Como identificar possíveis falhas em gaiolas de rolamento?

Como identificar possíveis falhas em gaiolas de rolamento?

Como identificar possíveis falhas em gaiolas de rolamento? Para responder essa pergunta é necessário analisarmos o contexto do problema de desgaste natural de rolamentos.

Nas indústrias de diferentes setores produtivos, máquinas rotativas utilizam mancais para suportar a carga e manter as folgas entre os elementos estacionários e rotativos. Neste universo de maquinário mais de 90% possuem rolamentos. Infelizmente, os rolamentos de corpos rolantes são propensos a uma infinidade de falhas prematuras.

É observado na literatura técnica que apenas 10% dos rolamentos atingem o limite da vida útil de projeto (L10), isto é, a vida útil esperada de 90% dos rolamentos de um determinado tipo em condições operacionais semelhantes. Em geral, as falhas iniciais são atribuídas a lubrificação, desalinhamento, sobrecarga, erros de projeto e aplicação e, até mesmo, problemas preexistentes que não foram detectados durante a fabricação.

Um programa abrangente de manutenção baseada em análise de condição, que incorpora a manutenção preditiva, deve estar preparada para detectar o início do desgaste e a deterioração dos rolamentos ao longo de seu ciclo de vida. Um programa de manutenção maduro fornece não apenas indicações de desgaste nos rolamentos, mas também uma avaliação da gravidade do fato e recomendações para as ações corretivas de manutenção consequente.

As falhas em gaiolas de rolamento mais comuns são geralmente relacionadas a seus elementos principais como pista interna, pista externa, gaiola e elemento rolante. Esses elementos do rolamento são ilustrados na Figura 01. Uma vez que o rolamento é montado em seu mancal, um novo sistema dinâmico é obtido, e devido a alta rigidez, é esperado que esse sistema sempre tenha componentes de ressonância em alta frequência (> 2 kHz). Na ressonância do mancal, é possível então evidenciar a frequência de defeito do rolamento: frequência de passagem de pista interna (BPFI) e pista externa (BPFO), frequência de giro do elemento rolante (BSF) e frequência de gaiola (FTF).

Elementos de um rolamento

Figura 01: Elementos do rolamento.

Um dos modos de falhas existentes em um rolamento é a quebra e ou desgaste da gaiola. Apesar de menos comum, esses modos de falha têm alta gravidade, porque, quando ocorrem ocasionam parada imediata do rolamento por comprometer a realização de sua função.

A forma de capturar esse modo de falha por análise de vibração exige algumas observações e cuidados importantes. Para começar é necessário compreender como se processa o fenômeno da falha na gaiola do rolamento. A falha ocorre por motivos, tais como:

  • Desgaste da gaiola onde ficam montados os elementos rolantes;
  • Por desprendimento de algum pino da gaiola;
  • Por atrito da gaiola nas outras partes do rolamento, ou até mesmo pela ruptura direta da gaiola.

Logo após ocorrer alguns desses modos de falha, o colapso do rolamento não demora acontecer. Com isso, o momento para capturar a falha torna-se curto.

O modo de falha da gaiola, com essa particularidade, torna-se mais desafiador para o sistema de monitoramento de vibração, assim como para qualquer experiente analista de vibração. Isto porque a falha pode se manifestar na frequência natural do rolamento (caso tiver impactos). Uma outra forma de capturar essa falha é fazer a demodulação por meio da técnica de Envelope utilizando um filtro na região de alta frequência, aproveitando a frequência natural do rolamento para amplificar as frequências periódicas.

Devido a frequência da gaiola ser baixa, ou seja, aproximadamente entre 1/4 e 2/5 da sua rotação, deve-se ter um cuidado especial na parametrização da coleta de dados, onde sempre se considera que a duração da coleta tenha pelo menos um período de duas a quatro voltas da gaiola sobre seu eixo.

Outro aspecto importante acontece durante a medição, quando se deve sempre garantir que a vibração transmitida pela estrutura seja bem recebida no local de monitoramento do sensor, ao mesmo tempo que haja a fixação rígida e adequada do sensor no ponto de monitoramento. Por esse motivo, o sensor de vibração deve estar o mais próximo possível da zona de carga do rolamento sob investigação. A direção de medição do sensor deve ser aproximadamente perpendicular em relação à zona de carga, conforme indicado na Figura 02.

Transmissão de vibração de falha em um rolamento

Figura 02: Transmissão de vibração transmitido pela estrutura desde sua origem (defeito de gaiola) à posição de medição.

É importante ressaltar que não é aconselhável monitorar defeito da gaiola no espectro de aceleração/velocidade em baixa frequência, porque o defeito não tem energia/potência em amplitude para ultrapassar os valores das frequências convencionais, como a rotação do eixo e as vibrações da própria máquina, que se manifestam em baixa frequência.

Considerando os pontos apresentados acima sobre o monitoramento e detecção do defeito em gaiola de rolamento, a tecnologia da Dynamox mostra ser capaz de evidencia-los com confiabilidade. O sensor Dynalogger HF (High Frequency) permite monitorar em alta frequência até 6,4 kHz, região próxima onde ocorre a resposta do rolamento em sua frequência natural, assim, se houver qualquer impacto da gaiola nas outras partes do rolamento essa será visível no espectro.

Um outro ponto importante a considerar é a possibilidade de usar o envelope em mais de 5 filtros de frequência. Importante também é que, utilizando o número de linhas e frequência máxima, conseguimos ter o período desejado para parametrizar o número de ciclos necessários para uma coleta confiável. Um exemplo de espectro do envelope de um rolamento é mostrado na Figura 03. Além disso, essa tecnologia possibilita fazer coletas de 1 a 60 minutos, o que favorece e aumenta a probabilidade de identificar a falha, já que teremos informações mais rápidas devido a frequência das amostras com tendências, ajudando muito na identificação da falha.

Gráfico com exemplo de espectro do envelope de aceleração

Figura 03 – Exemplo de espectro do envelope de aceleração aplicado na faixa de 0.5 a 5 kHz para a detecção do defeito na pista externa de um rolamento.

Uma outra ferramenta importante nesse cenário é a forma de onda que permite visualizar os impactos e modulações, bem como, as informações estatísticas do sinal coletado tais como: RMS, fator de crista (FC) e curtose (KURT). Exemplos de forma de onda com defeito no rolamento e sem defeito são mostrados na Figura 04. Essas informações também podem ser relevantes por banda de frequência, a qual pode ser facilmente extraída utilizando os filtros passa-alta, passa-baixa ou mesmo um filtro passa-banda.

Essa funcionalidade também é disponibilizada na plataforma da Solução DynaPredict.

Figura 04 – Exemplo de uso de curtose e fator de crista de sinais de aceleração com e sem defeito no rolamento.

Além disso, com um banco de frequências (BPFO, BPFI, BSF e FTF) de quase 70 mil rolamentos das principais marcas e modelos, a Plataforma DynaPredict (parte da Solução DynaPredict) está pronta para adicionar marcações automáticas e manuais (Ver Figura 04) no espectro para facilitar a interpretação dos dados e agilizar a coleta de informações.

Portanto, os obstáculos para diagnósticos assertivos desse tipo de detecção, são comuns a todas as plataformas de vibração, assim, o diferencial é cumprir os critérios listados e poder contar com a diversidade de soluções apresentadas pela Dynamox.