AnÁlise de defeitos em sistemas mecÂnicos rotativos
Clastow
Clastow27 de Outubro de 2015

AnÁlise de defeitos em sistemas mecÂnicos rotativos

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Análise de defeitos em sistemas mecânicos rotativos
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ANÁLISE DE DEFEITOS EM SISTEMAS MECÂNICOS ROTATIVOS A PARTIR

DA MONITORAÇÃO DE VIBRAÇÕES

Maurício Sanches Garcia

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS

PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM

ENGENHARIA MECÂNICA.

Aprovada por: Prof. Marcelo Amorim Savi, D.Sc. Prof. Moysés Zindeluk, D.Sc. Prof. Pedro Manuel Calas Lopes Pacheco, D.Sc. Prof. Sylvio José Ribeiro de Oliveira, Dr. Ing.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

JUNHO DE 2005

ii

GARCIA, MAURICIO SANCHES

Análise de Defeitos em Sistemas Mecânicos

Rotativos a partir da Monitoração de Vibrações [Rio

de Janeiro] 2005

X, 119 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,

Engenharia Mecânica, 2005)

Tese – Universidade Federal do Rio de Janeiro,

COPPE

1. Vibração Mecânica

2. Normas Técnicas

3. Caos

I. COPPE/UFRJ II. Título (Série)

iii

À minha Esposa Maria Marta.

Aos meus Filhos Thiago, Lucas e Daniel,

como exemplo de dedicação e perseverança.

iv

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador, Professor Marcelo Amorim Savi, que pacientemente, orientou e

direcionou minha pesquisa, não permitindo que eu perdesse o foco deste trabalho, pelas suas

cuidadosas revisões, inclusive durante o seu período de férias, pelas frutíferas reuniões de

trabalho e por sua valiosa amizade.

Ao Professor Sylvio José Ribeiro de Oliveira, por seus ensinamentos, por seus

conselhos, pela forma amigável que sempre me incentivou e encorajou nesta caminhada.

Ao Professor Moysés Zindeluk, pelos livros e artigos que me emprestou ao longo

destes anos e por suas aulas, que ficaram gravadas na minha lembrança.

Ao Professor Ripper, pelas conversas, aconselhamentos e pelo material didático que

gentilmente me emprestou e pelos ensinamentos que me deu.

Ao Doutorando Pedro Lisboa, por ter me apresentado aos mestres da Mecânica e aos

amigos do Laboratório, pelos incontáveis auxílios e conselhos.

Ao Engenheiro e Mestre Celso Di Domênico, pelas informações fornecidas, pela sua

disponibilidade incondicional em me auxiliar, inclusive tomando medidas em Laboratório e por

sempre ter me motivado e encorajado nesta jornada.

Ao Engenheiro Anderson Pessoa de Souza, por sua ajuda nas medições do aparato

experimental no Laboratório.

Ao amigo do Laboratório de Acústica e Vibrações, Miguel Michalski pelo auxílio e

colaboração na bancada de teste de rotores. Ao amigo Guilherme que tornou viável a

utilização do pacote TISEAN, como ferramenta de análise não-linear, por sua paciência e

amizade.

Aos Professores de todas as disciplinas que tive o prazer de cursar, desde o primeiro

período de 2003, especialmente o professor Belchior (do Programa de Engenharia Naval e

Oceânica), pelos preciosos ensinamentos que me providenciaram.

Ao Professor Pedro Manuel Calas Lopes Pacheco (CEFET/RJ), por ter aceitado o

convite para fazer parte da banca examinadora.

Às senhoras Vera, Maysa, ao senhor Renato e demais funcionários da Secretaria do

Programa de Engenharia Mecânica, pelo apoio administrativo e por um atendimento

invariavelmente com bom humor.

v

Aos amigos do Arsenal de Marinha do Rio de Janeiro, que “seguraram a barra”

enquanto eu estava cursando na COPPE, principalmente, aos oficiais engenheiros, Expedito,

Carlos Alexandre e Miracca, por todo apoio dado, pelos grupos de estudo e por terem me

ajudado “a entrar no trem-bala, a 200 Km/h”, após 16 anos de formado em engenharia.

Ao engenheiro Décio, por seu apoio, incentivo, e por sua amizade

Aos meus chefes imediatos do Arsenal de Marinha do Rio de Janeiro, pelo suporte

administrativo e apoio incondicional.

À minha mulher, Maria Marta, por sempre ter me apoiado em todas as minhas

iniciativas e por nunca ter reclamado dos meus momentos de nervosismo e ausência. Aos

meus filhos, Lucas, Thiago e Daniel, pelos ditados, pelo carinho, e pela compreensão que

papai tinha que estudar....

A minha mãe Neide, que sempre teve uma palavra de conforto e otimismo, mesmo nas

situações mais difíceis. Ao meu pai Mauro, que me apresentou à Engenharia Mecânica

quando ainda era criança, me levando à fábrica onde trabalhava, nos sábados e me dando o

meu primeiro emprego, em engenharia, em 1984.

A todos os que, direta ou indiretamente, contribuíram de alguma forma para que eu

chegasse até aqui, e que posso estar esquecendo, mas que nem por isso deixaram de “colocar

um tijolo no muro”.

Ao Senhor Deus, sem o qual nada seria possível, por ter colocado em meu caminho

pessoas boas, que tanto contribuíram para o meu crescimento pessoal e profissional.

vi

Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a

obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

ANÁLISE DE DEFEITOS EM SISTEMAS MECÂNICOS ROTATIVOS A PARTIR DA

MONITORAÇÃO DE VIBRAÇÕES

Maurício Sanches Garcia

Junho /2005

Orientador: Marcelo Amorim Savi

Programa: Engenharia Mecânica

A monitoração de processos industriais e equipamentos é uma parte essencial da

manutenção, estando diretamente relacionada com as indústrias mais competitivas. A

monitoração da vibração tem sido largamente utilizada em diferentes situações e, em especial,

na monitoração de máquinas rotativas.

O presente trabalho analisa os sinais obtidos de um rotor em um aparato experimental,

preparado para simular quatro situações:1 - Máquina nova; 2 - Máquina nova desbalanceada;

3 –Máquina com vida média; 4 – Máquina necessitando de reparo imediato. Basicamente,

cada condição é caracterizada por uma massa desbalanceada e, também, por diferentes

folgas dadas no mancal de rolamento. A monitoração da vibração é aplicada a estas

situações, estabelecendo assinatura própria no domínio do tempo e da freqüência. Além

disso, com o objetivo de utilizar ferramentas não-lineares para identificar sinais característicos,

os Expoentes de Lyapunov são empregados para avaliar a presença de caos nos sinais

vii

experimentais. Posteriormente, os conceitos apresentados são aplicados na monitoração da

vibração de um diesel gerador em um navio da Marinha do Brasil.

viii

Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for

the degree of Master of Science (M.Sc.)

ANALYSIS OF ROTOR DYNAMICS DEFECTS USING VIBRATION BASED

MONITORING

Maurício Sanches Garcia

June /2005

Advisor: Marcelo Amorim Savi

Department: Mechanical Engineering

The monitoring of industrial processes and equipments is an essential part of

maintenance, being directly related to more competitive manufacturing. The vibration based

technology has been largely employed in different situation and, in special, in monitoring of

rotating machinery.

This work analyzes signals of a rotor dynamics experimental apparatus, simulating four

situations: 1– New machine; 2 – New machine, unbalanced; 3 – Middle age machine; 4 –

Machine with severe problem. Basically, each of these conditions is characterized by

unbalanced mass and also different gaps on ball bearings. Vibration based monitoring is

applied to these situations, establishing proper signatures in frequency and time domain.

Moreover, in order to use nonlinear tools to identify signature characteristics, Lyapunov

exponents are employed in order to evaluate the presence of chaos in the signals. After, the

concepts showed are applied on vibration based monitoring of a diesel-motor of a Brazilian

Navy ship.

viii

ÍNDICE

Capítulo 1 –Introdução

1.1 Objetivos do Trabalho........................................................................................ 04

1.2 Desenvolvimento da análise da dinâmica de rotores............................................. 06

1.2.1 O fenômeno do desbalanceamento............................................................09

1.2.2 Efeito da folga em mancais........................................................................10

1.2.3 Caos em mancais de rolamento.................................................................11

1.3 Apresentação dos Capítulos ............................................................................... 12

Capítulo 2 – Normas Técnicas

2.1 Normas Técnicas aplicáveis................................................................................ 14

2.2 Definições dos termos adotados ......................................................................... 18

2.3 Orientação para avaliação da severidade da vibração.......................................... 19

2.3.1 Tipos de bases utilizadas durante os testes de máquinas................................ 20

2.3.2 Pontos de medição ..................................................................................... 21

2.3.3 Condições operacionais durante o teste ...................................................... 23

2.4 Escala para avaliação da intensidade da vibração................................................ 23

2.5 Critérios para avaliação de tipos específicos de máquinas.................................... 25

2.6 Avaliação das faixas........................................................................................... 28

2.7 Comentário sobre monitoração de vibração em maquinas...................... ...... 28

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

3.1 Aparato experimental ......................................................................................... 30

3.2 Simulação dos defeitos....................................................................................... 35

3.2.1 Operação de desgaste............................................................................... 35

3.3 Identificação dos parâmetros........................................................................... 37

ix

3.3.1 Freqüências Naturais do sistema ............................................................38

3.3.2 Freqüências características de defeitos em rolamento ............................ 39

3.4 Análise dos resultados........................................................................................ 40

3.4.1 Situação 1 – Máquina nova........................................................................41

3.4.2 Situação 2 – Máquina nova desbalanceada....................... ...................... 49

3.4.3 Situação 3 – Máquina com vida média.....................................................55

3.4.4 Situação 4 – Máquina precisando de reparo imediato..............................61

3.5 Evolução e detecção da vibração causada por rolamento................................69

Capítulo 4 – Análise dos Resultados de Laboratório

4.1 Critérios de Avaliação recomendados pelas Normas Aplicáveis ........................... 71

4.2 Aplicação das Normas Técnicas........................................................................73

Capítulo 5 – Caos nos Resultados Experimentais

5.1 Considerações sobre os Expoentes de Lyapunov................................................ 75

5.2 Aplicando o Expoente para um sinal experimental..........................................77

5.2.1 Situação 1 – Máquina nova........................................................................78

5.2.2 Situação 2 – Máquina nova desbalanceada............................................... 80

5.2.3 Situação 3 – Máquina com vida média..................................................... 81

5.2.4 Situação 4 – Máquina precisando de reparo imediato............................. 83

5.3 Considerações sobre os resultados....................................................................84

Capítulo 6 – Monitoração como Ferramenta de Manutenção

6.1 Parâmetros utilizados na monitoração ................................................................. 86

6.2 Diagnóstico das avarias através da monitoração das vibrações ............................ 87

x

Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões

7.1 Sugestões........................................................................................................... 94

Apêndice A – Identificação das Freqüências Características de

defeitos no

rolamento...................................................................................100

Apêndice B – Descrição do

equipamento...........................................107

Referências

Bibliográficas..................................................................115

1

Capítulo 1 – Introdução

A manutenção ainda encontra um espaço representativo nos custos das grandes

corporações industriais e por este motivo é tema de constante pesquisa para melhorar a

sua eficiência e minimizar sua participação neste quadro, agregando tecnologia de ponta

à sua área de atuação. Por definição, manutenção é “o ato ou efeito de manter” ou “o

dispêndio com a conservação de alguma coisa”. Existem diversas estratégias no

gerenciamento da manutenção que dependem do grau de importância dos equipamentos

dentro da linha de produção e dos custos envolvidos, tanto na execução dos serviços de

manutenção como na substituição dos equipamentos. Pode-se afirmar que atualmente

são quatro as práticas de manutenção: a reativa ou à demanda, a preventiva, a preditiva

e a proativa ou “manutenção otimizada”. Existem algumas divergências conceituais na

definição de cada um dos tipos citados, entretanto pode-se dizer de uma maneira geral,

que a manutenção preditiva é a que atualmente possui maior enfoque.

O objetivo da manutenção preditiva é eliminar as falhas nos equipamentos através

da monitoração das condições de operação destas máquinas, detectar os problemas

ainda numa fase incipiente, prever qual a vida útil remanescente e programar os reparos

necessários, antes que a falha cause uma interrupção do funcionamento da máquina.

Existem vários parâmetros que podem ser monitorados: geração de calor,

avaliação de performance, análise dos lubrificantes, redução dimensional de superfícies

de contato, dentre outras. No entanto, a técnica mais difundida é a monitoração da

vibração.

Na monitoração das condições de uma máquina, a maior atenção é geralmente

dada para a monitoração das condições dos mancais, por serem os componentes mais

comuns, possuírem uma vida de trabalho finita e falharem por fadiga [1]. Com

freqüência, os mancais estão sujeitos a abusos e falham mais freqüentemente que outros

componentes.

Os dois tipos de mancais mais usados nos equipamentos industriais são os

mancais de rolamento e os de deslizamento. Como regra geral, os mancais de

deslizamento apresentam menores níveis de vibração, que os mancais de rolamento. O

principal mecanismo de ruído e vibração para um mancal de rolamento é o processo de

impacto entre os elementos rolantes e as pistas do mancal. Por outro lado, o mecanismo

principal de ruído e vibração para os mancais de deslizamento é o atrito que ocorre

Capítulo 1 – Introdução

2

quando a lubrificação é inadequada ou imprópria. Nesta situação o filme de óleo do

mancal pode se romper produzindo uma excitação conhecida como “stick – slip”, o que

envolve o contato metal com metal de curta duração.

O mancal de rolamento é possivelmente o tipo mais comum utilizado na indústria.

O seu emprego é de grande importância no desenvolvimento das máquinas rotativas e

sua falha resulta na paralisação dos equipamentos. Deste modo a monitoração dos

mancais de rolamentos está continuamente sendo pesquisada e desenvolvida.

Os problemas associados com a monitoração de rolamentos estão diretamente

associados à complexidade da máquina que eles suportam. Por exemplo, enquanto a

monitoração de turbogeradores e de motores elétricos é relativamente fácil, as condições

de monitoração de mancais de eixos principais de turbinas de aviação requerem

procedimentos mais sofisticados de processamento de sinal [1].

Os profissionais da área tecnológica reconhecem a importância dos rolamentos

para a indústria moderna, porém poucos são os que percebem a magnitude dos gastos

com a compra, substituição e armazenamento de rolamentos. De acordo com uma

grande indústria química, a manutenção é o maior custo controlável em uma planta

industrial se igualando, em certos casos, aos lucros líquidos anuais de operação [2].

Por outro lado, os rolamentos contribuem com mais de um quarto das falhas em

equipamentos mecânicos. Isto os coloca no primeiro lugar em importância dentre todos

os itens controláveis dos serviços de manutenção [2]. Isso sem citar o caso de Navios

Sonda de petróleo que possuem diversos equipamentos que utilizam rolamentos e cujo

custo do dia parado chega a duzentos e cinqüenta mil dólares [3].

Dentre todos os parâmetros que se podem monitorar nos equipamentos industriais,

sem dúvida os sinais de vibração são os mais usuais. Este fato se deve ao grande

número de máquinas rotativas e aos elevados índices de retorno que este tipo de

monitoração alcança. A aplicação sistemática de programas de monitoração de

vibrações em máquinas rotativas pode gerar, em grandes plantas, um retorno dez a

cinqüenta vezes o montante investido no primeiro ano de operação [2].

De modo geral, os sinais de vibração são adquiridos através de um acelerômetro

colocado junto ao mancal da máquina. Este sinal é lido e tratado analógica ou

digitalmente para posteriormente ser comparado com parâmetros preestabelecidos.

Existem várias técnicas de apresentação de sinal, dentre as quais a análise do espectro

de vibração é a mais utilizada. O problema deste tipo de análise consiste no

Capítulo 1 – Introdução

3

estabelecimento de parâmetros significativos e confiáveis para a criação de critérios de

diagnóstico. Neste contexto as Normas Técnicas aplicáveis no campo dos fenômenos

vibratórios estabelecem as condições adequadas de funcionamento, na ausência de

recomendações específicas do fabricante do equipamento para avaliação da

performance. Por exemplo, os programas comerciais (“softwares”) baseados em análise

de sinais de vibração, não são nada mais que rotinas que retiram dos sinais adquiridos

de componentes de máquinas, determinadas grandezas que, ao serem comparadas com

um banco de dados com valores padronizados, geralmente dentro dos limites

estabelecidos pelas Normas Técnicas, retornam uma mensagem de “status” ou alarme

ao usuário.

Os valores obtidos de programas computacionais devem ser muito bem ajustados,

tanto em amplitude quanto em freqüência para que não existam alarmes falsos, nem

falhas não detectadas. As freqüências características de falhas em rolamentos não

dependem apenas do conhecimento da rotação da máquina, uma vez que carregamentos

indevidos e o próprio desgaste dos rolamentos alteram a posição dos picos no espectro,

podendo induzir falsos diagnósticos. Além disso, o posicionamento dos acelerômetros,

orientações e distância do rolamento, sua fixação e as características de

transmissibilidade das máquinas introduzem distorções que também podem conduzir a

diagnósticos errados [4]. Neste sentido, as Normas Técnicas aplicáveis aos fenômenos

vibratórios vem corroborar recomendações quanto à fixação, posicionamento dos

acelerômetros e orientações quanto às direções das tomadas de medidas a fim de

minimizar os erros de diagnóstico por falhas de sistematização dos procedimentos de

tomadas de medidas. Destes fatos vem à necessidade de conhecer e interpretar as

Normas Técnicas aplicáveis.

