Mechanical vibration analysis is now a highly developed technique, but conventional methods have their limitations. With the advent of image-based vibration measurement, the potential for developing engineering solutions has increased considerably. 

A utilização de sistemas de análise de vibrações não apenas reduz os custos de manutenção, como 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.

 

Vibration Study

The study of vibrations is of fundamental importance to modern engineering, because through their use in machinery and equipment it is possible to understand them, improve them and obtain substantial gains in quality, productivity and development. 

When new equipment is put into operation, it is expected to have a long life and to have as few non-conformities as possible. However, deficiencies in design, specification errors, manufacturing, transportation, installation, condition, operation and maintenance can make equipment and installations unreliable. 

Além disso, em geral, 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.

 

 

Figure 1: Example of a frequency spectrum - SOURCE: BERRY, James E. - 1997.

 

Conforme apresentado na 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 = Unbalance;

1. 1. 2 x RPM = Misalignment;

1. 1. 1, 2, 3, 4 and 5 x RPM = Mechanical clearances;

1. 1. 0.5 x RPM = Excessive friction between.

Ademais, é 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.

Embora atendam 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). 

Unfortunately, most of the problems related to resonance in mechanical systems, problems with fixing bases and structural instability are problems that manifest themselves at low frequencies, usually below 2 Hz. As a result, the correct characterization of these phenomena was uncertain and often incorrect, which led to expensive repairs that were unreliable.

 

SDG analysis

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. Assim, o movimento de dois ou mais pontos define uma forma. Por sua vez, 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.

 

Figure 2: The six degrees of freedom (GDL) that describe the movement behavior of an object - SOURCE: ZENG, 2012.

 

According to RICHARDSON (1997), an ODS can be defined as any forced movement, either at a moment in time or at a specific frequency. 

Dessa forma, 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 nesse contexto que a solução através do tratamento por imagem que a Kot utiliza se destaca.

 

Vibration measurement by image processing

One of the most promising options for solving low-frequency and multi-channel measurement is high-speed camera vibration testing, a system in which small films are generated that measure the actual displacement of the structure. These films are processed by specific software and the end result is waveforms, vibration spectra and amplified videos.

Image vibration measurement systems consist of:

• • High-speed camera for image acquisition;

• • Lenses for the camera;

• • Lighting system and support;

• • Computer for film acquisition and subsequent processing.

With this system, you can measure the displacements of structures and the waveforms generated at certain points according to the loads applied. 

Using the camera, it is possible to measure several points simultaneously, as long as they are framed in the same image, eliminating the need to interpolate values. In addition, there is no need to stop the equipment to install sensors and the measurement is made at a safe distance from the asset.

A case of Kot's use of the camera can be seen in Gif 1 below.

 

 

Gif 1: Measuring vibration in a tank with a motion amplification camera - SOURCE: Kot Collection.

 

Finally, like any vibration analysis system, data analysis is of fundamental importance and extremely dependent on the qualifications of the team of vibration analysts. An adequate solution to the problem will only be possible with a trained and qualified team. If your company has any vibration analysis needs, contact our team for more information!

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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.

 

References

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. Doctoral dissertation. 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.