Análise de vibrações as bandas de frequência

1 –   ANÁLISE DE VIBRAÇÕES E BANDAS DE FREQUÊNCIA – INTRODUÇÃO

Nesta artigo descreve-se como na análise de vibrações as bandas de frequência assumem importância.

O reconhecimento das limitações da Medição do Nível Global de Vibrações (Vel. _eficaz 10-1000 Hz) na deteção de alguns tipos específicos de avarias levou a que se tentasse utilizar o Espectro de Frequência disponibilizado pelos analisadores de vibrações, para este fim. Neste contexto desde há anos que esta técnica é utilizada implicando frequentemente uma forte carga burocrática. Surgiu assim a necessidade da sua automatização.

Actualmente, com a divulgação dos colectores de dados a Comparação Automática de Espectros de Frequência foi muito facilitada tendo assim uma utilização muito alargada na medição de vibrações.

Aqui vão-se perspectivar as diversas maneiras de implementar esta técnica. Vão-se referir nomeadamente as seguintes modalidades:

• Comparação com um nível fixo
• Comparação com a envolvente de um Espectro FFT
• A Análise por Bandas
• A Comparação de Espectros de Percentagem de Banda Constante (PBC)

2 –    COMPARAÇÃO COM UM NÍVEL FIXO

A maneira mais simples de por um Espectro de Frequência (EF) a gerar alarmes passa por definir um nível fixo que, quando ultrapassado, gera uma alarme tal como se pode ver na Figura 1.

Este modo de implementar a comparação automática de espectros apresenta limitações evidentes. A componente do E.F. com maior amplitude impõe o nível de comparação. Isto implica que em caso de avaria, só nalgumas condições particulares os picos com menor amplitude crescerão o suficiente para gerar um alarme.

Este modo de implementar a comparação de espectros não apresenta vantagens evidentes em relação à medição do Nível Global de Vibrações, a menos que o espectro seja aproximadamente plano, o que é muito raro. Apenas a(s) maior(es) componente(s) do espectro tem alguma hipótese de despoletar um alarme, o que de qualquer modo é prontamente obtido com a medição do Nível Global de Vibrações.

3 –    COMPARAÇÃO COM O PERFIL DE UM ESPECTRO FFT

Uma maneira intuitiva de se fazer comparação automática de espectros FFT, em computador, consiste em gerar uma envolvente de um espectro medido, como se pode ver na Fig.2.

Não há dúvida que, esta aproximação pode oferecer resultados satisfatórios, na detecção automática da evolução anormal de componentes visíveis de um espectro de frequência (em escalas verticais lineares). Todavia a sua implementação apresenta duas características que lhe reduzem a sensibilidade.

A primeira está relacionada com o facto de, mesmo as máquinas chamadas de velocidade constante terem, na maioria das vezes, velocidade ligeiramente variável. Com efeito nos motores eléctricos assíncronos a variação de velocidade entre as condições de carga e em vazio pode atingir 40 RPM. Logo na primeira harmónica da velocidade de rotação o perfil da envolvente tem de ser “alargado”, no mínimo de 40 RPM para cada lado de modo a não se correr o risco de se gerarem falsos alarmes. Na frequência igual à centésima harmónica da velocidade de rotação o perfil deverá ser “alargado” de 100X40=4000 RPM e por aí adiante. Deste modo e como se pode ver na Fig. 2, na zona do espectro correspondente às maiores frequências o perfil de alerta vai ser bastante mais largo do que as componentes que lhe dão origem. Como é evidente este facto vai reduzir a sensibilidade da técnica.

Caso, por exemplo, uma componente do espectro, de amplitude relativamente pequena e situada junto de outra maior, comece a crescer em virtude de uma deterioração da condição de funcionamento de um órgão da máquina, existe um risco, significativo, deste facto não vir a ser automaticamente detectado e assim surgir uma avaria inesperada.

Caso se esteja perante uma máquina de velocidade variável, o problema agrava-se.

Surge assim a necessidade de se implementar uma compensação de velocidades.

A segunda característica prende-se com o facto de neste tipo de comparação se utilizar uma escala vertical linear. Quando se implementa a comparação de EF está-se, de algum, modo a assumir que as componentes do espectro de frequência, de amplitude pequena, também são importantes para o controlo da condição de uma máquina; todavia a maneira como é gerado o perfil de alerta vai impedir que as componentes menores, que em escala vertical linear se perdem na “relva”, venham alguma vez a gerar um alarme por terem ultrapassado o limite da envolvente.

Todas as avarias que se manifestem sob a forma do crescimento de componentes na relva, dificilmente serão detectadas pela comparação de espectros FFT em escalas verticais lineares. Estão neste caso algumas avarias em rolamentos e engrenagens a rodar a baixa velocidade de rotação.

Para se poderem observar as componentes maiores e mais pequenas em simultâneo têm de se utilizar escalas verticais logarítmicas. Surge assim a necessidade da sua utilização.

4 – ANÁLISE DE VIBRAÇÕES E BANDAS DE FREQUÊNCIA – O CONTROLE POR BANDAS

Uma variante deste tipo de comparação de espectros FFT é o chamado controle por bandas (Fig.3)

Nesta modalidade define-se um nível máximo para uma determinada banda do espectro. Os alarmes podem ser gerados de duas formas alternativas:

• caso alguma componente atinja esse nível é gerado um alarme.
• caso a energia na banda atinja esse nível é gerado um alarme

Hoje em dia esta última técnica é a mais utilizada por, com a experiência, se ter revelado a mais simples de implementar com resultados satisfatórios.

Co esta técnica consegue-se facilmente separar a vibração de um desequilíbrio da vibração gerada por uma avaria num rolamentos.

5 –        A COMPARAÇÃO DE ESPECTROS DE PERCENTAGEM DE BANDA CONSTANTE (PBC)

Uma forma de efectuar o controle por bandas é o de  se agrupar todo o espectro em bandas de frequência, de terço de oitava. Esse agrupamento faz-se através da utilização de Espectros de Percentagem de Banda Constante (Figura 4). Neste tipo de espectro, a amplitude de cada banda representa o somatório da amplitude de todas as componentes vibratórias que nela caem (e não a maior componente nessa banda). Assim, caso uma componente de amplitude pequena comece a crescer, isto reflectir-se-à imediatamente na amplitude da banda de frequência respectiva, que, portanto, também crescerá, dando azo ao despoletamento de um alarme.

A largura de cada banda é igual a uma percentagem fixa da sua frequência central.

Esta técnica é muito sensível a falsos alarmes devido à forma como se monta o sensor e hoje em dia é pouco utilizada.

6 –    ANÁLISE DE VIBRAÇÕES E BANDAS DE FREQUÊNCIA – CONCLUSÃO

A utilização do Espectro de Frequência FFT no Diagnóstico de avarias apresenta vantagens importantes que levam à sua utilização generalizada para este fim. Quando se trata da detecção de avarias, a técnica hoje em dia mais utilizada é o controle por bandas, na modalidade da medição da energia na banda.