Em suma, saber diagnosticar com precisão o estado do rolamento em máquinas

rotativas, dizer qual o tipo de falha que está se desenvolvendo e qual sua vida

remanescente é, atualmente, uma atividade que pode gerar economias consideráveis

para a indústria em geral.

Em linhas gerais, pode-se dizer que os defeitos em sistemas do tipo eixo-rotor-

mancal estão associados às não-linearidades. A folga no mancal proporciona uma

descontinuidade na rigidez. A relação entre carga e deslocamento, associada ao

problema, também possui características não-lineares, sendo diferente no processo de

carga e descarga.

Capítulo 1 – Introdução

4

Outra característica não-linear tem sua causa em deformações permanentes

devidas a irregularidades nas superfícies dos mancais.

A distribuição das deformações permanentes entre os elementos rolantes e o anel

do mancal é tal que, de modo geral, um terço ocorrem na esfera e dois terços no anel.

Antes de uma fratura se desenvolver em um dos corpos, a deformação permanente terá

assumido proporções consideráveis, e a monitoração das vibrações se tornará uma

poderosa ferramenta na manutenção preditiva.

1.1 Objetivos do trabalho

A análise de vibração é uma ferramenta poderosa de diagnóstico de problemas em

máquinas. Existem muitas maneiras de se obterem os dados de vibração e apresentá-los

para detectar e identificar os problemas específicos em máquinas rotativas.

De acordo com GEITNER E BLOCH [5], o procedimento de obter e apresentar

as amplitudes de vibração para todas as freqüências presentes, talvez seja a mais útil de

todas as técnicas de análise. Estima-se que 85% dos problemas que ocorrem em

máquinas rotativas possam ser identificados a partir da análise no domínio da

freqüência. Segundo VANCE [6], as freqüências presentes no sinal de vibração medido

constituem algumas das informações mais úteis obtidas para diagnosticar problemas da

dinâmica da rotação.

O desbalanceamento, o desalinhamento e a presença de mancais defeituosos são

as principais causas de vibrações indesejadas em rotores [6], de modo que grandes

amplitudes de vibração síncrona, isto é, na mesma freqüência que a rotação do eixo,

geralmente indicam um problema de desbalanceamento do rotor. O estado de

desbalanceamento ocorre quando o centro de massa de um sistema rotativo não coincide

com o centro geométrico. Porém, nem toda excitação do eixo é síncrona. Na realidade,

os problemas mais destrutivos da dinâmica da rotação envolvem movimentos não-

síncronos [5]. A instabilidade na dinâmica da rotação trata quase que exclusivamente de

excitações não-síncronas. Aliás, esta é uma característica da instabilidade em

turbomáquinas, pela excitação do sistema rotor-mancal em freqüências diferentes que a

velocidade de rotação do rotor. As causas da instabilidade na dinâmica da rotação não

estão associadas ao desbalanceamento do rotor, mas geralmente estão associadas com a

não-linearidade existente no mancal de rolamento.

Capítulo 1 – Introdução

5

A palavra instabilidade implica que o movimento pode tender a crescer

ilimitadamente e, de fato, isto ocorre algumas vezes com conseqüências destrutivas para

o equipamento. Por outro lado, excitações não-síncronas do rotor com amplitudes

aceitáveis (não destrutiva) são freqüentemente observadas e aceitas em turbomáquinas,

e podem permanecer por muito tempo na operação normal do equipamento. Estes casos

precisam ser continuamente monitorados pois uma pequena mudança nas condições de

operação ou folga da máquina pode desestabilizar o sistema e produzir um rápido

crescimento na amplitude de vibração.

Segundo THOMSON [7], os procedimentos analíticos para o tratamento das

equações diferenciais não-lineares são complicados e requerem um estudo matemático

mais profundo. Existem poucas soluções exatas conhecidas e grande parte do progresso

no conhecimento de sistemas não-lineares, (em sistemas não-lineares o relacionamento

entre a causa e o efeito não é proporcional), veio de aproximações, soluções gráficas e

simulações numéricas. A análise de sistemas não-lineares é um campo relativamente

novo em aplicações industriais e, em função disto, novas ferramentas de análise da

vibração devem ser desenvolvidas e empregadas.

O objetivo desta dissertação é discutir a detecção e o diagnóstico de falhas em

sistemas mecânicos rotativos através da análise espectral, com o estudo das variações na

amplitude dos sinais característicos de falhas introduzidas pela variação da condição do

rotor e pela folga do rolamento. Estes defeitos simulam o desgaste de funcionamento

usual em máquinas rotativas, apresentando os fenômenos vibratórios que ocorrem no

funcionamento de rotores apoiados em mancais de rolamento. Neste contexto,

simulam-se os defeitos mais comuns encontrados na dinâmica da rotação, a saber: o

desbalanceamento e a folga excessiva do mancal de rolamento. A dissertação mantém o

foco nos defeitos mais comuns que ocorrem em rotores de aplicação industrial, após

pesquisa de campo em grandes empresas da área.

Em linhas gerais, procede-se uma análise de sinais obtidos em bancada de teste de

rotores no Laboratório de Acústica e Vibrações da COPPE/UFRJ (LAVI), identificando

e caracterizando fenômenos vibratórios, com a utilização das ferramentas usuais de

análise de vibração. Esta análise baseia-se em normas técnicas pertinentes. Além disso,

com objetivo de melhor compreender as não-linearidades oriundas da utilização dos

mancais de rolamento com folga excessiva apresentam-se novas ferramentas de análise

Capítulo 1 – Introdução

6

de sinais de vibração, como os Expoentes de Lyapunov. Por fim, visando comprovar os

procedimentos de análise discutidos, eles são aplicados em um caso real ocorrido em

um motor gerador de um navio da Marinha do Brasil, envolvendo os defeitos simulados

no LAVI.

A bancada de teste foi desenvolvida no projeto final de graduação do Miguel

Michalski e Marcus Vinicius Diniz Abrantes, e posteriormente utilizada para a Tese de

Mestrado do Miguel Michalski. Outras pesquisas também foram, anteriormente,

desenvolvidas no LAVI, nesta área, como a de Charles Selassiel Silva de Matos em seu

“Estudos de efeitos dinâmicos induzidos por folga em mancais de rolamento em um

rotor vertical”.

O diagnóstico rápido do defeito e a análise confiável das causas são exigências do

mercado atual e há ainda muito neste campo a ser desenvolvido, pois envolve os

alicerces da indústria moderna, a alta utilização dos meios de produção aliada aos

baixos custos de manutenção, no qual máquinas como compressores, turbinas, motores

elétricos, bombas centrífugas e, após a crise energética de 2000-2001, motores

geradores são cada vez mais utilizados no processo produtivo.

1.2 Desenvolvimento da análise da dinâmica de rotores

A utilização de diversos equipamentos como compressores, bombas, motores,

turbinas e, consequentemente, a utilização de mancais cresceu bastante a partir de

meados do século 19. Acompanhando o aumento da velocidade de rotação das

máquinas, o interesse no desenvolvimento da teoria de mancais cresceu

consideravelmente [8]. Os usuários destas máquinas deparavam-se com grandes

amplitudes de vibrações em certas condições de carga e de velocidade, as quais

transmitiam grandes forças para a fundação e as partes componentes do sistema.

Em 1924, NEWKIRK [8] foi o primeiro a verificar um exemplo de instabilidade

em mancais de deslizamento. Ele demonstrou que dentro de certas combinações de

carga e velocidade, o centro do mancal não permanece fixo como previsto pela equação

de Reynolds para o estado de equilíbrio, mas gira nas redondezas da posição de

equilíbrio a uma velocidade, de aproximadamente, igual à metade da velocidade de

rotação. Este fenômeno foi chamado de “oil whirl”, que poderia ser traduzido como

turbilhonamento (bamboleio).

Capítulo 1 – Introdução

7

A fim de possibilitar a observação destes fenômenos vibracionais, MUSZYNKA

[9] utilizou um rotor simétrico apoiado em mancais de deslizamento. Este modelo

permitiu a obtenção de soluções analíticas e conclusões de como os diversos parâmetros

do sistema rotor-mancal afetam o comportamento dinâmico. Para tal, o rotor levemente

carregado e desbalanceado era suportado por mancais cilíndricos completamente

lubrificados. Nesta situação, os seguintes fenômenos foram observados: quando o rotor

inicia o seu movimento aumentando vagarosamente a velocidade, são observadas

vibrações síncronas causadas pelas forças de inércia do desbalanceamento do rotor. Em

baixas rotações, estas vibrações são estáveis e não trazem maiores conseqüências. Em

altas rotações, geralmente abaixo da primeira velocidade crítica do rotor, o

desbalanceamento não é a única vibração presente. Neste caso, pode-se verificar o “oil

whirl”, com a freqüência próxima à metade do valor da velocidade de rotação do rotor.

As amplitudes de vibração do “oil whirl” são, usualmente, maiores que as do

desbalanceamento. Entretanto, o turbilhonamento é limitado pela folga do mancal e as

forças não-lineares do fluido. A velocidade crítica pode ser definida como “a velocidade

na qual a resposta síncrona ao desbalanceamento é máxima”, isto é, quando uma

freqüência natural é excitada pelo desbalanceamento do rotor girando na velocidade de

rotação do eixo, a velocidade do eixo que coincide com a freqüência natural é chamada

de velocidade crítica.

Quando a velocidade de rotação do rotor atinge a primeira freqüência natural, o

turbilhonamento desaparece e é substituído pelo aumento da vibração síncrona

(desbalanceamento). Cada sistema rotor mancal tem um número discreto de freqüências

naturais de vibração. Associado a cada freqüência natural existe um modo de vibração,

que pode ser entendido como a deflexão do rotor no instante de máxima tensão durante

a vibração.

Neste exemplo, a força de amortecimento radial do fluido é a força dominante no

mancal, onde as forças de inércia são desprezíveis. Nos mancais de deslizamento onde

segundo SHIGLEY [10], ocorrem as lubrificações hidrodinâmica e hidrostática, a

mudança da geometria altera os coeficientes de rigidez e amortecimento do mancal. O

rotor é induzido a se movimentar acompanhando o fluido, de maneira a balancear os

fluxos de óleo internos ao mancal.

Ainda considerando mancais de deslizamento, KUMAR e MISHARA [11]

verificaram a estabilidade de mancais hidrodinâmicos sob o efeito do desgaste para

Capítulo 1 – Introdução

8

quatro relações de comprimento e diâmetro. Concluíram, primeiramente, que a

estabilidade diminui com o crescimento do desgaste até um dado valor. Se o desgaste

continuar a crescer além deste valor, é observada uma melhora na estabilidade. E ainda

que a estabilidade de mancais desgastados é sempre menor do que a de mancais bons

em baixas cargas, porém em altas cargas os mancais desgastados, com o parâmetro de

profundidade de desgaste maior que determinados valores, possuem maior estabilidade

que os mancais não desgastados e a estabilidade do rotor é alcançada.

De acordo com ZHOU E SHI [12] em seu estudo sobre o controle das vibrações

em máquinas rotativas, no modelo de Jeffcott, modelo que consiste de um disco

desbalanceado montado no meio de um eixo flexível de massa desprezível, apoiado nas

extremidades por dois mancais rigidamente suportados, o rotor foi modelado como um

disco rígido suportado por um eixo elástico, sem massa, que foi montado em mancais

rígidos. Este modelo é equivalente a um eixo rígido suportado por mancais elásticos. A

evolução deste modelo em relação ao modelo anterior (modelo do rotor planar), é que

no modelo de Jeffcott, o movimento do rotor é descrito pelo movimento do corpo rígido

em vez do movimento da partícula. Apesar do modelo de Jeffcott ser de um único corpo

rígido, ele pode mostrar os fenômenos básicos do movimento do rotor, incluindo a

precessão direta e retrógrada do rotor sobre a ação de forças desbalanceadas,

velocidades críticas, efeito giroscópio, entre outros.

Em 1972, RUHL e BOOKER [8] usaram o método dos elementos finitos para

estudar as características dinâmicas de uma turbina. Neste modelo, a energia cinética e a

flexão elástica foram consideradas. Os efeitos de inércia, giroscópio, a deformação

cisalhante, o torque axial, a carga axial e o amortecimento interno foram desprezados.

Diversos estudos foram realizados, até que em 1998, LALANNE e FERRARIS [13]

apresentaram, de modo didático, as equações do movimento para um rotor flexível com

a utilização de matrizes de coeficientes de massa, amortecimento e rigidez. As

dimensões destas matrizes são determinadas pelos números de módulos do modelo. Para

sistemas complexos, a ordem do sistema de matrizes é muito grande. Segundo WEBER

[14], a descrição matemática dos movimentos e dos fenômenos ligados à operação de

máquinas rotativas pode levar a modelos com um número muito grande de graus de

liberdade, como ocorre quando se usa a técnica de elementos finitos.

Outro método importante na análise da dinâmica de rotores é o método da matriz

de transferência. Este método foi primeiramente empregado na área de vibrações

Capítulo 1 – Introdução

9

torcionais. Em 1974 ORCUTT e LUND [15] apresentaram procedimentos para a

utilização deste método para a análise dinâmica de rotores. A vantagem deste método é

que ele não requer o armazenamento e a manipulação de um sistema de grande ordem.

O método de matrizes de transferência utiliza uma técnica progressiva de resolução: ele

começa com as condições de contorno de um lado do sistema e sucessivamente caminha

através da estrutura para o outro lado. A solução deve satisfazer todas as condições de

contorno em todos os pontos de contorno. A desvantagem deste método é a dificuldade

de estendê-lo para o domínio do tempo e para a análise não-linear.

Em linhas gerais, os trabalhos mencionados analisam sistemas lineares e, portanto,

utilizam equações diferenciais ordinárias que são linearizadas na vizinhança de um

ponto de operação, geralmente considerando-se a velocidade de rotação constante.

Poucas análises têm levado em consideração o regime transiente da velocidade na

dinâmica do rotor. O primeiro estudo na resposta transiente de rotores possivelmente foi

feito por LEWIS [16] em 1932, usando um método gráfico. Lewis apresentou uma

solução aproximada para o problema de movimentar um sistema, que tinha um único

grau de liberdade e amortecimento linear, da sua velocidade crítica até o repouso a uma

aceleração uniforme. CHILDS [17] desenvolveu um modelo para corpos flexíveis

girantes, tentando separar o movimento do corpo rígido e do corpo flexível, porém não

houve novos trabalhos de pesquisa envolvendo esta sistemática. Em 1988 SUBBIAH e

RIEGGER [18] apresentaram um método que combina o método de elementos finitos

com o método de matrizes de transferência para análise dinâmica transiente, superando

as dificuldades computacionais. Esta é mais uma técnica computacional do que uma

ferramenta de análise.

1.2.1 O fenômeno do desbalanceamento

O rotor desbalanceado não só causa vibrações, como também transmite forças

rotacionais para os mancais e para a estrutura de suporte. As forças transmitidas podem,

se acima de determinados valores, causar avarias ao equipamento e encurtar o seu ciclo

operacional. Todos os rotores possuem desbalanceamento residual adquirido durante o

processo de fabricação, devido às tolerâncias das máquinas de usinagem, ou ainda,

devido à não-homogeneidade do material. Assim, o balanceamento dos rotores garante

o seu perfeito funcionamento.

Capítulo 1 – Introdução

10

De acordo com SHIH e LEE [19], os dois principais métodos de balanceamento

empregados são: o método modal de balanceamento e o método dos coeficientes de

influência. A técnica do balanceamento modal foi desenvolvida por BISHOP [20], e

nela o modo da velocidade crítica do rotor deve ser conhecido, ou por medições

experimentais ou por modelagem matemática. A distribuição de massa também deve ser

determinada da geometria do rotor. A precisão do método depende do conhecimento

dos modos do rotor, que podem ser complexos para os modos maiores que a segunda

velocidade crítica. A técnica dos coeficientes de influência foi apresentada por

GOODMAN [21], em geral o método requer uma medição precisa do ângulo de fase

para produzir resultados aceitáveis.

Parece bastante claro que o melhor meio de balancear um rotor é primeiramente

descobrir a distribuição de massa desbalanceada e então adicionar massa a uma dada

distância radial do eixo de rotação para compensar a massa desbalanceada. Entretanto

devido às deficiências dos métodos para determinar a distribuição de massa

desbalanceada, por vezes, a melhor qualidade do balanceamento não é alcançada.

1.2.2 Efeito da folga em mancais

De acordo com KAEPENKO, WIERCIGROCH e CARTMELL [22], a presença

de folga excessiva em mancais invariavelmente causa severa não-linearidade.

Primeiramente, o fenômeno se apresenta na forma da descontinuidade da rigidez, que

pode conduzir a respostas complexas. Como uma primeira aproximação, o rotor com

folga excessiva no mancal pode ser considerado um oscilador não-linear. As simulações

experimentais mostram vibrações periódicas, síncronas e subsíncronas, bem como,

vibrações caóticas do rotor, acompanhadas por harmônicos elevados. O espectro para

movimento periódico apresenta picos localizados em freqüências discretas. Por outro

lado, o espectro para o movimento caótico não apresenta freqüências discretas, mas

apresenta uma faixa contínua, em uma faixa do espectro. Esse espectro é característico

do regime caótico. Os autores concluem que a resposta do sistema com folga no mancal

depende de parâmetros como amortecimento, rigidez e massa desbalanceada.

Em seu estudo sobre análise da estabilidade para rotores, KHADER [23]

pesquisou a estabilidade dinâmica de um sistema eixo-disco carregado por uma força

axial e torque. Apesar do modelo ser diferente do utilizado no desenvolvimento desta

Capítulo 1 – Introdução

11

dissertação, a sua conclusão é de interesse: o amortecimento rotacional no sistema tem

um efeito estabilizador maior do que o amortecimento translacional, e isto foi verificado

tanto para torques negativos como para positivos.

