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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIFACVEST

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

JOE LUIZ ROSSDEUTSCHER JUNIOR

ANÁLISE DE VIBRAÇÃO EM ROLAMENTOS INDUSTRIAIS

LAGES

JOE LUIZ ROSSDEUTSCHER JUNIOR

ANÁLISE DE VIBRAÇÃO EM ROLAMENTOS INDUSTRIAIS

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Centro Universitário UNIFACVEST como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Mecânica. Prof. Esp. Paulo Fernando Schmidt Spieker. Coorientador: Prof. Esp. Alisson Ribeiro de Oliveira. LAGES 2018

AGRADECIMENTOS

Primeiramente, agradeço a Deus por tudo que tenho em minha vida. Ele é o principal responsável por podermos conhecer, entender e estudar os segredos do universo. Aos meus pais pela educação, dedicação, carinho e exemplos depositados em mim. Certamente sem eles como pilares da minha fundação como indivíduo, eu não estaria apto a concluir esse objetivo. Aos professores Paulo Fernando Schmidt Spieker, meu orientador, e Alisson Ribeiro de Oliveira, meu coorientador, por toda a dedicação e conhecimentos fornecidos para a minha pesquisa, pelos valiosos conselhos e cuidadosas revisões. Ao meu supervisor de estágio e diretor da empresa RPM SUL Análises Técnicas, Rodney Luis Vissoci Junior, por todos os ensinamentos repassados sobre a manutenção preditiva durante o período de estágio e após o mesmo, primordiais para o desenvolvimento do presente trabalho. A minha namorada, Mariana, pela sua paciência e compreensão em todos os momentos, principalmente nos finais de semana, em que não foi possível estar ao seu lado para completar essa tarefa. E por fim, a todos que direta e indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.

Se você quiser descobrir os segredos do Universo, pense em termos de energia, frequência e vibração. Nikola Tesla

ANALYSIS OF VIBRATION IN INDUSTRIAL BEARINGS

Joe Luiz Rossdeutscher Junior^4 Paulo Fernando Schmidt Spieker^5 Alisson Ribeiro de Oliveira^6 ABSTRACT The main purpose of predictive maintenance is to prevent breakages and prolong the life of the equipment or system. In order to achieve this, it is necessary to carry out periodic monitoring of the actual operating conditions in order to identify potential efficiency reductions that may lead to failure in the advanced stages. One of the principles of predictive maintenance is to analyze the equipment in your regular work regime. This factor is precisely one of the great advantages of using the predictive approach, and it is not necessary to stop production. The application of vibration analysis technique in bearings provides extremely important results that identify any anomalies. The bearings are used to transfer movement and transmit force. They are components widely found in several industrial sectors and, among the different constructions they present, are divided into axial and radial bearings. The present work makes a theoretical foundation of the different maintenance approaches, highlighting the predictive maintenance and the vibration analysis technique, relating it to the detection of failure in bearings through a case study. Keywords: predictive maintenance; vibration analysis; bearings. (^4) Acadêmico do Curso de Engenharia Mecânica, 10ª fase, Disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do Centro Universitário UNIFACVEST. (^5) Professor do Centro Universitário UNIFACVEST, orientador. (^6) Professor de Trabalho de Conclusão de Curso 2 do Centro Universitário UNIFACVEST, coorientador.

