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CENTRO PAULA SOUZA FACULDADE DE TECNOLOGIA DE TAQUARITINGA
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA DE PRODUÇÃO ÊNFASE: INDUSTRIAL
MONOGRAFIA – APLICAÇÃO DA MANUTENÇÃO PREDITIVA POR ANÁLISE DE VIBRAÇÕES – ESTUDO DE CASO.
Autor: Jônatas Alves da Silva.
Orientador: Ms. Carlos Roberto Regattieri.
TAQUARITINGA 2008
MONOGRAFIA – APLICAÇÃO DA MANUTENÇÃO PREDITIVA POR ANÁLISE DE VIBRAÇÕES – ESTUDO DE CASO.
Autor: Jônatas Alves da Silva.
Monografia apresentada à Faculdade de Tecnologia de Taquaritinga, como parte dos requisitos para conclusão do curso de Tecnólogo em Produção com Ênfase Industrial. Orientador: Ms. Carlos Regattieri
TAQUARITINGA 2008
Dedico, Aos meus pais, que acreditaram que daquele menino empolgado, poderia surgir um homem que pudesse desafiar um mundo e conquistar seu espaço.
AGRADECIMENTOS Ao Prof. Ms. Carlos Roberto Regattieri, por sua competência, dedicação e disponibilidade como orientador. A minha família, que souberam entender, que ausência física, não é significado de abandono e sim de trabalho árduo que requeria tempo de minha vida. A Deus, que tem enviado muitas graças e oportunidades, mostrado caminhos estreitos, porém os melhores.
SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS...............................................................................................................iv LISTA DE TABELAS...............................................................................................................v LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS...............................................................................vi LISTA DE SIMBOLOS.......................................................................................................... vii RESUMO................................................................................................................................ viii ABSTRACT............................................................................................................................. ix 1 - INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 9 2 – HISTÓRICO DA MANUTENÇÃO E SEUS TIPOS ..................................................... 10 2.1 - CONCEITO DE MANUTENÇÃO .............................................................................. 10 2.2 - HISTÓRICO DA MANUTENÇÃO ............................................................................ 11 2.3 – MANUTENÇÃO CORRETIVA ................................................................................. 13 2.4 – MANUTENÇÃO PREVENTIVA............................................................................... 14 2.5 – MANUTENÇÃO PREDITIVA .................................................................................. 16 2.5.1 – MANUTENÇÃO PREDITIVA - TERMOGRAFIA................................................. 17 2.5.2 – MANUTENÇÃO PREDITIVA - FERROGRAFIA .................................................. 20 2.6 – MANUTENÇÃO DETECTIVA ................................................................................. 22 2.7 – MPT (MANUTENÇÃO DA PRODUTIVIDADE TOTAL) ........................................ 22 3 – MANUTENÇÃO DA PREDITIVA POR ANÁLISE DE VIBRAÇÕES ........................ 22 3.1 - FUNDAMENTOS DE VIBRAÇÃO ........................................................................... 23 3.2 - CAUSAS, EFEITOS E CONTROLE .......................................................................... 25 3.3 - PRINCÍPIOS DA ANÁLISE ESPECTRAL ................................................................ 27 3.4 – RESULTADOS PREVISTOS..................................................................................... 29 3.5 – TECNICAS DE MEDIÇÃO E PARAMETROS ......................................................... 30 3.6 – TRANSDUTORES E COLETA DOS SINAIS ........................................................... 32 3.7 – TIPOS DE SINAIS ..................................................................................................... 33 3.7.1 – CURVA DE TENDÊNCIA...................................................................................... 33 3.7.2 – ESPECTRO DE FREQUÊNCIA - FFT (AMPLITUDE X FREQÜÊNCIA) ............. 33 3.7.2 – SINAL NO TEMPO ................................................................................................ 34 3.8 – EXEMPLOS DE DIAGNÓSTICOS ........................................................................... 35 3.8.1 – DESBALANCEAMENTO ...................................................................................... 35 3.8.2 – DESALINHAMENTO ANGULAR ......................................................................... 35 3.8.3 – DESALINHAMENTO PARALELO ....................................................................... 36 3.8.4 – FOLGA MECÂNICA .............................................................................................. 37 3.8.5 – FALHA EM COMPONENTES DO ROLAMENTO................................................ 37 3.8.6 – PROBLEMAS ELÉTRIOS (MOTORES) ................................................................ 38 4 – ESTUDO DE CASO: BOMBA DE AGUA POTAVEL................................................. 39 5 – CONCLUSÃO .............................................................................................................. 58 6– REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................................ 59
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LISTA DE FIGURAS Figura 01 – Cronologia da Manutenção ............................................................................... 13 Figura 02 - Exemplo de escala monocromatica .................................................................... 18 Figura 03 - Exemplo de escala policromatica ....................................................................... 18 Figura 04 - Defeito em contato elétrico de um transformador .............................................. 20 Figura 05 - Defeito em contato elétrico de um disjuntor....................................................... 20 Figura 06 – Exemplo de vibração ........................................................................................ 23 Figura 07 – Aquisição de Sinais .......................................................................................... 24 Figura 08 – Tacoma Bridge (Ponte de Tacoma) ................................................................... 26 Figura 09 – FFT (Transformada Rápida de Fourier) ............................................................ 28 Figura 10 – Coleta do Sinal ................................................................................................. 32 Figura 11 – Curva de tendência ........................................................................................... 33 Figura 12 – Espectro de Freqüência - FFT ........................................................................... 34 Figura 13 – Sinal no tempo (Forma de onda) ....................................................................... 34 Figura 14 - Exemplo de desbalanceamento .......................................................................... 35 Figura 15 - Exemplo de desalinhamento angular.................................................................. 36 Figura 16 - Exemplo de desalinhamento paralelo................................................................. 36 Figura 17 - Exemplo de folga mecânica ............................................................................... 37 Figura 18 - Exemplo de falha em componentes de rolamento .............................................. 38 Figura 19 - Exemplo de falha elétrica .................................................................................. 38 Figura 20 - Bomba de Água Potável. ................................................................................... 39 Figura 21 - Componentes Internos de uma Bomba. .............................................................. 40 Figura 22 - Coletor de dados, SKF - CMVA-60. .................................................................. 40 Figura 23 - Localização dos Pontos de Medição, Bomba de Água Potável. .......................... 41 Figura 24 - Localização dos Parafusos Espanados, Bomba de Água Potável. ....................... 42 Figura 25 - Parafuso Espanado, Bomba de Água Potável. .................................................... 42 Figura 26 - Espectro (FFT), 1HV, 13/07/04, Bomba de Água Potável.................................. 44 Figura 27 - Espectro (FFT), 1VV, 13/07/04, Bomba de Água Potável.................................. 44 Figura 28 - Espectro (FFT), 2HV, 13/07/04, Bomba de Água Potável.................................. 45 Figura 29 - Espectro (FFT), 2VV, 13/07/04, Bomba de Água Potável.................................. 45 Figura 30 - Espectro (FFT), 2AV, 13/07/04, Bomba de Água Potável.................................. 46 Figura 31 - Espectro (FFT), 3HA, 13/07/04, Bomba de Água Potável.................................. 46 Figura 32 - Espectro (FFT), 3HE, 13/07/04, Bomba de Água Potável. ................................. 47 Figura 33 - Espectro (FFT), 3HV, 13/07/04, Bomba de Água Potável.................................. 47 Figura 34 - Espectro (FFT), 3VV, 13/07/04, Bomba de Água Potável.................................. 47 Figura 35 - Espectro (FFT), 4HA, 13/07/04, Bomba de Água Potável.................................. 48 Figura 36 - Espectro (FFT), 4HE, 13/07/04, Bomba de Água Potável. ................................. 48 Figura 37 - Espectro (FFT), 4HV, 13/07/04, Bomba de Água Potável.................................. 48 Figura 38 - Espectro (FFT), 4VV, 13/07/04, Bomba de Água Potável.................................. 49 Figura 39 - Tipos de movimento. ......................................................................................... 49 Figura 40 - Espectro em Cascata, 2HV, Bomba de Água Potável. ........................................ 50 Figura 41 - Espectro em Cascata, 2AV, Bomba de Água Potável. ........................................ 50 Figura 42 - Espectro em Cascata, 3HA, Bomba de Água Potável. ........................................ 51 Figura 43 - Espectro em Cascata, 3HE, Bomba de Água Potável. ........................................ 51 Figura 44 - Espectro em Cascata, 3HV, Bomba de Água Potável. ........................................ 51 Figura 45 - Curva de tendência, 1HV, Bomba de Água Potável. .......................................... 52
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Figura 46 - Curva de tendência, 1VV, Bomba de Água Potável. .......................................... 52 Figura 47 - Curva de tendência, 2HV, Bomba de Água Potável. .......................................... 53 Figura 48 - Curva de tendência, 2VV, Bomba de Água Potável. .......................................... 53 Figura 49 - Curva de tendência, 2AV, Bomba de Água Potável. .......................................... 53 Figura 50 - Curva de tendência, 3HA, Bomba de Água Potável. .......................................... 54 Figura 51 - Curva de tendência, 3HE, Bomba de Água Potável............................................ 54 Figura 52 - Curva de tendência, 3HV, Bomba de Água Potável. .......................................... 54 Figura 53 - Curva de tendência, 3VV, Bomba de Água Potável. .......................................... 55 Figura 54 - Curva de tendência, 4HA, Bomba de Água Potável. .......................................... 55 Figura 55 - Curva de tendência, 4HE, Bomba de Água Potável............................................ 55 Figura 56 - Curva de tendência, 4HV, Bomba de Água Potável. .......................................... 56 Figura 57 - Curva de tendência, 4VV, Bomba de Água Potável. .......................................... 56
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LISTA DE TABELAS Tabela 01 – Resumo dos tipos de manutenções...................................................................... 11 Tabela 02 – Unidades para vibrações...................................................................................... 30 Tabela 03 – Norma ISO 10816-3............................................................................................ 30 Tabela 04 – Técnicas x Defeitos............................................................................................. 31 Tabela 05 – Valores das medições realizadas na Bomba de Água Potável............................ 43 Tabela 06 – Medições pós falha na Bomba de Água Potável................................................. 57
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RESUMO
Com a necessidade de se reduzir o tempo e as paradas não-programadas, as empresas vem buscando alternativas no mercado. Neste trabalho será apresentada a manutenção preditiva por analise de vibrações, quebrando alguns paradigmas, devido ao desconhecimento desta ferramenta pelas empresas e mecânicos. Comumente conhecido nas empresas como técnica da adivinhação, por se precisa e direta, que realmente define qual é a falha. Este trabalho tem o intuito de mostrar como se baseiam os técnicos e inspetores para formar seus diagnósticos, quais informações são necessárias para realmente diagnosticar uma falha.
