Análise de vibrações e envelope

Neste artigo explica-se em que consiste a análise de vibrações e envelope.

A análise do envelope é, atualmente, a ferramenta por excelência, para deteção de avarias em rolamentos por análise de vibrações. Tornou-se também essencial para diagnosticar todos os problemas mecânicos que podem gerar choques, 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 e normalmente é implementada com um analisador de vibrações. equipamento de análise de vibrações e envelope

2 A limitação da medição da velocidade de vibração para a manutenção preditiva de rolamentos

A avaliação da severidade das vibrações em mm/s rms é um parâmetro essencial para se conhecer a condição de funcionamento das máquinas, quando se trata de desequilíbrios, desalinhamentos, folgas, etc.

Todavia, quando se trata de controlo de condição de rolamentos a análise de vibrações em velocidade não fornece um aviso com a antecedência adequada, que se pretende que seja de alguns meses (no mínimo)

Figura 1 – A avaliação da severidade das vibrações em mm/s RMS não fornece um aviso com a antecedência adequada

Por isso a análise é efetuada em aceleração.

Todavia para efetuar a análise das vibrações dos rolamentos das máquinas tem de se entrar em conta com outros fatores.

3 – O que nos interessa conhecer no diagnóstico de avarias em rolamentos por análise de vibrações

No diagnóstico de avarias em rolamentos por análise de vibrações interessam-nos essencialmente dois parâmetros:

  1. A amplitude exata dos picos de vibrações resultantes dos impactos gerados pelos defeitos para fins de avaliação de severidade
  2. A sua periodicidade >>>> frequência para diagnóstico e avaliação de severidade.

análise de vibrações e envelope - o que nos interessa

Figura 2 – o que nos interessa na análise de vibrações de avarias em rolamentos

4 – As características das vibrações nas máquinas onde estão instalados os rolamentos

As máquinas têm vibrações de nível importante nas baixas frequências que mascaram e surgem misturadas com as de amplitude menor dos danos nos rolamentos

análise de vibrações e envelope  conteudo em frequência do espetro

Figura 3 – Forma de onda e espetro de frequência das vibrações nas máquinas

Surge com óbvio que, idealmente, seria interessante separar as vibrações dos rolamentos das outras vibrações das máquinas.

5 – Análise de vibrações e envelope – A separação das vibrações dos rolamentos das outras vibrações das máquinas

Como as vibrações dos rolamentos em degradação, nas suas fases inicias, surgem sobretudo em aceleração, nas altas frequências, consegue-se fazer a separação/realce das vibrações nos rolamentos, através da utilização de um filtro passa alto das vibrações medidas. Destra forma consegue-se efetuar a separação das vibrações dos rolamentos das outras vibrações da máquina.

análise de vibrações e envelope  o filtrom passa alto

Figura 4 Eliminação de vibração a baixas frequências – introdução de filtro passa alto

Esta filtragem é a primeira operação da análise de vibrações com envelope.

6 – A caracterização da taxa de repetição de impactos nos rolamentos.

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.

análise de vibrações e envelope  - a rectificação da forma de onda

Figura 5 – A retificação da forma de onda

7 – Análise de vibrações e envelope –  obtenção do espetro de frequência do envelope

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.

análise de vibrações e envelope  - diagrama de blocos

Figura 6 – Esquema da implementação da análise de vibrações com envelope.

8 – A taxa de amostragem adequada para caracterizar a amplitude pico da forma de onda

Os danos nos rolamentos surgem em termos de vibrações sobre a forma de choques bem evidentes na forma de onda.

análise de vibrações e envelope  os impulsos

Figura 7 – Impulsos vibratórios (em aceleração) resultantes de uma avaria no rolamento

Vamos imaginar que num rolamento, a rodar a baixa velocidade de rotação, queremos medir um espectro até 100 Hz. Para isso, tipicamente, o conversor analógico-digital de um analisador de espectros vai obter uma forma de onda amostrada a 2,56 x 100 Hz = 256 Hz, ou seja, a forma de onda vai ser constituída por amostras obtidas de 4 em 4 ms. Isto é insuficiente para medir adequadamente a amplitude pico dos choques.

Na figura a seguir apresentada pode-se ver o exemplo de uma forma de onda com um número de amostras insuficiente e em que a sua amplitude não é adequadamente caracterizada.

Figura 13 – Amostragem da forma de onda pelo conversor analógico-digital - análise de vibrações e envelope

Figura 8 – A importância da taxa de amostragem para a medição exata da amplitude das vibrações resultantes de choques provocados por avarias em rolamentos

Para caracterizar adequadamente um choque que dura menos de um milisegundo têm de se tirar no mínimo 10 amostras por milisegundo, por exemplo. Temos, portanto, que para caracterizar adequadamente a amplitude de um impulso que dure um milisegundo necessitar-se-á de uma frequência de amostragem de 10 KHz, o que corresponderia a uma frequência máxima no espectro, de 4 KHz.

