Autocorrelação: identificando sinais de vibração de máquinas

Sinais de vibração: a autocorrelação é uma ferramenta de identificação de defeitos em máquinas, que, a partir da análise do domínio do tempo, correlaciona formas de onda consigo mesmas para calcular um fator de correlação a cada instante de tempo.

A caracterização de períodos é a base da técnica de análise de vibrações na manutenção preditiva.

Quando máquinas rotativas apontam indícios de falhas, grande parte dos defeitos apresentam características periódicas, como: 

• cada passagem de um elemento rolante sobre uma trinca na pista externa de um rolamento;
• cada engrenamento de um dente defeituoso num conjunto coroa-pinhão de um redutor;
• cada revolução de uma massa desbalanceadora presente no rotor;
• a passagem de cada pá de um ventilador com trincas por um ponto de referência fixo. 

Com as informações geométricas, construtivas e operacionais dos componentes, é possível determinar o período e, portanto, a frequência com a qual estes eventos ocorrem.

A partir da determinação de período e frequência, usa-se a autocorrelação da forma de onda, uma vez que ela se altera quando surge um defeito em uma máquina rotativa.

Quando notada esta alteração, passa-se para um nível de análise mais detalhado para confirmar a existência de um defeito e definir os modos de falha e as recomendações de ação.

O resultado do uso da ferramenta é uma forma de onda autocorrelacionada que indica a presença de eventos periódicos no sinal de vibração, pois o valor máximo do fator de autocorrelação tende a 1 para um sinal periódico e a autocorrelação é periódica.

Por outro lado, se o sinal é aleatório, o valor máximo do fator de autocorrelação tende a 0 e a autocorrelação é aleatória.

Análise de anomalia na forma de onda e autocorrelação: sinais de vibração

Nas figuras abaixo, apresentam-se estágios progressivos da evolução de um defeito na pista externa de um rolamento, localizado em um mancal de um tambor de descarga de uma empilhadeira-retomadora de roda de caçambas, operando a 60 rpm e observam-se os efeitos na forma de onda de aceleração e em sua autocorrelação.

Gráfico de autocorrelação: sinais de vibração

13 de julho

Com o rolamento sem defeito, o RMS da forma de onda no eixo axial é de 0.0276g e o da autocorrelação é de 0,0510g.

Os eventos periódicos do rolamento não possuem energia relevante no sinal de vibração e a autocorrelação é predominantemente aleatória.

31 de julho

Quando o defeito está em sua fase incipiente, nenhuma alteração fica evidente na forma de onda.

O aumento no RMS da forma de onda é de 6,5% na direção axial. Além disso, há a alteração do sinal de autocorrelação: ele se torna periódico, seu RMS aumenta 91% na direção axial e o pico positivo do fator de correlação ultrapassa 0,25 em diversos momentos.

29 de agosto

Neste estágio, nota-se o defeito na forma de onda. Ela também começa a exibir uma característica periódica e uma evolução relevante de RMS – 411% em relação ao estágio anterior na direção axial.

Apesar de esta ser uma característica de defeito mais evidente e assertiva, ela apenas foi notada na forma de onda cerca de 1 mês depois das alterações identificadas na autocorrelação.

Esta, por sua vez, se torna predominantemente periódica e seu pico positivo ultrapassa o valor de 0,85 em todos os ciclos.

Como se vê, a autocorrelação é uma ótima ferramenta de monitoramento de condição de ativos industriais, pois ela é capaz de alertar o analista de vibração sobre a existência de uma condição anômala com bastante antecedência.

Quando somada a outras ferramentas de análise de vibração, como a forma de onda circular, o potencial da autocorrelação fica ainda mais evidente.

Na figura abaixo, mostra-se como a forma de onda circular de autocorrelação, do caso exemplificado acima, evolui do dia 13 de julho, sem defeito, para o dia 29 de agosto, com defeito de alta severidade.

Forma da onda circular: ausência de oscilações

13 de julho

A forma de onda circular da autocorrelação não apresenta oscilações.

29 de julho

A forma de onda circular da autocorrelação exibe 4 oscilações a cada volta de 0,0686s.

Esta duração de volta equivale a 14,5Hz, que corresponde à frequência de defeito na pista externa do rolamento. As 4 oscilações ocorrem a um período de 0,97s, que equivale a 58Hz, que é o 4º harmônico da frequência de defeito na pista externa do rolamento.

Para possibilitar análises como estas realizadas até aqui, agora a Dynamox disponibiliza a autocorrelação da forma de onda na Plataforma Dynamox Web, no navegador do cliente, usando dados armazenados em nuvem e totalmente online.

Ela permite a análise de sinais de aceleração, velocidade e deslocamento, brutos ou filtrados digitalmente, o uso de cursores de períodos e a manipulação do gráfico com diferentes ferramentas, facilitando a identificação de eventos periódicos e a determinação da frequência destes eventos.

Além disso, é possível visualizar e manipular a forma de onda circular da autocorrelação, como descrito neste artigo.

Acesso a autocorrelação: sinais de vibração

A autocorrelação está disponível nas páginas de Spectral e Comparação Espectral. Pode ser habilitada ou desabilitada clicando-se no Toggle localizado no canto superior direito destas páginas.

Já a forma de onda circular da autocorrelação pode ser habilitada ou desabilitada com o Toggle localizado no canto superior esquerdo do gráfico de autocorrelação.

Ferramentas de Processamento de Sinais

Como a autocorrelação depende totalmente da forma de onda, quando se aplica um determinado processamento ao sinal, ele se reflete na autocorrelação. Portanto, se aplicarmos um filtro passa-baixa com corte de 300 Hz no sinal, a autocorrelação será resultante do sinal.

Da mesma forma, se ocorre uma transformação para velocidade ou deslocamento, ela se reflete sobre a autocorrelação.

Ferramentas de Análise

Todas as ferramentas disponíveis para auxiliar na análise da forma de onda também estão disponíveis para análise da autocorrelação no canto superior direito do gráfico. Portanto, é possível aplicar diferentes comandos. Isto é, desde tipos de zoom, arrastar, definir limites dos eixos, aplicar cursor de período, adicionar anotações, exibir até esconder as estatísticas e a grade de referência.

Continue navegando! Para isso, leia mais sobre as ferramentas de formas de onda circular e espectro em cascata. Bem como sobre gráficos interativos e personalizados que auxiliam na análise de falhas em ativos industriais, via Plataforma Dynamox Web.