Decimação Inteligente: preenchendo as lacunas entre as análises de vibração e óleo

A análise da vibração é normalmente utilizada por especialistas em confiabilidade para monitorar os movimentos dinâmicos dos componentes das máquinas. Similarmente, a análise do óleo é realizada para examinar a composição dos constituintes do fluido. No entanto, nenhuma das técnicas verifica de fato a lubrificação dos sistemas tribológicos em atividade.

Este artigo explicará como a análise sônica e ultrassônica de ondas de tensão pode estender a vibração do monitoramento mecânico ao tribo-mecânico, preenchendo, assim, importantes lacunas entre as análises de vibração e óleo.

Decimação inteligente

Os analisadores de vibração modernos convertem sinais de vibração analógicos em um fluxo de dados digital sobredimensionado. Os dados digitais são normalmente submetidos a altas frequências ultrassônicas. Estes dados digitais são decimados a uma frequência máxima muito mais baixa, com base na velocidade de funcionamento de um componente mecânico. A decimação tradicional é um método eficaz para extrair movimentos sinusoidais, rotação, deslocamento e ressonância dos componentes da máquina.

A decimação inteligente opera sobre os dados originais de alta taxa de amostragem antes que processos arbitrários de decimação destruam o conteúdo de alta frequência. Esta técnica de análise de ondas de tensão quantifica eventos de domínio temporal, tais como impacto, defeitos de rolamentos e engrenagens, deslizamento, fricção mecânica e arco elétrico.

Pode, assim, complementar o procedimento tradicional de análise de vibração para máquinas rotativas e ser uma técnica-base para outros tipos de equipamentos, tais como os de movimento lento, de reciprocidade, articulados e de alta tensão.

O algoritmo numérico de decimação inteligente (I-DNA) cria formas de ondas de estresse de detecção de pico máximo sônico e ultrassônico para análise. A manifestação de ondas de estresse se origina de um ponto de contato ou compressão e se propagam através de metais ou fluidos na velocidade relativa do som, carregando informações sobre os eventos que criaram as ondas de estresse.

A forma de onda de alcance sônico (DNA500) expõe fortes eventos de aceleração, incluindo rolagem, compressão e deslizamento severo, enquanto a forma de onda de alcance ultrassônico (DNA12) apresenta eventos relacionados ao atrito, tais como deslizamento, polimento e fricção. Os valores máximos de DNA500 e DNA12, juntamente com as proporções de DNA12 e DNA500, podem revelar características tribológicas de sistemas mecânicos em movimento relativo.

Regimes de Lubrificação

A vida útil dos componentes da máquina depende amplamente de uma lubrificação adequada. Além do contato seco entre os componentes, existem quatro regimes diferentes de lubrificação: limite, modo misto, elastoidrodinâmica e hidrodinâmica hidrostática. Com base na carga, velocidade, lubrificante e outros fatores, os engenheiros do equipamento podem selecionar bronzinas de 100 mícron de espessura, hidrodinâmicas e hidrodinâmicas ou bronzinas de 1 mícron de espessura, elastoidrodinâmicas de película fluida.

O ciclo de operação da máquina pode ocasionalmente entrar em um modo misto ou regime de lubrificação de limite, como quando a velocidade é muito lenta, a temperatura é alta ou a carga é excessiva. Uma vez que a lubrificação mista e limite fornece apenas uma separação parcial entre as partes móveis, aditivos de extrema pressão (EP) e antidesgaste podem ser necessários para um ótimo desempenho dos componentes nestas condições.

O atrito de deslizamento sob contato seco é essencialmente o coeficiente do atrito de deslizamento. Os regimes de lubrificação por deslizamento seco, deslizamento de contorno e deslizamento misto são preferíveis às alternativas em que forças de atrito muito mais elevadas levam a deslizamentos severos e aderência, o que pode causar aquecimento extremo e deformação das superfícies metálicas.

Estes casos de atrito de deslizamento podem ser detectados por um valor de DNA12 ultrassônico que é superior a 25% do valor de DNA500 sônico. Alternativamente, os casos de deformação plástica normalmente não deslizam, portanto o valor de DNA12 é inferior a 25 por cento do valor de DNA500.

