Artigo publicado pelo peridico UPTIME Magazine, publicado pela Brel & Kjr, Schenck Condition Monitoring Systems, Nmero 1, Volume 8 - 2000.

Publicado em formato digital por:- Eng Andr Luiz de Pdua Pereira

- Eng Jnio Barbosa

E-Mail: vibra@atlanticpost.com

O presente arquivo pode ser obtido no site: www.vibra.dynamiczone.com

Anlise do Envelope para deteco efetiva de defeito em rolamentos - verdade ou fico? Provavelmente voc j observou, nos ltimos seis meses, o surgimento precipitado de uma cobertura contraditria sobre a anlise do Envelope, uma tcnica usada para diagnosticar defeitos em mancais de rolamento. Elas vo de um extremo para o outro - hora denunciando que a tcnica do Envelope intil, hora que um novo padro para avaliao de defeito em rolamentos. Neste artigo, Jolle Courrech, uma especialista na aplicao da anlise de Envelope no monitoramento da condio da mquina, coloca essa tcnica no devido lugar e aponta para um novo campo de aplicaes.IntroduoA deteco do Envelope, tambm referida como demodulao de amplitude, uma tcnica de processamento de sinal bem conhecida usada no campo da eletrnica e das telecomunicaes. Durante a dcada de 80, o monitoramento da condio de mquina comeou a utilizar a tcnica principalmente para deteco e diagnstico de defeitos em mancais de rolamento. medida que a tecnologia digital evoluiu e facilitou a implementao de tais tcnicas a baixo custo e com instrumentos fceis de usar em campo, a anlise de Envelope tornou-se uma ferramenta muito popular entre o pessoal de manuteno.

A deteco de Envelope quanto a falhas de mancais de rolamento utiliza as foras de atrito produzidas por elementos rolantes de rolamento sem falhas. Estas foras so influenciadas pela qualidade de superfcie e de lubrificao e geram vibrao estacionria aleatria em banda larga. Quando uma falha se desenvolve, a vibrao torna-se amplitude modulada devido s mudanas peridicas nas foras. Isto pode se originar a partir de mudanas no atrito, na presso nas superfcies das pistas de rolamento ou a partir de foras de impacto repetitivas devido a defeitos na superfcie local. Ou seja:

1. Modulao de amplitude das foras de atrito aleatrias; a maioria devido a erros de montagem como tenso ou mau alinhamento do rolamento.

2. Modulao de amplitude da ressonncia estrutural excitada por impactos peridicos repetitivos. Isto ocorre quando h defeitos localizados nos sulcos dos elementos giratrios, como no caso de entalhe ou fendas.

3. Modulao de amplitude de freqncias determinsticas (timbre puro), tais como freqncias caractersticas de outros elementos das mquinas (freqncia de engrenagem, harmnicos da fenda, freqncia de passagem de ps, etc.) por freqncias do rolamento.

A modulao da amplitude devido s foras de modulao (defeitos geomtricos) e ao aumento nas foras estacionrias aleatrias causado pelas mudanas no atrito (problema de lubrificao) aparecero no espectro de Envelope. (Observe que elas aparecem tambm no espectro FFT original, mas h mais dificuldade para se extrair e identificar.)

Quando aplicado ao diagnstico do rolamento, o processo da anlise do envoltrio pode ser descrito como:

Seleo de uma escala de freqncia no espectro de vibrao onde a modulao da amplitude ocorre e remoo de todos os componentes fora da faixa. Isto na hiptese de os componentes de freqncia extrados estarem relacionados somente aos defeitos de rolamento e no a outras falhas nos componentes da mquina.

Retificao do sinal remanescente (portadora) para manter somente seu Envelope (que representa o efeito de modulao) e re-analisar o ltimo em uma escala de baixa freqncia para identificar a freqncia moduladora.

Esses so os princpios bsicos da anlise de Envelope que so prontamente definidos e aceitos. Entretanto, quando entra em discusso a implementao da anlise de envelope quanto deteco e diagnstico de defeito em mancais de rolamento, surgem vrias linhas de raciocnio diferentes. Estas podem ser essencialmente classificadas em quatro grupos:

A anlise de Envelope funciona, mas apenas seletivamente na ressonncia estrutural de alta freqncia. A anlise de Envelope funciona, mas apenas seletivamente fora da ressonncia estrutural, onde o espectro plano.