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ABASTRACT
By the demand of time decreasing, and non scheduled stops, companies are searching for alternatives that can keep its equipments on perfect working conditions. On this paper, the predictive maintenance by vibration analysis will be presented, breaking some paradigms due to the ignorance of this tool by the companies and its mechanics. Popularly, it is known on the companies as: “guessing technique”, because it is precise and exacts on the diagnostics. This paper objective is to show how repairers and inspectors base themselves to compose their diagnostics, which information is necessary, and what is taken for granted to really diagnostic a fail.
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1 - INTRODUÇÃO Atualmente as mudanças nas indústrias estão ocorrendo em ritmo intenso, obrigando as pessoas a estarem preparadas e treinadas para se adequarem aos novos sistemas. A manutenção está na mesma trajetória; se o paradigma anterior, e ainda atual na maioria das empresas, era: “O homem de manutenção sente-se bem quando executa um bom reparo” , o novo paradigma é: “O homem de manutenção sente-se bem quando não tem que fazer reparo porque conseguiu evitar todas as quebras não planejadas”. Os termos confiabilidade e disponibilidade são mencionados e exigidos com maior freqüência e, geralmente, em relação aos resultados de programas de produção. A manutenção passou de uma despesa geral para ser um custo controlável incorporado às divisões produtivas. Atualmente, o custo de obter um equipamento até “quebrar” ou sofrer perdas imprevistas por falhas é muito elevado, principalmente quando são computados os custos da não conformidade e de perdas de produção. Nas indústrias modernas, os gerentes têm procurado constantemente maneiras de aumentar a produção e reduzir os custos gerais, incluindo o de manutenção, e ainda melhorar a qualidade do produto fabricado. Para conseguir este objetivo, as máquinas precisam funcionar com grande confiabilidade. Máquinas cujo histórico de manutenção não são conhecidos causam graves perdas de produção devido falhas inesperadas. As medidas e análises de vibrações nas máquinas criam condições de identificar e avaliar seu potencial de falhas. Com tal conhecimento, pode-se planejar os procedimentos e datas ótimas para os reparos necessários. O início de todo processo de melhoramento seja do indivíduo ou das organizações, exige como primeira etapa, que se adquira consciência da própria realidade e, posteriormente, que se definam os objetivos a alcançar e meios para tanto. Entretanto, uma vez iniciado o processo, é necessário que se monitore o progresso alcançado, através da observação e comparação, ao longo do tempo, de parâmetros que definam claramente o grau de qualidade do nosso desempenho.
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2 – HISTÓRICO DA MANUTENÇÃO E SEUS TIPOS
2.1 - CONCEITO DE MANUTENÇÃO A manutenção é definida na concepção industrial como sendo a atividade de fazer com que o patrimônio físico da empresa seja mantido de forma a assegurar sua funcionalidade operacional. De acordo com a ABNT (1994), Manutenção é o conjunto de ações destinadas a manter ou recolocar um item em um estado no qual ele pode executar a função requerida. A Manutenção é um conjunto de medidas ou ações que permitem conservar ou restabelecer um sistema em seu estado de funcionamento. Medidas necessárias para a conservação ou permanência de alguma coisa ou de uma situação; os cuidados técnicos indispensáveis ao funcionamento regular e permanente de motores e máquinas. (FURTADO, 2001). Formalmente, Manutenção é definida como a combinação de ações técnicas e administrativas, incluindo as de supervisão destinadas a manter ou recolocar um item em um estado no qual possa desempenhar uma função requerida. (FURTADO, 2001). Num conceito moderno a missão da manutenção passa de restauradora de equipamentos para garantidora da função do equipamento e/ou sistema, como coloca Pinto e Xavier (2001): garantir a disponibilidade da função dos equipamentos e instalações de modo a atender um processo de produção e preservação do meio ambiente, com confiabilidade, segurança e custos adequados, é a missão atual da manutenção. Ou seja, são todas as ações / intervenções necessárias para que um equipamento seja conservado ou restaurado de modo a permanecer de acordo com uma condição especificada. Sendo dividida em: Corretiva; Preventiva e Preditiva, como expõe os capítulos a seguir. A TRANSMOTOR e UNESP (2002), resumem os tipo de manutenção conforme a tabela 01.
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Tabela 01 – Resumo dos tipos de manutenções TIPO DE TIPO DE MANTENÇÃO FUNCIONAMENTO
MOTIVO DA INSPEÇÃO
CORRETIVA
Fora de serviço
Falha
PREVENTIVA
Em ou fora de serviço
Inspeção Programada
PREDITIVA
Em serviço
TAREFA À REALIZAR Troca de componentes Parada para
OBJETIVO DA INTERVENÇÃO Retorno ao serviço Garantir por
troca periódica
determinado período
de componentes
seu funcionamento Prevenir e predizer falhas
Controle Programado
Medições
Fonte: Transmotor e Unesp (2002)
2.2 - HISTÓRICO DA MANUTENÇÃO Os Vikings, já no início do século X, dependiam fortemente do estado de suas esquadras para o sucesso de suas aventuras; os reparos de seus navios eram realizados em espécies de diques construídos em suas aldeias na Escandinávia. Para isto, as embarcações ficavam secando e, com uso de ferramentas desenvolvidas especialmente para este fim, os barcos eram reparados. Conforme Pascoli (1994), estes são os primeiros indícios da manutenção organizada que se tem registro. A história da manutenção acompanha o desenvolvimento técnico-industrial da humanidade e seu crescimento é verificado a partir da revolução industrial, quando a demanda de serviços de manutenção foi intensificada. Até 1914, a manutenção tinha importância secundária, e era executada pelo mesmo efetivo de operação, afirma Tavares (1999). Com a Primeira Guerra Mundial e a implantação da linha de montagem em série por Henry Ford, a manutenção precisou criar equipes e desenvolver métodos e técnicas para atender às exigências do sistema produtivo e garantir a função dos equipamentos, uma vez que uma falha nos equipamentos implicava na paralisação da produção, elevando os custos, reduzindo a produtividade e o lucro, acrescenta. Nesta fase, a necessidade de uma maior produção e a confiabilidade dos equipamentos bélicos das nações em conflito durante a guerra, também contribuiu para a evolução da Manutenção. Segundo Neto (1992), a partir de 1914, podem ser destacadas cinco fases de mudanças organizacionais com reflexos na manutenção: Manutenção Corretiva; Manutenção
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Preventiva;
Engenharia
da
Manutenção;
Manutenção
Preditiva;
Manutenção
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da
Produtividade Total. Na primeira fase, entre os anos de 1914 e 1930, surge a Manutenção Corretiva, ocupando uma posição hierárquica organizacional bem baixa. A Manutenção Corretiva constitui um método que se caracteriza pela intervenção no equipamento ou ativo da empresa na ocorrência de falha, restabelecendo a sua função. Na segunda fase, entre os anos 1930 e 1947, se deu o aparecimento da Manutenção Preventiva, já ocupando uma posição hierárquica organizacional equiparável à produção. A Manutenção Preventiva caracteriza-se pela intervenção no equipamento, bloqueando com antecedência as causas potenciais de falhas através de ações em intervalos fixos de tempo. No final da década de 40 surge, com destaque na indústria, um órgão de assessoramento da manutenção, a Engenharia de Manutenção com a finalidade de Planejar e Controlar as atividades de manutenção além de analisar causas e efeitos das avarias. O surgimento da Engenharia de Manutenção foi impulsionado pelos esforços pós-guerra, progresso da mecanização industrial com conseqüente falta de mão-de-obra qualificada, e aumento da demanda de mercadorias. Esta terceira fase se encerra em 1960. De 1960 a 1972, a manutenção passou a adotar modernos métodos de controle, através da manutenção preditiva apoiada pelo do advento do computador e expansão internacional das empresas. Nesta quarta fase observa-se também a necessidade da profissionalização gerencial. A partir de 1973, evidencia-se uma evolução da manutenção preventiva que, até então, baseava-se no tempo, para uma manutenção preventiva fundamentada na performance e no desempenho dos equipamentos. Por meios de técnicas que fornecem o diagnóstico preliminar de falhas dos equipamentos nesta quinta fase, evidencia-se o uso do método da prevenção da manutenção. Nas últimas décadas, as organizações vêm passando por transformações rápidas e profundas, impulsionadas pelo aumento da competitividade e pelo desenvolvimento tecnológico, levando as empresas a uma verdadeira revolução nos seus sistemas produtivos. Parte desta revolução está associada aos equipamentos de produção que vêm sendo
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submetidos a metas cada vez mais desafiadoras em termos de qualidade dos produtos, custos e produtividade, levando estes equipamentos a uma complexidade maior, implicando em grandes transformações nos sistemas de manutenções e a um novo enfoque sobre a organização da manutenção. Conforme Pinto e Xavier (2001), nos últimos 20 anos a atividade de manutenção tem passado por mais mudanças do que qualquer outra atividade. No estágio atual, Tavares (1999), defende a manutenção como um elemento tão importante no desempenho dos equipamentos quanto ao que vinha sendo praticado na operação. Na figura 01, podemos identificar resumidamente a evolução da manutenção.
