ENSAIOS DE VIBRAÇÕES
Engenharia Mecatrônica
5º Semestre - 2009
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ENSAIO DE VIBRAÇÕES
Lucas Nunes
Renato Andrade
Vinícius Antunes
Professor Jean De Paola
ENGENHARIA MECATRÔNICA
5º SEMESTRE – 2009
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Um resumo direto do que é Ensaios não Destrutivo de Análise de Vibrações.
Tipologia: Resumos
2010
1 / 20
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Engenharia Mecatrônica
ENSAIO DE VIBRAÇÕES
Lucas Nunes
Renato Andrade
Vinícius Antunes
Professor Jean De Paola
ENGENHARIA MECATRÔNICA
5º SEMESTRE – 2009
Engenharia Mecatrônica
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- INTRODUÇÃO ÍNDICE
- HISTÓRIA
- O QUE É VIBRAÇÃO
- PORQUE FAZER UM ENSAIO DE VIBRAÇÕES...........................................................................................
- INSTRUMENTOS E COMO É FEITO O ENSAIO
- INSTRUMENTOS
- COMO É FEITO O ENSAIO
- LIMITES RECOMENDADOS (ISO-10816-6)......................................................................................................
- MANUTENÇÃO
- MANUTENÇÃO PREVENTIVA
- MANUTENÇÃO CORRETIVA
- MANUTENÇÃO PREDITIVA
- COMPARAÇÃO COM OUTROS ENSAIOS
- CUSTOS
- EQUIPAMENTOS
- TREINAMENTO
- TERCEIRIZAÇÃO
- BIBLIOGRAFIA
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HISTÓRIA
Nascida a partir de uma necessidade da manutenção, a “Análise de Vibrações” caminha junto com a modernidade, como uma técnica eficaz no monitoramento de máquinas.
De 1969 até meados de 1970 empregavam-se métodos simples, juntamente com uma observação cuidadosa do comportamento da máquina e, na maioria das vezes, reforçado com manutenções freqüentes. Instrumentos elementares eram, muitas vezes, usados para medir e registrar os valores a partir dos quais se baseavam a detecção de falhas e as decisões de manutenção. Este método exigia pessoal de manutenção altamente treinado e experiente para garantir operação eficiente e evitar falhas catastróficas.
Durante a década de 1970 ocorreram desenvolvimentos básicos na instrumentação analógica e nos computadores Mainframe. Acelerômetros, Tradutores de Velocidades, Pick-Ups de Deslocamento foram desenvolvidos e adaptados para os requisitos da demanda industrial. Normas e diretrizes forneceram informações sobre sua utilização e formaram a primeira base do conhecimento para a descrição e determinação de falhas. Os instrumentos analógicos tornaram-se populares, tais como, medidores de vibrações portáteis e registradores, porém, eram pesados e incômodos. Se a empresa tivesse acesso a um computador Mainframe, os dados podiam ser armazenados, de tal forma que, as primeiras estratégias de manutenção puderam ser desenvolvidas.
Embora alguns instrumentos digitais já estivessem disponíveis durante o início da década de 70, desenvolvimento importantes ocorreram no final dos anos 70 e início dos 80, em virtude da disponibilidade de novos microprocessadores. Os circuitos puderam ser miniaturizados, reduzindo as dimensões e o peso dos instrumentos e, permitindo que os dados pudessem ser manipulados em alta velocidade. Uma característica muito importante da análise de freqüência foi a computação eficiente do FFT ( Fast-Fourier-Transformation ) de medições multicanal e, segundos ou minutos e a capacidade de armazenar os dados para decisões futuras. A armazenagem de dados por longo prazo tornou-se prática aceita.
A partir de meados de 1980, os desenvolvimentos começaram a ser associados so computador desktop, equipamentos de interface e software. Muitos fabricantes passaram a produzir instrumentos manuais para medição, registro e análise instantâneas das variáveis. As informações sobre um componente de máquina, em geral, ficam diretamente disponíveis no instrumentos de medição (por exemplo desvio padrão). Isso facilita a decisão sobre estratégias de manutenção e, portanto, a pessoa que deve tomar a decisão não necessitas mais possuir um alto nível de especialização.