Figura 53 - Forma com que o escamamento apresenta-se no anel externo e esferas

• Figura 1 - Gráfico de falhas x tempo
• Figura 2 - Procedimentos efetuados pela manutenção preditiva
• Figura 3 - Analisador de vibrações portátil
• Figura 4 - Forma de onda senoidal no tempo
• Figura 5 - Onda no tempo com as diferentes leituras para amplitude
• Figura 6 - Amplitude sendo tomada em deslocamento, velocidade e aceleração
• Figura 7 - Diferenças em um domínio temporal
• Figura 8 - O traço de uma caneta preso a um sistema massa-mola
• da frequência............................................................................................................. Figura 9 – O sinal de vibração pode ser visto através do domínio do tempo e domínio
• Figura 10 – Exemplo de forma de onda, mostrando o sinal variando no tempo........
• Figura 12 - Carga radial.............................................................................................
• Figura 13 - Carga axial
• Figura 14 - Classificação dos rolamentos radiais
• Figura 15 - Classificação dos rolamentos axiais
• (a direita) Figura 16 - Modulação de amplitude (a esquerda) e espectro de um sinal modulado
• Figura 17 – Espectro e forma de onda característicos de desbalanceamento
• Figura 18 – Espectro característico de desbalanceamento
• Figura 19 – Representação dos tipos de desalinhamento – paralelo e angular
• radial para o desalinhamento paralelo Figura 20 – Espectro da vibração axial para o desalinhamento angular e da vibração
• Figura 21 – Espectro característico de empenamento de eixos
• Figura 22 – Espectro e forma de onda característicos de folgas...............................
• Figura 23 – Espectro característico de roçamento
• de rolamento Figura 24 – Exemplo de espectro de velocidade característico de falhas em mancais
• Figura 25 – Defeito alterando a assinatura de vibração do equipamento..................
• Figura 26 - Analisador de vibração PRUFTECHNIK VIBXPERT II
• Figura 27 - Acelerômetro RPM-SR110
• Figura 28 – Procedimento de medição
• Figura 29 – Pontos de coleta 1V e 1H
• Figura 30 – Pontos de coleta 3V, 3H e 3A
• Figura 31 – Pontos de coleta 7V, 7H, 7A e 8H
• Figura 32 – Tendência indicando características de desgaste do rolamento
• Figura 33 – Sinal no tempo mostrando a medição anterior a evolução
• Figura 34 – Sinal no tempo indicando a presença de falha
• Figura 35 – Espectro de aceleração indicando quebra do filme lubrificante..............
• Figura 36 – Espectros de aceleração em cascata
• Figura 37 – Espectro de envelope da aceleração indicando desgaste no rolamento
• Figura 38 – Espectros de envelope da aceleração em cascata
• Figura 39 – Espectro de envelope do ponto 3H
• Figura 40 – Tendência indicando a redução dos níveis de vibração
• Figura 41 - Exemplo de um rolamento axial de rolos cônicos
• Figura 42 - Características de pitting de acordo com NSK Bearing Doctor
• Figura 43 - Forma com que o pitting apresenta-se....................................................
• Figura 44 - Ocorrência de pitting na pista interna
• Figura 45 - Ocorrência de pitting nos elementos rolantes
• Figura 46 - Características de descascamento de acordo com NSK Bearing Doctor
• Figura 47 - Forma com que o descascamento apresenta-se
• Figura 48 - Ocorrência de descascamento na pista interna
• Figura 49 - Ocorrência de descascamento nos elementos rolantes
• Figura 50 - Características de escamamento de acordo com NSK Bearing Doctor
• rolamento de contato angular Figura 51 - Forma com que o escamamento apresenta-se no anel interno de
• rolamento fixo de uma carreira de esferas Figura 52 - Forma com que o escamamento apresenta-se no anel interno de
• Figura 54 - Ocorrência de escamamento nos elementos rolantes
• Figura 55 - Evolução das falhas nos elementos girantes
• Figura 56 - Características de fraturas de acordo com NSK Bearing Doctor
• Figura 57 - Forma com que as fraturas apresentam-se
• Figura 58 - Ocorrência de fratura no rolamento
• 1 INTRODUÇÃO SUMÁRIO
• 2 MANUTENÇÃO
• 2.1 Tipos de manutenção
• 2.1.1 Manutenção corretiva
• 2.1.1.1 Manutenção corretiva não planejada
• 2.1.1.2 Manutenção corretiva planejada
• 2.1. 2 Manutenção preventiva
• 2.1.3 Manutenção preditiva
• 2.1.4 Manutenção detectiva............................................................................
• 2.1.5 Engenharia de manutenção
• 3 TÉCNICAS DE MANUTENÇÃO PREDITIVA
• 3.1 Análise de vibração....................................................................................
• MECÂNICAS 4 VIBRAÇÕES DE MÁQUINAS E SUA RELAÇÃO COM AS ONDAS
• 4.1 Principais propriedades de uma onda mecânica
• 4.2 O movimento vibratório
• 5 ROLAMENTOS
• 5.1 Tipos de rolamentos
• 5.2 Análise de vibração em rolamentos
• 5.2.1 Espectro de vibração e frequências características
• 5.2.2 Equipamentos envolvidos
• 6 PROBLEMAS DE ORIGEM MECÂNICA...........................................................
• 6.1 Desbalanceamento.....................................................................................
• 6.2 Desalinhamento
• 6.3 Empenamento de eixos
• 6.4 Folgas..........................................................................................................
• 6.5 Roçamentos
• 6.6 Defeitos em mancais de rolamento
• 7 MATERIAIS E MÉTODOS
• 8 RESULTADOS E DISCUSSÕES
• 8.1 Importância da manutenção preditiva em rolamentos
• 9 CONCLUSÃO
• REFERÊNCIAS

