A análise de vibrações mecânicas é hoje uma técnica bastante desenvolvida, entretanto, métodos convencionais apresentam limitações. Com o surgimento da medição de vibrações por imagens, o potencial de desenvolvimento de soluções de engenharia aumentou consideravelmente. 

A utilização de sistemas de análise de vibrações não só reduz os custos de manutenção, mas também faz com que técnicos e engenheiros melhorem seus conhecimentos e, automaticamente, passem a definir que melhorias devem ser introduzidas nas máquinas de modo que estas se tornem de alta confiabilidade e robustez ao desgaste. Continue a leitura e conheça mais sobre a metodologia.

Estudo de Vibrações

O estudo das vibrações é de fundamental importância para a engenharia moderna, pois através da sua utilização em máquinas e equipamentos é possível conhecê-los, melhorá-los e obter ganhos substanciais em qualidade, produtividade e desenvolvimento. 

Quando um novo equipamento é colocado em funcionamento, espera-se que ele tenha uma vida longa e apresente a menor quantidade de não conformidades possível. Contudo, deficiências de projeto, erros de especificação, fabricação, transporte, instalação, condições, operação e manutenção podem tornar equipamentos e instalações pouco confiáveis. 

Geralmente os defeitos mecânicos oriundos do funcionamento de um equipamento possuem bandas de frequências específicas no espectro as quais são relacionadas com determinadas falhas. Essas bandas são parâmetros múltiplos e submúltiplos da rotação de operação, ou excitação, do equipamento. Na Figura 1 é apresentado um espectro de vibração, com as divisões em bandas de frequências.

Figura 1: Exemplo de espectro de frequências – FONTE: BERRY, James E. – 1997.

Pela Figura 1, observa-se que normalmente as frequências características de falhas mecânicas se relacionam com os defeitos da seguinte forma:

1. 1. 1 x RPM = Desbalanceamento;

1. 1. 2 x RPM = Desalinhamento;

1. 1. 1, 2, 3, 4 e 5 x RPM = Folgas mecânicas;

1. 1. 0,5 x RPM = Atrito excessivo entre.

Importante destacar que a maioria dos sistemas de medição de vibrações mecânicas utilizam acelerômetros que possuem um desempenho adequado em uma ampla faixa de frequências.

Apesar de atenderem a uma enorme gama de situações, acelerômetros normalmente apresentam desempenho marginal para frequências abaixo de 2 Hertz ou 120 CPM devido à grande quantidade de ruídos gerados pela Transformada Rápida de Fourier (FFT). 

Infelizmente, grande parte dos problemas relacionados a ressonância nos sistemas mecânicos, problemas de fixação em bases e instabilidade estruturais são problemas que se manifestam em baixas frequências, normalmente abaixo de 2 Hz. Desse modo, a correta caracterização desses fenômenos era incerta e muitas vezes incorreta, o que gerava dispendiosos custos em reparos que não eram assertivos.

Análise ODS

Segundo SCHWARZ e RICHARDSON (1999), de forma geral, o ODS (Operational deflection shapes) é definido como a deflexão de uma estrutura em uma determinada frequência. No entanto, um ODS pode ser definido de forma mais geral como qualquer movimento forçado de dois ou mais pontos em uma estrutura. Dessa maneira, o movimento de dois ou mais pontos define uma forma. Sendo assim, uma forma é o movimento de um ponto em relação a todos os outros. Portanto, o movimento é uma quantidade vetorial, o que significa que tem localização e direção associadas a ele. Isso é definido como Grau de liberdade ou GDL. Os seis GDLs que descrevem o comportamento de movimento de um objeto podem ser vistos na Figura 2.

Figura 2: Os seis graus de liberdade (GDL) que descrevem o comportamento de movimento de um objeto – FONTE: ZENG, 2012.

De acordo com RICHARDSON (1997), um ODS pode ser definido a partir de qualquer movimento forçado, seja em um momento no tempo ou em uma frequência específica. 

Portanto, um ODS pode ser obtido a partir de diferentes tipos de respostas no domínio do tempo, sejam elas aleatórias, impulsivas ou sinusoidais. Um ODS também pode ser obtido a partir de muitos tipos diferentes de medições de domínio de frequência, incluindo espectros lineares (FFTs), espectros de potência cruzada e automática, FRFs (Frequency Response Function – Funções de Resposta de Frequência), transmissibilidades e um tipo especial de medição chamado de ODS FRF.

Conforme GANERIWALA, SCHWARZ e RICHARDSON (2009), de forma geral um ODS é definido com um valor de magnitude e fase para cada GDL que é medido em uma máquina ou estrutura. Tal metodologia requer que todas as respostas sejam medidas simultaneamente ou que sejam medidas em condições que garantam suas magnitudes e fases corretas em relação umas às outras. A medição simultânea requer um sistema de aquisição multicanal que possa adquirir simultaneamente todas as respostas. E é justamente aí que a solução através do tratamento por imagem que a Kot utiliza se destaca.

Medição de vibrações por tratamento de imagem

Uma das opções mais promissoras para solucionar a medição de baixa frequência e a medição multicanal é a realização dos ensaios de vibrações por câmera de alta velocidade, sistema no qual são gerados pequenos filmes que medem o deslocamento real da estrutura. Esses filmes são tratados por softwares específicos e têm como resultado final as formas de onda, os espectros de vibrações e os vídeos amplificados.

Os sistemas de medição de vibração por imagem são compostos por:

• • Câmera de alta velocidade para aquisição das imagens;

• • Lentes para a câmera;

• • Sistema de iluminação e suporte;

• • Computador para aquisição e posterior tratamento dos filmes.

