História da modulação na análise de vibrações

En este artículo, que é o segundo de uma série, trata-se do tema história da modulação na análise de vibrações com um papel fundamental em diagnóstico por análise de vibrações em máquinas. Aqui encontra-se a introdução a uma série de artigos sobre este tema.

O primeiro artigo, a Introdução, pode ser visto aquyo.

2 História da modulação na análise de vibrações

2.1 introducción

A evolução da Análisis de vibraciones acompanhou de perto o desenvolvimento da instrumentação eletrónica, da computação digital e das técnicas de processamento de sinal. Desde as primeiras medições de amplitude global até às atuais metodologias de análise cicloestacionária e inteligência artificial, cada avanço tecnológico permitiu extrair uma quantidade crescente de informação dos sinais de vibração.

A análise da modulação representa uma das etapas mais importantes desta evolução. Atualmente é considerada uma ferramenta indispensável para a deteção precoce de defeitos em rolamentos, engranajes, motores elétricos e outras máquinas rotativas. sin embargo, a sua adoção foi gradual e resultou da combinação de conhecimentos provenientes da engenharia mecânica, das telecomunicações e do processamento digital de sinal.

Este capítulo apresenta a evolução histórica das principais técnicas de análise de vibrações, evidenciando as limitações de cada abordagem e as razões que conduziram ao desenvolvimento da análise de modulação.

Figura 2.1 – Linha temporal da evolução da análise de vibrações.

2.2 Primeira geração: medição do nível global de vibração

As primeiras aplicações industriais da análise de vibrações surgiram na década de 1960-70 (ex.: fundação da IRD Mechanalysis em 1962, um dos marcos habitualmente citados), impulsionadas pelo desenvolvimento de acelerómetros piezoelétricos e de instrumentos portáteis capazes de medir o nível global de vibração.

Nessa fase, a avaliação da condição das máquinas baseava-se quase exclusivamente na medição de grandezas globais, como:

• aceleração RMS;
• velocidade RMS;
• deslocamento pico-a-pico.

Estes parâmetros forneciam uma indicação simples da severidade das vibrações, permitindo identificar máquinas cujo comportamento se afastava significativamente do normal.

Embora esta abordagem fosse eficaz para detetar defeitos já desenvolvidos, apresentava limitações importantes. O valor global de vibração resulta da soma da energia distribuída por todas as frequências e, por eso, não permite identificar a origem do problema. Máquinas com defeitos distintos podem apresentar valores globais semelhantes, enquanto defeitos incipientes frequentemente não provocam alterações mensuráveis.

Apesar destas limitações, a medição do nível global continua a desempenhar um papel fundamental na avaliação da severidade das vibrações e constitui a base de diversas normas internacionais.

Figura 2.2 – Evolução da instrumentação para medição e análise de vibrações

2.3 Segunda geração: análise espectral por FFT

A introdução da Transformada Rápida de Fourier (FFT) na década de 1960 e a sua aplicação em analisadores digitais durante as décadas seguintes revolucionaram a análise de vibrações.

Pela primeira vez tornou-se possível decompor um sinal complexo nas suas componentes em frequência e relacionar cada componente com fenómenos mecânicos específicos.

A análise espectral permitiu identificar assinaturas características de diversos defeitos, por ejemplo:

• componente dominante a 1×RPM → desequilíbrio;
• componentes a 2×RPM → desalinhamento;
• múltiplos harmónicos → folgas mecânicas;
• frequência de engrenamento → problemas em transmissões por engrenagens;
• frequências características dos rolamentos → defeitos nas pistas ou nos corpos rolantes.

Esta capacidade representou um enorme avanço relativamente à medição do nível global, permitindo realizar diagnósticos muito mais específicos.

sin embargo, verificou-se rapidamente que alguns defeitos, sobretudo em fase inicial, permaneciam praticamente invisíveis na FFT convencional. Os impactos gerados por pequenos defeitos em rolamentos ou por desgaste localizado em engrenagens possuíam energia insuficiente para produzir componentes claramente identificáveis no espectro.

2.4 Terceira geração: descoberta da importância da modulação

A observação experimental revelou que muitos defeitos não originavam novas frequências significativas, mas alteravam periodicamente a amplitude de vibrações já existentes.

Em vez de aparecer um novo pico isolado, surgiam pequenas componentes distribuídas simetricamente em torno de uma frequência dominante. Estas componentes passaram a ser designadas por bandas laterales.