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Algumas empresas já desenvolveram conjuntos de software que permitem que todo o processo e condição real da máquina sejam monitorados automaticamente, realizando todo o trabalho de análise de medição e diagnóstico de problemas, seguida de estratégias de ação e manutenção.
A década de 1990 foi marcante pela miniaturização da instrumentação, pela aquisição de dados e pelas unidades de processamento dos dados. A instrumentação tornou-se mais simples para operar e os problemas puderam ser analisados com a ajuda de sistemas baseados no conhecimento. Sistemas sensores foram combinados com pré- processamento eletrônico de dados e conjuntos multisensores, o que possibilitou o estudo não apenas de um único componente de máquina, mas o de transparentes. Em meados dos anos 90, iniciou-se o monitoramento com unidades de controle central, interligando o conhecimento e as experiências dos clientes, dos fabricantes de máquinas e das companhias de seguro. Muito diferente dos primeiros sistemas de monitoramento de condição que confiavam apenas em poucos especialistas que possuíam conhecimento da instrumentação e das técnicas de análises.
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PORQUE FAZER UM ENSAIO DE VIBRAÇÕES
Antigamente, a análise de vibração era empregada principalmente para determinar falhas e condições operacionais críticas. Hoje em dia, a demanda para monitoramento da condição e da análise de vibração não são limitadas apenas à minimizar as consequências de falhas em máquinas, mas à utilização dos recursos existentes de forma mais eficiente.
O aumento exponencial da capacidade dos computadores, da velocidade de cálculo e da telecomunicação permitiu que novas técnicas de análise pudessem ser implementadas em sistemas modernos de monitoramento de processo, tais como fuzzy logics e redes neurais, como ferramentas para sistemas automáticos de controle e de classificação de sinal. Atualmente, sistemas modernos de monitoramento da vibração, em geral, sugerem a possibilidade de ocorrência de falhas. Como resultado, muitas vezes alarmes são acionados sem fornecer indicação das fontes originais de excitação.
Ferramentas de análise e técnicas de diagnóstico devem ser implementadas para a determinação e classificação da condição real da máquina. Falhas e condições de operação desfavoráveis podem ser diagnosticadas e localizadas na origem. O fundamental é utilizar o conteúdo das informações de sinais de vibração medidos e os parâmetros do processo pela extração de um padrão significativo, para detectar avarias nos seus estágios iniciais e, também, para indicar falha na liderança organizacional e / ou na condição de operação.
Os casos de estudos apresentados mostram os resultados de um sistema de monitoramento de vibração que detecta, diagnostica e localiza condições de operação defeituosas em seu estágio inicial, a fim de prevenir falhas graves. A detecção inicial de um defeito em um mancal de uma caixa de engrenagem e a possibilidade de troca imediata pode evitar uma grave avaria na roda dentada. O desgaste de um mancal radial em uma turbomáquina pode causar fricção das lâminas na carcaça ou na vedação labiríntica, destruindo a máquina e causando um prejuízo da ordem de milhões de US$ em reparos. Condições de operação falhas, que excedam os níveis de vibração, como, por exemplo, durante os procedimentos de liga e desliga, reduzem o tempo de vida útil da máquina.
A condição da máquina, suas falhas e avarias em andamento podem ser identificadas em máquinas em operação por sintomas de defeitos, por exemplo, vibração mecânica, ruídos transmitidos pelo ar e mudanças nos parâmetros de processo, como temperatura, pressão e eficiência.