Se esta regra não for seguida a amplitude que surge na forma de onda e consequentemente no espectro não é bem caracterizada.

9 – A resolução em frequência necessária para identificar as frequências dos defeitos em rolamentos

Por outro lado, tem-se que um espetro de 4 KHz não tem resolução suficiente para identificar claramente as frequências de defeitos.

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, nos impede de simultaneamente ter simultaneamente:

  • Uma amostragem elevada que nos permita medir adequadamente os níveis dos picos de impacto;
  • Uma elevada resolução no espetro de frequência que nos permita identificar claramente as frequências características de defeitos em rolamentos.

limitações do espetro FFT

Figura 9 – Para se ter resolução para se poder observar as frequências características dos rolamentos quando se define a Frequência Máxima do espectro, está-se a definir uma taxa de amostragem da forma de onda inadequada para caracterizar a sua amplitude.

10- A amplitude medida e o tempo de resposta da retificação da forma de onda da análise de vibrações com envelope tradicional

Outra questão que tem de ser levada em conta é o tempo de resposta da retificação do envelope.

análise de vibrações e envelope  os impulsosFigura 17 - Sinal depois da retificação (a vermelho) - análise de vibrações e envelope
  1. Forma de onda depois do filtro passa alto.
c) Sinal depois da retificação (a vermelho).

Figura 10– Tempo de resposta da retificação na análise de vibrações com envelope

Veja-se o exemplo a seguir de um sinal de 10 KHz com a duração de 2 ms emitido 10 vezes por segundo

Sinal original – 10 KHz com a duração de 2 ms emitido 10 vezes por segundo
Amostrado e retificado frequência com Fmax. de200 HzAmostrado a 2,56 Fmax de 200 Hz
Amostrado a frequência e retificado com F max de 20 HzAmostrado a 2,56 F max de 20 Hz

Figura 11 – Pode-se ver que à medida que a frequência de amostragem baixa o nível medido é menor enão corresponde à realidade.

Na forma tradicional de implementar a análise de envelope e na maioria dos equipamentos a retificação efetuada na análise de vibrações com envelope, não é suficientemente rápida para acompanhar a velocidade dos fenómenos físico reais que se pretendem medir.

Tem-se assim que análise de envelope tradicional não consegue medir com precisão a amplitude de eventos de muito curta duração.

11 – 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 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 á 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 CSI, SVD e ADASH.

A seguir segue-se um diagrama de blocos desta forma de análise de envelope.

análise de vibrações e envelope  diagrama de blocos enevelope com deteção de picos

Com esta abordagem da medição da amplitude dos picos na forma de onda e das componentes do espectro dá valores corretos.

forma de onda do envelope tradicional e com deteção de picos

Figura 12 – Retificação da forma de onda com deteção digital de picos de impacto

12 – Vantagens da deteção digital de picos de impacto na análise de vibrações e envelope

As vantagens da deteção digital de picos de impacto na análise de vibrações com envelope surgem em diversas circunstâncias.

  1. Máquinas a rodar a baixa velocidade de rotação

Máquinas a rodar a baixa velocidade de rotação - análise de vibrações e envelope

Figura 13 – A análise de envelope com deteção digital de picos de impacto tem menos ruído

  1. Medição de amplitudes corretas

Figura 14 – A análise de envelope, com deteção digital de picos de impacto, mede as amplitudes corretas

  1. Visualização da forma de onda

O envelope tradicional distorce a forma de onda

Figura 15 – 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.

  1. Máquinas a elevadas velocidades de rotação

Com o envelope tradicional os impulsos “juntam-se”

Figura 16 – Com o envelope tradicional os impulsos “juntam-se”

13 – Diagnóstico na forma de onda com análise de vibrações e envelope

A deteção de picos de impacto na forma de onda fornece informação de diagnóstico crucial:

  • Correntes e gruas: ciclos muito curtos com velocidade a variar muito rapidamente.
  • Equipamento com velocidade de rotação muito baixa: a rodar a menos de 50 RPM
  • Engrenagens com dentes partidos:
    • O espectro disponibiliza o diagnóstico, mas…
    • A forma de onda indica a severidade

A seguir pode-se um exemplo de forma de onda retificada, adquirida com análise do envelope pela técnica de deteção de picos de impacto, de um defeito em rolamento em máquina de baixa velocidade de rotação, em que os impactos individuais surgem claramente, sendo visível o nível dos impactos individuais, mas em esta informação não surge no espectro FFT

forma de onda do envelope

Figura 17 – Exemplo de forma de onda retificada adquirida com análise do envelope pela técnica de deteção de picos de impacto defeito em rolamento em máquina de baixa velocidade de rotação

14 Comparação das duas técnicas de análise de vibrações e envelope

Na tabela a seguir apresentada vê-se uma comparação das duas técnicas

MétodoEnvelope

tradicional

Envelope com deteção de picos de impacto
CircuitosAnalógicosAnalógicos e digitais
RespostaCom atrasoA elevada frequência (Ex.: 100 KHz)
Deteção de frequênciaTipicamente boaSempre boa
NívelSem significadoPreciso e pode-se usar para tendência
Saídas para diagnósticoSó espectroEspectro e forma de onda

