Análise do Envelope para detecção efetiva de defeito em rolamentos

Engºs Anderson Andrade Trigo, diretor-executivo da SPECTRA Monitoramento de Equipamentos, e Wanderley Luiz de Souza, supervisor de manutenção industrial das Indústrias Itamaraty

A aplicação da análise de Envelope no monitoramento da condição de máquinas e mais especificamente para diagnosticar defeitos em mancais de rolamentos já é bem difundida e, assim podemos dizer, consagrada pelo resultados positivos obtidos. No entanto, o que tem-se visto juntos aos clientes é que a técnica propriamente dita ainda não é totalmente conhecida ou não são todos, se não forem apenas alguns, que a conhecem. Este artigo é baseado em publicação feita anteriormente pela Brüel&Kjaer Vibro com autoria de Jöelle Courrech.

Introdução

A detecção do Envelope, também referida como "demodulação de amplitude", é uma técnica de processamento de sinal bem conhecida usada no campo da eletrônica e das telecomunicações. Durante a década de 80, o monitoramento da condição de máquina começou a utilizar a técnica principalmente para detecção e diagnóstico de defeitos em mancais de rolamento. À medida que a tecnologia digital evoluiu e facilitou a implementação de tais técnicas a baixo custo e com instrumentos fáceis de usar em campo, a análise de Envelope tornou-se uma ferramenta muito popular entre o pessoal de manutenção.

Conceituação Teórica

A detecção de Envelope quanto a falhas de mancais de rolamento utiliza as forças de atrito produzidas pelos elementos rolantes do rolamento. Estas forças são influenciadas pela qualidade da superfície e lubrificação e geram vibração estacionária aleatória em banda larga. Quando uma falha se desenvolve, a vibração torna a amplitude modulada devido às mudanças periódicas nas forças. Isto pode se originar a partir de mudanças no atrito, na pressão nas superfícies das pistas de rolamento ou a partir de forças de impacto repetitivas devido a defeitos na superfície local. Ou seja:

• Modulação de amplitude das forças de atrito aleatórias; a maioria devido a erros de montagem como tensão ou mau alinhamento do rolamento.
• Modulação de amplitude da ressonância estrutural excitada por impactos periódicos repetitivos. Isto ocorre quando há defeitos localizados nos sulcos dos elementos giratórios, como no caso de entalhe ou fendas.
• Modulação de amplitude de freqüências determinísticas, tais como freqüências características de outros elementos das máquinas (freqüência de engrenagem, harmônicos da fenda, freqüência de passagem de pás, etc.) por freqüências do rolamento.

A modulação da amplitude devido às forças de modulação (defeitos geométricos) e ao aumento nas forças estacionárias aleatórias causado pelas mudanças no atrito (problema de lubrificação) aparecerão no espectro de Envelope. (Observe que elas aparecem também no espectro FFT original, mas há mais dificuldade para se extrair e identificar.)

Quando aplicado ao diagnóstico do rolamento, o processo da análise do Envelope pode ser descrito como:

• Seleção de uma escala de freqüência no espectro de vibração onde a modulação da amplitude ocorre e remoção de todos os componentes fora da faixa. Isto na hipótese de os componentes de freqüência extraídos estarem relacionados somente aos defeitos de rolamento e não a outras falhas nos componentes da máquina.
• Retificação do sinal remanescente (portadora) para manter somente seu Envelope (que representa o efeito de modulação) e re-analisar o último em uma escala de baixa freqüência para identificar a freqüência moduladora.

A figura 1 abaixo apresenta uma representação esquemática do processamento da análise de envelope.

Figura 1

Detecção de Envelope - qual é o limite?

A natureza do caminho de transmissão de sinal, as diferenças encontradas entre as máquinas do mesmo tipo e a natureza da técnica de processamento usadas tornam fundamentalmente difícil quantificar o padrão com um valor absoluto representante. Mesmo se a natureza do caminho de transmissão não complicar a interpretação, a natureza dos próprios defeitos torna difíceis as decisões de manutenção. Por exemplo, o que é mais perigoso - um grande entalhe ou uma fenda transversal na pista? O primeiro produz mais energia modular, mas pode funcionar por um longo período contanto que haja a lubrificação adequada; o segundo pode explodir a qualquer momento!

