Em trabalhos de manuteno preditiva, ums dos problemas maiores so a deteco de uma anormalia e a avaliao da gravidade desta em relao necessidade de planejamento de uma parada do equipamento

A Elaborao de Nveis de Alarmes Globais, de Bandas de Frequncias e Mscaras Espectrais de Bandas Estreitas base de Tratamento Estatstico para modernos programas de Manuteno Preditiva por Anlise de Vibraes

Autor: ENG. B. LASSE HANSEN. (VITEK CONSULTORIA)

Palestra apresentada no: Congresso de Gesto e Tcnicas Preditivas na Manuteno 1998O presente arquivo pode ser obtido nos sites:

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Em trabalhos de manuteno preditiva por anlise de vibraes, os maiores problemas encontrados referem-se deteco de uma anomalia e a avaliao da gravidade desta em relao necessidade de planejamento de uma parada programada do equipamento.

Em funo destas necessidades, tem-se, em cada poca da evoluo tcnica da manuteno preditiva, trabalhado tanto as formas de detectar anomalias, como as bases de avaliao dos dados medidos.

Este trabalho visa mostrar a evoluo dos mtodos de deteco e as diversas formas hoje existentes de aperfeioar a deteco e a avaliao da gravidade de um determinado defeito em relao necessidade de interveno no equipamento.

Normas e padres, um breve histrico e uma alerta

Os trabalhos de manuteno preditiva iniciaram-se 15 a 20 anos atrs, base de normas internacionalmente estabelecidas e aceitas, tais como DIN 7090 e ISO 2372, hoje substituda pela ISO 10816 partes 1-6. Estas normas operam base de nveis vibracionais globais, dividindo as amplitudes aceitveis por grupos de mquinas. Estas divises so feitas em funo da potncia da mquina, o tipo de base e, eventualmente, a rotao do eixo. Em alguns casos tem-se visto um grau de refinamento maior do agrupamento envolvendo tambm o tipo de equipamento e, s vezes, a altura deste. Esta ltima forma, porm, ainda no chegou a ser incorporada em normas internacionalmente reconhecidas.

Porm, em mquinas onde, por exemplo, o componente espectral de 1 x RPM domina o espectro, a presena de um defeito que no diretamente ligado ao nvel de vibrao deste componente em muitos casos no afeta o nvel global. Isto significa que muitos equipamentos podem apresentar defeitos graves, sem ao mesmo tempo se manifestarem com nveis suficientemente altos para assim chamar a ateno do pessoal de manuteno.

O acompanhamento pelo nvel global obviamente uma forma simples e barata de avaliar equipamentos, porm, esta forma simplista de anlise afeta a confiabilidade do trabalho de manuteno preditiva, e assim o uso deste mtodo para avaliar a condio de equipamentos deve ser avaliado criteriosamente, apenas empregando-o em equipamentos perifricos, sem importncia. Em tais equipamentos, apenas pode-se justificar o uso do nvel global caso avalie-se tanto a velocidade quanto a acelerao vibracional global em cada ponto de medio. O uso do nvel global hoje, como mtodo de avaliao da condio de equipamentos de importncia de uma planta, deve ser severamente condenado.

Pelo acompanhamento do nvel global, um equipamento que no est em condies normais pode ser julgado como normal, enquanto um equipamento em condies normais s vezes ser julgado como problemtico, o que tem levado, em certas circunstncias, a manuteno preditiva ao descrdito.

Existe um variante deste mtodo de trabalho, onde os nveis globais dos equipamentos so medidos, e dependendo destes nveis, sero feitas coletas de espectros ou no. Os espectros das mquinas alarmadas so analisados avaliando os defeitos que as levaram ao alarme. Novamente este mtodo uma forma de baratear o acompanhamento das mquinas por envolver muito menos tempo de analista. Porm, este mtodo deve ser empregado com bastante cuidado, apenas envolvendo equipamentos secundrios, que no prejudiquem o processo produtivo alm de outros fatores importantes, tais como a integridade dos equipamentos, a segurana e o meio ambiente. Hoje em dia existe uma forte tendncia voltada para a ampla utilizao deste mtodo pelo seu baixo custo. Isto pode ser desastroso para o futuro da manuteno preditiva e para as empresas que optem pelo mais barato, menos confivel.

