918898_Análise de Espectros para detecção de falhas

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13/5/2015
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Prof. Wéderley Mendes Miranda
Laboratório de Vibrações Mecânicas
ANÁLISE DE ESPECTROS 
PARA DETECÇÃO DE FALHAS
ESPECTRO DE FREQUÊNCIAS
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Através da Transformada de Fourier Rápida (FFT) é possível obter o 
espectro de frequências rapidamente, por método numérico.
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ESPECTRO DE FREQUÊNCIAS
� Considera-se como 1X a frequência de rotação do sistema
�Os múltiplos 2X, 3X, 4X etc são chamados harmônicos
�O espectro pode ser dividido em 3 principais áreas
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ESPECTRO DE FREQUÊNCIAS
1. Abaixo de 1X : Região subscíncrona, e os defeitos nesta região tendem a 
serem perigosos (ex: instabilidade em mancais de deslizamento)
2. Entre 1X e 10X : Região de baixas frequências, onde se identificam os 
sinais de falhas mecânicas mais básicos (desbalanceamento, desalinhamento, 
folgas etc.)
3. Acima 10X : Região de altas frequências, onde se identificam os sinais de 
falhas de engrenagens, rolamentos etc.
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ESPECTRO DE FREQUÊNCIAS
1. Cada componente emite um sinal de vibração característico
2. O sinal de cada componente pode ser composto por várias frequências
3. A frequência identifica a origem da vibração
4. A amplitude identifica a intensidadeda vibração
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ESPECTRO DE REFERÊNCIA
• Espectro sobreposto a uma referência
• A referência pode ser da máquina nova, ou de uma condição padrão
• Pode ser necessário mudar o espectro de referência, especialmente quando há 
uma troca de componente (mancal, engrenagem etc.)
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Fontes de Excitação por VibraçãoFontes de Excitação por Vibração
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
DESBALANCEAMENTO
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Causas do Desbalanceamento:
� Incrustações de material em pás/rotores 
� Desgaste e/ou corrosão das partes (pás/rotores )
� Partes quebradas ou perdidas
� Montagem imprópria
� Tolerâncias e ajustes de máquina que permitem erro de 
montagem.
� Componentes Excêntricos
� Falhas na fabricação - Bolhas na fundição por exemplo
� Distorção térmica ou mecânica
� Falhas estruturais como flexão, ou quebra de componentes 
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
O desbalanceamento de forças estaráem fase e será permanente ao
longo do eixo.
A amplitude do desbalanceamento ganhará um incremento igual ao
quadrado da rotação (F=mrΩ²).
A frequência de rotação do eixo estará sempre presente e
normalmente dominará o espectro.
Pode ser corrigido pela colocação de apenas uma massa de correção
em apenas um plano do centro de gravidade do rotor.
RADIAL
1X rpm do rotor
m
m /s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
DESBALANCEAMENTO 
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
O desbalanceamento acoplado tende a ficar 180 fora de fase ao longo do eixo. 
1x rpm sempre presente e normalmente dominando o espectro. 
A amplitude do desbalanceamento varia com o quadrado da rotação. 
Pode causar grandes vibrações tanto radiais como axiais. 
A correção requer balanceamento em dois planos de correção. 
Note que existirá uma diferença de fase de aproximadamente 180 nos mancais 
tanto na direção horizontal quanto na vertical.
RADIAL
1X rpm do rotor
m m
/s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
O desbalanceamento de rotores em balançocausa altas amplitudes na rotação do
eixo do rotor, tanto na direção axial como na direção radial.
As leituras axiais tendem a estar em fase
A correção se fará de acordo com o tipo de desbalanceamento.
1X rpm do rotor
RADIAL & AXIAL
m
m /s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
DESBALANCEAMENTO do ventilador de exaustão do secador B-
4001: encontrava-se desbalanceado, com uma vibração de V=14,92 
mm/s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Após intervenção mecânica,quer dizer,após umaboa lavagem no
rotor, a vibração caiu para V=1,97 mm/s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
O ventilador B-4012 encontrava-se desbalanceado, com 
uma vibração de V=26,32 mm/s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Após intervenção mecânica, ou seja, após ter sido realizado o 
balanceamento do rotor no campo em 1(um) plano, a vibração 
caiu para V=1,20 mm/s
Frequência de correia
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
O desalinhamento pode ser definido como sendo a não
coincidência entre o eixo de simetria de dois eixos
colineares.
