de tempo (RAO, 2008). O balanço de um pêndulo e o movimento do dedilhar de uma corda são típicos exemplos de vibração. O número de ciclos de movimento em um segundo é chamado de frequência, medido em hertz (Hz). Um sistema vibratório pode apresentar um único componente de frequência, como ocorre com o diapasão, ou em vários componentes com diversas frequências simultâneas, como no caso de um conjunto de engrenagens. A freqüência fundamental é a frequência básica que um corpo apresenta quando vibra. Os harmônicos são frequências múltiplas das frequências fundamentais. 
Quando se analisa uma máquina através da representação da amplitude em função da frequência, pode-se observar um grande número de componentes periódicas. Tais componentes estão diretamente relacionadas às frequências fundamentais de várias partes da máquina, facilitando a identificação de sinais característicos, que podem representar uma determinada falha.
Uma vez que sinais de vibração consistem em um somatório de pulsos periódicos de diferentes frequências, não sendo possível a distinção clara entre elas no domínio do tempo. Através da análise espectral (domínio da frequência) é possível a identificação de cada frequência, com seus respectivos níveis de vibração (FERNANDES, 2000).
 		 Figura 1 – Foto do rolamento com falha de pista externa
Em aplicações científicas e em processamentos digitais são utilizadas funções discretas. Para isso, usamos a Transformada Discreta de Fourier (DFT, do inglês Discrete Fourier Transform). Este método é bastante utilizado para o cálculo computacional destas equações através do algoritmo FFT (Fast Fourier Transform), pois possui menor complexidade quando comparada com a Transformada Discreta de Fourier.
Uma importante ferramenta matemática utilizada na análise de vibração é a Transformada Rápida de Fourier (FFT, do inglês Fast Fourier Transform). Segundo Gonçalves (2004), ela é responsável pela transição entre as variáveis de um sinal no domínio do tempo para o domínio da frequência (espectro de frequência).
O conceito por trás do uso da Transformada de Fourier em análise de vibração pode ser exemplificado graficamente. A Figura 2 ilustra um sinal senoidal gerado com amplitude de 0,5 e frequência fundamental de 1 Hz. Através da FFT, o sinal pode ser representado no domínio da frequência, facilitando a interpretação de seus valores e a distinção clara entre as componentes, no caso de haver mais de uma frequência. A Figura 3 representa o sinal após a utilização da FFT.
 Figura 2 – Sinal no domínio do tempo Figura 3 – Sinal no domínio da frequência
Da mesma forma, se for gerado um sinal senoidal de amplitude 1 e frequência 3 Hz (ver Figura 4) e aplicada a FFT, obtém-se, no domínio da frequência, uma concentração de energia em torno da frequência fundamental deste sinal, conforme ilustrado na Figura 5.
 Figura 4 – Sinal no domínio do tempo Figura 5 – Sinal no domínio da frequência
Quando dois sinais gerados são somados, impossibilitando a distinção clara entre eles no domínio do tempo, utilizando-se a Transformada de Fourier é possível identificar cada componente com suas respectivas amplitudes e frequências, representado na Figura 7. É fundamental o emprego da FFT em análise de vibração, pois o sinal real constitui-se do somatório de muitas componentes, que são mais facilmente identificadas através do espectro de frequência.
 		 Figura 6 – Sinal no domínio do tempo Figura 7 – Sinal no domínio da frequência
MÉTODOS DE DETECÇÃO
Defeitos em rolamentos geram séries de choques que se repetem de forma periódica e que cada elemento defeituoso produzirá tais choques em frequências características. Estas frequências podem ser calculadas em função das características geométricas. Ferramentas bastante usadas são o Envelope da SKF, Spike Energy da IRD e Shock Pulse.