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INSTRUMENTOS E COMO É FEITO O ENSAIO
Instrumentos
Para atender as demandas de uma análise de vibração completa será necessária uma instrumentação específica da unidade a ser supervisionada, onde o deslocamento, velocidade e pick-ups de aceleração são empregados. Matematicamente, esses valores descritivos básicos podem ser transformados uns nos outros por integração, respectivamente, por diferenciação. Praticamente, a escolha dos sensores depende das excitações a serem determinadas. Os acelerômetros^1 apresentam um comportamento de amplitude constante sobre todas as frequências, e, portanto, podem ser empregados para detectar sinais de intensidades de frequência baixa e alta, enquanto os sensores de velocidade apresentam amortecimento da amplitude proporcional a 1/F^2 , sensores de deslocamento amortecem a amplitude na relação 1/F^2. Esse efeito será favorável se observarmos a condição de equilíbrio dos rotores, em razão da redução automática de amplitudes de sinais de alta frequência por conta da fricção, engrenagens, etc. que sobrepõem os componentes de velocidade rotacional de baixa frequência. No caso de falhas nos elementos rolantes das engrenagens, que, de maneira geral, excitam pulsos de alta frequência em virtude da interação dos elementos rolantes e dos condutores, os acelerômetros são os mais indicados.
O Acelerômetro NK 20 é de Aço Inox e é ideal para aplicações em Campo. Já o Acelerômetro NK 25 é fabricado em latão e tem o nome de “ Acelerômetro Protegido ” pela sua resistência;pois, sua principal aplicação é para ambientes industriais.
(^1) Acelerômetro é conhecido também por Sensor de Vibração (^2) F = Frequência de Excitação
Acelerômetro NK 20 Figura 2
Acelerômetro NK 2 5 Figura 3
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A Figura 4 (página 9) nos mostra a instrumentação de vibração de uma turbina a vapor de 920 MW, que consiste de transdutores de correntes parasitas para determinar o deslocamento e a expansão relativa do rotor, transdutores de velocidade para monitorar a vibração do bloco de mancal e acelerômetros opcionais para medir excitações de alta frequência durante situações de fricção. Neste caso, acelerômetros adicionais e pick-ups de deslocamento, dentro do mancal radial / axial combinado entre HP-IP devem ajudar a resolver e constatar problemas de alinhamento causados por efeitos térmicos e de expansão.
Dependendo da dimensão, das fontes de excitação e da importância de uma determinada máquina para as condições de operação da planta, a instrumentação empregada pode ser a menor, como por exemplo, no caso de laminadores ou ventiladores de ar, onde uma instrumentação com acelerômetros no mancal será suficiente.
Como é feito o Ensaio
Para otimizar limites específicos de falhas e determinar padrões de diagnósticos em sinais de vibração e de aceleração em máquinas rotatórias realizam-se simulações de falhas em diferentes bancadas de ensaio, como por exemplo, simulação de fricção em turbomáquinas, estudo de elementos rolantes e mancais radiais, bombas centrífugas e supervisão de turbina, assim como, monitoramento da cavitação. As assinaturas obtidas servem como base para determinar falhas e assinaturas específicas de operação de máquinas rotatórias em usinas de geração de energia elétrica, tais como, turbinas a vapor, bombas de alimentação de caldeira, ventiladores, válvulas de vapor, etc., assim como, em aplicações industriais de sistemas de controle de qualidade e linhas de produção. Para fechar o ciclo de estudo, aplicam-se cálculos de elementos finitos, para avaliar o comportamento de vibração de elementos de estrutura ou constatar fontes de excitação por simulação de vazão de fuidos.
Independente da sofisticação do equipamento, a qualidade das medições e sua interpretação são, até o presente, dependentes da criatividade do operador, onde os dados de aquisição de sinais de vibração são considerados em quatro seções de:
Básico elétrico e princípios eletrônicos; Tipos de sinal, interferência e transmissão; Amplificadores elementares e projeto do filtro, e; Aquisição e processamento dos sinais de vibração.