1 INTRODUÇÃO

A manutenção preditiva é aquela que monitora periodicamente componentes e máquinas industriais com o objetivo básico de evitar redução de rendimento e quebras, prolongando a vida útil sempre que possível. Além disso, as técnicas da manutenção preditiva ainda devem indicar as possíveis causas para os desgastes prematuros nos componentes. Atualmente existem diversas técnicas de manutenção preditiva empregadas nas indústrias. São exemplos: análise de vibração; alinhamento a laser; análise de óleo; balanceamento; MCA (análise de circuito de motores); ESA (análise da assinatura elétrica); termografia; ultrassom; entre outras. O presente trabalho destacará a técnica de análise de vibração. A análise de vibração é uma técnica da manutenção preditiva que possui o objetivo de identificar vibrações provenientes de outras partes da máquina as quais afetam prejudicialmente os rolamentos. Os rolamentos são componentes utilizados com o objetivo principal de minimizar a fricção entre as peças móveis da máquina e suportar a carga. Logo, é possível pensar nas mais variadas aplicações dentro das mais distintas indústrias. Pode-se destacar o emprego de rolamentos em motores elétricos, motores de combustão interna, redutores, turbinas, ventiladores, entre muitos outros. Porém, como muitos componentes mecânicos, os rolamentos possuem uma determinada vida útil e consequentemente precisam ser substituídos. O grande problema é que em certas vezes este componente pode falhar, reduzindo a eficiência do processo, ou até mesmo quebrar, e como o movimento de rotação está presente, as chances de provocar danos não esperados em outras partes das máquinas são altas, os quais deverão ser analisados pela equipe de manutenção. O emprego da manutenção preditiva nos rolamentos é de extrema importância pois é possível acompanhar periodicamente as condições reais de operação destes componentes, evitando a redução da eficiência, substituições desnecessárias e principalmente as quebras, procurando ainda prolongar a vida útil dos mesmos. Ainda é objetivo da manutenção preditiva identificar as causas potenciais de desgastes prematuros, os quais reduzem a vida útil dos componentes. A análise de vibração é uma técnica fortemente empregada para diagnosticar falhas em rolamentos.