15 Regras de aplicação da análise de vibrações com envelope

São as seguintes as regras de aplicação da análise de vibrações com envelope:

  • Rolamentos – filtro passa alto a frequência superior a 40 vezes a velocidade de rotação
  • Engrenagens – filtro passa alto a frequência superior a 3,5 vezes a frequência de engrenamento
  • A frequência máxima do espectro do envelope tem de ser inferior á do filtro passa alto, e convém preferencialmente ser inferior a metade deste.
  • Cuidado com a montagem do acelerómetro!!!!
  • Não efetuar médias – aumentar a resolução (tem o mesmo efeito de efetuar médias)

Na tabela a seguir apresentada podem-se ver algumas regras de aplicação da análise de envelope, em função da velocidade de rotação da máquina.

regras analise de vibrações e envelope

16 Exemplos

16.1 Exemplo 1

Máquina:Motor elétrico de 4 polos de 250kW
Aplicação:Acionamento de ventilador de mina através de um redutor de um só andar. O motor era critico para a operação.
Problema:Possível dano na pista interior do rolamento.
Espectro normal mostra sintomas de defeito na pista interior, pouco claros.
Espectro normal mostra sintomas de defeito na pista interior, pouco claros.
Espectro do envelope mostra sintomas claros de defeitos na pista interior.
Espectro do envelope mostra sintomas claros de defeitos na pista interior.

Figura 18 – Análise de vibrações e envelope em motor elétrico

ConclusãoO motor foi enviado para revisão e o rolamento foi inspecionado. Encontrou-se uma fenda na pista interior.

16.2 Exemplo 2

Máquina:Veio intermédio de engrenagem de transportador
Aplicação:Mina,

Velocidade de rotação: 0 -180 RPM em segundos

Medições efetuadas entre 120-160 RPM

Problema:O Diagnóstico não é possível com FFT tradicional
	  FFT tradicional só mostra o normal numa engrenagemFFT tradicional só mostra o normal numa engrenagem
O FFT do envelope evidência claramente defeitos na pista exterior
Forte aumento no nível de tendência de picos de impactoForte aumento no nível de tendência de picos de impacto
Recomendada imediata substituição do rolamento
As vibrações regressam

ao nível normal

Figura 19 – Análise de vibrações e envelope em engrenagem

ConclusãoA substituição do rolamento reduz as vibrações. A inspeção revela picadas e arranque de material na zona de carga da pista exterior.

16.3 Exemplo 3

Máquina:Engrenagem em grua
Aplicação:Som de pancadas quando muda de direção

Suspeita-se de defeito de gaiola

Problema:Espectro FFT normal não mostra defeitos

Análise de vibrações e envelope em grua

Figura 20 – Análise de vibrações e envelope em grua

ConclusãoA inspeção revela graves danos na zona de carga da pista exterior

16.4 Exemplo 4

Máquina: Poli de acionamento de tela transportadora a rodar a 33 RPM
Aplicação: Frequentes avarias sem pré-aviso

A vibração transmitida da engrenagem mascara frequências de defeitos do rolamento da poli

Problema: O diagnóstico não é possível com FFT tradicional ou envelope tradicional

Análise de vibrações e envelope em poli de acionamento de tela transportadora

Figura 21 – Análise de vibrações e envelope em poli de acionamento de tela transportadora

Conclusão:A inspeção revela graves danos na zona de carga da pista exterior

16.5 Exemplo 5

Máquina: Poli de acionamento tela transportadora a rodar a 23 RPM
Aplicação: Transportador critico para o processo de produção
Problema: O diagnóstico não é possível com FFT tradicional

Análise de vibrações e envelope em poli de acionamento de tela transportadora

Figura 22 – Análise de vibrações e envelope em poli de acionamento de tela transportadora

Conclusão:A inspeção revelou defeito na pista exterior

16.6 Exemplo 6

Máquina: Compressor Ingersoll-Rand
Aplicação: Crítico para o processo produtivo
Problema: O diagnóstico não é possível com FFT tradicional

Análise de vibrações em compressor

Figura 23 – Análise de vibrações em compressor

Análise de vibrações e envelope em compressor

Figura 24 – Análise de vibrações e envelope em compressor

Conclusão:A inspeção revelou defeitos na pista interior e exterior do rolamento

17 Conclusão

A análise de vibrações com envelope dos picos de impacto é:

    • Uma ferramenta poderosa deteção de pancadas;
    • Nomeadamente em rolamentos e engrenagens, mas não só;
    • Eficaz também a baixas velocidades de rotação;
    • Amplitude precisa e utilizável para efetuar tendência;
      • Mede o nível real dos impactos;
      • É possível avaliar a severidade dos danos.
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