História da medição de vibrações em manutenção preditiva

História da medição de vibrações em manutenção preditiva

1 – História da medição de vibrações – 100 anos de manutenção preditiva com medição de vibrações

Neste artigo descreve-se brevemente a história da medição de vibrações em manutenção preditiva, que daqui a dezassete anos, em 2039, faz cem anos.

Desde há muito que existe a perceção que o nível de vibrações é um indicador de funcionamento das máquinas.

Num artigo sobre vibrações em máquinas de 1939 referia-se:
Instrumentos para medir vibrações são razoavelmente comuns. São geralmente do tipo sismómetro e normalmente são aplicados nas chumaceiras.

Faz parte da cultura geral dos interessados na área conhecer um pouco da história da tecnologia de análise de vibrações.

2 – História da medição de vibrações – A pré-história da medição de vibrações

O primeiro tipo de detetores de movimento de que existe memória, são detetores de sismos inventados na China.

O primeiro sismógrafo conhecido foi inventado na China por Zhang Heng em 132. Este aparelho consistia em oito esferas de bronze, cada uma sustentada pela boca estátuas de dragões. Quando ocorria um tremor de terra, por menor que fosse, a boca do dragão abria e a bola caía na boca aberta de um dos oito sapos de metal que se encontravam em baixo. O aparelho permitia determinar, desse modo, a direção de propagação do sismo.

No seculo XIX surgiram os sismómetros. A geração do sismograma era feita de forma analógica a partir de uma caneta ou outro objeto ligado a uma massa, marcando o movimento em um rolo de papel.

O primeiro sensor de vibrações com saída em sinal elétrico tinha era baseado em extensómetros e surgiu nos anos 20 do seculo XX. (Fonte: B. McCullom and O.S. Peters, A new electric telemeter, Technology Papers National Bureau of Standards 17(247) (January 4, 1924).

Posteriormente, para responder a necessidade de medir vibrações com frequências acima de 200 Hz, em máquinas, surgiram os sensores de vibrações eletrodinâmicos de velocidade (anos 30 do seculo XX).

A seguir, pode-se ver um sensor deste tipo e um vibrometro, extensivamente utilizado na indústria dos USA durante os anos 40 do seculo XX.

3 – História da medição de vibrações – 1939 – O ano zero da manutenção preditiva com medição de vibrações – as curvas de Rathbone

Num artigo que marca o início da história da manutenção preditiva, pela primeira vez são indicados limites de vibrações em máquinas. T.C. Rathbone na altura era Engenheiro-Chefe, na Divisão de Turbinas e Máquinas, para a Fidelity and Casualty Company of New York.

O artigo, intitulado “Vibration Tolerance” e publicado na Power Plant Engineering (1939-11: Vol 43 Iss 11), forneceu um guia para avaliação de condições com base no deslocamento de vibração de aproximadamente 60 cpm (1 Hz) a 7.200 cpm (120 Hz).

O artigo de Rathbone introduziu uma série de ideias profundas, incluindo um conjunto de curvas de severidade, de amplitude versus frequência, aproximadamente a velocidade de vibração constante, em torno das velocidades de rotação de turbo geradores a vapor típicos. Os critérios de severidade do Rathbone foram baseados na experiência e representam o primeiro método conhecido para relacionar a amplitude da vibração com a condição de funcionamento– e, por implicação, vida útil e risco de falha. É incrível reconhecer que os conceitos e critérios de severidade desenvolvidos por T. C. Rathbone continuam a ser adequados; mais de oitenta anos depois!

4 – 1943 – O primeiro acelerómetro piezoelétrico

Os acelerómetros piezoelétricos surgiram posteriormente, nos anos 40 do seculo XX.

Acelerómetro tipo 4301 da Bruel & Kjaer (1943)

O sensor era de cristais de sal de Rochelle e apresentava uma sensibilidade de 35 a 50 mV/g e uma frequência de ressonância de 2 a 3 kHz.