ra ra er al er al u u i i 14 ª G d 30 ª G d 40 19 1 Mun 19 2 Mun 19
50 19
do o dor t n ve uta 0 d 0 7 6 A p 19 Com 19
Inicio da Corretiva e Engenharia Corretiva Preventiva Manutenção
Preditiva
80 19
MPT
je Ho
Integração da Produção e Manutenção
Figura 01 – Cronologia da Manutenção Fonte: Pinto, Xavier (2001)
2.3 – MANUTENÇÃO CORRETIVA A manutenção é executada em resposta as falhas operacionais das máquinas. Ou seja espera-se a máquina falhar para depois se intervir com a manutenção, “Falhou, conserta”. E ela é dividida em duas classes: _Manutenção corretiva programada, quando se prevê a quebra e mesmo assim opta por deixar o equipamento operando, normalmente utilizado em equipamentos de baixo custo. É a correção do desempenho menor que o esperado, ou da falha, por decisão gerencial, isto é pela atuação em função de acompanhamento preditivo ou pela decisão de operar até a quebra, afirma Pinto e Xavier (2001). A decisão da adoção da política de manutenção corretiva planejada pode advir de vários fatores, tais como: negociação de parada dos equipamentos com o setor de produção, garantias ligadas à segurança, melhor planejamento
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dos serviços, garantia de ferramental / peças sobressalentes, busca de recursos humanos com tecnologia externa. A manutenção corretiva planejada possibilita o planejamento dos recursos necessários para a operação, uma vez que a falha é esperada. Os custos de planejamento e prevenção dos reparos são maiores que o de corretiva. Em equipamentos periféricos simples e com falhas bem definidas também se justifica a adoção da política da manutenção corretiva programada. Mesmo que a manutenção corretiva tenha sido a adotada por ser mais vantajosa, não podemos simplesmente nos conformar com a ocorrência de falhas como um evento já esperado e, portanto, natural, afirma Xenus (1998). _Manutenção corretiva não programada, quando o equipamento quebra de forma aleatória (inesperada), sem possível planejamento ou previsão. É a atuação para correção da falha ou do desempenho menor que o esperado do equipamento, afirma Pinto e Xavier (2001). Caracteriza-se pela ação, sempre após a ocorrência da falha, que é aleatória, e sua adoção leva em conta fatores técnicos e econômicos. Do ponto de vista do custo de manutenção, a manutenção corretiva é mais barata do que prevenir falhas nos equipamentos, porém pode causar grandes perdas por interrupção da produção, afirma Xenos (1998). É comum a adoção da manutenção corretiva para algumas partes menos críticas dos equipamentos, porém é preciso dispor dos recursos necessários – peças de reposição, mão-deobra e ferramental, para agir rapidamente. Pinto e Xavier (1998) definem a manutenção corretiva como “a atuação para a correção de falha ou do desempenho menor do que o esperado”.
2.4 – MANUTENÇÃO PREVENTIVA A manutenção preventiva é planejada de acordo com as tendências históricas, experiências ou dados de confiabilidade. Tipicamente são empregados como base para a manutenção intervalos de operação, tais como: horas, quilômetros, ciclos e não as condições reais da máquina. É uma ferramenta em que se despendem os esforços para se evitar que um equipamento sofra uma parada imprevista, ocasionando sérios transtornos à produção.
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Pinto e Xavier (1998) definem a manutenção preventiva como “é a atuação realizada de forma a reduzir ou evitar a falha ou queda no desempenho, obedecendo a um plano previamente elaborado, baseado em intervalos definidos de tempo”. Normalmente os equipamentos têm sua vida útil determinada por horas de uso e assim se deve aplicar a preventiva, de acordo com seu tempo determinado pelo fornecedor, como exemplo: A troca de correia dentada a cada 50.000 Km, recomendada pelos fabricantes de veículos ; A troca de óleo lubrificantes de motores de automóveis a cada 5.000 ou 10.000 km , também recomendado pelos fabricantes. Alguns motivos para se praticar a manutenção preventiva: - Quando não é possível realizar a manutenção preditiva. - Aspectos relacionados com a segurança pessoal ou da instalação que tornam mandatória a intervenção, normalmente para a substituição de componentes. - Por oportunidades em equipamentos críticos de difícil liberação operacional. - Riscos de agressão ao meio ambiente. - Em sistemas complexos e/ou de operação contínua. Ex.; petroquímica, siderúrgica, industria automobilística, empresa sazonal como usina de açúcar e álcool. Olmedo e Mirshawka (1993), definem a manutenção preventiva como ”manutenção efetuada de acordo com critérios preestabelecidos, com o objetivo de reduzir as probabilidades de falhas de um bem ou de um serviço efetuado”. Segundo Pinto e Xavier (2001), manutenção preventiva é a atuação realizada de forma a reduzir ou evitar a falha e / ou queda no desempenho, obedecendo a um plano previamente elaborado, baseado em intervalos definidos de tempo. Caracteriza -se pela busca sistemática e obstinada para evitar a ocorrência de falhas procurando prevenir, mantendo um controle contínuo sobre os equipamentos, efetuando operações julgadas convenientes. A manutenção preventiva, considerada o coração das atividades de manutenção, envolve algumas tarefas sistemáticas tais como as inspeções, reformas e troca de peças, principalmente, afirma Xenos (1998). O custo da manutenção preventiva é elevado, tendo em vista que peças e componentes dos equipamentos podem ser substituídos antes de atingirem seus limites de vida útil. Conforme Pinto e Xavier (2001), para adoção de uma política de manutenção preventiva devemos considerar fatores tais como: impossibilidade da adoção de manutenção preditiva, aspectos de segurança pessoal ou da instalação, equipamentos críticos
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de difícil liberação operacional, riscos de agressão ao meio ambiente, sistemas complexos ou de operação contínua.