As ondas de estresse ultrassônicas se originam quando as asperezas e as bordas de grãos deslizam um através do outro durante o movimento de deslizamento. Isto ocorre sob regimes de lubrificação limite e mista, onde as superfícies sólidas estão tão próximas umas das outras que é possível um contato significativo entre as asperezas opostas.

De acordo com W.E. Campbell, “A fricção e o desgaste na lubrificação limite são determinados principalmente pela interação entre os sólidos. As propriedades de fluxo de grande volume do líquido têm pouco papel no desempenho de fricção e desgaste”.

Compressão e Cisalhamento em Plataformas de Carga

A compressão é a função normalmente realizada pela maioria dos componentes de máquinas rotativas. Seja dinâmica ou estática, a carga de compressão transfere as forças do rolo para a esteira ou do eixo para o rolo. É assim que a maioria do trabalho é feito nos tribossistemas de máquinas rotativas.

A compressão forçada é transferida de um elemento sólido para outro através da película lubrificante por um regime de lubrificação hidrostática, hidrodinâmica ou elastohidrodinâmica. Ao operar dentro das condições configuradas, a carga de compressão é passada de um membro para o outro enquanto o filme fluido separa as superfícies de suporte da carga, evitando assim o desgaste e minimizando o atrito e o cisalhamento.

Há vezes na qual a transferência de carga de cisalhamento de interface é normal. Entretanto, em outros sistemas, esse tipo de transferência pode ser um problema sério, levando a uma redução da vida útil dos componentes. Ocorre principalmente em compressores recíprocos, corrediças, deslizamentos, mancais de empuxo e mancais de deslizamento. Novamente, os regimes de lubrificação hidrodinâmica e hidrostática permitem uma longa vida útil através de um limite de separação de componentes permitido pela resistência da película fluida.

Máquinas articuladas e recíprocas são difíceis de monitorar usando a análise tradicional de vibração devido às perpétuas mudanças de direção, velocidade e tempo dos ciclos de operação. Para muitos desses tribossistemas, a análise do óleo deve ser usada sozinha sem o benefício da análise de vibração.

Os suportes e engrenagens são projetados para transferir a compressão através da película fluida. O cisalhamento deve ser efetivamente eliminado pela película fluida para evitar a progressão da falha. A lubrificação inadequada, começando pelo atrito de deslizamento, é o principal fator de cisalhamento interfacial para estes tribosistemas

O uso de aço endurecido em pelo menos um lado de uma superfície é uma prática comum para obter baixo atrito e baixo cisalhamento, assim como tolerância para o cisalhamento interfacial ocasional. A adição de aditivos de extrema pressão ou antidesgaste às superfícies de carga também pode melhorar muito a vida útil dos componentes, reduzir o atrito e diminuir o cisalhamento.

Lubrificação Inadequada

A lubrificação inadequada é um problema muito difundido com muitas causas. Geralmente significa que a resistência da película se quebrou, permitindo o contato de metal com metal. Os problemas mais comuns que levam a uma lubrificação inadequada incluem lubrificação insuficiente, baixa viscosidade, velocidade lenta ou excesso de carga.

Lubrificante insuficiente pode envolver nível de óleo baixo, temperaturas frias, substâncias incompatíveis ou espuma, ou nenhum lubrificante sequer. Um compartimento de óleo vazio tem consequências óbvias. Poços com enchimento inadequado ou vazamentos podem causar a perda de um anel deslizante, um tubo de coleta ou um sistema de lubrificação por gotejamento.

O óleo frio é difícil de bombear e pode não pingar enquanto as viscosidades são elevadas. A mistura de graxa é um problema significativo quando a substância resultante não lubrifica bem. A espuma não transfere calor, e o ar não lubrifica. O óleo quente restante também se deteriora, enverniza e proporciona má lubrificação.

A baixa viscosidade também pode levar a uma lubrificação inadequada. É frequentemente causada por má aplicação (óleo errado), diluição ou uma temperatura elevada. A mudança de viscosidade pode indicar o uso de um lubrificante incorreto ou potencialmente ineficiente. A diluição do óleo lubrificante com substâncias de baixa viscosidade, como combustível ou gás arrastado, pode resultar na queda da viscosidade abaixo do necessário para manter uma lubrificação hidrodinâmica ou elastoidrodinâmica.