1.2.3 Caos em sistemas rotativos

O caos é uma das inúmeras possibilidades de um sistema não-linear. É a dinâmica

liberada da previsibilidade. Pode ser entendido como “o comportamento estocástico de

sistemas determinísticos”, ou ainda, “uma coleção de resultados abstratos e métodos

computacionais, a maior parte tendo uma abordagem geométrica, que são aplicáveis ao

estudo de equações diferenciais não lineares e mapeamentos” [24].

O movimento de um mancal de rolamento levemente carregado foi pesquisado por

MEVEL e GUYADER [25] com o objetivo de analisar os diferentes mecanismos

envolvidos na transição para o regime caótico. Através da variação de um parâmetro de

controle, diferentes rotas para o caos foram descritas. A mais conhecida é a rota

subharmônica, que é caracterizada pelo aumento do número de subharmônicos da

freqüência do movimento. A segunda rota é uma rota semiperiódica, caracterizada pela

concorrência entre a segunda ressonância do mancal e a freqüência de passagem das

bilhas. Isto resulta no crescimento do número de combinações das duas freqüências. A

ocorrência da perda de contato entre as bilhas e a pista foi relacionada com a existência

de caos.

Quando um mancal está sujeito à carga radial, as cargas das bilhas é função da

posição angular da gaiola, e a rigidez da montagem varia continuamente, o que provoca

um tipo de excitação, chamada de “varying compliance frequency”, que poder ser

entendida como vibrações devidas às variações de concordância do mancal, às

chamadas vibrações “V.C”. A teoria de Hertz fornece para o contato linear uma relação

quase linear entre força e deslocamento. MEVEL e GUYADER [25] observaram como

uma causa de não-linearidade, nesta relação, é a variação do número de elementos

rolantes na zona de carga.

A rota subharmônica está associada com a primeira velocidade crítica. Ela gera

um grande número de subharmônicos na freqüência de passagem das bilhas e é

característica da instabilidade em mancais de rolamento. A combinação entre os dois

elementos básicos, a saber, a freqüência de passagem das bilhas e a freqüência de

Capítulo 1 – Introdução

12

ressonância vertical, resulta no crescimento do número de combinações e finalmente

tende para o caos pela soma das ressonâncias.

TIWARI, et al [26] simularam um rotor desbalanceado suportado em uma

extremidade por mancal de rolamento, que teve sua folga interna modificada de 2,5 ? m

(SKF – tipo C2) para 20 ? m (SKF – tipo C5). A não-linearidade observada foi devida

tanto ao contato Hertziano como à folga radial interna, resultando no aparecimento de

subharmônicos e na soma e diferença da combinação das freqüências de rotação e da

variação de concordância. Segundo a referência [26], experimentalmente foi verificado

que o crescimento da folga radial interna aumenta a não-linearidade do sistema com o

aparecimento de muitos subharmônicos e super-harmônicos.

1.3 Apresentação dos Capítulos

Após uma introdução, o Capítulo 2 apresenta as Normas Técnicas aplicáveis à

vibração em equipamentos, comparando as principais Normas internacionais existentes,

apresentando os critérios para avaliação, as faixas de classificação de equipamentos, as

classes de vibração, as orientações para as medições e a definição dos termos utilizados.

É de suma importância ao especialista em vibrações conhecer as Normas Técnicas, pois

estas fornecem referências, que como regra geral, devem ser utilizadas para evitar erros

na coleta e na interpretação dos dados obtidos. Através da sistematização dos

procedimentos procura-se evitar falhas comuns em medições de campo, economizando

tempo e dinheiro no processo de coleta dos dados. Além do que, na manutenção

moderna é grande a utilização de programas para a monitoração dos níveis de vibração

de máquinas e as Normas Técnicas fornecem parâmetros de análise da qualidade da

vibração para tipos diferentes de máquinas.

No Capítulo 3 são simuladas em laboratório, as condições mais usuais de avarias

em rotores, a saber: rotor desbalanceado, rotor desbalanceado com folga no mancal de

rolamento e uma situação limite, com um rotor desbalanceado com folga excessiva no

mancal de rolamento. A teoria relacionada aos mancais de rolamento é brevemente

comentada para explicar os fenômenos relacionados à variação de rigidez do mancal.

Ainda é mostrado o método utilizado para, a partir de um rolamento novo, simular o

desgaste de uso e o dispositivo utilizado para a verificação da folga radial. Estes

defeitos foram selecionados após uma pesquisa de campo, com grandes empresas da

Capítulo 1 – Introdução

13

área de rotores, para levantar as avarias mais comuns em rotores suportados por mancais

de rolamento. Neste caso, as ocorrências reais coincidiram com os defeitos apontados na

literatura consultada. Analisa-se a evolução da vibração causada por rolamentos

defeituosos, estabelecendo os estágios de acordo com a vida útil do rolamento. Para tal,

utilizam-se dos conceitos de detecção e diagnóstico das falhas atribuindo ao primeiro, a

caracterização do estado da falha do rolamento. Em suma, são objetivos deste capítulo

diagnosticar o estado de funcionamento de máquinas rotativas, que utilizam mancal de

rolamento como apoio, dizer qual o tipo de falha que está se desenvolvendo e qual sua

vida remanescente do rolamento.

No Capítulo 4, as Normas Técnicas são aplicadas aos resultados experimentais de

laboratório, enquadrando em faixas de qualidade.

No Capítulo 5 os resultados experimentais são verificados quanto à existência de

caos. Para tal, são levantados os Expoentes de Lyapunov, para cada uma das quatro

situações simuladas no aparato experimental.

No Capítulo 6, a monitoração é utilizada como ferramenta de manutenção, sendo

apresentados a evolução da vibração, sua análise e o reparo efetuado, à luz dos

conceitos utilizados nos capítulos anteriores. O equipamento selecionado é um motor

gerador marca Paxman de dezesseis cilindros, no qual monitoram-se as vibrações do

mancal de rolamento, do lado não acoplado ao motor. Este tipo de equipamento passou

a ser bastante utilizado nas indústrias de grande e médio porte, grandes centros

comerciais e até em condomínios, a partir da crise energética ocorrida no Brasil no

início do século XXI. Finalizando, no Capítulo 7, apresentam-se as conclusões do

trabalho e as sugestões de pesquisas futuras.

No Apêndice A são identificadas as freqüências características de defeitos em

rolamentos, apresentando a formulação apropriada. No Apêndice B apresenta-se o

motor gerador utilizado para a monitoração das vibrações, descrevendo as

características técnicas e funcionais.

Capítulo 2 – Normas Técnicas

Neste Capítulo, são apresentadas as Normas Técnicas aplicáveis ao fenômeno

vibratório. Os parâmetros, escopo, campo de aplicação, e os critérios para avaliação das

diversas Normas são comentados. São apresentadas definições, fórmulas comuns,

considerações físicas, orientações para a tomada de medidas, tudo sob a ótica da

monitoração da vibração.

2.1 Normas Técnicas Aplicáveis

Os níveis de vibração admissíveis para monitoração de máquinas rotativas têm

sido objeto de estudos por diversas comissões técnicas de diferentes países. Dentre eles

destaca-se a ISO 2372 [27] de novembro de 1974, a VDI 2056 [28] (Verein Deutscher

Ingenuere), Associação dos Engenheiros Alemães, de outubro de 1964, a BS 7854

(“British Standard”) [29] de 15 de maio de 1996, além das normas militares “Military

Standard”.

A ISO (“International Organization for Standardization”) é uma federação

mundial de institutos nacionais de padronização chamados de “ISO Member Bodies”.

O trabalho desenvolvido pela “International Standards” é suportado por Comitês

Técnicos e cada membro interessado em um assunto tem o direito de ser representado

no Comitê. Organizações Internacionais, governamentais e não governamentais, ligadas

à ISO também participam do trabalho. As minutas das “International Standards”

adotadas pelo comitê técnico são enviadas aos membros para aprovação, antes de sua

aceitação como “International Standards” pelo conselho da ISO. A Norma ISO 2372 foi

minutada pelo comitê técnico ISO/TC 108, vibração mecânica e choque, e aprovada

pelos membros de 15 países em junho de 1971. Nestas comissões, questionamentos têm

sido feitos, como quais os limites de vibração devem ser considerados convenientes

para determinado tipo de equipamento, ou seja, quais as exigências tecnicamente

necessárias, mas também viáveis do ponto de vista operacional e financeiro.

Estes questionamentos e outras considerações importantes como o campo de

aplicação, instrumentos de medição, forma de fixação do equipamento a ser testado em

sua base, ponto de medição, considerações operacionais durante o teste e escalas de

avaliação, são abordados de forma padronizada por diversas comissões que, em

essência, apresentam recomendações semelhantes, mudando apenas a forma de

14

Capítulo 2 – Normas Técnicas

15

abordagem e sua terminologia. Por exemplo, a VDI 2056 chama de grupos K, M, G, T,

D, S o que a ISO 2372 chama de classes I, II, III, IV, V, VI respectivamente, mantendo,

porém, praticamente as mesmas classificações de equipamentos e as mesmas faixas de

severidade de vibração.

De forma análoga, a BS 7854 é um documento básico que estabelece orientações

gerais para medições e avaliações de vibração em máquinas. Esta Norma estabelece

dois critérios de avaliação da severidade de vibração:

?? O primeiro critério considera a magnitude da vibração observada, enquadrando em

faixas de forma idêntica as Normas ISO 2372 e VDI 2056.

?? O segundo critério é especificado com base na mudança da magnitude na faixa de

vibração, mantendo-se constantes as condições de operação da máquina.

Uma mudança significativa na magnitude da vibração pode exigir alguma ação

corretiva, mesmo se, por exemplo, a Zona C do critério I, (zona insatisfatória / ainda

aceitável) ainda não tiver sido atingida , de forma a prevenir uma possível falha no

equipamento.

A BS 7854 recomenda que limites operacionais sejam criados. Estes limites

seriam o alarme e o “Trip”:

?? O alarme fornece um aviso que um determinado valor de vibração foi alcançado, ou

que uma mudança significativa na vibração ocorreu. Em geral, se uma situação de

alarme ocorre, a máquina pode continuar operando por um período, enquanto se

investiga as razões da mudança da vibração e uma ação corretiva possa ser tomada.

Este limite é estabelecido especificando-se a “Baseline”, ou linha de referência, e

estipulando um fator fixo para representar uma modificação do estado de

funcionamento. Onde não estiver estabelecido o valor da linha de referência, por

exemplo, em uma máquina nova, o valor do Alarme deve ser baseado na

experiência com outras máquinas similares, ou acordado um valor aceitável com o

fabricante do equipamento. Após um período de funcionamento em condições

normais, o valor da linha de referência é estabelecido através de observação, e o

alarme ajustado de forma conveniente.

?? O “Trip” especifica uma medida de vibração além da qual a operação do

equipamento pode causar estragos. Se o valor do “Trip” for alcançado, a máquina

deve ser imediatamente colocada fora de funcionamento ou ações corretivas devem

ser tomadas, de forma a reduzir a vibração. Em geral, o valor do “Trip” está situado

Capítulo 2 – Normas Técnicas

16

na zona C ou D, (ainda aceitável/não permitido, respectivamente).

A prática tem mostrado que, para freqüências de rotação do eixo de até 1000Hz,

um aumento de 2,5 vezes (8dB) deve ser considerado uma alteração significativa, o que

deve acarretar uma investigação das causas de tal alteração. Por outro lado, um aumento

de 10 vezes (20dB) a partir da condição de referência significa a necessidade de reparo

imediato, como sugerido pela Norma ISO 2372.

As grandes multinacionais que fornecem equipamentos para o meio naval, como

turbinas a gás, turbinas a vapor, compressores centrífugos e diesel-geradores, bem como

algumas Marinhas do mundo, entre elas a Marinha do Brasil, além das Normas citadas,

utilizam com muita freqüência a “MILITARY STANDARD”, MIL-STD 167-1[30]

(ships) – “Mechanical Vibration of Shipboard Equipment”, última revisão de 9 de

agosto de 2002. A MIL-STD é dividida em capítulos, a saber:

Tipo I – Vibração Ambiental;

Tipo II – Vibração auto-excitada;

Tipo III – Vibração de máquinas alternativas;

Tipo IV – Sistemas de propulsão;

Tipo V – Eixos propulsores de navios.

A avaliação de uma máquina no contexto das normas leva em consideração o

efeito das seguintes considerações gerais: as características da máquina; o esforço feito

pela vibração na máquina, por exemplo, nos mancais, nos acoplamentos e nas bases de

fixação; a necessidade de manter o funcionamento da máquina livre de problemas que

poderiam expô-la ao mau funcionamento ou a degradação dos componentes como, por

exemplo, excessiva deflexão do rotor; as características dos instrumentos de medição; o

esforço físico e mental no homem; o efeito da vibração da máquina no meio ambiente,

como em instrumentos adjacentes e máquinas.

As Normas Técnicas estão preocupadas somente com a severidade da vibração

mecânica de máquinas individuais, e não com a energia radiada individualmente das

partes vibrantes. As únicas vibrações consideradas são aquelas que ocorrem em

superfície de máquinas, como em mancais, na faixa de freqüência de rotação do eixo de

10 Hz a 1000 Hz.

As vibrações medidas na superfície podem fornecer somente uma indicação do

estado da vibração ou de movimentos internos da máquina. Elas não dão

Capítulo 2 – Normas Técnicas

17

necessariamente evidências do movimento das partes críticas, nem garantem que uma

vibração local excessiva possa não ocorrer na máquina. De acordo com NORTON [1], a

vibração medida na estrutura de um mancal de rolamento tem quatro fontes principais:

os elementos girantes do mancal, a ressonância destes elementos e da estrutura,

emissões acústicas e outras vibrações. Em particular, a vibração torcional de partes

rotativas não pode ser corretamente indicada por vibrações medidas na superfície do

equipamento. Embora, em vários casos, estes fatores possam ser tratados teoricamente,

especificações técnicas levando em conta estes termos não são usualmente

consideradas.

De uma maneira geral, é vantajoso e pode ser decisivo para a utilização de um

teste, que um único valor seja usado para definir o estado de vibração da máquina

durante o teste. Para aplicações industriais, entretanto, é preferível que seja escolhida

uma unidade de medida que possa ser usada como uma estimativa do valor e possa ser

mostrada em escala simples. As unidades de medida e as escalas escolhidas devem

garantir uma estimativa apropriada para a maioria dos casos que ocorrem na prática e a

avaliação não deve contradizer a experiência já obtida.

Nas Normas, o termo severidade de vibração, definido como uma unidade

característica compreensível e simples para descrever o estado de vibração de uma

máquina, é usado como base de classificação. No campo das considerações teóricas e

de experiências práticas, o valor da raiz quadrada da média temporal do quadrado do

módulo da velocidade de vibração, conhecido também como “root mean square value”,

ou simplesmente valor RMS, tem sido escolhido como unidade de medida para indicar a

severidade da vibração. Nos casos críticos e dentro de condições especiais, a avaliação

do comportamento de uma máquina baseada na severidade de vibração não deve ser

usada em detrimento de parâmetros significativos, medidos mais precisamente. Em

geral, o uso da severidade de vibração como critério fornece uma avaliação

relativamente confiável necessitando somente de medições simples.

Capítulo 2 – Normas Técnicas

18

2.2 Definições dos termos adotados

A velocidade de vibração tem sido selecionada como um parâmetro importante

para caracterizar a severidade de vibração de uma máquina. O valor da velocidade RMS

é usado para medir a severidade de vibração e o nível máximo medido ou calculado é

definido em uma posição selecionada e dentro de condições operacionais e ambientais

pré-ajustadas. Esta pode ser medida e mostrada diretamente por instrumentos

eletrônicos apropriados.

A partir da velocidade de vibração medida, o valor RMS da velocidade pode ser

calculado por:

Vrms= dtvT T 2

0

1 ? (2.1)

Onde: T é o período (tempo que vibração leva para realizar uma oscilação completa), ?

é a velocidade de vibração, t é o tempo.

Aceleração, velocidade, ou deslocamento (aj, vj e sj, respectivamente, onde j

representa o termo da série) podem ser determinados como funções da velocidade

angular ( n???? ,...,, 321 ), assumindo movimento harmônico. Desta forma, as

velocidades RMS características associadas ao movimento são dadas por :

Vrms = ? ? ?

?

? ? ?

? ?? ?

? ?? ?

? ????

?

? ?? ?

? ???

?

? ?? ?

? ? ? ?

? ? ?

22

2

2

2

1

1 ... 2 1

n

naaa ???

= ? ?2222222121 ...2 1

nnsss ??? ??? (2.2)

= ? ?22221 ...2 1

nvvv ???? ? ?

? ? ?

Capítulo 2 – Normas Técnicas

19

Em casos onde a vibração consiste em somente 2 freqüências significativas dando

batimentos de valores RMS Vmin e Vmax, o valor RMS pode ser determinado de forma

aproximada da relação a seguir:

Vrms = ? ?2min22 1

vvmáx ? (2.3)

Existe pelo menos um local na máquina onde é importante saber se existe

vibração significativa. Um local importante é a base da máquina onde existe o seu

ponto de fixação com a fundação, ou os mancais de sustentação.

Componentes verticais e horizontais da vibração nestas localizações podem dar

uma medida direta de uma condição dinâmica indesejável na máquina, como por

exemplo, um grande desbalanceamento.

2.3 Orientação para avaliação da severidade de vibração

A vibração medida em máquinas deve ser indicada e gravada por meio de

instrumentos mecânicos e eletrônicos, os quais seguem, sempre que possível, a

regulamentação das Normas existentes. Padrões aplicados como regras ou orientações

para tomada de medições e redução das informações gravadas devem ser levados em

consideração.