Com esse sistema pode-se mensurar os deslocamentos das estruturas e as formas de onda geradas em determinados pontos conforme os carregamentos aplicados. 

Utilizando-se a câmera é possível fazer a medição de diversos pontos de forma simultânea, desde que eles estejam enquadrados na mesma imagem, dispensando a necessidade de interpolação de valores. Além disso, não é necessário parar o equipamento para instalação de sensores e a medição é feita a uma distância segura do ativo.

Um caso de aplicação da câmera pela Kot pode ser visualizado no Gif 1 a seguir.

Gif 1: Medição de vibração em tanque com câmera de amplificação de movimento – FONTE: Acervo Kot.

Por fim, como todo sistema de análise de vibrações, a análise dos dados é de fundamental importância e extremamente dependente da qualificação da equipe de analistas de vibrações. Uma solução adequada ao problema somente será possível com uma equipe treinada e capacitada. Se sua empresa tem alguma necessidade de análise de vibrações, consulte nossa equipe para mais informações!

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FAQ

1. Por que os acelerômetros convencionais apresentam limitações em baixas frequências?

Acelerômetros possuem excelente desempenho em uma ampla faixa de frequências operacionais. No entanto, em frequências abaixo de 2 Hz (120 CPM), o processo de dupla integração matemática e a Transformada Rápida de Fourier (FFT) geram altos níveis de ruído de sinal. Como muitos problemas graves de ressonância, falhas de fixação em bases e instabilidades estruturais ocorrem justamente nessa faixa de baixa frequência, a caracterização por sensores de contato convencionais costuma ser imprecisa, podendo levar a reparos dispendiosos e ineficazes.

2. Quais são as frequências características associadas aos principais defeitos mecânicos?

No diagnóstico preditivo tradicional, os picos e bandas no espectro de frequências relacionam-se com a rotação de operação (RPM) do equipamento:

Múltiplo da Rotação (RPM)	Defeito Mecânico Associado
1 x RPM	Desbalanceamento de massa
2 x RPM	Desalinhamento entre eixos ou acoplamentos
1x, 2x, 3x, 4x, 5 x RPM	Folgas mecânicas estruturais ou de mancais
0,5 x RPM	Atrito excessivo e folgas severas em componentes rotativos

3. O que é a Análise ODS (Operational Deflection Shapes) e por que ela é importante?

A ODS descreve a forma do movimento forçado de uma estrutura em uma determinada frequência ou instante de tempo. Diferente da análise modal pura, a ODS mostra como a máquina realmente se deforma durante a operação real. A medição requer a avaliação de módulo e fase ao longo de múltiplos Graus de Liberdade (GDL) — cobrindo translações e rotações nos eixos X, Y e Z.

4. Como funciona a medição de vibração por câmera de alta velocidade?

O sistema grava pequenos vídeos do equipamento operando sob iluminação controlada. Softwares especializados analisam o deslocamento dos pixels quadro a quadro, calculando os vetores de movimento com altíssima resolução. A partir dessa análise, o software gera:

• Formas de onda de deslocamento no tempo;

• Espectros de frequência detalhados;

• Vídeos com movimento amplificado (Motion Amplification), permitindo visualizar a olho nu vibrações microscópicas e deformações da estrutura.

5. Quais são as principais vantagens da medição de vibração por imagem em relação aos sensores físicos?

• Medição de baixa frequência: Captura deslocamentos reais e contínuos mesmo abaixo de 2 Hz sem o ruído inerente aos acelerômetros;

• Aquisição multicanal instantânea: Mede simultaneamente centenas de pontos enquadrados no mesmo campo de visão, eliminando a necessidade de intercalar sensores ou fazer interpolações de fase;

• Zero interrupção na produção: Não exige parar o equipamento para colar ou parafusar acelerômetros e cabos;

• Segurança operacional: As filmagens são feitas a uma distância segura de ativos aquecidos, móveis ou de alto risco.

6. Quais elementos compõem um sistema completo de medição de vibração por imagem?

A solução técnica é formada por quatro componentes principais:

1. Câmera de alta velocidade: Com sensor de altíssima taxa de quadros por segundo (FPS);

2. Lentes ópticas de precisão: Adequadas para o campo de visão e profundidade desejados;

3. Iluminação de alta intensidade e suportes antivibração: Para garantir nitidez e estabilidade da gravação;

4. Computador e software de pós-processamento: Para extração de dados numéricos, espectros e renderização dos vídeos amplificados.

Referências

BERRY, James E. Analysis I: How to Implement An Effective Condition Monitoring Program using Vibration Analysis. Technical Associates of Charlotte, PC, 1997.

SCHWARZ, Brian J.; RICHARDSON, Mark H. Introduction to operating deflection shapes. CSI Reliability Week, v. 10, p. 121-126, 1999.

ZENG, Hansong. Bio-Inspired Inertial Sensors for Human Body Motion Measurement. 2012. Tese de Doutorado. The Ohio State University.

RICHARDSON, Mark H. et al. Is it a mode shape, or an operating deflection shape?. Sound and Vibration, v. 31, n. 1, p. 54-67, 1997.

ASNAASHARI, Erfan; SINHA, Jyoti K. Operational deflection shape for crack detection in structures. In: Key Engineering Materials. Trans Tech Publications Ltd, 2013. p. 1085-1092.

GANERIWALA, Surendra N.; SCHWARZ, Brian; RICHARDSON, Mark H. Operating deflection shapes detect unbalance in rotating equipment. Sound and Vibration, v. 43, n. 5, p. 11-13, 2009.