5 – 1952 – Os sensores de velocidade – os primeiros com saída elétrica usados em manutenção preditiva

Grande parte da medição de vibração inicial foi realizada com dispositivos mecânicos; o dedo (indicador fiável e altamente calibrado), chaves de fenda e uma moeda; todos foram muito usados. Nos anos trinta, o apareceu o transdutor eletromecânico de velocidade da bobina móvel (a IRD introduziu o Modelo 544 em 1952-53). O transdutor de velocidade era razoavelmente robusto e, mais importante, era auto-gerador com uma saída de baixa impedância que era fácil de utilizar. Com o captador de velocidade eletromecânico, a amplitude de vibração pode ser medida com um voltímetro.

Modelo IRD 544 + Modelo IRD 306 + 544

6 – História da medição de vibrações – 1950 – A análise em frequência (analógica)

À medida que os técnicos ganhavam experiência, ocorreu um crescente reconhecimento de que, embora a amplitude fosse uma medida boa e intuitiva da severidade (quanto mais forte, pior!), o conteúdo de frequência indicava o tipo de defeito presente. A exploração total desta teoria foi limitada pela instrumentação de análise de vibração, que era muito primitiva para os padrões de hoje.

O analisador de sinal mais antigo, o Vibrógrafo Manual mecânico mostrado na figura a seguir, traçava uma forma de onda de deslocamento de vibração, no domínio do tempo, em papel.

Um usuário habilidoso, com muita imaginação, podia dizer se a excitação principal estava na frequência de rotação, se outras frequências estavam presentes – e pouco mais.

A era atual da análise de vibração provavelmente começou em 1950, quando Art Crawford, então estudante de pós-graduação, aceitou o desafio de descobrir um meio de equilibrar de maneira fiável os fusos de alta velocidade. O resultado, foi a IRD (International Research & Development), fundada em 1952, que se tornou o líder em equilibragem dinâmica, análise de frequência e avaliação da condição de funcionamento de máquinas por muitos anos.

Surgiram então analisadores com filtros sintonizados manualmente. Estes forneceram a base para os padrões de amplitude e frequência que agora associamos a problemas comuns, como desequilíbrio, desalinhamento e desaperto.

Os instrumentos de laboratório com maior capacidade para medir e exibir sinais de vibração eram volumosos e complicados de usar, com uma fração da capacidade tida como garantida nos coletores de dados portáteis de hoje.

7 – 1965 – Os proximitors e a monitorização permanente de turbomáquinas

A Bently Nevada foi a primeira a aplicar com sucesso a tecnologia de correntes de eddy para uso em sensores de deslocamento sem contato. Esse tipo de sensor eletrónico é normalmente usado para medir distâncias muito pequenas entre a ponta do sensor e uma superfície condutora, como um veio rotativo. Os deslocamentos medidos são extremamente pequenos, normalmente apenas de alguns mícrons.

No início da década de 1960, os utilizadores industriais de turbomáquinas começaram a experimentar estes sensores para medição de vibração. A observação direta do movimento vibratório do veio de uma máquina é desejável porque, na maioria das vezes, o veio é a fonte de vibração na máquina. Antes da introdução dos proximitors, esse movimento do veio tinha de ser indiretamente inferido pela medição da vibração na carcaça da máquina. Embora as medições da carcaça da máquina possam ser valiosas sob certas condições, as máquinas que empregam chumaceiras de fluido geralmente têm características de amortecimento e rigidez que não transmitem adequadamente a vibração do eixo à carcaça da máquina. Consequentemente, a observação direta do veio da máquina (rotor) foi reconhecida como um método mais preciso de avaliação da condição dessas máquinas.

A Bently Nevada introduziu a série de sistemas de monitorização 5000, em 1965, que foi produzida até 1998.

Em 1970, o American Petroleum Institute definiu a sonda de proximidade como o dispositivo de medição para medir a vibração aceitável do veio, durante os testes de aceitação em fábrica. Isto foi adicionado como um requisito na sua norma para compressores centrífugos. O projeto pioneiro da Bently para medição de vibração no veio, usando sondas de proximidade, tornou-se o padrão da indústria para testes de aceitação de turbomáquinas e proteção de máquinas. A sonda de proximidade de correntes de eddy tornou-se o método preferido para avaliar a vibração e a condição mecânica geral em grandes turbomáquinas que empregam chumaceiras de pelicula de óleo. Tais máquinas e tipos de chumaceiras são responsáveis pela grande maioria dos compressores, turbinas, bombas, motores elétricos, geradores e outros equipamentos rotativos superiores a 1.000 HP, e podem ser encontrados em abundância.