Antes de se fazer uma medição, cuidados devem ser tomados para garantir que os

instrumentos de medição operem corretamente dentro da faixa de freqüência e

velocidade em questão, e também, dentro de condições ambientais pré-estabelecidas,

como temperatura, campos magnéticos e acabamento superficial, dentre outros. A

resposta e a resolução dos instrumentos dentro da faixa de medição devem ser

conhecidas.

É aconselhável o uso de instrumentos cujas propriedades tenham sido verificadas

por uma autoridade de calibração reconhecida. Recomenda-se, ainda, que os

instrumentos de medição sejam calibrados antes do uso, quando houver dúvida da

validade de sua calibração. Esta observação, apesar de óbvia, nem sempre é levada em

Capítulo 2 – Normas Técnicas

20

consideração e por vezes resultados absurdos são encontrados, fazendo com que se

perca tempo na tentativa de encontrar um erro.

2.3.1 Tipos de bases utilizadas durante os testes de máquinas A base da máquina pode afetar significativamente o seu nível de vibração medido.

A base a ser usada em avaliações de máquinas especiais deve ser especificada com

documentação relevante, de acordo com a sua faixa de classificação.

A experiência tem mostrado que níveis de vibração comparáveis de máquinas em

teste são mais facilmente alcançados quando estas máquinas são testadas com

montagem leve, Figura 2.1[27]. Segundo a Norma ISO 2372 para que a máquina seja

considerada de montagem leve deve ser suportada por um sistema resiliente de forma

que a menor freqüência natural da máquina na sua montagem para teste seja menor que

¼ da menor freqüência de excitação. Além do mais, a massa do sistema resiliente não

deve exceder 1/10 da massa da máquina a ser testada.

Figura 2.1 – Arranjo esquemático do teste de uma máquina com montagem leve [27].

Os níveis de vibração de uma máquina projetada para ser fixada a uma placa de

base rígida podem somente ser alcançados quando a máquina é testada nesta placa de

base.

Capítulo 2 – Normas Técnicas

21

Duas categorias de placas de base podem ser usadas [27]:

a) Placas de bases mais leves do que a máquina e nas quais se deseja somente fixar a

máquina. Neste caso, a massa da base deve ser menor que ¼ da massa da máquina.

b) Placas de bases mais pesadas que a máquina, como um piso rígido, e nas quais é

desejável fixar os pés da máquina. Neste caso, a massa da base deve ser pelo menos

duas vezes maior do que a massa da máquina.

Em ambos os casos, não deve ocorrer nenhuma ressonância da base na faixa de

freqüência de operação da máquina. A base, com a máquina rigidamente fixada, deve

ser montada, de forma que todas as freqüências naturais do sistema máquina – base

sejam menores que ¼ da menor freqüência de excitação da máquina.

Quando a máquina a ser testada é do tipo e tamanho que não permitem a

montagem flexível, ela é geralmente montada em uma base estrutural. Deve ser notado,

entretanto, que nestes casos uma comparação dos níveis da severidade da vibração

válida para máquinas do mesmo tipo, somente pode ser feita se as fundações, incluindo

solos, tiverem as mesmas características dinâmicas. Se esta condição não é encontrada,

o nível da severidade da vibração deve ser definido para cada caso particular, como por

exemplo, no caso de máquinas muito grandes, que somente podem ser testadas no

local

2.3.2 Pontos de medição

Os pontos de medição devem ser escolhidos, preferencialmente, onde a energia

de vibração é transferida para montagens resilientes ou para outras partes do sistema.

Para equipamentos que possuam massas rotativas, os mancais são pontos de medição

preferenciais.

Em casos particulares, pode ser aconselhável escolher outros pontos de medição, e

estes devem ser tomados nas direções de três eixos perpendiculares, de acordo com as

Figuras 2.2 e 2.3 [27]. A Norma BS 7854 [29] indica posições típicas de medição,

conforme mostrado nas figuras a seguir.

Capítulo 2 – Normas Técnicas

22

Figura 2.2 – Pontos de medição para mancais [27].

Figura 2.3 – Pontos de medição no alojamento do mancal [27].

Capítulo 2 – Normas Técnicas

23

2.3.3 Condições operacionais durante o teste

As condições operacionais como temperatura, carga, velocidade, devem ser

especificadas antes do teste, e as condições reais do teste devem ser anotadas. Para

máquinas de velocidade variável, a medição deve ser feita a várias velocidades, com o

objetivo de localizar as freqüências de ressonância que ocorrem, e avaliar seus efeitos

na vibração medida.

2.4 Escala para avaliação da intensidade de vibração

Baseado na experiência, vibrações com a mesma velocidade RMS em qualquer

lugar na banda de freqüência de 10Hz a 1000Hz, são geralmente consideradas como

sendo de igual severidade [27].

A faixa de classificação da avaliação deve ter a relação de 1: 1,6, com variação de

4 dB entre os níveis de severidade [27]. Para uma diferença de faixa de 4 dB, a

velocidade cresce ou decresce, o que representa uma mudança significativa na resposta

de vibração para a maioria das máquinas.

Isto permite a construção de uma escala geral semelhante à da Tabela 2.1, que é

independente e não restrita a um grupo de máquinas específicas. Disto se apreende que

o termo severidade de vibração pode ser usado independentemente do julgamento de

fatores individuais. De fato, ele pode ser usado para construir qualquer classificação de

avaliação desejada.

Possíveis diferenças em relação à avaliação por usuários e fabricantes podem

geralmente ser evitadas se, antecipadamente, for acordada qualidade da medição

desejada.

Capítulo 2 – Normas Técnicas

24

Tabela 2.1 – faixas de severidade de vibração [27]

Faixa de velocidade (RMS)

mm/s Pol/s Faixa de

classificação Superior a Até Superior a Até

0,11 0,071 0,112 0,0028 0,0044

0,18 0,112 0,18 0,0044 0,0071

0,28 0,18 0,28 0,0071 0,0110

0,45 0,28 0,45 0,0110 0,0177

0,71 0,45 0,71 0,0177 0,0280

1,12 0,71 1,12 0,0280 0,0441

1,8 1,12 1,8 0,0441 0,0709

2,8 1,8 2,8 0,0709 0,1102

4,5 2,8 4,5 0,1102 0,1772

7,1 4,5 7,1 0,1772 0,2795

11,2 7,1 11,2 0,2795 0,4409

18 11,2 18 0,4409 0,7087

28 18 28 0,7087 1,1024

45 28 45 1.1024 1.7716

71 45 71 1.7716 2.7953

Capítulo 2 – Normas Técnicas

25

2.5 Critérios para avaliação de tipos específicos de máquinas

O valor da severidade das vibrações associado com uma faixa particular de

classificação depende do tipo e da massa do corpo vibrante, das características do

sistema, da resposta e do uso da máquina. Entretanto, é necessário levar em conta os

vários objetivos e circunstâncias relacionadas quando se especificam faixas diferentes

da Tabela 2.1 para diferentes tipos de máquinas. Por exemplo, a faixa de severidade

correspondente a “não permissível” ou “aceitável” pode ser diferente de acordo com o

equipamento a ser avaliado.

Com o objetivo de mostrar qual o método recomendável de classificação que

pode ser aplicado, alguns exemplos de classes específicas de máquinas são mostrados a

seguir. Deve ser enfatizado, entretanto, que eles são simplesmente exemplos e outras

classificações são possíveis (ver Tabela 2.2 - Critérios de vibração para grupos

específicos de máquinas). Para máquinas especiais, recomendações para aceitação dos

níveis de severidade das vibrações devem ser preparadas.

De acordo com a Norma ISO 2372, as seguintes classes de equipamentos são

apropriadas para a maioria das aplicações:

CLASSE I: Máquinas pequenas: Partes individuais de máquinas e motores,

integralmente conectados com toda a máquina em sua condição de operação normal,

motores elétricos até 15 kW são exemplos típicos de máquinas desta categoria.

CLASSE II: Máquina de médio porte, tipicamente motores elétricos de 15 kW a 75 kW,

sem fundação especial, motores rigidamente montados ou máquinas até 300 kW em

fundação especial.

CLASSE III: Grandes acionadores principais e outras máquinas grandes, com massas

rotativas montadas em fundações rígidas e pesadas que são relativamente rígidos na

direção de medida da vibração.

CLASSE IV: Turbomáquinas: Grandes acionadores principais e outras máquinas

grandes com massa rotativa montada em fundação que são relativamente suaves na

direção da medição da vibração (por exemplo turbo geradores, especialmente aqueles

com subestrutura leve).

CLASSE V: Máquinas e sistemas mecânicos acionados com esforço de inércia

Capítulo 2 – Normas Técnicas

26

desbalanceado, realizados por partes alternativas, montados em fundações que são

relativamente rígidas na direção da medida da vibração.

CLASSE VI: Máquinas e sistemas mecânicos acionadores com esforço de inércia

desbalanceado realizado por partes alternativas, montados em fundações que são

relativamente flexíveis na direção da medição da vibração, máquinas com massas

rotativas acopladas com folgas, como eixo batedor em máquinas trituradoras, máquinas

centrifugas com capacidade variável de desbalanceamento operando como unidades

únicas sem componentes conectados, telas vibratórias, máquinas de teste dinâmico de

fadiga, excitadores de vibração usados em plantas de processamento.

As primeiras quatro classes foram selecionadas porque existe um campo

substancial de experiências nas quais se baseia sua avaliação.

A Tabela 2.2 apresenta uma ordem sugerida de faixas de qualidade de A até D. A

Norma ISO 2372 indica que um aumento da ordem de 2,5 vezes (8 dB) no nível de

vibração é uma alteração significativa no estado de funcionamento da máquina. Esse

aumento corresponde à largura de uma faixa de qualidade. Por outro lado, é grave um

aumento de 10 vezes (20 dB), pois a severidade da vibração da máquina pode passar

para a classificação “não permissível”, faixa de qualidade D.

Tem sido prática comum separar entre níveis de vibração medidos na direção

horizontal e vertical em máquinas da Classe III. Em muitos casos, a tolerância para

vibração na horizontal é o dobro da utilizada para vibrações na direção vertical .

Máquinas com fundações relativamente leves são tratadas em categoria separada.

Entretanto, o julgamento menos preciso para vibrações horizontais, mencionado nas

classes III e IV, não parece ser justificado hoje em dia.

Máquinas nas Classes V e VI, especialmente motores alternativos, variam

largamente em construção e em forças de inércia, conseqüentemente variam

consideravelmente em suas vibrações características. Por esta razão, é difícil classificá-

las do mesmo modo que as máquinas das quatro primeiras classes.

Máquinas com montagem resiliente da Classe VI permitem tolerâncias maiores.

As forças transmitidas pela montagem para o meio exterior são pequenas. Dentro destas

circunstâncias, os níveis de vibração medidos do lado da máquina do sistema montado

são maiores do que aqueles medidos quando a máquina é presa em um suporte rígido

Capítulo 2 – Normas Técnicas

27

relativamente grande. Velocidades RMS de 5O mm/s ou maiores podem ser medidas

em motores com alta velocidade de rotação. Partes acopladas podem ainda ter

velocidades de vibração maiores porque são freqüentemente sujeitas a efeitos de

vibrações. Quando passar através de uma ressonância, velocidades RMS da ordem de

500 mm/s podem ocorrer por curto intervalo de tempo.

Neste caso, outros fatores além dos associados a motores elétricos são decisivos

na avaliação do desempenho da máquina. Em geral, a vibração não deve causar avarias

tais como afrouxar peças, porcas e parafusos, ou causar quebra em partes elétricas ou

em uniões de sistemas hidráulicos ou pneumáticos.

Tabela 2.2: Faixas da severidade de vibração e exemplos de suas aplicações para

máquinas pequenas (Classe I), máquinas do tipo médio (Classe II) e turbo máquinas

(Classe IV) [27].

Velocidade de

Vibração

Classe I Classe II Classe III Classe IV

0,28

0,45

0,71

A

1,12

A

1,8 B

A

2,8 B

A

4,5 C B

7,1 C B

11,2 C

18 C

28

45

D D

D D

Capítulo 2 – Normas Técnicas

28

2.6 Avaliação das faixas

Uma outra classificação encontrada nas Normas Técnicas [27] diz respeito às

zonas características de qualidade de vibração. Em geral, existem quatro Zonas, a

saber:

Zona A – O nível de vibração de máquinas novas deve normalmente estar contemplado

nesta faixa.

Zona B - Máquinas com vibração nesta zona são geralmente consideradas aceitável

para operação sem restrição.

Zona C - Máquinas com vibração nesta zona são normalmente consideradas

insatisfatória para a operação continua. Geralmente, a máquina pode funcionar por um

período de tempo aguardando oportunidade de reparo. Esta faixa pode ser chamada de

ainda aceitável”.

Zona D – Os valores de vibração nesta zona são considerados, normalmente, com

severidade suficiente para causar avarias nas máquinas. Esta faixa pode ser chamada de

não permissível”.

2.7 Comentários sobre a monitoração da vibração em máquinas

A monitoração de vibração em máquinas pode ser baseada em verificações

periódicas da sua condição de operação. Alternativamente, também pode ser baseada no

número de horas de funcionamento ou mesmo, por suspeitas do operador de que o

equipamento está operando de forma irregular. A monitoração permanente de vibração é

empregada em máquinas específicas e não duplicadas, possuindo custos elevados, cuja

continuidade de operação é fundamental para o processo de produção. Neste caso, as

falhas são detectadas imediatamente e um alerta ou sinal de alarme é disparado na sala

de controle, de tal forma que medidas corretivas apropriadas possam ser tomadas antes

que avarias ocorram.

Esses sistemas, em conjunto com outros critérios de monitoração de

Capítulo 2 – Normas Técnicas

29

equipamentos, como temperatura e pressão, são largamente empregados na indústria de

geração de energia, petroquímica e usinas nucleares, em turbinas, bombas de

alimentação de caldeira (turbobombas), compressores de gás e outros equipamentos

fundamentais. A monitoração de máquinas tem por objetivo principal alertar sobre uma

alteração repentina na condição de funcionamento da máquina monitorada.

As Normas Técnicas aplicáveis ao controle da vibração de rotores têm atualmente

um papel muito importante, pois fornecem parâmetros que podem ser utilizados como

referência. Porém, a prática mostra que as Normas Técnicas devem ser usadas na

ausência de recomendações específicas do fabricante do equipamento. O técnico ou

profissional de campo que utiliza as Normas Técnicas deve ter critério para a análise

dos resultados obtidos. Isto pode ser complicado pois vai depender da experiência

profissional do usuário e do conhecimento da performance do equipamento que está

sendo testado, a fim de fornecer uma análise confiável do real estado de funcionamento

do equipamento, de qualquer modo as Normas Técnicas são internacionalmente aceitas

e utilizadas como parâmetros aceitáveis de referência.

30

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

Neste Capítulo, é apresentado o aparato experimental utilizado para a simulação

de defeitos em sistemas rotativos. Apresenta-se como foram simulados os defeitos mais

comuns existentes em máquinas rotativas, caracterizados por 4 Situações: Situação 1, de

máquina nova, Situação 2, de máquina nova desbalanceada, Situação 3, de máquina

com vida média e Situação 4, de máquina precisando de reparo imediato. São utilizadas

duas velocidades de rotação do eixo, para o estudo das 4 Situações, a primeira a 1680

rotações por minuto e a segunda a 2700 rotações por minuto. Na “Identificação dos

parâmetros”, levantam-se os principais parâmetros que auxiliam na análise dos

resultados experimentais. Na análise dos resultados são caracterizados e identificados os

fenômenos estudados e, por fim, é apresentada a evolução e a detecção da vibração

causada pelo rolamento, classificando em quatro estágios em função da vida útil do

rolamento.

3.1 Aparato Experimental:

Com o objetivo de investigar o efeito da folga radial interna no mancal de

rolamento e da força desbalanceada na resposta dinâmica de um rotor horizontal,

desenvolve-se um aparato experimental, e são criadas quatro situações para caracterizar

os principais defeitos que ocorrem em turbomáquinas. Para tal, inicialmente, são

tomadas medidas de vibração com rotor balanceado e mancais de rolamentos novos, que

corresponde à Situação 1, de máquina nova. Posteriormente, provoca-se um

desbalanceamento no rotor para obter a Situação 2, de máquina nova desbalanceada.

Com o objetivo de simular o desgaste característico do uso, aumenta-se a folga interna

do rolamento, primeiramente em três milésimos da polegada, aproximadamente um

décimo de milímetro (0,076 mm), que representa a Situação 3, de máquina com vida

média. Depois disso, aumenta-se à folga para doze milésimos da polegada, ou três

décimos de milímetro (0,3 mm), que corresponde à Situação 4, de máquina

precisando de reparo imediato.

A primeira velocidade crítica não é ultrapassada de modo que a análise simula um

rotor rígido. A montagem é feita para um rotor horizontal, suportado por dois mancais

de rolamento de esfera do tipo NSK 608 Z, montados nas pontas do eixo, sendo

31

considerados rígidos nas direções vertical e horizontal. O rotor é acoplado a um motor

elétrico trifásico, 220V, marca WEG, com acoplamento flexível e tem sua velocidade

controlada por um regulador de velocidade.

Após a medição do sistema rotor-mancal para velocidade de rotação do eixo de

1680 RPM, que corresponde à freqüência de rotação de 28 Hz, que é escolhida por não

sofrer influencia da freqüência de ressonância, (na literatura encontra-se também,

freqüência de excitação, ou de operação, ou síncrona, ou fundamental, ou 1x a rotação

[31]), nas quatro situações, passa-se à medição para as mesmas situações utilizando-se a

velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM, simulando assim, o funcionamento do

equipamento próximo a sua condição de ressonância.