As conseqüências de tais investigações foram profundas. O diagnóstico de defeito e erros conseqüentes em julgamento debilitou seriamente a análise de Envelope e afastou ainda mais a técnica dos céticos. As alterações nas forças que atuam sozinhas nos elementos giratórios e não na vibração resultante, fornecem uma representação real do defeito. Infelizmente essas forças não podem ser medidas diretamente.

Conclusão

Toda boa ferramenta tem seu uso e seu lugar especial entre as outras ferramentas na sua caixa de ferramentas. Como uma boa ferramenta, a análise de Envelope não é diferente.

Baseado na avaliação da modulação de amplitude de vibração aleatória e ressonância estrutural, não há dúvida de que a análise de envelope é uma maneira eficiente para detectar, diagnosticar e avaliar a condição de um elemento giratório de rolamento. A análise de Envelope também possui um campo de aplicação muito mais amplo se for considerado que seu principal benefício é 'trocar' o efeito de modulação de alta freqüência para escala de baixa freqüência.

Mas por que levar uma caixa de ferramentas completa se você vai utilizar somente uma ferramenta? Recomenda-se usar a análise de Envelope como parte de uma estratégia de manutenção global juntamente com outras técnicas de processamento de sinal, especialmente se houver a decisão de parar o maquinário mais importante. Os espectros FFT devem ser considerados porque eles apresentam todo o sinal original enquanto a análise de Cepstum, uma transformação puramente linear, pode ser usada para separar efeitos devido ao caminho de transmissão daqueles devido às forças excitadoras. É até possível determinar o tamanho de uma cavidade ou um fragmento, que é mais direcionado para a gravidade do defeito do que para a profundidade da modulação.

Caso Prático 1 : Centrífuga de Açúcar P650, na Usina Colorado

O espectro de envelope da figura 2 refere-se à medição de vibração em uma centrífuga automática de açúcar. É possível observar três picos de frequência. O cursor harmônico posicionado sobre a freq. 142,5Hz coincide com a frequência de defeito na pista externa para o rolamento NJ221. A figura 3 apresenta o gráfico em cascata de espectros de envelope. O gráfico em cascata representa duas safras seguidas de monitoramento. Pode-se observar que no final da primeira safra as condições de rolamento estavam normais não sendo efetuada nenhuma intervenção na entressafra. O defeito de rolamento veio a manifestar-se próximo ao final da segunda safra. Desta forma, foi realizada uma intervenção de oportunidade na máquina para a troca do rolamento evitando-se perdas de produção e propagação deste defeitos para outros componentes da máquina.

Figura 2

Figura 3

Caso Prático 2 : Centrífuga de Álcool, na Usina Itamarati

O espectro de envelope da figura 4 refere-se à medição de vibração em uma centrífuga álcool. Foi identificada a freq. de 372Hz que coincide com a freqüência de defeito na pista externa do rolamento 2309.

Figura 4

A figura 5 apresenta a curva de tendência da freqüência 372Hz. Podemos observar que próximo à intervenção os níveis aumentaram quase exponencialmente. Desta forma, foi realizada uma intervenção de oportunidade na máquina para a troca do rolamento evitando-se perdas de produção e propagação deste defeitos para outros componentes da máquina. A figura 6 apresenta uma foto do rolamento 2309 substituído.

Figura 5

Figura 6

Autor:

Anderson Andrade Trigo é engenheiro mecânico (UNICAMP) com MBA em Administração de Empresas (FUNDACE/USP). Foi gerente da Brüel&Kjaer Vibro no Brasil e, desde 2001, é Diretor Técnico da SPECTRA Monitoramento de Equipamentos.

Co-Autor:

Wanderley Luiz de Souza é engenheiro mecânico (Universidade Federal de Uberlândia) e é supervisor de manutenção industrial da Usinas Itamarati.