Analisador de vibrações 10 – análise do envelope

Analisador de vibrações 10 – análise do envelope

O tema específico tratado em analisador de vibrações 10, consiste na Análise do Envelope num analisador de vibrações. Quando se efetua análise de vibrações, para se tirar partido de todo o potencial de um analisador de vibrações,  é necessário compreender o seu modo de funcionamento. Por isso, aqui são apresentados os conceitos de análise digital de sinal, implementados atualmente num analisador de vibrações FFT, do ponto de vista do utilizador no âmbito de um programa de manutenção preditiva. Começa-se por apresentar as propriedades do Fast Fourier Transform (FFT) em que os Analisadores de Vibrações são baseados. Em seguida, mostra-se como essas propriedades FFT podem causar algumas características indesejáveis na análise do espectro, como aliasing e fugas (leakage). Tendo apresentado uma dificuldade potencial com o FFT, mostra-se quais soluções são usadas para tornar os analisadores de vibrações em ferramentas práticas. O desenvolvimento desse conhecimento básico das características do FFT torna simples obter bons resultados com um analisador de vibrações numa ampla gama de problemas de medição. Aqui pode-se ver a gama de analisadores de vibrações disponibilizados pela D4VIB.

• Introdução

1. Qual é a relação entre tempo e frequência
2. Como funciona a amostragem e digitalização 
3. O que é o Aliasing e que efeitos tem
4. Em se usa e em que consiste o zoom
5. Como se usam as janelas na forma de onda 
6. Para que servem as médias 
7. O que é a largura de banda em tempo real 
8. Para que serve o processamento em sobreposição (“overlap”)
9. Em que consiste o seguimento de ordens
10. O que é a análise do envelope
11. As funções de dois canais no domínio da frequência
12. O que é para que serve a Órbita
13. Quais são as funções de um canal no domínio do tempo
14. Em que consiste o Cepstro
15. Quais são as unidades e escalas do espetro

10 –Analisador de vibrações e envelope

A análise do envelope é, atualmente, a ferramenta por excelência, para deteção de impactos como sejam por exemplo os gerados nas avarias em rolamentos com um analisador de vibrações. Tornou-se também essencial para diagnosticar todos os problemas mecânicos que podem gerar impactos, como sejam engrenagens em mau estado, folgas, desapertos, etc. Originalmente, quando foi desenvolvida não tinha a capacidade de medir, com precisão, o nível da aceleração gerada pelos impactos mecânicos, mas, desde os anos noventa, com o desenvolvimento da tecnologia de deteção de picos de impacto, essa limitação foi ultrapassada. A análise de vibrações com envelope tem tido diversas designações técnicas e comercias, nomeadamente: • PeakVue (Emerson/CSI); • Espectro de Spike Energy (IRD/ENTEK/Rockwell Automation); • Desmodulação; • Envelope; • Etc. No entanto apesar das diversas designações e forma de implementação, continuam todas a constituir versões de análise do envelope.

10.1 O espetro de frequência das formas de onda geradas por impactos

Neste artigo tem sido referida muitas vezes a representação no espetro de frequência de uma vibração sinusoidal. Quando se trata das vibrações geradas por impactos, de muito curta duração, a vibração não é do tipo sinusoidal e levantam-se novos desafios. Na figura a seguir apresentada podem-se ver diversos tipos de forma de onda e respetivos espetros de frequência como medido por um analisador de vibrações. Analisador de vibrações 10 – Figura 10.1 – Formas de onda e respetivo espetro O espetro de frequência de um impulso, semelhante ao gerado por um impacto, é uma linha plana, de baixa amplitude que se espalha por todas as frequências.

10.2 Os desafios técnicos na medição das vibrações geradas por impactos com um analisador de vibrações

Existem dois desafios técnicos na medição das vibrações geradas por impactos com um analisador de vibrações: • Separar as vibrações geradas por impactos de muito baixo nível das outras vibrações geradas numa máquina; • Quantificar, com precisão, o nível das vibrações geradas por impactos.

10.2.1 A separação as vibrações geradas por impactos de muito baixo nível das outras vibrações geradas numa máquina;

Quando se trata da medição de vibrações numa máquina é frequente estarmos interessados na deteção de impactos de muito baixo nível na presença de outras vibrações de amplitude elevada existente numa máquina. É esta a situação que se enfrenta quando se tenta detetar os primeiros sintomas de avarias num rolamento. Caso se consiga separar as vibrações dos impactos das outras vibrações existentes na máquina será muito mais simples seguir o seu crescimento, como se pode ver na figura. Analisador de vibrações 10 – Figura 10.2 – A necessidade de separar as vibrações dos impactos das outras vibrações nas máquinas Na figura a seguir apresentada vê-se no espetro de frequência as vibrações geradas pelos pequenos impactos da primeira fase de avarias em rolamentos. Analisador de vibrações 10 – Figura 10.3 – Esquema de espetro de frequência típico de uma máquina com rolamentos em início de degradação Como as vibrações dos rolamentos em degradação, nas suas fases iniciais, surgem sobretudo em aceleração, nas altas frequências, consegue-se fazer a separação/realce das vibrações dos impactos, através da utilização de um filtro passa alto das vibrações medidas. Desta forma consegue-se efetuar a separação das vibrações dos impactos rolamentos das outras vibrações da máquina. Analisador de vibrações 10 – Figura 10.4 Eliminação de vibração a baixas frequências – introdução de filtro passa alto Esta filtragem é a primeira operação da análise de vibrações com envelope.