Uma mudança de temperatura afetará exponencialmente a viscosidade do lubrificante. Para cada 10 graus Celsius que uma máquina opera acima do normal, é necessário um nível no grau de viscosidade (VG) para manter uma lubrificação adequada.

A lentidão pode ser inevitável. Algumas máquinas hidrodinâmicas lubrificadas usam óleo hidrostático para elevar o eixo enquanto este está subindo de velocidade. Outras máquinas devem simplesmente funcionar rapidamente, e às vezes elas devem mais tarde diminuir a velocidade e parar. É semelhante ao esqui aquático, ao iniciar ou parar uma lancha com o esquiador a reboque. Quando o barco não está em movimento, o esquiador não fica em pé na água. A lentidão acontece, e desta maneira, o regime de lubrificação muda do modo hidrodinâmico ou elastohidrodinâmico para o modo limite e misto. Esta condição temporária pode funcionar por um tempo, mas eventualmente levará a danos à superfície. Os aditivos de pressão extrema funcionam bem em superfícies de aço temperado para minimizar o cisalhamento e evitar o início de deslizamento e desgaste severo.

As cargas de compressão são mantidas pela resistência da película lubrificante. Esta resistência da película é fornecida pelo fluido e pela velocidade da máquina. Enquanto uma carga alta com alta velocidade pode ser aceitável por um certo tempo, assim como uma carga alta com alta viscosidade, a abrasão pode resultar de uma carga alta com uma velocidade lenta.

Da mesma forma, uma carga alta com baixa viscosidade pode levar a um deslizamento severo. Em tribossistemas, há muitas causas de carga excessiva, como o projeto do equipamento, operação, torção, torque, desalinhamento, danos aos componentes, etc.

A lubrificação inadequada dos componentes da máquina em movimento relativo pode gerar atrito de deslizamento, desgaste por fricção, gripagem, impacto e desgaste severo por deslizamento. O atrito por deslizamento e o desgaste por fricção normalmente produzem energia de onda de tensão ultrassônica de banda larga. O desgaste por atrito, impacto e deslizamento severo são eventos de força que produzem fortes ondas de tensão sônica que parecem esmagadoras em comparação com a atividade ultrassônica.

O atrito de deslizamento pode ser um sinal evidente de lubrificação inadequada. Os rolamentos de aço inoxidável são tribossistemas de elementos múltiplos com muitos rolos, duas esteiras e um espaçador. Para a lubrificação elastohidrodinâmica entre os rolos e as esteiras, a espessura de película fluida necessária é de aproximadamente 1 mícron.

Para a lubrificação hidrodinâmica entre os rolos e o espaçamento, a espessura necessária do filme fluído é de aproximadamente 100 mícrons. Portanto, uma lubrificação inadequada aparece primeiro no espaçador. Como a carga entre o rolo e o espaçamento é muito leve, ondas de tensão ultrassônicas podem revelar atrito de deslizamento antes do início do dano físico.

Deslizamento De Contato, Contato Deslizante, Impacto, Cavitação E Turbulência

Os tribossistemas devidamente lubrificados são impulsionados pela potência da película lubrificante. Cargas de compressão estáticas e dinâmicas são transferidas entre componentes adjacentes. As forças de cisalhamento interfaciais se tornam insignificantes por uma película lubrificante de alta resistência.

Sob estas condições, a forma de onda DNA500 reporta uma forte pontuação de aceleração correspondente à dinâmica da máquina, enquanto a pontuação de aceleração DNA12 permanece bem abaixo de 25% da pontuação de aceleração DNA500.

O deslizamento acontece quando duas superfícies entram em contato uma com a outra em velocidades diferentes, sem uma película lubrificante totalmente desenvolvida. Essencialmente, isto significa que não ocorre nenhuma gripagem ou aderência de metal com metal durante o acoplamento. Como resultado, o coeficiente de atrito de deslizamento é baixo (menos de 0,1), o dano superficial é muito leve e pelo menos uma das superfícies é normalmente de aço temperado.