8 – 1968 – As tabelas de Sohre

Um marco importante ocorreu em 1968, quando John Sohre, um dos principais contribuintes para o projeto e a análise de máquinas, publicou “Operating Problems with High Speed Turbomachinery, Causes and Corrections” na Conferência ASME Petroleum Mechanical Engineering. O artigo incluiu as famosas “tabelas de Sohre” que descrevem os sintomas de vibração dos problemas de turbomáquinas, juntamente com as causas prováveis em detalhes exaustivos. O artigo e os gráficos foram republicados várias vezes em vários idiomas e, concetualmente, formam a base de grande parte da tecnologia de diagnóstico detalhada de hoje.

9 – 1971 – O acelerómetro ICP

Como já foi referido os acelerómetros piezoelétricos existiam desde os anos 40 do seculo XX. Todavia para funcionarem necessitavam de dispendiosos amplificadores de carga, em separado.

A PCB foi a empresa que mais contribuiu para a aceitação da tecnologia de circuito integrado (ICP) em transdutores piezoelétricos. A PCB colocou a tecnologia ICP pela primeira vez num acelerómetro de choque de 100.000 g em 1971. O primeiro acelerómetro industrial ICP (Modelo 308A04) foi desenvolvido em 1973.

10 – 1975 – A análise em frequência com um analisador FFT portátil

Em 1965, Cooley e Tukey da Universidade de Princeton publicaram seu artigo histórico sobre o cálculo da Transformada Rápida de Fourier (FFT). Este desenvolvimento permitiu que uma transformada FFT de 1024 pontos (512 linhas) fosse processada em um centésimo do tempo anteriormente necessário. Exigiu 50% menos memória, para completar o cálculo

A Time Data, uma empresa da Califórnia, projetou o primeiro sistema FFT comercialmente disponível em 1967. O seu sistema Modelo 100, que foi alojado em dois racks de 6 pés, preparou o cenário para os analisadores FFT que estão disponíveis hoje. Ele processava uma transformada de 1024 pontos em 1 segundo.

Painel de controle do Modelo 100

Em 1975 a Nicolet abalou o mercado com o primeiro analisador FFT de um canal verdadeiramente portátil (13,5 Kg). O 440A Mini Ubiquitous® tinha 400 linhas, com ecrã embutido. Por um período de aproximadamente sete anos, a Nicolet forneceu 30 a 45 analisadores por mês.

11 – 1980 A deteção de avarias em rolamentos – o SPM

A história da SPM começou na década de 1960. AP Møller, um armador dinamarquês, descobriu por amarga experiência que as bombas de carga de seus navios-tanque estavam a avariar com muita frequência sem aviso prévio. Um inventor e um financiador empreendedor decidiram fazer algo a respeito.

Em 1969, Eivind Søhoel, o inventor, patenteou o método de pulso de choque que identifica os pulsos de choque fracos de rolamentos. Em 1970 foi formada a empresa SPM. Após apenas alguns anos, desenvolveram as primeiras regras para avaliar os sinais das medições. Nos anos 80 a SPM instalou milhões de pontos de medição e vendeu 40.000 unidades do instrumento de medição portátil 43A – um verdadeiro clássico.

12 – 1982 – O primeiro coletor de dados

O primeiro instrumento comercial deste tipo foi o AVM-1, introduzido pela Tecalamet Electronics, no Reino Unido, por volta de 1982. O AVM-1 utilizava um sensor de aceleração, registava os níveis de vibração em bandas de oitava e armazenava os resultados na memória interna, que podiam ser transferidos para um computador para análise de tendência.

Em 1984, a Palomar Technology International introduziu o primeiro coletor de dados portátil com um analisador FFT interno de alta resolução, média e um grande ecrã com espetro FFT.

