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Os principais modos de falha em rolamentos são: • Falhas de vedação – Abrasão causada por entrada de elemento estranho no mancal de rolamento; • Marcas durante instalação (montagem incorreta); • Lubrificação inadequada, excessiva ou insuficiente; • Corrosão; • Descargas elétricas; • Lascamento; Todos os modos acima descritos causam o início da falha do rolamento, sendo que após o surgimento, as cargas cíclicas sobre o rolamento fazem com que o dano se estenda até a falha do mancal de rolamento. Falhas em mancais de rolamento 1) Falha de vedação - Abrasão por entrada de elemento estranho no mancal de rolamento Modos de falhas Exemplo de pista de mancais de rolamento foscas por abrasão resultante de elemento estranho. 2) Marcas durante instalação (indentações ou impactos) Impacto na gaiola 3) Lubrificação inadequada, excessiva ou insuficiente Escorregamento causado por excesso de lubrificante. 4) Corrosão Corrosão na esfera e na pista de rolamento de uma carreira de esferas. 5) Descarga elétrica Exposição contínua a cargas elétricas geram marcas axiais de tonalidade escura em grande parte da pista. 6) Lascamento Marcas de lascamento em esferas vistas em microscópio ótico. Diferentemente dos demais tipos de defeito, os mancais de rolamento não possuem uma frequência característica de defeito única que possa ser calculada através de múltiplos de rotação de eixo. Dado que o mancal de rolamento é composto de vários componentes: pistas, esferas e gaiola e existe movimento relativo entre eles, as frequências de defeito são calculadas em função da geometria de cada mancal de rolamento. Explicando de outra forma: Considere um ponto fixo na pista por onde passarão as esferas, é necessário calcular a frequência com que as esferas passarão por este ponto, pois caso haja um defeito neste ponto cada esfera que passar irá registrar um impacto no sinal. frequências de defeito em mancais de rolamento Os mancais de rolamento possuem frequências características de defeito que podem ser calculadas em função de sua geometria e da frequência de rotação: frequências de defeito em mancais de rolamento Onde: d = Diâmetro da esfera D = Diâmetro primitivo: = Ângulo de contato Z = número de esferas As frequências características de defeitos podem ser calculadas através da seguinte formulação: frequências de defeito em mancais de rolamento Onde: d = Diâmetro da esfera D = Diâmetro primitivo: = Ângulo de contato Z = número de esferas Considere o mancal de rolamento 6205: frequências de defeito em mancais de rolamento Demonstração 6205 - Rolamento fixo de uma carreira de esferas para aplicação com cargas radiais. frequências de defeito para o mancal de rolamento 6205: No cálculo das frequências é assumido que não há escorregamento entre as esferas e as pistas, quando de fato há. Sinais de vibração em mancais de rolamento Conceito Conforme o ângulo de carregamento varia com a posição de cada esfera do rolamento, ocorre uma mudança no carregamento de cada esfera. Como a gaiola obriga a velocidade média das esferas a ser a mesma, as esferas que estão na região mais carregada tentam girar mais lentamente, sendo carregadas pela gaiola, gerando um pequeno escorregamento. Os mancais de rolamento com defeito produzem sinais com padrões típicos dependendo do local onde está localizado o defeito: Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais tipicos Adaptado de Randal, R.B., Antony, J. Rolling element bearing diagnostics - A tutorial. Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 25 (2011) pag. 485-520 O sinal de defeito é modulado conforme a falha passa pelo local do dano: Sinais de vibração em mancais de rolamento Adaptado de Randal, R.B., Antony, J. Rolling element bearing diagnostics - A tutorial. Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 25 (2011) pag. 485-520 Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na pista interna: Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos Cada vez que uma das esferas passa sobre o defeito na pista é gerado um sinal de impacto. A modulação do sinal ocorre por causa da rotação da pista interna (com a falha) em relação ao sensor (geralmente posicionado no mancal de rolamento). Superfície com dano Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na pista externa: Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos Cada vez que uma das esferas passa sobre o defeito na pista é gerado um sinal de impacto. Não ocorre modulação de amplitude, pois a falha na pista externa não se move em relação ao sensor (posicionado no mancal de rolamento) Superfície com dano Desta forma, explicando o padrão do sinal de defeito na esfera: Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos Cada impulso é resultado do contato entre a esfera defeituosa e uma das pistas. A modulação do sinal ocorre por causa do movimento radial da esfera com o giro do rolamento, conforme sua posição em relação ao sensor. Esfera com dano Exemplificando o padrão dos sinais coletados em rolamentos com vários tipos de defeito: Sinais de vibração em mancais de rolamento Sinais típicos Uma vez iniciado um defeito em um mancal de rolamento este progride em função do carregamento cíclico a que o elemento está submetido. As frequências de defeito irão começar a surgir no espectro do sinal coletado e aumentar sua intensidade até o final da vida útil do mancal de rolamento. A evolução da falha pode ser dividida em quatro etapas de acordo com a progressão do dano. A seguir será apresentada a sequência de evolução de uma falha do ponto de vista da análise espectral. Evolução da falha em mancais de rolamento 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral Hz 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral Hz 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral Hz 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral Hz 1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio 4º Estágio Evolução da falha em mancais de rolamento Avaliação da evolução da falha do ponto de vista da análise espectral Hz A técnica do envelope por demodulação busca a região dos picos ressonantes em alta frequência (500 Hz – 20 kHz) para através da demodulação das frequências de ressonância buscar pelas frequências de defeito moduladas no sinal (região 2); Sinais de vibração em mancais de rolamento Conceito Utilizando a bancada experimental serão efetuadas coletas de dados demonstrando como se identificam os sinais de defeito em mancais de rolamento: Sinais de vibração em mancais de rolamento Experimento Montagem de um rolamento 6205 com defeito na pista interna: frequências a 25 Hz (1500 rpm): Numero de Esferas 9 Diâmetro da Esfera 7,96mm Diâmetro da Pista Interna 31,04 mm Diâmetro da Pista Externa 46,72 mm Sinais coletados na bancada experimental com o eixo a 25 Hz: 25 50 85 97 177 113 122 267 Espectro do sinal medido Observe que no espectro do sinal não surge a frequência de defeito de 135 Hz, esperada para este rolamento. Isto ocorre pois a energia dos impactos é muito pequena, não permitindo que se destaque no espectro de frequências. 25 50 85 97 177 113 122 267 Aplicação da técnica do envelope : 1ª Etapa – Selecionar a frequência ressonante (frequência portadora): 2850 Hz Calculando a abertura em 3,5 vezes a frequência dedefeito, temos os seguintes parâmetros para corte: Abertura: 3,5*135,5 = 474,25 Hz frequência inicial: 2375,25 Hz frequência final: 3324,25 Hz Região de corte ao redor da ressonância Técnica do Envelope : 2ª Etapa – Extrair do sinal a região de interesse e retificar o sinal 2850 Hz Aplicar o retificador meia-onda ao sinal selecionado: Técnica do envelope : 3ª Etapa – Aplicar o filtro ao sinal retificado Aplicar o retificador meia-onda ao sinal selecionado: Técnica do Envelope : 4ª Etapa – Extrair as frequências e comparar com os valores calculados: Valor identificado: 135,5 Hz Caracterizado defeito na pista interna do mancal de rolamento. As frequências 25, 50, 99 correspondem a múltiplos da rotação do eixo, podendo indicar um desalinhamento. 25 50 135 99 160 270
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