É o tipo de defeito mais comumente encontrado em
bombas, sopradores e exaustores.
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
A
B
C
P1 P2
X Y
Alinhamento entre o eixo de simetria 
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
DESALINHAMENTO ANGULAR 
�Caracterizado pela alta vibração axial defasadas 180º nos lados
opostos do acoplamento
�Caracteristicamente haverá alta vibração axial tanto com 1X
quanto com 2X rpm.
�Pode ocorrer casos onde 1X, 2X ou 3X sejam dominantes.
�Estes sintomas também podem indicar problemas de acoplamento
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
DESALINHAMENTO ANGULAR
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
1X rpm
2X rpm
AXIAL
3X rpm
m
m
/s
DESALINHAMENTO ANGULAR
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
O desalinhamento entre rolamento e eixo geralmente causa grandes
vibrações na direção axial.
Causará movimento de torção com aproximadamente 180 de
variação de fase de cima a baixo do eixo e/ou lado a lado quando
medido na direção axial do mesmo local do mancal.
Alinhar ou balancear o equipamento não resolverá o problema, o
rolamento deverá ser retirado e montado novamente.
1X rpm
2X rpm
AXIAL
3X rpm
m
m
/s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
O desalinhamento paralelomostra grandes amplitudes de vibração na direção
radial com aproximadamente 180 de defasagem ao longo do acoplamento.
Dependendo do tipo de acoplamento, 2X rpm se apresenta com maior
amplitude do que 1X rpm.
Quando o desalinhamento é severo e composto aparecerão grandes amplitudes
de vibração em harmônicos mais altos (4X, 8X) ou vários harmônicos com
características de folgas mecânicas.
1X rpm
2X rpm
RADIAL
3X rpm
m
m
/s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
A Bomba P-3020K encontrava-se desalinhada, com 
uma vibração de V=10,35 mm/s.
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Após intervenção mecânica, onde foi realizado o alinhamento a
laser com o equipamento SKF TMEA-1, a vibração caiu para
V=2,85 mm/s.
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
FREQUÊNCIAS DE FALHA 
EM MANCAIS DE ROLAMENTOS
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Os rolamentos, geram quatro frequências características de
falhas que são:
� frequência de falha de Pista Externa (outer race);
� frequência de falha de Pista Interna (inner race);
� frequência de falha de Elemento Rolante (rolling 
elements); 
� frequência de falha de Gaiola (cage).
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Obs: Estas frequências são 
facilmente obtidas em 
planilhas ou no sitedo 
fabricante, informando-se 
apenas a marca/modelo do 
rolamento.
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
1º estágio de falha de rolamentos
Zona A Zona B Zona C
1 
x 
rp
m
2 
x 
rp
m
3 
x 
rp
m
5KHz 20KHz
A primeira indicação de falha em um rolamento aparece em
frequências ultra-sônicas (20KHz - 60KHz).
Podem ser detectados usando-se técnicas deSpike Energy,
Demodulação (HFD) eShock Pulse.
m
m
/s
²
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
2º estágio de falha de rolamentos
Zona A Zona B Zona C
1 
x
2 
x
3 
x
5KHz 10KHz
Pequenosdefeitos no rolamento começam a excitar frequências naturais dos
componentes do rolamento, que predominantemente ocorrem na faixa de 1 a
20kHz.
Aparecem bandas laterais à frequência natural no fim deste 2º estágio de
falha.
F
n
1KHz
m
m
/s
²
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Zona A Zona B Zona C
1 
x
2 
x
3 
x
5KHz
frequências de falhas do rolamento e seus harmônicos começam a aparecer.
Quando o desgaste progride, aparecem mais harmônicos das frequências de falha e o nº de
bandas laterais também aumentam.
O desgaste agora é visível e pode se estender na periferia do rolamento, particularmente
quando as bandas laterais são nítidas e acompanhadas de harmônicos das frequências de
falha.