Portanto, há uma gripagem insignificante ou deslizamento severo, embora possam ocorrer fricções e polimentos suaves. Sob estas condições, a pontuação do DNA12 excede intermitentemente 25% da pontuação de aceleração do DNA500.

O contato deslizante e de impacto é uma condição prejudicial resultante de uma lubrificação inadequada sob compressão. As superfícies são goivadas e estriadas. Temperaturas extremamente altas podem manchar, derreter e descolorir detritos de desgaste e materiais de superfície.

Sob estas condições, a pontuação do DNA500 é muito alta, com impactos que duram vários milissegundos. Durante estes intervalos, a pontuação do DNA12 permanece bem abaixo de 25% da pontuação de aceleração do DNA500.

Cavitação, turbulência de fluidos e arco elétrico são fontes ocasionais de vibração ultra-sônica na indústria. A cavitação resulta de bolhas que implodem nas turbinas, provocando ondas de choque ultra-sônicas. A interação fluido-estrutura do vazamento de fluidos pressurizados também pode estimular ondas de estresse ultrassônicas.

Os arcos elétricos, corona e descargas são outro possível instigador de vibrações ultrassônicas. Naturalmente, estas fontes incomuns de vibrações ultrassônicas contribuirão para o DNA12 muito mais do que o DNA500.

O gráfico acima inclui uma forma de onda de vibração não decimada, uma forma de onda DNA500 e uma forma de onda DNA12. Neste exemplo, a carga lubrificada adequadamente é evidente, exceto aos 49,7 a 50,5 milissegundos, quando ocorreu um deslizamento. Durante este intervalo, a pontuação do DNA12 excedeu 25% da pontuação do DNA500.

Isso se deu quando ocorreu um breve ajuste de velocidade. Danos mínimos, se houver, ocorreram durante este intervalo porque foi um desvio e não um impacto ou evento de deslizamento grave, foi provavelmente uma rotação de um elo de corrente.

Medição De Eventos De Força

Como mencionado anteriormente, o DNA500 é uma forma de onda de medição de aceleração de pico a pico. Ele rastreia a aceleração forçada resultante da operação normal e do movimento do material do processo a partir dos impactos dos defeitos e do contato deslizante severo. A análise da transformação rápida de Fourier (FFT) e a análise de correlação da forma de onda DNA500 podem ser úteis para diferenciar eventos periódicos e não periódicos, bem como para combinar frequências de ocorrências com movimentos mecânicos do sistema.

Monitoramento Falhas Adicionais, Cobertura De Mais Equipamentos

A decimação inteligente pode ampliar a variedade de falhas detectadas e expandir os tipos de máquinas monitoradas. A análise de vibração tradicional revela problemas associados a acionamentos por correia, eixos dobrados, cavitação, defeitos nas engrenagens, folga, desalinhamento, ressonância, pé macio e desequilíbrio.

A análise do óleo identifica problemas relacionados à composição química do lubrificante, contaminação do sistema e desgaste dos componentes. Com decimação inteligente, fricção, falhas graves de deslizamento e atrito de deslizamento podem ser detectadas durante o monitoramento de máquinas articuladas, recíprocas e de baixa velocidade.

A decimação inteligente também pode ser fácil de implementar. Com computação simples, baixa potência e requisitos de largura de banda estreita, é adequado para sensores sem fio de longa vida útil, operados a pilhas. Estes sensores podem ser facilmente montados e automaticamente conectados e configurados em nuvens. Isto permite que qualquer computador ou dispositivo móvel conectado à Internet se torne uma interface de monitoramento e análise para especialistas em confiabilidade a qualquer momento ou lugar.

A instalação I-DNA mostrada acima detectou as seguintes condições operacionais: picos de vibração do eixo intermediário e bandas laterais; possíveis falhas no espaçamento para rolamentos do eixo intermediário; e vibração intermitente, fortemente modulada. Como mostrado neste exemplo, a decimação inteligente é capaz de monitorar máquinas de baixa velocidade, detectando frequências de ocorrência para contatos de alta frequência, de metal com metal.

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Por Noria Corporation. Traduzido pela equipe técnica da Noria Brasil.