2.5 – MANUTENÇÃO PREDITIVA Denomina-se “manutenção preditiva”, o controle do estado de funcionamento das máquinas em operações ou instalações em serviço, efetuado com instrumentos de medição, para detectar falhas, evitando maiores problemas ou detectar mudanças nas condições físicas que requeiram manutenção. Segundo Pinto e Xavier (1998), a definição de Manutenção Preditiva é “a atuação realizada com base em modificações de parâmetro de condição ou desempenho, cujo acompanhamento obedece a uma sistemática”. Segundo Pinto e Xavier (2001), Manutenção Preditiva, também conhecida como Manutenção Sob Condição ou Manutenção com Base no Estado do Equipamento, pode ser definida como a atuação realizada com base em modificações de parâmetros de condição ou desempenho do equipamento, cujo acompanhamento obedece a uma sistemática. Caracteriza-se pela previsibilidade da deterioração do equipamento, prevenindo falhas por meio do monitoramento dos parâmetros diversos, com o equipamento em funcionamento (produzindo). Conforme Nepomuceno (1989), Manutenção Preditiva é a execução da manutenção no momento adequado, antes que o equipamento quebre. Ela tem a finalidade de estabelecer “quais são os parâmetros que devem ser escolhidos em cada tipo de máquina ou equipamento, em função das informações que as alterações de tais parâmetros sobre o estado mecânico de um determinado componente”. Para adoção da política de manutenção preditiva, pode-se levar em consideração fatores, tais como: segurança, custos e disponibilidade dos equipamentos. Os custos de instrumentação e aparelhos de medições, bem como os de mão-de-obra envolvidos nesta política não são significativos, se comparados aos resultados, tanto sob o aspecto técnico quanto econômico. No tocante à produção, a manutenção preditiva é a que oferece melhores resultados, pois intervém o mínimo possível na planta, de acordo com Pinto e Xavier (2001).
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2.5.1 – MANUTENÇÃO PREDITIVA - TERMOGRAFIA A Inspeção Termográfica é a técnica de inspeção não destrutiva realizada com a utilização de sistemas infravermelhos, para a medição de temperaturas ou observação de padrões diferenciais de distribuição de calor, com o objetivo de propiciar informações relativas à condição operacional de um componente, equipamento ou processo. Segundo Veloso (2008), a termografia é definida como a técnica de sensoreamento remoto que possibilita a medição de temperaturas e a formação de imagens térmicas de um componente, equipamento ou processo, a partir da radiação infravermelha. A termografia é amplamente aplicada na indústria, podendo ser usada para detectar todo e qualquer defeito que gere troca ou perda de calor. Assim sendo, é muito utilizada tanto na detecção de falhas elétricas quanto mecânicas. O sistema infravermelho tem por objetivo transformar a radiação infravermelha captada em informação térmica. Diversos tipos de sistemas foram desenvolvidos diferindo entre si, na forma de realizar a varredura da cena, no tipo de detector utilizado e na apresentação da informação. Através do imageamento térmico é que é possível obter a informação “Visão” térmica que permite a observação direta da distribuição de calor nos corpos estudados. Os termovisores são sistemas imageadores dotados de recursos para a análise e medição de distribuições térmicas. Os termovisores compõem-se, em geral, de uma unidade de câmera e de uma unidade de vídeo (display). As medições termográficas são realizadas com a utilização de sistemas infravermelhos, tendo como princípio a comparação entre as intensidades de radiação proveniente do corpo observado e de uma referência de temperatura. A variação da temperatura nos corpos é identificada pelo principio da irradiação de energia, ou seja, todo corpo irradia energia eletromagnética em forma de calor, em maior ou menor intensidade. Esta energia é irradiada em espectros que produzem varias tonalidades de cores de acordo com o seu comprimento de onda. Então, cada faixa de temperatura gera um determinado comprimento de onda, ao qual corresponde uma tonalidade de cor que pode ser representada em uma escala cromática que varia de acordo com as diferentes faixas de temperatura do objeto em observação.
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Este espectro podem ser visualizado em uma escala monocromática ou policromática. Em ambas as escalas a cor preta se associará à faixa mais fria do espectro, e a cor branca se associará à faixa mais quente. A escala policromática vai do preto ao branco através de suaves variações de tonalidades de cores, que dependem da escala usada, conforme a figura 02. Em nosso caso usamos a escala IRON, policromática, que vai do preto ao branco através de tonalidades de violeta, azul, rosa, vermelho, laranja e amarelo, conforme a figura 03. 41,3°C 40
35
30
25
20 18,4°C
Figura 02 - Exemplo de escala monocromatica Fonte: Site: http://www.eletrica.ufpr.br 33,3°C
32
30
28
26
24
22
20 19,8°C
Figura 03 - Exemplo de escala policromatica Fonte: Site: http://www.eletrica.ufpr.br
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Em quaisquer dos sistemas de manutenção considerados, a termografia se apresenta como uma técnica de inspeção indispensável, uma vez que permite: - A realização de medições sem contato físico com a instalação (segurança). - A verificação de equipamentos em pleno funcionamento (não interferência na produção). - A inspeção de grandes superfícies em pouco tempo (alto rendimento). Os programas desenvolvidos para a classificação de componentes elétricos aquecidos, avaliação da espessura de revestimentos e o cálculo de trocas térmicas, permitem que os dados térmicos sejam empregados em análises preventivas e preditivas. Durante uma inspeção termográfica, o operador busca por anomalias térmicas que evidenciem a ocorrência de alterações operacionais nos equipamentos observados. Essas anomalias térmicas podem ter quatro diferentes causas: a) Elétrica: a anomalia deriva da produção de calor por efeito Joule. Exemplo: conexões elétricas aquecidas ou regiões de indução. b) Mecânica: a anomalia é causada por atrito ou vibração decorrente de desgaste ou falta de lubrificação. Exemplo: aquecimento em mancais, acoplamentos ou roletes de esteira rolante. c) Fluxo de Produto: a anomalia é produzida por um movimento indevido de massa, provocado por um vazamento ou obstrução do fluxo de produto. Exemplo: purgadores dando passagem, coqueamento em fornos de processo. d) Fluxo de Calor: a anomalia está associada a uma troca anormal de calor devido a uma anormalidade no revestimento isolante ou refratário. Exemplo: queda de revestimento em forno rotativo, desgaste de refratário em carro-torpedo ou degeneração de isolante em linha de vapor. As figuras 04 e 05 demonstram exemplos de problemas detectáveis pela termografia.
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Figura 04 - Defeito em contato elétrico de um transformador Fonte: Site: http://www.thermalview.com.br
Figura 05 - Defeito em contato elétrico de um disjuntor Fonte: Site: http://www.thermalview.com.br
2.5.2 – MANUTENÇÃO PREDITIVA - FERROGRAFIA A Ferrografia é um processo científico para avaliar as condições de desgaste e desempenho de máquinas. Foi desenvolvida nos EUA inicialmente para a aeronáutica militar e rapidamente mostrou-se indispensável na indústria em geral. É a avaliação das condições de máquinas por meio da identificação, classificação e quantificação das partículas presentes em lubrificantes de qualquer tipo (óleos ou graxas). São partículas de desgaste, contaminantes e produtos de degradação do lubrificante que permitem o diagnóstico de eventuais problemas identificando as causas do desgaste. Uma amostra de lubrificante é coletada com a máquina em operação e, num laboratório, são preparados os corpos de prova chamados ferrogramas.
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Os ferrogramas contém todas as partículas em suspensão da amostra. A observação de cada tipo de partícula (morfologia, tamanho, acabamento superficial, coloração.) é feita por meio de um microscópio especial com aumentos de até 1000 vezes. Problemas como pitting, abrasão, arrastamento, esfoliação anormal, deficiência do lubrificante, sobrecarga etc. são diariamente detectados em equipamentos que, muitas vezes , eram tidos como em perfeito estado. Foi trazida para o Brasil em 1988, e desde então , vem sendo aplicada em : - Monitoramento de condições de máquinas dos mais variados tipos e aplicações. - Pesquisa e desenvolvimento de lubrificantes, materiais e processos. - Perícias em acidentes (aeronáutica civil e militar e indústria em geral) O monitoramento sistemático de equipamentos tem sua maior aplicação na manutenção com os seguintes benefícios: - Redução de paradas de emergência. - Aumento da qualidade. - Aumento da segurança. - Aumento da disponibilidade para operação. - Aumento da vida útil dos equipamentos pela determinação de problemas em fase ainda inicial. - Economia em lubrificantes. - Obtenção de dados para engenharia de manutenção. - Mas o maior de todos os benefícios é a postergação de paradas programadas para manutenção. O adiamento de intervenções programadas só pode ser realizado quando se sabe que o equipamento ainda está em condições de operação, sem riscos. Este benefício permite o redirecionamento dos recursos da equipe de manutenção para pontos onde são realmente necessários. A ferrografia não estuda apenas as partículas ferrosas. A razão do nome é apenas histórica. Na verdade, são estudados todos os tipos de partículas ferrosas ou não, tais como areia, bronze, alumínio, magnésio, cromo. Outros exemplos são ferrugem, corrosão e mais uma variedade muito grande de fenômenos.
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2.6 – MANUTENÇÃO DETECTIVA A manutenção detectiva é a atuação efetuada em sistemas de proteção ou comando, buscando, detectar falhas ocultas ou não perceptíveis ao pessoal de operação e manutenção. Um exemplo clássico é o circuito que comanda a entrada de um gerador em um hospital. Se houver falta de energia e o circuito tiver uma falha o gerador não entra. A medida que aumenta a utilização de sistemas automatizados nas operações, mais importante e mais utilizado será, garantindo a confiabilidade dos sistemas, descreve XAVIER (2003).