10.2.2 A quantificação, com precisão, do nível das vibrações geradas por impactos

Atrás (em 3), já foi referido o fenómeno do “aliasing” e da taxa de amostragem necessária para medir o nível, com precisão, do nível de uma sinusoide no espetro de frequência. Imagine-se agora que para se ver as frequências características de um rolamento se pretende ver um espetro até 1 KHz. Como se viu atrás a taxa de amostragem da forma de onda será 2,56 vezes o Fmax do espetro ou seja 2,56 KHz. Os seja o intervalo de tempo entre cada amostra é de 1/ 2560 segundos ou seja 0,4 mseg. Se a duração do impacto for inferior a este tempo, o nível do impacto não será adequadamente medido, como pode ser visto na figura a seguir apresentada. Analisador de vibrações 10 – Figura 10.5 Taxa de amostragem da forma de onda inadequada para se caracterizar o nível de vibração gerado por um impacto Tem-se assim que a relação fixa entre amostragem no tempo e gama de frequência, intrínseca da função matemática transformada de Fourier, com que se obtém o espetro FFT, impede que se obtenha simultaneamente: • Uma amostragem elevada que nos permita medir adequadamente os níveis dos picos de impacto; • Uma elevada resolução no espetro de frequência que permita identificar claramente as frequências características de defeitos em rolamentos. A solução para esta questão consiste em tornar independente a taxa de amostragem da forma de onda para detecção de picos de impacto da taxa de amostragem para a obtenção do espectro FFT. Analisador de vibrações 10 – Figura 10.6 Taxa de amostragem da forma de onda adequada para se caracterizar o nível de vibração gerado por um impacto Como se vê na figura a taxa de amostragem, adequada para se caracterizar o nível de vibrações gerada por impactos é muito maior que a necessária para caracterizar o nível de uma vibração sinusoidal.

10.3 – A caracterização da taxa de repetição de impactos nos rolamentos com análise de envelope

Para se conhecer o período de repetição dos choques a análise do envelope retifica a forma de onda antes de se efetuar o espetro FFT. Analisador de vibrações 10 – Figura 10.7 – A retificação da forma de onda

10.4 – A obtenção do espetro de frequência do envelope tradicional

A análise em frequência das vibrações é efetuada na forma de onda retificada, tendo-se assim o seguinte diagrama de blocos da análise de vibrações com envelope. Analisador de vibrações 10 – Figura 10.8 – Esquema da implementação da análise de vibrações com envelope tradicional Esta forma de implementação do espetro FFT não caracteriza adequadamente o nível das componentes da forma de onda rectificada e do espetro de frequência.

10.5 – A medição correta da amplitude pico da forma de onda do envelope – a deteção digital de picos de impacto

A forma mais recente de medir a amplitude pico do envelope consiste em amostrar em primeiro lugar a forma de onda a uma frequência muito elevada (por exemplo 100 KHz), independentemente da máxima frequência do espectro, para se assegurar que se detecta correctamente a amplitude dos picos de impacto. De seguida estas amostras servem para reconstruir uma forma de onda que vai servir à construção do espectro de frequência. Nesta forma de onda reconstruída cada amostra retém o maio valor do conjunto amostras que lhe deu origem. Esta técnica é utilizada pela ADASH, entre outras. A seguir segue-se um diagrama de blocos desta forma de análise de envelope. Analisador de vibrações 10 – Figura 10.9 – Esquema da implementação da análise de vibrações com envelope com deteção de picos de impacto Com esta abordagem da medição da amplitude dos picos na forma de onda e das componentes do espectro dá valores corretos. Analisador de vibrações 10 – Figura 10.10 – Retificação da forma de onda com deteção digital de picos de impacto

10.6 – Vantagens da deteção digital de picos de impacto

As vantagens da deteção digital de picos de impacto na análise de vibrações com envelope surgem em diversas circunstâncias. a) Máquinas a rodar a baixa velocidade de rotação Analisador de vibrações 10 – Figura 10.11 – A análise de envelope com deteção digital de picos de impacto tem menos ruído b) Medição de amplitudes corretas Analisador de vibrações 10 – Figura 10.12 – A análise de envelope, com deteção digital de picos de impacto, mede as amplitudes corretas c) Visualização da forma de onda Analisador de vibrações 10 – Figura 10.13 – O envelope tradicional distorce a forma de onda A análise de vibrações com análise de envelope com deteção de picos de impacto permite a interpretação física dos fenómenos que dão origem à forma de onda. d) Máquinas a elevadas velocidades de rotação Analisador de vibrações 10 – Figura 10.14 – Com o envelope tradicional os impulsos “juntam-se”.