F
n
500Hz
B
P
F
O
B
P
F
I 2 
B
P
F
O
m
m
/s
²
3º estágio de falha de rolamentos
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Zona A Zona B Zona C
1 
x
2 
x
3 
x
10KHz
Próximo do final da vida do rolamento, a componente 1X é também afetada. Ela
cresce e aparecem também harmônicos (2X, 3X etc.)
A piora normalmente causa o aumento do ruído de fundo, e as frequências de
falha do rolamento tendem a “desaparecem”, dando lugar ao umruído de fundo
de alta frequência .
F
n
m
m
/s
²
4º estágio de falha de rolamentos
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Planilha de frequências de falhas
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
1 
x 
rp
m
 d
a 
en
gr
en
ag
em
Radial a engrenagem
2 
x 
rp
m
G
M
F
Um espectro normal mostra 1x e 2x rpm, juntamente com a frequência de
engrenamento (GMF).
GMF normalmente tem bandas laterais na frequência de rotação.
Todos os picos são de baixa amplitude e nenhuma frequência natural das
engrenagens são excitadas.
1 
x 
P
in
hã
o
1 x rpm
Redutor
Pinhão c/ 20 dentes
Coroa c/ 72 dentes
30 Hz
8,33 Hz
GMF = 600 Hz
m
m
/s
²
Frequências de engrenagens
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
2 
x 
rp
m
G
M
F
A indicação chave de desgaste nos dentes é a excitação da frequência natural da
engrenagem juntamente com bandas laterais espaçadas com a frequência de rotação da
engrenagem danificada.
A frequência de engrenamento (GMF) pode ou não mudar em amplitude, porém altas
amplitudes das bandas laterais ao redor da GMF acorrem normalmente quando o desgaste
é visível.
Bandas laterais podem ser um melhor indicador de desgaste doque a própria GMF.
F
re
q.
 N
at
ur
al
 d
a 
en
gr
en
ag
em
1 x rpm
Redutor
Pinhão c/ 20 dentes
Coroa c/ 72 dentes
30 Hz
8,33 Hz
GMF = 600 Hz
1 
x 
rp
m
 d
a 
en
gr
en
ag
em
m
m
/s
²
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
2 
x 
rp
m
G
M
F
A GMF é frequentemente muito sensível àcarga.
Altas amplitudes de GMF não indicam necessariamente problemas,
particularmente se as frequências das bandas laterais ficarem em níveis baixos e
não excitarem as frequências naturais das engrenagens. Cada análise deve ser
executada com o sistema operando em sua máxima carga de trabalho.
1 x rpm
Redutor
Pinhão c/ 20 dentes
Coroa c/ 72 dentes
30 Hz
8,33 Hz
GMF = 600 Hz1 
x 
rp
m
 d
a 
en
gr
en
ag
em
m
m
/s
²
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
2 
x 
rp
m
G
M
F
Altas amplitudes de bandas laterais ao redor da GMF frequentemente sugerem
excentricidade, folgas ou eixos não paralelos. A engrenagem com problemas é
indicada por espaçamento das frequências de bandas laterais. “Backlash”
incorreto normalmente excita a GMF e a frequência natural da engrenagem,
ambas com bandas laterais de 1 x rpm.
1 x rpm
Redutor
Pinhão c/ 20 dentes
Coroa c/ 72 dentes
30 Hz
8,33 Hz
F
re
q.
 N
at
ur
al
 d
a 
en
gr
en
ag
em
GMF = 600 Hz1
 x
 r
pm
 d
a 
en
gr
en
ag
em
m
m
/s
²
Com o desgaste 
devido ao uso, o 
espaço entre os 
dentes, 
conhecido como 
“backlash”, 
pode aumentar.
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
2 
x 
rp
m
2 
x 
G
M
F
O desalinhamento das engrenagensquase sempre excita a segunda ordem ou
altos harmônicos da GMF com bandas laterais da frequência derotação.
frequentemente apresentará somente amplitude 1 x GMF, mas altos níveis a
2x ou 3x GMF.
1 x rpm
Redutor
Pinhão c/ 20 dentes
Coroa c/ 72 dentes
30 Hz
8,33 Hz
1 
x 
G
M
F
GMF = 600 Hz1 
x 
rp
m
 d
a 
en
gr
en
ag
em
m
m
/s
²
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Uma trinca ou quebra do denteirá gerar uma amplitude a 1X rpm da engrenagem
além de excitar a frequência natural da engrenagem com bandas laterais na
frequência de rotação. Isto é melhor detectado na forma de onda no tempo. O
tempo entre impactos “∆” corresponderá a 1/rpm da engrenagem com problema.