A produção de estudos e conteúdos a respeito do tema é muito importante, uma vez que a manutenção preditiva, especialmente no Brasil, mesmo estando em crescimento ainda possui um ritmo lento em relação a outros países. Dessa forma é necessário difundir essas técnicas da manutenção preditiva procurando destacar a importância da mesma no processo de otimização e redução de gastos. Como a manutenção preditiva é relativamente nova, uma limitação encontrada ao longo das pesquisas para a produção deste trabalho está no número de bibliografias existentes que tratem do tema em questão. O trabalho está delimitado em realizar a fundamentação teórica e levantar estudos reais para comprovar a importância e a eficácia da técnica aplicada. Os estudos reais somente serão possíveis graças aos equipamentos e softwares disponibilizados pela empresa RPM SUL Análises Técnicas. Com o desenvolvimento deste estudo, pretende-se conhecer as diferentes abordagens de manutenção destacando a manutenção preditiva e sua técnica de análise de vibração, salientando os fatores que levam os rolamentos a falha e/ou desgaste prematuro no ambiente natural de trabalho, ressaltando as técnicas de manutenção preditiva empregadas para detectar esses fatores, validando assim, a eficácia da utilização de análise de vibração. Para atingir esses objetivos, o presente trabalho aborda sucintamente a manutenção como um todo, identificando os tipos de manutenção e destacando a importância da manutenção preditiva como a principal abordagem no processo de otimização e redução de gastos. O trabalho ainda apresenta alguns conceitos sobre vibrações de máquinas e identifica os dois grandes grupos de rolamentos, axiais e radiais, ressaltando o emprego da técnica de análise de vibração na identificação das principais causas de falhas em rolamentos, bem como os principais problemas de origem mecânica. O estudo está construído sob autores de grande relevância no tema, possibilitando que os leitores venham a conhecer e adquirir noções sobre o assunto, transmitindo aos mesmos conteúdos científicos, explicativos e ilustrativos, de forma a demonstrar o que é inerente ao conteúdo.

esperado.” Esta forma é a que representa quase que a totalidade das operações de manutenção industrial, desde que a primeira fábrica entrou em funcionamento. (Rodrigues, 2009). A manutenção corretiva, segundo Santos (2007, p.13) “Representou o princípio, em que os mecânicos simplesmente consertavam o que estava quebrado, não se preocupando com as causas ou efeitos que ocasionaram o defeito.” 2.1.1.1 Manutenção corretiva não planejada Segundo Rodrigues (2009, p.1 7 ) “Esta é a forma mais reativa que a manutenção pode ter. Uma planta industrial usando este modelo de gerência em sua manutenção corretiva não gasta qualquer valor com manutenção, até que uma máquina ou sistema pare de operar.” A palavra reativa destaca que este tipo de abordagem provoca uma reação que muitas vezes passa despercebida pela empresa, reação esta que consiste na elevação do custo final, pois quando ocorre uma falha inesperada, além dos danos com o próprio equipamento que falhou, ainda é necessário avaliar os danos causados em outras partes da máquina, que possivelmente foram afetadas. De acordo com Kardec e Nascif (2009, p.39) a “Manutenção corretiva não planejada é a correção da falha de maneira aleatória. [...] Caracteriza-se pela atuação da manutenção em fato já ocorrido, seja este uma falha ou um desempenho menor do que o esperado.” Após o deslocamento da equipe de manutenção, uma nova etapa de análise é iniciada, levando em conta a dimensão dos danos, a verificação de peças no almoxarifado que serão utilizadas na substituição ou ainda a emissão de ordens de compra de emergência. Dessa forma, segundo Kardec e Nascif (2009, p.39), “Normalmente, a manutenção corretiva não planejada implica altos custos, pois a quebra inesperada pode acarretar perdas na produção, perda da qualidade do produto e elevados custos indiretos de manutenção.” 2.1.1.2 Manutenção corretiva planejada Segundo Rodrigues (2009, p.18) “Esta forma de manutenção é realizada quando o equipamento apresentou um defeito que foi identificado pelas práticas

