Aplicação das Técnicas ODS

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SKF RELIABILITY SYSTEMS 
 
 
 
 
 
Aplicação das técnicas ODS “Operating Deflection Shape” e Simulação 
Numérica para diagnóstico de problemas em equipamentos industriais 
 
 
 
 
 
 
 
Autor: Silas Santana dos Santos 
 
 
 
Trabalho apresentado no XIII° 
Seminário de Preditiva 
 
 
 
23 e 24 de maio de 2007 
SINOPSE 
 
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Nosso trabalho mostrará casos, desenvolvidos no grupo SKF, de estudos de sistemas 
dinâmicos através das técnicas de ODS e Simulação Numérica. Estas técnicas têm 
contribuido muito para facilitar o diagnóstico de problemas em equipamentos industriais, 
dinâmicos ou estáticos. O tema será abordado de uma forma teorica em um primeiro 
momento e depois passaremos para a demostração de três casos onde estas técnicas foram 
bem sucedidas. 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
A indústria vem desenvolvendo métodos e técnicas para aumentar a produtividade e baixar 
os custos com a manutenção. A acertividade nas paradas para manutenção dos 
equipamentos industriais evita perdas com paradas inesperadas e paradas feitas por 
intervenções incorretas. 
As técnicas de ODS “Operating Deflection Shape” e Simulação Numérica vem para 
facilitar e tornar o diagnóstico de problemas em equipamentos mais acertivo e diminuir o 
custo com as paradas dos equipamentos e a manutenção dos mesmos. 
A SKF possui cerca de 30 anos de experiência em serviços especializados de engenharia na 
área de estudos de sistemas dinâmicos, de equipamentos industriais, e, atualmente tem 
atuação destacada no Brasil em diversos segmentos industriais. 
 
2. ESTUDO POR ODS “Operating Deflection Shape” DE SISTEMAS MECÂNICOS 
 
Deflexões excessivas contribui para degradação de equipamentos industriais, diminuindo a 
peformance e reduzindo a vida útil dos equipamentos. As análises por Operating Deflection 
Shape (ODS) dão uma estimativa imediata de quanto o equipamento está se deformando, 
dos pontos de maior deformação e das áreas onde os modos de deflexões (Corpo flexível ou 
rigido) estão presentes. 
Devido as características visuais, a análise por ODS mostra os movimentos dos 
equipamentos e associa os problemas estruturais em função das frequências. 
O ODS é medido com o equipamento em condição normal de operação. Esta análise mede 
a resposta dinâmica de um determinado equipamento em uma frequência específica. As 
medições de fase e amplitude são coletadas em vários pontos da estrutura e do 
equipamento, depois os sinais coletados são interpolados por uma função matemática. 
Os modos de deformação das estruturas são extraídos através da medição dos sinais de 
vibrações mecânicas, estes sinais são tratados e assim extraídas as informações de FFT – 
Fast Fourier Transform e FRF – Frequency Response Function. A FFT é um codigo 
numérico que calcula o DFT (Digital Fourier Tranform) de uma amostragem do sinal no 
tempo. A FRF é uma função medida no domínio da frequência que determina a propriedade 
dinâmica das máquinas ou estruturas e pode ser conhecida como função de coerência. 
 
2.1. Etapas do estudo por ODS 
 
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O estudo por ODS é feito em 9 etapas, na primeira é feita a determinação da geometria do 
equipamento ou estrutura que será estudada, depois é desenhada a estrutura seguindo às 
especificações, em seguida definimos os pontos de medições e suas posições, na quarta 
etapa criamos a rota de medição, logo depois é definidos os DOF – graus de liberdades do 
sistema. Na quinta etapa é carregada a rota em um coletor de dados e tomadas as medições 
no equipamento em condição de operação, nas três últimas etapas é feito todo o pós-
processamento. Os dados extraídos são nas formas de FFT e FRF. 
 
 
Figura 1: ETAPAS DO ESTUDO POR ODS 
 
2.2. Dados Gerais dos estudos por ODS 
 
• É feita uma malha com um certo número de pontos (para medições) na estrutura do 
equipamento, cada ponto contendo três graus de liberdade nas direções x, y e z. 
 
 
• São realizadas no total: Um número X (número de pontos X 3 graus de liberdade) 
de medições de FFT(1) & X (número de pontos X 3 graus de liberdade) medições de 
FRF(2). Total de medições X + X = 2X, num tempo de 4 horas para medição de 
cada modelo. 
 
