Como identificar 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.

Falhas em gaiolas de rolamento: programação de manutenção

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 na Figura 01.

Uma vez que se monta o rolamento em seu mancal obtém-se um novo sistema dinâmico. Por isso, devido a alta rigidez, espera-se 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).

Modos de falha em rolamentos

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.

Monitoramento de vibração em rolamentos

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 e identificar 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 à 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 o recebimento da vibração da estrutura no local de monitoramento do sensor. Além disso, é necessário assegurar 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.

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.

Solução Dynamox para rolamentos

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 para identificar falhas.

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 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.

Monitoramento: Forma de onda

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 na Figura 04.

Essas informações também podem ser relevantes por banda de frequência. Assim, para a extração da banda utilizam-se os filtros passa-alta, passa-baixa ou mesmo um filtro passa-banda.

Essa funcionalidade auxilia na identificação de falhas, disponível na plataforma da Solução Dynamox.

Além disso, com um banco de frequências (BPFO, BPFI, BSF e FTF) de quase 70 mil rolamentos das principais marcas e modelos, a Plataforma Dynamox Web (parte da Solução Dynamox) 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 e poder contar com a diversidade de soluções apresentadas pela Dynamox.