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A aquisição e processamento de dados são feitas através de um sistema tradicional de monitoramento da condição e é empregado para relatar qualquer distúrbio ou mudanças significativas na condição da máquina. Sua principal função é prevenir danos mais graves na máquina, danos consequentes e tempos ociosos não programados na produção. A finalidade do sistema é processar valores característicos dos sinais de vibração recebidos, realizar comparações de limite, dar alarme, e, mesmo, desligar o sistema de acordo com as especificações e sugestões determinadas por diversas normas e diretrizes nacionais e internacionais como (ISSO, IEC, DIN, VDI, API, ASME, Etc.).
O critério de avaliação de vibração radial de máquinas rotatórias é o valor máximo e efetivo da vibração medida por dois dispositivos ortogonais. Se for usada apenas uma medição da direção, deve-se tomar cuidado para garantir que ela forneça a informação adequada. Neste contexto, deve-se assegurar que as medições representam a vibração na carcaça do mancal e não incluam ressonâncias ou amplificações locais. As localizações e direções para medição da vibração devem ser aquelas que forneçam sensibilidade adequada às forças hidráulicas da máquina, sob diversas condições de operação. Tipicamente, em geral, serão necessárias duas medições radiais ortogonais em cada tampa de mancal.
A vibração medida na guia inferior do mancal de máquinas verticais pode, algumas vezes, ser mal interpretada; níveis de vibração medidos em tais mancais e seus suportes auxiliares, os quais estão rigidamente incorporados na construção, são produzidos por forças hidráulicas, transmitidas diretamente da máquina hidráulica através da fundação. Tal vibração não, necessariamente, fornece a imagem correta da vibração de sistemas de eixos rotatórios.
Para a finalidade de monitoramento, apenas em alguns casos as posições de medições podem ser reduzidas para as mais importantes, principalmente, em conjuntos de máquinas com quatro ou mais mancais. A seleção deve ser baseada na análise de desempenho da vibração. As localizações preferenciais para medições devem, quando possível, ser aquelas que produzem eventos perturbadores mais significativos nas amplitudes da carcaça do mancal. Tais posições podem ser determinadas por medições de ensaio.
A instalação de um único transdutor no pedestal ou carcaça do mancal, em posição ligeiramente inclinada, é, em geral, considerada adequada para monitoramento contínuo de bombas. Para monitoramento da vibração axial de uma máquina, como regra geral, é suficiente um transdutor montado no mancal de empuxo.
Medições absolutas de vibração em carcaça de mancal são geralmente feitas em conjuntos de máquinas usando transdutores sísmicos (ISSO 10816-5).
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Se houver um nível de vibração elevado na direção axial, pode estar ocorrendo desalinhamento.
Deve-se tomar cuidado para garantir que qualquer sinal processado não afete de forma diversa a precisão exigida pelo sistema de medição. Isto pode ser constatado calibrando-se a linha de medição completa por excitação mecânica definida, por exemplo, misturador. Tanto a resposta da frequência quanto as amplitudes de vibrações medidas são afetadas pelo método de colocação do transdutor. É muito importante manter um bom acoplamento entre o transdutor e a máquina, de outra forma, isto pode ser um problema. Colar, teoricamente, é possível, mas em virtude das condições ambientais e por razão de segurança, prefere-se parafusar os sensores. Parafuso de instrumentos antigos podem ser utilizados. Em unidade maiores, placas de aço podem ser soldadas sem causar influência a carcaça.
Limites Recomendados (ISO-10816-6)
Zona A: Vibração de máquinas recentes instaladas.
Zona B: Máquinas com vibração normalmente aceita, para operação sem restrição a longo prazo.
Zona C: Máquinas com vibração considerada insatisfatória para operação contínua. Geralmente, a máquina pode ser operada por um período limitado nessa condição, até que ocorra uma oportunidade para corretiva.
Figura 7
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Zona D: Valores de vibração dentro desta zona são, normalmente, considerados suficientemente graves para causar danos à máquina.
Os valores numéricos atribuídos às zonas não tem a intenção de servir como especificação de aceitação, as quais devem estar sujeitas à acordos entre o fabricante da máquina e o cliente. Os limites da zona, entretanto, devem garantir que defeitos grosseiros ou requisitos irrealistas sejam evitados.