preventivas ou preditivas.” Em outras palavras, esta técnica possui custos significativamente inferiores se comparada com a técnica não planejada, justamente em decorrência do planejamento. Kardec e Nascif (2009, p.41) descreve que “Um trabalho planejado é sempre mais barato, mais rápido e mais seguro do que um trabalho não planejado. E será sempre de melhor qualidade.” 2.1.2 Manutenção preventiva A manutenção preventiva, segundo Santos (2007, p.1 4 ), é aquela em que “[...] o mecânico deve prever a vida do equipamento.” O mesmo autor, Santos (2007, p.14), destaca que “Para este tipo de manutenção exige-se do mecânico uma ‘intuição’ e um conhecimento técnico maior. Os mecânicos deixam de ser meros trocadores de peças, tornando-se profissionais realmente qualificados.” Weber et al. (2009, p.35) salienta que: A manutenção preventiva obedece a um padrão previamente esquematizado, que estabelece paradas periódicas com a finalidade de permitir a troca de peças que apresentam desgaste, ou não, por novas, assegurando, assim, o funcionamento perfeito da máquina por um período predeterminado. (WEBER et al., 2009, p.35). A garantia de um certo ritmo de trabalho, além do equilíbrio necessário ao bom desenvolvimento das atividades, são fatores proporcionados pelo método preventivo. (WEBER et al. 2009). Para Rodrigues (2009, p.19), a “Manutenção preventiva é a intervenção realizada de forma a evitar a falha ou queda no desempenho do equipamento, obedecendo a um plano previamente elaborado, baseado em intervalos definidos de tempo.” Kardec e Nascif (2009, p. 43 ) destaca que “Evidentemente, ao longo da vida útil do equipamento não pode ser descartada a falha entre duas intervenções preventivas, o que, obviamente, implicará uma ação corretiva.” Dessa forma, em comparação com a manutenção corretiva, a abordagem preventiva traz um número notavelmente maior de benefícios, tanto para os equipamentos, quanto para a produção e para a equipe de manutenção.

De acordo com Weber et al. (2009, p.43), a manutenção preditiva possui os seguintes objetivos: a) determinar, antecipadamente, a necessidade de serviços de manutenção numa peça específica de um equipamento; b) eliminar desmontagens desnecessárias para inspeção; c) aumentar o tempo de disponibilidade dos equipamentos; d) reduzir o trabalho de emergência não planejado; e) impedir o aumento das falhas; f) aproveitar a vida útil total dos componentes e de um equipamento; g) aumentar o grau de confiança no desempenho de um equipamento ou linha de produção; h) determinar, previamente, as interrupções de fabricação para cuidar dos equipamentos que precisam de manutenção. Através desses objetivos, é possível perceber que eles estão orientados a finalidades maiores e importantes, como a diminuição de custos de manutenção e a elevação da produtividade. A utilização de aparelhos adequados é de extrema importância para que a manutenção preditiva possa ser executada, e assim, segundo Weber (2009), seja capaz de registrar diversos fenômenos, como os listados abaixo: a) vibrações das máquinas; b) pressão; c) temperatura; d) desempenho; e) aceleração. Levando em conta o conhecimento e analisando os fenômenos, é possível apontar, de forma antecipada, potenciais defeitos ou falhas nas máquinas e equipamentos. Weber et al. (2009, p.44) ressalta que “A manutenção preditiva, após a análise dos fenômenos, adota dois procedimentos para atacar os problemas detectados: estabelece um diagnóstico e efetua uma análise de tendências.” O diagnóstico apontado por Weber (2009, p. 44) “Detecta a irregularidade, o responsável terá o encargo de estabelecer, na medida do possível, um diagnóstico referente à origem e à gravidade do defeito constatado. Esse diagnóstico deve ser feito antes de se programar o reparo.” Já a etapa da análise da tendência da falha, de acordo com

Weber et al. (2009, p.45) “[...] consiste em prever com antecedência o defeito ou a falha, por meio de aparelhos que exercem vigilância constante, predizendo a necessidade do reparo.” Figura 1 - Gráfico de falhas x tempo Fonte: Weber et al. (2009). A Figura 1 estabelece uma relação das falhas com o tempo, e através dela é possível notar que, à medida que o tempo evolui, existe a necessidade de reduzir os intervalos entre as medidas periódicas normais, com o objetivo de controlar os defeitos, minimizando as falhas. A Figura 2 descreve as etapas desenvolvidas ao longo da manutenção preditiva, levando em conta as condições de intervenção, os dados para o diagnóstico e as aplicações, em que o conjunto destes fatores resultam na otimização dos custos e consequente melhoria da produção.