Este rotor foi originalmente desenvolvido em referência ao trabalho de final de

curso de Engenharia Mecânica e foi também utilizado na tese de mestrado do Miguel

Michalski e Marcus Vinicius Diniz Abrantes, estando disponível no Laboratório de

Acústica e Vibração (LAVI) da COPPE / UFRJ. A Figura 3.1 mostra como foi feita a

montagem do conjunto em bancada de teste.

Figura 3.1 – Bancada de teste de rotores

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

32

A instrumentação do aparato experimental é feita utilizando-se dois sensores de

deslocamento, modelo BAW 018-PF-1K-03 BALLUFF, apropriados para medições de

movimento de rotores. Os sensores são colocados no disco do rotor a 45º. Além disso,

colocam-se dois acelerômetros SN 353M197 ICP no mancal de rolamento, sendo um na

posição vertical e outro na horizontal. Com isso, monitoram-se as vibrações no mancal

de rolamento conforme mostrado na Figura 3.2. A designação ICP é uma marca

registrada da PCB Piezotronics, Inc, e é a abreviação para “Integrated Circuit

Preamplifier”. As cartas de calibração dos sensores estão disponíveis no LAVI.

Para análise dos sinais utiliza-se o analisador de sinal Hewlett Packard – modelo

35665A (“Dinamic Signal Analiyzer”), e o osciloscópio Hewlett Packard – modelo

54603B. Utiliza-se também o analisador LARSON-DAVIS, modelo RTA 2900, para

obter as vibrações em aceleração (m/s2), e possibilitar a aplicação das normas técnicas.

Vale ressaltar que o deslocamento do rotor é limitado para não danificar os

sensores de deslocamento, através da instalação de uma luneta com bucha de náilon,

após o disco do rotor, Figura 3.2.

Figura 3.2 – Posicionamento dos sensores

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

33

Quando o sensor de proximidade está em contato físico com a superfície

observada, a saída do transdutor está em um nível mínimo de voltagem. Quando a

distância entre o sensor e o material alvo aumenta, a voltagem de saída aumenta de

modo proporcional. Um procedimento de calibração típico requer a tabulação da

voltagem de saída versus a distância física entre o sensor e o alvo [5].

No experimento, os sensores de proximidade foram calibrados para a saída de

4,5Volts, faixa de resposta linear do sensor. Segundo Vance [6], os sensores de

proximidade geralmente medem o deslocamento do centro geométrico de uma

superfície circular das quais eles são aproximados.

O rotor utilizado no experimento, Figura 3.3, é balanceado inicialmente na

bancada de teste do LAVI, sendo posteriormente refinado em máquina eletrônica de

balanceamento SCHENK, tipo 105 na Oficina de Máquinas do Arsenal de Marinha do

Rio de Janeiro, colocando-se um peso de 2,10 gramas a 157 graus do ponto zero. Com

esta configuração chegou-se ao desbalanceamento residual de 380 miligramas a 101

graus que é considerado bom para o rotor em questão.

Após a tomada de medidas com o rotor balanceado, Situação 1, em bancada de

teste do LAVI, simula-se a situação de rotor desbalanceado, Situação 2. Para tanto se

coloca uma massa de desbalanceamento de 5,63 g, a uma distância de

desbalanceamento de 48 mm. Esta massa corresponde a um parafuso Allen e a uma

porca de latão previamente pesados em balança de precisão.

Este tipo de desbalanceamento é conhecido como estático, pois o sistema tende a

uma configuração de equilíbrio, com o lado mais pesado do disco para baixo, sendo

possível ser detectado estaticamente.

Neste caso, uma eventual correção pode ser feita pela determinação da massa M

em um raio r, que deve ser presa do lado oposto ao lado que está mais pesado,

reposicionando o centro de massa para o centro de rotação (geométrico), trazendo o

sistema para o balanceamento estático. Nesta situação o disco repousa em qualquer

posição angular e não tem mais uma posição de preferência.

A Figura 3.3 mostra a representação esquemática do rotor com suas características

físicas e geométricas.

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

34

R1

h mu D1 D R2 d L

Figura 3.3 - Representação esquemática do rotor

Na Figura 3.3 têm-se os seguintes parâmetros: Raio interno (R1 = 6 mm), raio

externo (R2 = 55 mm), espessura (h = 15 mm), comprimento (L = 54 mm), diâmetro

maior do eixo (D = 12 mm), Diâmetro menor do eixo (D1= 8 mm). Além disso, têm-se

as seguintes propriedades físicas associadas: massa de desbalanceamento (mu = 5,63 g),

distância de desbalanceamento (d = 48 mm), massa específica ( ? = 7800 Kg/m3) e

Modulo de Young (E = 200 GPa).

Os mancais de rolamento apresentam alta rigidez combinada com baixo

amortecimento do sistema [31] e folgas internas pequenas. A folga interna de um

rolamento é definida como a distância total que um anel pode ser movido em relação ao

outro na direção radial. Para o NSK 608 Z, as folgas variam de 0 a 7 ? m [32].

Em geral, a folga interna inicial, antes da montagem, é maior do que a folga de

trabalho. Isto ocorre pois os anéis são expandidos ou comprimidos por ajustes com

interferência e também porque há diferenças no posicionamento dos anéis do rolamento,

devido a dilatações térmicas dos componentes associados.

No aparato experimental, o rolamento, quando novo e montado no mandril com a

folga de montagem, apresenta a folga interna de um milésimo da polegada.

Em mancais hidrodinâmicos a excitação primária ocorre na freqüência de rotação

do eixo, por outro lado, nos mancais de rolamento, a vibração de rotação do eixo é

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

35

acrescida pela vibração oriunda das partes do mancal [31]. A geometria do mancal

também tem influência na dinâmica, o que inclui o número e o diâmetro das esferas, a

distância entre duas esferas opostas e o ângulo de contato.

3.2 Simulação dos defeitos

Normalmente, após algum tempo de uso, a folga interna do rolamento começa a

aumentar, devido ao próprio desgaste inerente à utilização do rolamento [31]. Desta

forma, a vida útil do rolamento, que é calculada em função da rotação, do tipo de

lubrificação utilizada e da carga aplicada, é utilizada para garantir o perfeito

funcionamento do rolamento [32]. O desgaste entre os elementos rolantes é a causa

mais comum de falha em pequenas turbomáquinas [6].

Por outro lado, autores como, MEVEL e GUYARDER [29] que estudaram as

rotas para o caos em rolamentos de esferas e mais recentemente TIWARI, et al [26] que

analisaram a resposta dinâmica de um rotor desbalanceado suportado por mancais,

utilizaram-se do recurso de aumentar a folga interna do rolamento para avaliar o seu

comportamento. De forma análoga, neste experimento aumenta-se a folga radial do

rolamento inicialmente para um décimo do milímetro e posteriormente para três

décimos do milímetro, visando analisar situações típicas relacionadas ao desgaste nos

mancais.

3.2.1 Operação de desgaste

Para simular o desgaste nos rolamentos, retira-se a capa externa do rolamento

NSK 608. Então, ele é lavado, inicialmente, com nafta e óleo diesel para a retirada do

lubrificante interno. Posteriormente, prepara-se uma mistura de pó de diamante com

óleo solúvel para formar uma pasta, que é introduzida no interior do rolamento, entre as

pistas (interna e externa) e as bilhas (também chamadas de esferas) [33].

Um rotor, previamente usinado, é posicionado no interior do rolamento. A pista

externa do rolamento é fixada ao torno com o auxílio de uma luneta, Figura 3.4. Desta

forma, a pista externa permanece parada, Figura 3.5. Uma extremidade do rotor é presa

na placa do torno horizontal e a velocidade do torno é aumentada progressivamente até

alcançar a folga desejada. De tempos em tempos, a folga interna é verificada com a

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

36

utilização de um relógio comparador com a precisão de décimo de milésimo de

polegada, Figura 3.6. A operação é efetuada até a folga de sete centésimos de milímetro

(0,0769 mm), ser alcançada. Posteriormente, repete-se o processo em outro rolamento

novo até a folga de três décimos de milímetro ser alcançada.

Figura 3.4 – Operação de desgaste do rolamento.

.

Figura 3.5 – Pista externa fixa, pista interna girando

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

37

Figura 3.6 – Medida da folga interna

Após a operação de desgaste, os rolamentos são limpos com pincel, inicialmente,

com solução de nafta e depois óleo diesel para a retirada da pasta de diamante do

interior dos rolamentos. Então, são deixados imersos em óleo lubrificante por 12 horas,

para decantar as impurezas e por fim são novamente lubrificados com graxa SKF para

rolamentos. Neste ponto, estão prontos para a utilização em bancada de teste do LAVI.

Este procedimento de limpeza é o comumente utilizado para pequenas peças que não

requeiram cuidados especiais.

3.3 Identificação dos parâmetros

Alguns parâmetros importantes devem ser levantados para auxiliar a análise dos

fenômenos desenvolvidos nas quatro situações verificadas. É de interesse conhecer

quais as freqüências naturais do sistema rotor mancal estão presentes na análise do

domínio da freqüência, bem como quais são as freqüências características dos defeitos

dos elementos do rolamento e, ainda, quais as freqüências de ressonância das bilhas e

da pista externa.

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

38

3.3.1 Freqüências naturais do sistema

Cada sistema rotor-mancal tem um número discreto de freqüências naturais de

vibração. Associado a cada freqüência natural existe um modo de vibração, que pode

ser entendido como a deflexão do rotor no instante de máxima tensão durante a

vibração. Quando uma freqüência natural é excitada pelo desbalanceamento do rotor

girando na velocidade de rotação do eixo, a velocidade de rotação do eixo que coincide

com a freqüência natural é chamada de velocidade crítica. As freqüências naturais do

sistema podem ser verificadas, com auxilio de instrumentação, provocando um impacto

na estrutura e deixando-a vibrar livremente [34].

Para o sistema rotor-mancal, sem rotação, obtém-se a freqüência natural

experimentalmente com o auxílio de um acelerômetro montado no disco do rotor,

estando o conjunto rotor- mancal montado na posição de funcionamento. Nesta posição,

o sistema é excitado através de leves batidas no disco, conforme Figura 3.7 e verificado

o espectro da curva no analisador digital. A Figura 3.8 mostra a Transformada Rápida

de Fourier (FFT- “Fast Fourier Transform”) do sinal obtido, observando-se um pico

superior a 10 m/s2 a 46 Hz. Outros picos de menor intensidade são observados a 300 Hz

e a 700 Hz.

Figura 3.7 – Verificação da freqüência natural do sistema

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

39

Figura 3.8 – Freqüências naturais do sistema

3.3.2 Freqüências características de defeitos em rolamento

De uma maneira geral, os defeitos nos rolamentos podem ser identificados através

de suas características vibracionais. A Tabela 3.1 apresenta o resumo das freqüências

características calculadas para o aparato experimental. O desenvolvimento da

formulação encontra-se no Apêndice A.

46 Hz

300 Hz

700 Hz

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

40

Tabela 3.1 - Freqüências Características para a velocidade de rotação de 2700 RPM.

Freqüências em Hz

Pista

externa

Pista interna

Bilhas

Gaiola

Ressonância das

bilhas

120

194

90

17

833

3.4 Análise dos resultados

A análise dos resultados tem como objetivo identificar e caracterizar os

fenômenos vibratórios desenvolvidos nas quatro situações criadas no aparato

experimental, sendo utilizadas diferentes ferramentas de análise vibracional.

Nas Situações1, 2 e 3 de teste do rotor, observa-se que o sinal de vibração

medido acima de 2,4 kHz é muito pequeno e, por esta razão, limita-se a observação do

espectro para freqüências de até 2,5 kHz. Na Situação 4, por haver sinais de vibração

em altas freqüências, para a rotação do eixo de 2700 RPM, o espectro de vibração foi

observado até 5 kHz.

Apesar da análise da vibração utilizando como ferramenta a amplitude versus

freqüência ser, geralmente, adequada para identificar a maioria dos defeitos em

máquinas, algumas vezes, informações adicionais são necessárias para o diagnóstico de

um defeito particular, ou para o estudo do comportamento dinâmico de uma máquina

dentro de condições específicas. Alguns problemas mecânicos podem ter freqüências

idênticas, ainda que tenham um comportamento dinâmico completamente diferente.

A análise da forma de onda do sinal no tempo tem a vantagem de mostrar a

resposta instantânea, fornecida pelo osciloscópio. Este permite que a verdadeira

amplitude do pico seja observada. Isto torna a análise da forma de onda do sinal no

tempo uma ferramenta ideal para avaliar vibrações transientes, de vida curta [5].

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

41

Outra técnica é montar dois sensores de proximidade no mancal (no aparato

experimental é montado no disco do rotor) com os eixos separados de 90º. O sinal de

um dos sensores é aplicado na entrada vertical do osciloscópio, enquanto o sinal do

outro sensor é aplicado na entrada horizontal. A resultante mostrada no visor do

osciloscópio será uma representação do movimento do eixo dentro do mancal. Estas

figuras são chamadas de “modelos de Lissajous”, e também são conhecidas como

órbitas do rotor.

Para a análise das situações desenvolvidas são utilizadas as ferramentas descritas

acima, caracterizando os fenômenos envolvidos em cada situação.

3.4.1 Situação 1 – Máquina Nova

Os resultados obtidos através da análise no domínio da freqüência, da forma de

onda do sinal da vibração no tempo e do gráfico de órbitas são característicos para a

Situação 1, de máquina nova e identificam uma máquina rotativa balanceada e com

mancais de rolamentos novos.

Inicialmente, é realizada uma análise no domínio da freqüência para a velocidade

de rotação do eixo de 1680 RPM (28 Hz). Nesta rotação, nota-se que os níveis de

vibração na direção horizontal são maiores, em média, 10 vezes que na direção vertical

e como as informações contidas no sinal vibratório obtido na direção vertical em nada

contribuem para a análise do fenômeno vibracional, são consideradas apenas as medidas

tomadas na direção horizontal, para a freqüência de rotação de 28 Hz.

Para a análise no domínio da freqüência, na rotação do eixo de 1680 RPM, a

Figura 3.9 apresenta a Transformada Rápida de Fourier (FFT) do sinal obtido. Nela

observam-se picos associados à freqüência de rotação e ao primeiro harmônico

associado, com amplitude de cerca de 0,031 m/s2, próximos ao eixo das ordenadas.

Existem picos acima de 0,01 m/s2, a 480 Hz, 500 Hz, 600 Hz, e 890 HZ,

aproximadamente, devidos a ressonâncias. O pico próximo a 890 Hz é devido à

freqüência de ressonância das bilhas (833 Hz), como indicado na Tabela 3.1. Acima de

1kHz, o sinal é característico de ruído, com baixa amplitude de vibração.

Como a freqüência de rotação apresenta a maior amplitude, é interessante limitar o

espectro de vibração analisado para freqüências de até 200 Hz, como na Figura 3.10,

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

42

onde observam-se picos a 28 Hz, que corresponde à freqüência de rotação, e a 56 Hz,

que corresponde à freqüência de duas vezes a freqüência de rotação, também definida

como harmônico associado à freqüência de rotação [1]. Nota-se ainda, a menor

freqüência natural, a 46 Hz, de acordo os valores levantados na Tabela 3.1.

O sinal no domínio do tempo para a Situação 1, de máquina nova, é observado

naFigura 3.11. A órbita, Figura 3.12, apresenta uma curva fechada, com a forma

levemente elíptica, indicando o movimento descrito pelo disco, centrado e balanceado,

do rotor.

Na análise no domínio da freqüência, nota-se que vibrações de pequenas

amplitudes estão presentes a 2 vezes a rotação do eixo, entretanto quando um

desbalanceamento residual está presente, a presença de freqüências harmônicas de

pequenas amplitudes é comum e não indica necessariamente problemas, como parafusos

frouxos [6]. Na Situação 1, como a máquina é nova e balanceada, estas amplitudes não

são significativas, como visto na Figura 3.10. A freqüência de rotação (síncrona) é que

possui maior energia vibracional e é a responsável pela amplitude mais importante desta

situação.

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

43

Figura 3.9 – FFT da Situação 1, máquina nova,

velocidade de rotação do eixo de 1680 RPM - Horizontal

890 Hz

28 Hz

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

44

Figura 3.10 – Zoom do espectro de vibração, na Situação 1, máquina nova,

velocidade de rotação do eixo de 1680 RPM – Horizontal.

28 Hz

56 Hz

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

45

0 , 0 0 0 , 0 5 0 , 1 0 0 , 1 5 0 , 2 0

- 0 , 8

- 0 , 6

- 0 , 4

- 0 , 2

0 , 0

0 , 2

0 , 4

0 , 6

0 , 8

m V

o lt

t e m p o ( s )

Figura 3.11 – Sinal no tempo para Situação 1, máquina nova,

velocidade de rotação do eixo de 1680 RPM.

- 0 , 8 - 0 , 6 - 0 , 4 - 0 , 2 0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 - 0 , 8

- 0 , 6

- 0 , 4

- 0 , 2

0 , 0

0 , 2

0 , 4

0 , 6

0 , 8

A m

p li

tu d

e

-

C a

n a

l 1

A m p l i t u d e - C a n a l 2

Figura 3.12 – Órbita para Situação 1, máquina nova,

velocidade de rotação do eixo de 1680 RPM

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

46

Ainda na Situação 1, aumenta-se a velocidade de rotação do eixo para 2700 RPM

(45 Hz) e verifica-se o efeito da condição de ressonância no aparato experimental. A

condição de ressonância ocorre quando a freqüência de rotação coincide com uma das

freqüências naturais do sistema.