SPIKE ENERGY foi um método desenvolvido no final dos anos 1970 para detectar os sinais emitidos a partir de defeitos de rolamentos. O termo "spike energy" foi usado para descrever os pulsos muito curtos, ou seja, pontos, da energia vibratória, gerado pelo impacto de rolamento-elementos contra fissuras microscópicas e spalls. Pico de energia é uma medida da intensidade da energia gerada por tais impactos mecânicos transientes repetitivos. Esses impactos ou pulsos normalmente ocorrem como resultado de falhas de superfície em mancais de rolamento de elementos, dentado ou outros contatos de metal-metal, como esfregar rotor, lubrificação dos rolamentos insuficiente, etc. A medição mostrou que Spike Energia também é sensível a outros sinais de ultra-som, como cavitação, vapor de alta pressão ou de fluxo de ar, a turbulência em líquidos, o ruído da válvula de controle, etc. O esquema a seguir demonstra a aplicação do método:
 Figura 8 – Fluxograma de processamento de sinal (Spike Energy) 
 Figura 9 – Discriminação de sinal (Demodulação) 
 Figura 9 – Detecção pico a pico. 
TÉCNICA DO ENVELOPE (Método da Transformada de Hilbert) – pode ser compreendida como a relação entre as partes real e imaginária de uma Função Transferência. Pode ser usada para efetuar a demodulação em amplitude dentro da aplicação da técnica do envelope. A aplicação da técnica do envelope com a transformada de Hilbert é dividida em 6 passos discutidos a seguir:
1º Aplicar a FFT no sinal e identificar uma faixa para demodulação.
2º Seccionar o sinal:
3º Transladar o sinal da freqüência seccionada para o ponto zero, dobrando o comprimento do vetor com zeros:
4º Aplicar a Transformada Inversa de Fourier para retornar ao domínio do tempo:
5º Retificar o sinal efetuando a raiz quadrada da multiplicação do sinal pelo seu complexo conjugado, obtendo-se o módulo:
6º Aplicar a FFT ao sinal retificado para extração das frequências de defeito:
SHOCK PULSE – Considere-se uma bola de metal batendo uma barra de metal. No momento do impacto, uma onda de pressão se propaga através do material de ambos os lados. A onda é transitória (rapidamente amortece). Quando a frente de onda atinge o transdutor de shock pulse, ele irá causar uma oscilação da massa de referência do transdutor. A amplitude de pico é uma função da velocidade do impacto. Durante a próxima fase da colisão, ambos os corpos começam a vibrar. A frequência desta vibração é uma função da massa e a forma dos corpos que colidem. 
Um transdutor de shock pulse reage com uma grande amplitude de oscilação para os fracos pulsos de choque, porque ele está em linha com a sua freqüência de ressonância. A vibração do equipamento, com frequência muito mais baixa, será filtrada.
O primeiro quadro mostra o símbolo para um transdutor e, a seguir, o sinal de vibração da máquina, com transientes sobrepostas na frequência de ressonância, causada pelos impulsos de choque. O segundo quadro mostra o filtro elétrico que passa um conjunto de transitores. As amplitudes dependem da energia dos impulsos de choque. Os transientes são convertidos em impulsos elétricos analógicos. O último quadro mostra o sinalde pulso de choque convertido a partir do rolamento, agora que consiste em uma rápida seqüência de pulsos elétricos fortes e mais fracos.
REFERÊNCIAS
	ABREU, R. D. A.; BRITO, J. N.; LAMIM FILHO, P
	Diagnóstico de Falhas em Rolamentos 
REFERÊNCIAS Utilizando as Técnicas de Decomposição em Wavelet e Detecção de Envelope. In: 8º Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica, 2007, Cusco. Anais do 8º Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica, 2007.
	BONALDI, E. L.; OLIVEIRA, L. E. L.; SILVA, J. G. B
	Análise e Identificação de Falhas em 
Motores de Indução Trifásicos através da Técnica de Análise da Assinatura Elétrica - ESA. In: 23o. Congresso Brasileiro de Manutenção, 2008, Santos. Anais do 23o. Congresso Brasileiro de Manutenção, 2008.
FERNANDES, J. Segurança nas Vibrações sobre o Corpo Humano. [S.I.]: Unesp, 2000. Disponível em: <http://wwwp.feb.unesp.br/jcandido/vib/index.htm>. Acesso em: 13 jul. 2009.
GONÇALVES, L. A. Um Estudo sobre Transformada Rápida de Fourier e seu uso em processamento de imagens. 2004. 61 f. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2004.
KARDEC, A.; NASCIF, J.; BARONI, T. Gestão Estratégica e Técnicas Preditivas. Rio de Janeiro: Qualitymark, 2002.
RAO, S. S. Vibrações Mecânicas. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. Tradução de: Arlete Simille.