AMBIENTE MULTIM

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AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE
PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE
MÁQUINAS
Capítulo 3.2 Avaliação de falhas com o uso de
técnicas no domínio da freqüência Aplicação em
falhas em mancais de rolamento
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Modos de falhas de mancais de rolamento
Teoria

• Os principais modos de falha são
• Falhas de vedação Abrasão causada por entrada
  de elemento estranho no mancal de rolamento
• Marcas durante instalação (montagem incorreta)
• Lubrificação inadequada, excessiva ou
  insuficiente
• Corrosão
• Descargas elétricas
• Lascamento
• Todos os modos acima descritos causam o início da
  falha do rolamento, sendo que após o surgimento,
  as cargas cíclicas sobre o rolamento fazem com
  que o dano se estenda até a falha do mancal de
  rolamento.

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Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
1) Falha de vedação - Abrasão por entrada de
elemento estranho no mancal de rolamento
Exemplo de pista de mancais de rolamento foscas
por abrasão resultante de elemento estranho
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Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
2) Marcas durante instalação (Indentações ou
impactos)
Impacto na gaiola
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Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
3) Lubrificação inadequada, excessiva ou
insuficiente
Escorregamento causado por excesso de lubrificante
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Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
4) Corrosão
Corrosão na esfera e na pista de rolamento de uma
carreira de esferas
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Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
5) Descarga elétrica
Exposição contínua a cargas elétricas geram
marcas axiais de tonalidade escura em grande
parte da pista
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Modos de falhas de mancais de rolamento
Apresentação dos modos de falha
6) Lascamento
Marcas de lascamento em esferas vistas em
microscópio ótico
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Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Teoria
Diferentemente dos demais tipos de defeito, os
mancais de rolamento não possuem uma freqüência
característica de defeito única que possa ser
calculada através de múltiplos de rotação de
eixo. Dado que o mancal de rolamento é composto
de vários componentes pistas, esferas e gaiola e
existe movimento relativo entre eles, as
freqüências de defeito são calculadas em função
da geometria de cada mancal de rolamento. Explican
do de outra forma Considere um ponto fixo na
pista por onde passarão as esferas, é necessário
calcular a freqüência com que as esferas passarão
por este ponto, pois caso haja um defeito neste
ponto cada esfera que passar irá registrar um
impacto no sinal.
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Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Cálculo
Os mancais de rolamento possuem freqüências
características de defeito que podem ser
calculadas em função de sua geometria e da
freqüência de rotação
Onde d Diâmetro da esfera D Diâmetro
primitivo Ângulo de contato Z
número de esferas
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Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Cálculo
As freqüências características de defeitos podem
ser calculadas através da seguinte formulação
Onde d Diâmetro da esfera D Diâmetro
primitivo Ângulo de contato Z
número de esferas
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Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Demonstração
Considere o mancal de rolamento 6205
6205 - Rolamento fixo de uma carreira de esferas
para aplicação com cargas radiais.
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Freqüências de defeito em mancais de rolamento
Demonstração
Freqüências de defeito para o mancal de rolamento
6205
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Conceito
As freqüências calculadas assumem que não há
escorregamento entre as esferas e as pistas,
quando de fato há.
Conforme o ângulo de carregamento varia com a
posição de cada esfera do rolamento, ocorre uma
mudança no carregamento de cada esfera. Como a
gaiola obriga a velocidade média das esferas a
ser a mesma, as esferas que estão na região mais
carregada tentam girar mais lentamente, sendo
carregadas pela gaiola, gerando um pequeno
escorregamento.
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais tipicos
Os mancais de rolamento com defeito produzem
sinais com padrões típicos dependendo do local
onde está localizado o defeito
Adaptado de Randal, R.B., Antony, J. Rolling
element bearing diagnostics - A tutorial.
Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 25
(2011) pag. 485-520
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Conceito
O sinal de defeito é modulado conforme a falha
passa pelo local do dano
Adaptado de Randal, R.B., Antony, J. Rolling
element bearing diagnostics - A tutorial.
Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 25
(2011) pag. 485-520
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
Desta forma, explicando o padrão do sinal de
defeito na pista interna