Na análise no domínio da freqüência, as Figuras 3.13 e 3.14 apresentam a

Transformada Rápida de Fourier (FFT) do sinal obtido, com acelerômetro montado na

direção horizontal e vertical, respectivamente. Na Figura 3.14 observa-se que o pico na

freqüência de rotação, na direção vertical é influenciado pela condição de ressonância,

aumentando cerca de três vezes o valor da amplitude. Na Figura 3.13 notam-se

freqüências de ressonância a 300 Hz e a freqüência de ressonância das bilhas a 890 Hz,

conforme indicado por análise preliminar mostrada na Tabela 3.1.

Na análise da forma de onda do sinal da vibração no tempo, observa-se que o sinal

na direção vertical, Figura 3.15, possui maior amplitude que o sinal na horizontal Figura

3.16. A Figura 3.15 apresenta uma freqüência portadora de 0,089 Volt devida à

freqüência de ressonância das bilhas e a freqüência de 88,33 Hz devida ao rotor batendo

em cima e em baixo, a freqüência de 45 Hz, (45 x 2 = 90 Hz).

A órbita da Situação 1 apresenta uma curva fechada com aspecto elíptico, Figura

3.17. De acordo com a referência [5], se a forma da órbita tornar-se fortemente elíptica,

a máquina está, provavelmente, operando na condição de ressonância ou próximo dela.

Isto pode ser verificado alterando a velocidade de rotação do eixo e observando a

mudança da forma da órbita, como feito no aparato experimental.

A análise no domínio da freqüência, na situaçãode máquina nova, mostra que

tanto para a velocidade de rotação do eixo de 1680 RPM como para 2700RPM, a

freqüência de rotação possui a maior amplitude de aceleração, apesar da pequena

magnitude da vibração, sendo o elemento mais importante desta situação.

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

47

Figura 3.13 - FFT da Situação 1, máquina nova,

velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM, direção horizontal

Figura 3.14 – FFT da Situação 1, máquina nova,

velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM, direção vertical

Normal 1

0,00

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Frequencia (Hz)

A ce

le ra

çã o

(m /s

2)

Normal 1(1)

0,00

0,11

0,21

0,32

0,42

0,53

0,63

0,74

0,84

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Frequencia (Hz)

A ce

le ra

çã o

(m /s

2)

45 Hz

300 Hz

300 Hz

890 Hz

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

48

Trac 5

-0,12

-0,07

-0,02

0,03

0,08

0,13

0,000 0,006 0,012 0,018 0,024 0,030 0,036 0,042 0,048 0,054 0,060

Seg

V ol

ts

Figura 3.15 – Sinal no tempo, Situação 1, direção vertical

Trac 6

-0,12

-0,07

-0,02

0,03

0,08

0,000 0,006 0,012 0,018 0,024 0,030 0,036 0,042 0,048 0,054 0,060

Seg

V ol

ts

Figura 3.16 – Sinal no tempo, Situação 1, direção horizontal

- 3 - 2 - 1 0 1 2 - 3

- 2

- 1

0

1

2

3

A m

p li

tu d

e

-

C a

n a

l 1

A m p l i t u d e - C a n a l 2

Figura 3.17 – Órbita Situação 1, velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

49

3.4.2 Situação 2 – Máquina nova desbalanceada

Para simular a Situação 2, de máquina nova desbalanceada, é acrescentada uma

massa de 5,63 gramas ao disco do rotor, na posição 180 graus, e mantidas as demais

condições de operação.

Na análise no domínio da freqüência, para a velocidade de rotação do eixo de

1680 RPM, a Figura 3.18 apresenta a Transformada Rápida de Fourier (FFT) do sinal

obtido, mostrando o aumento da amplitude da freqüência de rotação, em comparação

com as medidas tomadas com o rotor balanceado, Figura 3.9. Porém, para freqüências

compreendidas entre 400 Hz e 1000 Hz, as mudanças no espectro de vibração não são

significativas, indicando que estas freqüências não são influenciadas pelo

desbalanceamento. Os espectros das FFT obtidos, Figuras 3.18, 3.19, 3.20 e 3.21,

podem ser caracterizados como um problema de desbalanceamento, visto que a vibração

dominante ocorre na freqüência de rotação do rotor. Quando um desbalanceamento

significativo está presente no espectro de vibração, normalmente, são encontradas

vibrações em freqüências harmônicas (2 vezes a rotação, 3 vezes a rotação), conforme

mostram os espectros no domínio da freqüência obtidos para as duas velocidades de

teste do rotor (1680 RPM e 2700 RPM). Como uma regra geral, quando as amplitudes

das freqüências harmônicas na direção radial são menores que 50% da amplitude da

freqüência de rotação, o problema pode ser caracterizado como um simples

desbalanceamento [5].

A Figura 3.19 apresenta um “Zoom” do espectro da aceleração, para verificar a

influência do fenômeno do desbalanceamento na freqüência de rotação. Observa-se um

pico relacionado à freqüência de rotação (28 Hz), bem pronunciado, com

aproximadamente 0,06 m/s2, bem como outros dois picos: a freqüência natural e o

primeiro harmônico associado à freqüência de rotação, ambos com aproximadamente, 6

x 10-3m/s2. Em comparação com a Figura 3.10, referente à Situação 1, (rotor

balanceado), nota-se o aumento da amplitude de vibração de 0,02 m/s2 para 0,06 m/s2.

Esta mudança na magnitude da amplitude da vibração da freqüência de rotação é

característica do fenômeno do desbalanceamento. A utilização de outras ferramentas de

análise vêm ratificar a identificação e a caracterização do fenômeno vibracional.

Uma condição normal de desbalanceamento produz uma força igualmente

aplicada sobre toda a circunferência do movimento (360 graus), fazendo com que a

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

50

linha de centro do eixo se mova de forma circular ou, talvez, de forma levemente

elíptica, dependendo da rigidez da máquina na direção vertical, em comparação com a

rigidez na direção horizontal [5]. A Figura 3.22 apresenta as órbitas para a Situação 2,

onde se nota que, devido ao desbalanceamento, a forma da órbita aumenta de amplitude

em relação à órbita obtida para a Situação 1.

O rotor da Situação 2 sendo testado na condição de ressonância, (rotação do

eixo a 2700 RPM), apresenta uma mudança da forma de onda do sinal no tempo,

Figuras 3.23 e 3.24, devida à adição de harmônicos da freqüência de rotação. No caso

da direção horizontal, estes harmônicos possuem amplitudes de magnitude igual ou

superior a da freqüência de rotação, Figura 3.21[35]. Na figura 3.23, a forma de onda

do sinal no tempo apresenta indícios de oscilações superpostas [34].

Na análise do domínio da freqüência observa-se o aumento da magnitude da

vibração, principalmente na direção vertical, Figura 3.20, na freqüência de rotação do

eixo, passando de 0,84 m/s2 para 2,1 m/s2 , de modo que houve uma mudança na

qualidade da vibração. Isto indica que esta direção (vertical) é mais influenciada pela

condição de ressonância do que a direção horizontal.

O espectro no domínio da freqüência mostra que o fenômeno do

desbalanceamento afeta principalmente a freqüência de rotação e os dois primeiros

harmônicos associados à freqüência de rotação, não sendo verificada qualquer mudança

significativa da vibração em altas freqüências.

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

51

Figura 3.18 - FFT da Situação 2, máquina nova desbalanceada,

velocidade de rotação do eixo de 1680 RPM.

28 Hz

300 Hz

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

52

Figura 3.19 - Zoom do espectro de vibração, na Situação 2,

máquina nova desbalanceada, velocidade de rotação do eixo de 1680 RPM.

28 Hz

46 Hz

56 Hz

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

53

Figura 3.20 – FFT da Situação 2, máquina nova desbalanceada,

velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM, direção vertical.

Figura 3.21 – FFT da Situação 2, máquina nova desbalanceada,

velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM, direção horizontal

Normal 3(1)

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Frequencia (Hz)

A ce

le ra

çã o

(m /s

2)

Normal 3

0,00

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Frequencia (Hz)

A ce

le ra

çã o

(m /s

2)

45 Hz

45 Hz

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

54

- 2 - 1 0 1 2

- 2

- 1

0

1

2

A m

p l

i t

u d

e -

C a

n a

l 1

A m p l i t u d e - C a n a l 2

Figura 3.22 - Órbita Situação 2,

velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM

Figura 3.23 - Sinal no tempo, Situação 2, direção vertical

Figura 3.24 – Sinal no tempo, Situação 2, direção horizontal

(0,60)

(0,40)

(0,20)

-

0,20

0,40

0,60

- 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

tempo (s)

A m

p lit

u d

e d

B V

( 0 , 2 0 )

( 0 , 1 5 )

( 0 , 1 0 )

( 0 , 0 5 )

-

0 , 0 5

0 , 1 0

0 , 1 5

0 , 2 0

- 0 , 0 2 0 , 0 4 0 , 0 6 0 , 0 8 0 , 1 0

t e m p o ( s )

A m

pl itu

de d

B V

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

55

3.4.3 Situação 3 – Máquina com vida média

A Situação 3, de máquina com vida média, é representada no aparato

experimental pelo rotor desbalanceado e rolamento com folga de 0,1mm. Na velocidade

de rotação do eixo de 1680 RPM (28 Hz), observa-se que a Transformada Rápida de

Fourier do sinal, Figura 3.25, apresenta um pico na freqüência de rotação com

amplitude de, aproximadamente, 0,07 m/s2, e o primeiro harmônico com a amplitude de,

aproximadamente 0,05 m/s2. Notar a semelhança com a Figura 3.19, associada à

Situação 2, (rotor desbalanceado com mancais de rolamentos novos). A diferença é que

naquela a freqüência natural foi excitada e neste não. A influência da folga interna é

pequena quando comparada com o efeito do desbalanceamento, nesta faixa de

freqüência. Com objetivo de verificar o efeito da folga na análise no domínio da

freqüência, o espectro de vibração é analisado para freqüências de até 2000 Hz,

conforme a Figura 3.26. Comparando este resultado com o da Situação 2, Figura 3.18,

nota-se que houve um aumento considerável na amplitude de vibração na faixa de

freqüência de 300 Hz a 2000 Hz. Esta mudança deve-se à folga interna que excitou

ressonâncias do sistema. Os dois picos mais pronunciados a 300Hz e a 700Hz

correspondem às freqüências naturais do sistema.

Na análise no domínio do tempo, Figuras 3.27 e 3.28, direção horizontal e

vertical, respectivamente, para a rotação do eixo de 2700 RPM, a forma de onda do

sinal no tempo, Figura 3.27, na direção horizontal, apresenta indícios de oscilações

superpostas na vibração [6] [35]. De fato, observando a FFT deste sinal, Figura 3.30,

notam-se harmônicos da freqüência de rotação. Na análise no domínio da freqüência,

para a rotação do eixo de 2700 RPM, observa-se que há aumento da magnitude da

vibração, na direção horizontal, a aceleração aumenta de 0,16 para 0,49 m/s2, Figura

3.30, e manteve-se praticamente constante na direção vertical, Figura 3.31. Na direção

horizontal verifica-se o surgimento de picos entre 250 e 600 Hz e a 1600 Hz e o

aumento do ruído de 0,03 para 0,12 m/s2. Estas vibrações apresentavam baixa

magnitude no espectro de vibração das Situações 1 e 2. De modo a concluir que estas

vibrações são devidas à folga excessiva do rolamento, de acordo com a referência [5], a

forma do pico a 1600 Hz é típica de mancal de rolamento defeituoso e segundo Vance

[6],deve-se à combinação da segunda freqüência de ressonância do mancal e a

freqüência ressonância das bilhas, (700 Hz + 890 Hz = 1590 Hz). Observa-se que em

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

56

freqüências maiores, a vibração tende a apresentar característica de ruído aleatório e os

picos discretos são progressivamente abrangidos pelo ruído.

Avaliando as órbitas da Situação 3, (Figura 3.29), observa-se o aumento da

amplitude da órbita em relação à Situação 2 (máquina nova desbalanceada). Vê-se

ainda a forma com tendência elíptica, indicando o desgaste do mancal.

Esta alteração de comportamento ocorre, provavelmente, devido à folga excessiva

do mancal de rolamento, combinada com o desbalanceamento do rotor, de acordo com o

estudo apresentado por TIWARI e GUPTA [26], onde o aumento da folga interna do

rolamento de esferas ocasiona o aumento das não-linearidades, somado ao fato de que o

teste está sendo efetuado próximo a uma freqüência natural do sistema rotor-mancal.

Ainda de acordo com MEVEL e GUYARDER [25] a rigidez horizontal é sujeita a

grandes variações quando a gaiola do rolamento gira e conseqüentemente quando é

excitada pela freqüência de passagem das bilhas não pode ter o controle do movimento

e o mancal torna-se instável.

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

57

Figura 3.25 – Zoom na FFT da Situação 3, máquina com vida média,

velocidade de rotação do eixo de 1680 RPM.

28 Hz

56 Hz

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

58

Figura 3.26 - FFT da Situação 3, máquina com vida média,

velocidade de rotação do eixo de 1680 RPM.

300 Hz 700 Hz

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

59

Figura 3.27- Sinal no tempo, Situação 3, direção horizontal

Figura 3.28- Sinal no tempo, Situação 3, direção vertical

- 3 - 2 - 1 0 1 2 - 3

- 2

- 1

0

1

2

A m

p l

i t

u d

e -

C a

n a

l 1

A m p l i t u d e - C a n a l 2

Figura 3.29 - Órbita Situação 3,

velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM.

(2,5)

(2,0) (1,5) (1,0) (0,5)

- 0,5

1,0 1,5 2,0

2,5 3,0

- 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

tempo (s)

A m

p lit

u d

e (d

B V

) (8)

(6)

(4)

(2)

-

2

4

6

8

- 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10

tempo (s)

am p

lit u

d e

(d B

V )

Indícios de oscilação superposta na vibração

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

60

Figura 3.30 - FFT da Situação 3, máquina com vida média,

velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM, direção horizontal

Figura 3.31 – FFT da Situação 3, máquina com vida média,

velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM, direção vertical

Normal 7

0,00

0,07

0,14

0,21

0,28

0,35

0,42

0,49

0,56

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Frequencia (Hz)

A ce

le ra

çã o

(m /s

2)

Indícios de mancal de rolamento defeituoso

Normal 7(1)

0,0

0,5

1,1

1,6

2,1

2,6

3,2

3,7

4,2

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Frequencia (Hz)

A ce

le ra

çã o(

m /s

2)

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

61

3.4.4 Situação 4 – Máquina necessitando de reparo imediato

A Situação 4, de máquina necessitando de reparo imediato, é realizada

considerando a folga de 0,3 mm no mancal de rolamento e rotor desbalanceado, baseado

nos experimentos de MEVEL e GUYADER [25] que estudaram as rotas para o caos em

rolamentos de esferas e mais recentemente TIWARI, et al [26] que analisaram a

resposta dinâmica de um rotor desbalanceado suportado por mancais e utilizaram-se do

recurso de aumentar a folga interna do rolamento para avaliar o seu comportamento,

substituiu-se o rolamento por outro com folga interna aumentada para três décimos de

milímetro, simulando a Situação 4. O conjunto foi colocado em funcionamento na

velocidade de rotação de 1680 RPM (28 Hz) e foram tomadas as medidas de vibração.

Na análise no domínio da freqüência, a FFT do sinal, Figura 3.32, observa-se o

aumento considerável dos níveis de vibração em relação à condição de rotor

desbalanceado e rolamento com folga de 0,1 milímetro, Figura 3.26. Por exemplo, na

freqüência natural de 300 Hz, a aceleração aumenta de 0,06 m/s2 para 0,1 m/s2, na

freqüência de 500 Hz a aceleração aumenta de 0,04 m/s2 para 0,2 m/s2, na freqüência

natural de 700 Hz, a aceleração aumenta de 0,06 m/s2 para 0,1 m/s2, na freqüência de

ressonância das bilhas de, aproximadamente 850 Hz, verifica-se o aumento de 0,02 m/s2

para 0,05 m/s2. Fazendo um “Zoom” no espectro para melhor observar o efeito da

Situação 4 em baixas freqüências, na Figura 3.33 observa-se que houve um aumento

na aceleração na freqüência de rotação de, aproximadamente 0,02 m/s2, em relação à

Situação 2 (rotor desbalanceado com rolamentos novos), Figura 3.19, e de,

aproximadamente, 0,01 m/s2 para a Situação 3 (rotor desbalanceado com rolamento

com folga de 0,1 milímetro), Figura 3.25. Isto indica que há pouca influência do

aumento da folga radial na freqüência de rotação, ratificado pelas baixas amplitudes de

vibrações obtidas de, aproximadamente, 0,025 m/s2, 0,060 m/s2, 0,070 m/s2, 0,080 m/s2,

para as Situações 1, 2, 3, e 4, respectivamente.

Por outro lado, nota-se o aumento considerável na aceleração correspondente à

freqüência natural a 46 Hz, ao primeiro harmônico da freqüência de rotação a 56 Hz, e

ao segundo harmônico da freqüência de rotação a 84 Hz., indicando que tanto a

freqüência natural, como os primeiro e segundo harmônicos são excitados pelo

aumento da folga radial.

Após a medição do sistema rotor-mancal à velocidade de rotação de 1680 RPM

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

62

(28 Hz), passou-se à medição para a velocidade de rotação de 2700 RPM (45 Hz). Nesta

velocidade de rotação, houve a preocupação de verificar se o rotor não batia no

limitador da amplitude de oscilação. Como nesta situação são observadas vibrações

acima de 2500 Hz, amplia-se o espectro para freqüências de até 5000 Hz.