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• O conjunto completo do equipamento possui um valor Y de pontos, estes são 
interpolados em relação aos X pontos medidos por uma função do quarto grau do 
tipo (aX4+ bX3+c X2 ...). 
O modelo matemático de ODS é equivalente a um modelo matemático de Elementos 
Finitos. O número de pontos a serem medidos é equivalente ao número de elementos da 
malha de um modelo matemático por elementos finitos. A função de interpolação que 
utilizamos para interpolar os pontos é definida de acordo com o grau de precisão que 
esperamos para o resultado do estudo. Como em um estudo por elementos finitos, um 
grande número de pontos e um grau muito elevado para a função de interpolação requer um 
tempo de processamento muito grande. Por isso é fortemente recomendado fazermos um 
balanceamento entre o número de pontos medidos e o grau da função de interpolação. 
 
 
2.3. Tipos de problemas identificados pelo ODS 
O ODS é uma ferramenta muito potente para a identificação de problemas e como auxílio 
no diagnóstico de falhas em equipamentos rotativos. A sua grande vantagem é que os 
problemas existentes são mostratos de uma forma visual e clara. Utilizando as medições de 
FFT e FRF podemos animar um modelo matemático da estrutura e identificar as seguintes 
ocorrências: 
 
 Movimentos globais das máquinas; 
 Movimento relativo entre as partes do sistema; 
 Movimento relativo entre fixações; 
 Movimento relativo na base; 
 Modo de flexão; 
 Modo de torção. 
 
2.4 Objetivos do estudo por ODS 
O objetivo principal em um estudo por ODS é verificar as frequências principais de 
vibração mecânica dos equipamentos, obter as deflexões de operação através da técnica de 
ODS, utilizando o software SKF ME’scopeVES para visualização do comportamento 
dinâmico do sistema. A base matemática para este estudo são as séries de Fourier e sua 
transformadas, bem como a determinação de uma função que descreve o fenômeno físico 
de propragação de energia em uma dada estrutura. 
 
 
3. SIMULAÇÃO NUMÉRICA - FEA 
 
A simulação numérica pode ser considerada como o elo entre o diagnóstico feito pela 
técnica do ODS e a solução do problema em estudo. Em uma análise por elementos finitos 
construímos um modelo matemático que descreve o modelo real do equipamento, neste 
modelo podemos análisar modificações e verificar as configurações que melhor resolverá 
(1) Fast Fourier Transform 
(2) Frequency Response Function. 
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os problemas identificados no estudo por ODS. Com a ampliação e melhorias dos 
computadores a técnica de Elementos Finitos tem sido empregada com o objetivo de 
facilitar a solução de problemas complexos e que normalmente com a aplicação de técnicas 
convencionais levaria muito mais tempo para chegarmos em uma solução para o problema 
estudado. 
 
 
ODS Simulação Numérica Solução 
 
A grande dificuldade atualmente é tranformar a simulação numérica em uma ferramenta de 
engenharia, ou seja, com um tempo de resposta habil para a proposta de solução de 
problemas. 
 
3.1. O Estudo por Simulação Numérica 
 
Com a utilização da simulação numérica podemos fazer análises do tipo modal, transiente, 
harmônica, estrutural e dinâmica. Através da simulação podemos propor modificações nas 
estruturas ou sistemas dinâmicos, do tipo: 
 
 Estrutural – mudança na massa ou rigidez; 
 Verificação da capacidade de carga das estruturas; 
 Estudo de eixos,engrenamento e rolamentos, para sistemas dinâmicos; 
 Modificação de base e/ou sistemas de fixação dos sistemas mecânicos; 
 Estudar e determinar as cargas que estão atuando nas estruturas; 
 Simulação dos resultados propostos. 
 
 
4. Estudo de Casos 
 
Neste item falaremos de três casos onde aplicamos as técnicas de ODS e Simulação 
Numérica. O primeiro caso é o estudo de um moinho onde diagnosticamos problemas nos 
mancais de suporte do pinhão de acionamento, o segundo caso é um estudo de uma 
cabeadora que apresentava sérios problemas estruturais, e, no terceiro e último caso 
falaremos de um estudo de um motor, redutor e uma rosca de expansão. 
 
4.1. Estudo do Moinho de Bola 
O equipamento em estudo apresentava problemas no mancal de suporte do pinhão de 
acionamento. Com a utilização da técnica de ODS podemos verificar e constatar o 
comportamento irregular do mancal lado livre do pinhão de acionamento. 
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Figura 2: MOINHO EM ESTUDO. 
A figura 3, abaixo, é a representação do modelo matemático desenvolvido para o estudo por 
ODS do Moinho em questão. 
 