2.7 – MPT (MANUTENÇÃO DA PRODUTIVIDADE TOTAL) É uma metodologia de eliminação de perdas, baseada na atuação de pilares. Os pilares de Manutenção Autônoma, Engenharia de Manutenção e Controle Inicial trabalham diretamente com equipamentos e manutenção, envolvendo também os operadores mantenedores. Para Carrijo (2001), o MPT é um método de gestão que identifica e elimina as perdas existentes no processo produtivo, maximizando a utilização do ativo industrial e garante a geração de produtos de alta qualidade a preços competitivos. Além disso desenvolve conhecimentos capazes de reeducar as pessoas para ações de prevenção e melhoria contínua, garantindo o aumento da confiabilidade dos equipamentos e da qualidade dos processos, sem investimentos adicionais. A filosofia da MPT, está baseada em princípios de aproveitamento das pessoas, aproveitamento dos equipamentos e aproveitamento total da organização, ou seja, uma reestruturação da cultura organizacional através de uma total participação das pessoas e do aperfeiçoamento dos equipamentos, com o objetivo de máxima geração de resultados com o menor custo, segundo SUZUKUI (1992).
3 – MANUTENÇÃO DA PREDITIVA POR ANÁLISE DE VIBRAÇÕES
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3.1 - FUNDAMENTOS DE VIBRAÇÃO A vibração é uma oscilação em torno de uma posição de referência. Ela é um fenômeno quotidiano. Nós a encontramos em nossas casas, durante as viagens e no trabalho. A vibração é freqüentemente um processo destrutivo, ocasionando falhas nos elementos de máquinas por fadiga. Segundo a Transmotor e Unesp (2003), a vibração é o movimento alternativo de um corpo ao redor de uma posição de equilíbrio, causado por uma força indesejável. Como exemplo a oscilação de um eixo ao redor de uma posição central em um mancal de escorregamento, como exemplificado pela figura 06.
Figura 06 – Exemplo de vibração Fonte: Transmotor e Unesp (2002) O movimento vibratório de uma máquina é o resultado das forças dinâmicas que a excitam. Essa vibração se propaga por todas as partes da máquina, bem como para as estruturas interligadas a ela. Geralmente uma máquina vibra em várias freqüências e amplitudes correspondentes. Os efeitos de uma vibração severa são o desgaste e a fadiga, que certamente são responsáveis por quebras definitivas dos equipamentos. Toda máquina apresenta um determinado nível de ruído e vibração devido a operação e a fontes externas. Porém, uma parcela destas vibrações é causada por pequenos
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defeitos mecânicos ou excitações secundárias perturbadoras, que atuam na qualidade do desempenho da máquina. Qualquer acréscimo no nível de vibração de uma máquina é o primeiro sinal de agravamento de um defeito: desalinhamento, empenamento do eixo, desgaste do rolamento. O fato de que os sinais de vibração de uma máquina trazem informações relacionadas com o seu funcionamento, indica a saúde da máquina e a decisão sobre uma intervenção ou não nesta máquina. Cada máquina apresenta uma forma característica de vibração, em aspecto e nível. Porém, máquinas do mesmo tipo apresentam variações no comportamento dinâmico. Isso se deve às variações de ajustes, tolerâncias e, principalmente, defeitos. Cada elemento de máquina induz uma excitação própria, gerando uma perturbação específica. Geralmente esses elementos são mancais, rotores, engrenagens. Como mostra a figura 07, Aquisição de sinais.
FFT
Figura 07 – Aquisição de Sinais Fonte: Transmotor e Unesp (2002) O comportamento dinâmico da máquina é uma composição das perturbações de todos os componentes, defeitos e excitações oriundos dos movimentos. Então, uma criteriosa medida das vibrações poderá indicar as principais causas, quais elementos ou defeitos, estão excitando a máquina. Portanto, em uma máquina as vibrações se dão em várias freqüências
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devido às várias excitações. O movimento em um ponto qualquer será a superposição de várias harmônicas. Os diagnósticos para fins de manutenção das máquinas, com o objetivo de identificar as possíveis causas destes movimentos são obtidos separando as harmônicas do sinal global e associando-as com os elementos defeituosos ou desvios de montagem.
3.2 - CAUSAS, EFEITOS E CONTROLE É identificado como causa os defeitos que geram excitações na vibração, fontes da vibração, segundo SKF (2006), aquelas mais comuns e que, portanto podem ser responsabilizadas por quase a totalidade das vibrações mecânicas indesejáveis são: - Desequilíbrio de massas girantes (desbalanceamento) - Desalinhamento de eixos, correias e correntes. - Folgas generalizadas e bases soltas. - Dentes de engrenagens. - Rolamentos. - Corrente elétrica. - Campo magnético desequilibrado (motores elétricos) - Transporte - Tráfego férreo e rodoviário. - Escoamento fluido. - Explosivos, terremotos.
Os efeitos, problemas que a vibração podem gerar, e os principais são: - Altos riscos de acidentes. - Desgaste prematuro de componentes. - Quebras inesperadas. - Aumento dos custos de manutenção. - Perda de energia. - Fadiga estrutural. - Desconexão de partes. - Baixa qualidade dos produtos.
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- Ambiente de trabalho inadequado.
O controle dos fenômenos vibratórios pode ser conseguido por três procedimentos diferenciados: - Eliminação das fontes: balanceamento, alinhamento, substituição de peças defeituosas, aperto de bases soltas, etc... - Isolamento das partes: colocação de um meio elástico amortecedor de modo a reduzir a transmissão da vibração a níveis toleráveis. - Atenuação da resposta: alteração da estrutura (reforços, massas auxiliares, mudança de freqüência natural)
A vibração pode ter efeitos destrutivos através da ressonância, que na física é o nome atribuído ao processo de transferência de energia, efetuado por pulsos, ou por ondas, quando emitidos numa das freqüências naturais do receptor. Nestas condições, as oscilações causadas no receptor atingem rapidamente amplitudes de valores elevados, ainda que o gerador tenha potência relativamente pequena. É tão concreto este fenômeno que um vento pode, se a sua freqüência coincidir com a freqüência natural dos elementos atômicos que compõem os materiais utilizados em uma ponte, derrubá-la por oscilações de amplitude crescente tal como ocorreu nos Estados Unidos, em 1932, Tacoma Bridge, como ilustra a figura 08. Oscilando como gelatina, arrebentando suas estruturas até cair. Pode também um agudo som quebrar um cristal ou um vidro. É ainda este é o motivo pelo qual param de marchar os soldados ao passar sobre uma ponte.
Figura 08 – Tacoma Bridge (Ponte de Tacoma) Fonte: Wikipedia (2008)
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Porém é importante ressaltar que apenas ocorrerá a ressonância se a freqüência da fonte ou gerador (pulsos de marcha) que emite ondas coincidir com a freqüência natural do receptor (vibração microscópica natural de boa porcentagem do material da ponte). Quando ocorre, este fenômeno constitui a ressonância e diz-se que o sistema “está em ressonância com os impulsos aplicados.”(HALLIDAY e RESNICK, 1969)
3.3 - PRINCÍPIOS DA ANÁLISE ESPECTRAL O domínio da freqüência é tudo ao redor de nós. Entretanto, algumas vezes nós chamamos freqüência por outros nomes. Por exemplo, luz é freqüência. A cor vermelha é freqüência. Som é freqüência. Nós não referimos a estes itens como freqüências, nós apenas as chamamos de luz cor e som. O corpo humano está limitado a um determinado “range” de freqüência (Ex.: conseguimos identificar sons entre 20 e 20.000 Hz - para pessoa jovem), indicando desta forma que nós não podemos identificar certos tipos de defeitos em máquinas, ou ainda que estes defeitos em máquinas podem estar mascarados por outros fora de nosso range de detecção. Analisando alguns destes problemas no domínio do tempo, poderemos diagnosticar alguns tipos de defeitos.
Entretanto, os sinais no domínio do tempo para
máquinas rotativas, se mostram bastante complexos. Para análise de vibração é necessário dominar diagnósticos no domínio do Tempo e da Freqüência para uma análise completa e precisa. Para mover do domínio do tempo para o domínio da freqüência, é necessário aplicar a Transformada de Fourier ao sinal. A sigla FFT é abreviatura da expressão inglesa “Fast Fourier Transform”, que em português quer dizer “Transformação Rápida de Fourier”. Há 200 anos atrás, um matemático francês-o Barão Jean-Baptist Joseph Fourier, estabeleceu que qualquer função periódica (incluindo a vibração mecânica) pode ser representada matematicamente como uma série de senos e co-senos. Em outras palavras é possível medir a forma de onda da vibração, sendo ela simples ou complexa, e matematicamente calcular as freqüências presentes nessa forma de onda, com suas respectivas amplitudes. Esse processo é chamado de Transformação de Fourier.