Alarmes por Bandas de Frequncia

O mtodo hoje aprovado entre especialistas e tcnicos de manuteno preditiva como a maneira mais ampla de detectar problemas potencialmente srios em mquinas, o mtodo de Alarmes por Bandas de Frequncias Espectrais, que pode detectar at 100 % dos defeitos ocorrendo em um grupo de mquinas durante um determinado tempo. Isto conseguido quando tais bandas so especificadas de forma apropriada e com nveis de aceitao adequados. Hoje utiliza-se normalmente at 12 bandas de frequncias para descrever o comportamento vibracional de uma mquina. Determinar como utilizar estas 12 bandas de forma adequada obviamente um trabalho de especialista, onde cada ponto de medio pode ser avaliado de forma diferente, dependendo do tipo de mquina, o RPM do ponto de medio, os tipos de mancais envolvidos, o sentido da medio, horizontal, vertical ou axial etc. Um conjunto de parmetros de anlise de um motor de induo com mancais de rolamentos podem envolver os seguintes parmetros:

DescrioFaixa de FrequnciaGrandeza Medida

Nvel Global0 - Limite do instrumentoVelocidade

Sub - Harmnico0.30-0.80xRPMVelocidade

1 X RPM0.80 - 1.50xRPMVelocidade

2 X RPM1.50 - 2.50xRPMVelocidade

3 - 5 X RPM2.50 - 5.50xRPMVelocidade

6 -10 X RPM5.50 - 10.50xRPMVelocidade

11-25 X RPM10.50 - 25.50xRPMVelocidade

Freq.Nat.ROL.1800.0 - 2500.0 HzAcelerao

Freq.Nat.ROL.22500.0 - 5000.0 HzAcelerao

Cond. Rolamento> 5.0 kHzAcelerao

120 HZ119.9 - 125.0 HzVelocidade

240 HZ239.9 - 245.0 HzVelocidade

360 HZ359.9 - 365.0 HzVelocidade

Tabela 1Para uma bomba com mancais de rolamentos e ventoinha com 6 ps, os parmetros de anlise podiam ser os seguintes:

DescrioFaixa de FrequnciaGrandeza Medida

Nvel Global0 - Limite do instrumentovelocidade

Sub - Harmnico0.30-0.80xRPMvelocidade

1 X RPM0.80 - 1.50xRPMvelocidade

2 X RPM1.50 - 2.50xRPMvelocidade

3 - 5 X RPM2.50 - 5.50xRPMvelocidade

6 -10 X RPM5.50 - 10.50xRPMvelocidade

11-25 X RPM10.50 - 25.50xRPMvelocidade

Freq.Nat.ROL.1800.0 - 2500.0 Hzacelerao

Freq.Nat.ROL.22500.0 - 5000.0 Hzacelerao

Cond. Rolamento> 5.0 kHzacelerao

Freq. Passagem Ps5.50 - 6.50xRPMvelocidade

Tabela 2Para o eixo de entrada de um redutor com mancais de casquilho e 19 dentes no pinho, os parmetros de anlise podiam ser os seguintes:

DescrioFaixa de FrequnciaGrandeza Medida

Nvel Global0 - Limite do instrumentovelocidade

Sub - Harmnico0.30-0.80xRPMvelocidade

1 X RPM0.80 - 1.50xRPMvelocidade

2 X RPM1.50 - 2.50xRPMvelocidade

3 - 5 X RPM2.50 - 5.50xRPMvelocidade

6 -10 X RPM5.50 - 10.50xRPMvelocidade

11-25 X RPM10.50 - 25.50xRPMvelocidade

Freq. Engrenam.15.5 - 23.50xRPMvelocidade

2 x Freq. Engrenam.32.5 - 44.50xRPMvelocidade

3 x Freq. Engrenam.49.5 - 65xRPMvelocidade

Tabela 3Observa-se que cada conjunto de parmetros dividido em 2 ou 3 partes. A primeira parte englobam os 7 primeiros parmetros, que descrevem basicamente o comportamento do sistema do rotor. Para equipamentos equipados com mancais de rolamentos, 3 parmetros observam caractersticas especificamente ligadas a estes componentes. Finalmente at 3 parmetros so dedicados ao comportamento vibracional do tipo de equipamento em particular.