 
Figura 3: MODELO MATEMÁTICO DO MOINHO EM ESTUDO. 
A figura abaixo mostram a deformação no mancal que gerava os problemas de vibração 
encontardos neste equipamento. Foi identificado pelo estudo problemas de desalinhamento 
dinâmico ocasionado por falta de rigidez do mancal. 
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Figure 4: A FIGURAS MOSTRAM AS DEFORMAÇÕES DEVIDO A BAIXA RIGIDEZ DO 
MANCAL. 
O espectro na figura 5, abaixo, mostra a frequência na qual ocorre este fenômeno de 
deformação do mancal. 
 
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Figure 5: O FENÔMENO DE DEFORMAÇÃO DO MANCAL OCORRE A UMA FREQUÊNCIA DE 
300 HZ. 
 
Depois de feita a análise por ODS, fizemos um estudo por Simulação Numérica onde 
identificamos todas as frequêncais críticas do sistema. Nesta simulação verificamos a 
melhor configuração de mancais para solucionar o problema neste equipamento. 
 
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Figure 6: MODELO MATEMÁTICO PARA SIMULAÇÃO NUMÉRICA. 
 
4.2. Estudo da Cabeadora 
O equipamento em estudo apresentava quebra da flange de ligação entre o redutor e o eixo 
principal da cabeadora. O estudo revelou graves problemas na base do redutor e problemas 
de cargas cíclicas no sistema. 
 
Figura 7: FOTOS DA CABEADORA EM ESTUDO. 
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A figura abaixo nos mostra o modelo matemático da cabeadora em questão. 
 
 
Figure 8: MODELO MATEMÁTICO DA CABEADORA EM ESTUDO. 
Na figura abaixo vemos os modos de deformação da base do redutor. O estudo identificou 
os pontos críticos da estrutura, baseado neste estudo foram feitas modificações na rigidez 
da base. 
 
 
Figure 9: MODOS DE DEFORMAÇÃO DA ESTRUTURA. 
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O espectro mostrado na figura 10, abaixo, mostra que havia várias frequências sendo 
excitadas durante a operação deste equipamento. 
 
Figure 10: VÁRIAS FREQUÊNCIAS SÃO EXCITADAS DEVIDO A FALTA DE RIGIDEZ DA BASE. 
4.3. Estudo do Expander 
Este equipamento apresentava sérios problemas estruturais. Durante a operação do mesmo 
modos naturais eram excitados, gerando níveis elevados de vibração e causando 
desalinhamento do motoredutor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 11: FOTO DO EXPANDER EM ESTUDO. 
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As figuras abaixo mostram os modos de deformar da estrutura metálica de sustentação 
deste equipamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 12: MODELO MATEMÁTICO DEFORMADO NA FREQUÊNCIA DE RESSONÂNCIA DA 
ESTRUTURA. 
Foi proposto a utilização de uma base única para o expander e a utilização de um sistema 
de amortecimento para tirar o sistema da região de ressonância. 
 
Figura 13: MODELO EM ELEMENTOS FINITOS. 
Após estudo por elementos finitos foi feita a modificação na estrutura e os níveis de 
vibração caíram da ordem de 37 mm/s para 6 mm/s, valor este que é considerado aceitável 
pelas normas ISO para este tipo de aplicação. 
 
 
 
 
 
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Figure 14: BASE MODIFICADA SEGUINDO SUGESTÃO DO ESTUDO POR ELEMENTOS 
FINITOS. 
A figura abaixo mostra os níveis de deformação depois de feita as modificações estruturais 
propostas pelo estudo de elementos finitos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 15: MODELO COM BAIXO NÍVEL DE DEFORMAÇÃO DEPOIS DE FEITA AS 
MODIFICAÇÕES. 
 
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5. Biografia do Autor 
 
Silas Santana dos Santos é Engenheiro Mecânico formado pela Universidade Federal de 
Pernambuco com Mestrado em Simulação Numérica de sistemas dinâmicos pela Université 
de Technologie de Compiègne - France e SKF - France. Atualmente no Brasil é 
responsável na SKF pelo desenvolvimento da área de Simulação Numérica. 
 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
1. Vibrant Technology, ME’scopeVES 4.0 – Operating Manual 
 
2. Alves, Avelino - Elementos Finitos 
 
3. Santos, Santana Silas - Relatório Final Marine.