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Esse processo pode ser feito manualmente, mas é extremamente demorado. Com o advento dos computadores digitais, o calculo pode ser realizado automaticamente de forma muito mais rápida, porém o processo original Fourier consumia muita memória, exigindo máquinas com alto desempenho. No inicio da década de 60, a IBM através de um consultor externo introduziu inúmeras simplificações no processo original de Fourier, tornando o algoritmo do programa mais simples, consumindo muita menos memória. Esse novo algoritmo foi chamado de Transformação Rápida de Fourier e permitiu uma grande evolução nos analisadores de freqüência, pois podia rodar em máquina simples de oito bits. A figura 09, FFT (Transformada Rápida de Fourier), exemplifica o calculo através dos sinais coletados, processados e demonstrados.
Figura 09 – FFT (Transformada Rápida de Fourier) Fonte: Transmotor e Unesp (2002) Para que possamos analisar o espectro de vibrações obtido em um equipamento, é necessário que conheçamos de antemão os sinais inerentes ao funcionamento do equipamento. É natural que todo equipamento apresente vibrações em determinadas freqüências quando de seu funcionamento. Estas vibrações são decorrentes da própria vibração do equipamento e de seus elementos de máquina, sendo considerados normais desde que
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mantidos dentro de um limite aceitável de amplitude e sem aparecimento de componentes indesejáveis tais como famílias de harmônicas, bandas laterais, etc... Dos sinais inerentes ao funcionamento dos equipamentos podemos destacar como os mais comuns e que devem ser conhecidos de antemão pelo analista: · Freqüência de rotação da máquina · Freqüência de passagem de pás quando bombas ou ventiladores. · Freqüências de engrenamento quando redutores. Estes sinais estão todos relacionados com a rotação do equipamento e devem ser conhecidos pelo analista, pois muitas vezes servem como referência para o ajuste e análise do espectro de vibração. Não será possível fazer uma análise correta sem um prévio conhecimento destes parâmetros.
3.4 – RESULTADOS PREVISTOS As atividades de manutenção preditiva permitem ganhos financeiros para as empresas resultantes dos seguintes benefícios para a manutenção: - REDUÇÃO DOS CUSTOS DE MANUTENÇÃO, com base na analise de vibrações e nas curvas de tendências, pode-se ter uma previsão de quando será necessário intervir no equipamento, e quais os serviços deverão ser realizados, prolongando-se a vida útil de componentes substituindo-se apenas o necessário. - AUMENTO DA EFICIÊNCIA DAS INTERVENÇÕES DE MANUTENÇÃO, através da indicação antecipada dos elementos com falha e de avaliação dos resultados das intervenções. - AUMENTO DA DISPONIBILIDADE DOS EQUIPAMENTOS, a utilização de programas preditivos pode virtualmente eliminar paralisações imprevistas devido a falha de máquinas, bem como reduzir a necessidade de programação de paradas desnecessárias para serviços preventivos. - AUMENTO DA CONFIABILIDADE OPERACIONAL, a eliminação de paradas não programadas aumenta a confiabilidade operacional, reduzindo os riscos de perda de produção.
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- CURVAS DE TENDÊNCIA, o gráfico que registra os níveis globais registrados ao longo do tempo, chama-se CURVA DE TENDÊNCIA. Através dessa curva, pode-se extrapolar com os resultados obtidos, realizando uma previsão da data de ocorrência de níveis de falha, programando-se assim as intervenções com antecedência.
3.5 – TECNICAS DE MEDIÇÃO E PARAMETROS As grandezas de medição de vibração são: Deslocamento, Velocidade, Envelope e Aceleração. Essas grandezas são referentes cada uma ao seu tipo de técnica, pois cada uma tem um comportamento característico em função da freqüência. Como mostra a tabela 02.
Tabela 02 – Unidades para vibrações Unidade Métricas Inglesa Deslocamento [µm] [mils] Velocidade [mm/s] [in/s] Envelope [gE] [gE] Aceleração [g] [g] Fonte: SKF, Apostila tecnologia de vibrações O deslocamento realça componentes de baixa freqüência, sendo geralmente utilizado como indicação de desbalanceamento em partes de máquinas rotativas, em função de amplitude de vibração ocorrer na freqüência de rotação do rotor desbalanceado. Para máquinas com rotação média, é recomendável utilizar medições de velocidade de vibração RMS, detectando falhas que se identificam nas freqüências próximas da freqüência de rotação. Como referência para valores coletados em Velocidade (RMS), temos algumas normas para classificação e comparação para avaliação, devendo permanecer dentro de faixas admissíveis, o que gera parâmetros para solicitar uma manutenção, classificando as maquinas de acordo com suas características e vibrações, como mostras a tabela 03.
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Tabela 03 – Norma ISO 10816-3
Fonte: SKF, Apostila tecnologia de vibrações Componentes de alta freqüência, são bem representados com o uso de aceleração como grandeza de medição, sendo recomendada sua aplicação, em engrenamento e rolamentos. Falhas que se apresentam através de impactos são identificadas através do envelope, aplicando filtros que detectam eventos de impactos repetivos.A velocidade de vibração, é influenciada por ruídos de baixa ou alta freqüência, sendo geralmente escolhido para avaliação da severidade da vibração Para se realizar uma analise completa, buscando identificar a maioria dos defeitos conhecidos, é utilizado a técnica multi-parâmetros, que consiste na utilização de múltiplas técnicas de medição de modo a se coletar informações mais significativas da condição da máquina, para cada defeito. Como mostra a tabela 04.
Tabela 04 – Técnicas x Defeitos TECNICA Velocidade de vibração
DETECÇÃO DE DEFEITOS Detecta falhas como desbalanceamento, desalinhamento, folgas, rolamentos em fases muito deteriorado.
Aceleração de vibração
Detecta falhas cavitação.
HFD
Detecta falhas de rolamento, filtrando o sinal de aceleração na faixa de 5 a 40 KHz, excelentes resultados em sistema on-line.
Envelope de aceleração
Realça os defeitos provocados por choques, tais com: rolamento, engrenamento, folgas. Detecta falhas de lubrificação.
SEE
de
Fonte: SKF, Apostila tecnologia de vibrações
engrenamento,
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3.6 – TRANSDUTORES E COLETA DOS SINAIS Conversão da Vibração em Sinal Elétrico - Antes que a análise possa ser iniciada a vibração deve ser convertida em sinal elétrico, uma tarefa executada por transdutores de vibração. Deve ser observado o seguinte para obter um sinal que represente a vibração: - Seleção de tipo adequado de transdutor - Para medição na carcaça utilizar acelerômetro, integrando, integrando o sinal analogicamente para velocidade de vibração. - Posicionamento e correta instalação do sensor - Os sensores não devem ter folgas na fixação, ou inclinação maior que 15 graus da direção de medição. - Sensibilidade do Sensor - Verificar a unidade (métricas ou inglesa), se o sensor deve ser alimentado ou não e a faixa de utilização linear. Sensor de proximidade é utilizado em máquinas monitoradas, para medição do movimento relativo ao eixo do mancal. Transdutor de Velocidade é utilizado principalmente para medição em estruturas de concreto e máquinas. Acelerômetro Piezelétrico é utilização para medição de máquinas e estruturas, redutores, rolamentos, levantamento de freqüências naturais, etc. A informação contida nos equipamentos é coletada pelo sensor, transforma-se em sinal elétrico, é processado, é convertido em sinais gráficos para a interpretação, como mostra a figura 10.
Forma de Onda
Transdutor Amplitude Nível Global de Energia
Tempo
FFT Espectro Amplitude Freqüência
Figura 10 – Coleta do Sinal Fonte: Transmotor e Unesp (2002)
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3.7 – TIPOS DE SINAIS Os softwares específicos para analise de vibrações, através de seu trabalho com os dados (aquisição, processamento, interface), pode nos disponibilizar algumas imagens que estão explicadas na seqüência, também conhecidas como sinais.
3.7.1 – CURVA DE TENDÊNCIA Segundo a SKF (2006), é o gráfico que registra os níveis globais registrados ao longo do tempo. Através dessa curva, pode-se extrapolar com os resultados obtidos, realizando uma previsão da data de ocorrência de níveis de falha, programando-se assim as intervenções com antecedência, como mostra a figura 11.
Figura 11 – Curva de tendência Fonte: Software Prism 4 – SKF
3.7.2 – ESPECTRO DE FREQUÊNCIA - FFT (AMPLITUDE X FREQÜÊNCIA) Após o processamento do sinal, transformada rápida de Fourier do sinal de onda, o sinal é apresentado com a amplitude em função da freqüência, sinal este que evidencia a
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maioria dos defeitos, ou seja, é sinal mais comum para a realização do diagnostico, apresentado na figura 12. SKF (2006)
Figura 12 – Espectro de Freqüência - FFT Fonte: Software Prism 4 – SKF
3.7.2 – SINAL NO TEMPO Também conhecido como Forma de Onda, é a variação de amplitude de vibração em função do tempo. Como mostra a figura 13, SKF (2006).