O ecrã foi rapidamente atualizado para incluir um cursor móvel, indicação de frequência e amplitude na posição do cursor e, eventualmente, todos os recursos de um analisador FFT de laboratório, incluindo zoom e exibição de forma de onda. Este é o projeto básico que tem sido constantemente ampliado e substancialmente aprimorado pela Computational Systems, Inc. (CSI), agora parte da Emerson Process Management; Diagnostic Instruments (agora parte da SKF), SKF Condition Monitoring, DLI Engineering Corp., (Azima DLI Corporation), ADASH e outros.

Combinado com o software de monitorização de condição no PC, o coletor de dados portátil abriu uma era totalmente nova de avaliação de condição de máquinas. Pela primeira vez, características de vibração complexas poderiam ser coletadas facilmente, submetidas a análises e comparações detalhadas, minimizando os esforços manuais.

No início da década de 1990, a tecnologia do coletor de dados avançou, a ponto de praticamente substituir a FFT de laboratório, em todas as tarefas de análise de máquinas, exceto as mais complexas.

13 – Anos 90 do século XX – a integração de tecnologias

Em meados da década de 1990, tornou-se evidente que a tecnologia de controlo de condição com medição vibrações era muito mais eficaz quando combinada com outras complementares. Estes incluíram partículas no óleo lubrificante e análise química, análise de corrente do motor, termografia, análise de fluxo, ultra-sons, desempenho operacional e eficiência.

A análise química do óleo lubrificante estava disponível desde a década de 1950. O monitoramento de partículas com ferrografia, originalmente desenvolvido pela Foxboro Corporation, estava disponível desde meados da década de 1970. Ambas foram tratadas como tecnologias separadas e raramente combinadas com a vibração para formar uma imagem mais completa da condição. A partir do final da década de 1990, os softwares de monitoramento de condição começaram a incorporar dados de vibração, análise de fluidos e outros dados de caracterização de condição.

A análise de corrente do motor, utilizou um sensor de corrente e o zoom FFT para monitorar a amplitude das bandas laterais da frequência de deslizamento em torno da frequência da rede para identificar problemas no rotor dos motores assíncronos.

Os melhores programas de manutenção preditiva de hoje, integram todas as tecnologias e medições de fontes on-line e off-line.

14 – História da medição de vibrações – 2003 – A certificação de analistas de vibrações

Foi em 2003 que a ISO publicou a primeira versão da norma com requisitos para a formação e certificação de pessoas:

ISO 18436-2:2003 – Condition monitoring and diagnostics of machines — Requirements for training and certification of personnel — Part 2: Vibration condition monitoring and diagnostics

Atualmente esta certificação tornou-se um requisito muito comum e pode-se dizer que revolucionou a formação em análise de vibrações em manutenção preditiva.

15 – 2019 – A integração da termografia num coletor de dados de vibrações

Em 2019 a ADASH deu o passo a seguir: integrou uma câmara de termografia num analisador de vibrações portátil, o VA5Pro.

16 – História da medição de vibrações – 2022 – Presente e futuro

No nosso dia a dia são visíveis as tendências atuais são:

Digitalização

Sem dúvida que a monitorização permanente, tem um lugar cada vez mais importante no controlo de condição com vibrações. Por outro lado, as novas interfaces na web e em App estão a transformar a interação entre os técnicos e a informação das máquinas.

Inteligência artificial

A Inteligência Artificial, de momento, disponibiliza muito menos do que os seus vendedores apregoam.

Só nas máquinas mais simples é que os seus diagnósticos têm alguma fiabilidade. Todavia ainda estamos na fase em que, quem confiar nas suas recomendações sem proceder a uma verificação, vai, provavelmente, ter uma má experiência.

Não se vê bem como é que AI vai diagnosticar um perne desapertado ou uma rutura numa tubagem de óleo. Por outras palavras, o tempo em que os especialistas em diagnóstico por analise de vibrações ficaram sem trabalho, ainda não chegou.

Todavia, é de esperar, que a qualidade e fiabilidade das recomendações efetuadas pela AI melhorem e assumam cada vez mais relevância.

Sistemas wireless

Os sistemas wireless, na medida em que são mais económicos, vem dar um forte impulso à digitalização.