Como identificar falhas utilizando a análise espectral

3 de novembro de 2022
Como identificar falhas utilizando a análise espectral

A análise de vibração é uma das técnicas mais difundidas e eficazes na detecção de falhas potenciais em ativos rotativos e faz parte da manutenção preditiva, como pode ser visto na conhecida curva DIPF (figura 1 ), que apresenta as diferentes fases que um ativo percorre, desde seu design até o fim da vida útil.

A curva DIPF é uma generalização da curva PF, a qual considera também a fase projeto e comissionamento do equipamento.

Há diversas opções de tecnologia para coleta de dados de vibração em ativos. Nesse texto abordaremos a coleta de dados por meio de sensores sem fio instalados fixamente em componentes críticos.

Esse tipo de dispositivo de medição geralmente permite a coleta de dados de duas naturezas: dados globais ou contínuos e dados espectrais.

Os dados globais permitem um acompanhamento básico dos níveis de operação de uma máquina, apontando de forma rápida algum desvio no padrão esperado. A seguir, mostra-se um exemplo desse tipo de caso.

Com o uso dos sensores sem fio da Dynamox, o cliente pôde perceber nitidamente a evolução na vibração de um motor, com aumento significativo nos níveis de velocidade RMS no eixo axial do sensor instalado no lado acoplado desse equipamento.

Apesar de importante para uma rápida detecção em desvios e com capacidade bastante visual de mostrar quando algo foge ao normal de operação em um ponto monitorado, esse tipo de gráfico geralmente não é suficiente para apontar qual o modo de falha, ou seja, qual é a causa raiz do problema.

Para chegar a esse nível de detalhe, a coleta e análise de dados espectrais entra em cena. Esse tipo de dado geralmente permite realizar um diagnóstico assertivo sobre o tipo de falha e sua gravidade. Desta forma, as ações corretivas mais apropriadas podem ser planejadas e executadas pela equipe de manutenção.

Como as falhas aparecem na Análise Espectral?

A análise espectral consiste em investigar os sinais no domínio da frequência através da Transformada de Fourier aplicada no sinal coletado originalmente no domínio do tempo (forma de onda).

A própria forma de onda (sinal no tempo) contém informações relevantes para análise da condição de um componente e pode ser utilizada pelos analistas.

A forma de onda é representada por uma soma de senos e cossenos de diferentes frequências e amplitudes e, após processamento, dá origem ao espectro deste sinal.

A presença de frequências dominantes no espectro, ou então a concentração de energia em bandas de frequências, podem ser indicativos da presença de falhas. Cada tipo de falha se manifesta de uma maneira distinta nos gráficos de análise e modifica a assinatura espectral da máquina.

A seguir, vamos mostrar alguns exemplos, a começar com uma falha de desbalanceamento presente em um motor monitorado com o sistema de monitoramento da Dynamox.

Trata-se de um motor que opera próximo a 3600 RPM e apresentou evolução nos níveis de vibração no mês de Agosto de 2021. Ao analisar com mais detalhe a forma de onda e o espectro obtido no sensor instalado no lado acoplado, pôde-se checar a causa raíz.

Essa é a forma de onda original obtida, no tempo, transformada para velocidade. Ao converter para o domínio da frequência, percebe-se a alta dominância da vibração na frequência de rotação do ativo, nesse caso de 3492 RPM, ou 58,20 Hz, como pode ser visto na imagem abaixo.

A dominância e altos níveis de vibração na velocidade de rotação da máquina (em seu primeiro harmônico) é justamente a forma na qual o desbalanceamento geralmente se apresenta. Esse tipo de falha é mais presente nos eixos vertical e horizontal, e menos atuante no eixo axial.

Esse exemplo mostra exatamente esse caso, onde há uma dominância da vibração horizontal (cor azul), seguida da vertical (cor amarela) e praticamente inexistência de vibração no eixo axial (cor rosa).

Além disso, ao analisar o histórico dessa máquina, pode-se perceber a evolução do desbalanceamento ao longo do tempo, através da cascata de espectros em velocidade RMS.

Vamos a outros exemplos:

A figura a seguir mostra o espectro no ponto de monitoramento do mancal de rolamento de um motor elétrico. É possível observar em destaque um pico em aproximadamente 40 Hz, correspondente a 2x a frequência de rotação do eixo.

Nota-se ainda a presença da frequência de 1 x RPM apesar de em menor intensidade que a frequência de 2 x RPM. Essa característica em um espectro indica um desalinhamento paralelo no eixo de acionamento.

Isto resulta em esforços a partir do campo magnético do motor, evidenciado no espectro pela excitação nas frequências de ranhuras do rotor (em 1080 Hz) e do estator (em 1500 Hz), juntamente com bandas laterais na frequência de rotação do eixo.

Outra falha bastante comum é a ocorrência de dentes trincados em redutores. Neste caso, a severidade da falha pode ser determinada com base na presença de harmônicos da frequência de engrenamento, como mostrado na figura abaixo.

Além disso, os dentes com trincas geram modulações na frequência de engrenamento referente a rotação da engrenagem com defeito. Desta forma, outro sintoma será a presença de banda laterais da rotação da engrenagem danificada com muitos harmônicos.

O marcador de Harmônicos permite identificar com precisão a localização destes harmônicos, com frequência fundamental em 343,75 Hz.