Figura 13 – Sinal no tempo (Forma de onda) Fonte: Software Prism 4 – SKF
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3.8 – EXEMPLOS DE DIAGNÓSTICOS 3.8.1 – DESBALANCEAMENTO Evidenciado pela presença da freqüência de rotação do equipamento, 1X RPM, e normalmente domina o espectro, o valor do pico, amplitude, está próximo do valor global do espectro. Sendo que a amplitude varia com o quadrado do crescimento da rotação. Pode provocar vibrações axiais e radiais elevadas. A correção exige a colocação de pesos de balanceamento em pelo menos 2 planos. O Desbalanceamento do Rotor em Balanço causa elevado 1X RPM tanto na direção axial como na direção radial. Demonstrado pela figura 14.
Figura 14 - Exemplo de desbalanceamento Fonte: Software Prism 4 - SKF
3.8.2 – DESALINHAMENTO ANGULAR O Desalinhamento Angular é caracterizado pela vibração alta na axial. Caracteristicamente haverá alta vibração axial tanto com 1X quanto com 2X RPM. Entretanto não é incomum que 1X, 2X ou 3X sejam dominantes, como mostra a figura 15. Estes sintomas podem indicar também problemas de acoplamento.
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Figura 15 - Exemplo de desalinhamento angular Fonte: Software Prism 4 - SKF
3.8.3 – DESALINHAMENTO PARALELO Desalinhamento paralelo tem sintomas similares ao angular, mas apresenta vibração radial alta. 2X maior que 1X, mas sua altura relativa para 1X é habitualmente ditada pelo tipo e construção do acoplamento. Quando o Desalinhamento Angular ou Radial se torna severo, pode gerar picos de alta amplitude em harmônicos muito mais altos (4X-8X) ou mesmo toda uma série de harmônicos de alta freqüência similar na aparência à folga mecânica. A construção do acoplamento influenciará muitas vezes a forma do espectro quando o desalinhamento é severo. Demonstrado pela figura 16.
Figura 16 - Exemplo de desalinhamento paralelo Fonte: Software Prism 4 - SKF
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3.8.4 – FOLGA MECÂNICA A folga mecânica pode ser causada por: folga e/ou fragilidade estrutural nos pés, base ou fundação da máquina; também pela deterioração do apoio ao solo, folga de parafusos que sustentam a base; e distorção da armação ou base (exemplo: pé frouxo); por ajuste impróprio entre partes componentes para forças dinâmicas do rotor, é muitas vezes provocado por uma folga linear do mancal em sua tampa, folga excessiva em uma bucha ou de elemento rotativo de um mancal de rolamento ou um rotor solto com folga em relação ao eixo. Representado por uma série de harmônicos múltiplos da freqüência de rotação, como mostra a figura 17.
Figura 17 - Exemplo de folga mecânica Fonte: Software Prism 4 - SKF
3.8.5 – FALHA EM COMPONENTES DO ROLAMENTO A falha em componentes do rolamento (Anel interno, anel externo, gaiola, elementos rolantes) é identificada através do calculo de suas freqüências naturais, conforme sua construção e dimensionamento, dados estes fornecidos pelos fabricantes de rolamentos, que entram em ressonância quanto estão com defeitos, podendo ser marcas, material destacado, pitins, corrosão, etc. Evidenciado no espectro através de uma série harmônica de picos de uma freqüência que não coincide com a RPM (e múltiplos) mesmo que não conhecemos as freqüências de defeito do rolamento, isto implica em um defeito. Representado pela figura 18.
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Figura 18 - Exemplo de falha em componentes de rolamento Fonte: Software Prism 4 - SKF
3.8.6 – PROBLEMAS ELÉTRIOS (MOTORES) Problemas no estator geram vibração alta em 2X a freqüência da linha (2FL=120Hz). Problemas no estator produzem um espaço vazio estacionário desigual entre o Rotor e o Estator, o que produz uma alta vibração bem definida em freqüência. O Air Gap Diferencial (Entre-ferro) não deve exceder 5% para motores de indução e 10% para motores síncronos. Pés amortecidos ou bases isoladas podem acarretar a excentricidade do estator. O ferro solto é devido à fragilidade ou a folga do suporte do estator. Lâminas do estator curto-circuitadas podem causar aquecimento localizado irregular, o que pode fazer curvar o eixo do motor, produzindo vibração induzida termicamente que pode crescer significativa mente ao longo do tempo de operação. Demonstrado pela figura 19.
Figura 19 - Exemplo de falha elétrica Fonte: Software Prism 4 - SKF
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4 – ESTUDO DE CASO: BOMBA DE AGUA POTAVEL A empresa ALVES ALIMENTOS LTDA atua na produção de doces e geléias, utilizando processo de fluxo continuo, tem como matéria-prima frutas da época, como: Amendoim; Manga; Maracujá; Morango; Uva. Por ter sua produção diretamente ligada ao tempo de colheita de cada tipo de fruta, ele sentiu a necessidade de aproveitar mais a eficiência industrial, ou seja, precisava produzir sem paradas desprogramadas, sendo assim hoje utiliza a manutenção preditiva por analise de vibrações, que a torna uma empresa diferenciada diante de suas concorrentes, reduzindo paradas desprogramadas, aumento da eficiência industrial, aproveitando todo o tempo possível para produzir. Através da manutenção preditiva por análise de vibrações evitou parada do processo produtivo, sendo assim, mostraremos um dos casos de sucesso dos diagnósticos realizados. Para a produção de doces e geléias a água potável é a segunda matéria-prima do seu processo, ou seja, a parada dos equipamentos que envolvem este processo acarretará em parada da produção, o que não pode acontecer de forma desprogramada, podendo gerar perda dos materiais em processo, matéria prima perecível, sendo assim a bomba de água potável foi inclusa no plano de manutenção preditiva, como mostra a figura 20, considera equipamento de classe A, equipamento que pode parar a produção.
Figura 20 - Bomba de Água Potável. Fonte: Alves Alimentos Ltda.
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A figura 21 demonstra as partes internas que constituem uma bomba.
Figura 21 - Componentes Internos de uma Bomba. Fonte: ABS - Bombas. O coletor utilizado para aquisição dos dados deste estudo de caso é um SKF CMVA60, como mostra a figura 22, que trabalha com o software Prism4, também da SKF.
Figura 22 - Coletor de dados, SKF - CMVA-60. Fonte: SKF.
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Para facilitar a configuração dos pontos no software de analise de vibração são necessários criar alguns códigos e/ou siglas para orientação, que para esta bomba segue o formato abaixo, demonstrado pela figura 23: 1HV - Motor / Lado oposto ao acoplamento / Horizontal / Velocidade. 1VV - Motor / Lado oposto ao acoplamento / Vertical / Velocidade. 2HV - Motor / Lado do acoplamento / Horizontal / Velocidade. 2VV - Motor / Lado do acoplamento / Vertical / Velocidade. 2AV - Motor / Lado do acoplamento / Axial / Velocidade. 3HA - Bomba / Lado do acoplamento / Horizontal / Aceleração. 3HE - Bomba / Lado do acoplamento / Horizontal / Envelope. 3HV - Bomba / Lado do acoplamento / Horizontal / Velocidade. 3VV - Bomba / Lado do acoplamento / Vertical / Velocidade. 4HA - Bomba / Lado oposto ao acoplamento / Horizontal / Aceleração. 4HE - Bomba / Lado oposto ao acoplamento / Horizontal / Envelope. 4HV - Bomba / Lado oposto ao acoplamento / Horizontal / Velocidade. 4VV - Bomba / Lado oposto ao acoplamento / Vertical / Velocidade.
1V
2V 3V
4V
3H
4H
2A 1H
2H
Figura 23 - Localização dos Pontos de Medição, Bomba de Água Potável. Fonte: Alves Alimentos Ltda.
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Durante uma inspeção, 13/07/2004, foi detectado que a bomba estava com problemas na fixação, parafusos soltos, a manutenção foi acionada imediatamente para programar a parada, uma vez que, se o equipamento continuasse a operar naquela condição, haveria a necessidade da substituição dos rolamentos, uma vez que a bomba estando com o pé solto trabalhando desalinhada, promovendo esforços não uniformes nos rolamentos, vindo a danificá-los, como mostram as figuras 24 e 25.
Figura 24 - Localização dos Parafusos Espanados, Bomba de Água Potável. Fonte: Alves Alimentos Ltda.
Figura 25 - Parafuso Espanado, Bomba de Água Potável. Fonte: Alves Alimentos Ltda.