Cada vez que uma das esferas passa sobre o
defeito na pista é gerado um sinal de impacto. A
Modulação do sinal ocorre por causa da rotação da
pista interna (com a falha) em relação ao sensor
(geralmente posicionado na caixa do rolamento).
Superfície com dano
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
Desta forma, explicando o padrão do sinal de
defeito na pista externa
Cada vez que uma das esferas passa sobre o
defeito na pista é gerado um sinal de
impacto. Não ocorre modulação de amplitude, pois
a falha na pista externa não se move em relação
ao sensor (posicionado na caixa do rolamento)
Superfície com dano
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
Desta forma, explicando o padrão do sinal de
defeito na esfera
Esfera com dano
Cada impulso é resultado do contato entre a
esfera defeituosa e uma das pistas. A Modulação
do sinal ocorre por causa do movimento radial da
esfera com o giro do rolamento, conforme sua
posição em relação ao sensor.
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Sinais típicos
Exemplificando o padrão dos sinais coletados em
rolamentos com vários tipos de defeito
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Evolução da Falha em mancais de rolamento
Conceito
Uma vez iniciado um defeito em um mancal de
rolamento este progride em função do carregamento
cíclico a que o elemento está submetido. As
freqüências de defeito irão começar a surgir no
espectro do sinal coletado e aumentar sua
intensidade até o final da vida útil do mancal de
rolamento. A evolução da falha pode ser dividida
em quatro etapas de acordo com a progressão do
dano. A seguir será apresentada a seqüência de
evolução de uma falha do ponto de vista da
análise espectral.
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Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista
da análise espectral
1º Estágio 2º Estágio
3º Estágio 4º Estágio
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Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista
da análise espectral
1º Estágio 2º Estágio
3º Estágio 4º Estágio
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Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista
da análise espectral
1º Estágio 2º Estágio
3º Estágio 4º Estágio
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Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista
da análise espectral
1º Estágio 2º Estágio
3º Estágio 4º Estágio
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Evolução da falha em mancais de rolamento
Avaliação da evolução da falha do ponto de vista
da análise espectral
1º Estágio 2º Estágio
3º Estágio 4º Estágio
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Conceito
A técnica do envelope por demodulação busca a
região dos picos ressonantes em alta freqüência
(500Hz 20 KHz) para através da demodulação das
freqüências de ressonância buscar pelas
freqüências de defeito moduladas no sinal (região
2)
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Utilizando a bancada experimental serão efetuadas
coletas de dados demonstrando como se identificam
os sinais de defeito em mancais de rolamento
Montagem de um rolamento 6205 com defeito na
pista interna Freqüências a 25Hz (1500 rpm)
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Sinais coletados na bancada experimental com o
eixo a 25Hz
85
97
177
50
113
25
267
122
30
Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Sinais coletados na bancada experimental
Observe que no espectro do sinal não surge a
freqüência de defeito de 135Hz, esperada para
este rolamento. Isto ocorre pois a energia dos
impactos é muito pequena, não permitindo que se
destaque no espectro de freqüências.
85
97
177
50
113
25
267
122
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Técnica do Envelope utilizando Demodulação 1ª
Etapa Selecionar a freqüência ressonante
(freqüência portadora)
Calculando a abertura em 3,5 vezes a freqüência
de defeito, temos os seguintes parâmetros para
corte Abertura 3,5135,5 474,25 Hz Freqüência
inicial 2375,25 Hz Freqüência final 3324,25 Hz
2850 Hz
Região de corte ao redor da ressonância
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Técnica do Envelope utilizando Demodulação 2ª
Etapa Extrair do sinal a região de interesse e
retificar o sinal
Aplicar o retificador meia-onda ao sinal
selecionado
2850 Hz
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Técnica do Envelope utilizando Demodulação 3ª
Etapa Aplicar o filtro ao sinal retificado
Aplicar o retificador meia-onda ao sinal
selecionado
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Técnica do Envelope utilizando Demodulação 4ª
Etapa Extrair as freqüências e comparar com os
valores calculados
135
Valor identificado 135,5 Hz Caracterizado
defeito na pista interna do mancal de
rolamento. As freqüências 25, 50, 99 correspondem
a múltiplos da rotação do eixo, podendo indicar
um desalinhamento.
50
99
160
25
270
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Sinais de vibração em mancais de rolamento
Experimento
Técnica do Envelope utilizando Demodulação 4ª
Etapa Extrair as freqüências e comparar com os
valores calculados
135
Valor identificado 135,5 Hz Caracterizado
defeito na pista interna do mancal de
rolamento. As freqüências 25, 50, 99 correspondem
a múltiplos da rotação do eixo, podendo indicar
um desalinhamento.
50
99
160
25
270