De acordo com o ISO-10816-1, existem limites recomendados para diferentes classes de máquinas, conforme tabela abaixo:
Classe I: Partes individuais de motores e máquinas, integralmente conectada à máquina completa em sua condição de operação normal.
Classe II: Máquinas de tamanho médio sem fundação especial como motores elétricos de 15 KW à 75 KW, motores ou máquinas montados rigidamente sobre fundação especial até 300 KW.
Nível de Vibração de máquinas recentemente colocadas em Funcionamento
Nível de Vibração aceitável para Operação Contínua da Máquina por um longo período
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MANUTENÇÃO
Manutenção Preventiva
Manutenção preventiva consiste no conjunto de procedimentos e ações antecipadas que visam manter a máquina em funcionamento. Ela obedece um padrão previamente esquematizado, que estabelece paradas periódicas com a finalidade de permitir a troca de peças gastas por novas, assegurando assim o funcionamento perfeito da máquina por um período pré-determinado.
O processo preventivo de manutenção é um método aprovado e adotado atualmente em todos os setores industriais, pois abrange desde uma simples revisão – com paradas que não obedecem a uma rotina – até a utilização de sistemas de auto índice técnico.
A manutenção preventiva abrange cronogramas dos quais são tratados planos e revisões periódicas (por tempo ou por medidor de monitoramento).
Manutenção Corretiva
A manutenção corretiva é a manutenção que ocorre somente quando a falha é ocorrida;ou seja, só é feito a manutenção quanto a máquina já está quebrada.
Reparo não planejado, parada não planejada antecipadamente; Desencadeia perda de produtividade; Disponibilidade imediata do pessoal; Serviços especiais – Técnicos experientes e especializados; Imediata disponibilidade de peças; Alto custo do serviço de reparo; Serviços Surpresa emergenciais, atrapalham o cronograma dos serviços planejados.
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Manutenção Preditiva
A manutenção Preditiva é um tipo de ação preventiva baseada no conhecimento das condições de cada um dos componentes das máquinas e equipamentos.
Manutenção Preditiva é aquela que indica as condições reais de funcionamento das máquinas com base em dados que informam o seu desgaste ou processo de degradação das mesmas, obtidos através de uma monitoração ou diagnóstico. Trata-se da manutenção que prediz o tempo de vida útil dos componentes das máquinas e equipamentos e as condições para que esse tempo de vida seja bem aproveitado, até mesmo prolongado.
Esses dados são obtidos por meio de acompanhamento do desgaste de peças vitais de conjuntos de máquinas e equipamentos. Testes periódicos são efetuados para determinar a época adequada para substituição ou reparos de peças.
Determinar, antecipadamente, a necessidade de serviços de manutenção de uma peça específica de um equipamento; Eliminar desmontagens desnecessárias para inspeção; Aumentar o tempo de disponibilidade dos equipamentos; Reduzir o trabalho de emergência não planejado; Impedir o aumento dos danos; Aproveitar a vida útil total dos componentes de um equipamento.
COMPARAÇÃO COM OUTROS ENSAIOS
Não existe comparação com o Ensaio de Vibrações;pois, não existe um outro ensaio com um objetivo em comum.
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Terceirização
Os custos de manutenção correspondem a parte principal dos custos operacionais totais de todas as plantas industriais de manufatura e de produção Os custos da manutenção podem variar de 15% à 30% da produção da máquina (Potência, tamanho, etc.)
Exemplo:
Indústrias alimentícias podem representar 15%; Indústrias siderúrgicas, papel e celulose podem representar 30%.
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BIBLIOGRAFIA
ABENDI – Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutíveis e Inspeções
VIBROSERT – www.vibrosert.com.br
WRH PREDITIVA – www.wrhpreditiva.com.br/análise
WIKIPÉDIA – pt.wikipedia.org
TEKNIKÃO – www.teknikao.com.br