Este comportamento já era bem conhecido na engenharia das telecomunicações, onde a modulação em amplitude produz exatamente a mesma estrutura espectral. A aplicação destes conceitos à engenharia mecânica permitiu compreender que um defeito periódico atua como um sinal modulador que altera uma vibração de frequência mais elevada, denominada portadora.

Esta interpretação constituiu um marco na evolução do diagnóstico de máquinas, pois demonstrou que a informação mais importante nem sempre se encontra nas frequências diretamente associadas ao defeito, mas pode estar codificada nas bandas laterais da frequência portadora.

2.5 Desenvolvimento da análise por envolvente

O passo seguinte consistiu em desenvolver técnicas capazes de recuperar diretamente o sinal modulador.

A análise por envolvente, baseada inicialmente em circuitos analógicos de retificação e filtragem e posteriormente implementada por processamento digital, tornou-se uma das ferramentas mais eficazes para o diagnóstico de rolamentos.

O princípio é relativamente simples: os impactos provocados por um defeito excitam uma ressonância estrutural de alta frequência. A amplitude dessa ressonância varia periodicamente à frequência característica do defeito. Ao extrair a envolvente do sinal e calcular a sua FFT, torna-se possível identificar diretamente as frequências características do rolamento.

Esta metodologia aumentou significativamente a sensibilidade da análise de vibrações e permitiu detetar defeitos em fases muito mais precoces do que era possível através da FFT convencional.

2.6 Consolidação das técnicas avançadas

Nas décadas seguintes, a evolução da capacidade computacional permitiu desenvolver métodos cada vez mais sofisticados para explorar a informação contida na modulação.

Entre as técnicas que ganharam relevância destacam-se:

• Transformada de Hilbert para obtenção do sinal analítico;
• análise cepstral para identificação de periodicidades no domínio espectral;
• Kurtosis espectral (Spectral Kurtosis) para seleção automática das bandas de frequência mais informativas;
• Fast Kurtogram para otimização da análise por envolvente;
• Análise Cicloestacionária para caracterização de sinais cuja estatística varia periodicamente;
• Análise por ordens para máquinas de velocidade variável;
• Média Síncrona no tempo (TSA) para engrenagens.

Estas metodologias permitiram aumentar a fiabilidade do diagnóstico e reduzir a influência do ruído e de fenómenos não relacionados com o defeito.

Figura 2.3 – Fluxograma da evolução tecnológica, desde o sensor até aos algoritmos modernos de diagnóstico.

2.7 A era da monitorização contínua e da inteligência artificial

En este momento, a evolução dos sensores digitais, das comunicações industriais e da computação em nuvem tornou possível implementar sistemas permanentes de monitorização capazes de adquirir e analisar continuamente grandes volumes de dados.

Nestes sistemas, a modulação desempenha um papel central. Muitos algoritmos de diagnóstico utilizam como variáveis de entrada parâmetros derivados da análise por envolvente, das bandas laterais ou de indicadores estatísticos calculados sobre sinais demodulados.

Mais recentemente, técnicas de aprendizagem automática (Aprendizaje automático) e de aprendizagem profunda (Deep Learning) passaram a utilizar estas características como elementos fundamentais para a classificação automática de defeitos e para a previsão da sua evolução.

Apesar da crescente utilização de algoritmos avançados, a interpretação física da modulação continua a ser indispensável. Um modelo computacional pode identificar padrões complexos, mas a validação do diagnóstico e a definição das ações de manutenção exigem a compreensão dos mecanismos mecânicos que lhes dão origem.

2.8 Síntese

A história da análise de vibrações demonstra uma evolução contínua no sentido de extrair informação cada vez mais detalhada dos sinais medidos.

A medição do nível global permitiu avaliar a severidade das vibrações. A análise espectral por FFT possibilitou identificar a origem das componentes em frequência. A análise da modulação e as técnicas de demodulação revelaram informação anteriormente escondida, tornando possível detetar defeitos numa fase muito mais precoce.

En este momento, a análise da modulação constitui um dos pilares da monitorização da condição de máquinas rotativas e serve de base a muitas das técnicas de diagnóstico mais avançadas utilizadas na indústria moderna. Nos capítulos seguintes serão analisados os mecanismos físicos que originam a modulação e desenvolvidos os modelos matemáticos que descrevem este fenómeno.

3 Conceito de modulação e sua origem física

(continua)