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Por estar integrado ao plano de manutenção preditiva este equipamento é inspecionado periodicamente, o que garante um histórico do comportamento deste equipamento, como evidencia a tabela 05, através dos valores globais coletados para cada ponto, que representa a composição “soma” de várias fontes de vibração, sendo um valor representativo e comparativo, que representam o comportamento característico deste equipamento.
Tabela 05, Valores das medições realizadas na Bomba de Água Potável Ponto 1HV (mm/s) 1VV (mm/s) 2HV (mm/s) 2VV (mm/s) 2AV (mm/s) 3HA (g) 3HE (gE) 3HV (mm/s) 3VV (mm/s) 4HA (g) 4HE (gE) 4HV (mm/s) 4VV (mm/s)
05/02/04 1,80 0,90 2,48 2,96 3,68 2,33 6,85 3,61 4,53 2,02 5,23 2,30 5,78
01/07/04 4,51 1,99 3,93 1,78 1,36 1,99 5,01 12,18 7,74 1,66 4,53 8,70 5,43
13/07/04 29,23 26,42 33,71 24,32 36,18 11,40 17,26 80,03 54,57 8,75 21,36 32,31 36,06
14/07/04 3,50 3,35 4,13 3,95 8,58 1,94 7,08 4,65 7,73 1,91 6,41 3,08 7,82
03/08/04 2,22 2,00 2,35 1,54 1,27 2,34 7,71 6,50 6,03 1,83 6,54 3,77 5,47
Fonte: Software Prism 4 – SKF Com a falta de fixação, parafuso solto, este equipamento apresentou mais que um tipo de falha, que será demonstrado nas através dos espectros de freqüência (FFT). No lado oposto ao acoplamento do motor foi identificado indício de desalinhamento e/ou desbalanceamento, demonstrados pela freqüência da rotação alta na posição horizontal do equipamento, demonstrado pela figura 26.
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Figura 26 - Espectro (FFT), 1HV, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF No lado oposto ao acoplamento do motor foi identificado também indício de falha de fixação, demonstrados pela freqüência da rotação alta e múltiplos na posição vertical do equipamento, demonstrado pela figura 27.
Figura 27 - Espectro (FFT), 1VV, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF No lado do acoplamento do motor foi identificado indício de folga no conjunto, demonstrados pela freqüência da rotação e múltiplos na posição horizontal do equipamento, demonstrado pela figura 28.
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Figura 28 - Espectro (FFT), 2HV, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF No lado do acoplamento do motor foi identificado também indício de falha de fixação, demonstrados pela freqüência da rotação alta e múltiplos na posição vertical do equipamento, demonstrado pela figura 29.
Figura 29 - Espectro (FFT), 2VV, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF No lado do acoplamento do motor foi identificado indício de desalinhamento, demonstrados pela freqüência da rotação alta na posição axial do equipamento, demonstrado pela figura 30.
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Figura 30 - Espectro (FFT), 2AV, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF Na bomba foi identificado indício de desalinhamento com folga, demonstrados pelo múltiplo dois da freqüência da rotação (2 x RPM) alta na posição horizontal do equipamento e também esforços não uniformes nos rolamentos, identificados através dos altos valores coletados pelas medições de aceleração e envelope, que pode ser gerado pela eliminação da película do lubrificante, demonstrado pelas figuras de 31 a 38.
Figura 31 - Espectro (FFT), 3HA, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
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Figura 32 - Espectro (FFT), 3HE, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 33 - Espectro (FFT), 3HV, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 34 - Espectro (FFT), 3VV, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
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Figura 35 - Espectro (FFT), 4HA, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 36 - Espectro (FFT), 4HE, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 37 - Espectro (FFT), 4HV, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
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Figura 38 - Espectro (FFT), 4VV, 13/07/04, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF Quando um inspetor identifica uma falha de fixação do equipamento, ele deve ficar muito atento às características deste tipo de falha. O equipamento estando solto de sua base ele pode sofrer um movimento do tipo orbital, ou seja, um movimento que era circular passa a ser elíptico, como representa a figura 39.
Azul - Movimento Circular
Vermelho - Movimento Eliptico
Figura 39 - Tipos de movimento. Fonte: Transmotor e Unesp (2002) O software PRISM 4, permite que apresentemos espectro de freqüência em forma de cascata, mostrando em somente um gráfico todas as medições do equipamento, para um determinado ponto de inspeção, demonstrando o sinal característico deste equipamento, o que
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evidencia a falha que aparece na data 13/07/04, também selecionado pelas linhas de marcação nas figuras de 40 a 44, Espectro em Cascata .
Figura 40 - Espectro em Cascata, 2HV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 41 - Espectro em Cascata, 2AV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
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Figura 42 - Espectro em Cascata, 3HA, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 43 - Espectro em Cascata, 3HE, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 44 - Espectro em Cascata, 3HV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
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É notável que este equipamento tem como característica um sinal bem linear, que foi deformado pelo sinal coletado na data da ocorrência, 13/07/04. Nas figuras de 45 a 57 será demonstrado como é o comportamento característico deste equipamento, através das curvas de tendências. Os valores globais representam a composição “soma” de várias fontes de vibração, sendo um valor representativo e comparativo, que representam o comportamento característico deste equipamento.
Figura 45 - Curva de tendência, 1HV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 46 - Curva de tendência, 1VV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
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Figura 47 - Curva de tendência, 2HV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 48 - Curva de tendência, 2VV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 49 - Curva de tendência, 2AV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
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Figura 50 - Curva de tendência, 3HA, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 51 - Curva de tendência, 3HE, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 52 - Curva de tendência, 3HV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
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Figura 53 - Curva de tendência, 3VV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 54 - Curva de tendência, 4HA, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 55 - Curva de tendência, 4HE, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
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Figura 56 - Curva de tendência, 4HV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Figura 57 - Curva de tendência, 4VV, Bomba de Água Potável. Fonte: Software Prism 4 – SKF
Através da analise de vibrações é possível identificar que problemas de fixação, parafusos de pé solto, ocasionou vários problemas nos equipamentos, como: •
desalinhamento do conjunto girante;
•
folga, provocado pelos batimentos contra a base;
•
deficiência de lubrificação, provocados pelos movimentos não uniformes nos rolamentos vencendo a pressão da camada do lubrificante.
Porém no diagnostico deve ficar claro que o problema apresentado não é a conseqüência da falha inicial e sim da falha na fixação da bomba, que gera como
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recomendação a inspeção de todas as fixações do conjunto girante, bem como o alinhamento do conjunto. Como garantia da eficácia do serviço recomendado faz-se necessário uma reavaliação do equipamento após a manutenção. Como mostra a tabela 06.
Tabela 06 - Medições pós falha na Bomba de Água Potável. Ponto
13/07/04
14/07/04
03/08/04
1HV (mm/s) 1VV (mm/s) 2HV (mm/s) 2VV (mm/s) 2AV (mm/s) 3HA (g) 3HE (gE) 3HV (mm/s) 3VV (mm/s) 4HA (g) 4HE (gE) 4HV (mm/s)
29,23 26,42 33,71 24,32 36,18 11,40 17,26 80,03 54,57 8,75 21,36 32,31
3,50 3,35 4,13 3,95 8,58 1,94 7,08 4,65 7,73 1,91 6,41 3,08
2,22 2,00 2,35 1,54 1,27 2,34 7,71 6,50 6,03 1,83 6,54 3,77
4VV (mm/s)
36,06
7,82
5,47
Fonte: Software Prism 4 – SKF
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5 – CONCLUSÃO A análise de vibração como toda técnica quando implantada em um sistema que já está solidificado, passa por muitas incertezas com pessoas questionando sua capacidade, muitas vezes por não terem conhecimento sobre o funcionamento da técnica ou por nunca terem ouvido a falar sobre ela. O que se pode observar é que, depois da técnica implantada e solidificada e com seus resultados começando a aparecer, surge uma outra visão sobre a eficiência da análise de vibração. Através dos resultados demonstrados neste trabalho, fica visível que podemos reduzir custos de manutenção e obter ganhos com o aumento da eficiência das máquinas usando a manutenção preditiva. Através da análise de vibração, foi possível observar que falhas que passam imperceptíveis à experiência do homem podem ser diagnosticada a tempo, impedindo mais problemas. A técnica de análise de vibração nos deixou claro que se bem aplicada é possível monitorar a vida de equipamentos podendo predizer os seus defeitos, tornando-se assim uma ferramenta muito importante para a manutenção preditiva, onde teremos condições de planejar com tempo e melhor eficiência suas paradas de máquinas. Podemos concluir que com a implantação da análise de vibração, o nível de qualidade dos produtos se elevam assim como o da manutenção. Por conseqüência, as máquinas apresentaram um aumento em seu desempenho e uma redução nos custos com horas de máquinas paradas, bem como redução dos custos de mão-de-obra.
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