Redutor
Pinhão c/ 20 dentes
Coroa c/ 72 dentes
30 Hz
8,33 Hz
GMF = 600 Hz
1x
 e
ng
re
na
ge
m
Forma de onda no tempo
∆ ∆ ∆ ∆ ∆
m
m
/s
²
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
A excentricidadeocorre quando o centro de rotação está deslocado do centro geométrico de
rotores, polias, engrenagens, mancais, etc.
Grandes amplitudes de vibração ocorrem em 1X rpm do componente excêntrico na direção
entre os centros dos dois rotores.
A leitura comparativa das fases nas direções horizontal e vertical podem ser defasadas em
0 ou 180 (ambas indicarão a linha de centro do movimento).
1X rpm do 
rotor
1X rpm do 
motor
e
RADIAL
m
m
/s
²
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
O empeno de eixocausa grandes vibrações na direção axial com diferença de fase
de 180 ao longo do eixo da máquina.
1X rpm dominará o espectro se o empenamento estiver próximo ao centro do eixo
e 2X rpm aparecerá se o empenamento estiver próximo aos acoplamentos
1X rpm do rotor
2X rpm do rotor
AXIALm
m
/s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
1X
Folgas mecânicas por falha de fixaçãogeralmente são ocasionadas por
parafuso de fixação solto, folgas nos chumbadores, trincasno pé, mancal ou em
uma das bases.
É usualmente chamado de pé manco.
Provocam harmônicos da rotação e podem aparecer múltiplos de 0,5X, 1,5X,
3X
RADIAL
BASE METÁLICA
BASE DE CONCRETO
PARAFUSO DE 
FIXAÇÃO SOLTO
0,5X
1,5X
2X
m
m
/s
PARAFUSO DE 
FIXAÇÃO SOLTO
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
FOLGAS MECÂNICAS ENTRE COMPONENTES
1X
São causadas por ajuste impróprio entre componentes. Causarão vários
harmônicos devido a não linearidade entre os componentes com folga e as forças
dinâmicas do eixo.
Sua forma de onda no tempo será truncada.
RADIAL0,5X
1,5X
2X
2,5X
3X 4X 5X 6X 7X 8X
Forma de onda truncada
m
m
/s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Geralmente reflete ajuste impróprio entre anel externo do rolamento
e caixa do mancal ou anel interno e eixo.
A fase é geralmente instável e pode variar bastante de uma medição
para outra.
Em geral causam sub-harmônicos de múltiplos exatos de 1/2X e 1/3X
rpm (0,5; 1,5; 2,5 etc).
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
1X
O roçamento de rotor produz espectro similar ao de folgas
mecânicas onde as partes rotativas entram em contato com as
estacionárias.
O roçamento pode ser parcial ou em toda a revolução.
Normalmente gera uma série de frequências que excitam uma ou
mais ressonâncias.
RADIAL0,5X
1,5X
2X
2,5X
3X 4X
4,5X
5X
R
es
so
nâ
nc
ia
7X
Forma de onda truncada
3,5X
m
m
/s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
1X
Frequência de passagem de pás(ou palhetas) é igual ao n de pás (ou palhetas) vezes a
rotação do eixo.
Está presente em bombas, ventiladores, sopradores e normalmente não representam
problemas, porém grandes amplitudes da BPF e seus harmônicos podem ser gerados se a
folga entre as pás e o corpo dodifusor estacionário não estiverem iguais em seu
contorno.
Também BPF (ou harmônicos) podem coincidir com alguma frequência natural do
sistemaecausargrandesamplitudes de vibração.
2X
BPF
2x BPF
BPF = Blade Pass Freqüente
Frequência de passagem das 
pásm
m
/s
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PROBLEMAS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO
Turbulência ocorre frequentemente em sopradores devido a variação de pressão
ou velocidade do ar passando através do ventilador ou junta de conexão.
A turbulência gera vibração aleatória baixa frequência na faixa de 1 a 30Hz.
1x rpm
BPF
Randônicam
m
/s
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