A anlise de Envelope funciona sem ser seletiva, em uma escala de freqncia mdia ampla

A anlise de Envelope no funciona.Deteco seletiva de Envelope em torno da ressonncia estrutural de alta freqncia

Esta abordagem baseada no conceito de que somente os defeitos em mancais de rolamento localizados so de interesse e a anlise de Envelope deve ser , portanto, usada seletivamente na ressonncia estrutural de alta freqncia (veja Introduo, ponto 2). A seleo da ressonncia de alta freqncia torna mais fcil evitar a interferncia de outras fontes de vibrao (por exemplo, engrenagem, passagem de ps, foras eltricas, etc.) e seus prprios efeitos moduladores. Um obstculo a esta abordagem que o sistema torna-se muito menos sensvel modulao de fora de atrito aleatria causada pela tenso radial irregular, desalinhamento ou escorregamento. Um argumento que se contrape a este obstculo que outras fontes de modulao de fora de atrito alm daquelas que so produzidas por impactos so prontamente visveis na parte do espectro FFT original de baixa freqncia. Os problemas de lubrificao sem efeito de modulao so claramente visveis, bem como um aumento em toda faixa no prprio espectro FFT original.

Esta abordagem, ento, a nica mais comumente usada em campo. As tcnicas de monitoramento de condio regular so usadas para destacar a excitao de ressonncia suspeita causada por um problema local de rolamento e, em seguida, a anlise de Envelope usada para localizar com preciso a fonte do problema.

Deteco seletiva do envoltrio fora da ressonncia estrutural

Em uma outra abordagem, contrria anterior, a anlise de Envelope executada fora da rea de ressonncia onde o espectro relativamente plano. O argumento para este fato que qualquer distoro produzida pela ressonncia estrutural evitada, permitindo que se obtenha uma verdadeira representao das foras e sua modulao. Conseqentemente, todos os tipos de falhas podem ser qualificados com indicadores tais como a profundidade de modulao (diferena entre um nvel harmnico e o nvel do transmissor de rudo), e o contedo harmnico nos espectros de Envelope.

Esta uma abordagem muito atraente mesmo que ela parea difcil em uma estrutura to complexa como o corpo de uma mquina para identificar uma escala de freqncia sem componentes de ressonncia ou anti-ressonncia. Entretanto, ela tem sido usada com sucesso na Rssia, onde experimentos em vrios rolamentos tm produzido mtodos para distinguir diferentes tipos de defeitos e sua gravidade.

Deteco de Envelope em banda largaEnquanto os dois primeiros mtodos requerem dados de medio para indicar com preciso o local de ressonncias estruturais, a terceira abordagem no requer.

Seleciona-se uma escala de freqncia mdia padro, normalmente iniciando acima de 4 a 5 vezes mais alta freqncia do rolamento at 5kHz. Na teoria, esta faixa ampla cobrir a escala correspondente s freqncias de ressonncia natural dos mancais de rolamentos e da detectar a maioria dos defeitos de rolamento. A escala padro selecionada depende da velocidade da mquina; no pelo fato de as freqncias naturais de rolamento dependerem da velocidade da mquina, mas pelo fato de o tamanho do rolamento depender dela e a ressonncia, subseqentemente, depender do tamanho do rolamento.

A vantagem de se usar as freqncias naturais dos elementos giratrios que elas so uniformemente excitadas/influenciadas pela modulao de fora aleatria e pela modulao de fora de impacto, quando opostas s freqncias de ressonncia estrutural que so mais sensveis a impactos. Contudo, o obstculo principal que esta escala de freqncia mdia acontece onde todos os componentes de outra mquina tm suas freqncias caractersticas por exemplo, freqncia de engrenagem e harmnicos, freqncia de passagem de ps, freqncia de passagem de slots os quais esto sintonizados em amplitude modulada pelos elementos vizinhos incluindo as freqncias de rolamento. Entretanto, h investigaes atuais para o uso de processamento de sinal adicional tal como cancelamento de rudo auto-adaptvel para separar tais efeitos.

Fig.1. Uma comparao entre tcnicas de faixa estreita e de Envelope. O espectro da faixa estreita (vista superior), tomado de um rolamento que sabidamente tem um defeito na sua pista externa, no mostra sinal de defeito. A vista inferior mostra um espectro de Envelope do mesmo sinal.

Fig 2. Os espectros de Envelope de um rolamento sem defeito (vista superior) e um danificado (vista inferior), mostrando como o espectro de Envelope exibe apenas picos se houver um defeito.Deteco de Envelope melhor evitar!

Conforme a popularidade da anlise de Envelope aumentou, o mesmo ocorreu com o nvel de ambio de seus profissionais. Os descritores escalares so derivados dos espectros de Envelope, simplificando a tendncia do fenmeno. Os algoritmos empricos baseados nos dados estatsticos tambm foram desenvolvidos na tentativa de obter limites absolutos. E em uma tentativa de se eliminar a necessidade de tendncia de modo geral, os descritores especficos foram usados para uma avaliao singular de condio do rolamento.Mas estes so passos muito grandes! A natureza do caminho de transmisso de sinal, as diferenas encontradas entre as mquinas do mesmo tipo e a natureza da tcnica de processamento usada tornam fundamentalmente difcil quantificar o padro com um valor absoluto representante. Mesmo se a natureza do caminho de transmisso no complicar a interpretao, a natureza dos prprios defeitos torna difceis as decises de manuteno. Por exemplo, o que mais perigoso um grande entalhe ou uma fenda transversal na pista? O primeiro produz mais energia modular, mas pode funcionar por um longo perodo contanto que haja a lubrificao adequada; o segundo pode explodir a qualquer momento!