Os sinais no tempo são adquiridos através dos sensores de proximidade situados

no disco do rotor. Estes sinais possuem a forma de ondas harmônicas, a amplitude do

canal 2 aproxima-se da amplitude do canal 1. Na figura 3.34 notam-se três períodos

distintos: o primeiro de 0,0216 segundos, que corresponde à freqüência de 46,29 Hz, o

segundo de 0,027 segundos, que corresponde à freqüência de 37 Hz e o terceiro de

0,0225 segundos, que corresponde à freqüência de 44,44 Hz. A Figura 3.35 também

possui três períodos distintos: de 0,0216 segundos, 0,0243 segundo e 0,0225 segundos,

correspondendo às freqüências de 46 Hz, 41 Hz, e 44 Hz, respectivamente.

A Figura 3.36 representa um instante associado à imagem do osciloscópio. A

órbita apresentada na Situação 4 gira continuamente. Note que a curva não está

fechada. Em relação à órbita referente à Situação 3 (rotor desbalanceado e rolamento

com folga de 0,1 milímetro), nota-se um aumento na amplitude e a forma com tendência

elíptica, indicando o desgaste abrasivo que foi efetuado no mancal.

Na análise no domínio da freqüência , a FFT do sinal obtido, Figuras 3.37 e 3.38,

verifica-se que há um pico a 45 Hertz, na direção vertical, com 3,5 m/s2, que

corresponde à freqüência de rotação e outras excitações com amplitudes menores, de,

aproximadamente, 1,0 m/s2, a 1,5 m/s2. Após o terceiro harmônico, os picos existentes

na Situação 3 são suprimidos pelo ruído, amplitude de aceleração na freqüência de

rotação alcança o seu maior valor a 3,5 m/s2. Na direção horizontal, observam-se picos

na freqüência de rotação, nos primeiro e segundo harmônicos, (45, 93 e 134 Hz) de

baixa amplitude de aceleração e um pico significativo a, aproximadamente, 1700 Hz

com amplitude de 1,05 m/s2. Nesta direção observa-se, ainda, que os picos discretos

existentes na Situação 3 foram suprimidos pela vibração aleatória de alta freqüência.

Conforme observado por SAVI [24], um problema associado ao uso da FFT como

ferramenta de diagnóstico é a análise de sinais contaminados por ruído. O ruído, por

definição é a parte indesejada dos dados [36] e é um fenômeno onipresente na coleta

dos dados. Nas FFT’s da Situação 3, Figuras 3.26 e 3.30 e da Situação 4, Figuras 3.32,

3.37 e 3.38, os espectros apresentam indícios de sinal caótico. Nota-se um espectro de

banda larga de freqüências sobre uma limitada extensão de freqüências, isto pode

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

63

indicar um fenômeno quase-periódico. O ruído por sua vez, possui um espectro

distribuído em todo o domínio da freqüência. Contudo, a contaminação de um sinal

caótico ou periódico por ruído faz com que a transformada passe a tomar todo o

espectro das freqüências, o que não ocorre nos espectros indicados das Situações 3 e 4,

para determinadas faixas de freqüência. A distinção de ruído e caos é de difícil

interpretação, porém a existência do caos não deve ser descartada. A utilização de

outras ferramentas de análise, como os expoentes de Lyapunov, faz-se necessária para a

distinção dos fenômenos.

Segundo GEITNER e BLOCH [5], em adição às freqüências rotacionais geradas

pelo mancal, impactos entre os elementos rolantes e as pistas do mancal excitam

freqüências naturais de vários componentes do mancal. A vibração gerada por estes

impactos assemelha-se à gerada por um sino. Cada objeto tem sua própria freqüência

natural. Uma batida no mancal pode produzir uma força de impacto intermitente que

excita várias de suas partes, vibrando em suas freqüências naturais. Normalmente, as

freqüências naturais dessas partes são consideradas altas quando comparadas à rotação

da máquina. Como resultado, as freqüências de vibração medidas de um mancal

defeituoso são também altas. Desta forma, as freqüências de vibração de um mancal

defeituoso podem não ser múltiplos diretos da rotação do eixo. Como existem várias

partes, incluindo pistas, elementos rolantes, gaiolas do rolamento e o eixo do rotor, que

podem vibrar devido ao impacto em um mancal defeituoso, verifica-se que várias

freqüências de vibração são excitadas simultaneamente. Como resultado, a vibração do

mancal pode ser complexa.

GEITNER e BLOCH [5], em seu estudo sobre desgastes em rolamentos,

observam que, se o mancal desenvolver um defeito por causa do desbalanceamento

excessivo, a pista interna será o primeiro componente do rolamento a mostrar sinais de

desgaste. Isto se deve a forças desbalanceadas que possuem uma posição fixa na pista

interna. Esta observação não se aplica para o experimento, uma vez que se utiliza um

rolamento pequeno cujas esferas e pistas são de aço e a gaiola é de latão. Em seus

componentes é inserido pasta a base de pó de diamante para provocar a folga interna e

simular o desgaste por funcionamento. Como o conjunto todo está sob a ação do

abrasivo, e como a gaiola possui material mais macio, este é o primeiro elemento a

apresentar sinais de desgaste. Isto é comprovado nas medições do jogo do rolamento,

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

64

nas quais o movimento da gaiola (combinação das folgas radial e axial), aumenta mais

que a folga radial. Neste caso, para obter a folga radial de 0,1 mm, obtém-se o jogo

axial de 0,3 mm.

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

65

Figura 3.32 - FFT da Situação 4, máquina necessitando de reparo imediato,

velocidade de rotação do eixo de 1680 RPM.

300 Hz 850 Hz 700 Hz 28 Hz

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

66

Figura 3.33 - Zoom na FFT da Situação 4, máquina necessitando de reparo

imediato, velocidade de rotação do eixo de 1680 RPM.

28 Hz 56 Hz 84 Hz

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

67

Figura 3.34 – Sinal no tempo canal 2

Figura 3.35 – Sinal no tempo canal 1

- 3 - 2 - 1 0 1 2 3 - 4

- 3

- 2

- 1

0

1

2

3

A m

p l

i t

u d

e -

C a

n a

l 1

A m p l i t u d e - C a n a l 2

Figura 3.36 – Órbita da Situação 4

Sinal no Tempo(CH2)

-4,0

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

0,0000 0,0090 0,0180 0,0270 0,0360 0,0450 0,0540 0,0630 0,0720 0,0810 0,0900

Seg

V ol

t

Sinal no Tempo(CH1)

-4,0

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

0,0000 0,0090 0,0180 0,0270 0,0360 0,0450 0,0540 0,0630 0,0720 0,0810 0,0900

Seg

V ol

t

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

68

Figura 3.37 – FFT da Situação 4, máquina necessitando de reparo imediato,

velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM, direção horizontal.

Figura 3.38 – FFT da Situação 4, máquina necessitando de reparo imediato,

velocidade de rotação do eixo de 2700 RPM, direção vertical.

Normal 10

0,00

0,15

0,30

0,45

0,60

0,75

0,90

1,05

1,20

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Frequencia (Hz)

A ce

le ra

çã o

(m /s

2)

Normal 10(1)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Frequencia (Hz)

A ce

le ra

çã o

(m /s

2)

Capítulo 3 –Experimento em Laboratório

69

3.5 Evolução e detecção da vibração causada por rolamento

De acordo com a evolução do desgaste do rolamento, representado no aparato

experimental pelas Situações 1, 2 ,3 e 4, são observadas mudanças no espectro de

vibração. Na Transformada Rápida de Fourier (FFT) do sinal, observam-se três regiões

de freqüências distintas, de acordo com [34]: Região A (até 225 Hz), na qual

observamos a freqüência de rotação e o primeiro e segundo harmônicos associados.

Região B (225 a 1800 Hz), na qual ocorrem as freqüências dos defeitos localizados.

Região C (1800 a 3600 Hz), na qual ocorrem as freqüências naturais de elementos do

rolamento.

De acordo com a vida útil do rolamento, é possível enquadrar-se as Situações 1,

2, 3, e 4, do aparato experimental em quatro estágios diferentes de degradação das

condições operacionais do rolamento, pois, de acordo o tempo de utilização do

rolamento, a folga interna aumenta, devido ao atrito entre os elementos rolantes e as

pistas, provocando o aumento da vibração que pode ser analisada e caracterizada para

cada estágio da vida do rolamento.

O Estágio 1, de “Rolamentos novos”, é caracterizado na análise no domínio da

freqüência pelas FFT’s das Figuras 3.39 e 3.40, direção horizontal, que se referem às

Situações 1 e 2. No Estágio 2, começam aparecer freqüências naturais excitadas pelos

impactos com bandas laterais em torno das freqüências naturais, Figura 3.41, refere-se à

Situação 3.

No Estágio 3, as freqüências características de defeitos e suas harmônicas

começam aparecer no espectro. A progressão do desgaste resulta em mais harmônicos e

mais bandas laterais em torno das freqüências naturais e das freqüências característica

de defeitos dos elementos do rolamento (Tabela 3.1), Figura 3.42, refere-se à Situação

3.

No Estágio 4, tem-se a tendência ao colapso. A magnitude da vibração na

freqüência fundamental cresce, componentes devidos às freqüências naturais são

afogadas pelo ruído-caos, Figura 3.43, simulado na Situação 4.

Capítulo 3 – Experimento em Laboratório

70

Figura 3.39 - Estágio 1

Rolamentos novos

Situação 1

Figura 3.40 - Estágio 1

Rolamentos novos

com rotor desbalanceado

Situação 2

Figura 3.41 - Estágio 2

Rolamento com folga de

0,1 mm e rotor desbalanceado

Situação 3

Figura 3.42 - Estágio 3

Rolamento com folga de

0,1 mm e rotor desbalanceado

Evolução da Situação 3

Figura 3.43 - Estágio 4

Rolamento com folga de

0,3 mm e rotor desbalanceado

Situação 4

Normal 1

0,00

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Frequencia (Hz)

Ac el

er aç

ão (m

/s 2)

Normal 3

0,00

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Frequencia (Hz)

Ac el

er aç

ão (m

/s 2)

Normal 5

0,00

0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

0,24

0,28

0,32

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Frequencia (Hz)

Ac el

er aç

ão (m

/s 2)

Normal 7

0,00

0,07

0,14

0,21

0,28

0,35

0,42

0,49

0,56

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Frequencia (Hz)

Ac el

er aç

ão (m

/s 2)

Normal 10

0,00

0,15

0,30

0,45

0,60

0,75

0,90

1,05

1,20

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Frequencia (Hz)

Ac el

er aç

ão (m

/s 2)

Capítulo 4 - Aplicação das Normas aos resultados do experimento

71

Capítulo 4 – Aplicação das Normas Técnicas aos Resultados do

Experimento

Este capítulo analisa os resultados obtidos no experimento de laboratório, nas

Situações 1, 2, 3 e 4, à luz das Normas existentes.

4.1 Critérios de avaliação recomendados pelas Normas Aplicáveis.

Seguindo as Normas alemã VDI 2056, a ISO 2372 e inglesa Bs 7845, (Ver

Capítulo 2), adota-se como primeiro critério a magnitude de vibração e como segundo

critério de avaliação a mudança da magnitude de vibração.

A norma ISO 2372 recomenda ainda que, caso ocorra o aumento de 2,5 vezes da

magnitude de vibração, que corresponde à largura de uma classe de qualidade (8dB),

que se investigue as causas de tal aumento. Caso ocorra o aumento de 10 vezes na

magnitude de vibração (aceleração), que se proceda a parada do equipamento e o reparo

imediato.

O aparato experimental utiliza um rotor acoplado a um motor elétrico de baixa

potência. O valor da severidade de vibrações associado com uma faixa particular de

classificação depende do tipo e da massa do corpo vibrante, das características do

sistema, da resposta e do uso da máquina. De acordo com a Norma ISO 2372, a

CLASSE I, é a que melhor se enquadra no experimento em questão. Nela está escrito

que, “... partes individuais de máquinas e motores, integralmente conectados com toda a

máquina em sua condição de operação normal, motores elétrico até 15kW são exemplos

típicos desta categoria”.

As máquinas enquadradas na Classe I, para freqüências de 30 Hz e 40 Hz possuem

as faixas de vibração definidas na Tabela 4.1. Esta tabela apresenta os limites de

vibração para cada faixa de freqüência, caracterizando o estado de funcionamento.

Capítulo 4 – Aplicação das Normas aos resultados do experimento

72

Tabela 4.1 – Faixas de qualidade de vibração [27]

FREQÜÊNCIA (Hz) 30 40

FAIXAS

CLASSIFICAÇÃO

ACELERAÇÃO (m/s2)

ACELERAÇÃO(m/s2)

A NOVA 0,05 a 0,13 0,07 a 0,18

B PERMITIDO 0,21 a 0,34 0,28 a 0,45

C TOLERADO 0,53 a 0,85 0,70 a 1,13

D NÃO PERMITIDO 1,34 a 13,38 1,78 a 17,84

A partir dos resultados apresentados no Capítulo 3, podem-se identificar duas

velocidades de rotação na qual o rotor foi testado: 1680 RPM e 2700 RPM. A Tabela

4.2 apresenta um resumo dos resultados, dispostos de forma conveniente para aplicar as

Normas técnicas.

Tabela 4.2 – Níveis de vibração obtidos

Teste a 1680 RPM (28 Hz)

Medidas

em m/s2

SITUAÇÃO

Direção

1

(Rotor

balanceado com

mancais novos)

2

(Rotor desbalanceado

com mancais novos)

3

(Rotor desbalanceado

e mancal com folga de

0,1 mm)

4

(Rotor

desbalanceado

e mancal com

folga de 0,3

mm)

Vertical 0,002 0,005 0,005 0,006

Horizontal 0,025 0,060 0,070 0,080

Teste a 2700 RPM (45 Hz)

Vertical 0,84 2,1 3,7 4,0

Horizontal 0,06 0,12 0,49 0,55

Capítulo 4 - Aplicação das Normas aos resultados do experimento

73

Para a situação de teste de 1680 RPM, as medidas na direção horizontal são

maiores que na direção vertical. Por outro lado, para o rotor sendo testado na velocidade

de rotação de 2700 RPM, as medidas na direção vertical são superiores as da direção

horizontal. Tal fato é devido à rigidez do sistema que, na condição de ressonância,

possibilita o sistema apresentar magnitudes de vibração maiores na direção vertical.

Para todas as Situações de teste na velocidade de rotação de 1680 RPM, as

medidas encontram-se na faixa A, de máquina nova. Assim sendo, aplicam-se as

Normas Técnicas apenas para a velocidade de rotação de 2700 RPM.

4.2 Aplicação das Normas Técnicas

Na Situação 1, verifica-se que na direção vertical os limites de máquina nova e

permitida foram ultrapassados, estando o sistema na faixa do tolerado (0,70 a 1,13).

Entretanto na direção horizontal a magnitude da vibração está na faixa de máquina

nova (0,07 a 0,18).

Observa-se que apesar do rotor ter sido, inicialmente, balanceado, e dos mancais

serem novos, os resultados na direção vertical não são satisfatórios. Como causas

prováveis desta alta magnitude da vibração tem-se o próprio sistema rotor-mancal, que

possui uma distância relativamente grande entre mancais para o diâmetro do eixo.

Deve-se considerar ainda que o sistema está sendo testado na velocidade crítica e que

excitações indesejáveis podem estar contribuindo para o aumento da magnitude da

vibração. Este parece ser um parâmetro relevante, haja vista que na freqüência de 28

Hz, os valores obtidos para as amplitudes na freqüência de rotação estão dentro dos

limites recomendados pelas Normas aplicáveis. O inconveniente, no caso de um

equipamento real de funcionar em uma situação semelhante, é que qualquer alteração na

magnitude da vibração leva o equipamento a operar na faixa do não permitido,

obrigando que o equipamento seja paralisado e as causas das vibrações analisadas e

reparadas.

Na Situação 2, observa-se o aumento da magnitude da vibração, principalmente na

direção vertical e na freqüência de rotação, passando de 0,84 para 2,1 m/s2 , de modo

que houve uma mudança na qualidade da vibração, da faixa tolerado para a faixa do

não permitido. Na direção horizontal houve pequena variação da magnitude da

Capítulo 4 – Aplicação das Normas aos resultados do experimento

74

vibração, permanecendo as medições na faixa de máquina nova, não sendo verificada

qualquer vibração significativa em alta freqüência.

Na Situação 3, há o aumento da magnitude da vibração, tanto na direção vertical,

como na horizontal. Na direção vertical a magnitude da vibração continua na faixa do

não permitido.

Na Situação 4, na direção horizontal observa-se que os picos discretos existentes

na Situação 3 são envolvidos pela vibração aleatória de alta freqüência, tornando difícil

a distinção na análise no domínio da freqüência, do ruído-caos. Na direção vertical

observa-se que, após o terceiro harmônico, os picos foram suprimidos pelo ruído-caos, a

aceleração na freqüência de rotação alcança o seu maior valor a 4,0 m/s2, permanecendo

na faixa do não permitido.

A Tabela 4.3 apresenta um resumo dos resultados discutidos. Vê-se que, de uma

maneira geral, as Normas detectam de forma adequada os defeitos introduzidos no

experimento.

Tabela 4.3 – Resumo dos resultados obtidos para velocidade de 2700 RPM

Qualidade da vibração

Direção Horizontal Vertical

Situação 1 nova tolerado

Situação 2 nova não permitido

Situação 3 aceitável não permitido

Situação 4 insatisfatória não permitido

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

75

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

Os defeitos em máquinas rotativas usualmente estão associados a não-linearidades

que passam a ter influência efetiva na dinâmica do sistema. Visando avaliar essas

características não-lineares dos sinais experimentais são levantados os máximos

expoentes de Lyapunov, para cada uma das quatro situações simuladas no aparato

experimental. Desta forma, pretende-se identificar as características não-lineares nas

assinaturas dos sinais identificando, por exemplo, a presença do caos.