A identificação do engrenamento com defeito pode ser feita com base no espaçamento das bandas laterais em torno da frequência de engrenamento.

O marcador de Sideband permite identificar que as bandas laterais estão espaçadas em 5,08 Hz, a qual corresponde à velocidade de rotação do eixo de saída, e portanto, corresponde a uma falha no engrenamento de saída.

O que fazer quando a falha não aparece no espectro?

Em alguns casos, é possível que a falha não esteja tão visível na forma de onda ou espectro, o que exige ferramentas de processamento de sinais mais avançadas.

Por exemplo, as frequências de falha de rolamentos podem estar mascaradas por outros componentes da máquina, dificultando o diagnóstico. Veja, por exemplo, a forma de onda de um mancal de rolamento de um motor na figura a seguir.

O espectro revela a presença de vários picos e harmônicos em diferentes frequências, porém a aplicação do marcador de frequência de falha de rolamento revela baixíssimas amplitudes nestas frequências.

Neste contexto, é possível realizar a demodulação do sinal, por meio da técnica de Envelope, que consiste na obtenção do envelope da forma de onda após a aplicação de um filtro passa-banda. Diferentes frequências de filtro estão disponíveis na Plataforma DynaPredict Web para garantir o melhor diagnóstico de falha.

Como mostrado na figura abaixo, o espectro deste envelope revela a presença de harmônicos na frequência de falha de pista externa do
rolamento, exigindo o monitoramento da evolução deste tipo de falha. Mais informações sobre detecção de defeitos em rolamentos podem ser encontradas neste artigo.

A técnica de envelope está disponível na Plataforma DynaPredict Web, juntamente com um banco de frequências de falhas (BPFO, BPFI, BSF e FTF) de quase 70 mil rolamentos de diferentes marcas e modelos, permitindo adicionar marcadores de frequência no espectro para facilitar a interpretação dos resultados.

Como configurar a coleta de dados de espectrais?

Uma análise espectral bem-sucedida só é possível com uma configuração espectral adequada. Isto impacta não apenas na qualidade do sinal coletado, mas também na capacidade do espectro proporcionar indicativos relevantes para o diagnóstico do ativo.

A faixa dinâmica deve ser selecionada com base nos níveis de amplitude esperados no ativo.

Valores baixos de faixa dinâmica podem resultar em sinais saturados, de tal forma que a evolução da falha não será capturada.

Por outro lado, valores altos de faixa dinâmica em ativos que, mesmo na presença de falhas, não atingem tais níveis de vibração, podem resultar em sinais com baixa resolução, ou seja, pouca capacidade de distinguir diferentes níveis de amplitude, prejudicando assim a qualidade do espectro.

Mais detalhes sobre a configuração ideal de faixa dinâmica do seu Dynalogger (sensores da Dynamox) podem ser encontrados neste artigo.

A frequência de amostragem determina a máxima frequência identificável no espectro: a frequência de Nyquist.

Assim, para ativos que possuem modos de falha que se manifestam em alta frequência, é desejável a maior frequência de amostragem possível.

Em outros casos, os modos de falha mais críticos podem ocorrer em frequências mais baixas, de forma que uma frequência de amostragem inferior ainda é adequada. Isto permite aumentar o tempo de duração da coleta e, consequentemente, aumentar a resolução espectral, ou seja, a capacidade de distinguir frequências distintas no espectro.

A combinação entre frequência de amostragem e tempo de duração da coleta determina o número de linhas no espectro, como visto neste artigo.

Dyna Loggers

Na família de sensores sem fio de vibração e temperatura da Dynamox, há diferentes Dynaloggers preparados para atender as mais específicas demandas e tipos de máquinas. Os Dynaloggers permitem a identificação de falhas. Mais informações técnicas dos Dynaloggers estão disponíveis nos datasheets do produto.

A Dynamox oferece consultoria para a compra do sensor sem fio adequado para a realização de análise espectral e identificação de falhas em equipamentos específicos e disponibiliza suporte ao cliente para a melhor utilização da Plataforma DynaPredict Web e seus recursos.

Entre em contato hoje mesmo e solicite uma cotação.

Os sensores da Dynamox, os Dynaloggers, apresentam a possibilidade de fazer coletas de níveis globais, para o acompanhamento das condições dos equipamentos, e, também, coletas de dados de espectrais, que são enviados à Plataforma DynaPredict Web, com uso de App ou em processo automatizado via Gateway.

As coletas de dados de espectrais são configuráveis para cada Dynalogger. Neste caso, é preciso selecionar quais eixos serão monitorados, a frequência de amostragem, a faixa dinâmica do sinal, e a duração da coleta.

Com os dados disponibilizados na Plataforma, o usuário consegue visualizar as análises espectrais solicitadas de cada ativo monitorado. As coletas realizadas são disponibilizadas juntamente com o monitoramento contínuo de velocidade, aceleração e temperatura na página de cada ativo, como visto na Figura 1.

Desta forma, ao observar alguma tendência de aumento no monitoramento contínuo, o usuário pode acessar rapidamente as análises espectrais correspondentes a este período para realizar o diagnóstico da saúde do ativo, identificar uma possível falha e planejar a manutenção.

Esta análise pode ser feita para qualquer tipo de equipamento, como motores, redutores, rolamentos, bombas, entre outros.


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