As conseqncias de tais investigaes foram profundas. O diagnstico de defeito e erros conseqentes em julgamento debilitou seriamente a anlise de Envelope e afastou ainda mais a tcnica dos cticos. Esta situao infeliz foi posteriormente desprestigiada com a questo : sensores de deslocamento vs. acelermetros. Alguns dos maiores argumentos na validade da tcnica de modulao so na verdade mais baseados em uma preferncia para medies de deslocamento de eixo do que para medies de vibrao relativas ao rolamento baseadas em acelermetro. Contudo, no h absolutamente base para isto quando os sinais de transdutores de deslocamento no mostram o elemento real mais do que aqueles de acelermetros. Ambos apresentam sintomas dos defeitos as alteraes nas foras que atuam sozinhas nos elementos giratrios e no na vibrao resultante, fornecem uma representao real do defeito. Infelizmente essas foras no podem ser medidas diretamente.Concluso

Toda boa ferramenta tem seu uso e seu lugar especial entre as outras ferramentas na sua caixa de ferramentas. Como uma boa ferramenta, a anlise de Envelope no diferente.

Baseado na avaliao da modulao de amplitude de vibrao aleatria e ressonncia estrutural, no h dvida de que a anlise de envelope uma maneira eficiente para detectar, diagnosticar e avaliar a condio de um elemento giratrio de rolamento. A anlise de Envelope tambm possui um campo de aplicao muito mais amplo se for considerado que seu principal benefcio trocar o efeito de modulao de alta freqncia para escala de baixa freqncia. Portanto, ela elimina a necessidade de uma resoluo extremamente elevada que geralmente incompatvel com a falta de estabilidade de velocidade encontrada nas mquinas rotativas. A demodulao de amplitude de timbre puro tal como harmnicos de slots em mquinas eltricas pela freqncia de escorregamento; a freqncia de engrenamento em uma das engrenagens; ou a freqncia de passagem de ps pela velocidade rotacional so indicadores de muito empenho aps a identificao de defeito.

Alm disso, o uso da transformao Hilbert em um sinal de tempo ampliado ao redor da freqncia portadora, melhor do que filtragem e retificao como normalmente feito para as aplicaes de diagnsticos de defeito, no proporciona somente a demodulao de amplitude de REB mas tambm demodulao de fase e freqncia. A demodulao de freqncia abre o campo de novos diagnsticos de defeito de caixa de engrenagem e dos problemas de torso no muito conhecidos.

Mas por que levar uma caixa de ferramentas completa se voc vai utilizar somente uma ferramenta? Recomenda-se usar a anlise de Envelope como parte de uma estratgia de manuteno global juntamente com outras tcnicas de processamento de sinal, especialmente se houver a deciso de parar o maquinrio mais importante. Os espectros FFT devem ser considerados porque eles apresentam todo o sinal original enquanto a anlise de Cepstum, uma transformao puramente linear, pode ser usada para separar efeitos devido ao caminho de transmisso daqueles devido s foras excitadoras. at possvel determinar o tamanho de uma cavidade ou um fragmento, que mais direcionado para a gravidade do defeito do que para a profundidade da modulao.

Finalmente, pode-se concluir qual a abordagem correta para anlise de Envelope? Concluindo, como nenhum artigo, trabalho de conferncia ou teoria pode substituir anos de experincia de monitoramento de sucesso com anlise de Envelope, ento h somente uma nica abordagem experimente e veja os resultados voc mesmo!

A autoraDoutorada em mecnica aplicada, Jolle Courrech trabalhou por mais de 20 anos no campo de anlise de vibrao e monitoramento de condio de mquina. Atualmente Gerente de Marketing de Produto da Brel & Kjr Schenck, Jolle escreveu vrios artigos e trabalhos de conferncia especificamente sobre o diagnstico de mancais de rolamento, caixa de engrenagem e mquina alternada, contribuiu com a maioria dos livros de consulta como o Shock & Vibration Handbook (Manual de Choque e Vibrao) e o Handbook of Acoustical Measurements & Noise Control (Manual de Medies Acsticas & Controle de Rudo).

Figura 2. No modo de coleta de dados, uma tela indica a o valor de vibrao e o valor de condio REBdo rolamento, junto com seus respectivos valores para fins de comparao. As distncias dos valores medidos dos nveis de alarme so mostradas como valores de porcentagem.

EMBED PBrush

Revista uptime: No. 1 - 2000 Vol. 8