5.1 Considerações sobre os expoentes de Lyapunov A mais forte característica do caos é a imprevisibilidade em um sistema

determinístico. “Os engenheiros sempre souberam do caos: ele era chamado de ruído ou

turbulência e o fator de segurança era usado para projetar nestas aparentes

aleatoriedades desconhecidas que aparecem em todas as normas técnicas” Moon (1987).

A experiência diária de que “causas pequenas têm efeitos pequenos” é invalida para

sistemas caóticos.

Esta imprevisibilidade é refletida pelo que é chamado de “dependência sensível

das condições iniciais”. Uma investigação mais cuidadosa desse fenômeno conduz a

dois conceitos, que apesar de diferentes, estão relacionados. Um é a perda de

informação relacionada com a imprevisibilidade, o que é quantificado pela entropia de

“Kolmogorov-Sinai”. O outro conceito é a divergência exponencial de trajetórias

vizinhas.

Os expoentes de Lyapunov quantificam esta divergência, avaliando a intensidade

de caos. Estes expoentes não são de simples obtenção e os resultados são,

freqüentemente, difíceis de interpretar. Em todo o caso, o expoente de Lyapunov é uma

média sobre uma quantidade que pode apresentar fortes flutuações. Um sistema

dinâmico possui um espectro de expoentes de Lyapunov de acordo com a sua dimensão.

A existência de pelo menos um expoente positivo está associada ao caos. Portanto, o

máximo expoente de Lyapunov, representado aqui por ? , define se o sistema é caótico.

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

76

Apesar do sistema em questão apresentar características espaços-temporais,

utiliza-se aqui o algoritmo de KANTZ [36] que considera dois pontos no espaço, 1n? e

2n? , que possuem a distância entre si dada por : 021 ????? nn , sendo 0? muito

pequeno. Chamando de n?? a distância a um tempo n entre duas trajetórias emergindo

destes pontos, tem-se:

nnnnn ????? ???? 21?

O expoente de Lyapunov ? é, então, determinado por :

nn e ?

? ? ??? 0 , (5.1)

com n?? << 1, e n? >> 1.

Caso o expoente seja positivo, isto significa uma divergência exponencial de

trajetórias vizinhas, caracterizando o caos. Naturalmente, duas trajetórias não se

separaram além de determinado ponto e, portanto, a equação (5.1) é válida somente

durante o tempo n? , para o qual à distância n?? permanece pequena. De outra forma,

há uma saturação da distância. Isto leva a uma definição matemática mais rigorosa,

envolvendo o primeiro limite 0? 0? , de forma que um segundo limite possa ser

definido, n? ? ? , sem envolver o efeito da saturação dos dados. Quando o máximo

expoente de Lyapunov é negativo, tem-se a existência de uma solução periódica.

Caso um sistema predominantemente determinístico seja perturbado por um ruído

aleatório, em pequena escala, isto é caracterizado por um processo de difusão com a

distância n?? crescendo a proporção n? . Então, o máximo expoente de Lyapunov

tende a infinito.

O expoente de Lyapunov tem a unidade do inverso do tempo e fornece uma escala

típica de tempo para a convergência e divergência de trajetórias vizinhas. Note-se que o

processo de coleta de dados não afeta os expoentes de Lyapunov. A razão básica é que

eles descrevem um comportamento de longo prazo. Isto justifica o interesse neste

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

77

número, pois permite que o mesmo resultado seja alcançado, mesmo com diferentes

observações [37].

Este trabalho utiliza o algoritmo de KANTZ [36] disponível no pacote TISEAN

[38] e, para o seu uso, necessita efetuar a reconstrução do espaço de fase. A idéia básica

da reconstrução do espaço de estado está calcada no fato de que um sinal contém

informações sobre as variáveis não observadas do sistema. A técnica das coordenadas

defasadas é uma das mais populares para este fim. Basicamente, ela reconstrói o estado

a partir de uma série nS (n = 1, 2, ..., N), da seguinte forma:

? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ??? 1,...,, ???? eDnSnSnSnu

Onde ? tm?? é o tempo de defasagem, sendo t? o intervalo da amostragem e m a

posição na série e eD é a dimensão de imersão.

Existem várias formas para avaliar os parâmetros de imersão ? e eD . A técnica

da Informação Mútua Média é uma boa alternativa para avaliar ? , enquanto a técnica

dos falsos vizinhos próximos é uma boa alternativa para avaliar eD [39].

Assim sendo, os expoentes de Lyapunov representam uma importante ferramenta

de diagnóstico do caos. Quando um sistema apresenta um valor positivo, tem-se o caos.

Se todos forem negativos, tem-se a resposta periódica, onde não ocorre a divergência

entre órbitas vizinhas.

5.2 Aplicando o expoente a um sinal experimental.

Apesar das características espaços-temporais do sistema experimental, esta

dissertação considera o máximo expoente de Lyapunov estimado pelo algoritmo de

Kantz, como uma ferramenta para avaliar padrões na assinatura dos sinais considerados.

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

78

5.2.1 Situação 1 - Máquina nova (Rotor Balanceado e mancais novos)

Para análise nesta situação, é levantada a Informação Mútua Média, Figura 5.1, na

qual verifica-se que tempo de defasagem é t?? 10? , avaliado a partir do primeiro

mínimo da curva e, através da técnica dos falsos vizinhos, se obtém a dimensão de

imersão eD = 3, Figura 5.2. Utilizando estas técnicas, encontram-se os parâmetros de

reconstrução para estimar os Expoentes de Lyapunov. Apesar de ser difícil a conclusão

a partir dos dados experimentais, nota-se que a Figura 5.3 tem uma característica

horizontal, que está associada com expoentes nulos, relacionados com o movimento

periódico.

Figura 5.1 – Avaliação do tempo de defasagem - Situação 1

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

79

Figura 5.2 – Avaliação da Dimensão de Imersão - Situação 1

Figura 5.3 – Expoentes de Lyapunov - Situação 1

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

80

5.2.2 Situação 2 - Máquina nova desbalanceada

Os Expoentes de Lyapunov são utilizados para obter mais detalhes sobre o sinal

obtido para a Situação 2. As Figuras 5.4 e 5.5 apresentam a determinação dos

parâmetros de reconstrução, fornecendo o tempo de defasagem t?? 10? e a dimensão

de imersão eD = 3, respectivamente. Estes valores são utilizados para estimar os

Expoentes de Lyapunov, Figura 5.6. Novamente, observa-se na Figura 5.6 uma

característica horizontal da curva, associada com expoentes nulos, relacionado com

movimento periódico.

Figura 5.4 – Avaliação do tempo de defasagem - Situação 2

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

81

Figura 5.5 – Avaliação da Dimensão de Imersão - Situação 2

Figura 5.6 – Expoentes de Lyapunov - Situação 2 5.2.3 Situação 3 - Máquina com vida média.

A análise dos Expoentes de Lyapunov é realizada com auxílio dos parâmetros de

reconstrução. As Figuras 5.7 e 5.8 apresentam a determinação destes parâmetros, o

tempo de defasagem, t?? 10? e a dimensão de imersão 5?eD , respectivamente. O

crescimento da dimensão de imersão está relacionado com o aumento da complexidade

do sinal. Note também que a Informação Mútua Média apresenta uma curva quase

horizontal, o que dificulta a definição do seu primeiro mínimo. Os Expoentes de

Lyapunov, Figura 5.9, também apresentam um comportamento diferente, a onde não

existe uma curva horizontal bem definida.

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

82

Figura 5.7 – Avaliação do tempo de defasagem - Situação 3

Figura 5.8 – Avaliação da Dimensão de Imersão - Situação 3

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

83

Figura 5.9 – Expoentes de Lyapunov - Situação 3

5.2.4 Situação 4 - Máquina precisando de reparo imediato.

Os Expoentes de Lyapunov são verificados com o objetivo de se obter mais

detalhes sobre o sinal experimental. As Figuras 5.10 e 5.11, apresentam a determinação

dos parâmetros de reconstrução, fornecendo o tempo de defasagem, t?? 25? e a

dimensão de imersão, 2?eD , respectivamente. Agora, nota-se a curva da Informação

Mútua, na Figura 5.10, paralela à abscissa e o decréscimo da dimensão de imersão. Os

Expoentes de Lyapunov, Figura 5.12, nesta situação, apresentam inclinações positivas,

indicando a característica caótica do sinal.

Figura 5.10 – Avaliação do tempo de defasagem - Situação4

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

84

Figura 5.11 – Avaliação da Dimensão de Imersão - Situação 4

Figura 5.12 – Expoentes de Lyapunov - Situação 45.3 Considerações sobre os resultados

De modo geral, as avarias catastróficas que ocorrem em máquinas rotativas estão

associadas ao caos. Porém, as análises no domínio do tempo e da freqüência não

possuem ferramentas apropriadas para quantificar a presença de caos nos sinais. Por

outro lado, a verificação dos máximos Expoentes de Lyapunov, estimados pelo

Capítulo 5 – Caos nos resultados experimentais

85

algoritmo de Kantz, pode ser utilizada como uma ferramenta para avaliar a presença de

caos nos sinais das quatro situações do aparato experimental.

A análise dos Expoentes de Lyapunov, para cada uma das quatro situações do

aparato experimental, apresenta o aumento da complexidade do sinal experimental

conforme as avarias são introduzidas no experimento e indica a característica caótica do

sinal da máquina com severos problemas, Situação 4.

Capítulo 6 – Monitoração como ferramenta de manutenção

86

Capítulo 6 –Monitoração como ferramenta de manutenção

Os conceitos apresentados nos Capítulos anteriores, como o fenômeno do

desbalanceamento, são utilizados como ferramenta de análise de problemas reais

ocorridos em um diesel-gerador, marca Paxman, que possui um mancal de rolamento

como suporte para o induzido do gerador. São apresentadas três situações diferentes,

referentes à monitoração da vibração nos meses de junho e outubro de 1999 e agosto

de 2000 e através da análise no domínio da freqüência dos sinais são diagnosticados

defeitos e realizados reparos até que a vibração medida seja compatível com a de

máquina nova, segundo a Norma ISO 2372. Os fenômenos vibracionais referentes ao

desalinhamento e ao desbalanceamento são analisados e suas características

vibracionais diferenciadas.

6.1 Parâmetros utilizados na monitoração

Foram verificadas as vibrações do mancal de rolamento do lado não acoplado do

diesel-gerador número 4 da Fragata Greenhalgh. A descrição detalhada do equipamento

encontra-se no Apêndice B.

Para a monitoração dos níveis de vibração é utilizada a análise no domínio da

freqüência, sendo as vibrações obtidas por acelerômetros posicionados no sentido radial,

representado por (DZ) e no sentido axial (DY), no mancal de rolamento do lado não

acoplado do gerador. A monitoração da vibração é feita em duas condições: com o

gerador fornecendo energia para o sistema, chamado “com carga”, ou simplesmente

operando, sem alimentar o sistema, “sem carga”, em sua velocidade nominal de 1200

rotações por minuto (RPM).

Para melhor compreender os fenômenos envolvidos na análise, consulta-se o

“Livro de Registro de Avarias do MCA-4”, instrumento utilizado pela guarnição do

navio para registro de parâmetros e reparos efetuados. Os parâmetros utilizados para

análise são os da Norma ISO 2372 Classe III.

Capítulo 6 – Monitoração como ferramenta de manutenção

87

6.2 Diagnóstico das avarias através da monitoração de vibrações

Visando diagnosticar defeitos do equipamento, a partir da análise de vibrações, é

recomendável considerar as direções radial e axial em conjunto. Como as FFT originais

são de difícil visualização, pois diferentes medições são sobrepostas em um único

gráfico, para a dissertação utiliza-se o gráfico de barras para representar os espectros de

vibração obtidos.

A Figura 6.1 apresenta a análise no domínio da freqüência do sinal sem carga,

comparando-se as vibrações nas direções radial e axial. No espectro observa-se que,

para as freqüências de 5 Hz e 20 Hz, as vibrações radiais são o dobro das vibrações

axiais. De forma oposta, a 60 Hz e a 80 Hz, os segundo e terceiro harmônicos

associados à velocidade de rotação, a vibração axial (DY) é maior que a vibração radial

(DZ).

O desalinhamento, tal qual o desbalanceamento, causa uma vibração

predominante na freqüência de rotação do equipamento. Em muitos casos porém,

diferentemente do desbalanceamento, o desalinhamento sempre é acompanhado por

harmônicos, incluindo 2 ou 3 vezes a velocidade de rotação [5]. O espectro da Figura

6.1, apresenta a característica de possuir o segundo e o terceiro harmônico com

amplitudes superiores ao fundamental, na freqüência de rotação. Quando amplitudes

relativamente altas de vibração são detectadas na direção axial, a causa pode ser

desalinhamento angular do acoplamento, desalinhamento do mancal ou empeno do eixo,

principalmente [5].

As vibrações de máquinas elétricas, como geradores, motores elétricos e

alternadores, podem ter sua origem tanto em defeitos mecânicos, como em defeitos

elétricos. Os defeitos mecânicos mais comuns, incluem o desbalanceamento, o

desalinhamento, mancais defeituosos e parafusos frouxos. As vibrações que têm como

origem defeitos elétricos são geralmente resultado de forças magnéticas desbalanceadas

agindo no rotor ou no estator. Estas forças magnéticas desiguais podem ser devidas à

fiação aberta ou em curto, desbalanceamento das fases, folga de ar entre o rotor e o

estator não uniforme, entre outras causas. As freqüências de vibração resultantes de

problemas elétricos têm como freqüência predominante a velocidade de rotação do

equipamento e, portanto, podem ser confundidas com o fenômeno do desbalanceamento

[5].

Capítulo 6 – Monitoração como ferramenta de manutenção

88

Um modo simples de verificar a origem de vibrações elétricas, é observar a

mudança na amplitude de vibração no instante que a energia é desligada da unidade. Se

a vibração desaparece no instante em que a energia é desligada, a vibração é,

provavelmente, devida a problemas elétricos.

Na Figura 6.2 é apresentada a análise no domínio da freqüência do sinal com

carga. Observa-se que as vibrações estão dentro dos limites da faixa de máquina nova,

com exceção de 60 Hz, na qual existe a amplitude RMS de velocidade de vibração de

67,35 mm/s. Esta medida apesar de ser, aparentemente, inaceitável, deve-se a

interferência da freqüência de alimentação do gerador, que é de 60 Hz na medição

devendo ser desconsiderada. Isto mostra a necessidade de se conhecer as características

do equipamento que está sendo analisado. No apêndice B são apresentadas as

características relevantes do equipamento.

Na análise dos espectros de vibração, nas direções radial e axial, com e sem carga,

Figuras 6.1 e 6.2, há indícios de existir desalinhamento entre o motor e o gerador ou

afrouxamento da fixação do conjunto. Após inspeção visual do equipamento,

desconsiderando as demais possibilidades de avarias, o desalinhamento é considerado

como a principal causa da assinatura encontrada no espectro de vibração.

O desalinhamento é um problema extremamente comum, apesar da existência de

dispositivos compensadores, como mancais auto-alinháveis e dos acoplamentos

flexíveis, pois há dificuldades em alinharem-se dois eixos e seus mancais de forma que

não haja forças que possam causar vibrações. O desalinhamento, mesmo em

acoplamentos flexíveis, resulta em duas forças, axial e radial, que são responsáveis por

vibrações axiais e radiais. A força e a quantidade de vibração gerada crescem com o

crescimento do desalinhamento. Uma característica significativa do desalinhamento (e

de eixos empenados) é que a vibração é notada nas direções radial e axial. Como

resultado, a comparação das vibrações axiais é o melhor indicador para o

desalinhamento. Basicamente existem dois tipos de desalinhamento, o angular, no qual

as linhas de centro dos dois eixos se encontram em um ângulo, e o “off set”, no qual as

linhas de centro são paralelas, mas deslocadas uma da outra [5]1. Em geral, sempre que

a amplitude das vibrações axiais for maior que a metade da maior vibração radial,

(horizontal ou vertical), deve-se suspeitar de desalinhamento. O espectro de vibração

apresentado na Figura 5.1 possui esta característica. Nota-se a partir da freqüência de 30

Hz que as amplitudes RMS de velocidade de vibração da direção axial (DY) são

1 Heinz P. Bloch & Fred K. Geitner – Machinery Failure Analysis and Troubleshooting – página 417

Capítulo 6 – Monitoração como ferramenta de manutenção

89

maiores que da direção radial (DZ), e nas freqüências de 60 Hz e 80 Hz, possuem mais

que o dobro da amplitude RMS de velocidade de vibração que os da direção radial.

0

2

4

6

8

10

12mm/s

5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hz

Vibrações sem carga - Jun/99

SEM CARGA DY S E M C A R G A D Z

Figura 6.1 – Comparação entre a vibração radial e axial - sem carga

Figura 6.2 – Comparação da vibração radial e axial – com carga

Na ocasião da medição verificou-se o alinhamento mecânico do conjunto diesel-

gerador, bem como, o aperto dos parafusos de fixação do conjunto na base. Após o

alinhamento do conjunto diesel-gerador é de boa técnica verificar a deflexão do eixo de

manivelas. Na ocasião, foram obtidos os valores da Tabela 6.1. As medidas de deflexão

indicam que o alinhamento entre o motor diesel e o gerador está satisfatório

Tabela 6.1 – Medidas da deflexão do motor (Medidas em polegadas.)

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

m m / s

5 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0

H z

V i b r a ç õ e s c o m c a r g a - J u n / 9 9

C O M C A R G A D Y C O M C A R G A D Z

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