ParmetroDescrio

EMBED PBrush

Tabela 4 e 5

A tabela 4 mostra a existncia de limites de alarme para cada faixa de rotao do eixo do engrenamento. A tabela 5 mostra os nveis de alarme de cada banda de frequncia do parmetro 159, Engrenamento - 1200 RPM, Rolamento, para os limites de Risco (Fault - D) e Alerta (Alert - C). Estes limites foram introduzidos base da experincia do analista.

Refinamento dos nveis de alarme dos parmetros de anlise base de um tratamento estatstico.

Os limites determinados pelo analista base de sua experincia permitem acompanhamento e avaliao das mquinas de forma mais criteriosa quele feito a base do nvel global. Observa-se, no entanto, que a experincia do analista no corresponde exatamente maneira que as mquinas se comportam na realidade, o que causa um nmero inaceitvel de alarmes falsos ou, pior ainda, eventuais quebras de mquinas, sem alarme prvio. Isto significa, na maioria das vezes, que os nveis adotados para as faixas escolhidas no correspondem s necessidades requeridas.

Na medida que se obtm dados reais de um maior nmero de mquinas em condies diversas, pode-se fazer um refino dos nveis dos parmetros base de um tratamento estatstico para assim torn-los mais efetivos.

Este tratamento estatstico se baseia na premissa de que a distribuio dos dados medidos assemelham-se distribuio normal ou gaussiana que ocorre quando o nmero de amostras seja grande o suficiente.

Abaixo observa-se dois conjuntos de limites. O primeiro o original, genrico, adotado para motores de induo de 1800 RPM do Grupo 2. O outro limite se refere a um motor de induo de 1800 RPM do Grupo 2 montado verticalmente em uma bomba com 6 ps. Estes limites so de um ponto radial do mancal superior do motor, aproximadamente 1,5 metros acima da base de concreto. Os valores foram obtidos a partir de 250-500 leituras espectrais de 10 bombas de uma mesma fbrica operando um mesmo processo durante um perodo de aproximadamente 12 meses.

DescrioFaixa de FrequnciaAlerta *)Risco *)Alerta **)Risco **)

Nvel Global0 - Limite do instrumento3.57.13.5758.615

Sub - Harmnico0.30-0.80xRPM0.831.70.4290.8

1 X RPM0.80 - 1.50xRPM3.36.63.3148.374

2 X RPM1.50 - 2.50xRPM2.14.10.4981.437

3 - 5 X RPM2.50 - 5.50xRPM1.22.50.5540.895

6 -10 X RPM5.50 - 10.50xRPM1.22.51.0423.226

11-25 X RPM10.50 - 25.50xRPM0.911.70.2150.404

Freq.Nat.ROL.1800.0 - 2500.0 Hz0.621.70.3370.614

Freq.Nat.ROL.22500.0 - 5000.0 Hz0.431.20.0520.097

Cond. Rolamento> 5.0 kHz0.43.60.0270.064

120 HZ119.9 - 125.0 Hz0.34.00.1390.217

240 HZ239.9 - 245.0 Hz0.33.00.0730.195

360 HZ359.9 - 365.0 Hz0.33.00.0230.082

Tabela 6 Nveis de aceitao por bandas de frequncias de um motor de induo. *) genrico **) especfico a base de tratamento estatstico.Como se pode observar na tabela 6, a maioria dos nveis obtidos base do tratamento estatstico de leituras reais, so inferiores em relao aos nveis genricos. Isto porm no o caso do nvel global, do nvel de 1 x RPM e do nvel de 6-10 x RPM. Estes parmetros so especificamente solicitados em uma bomba vertical de 6 ps, e assim eles se mantiveram quanto aos nveis de alerta, enquanto os nveis de risco aumentaram.

abFig. 01 Exemplos de espectros com bandas de frequncias superpostas. a) Limite original. b) Limite modificado base de tratamento estatstico. Ambos os limites so de alerta.

abFig. 02 Exemplos de espectros com bandas de frequncias superpostas. a) Limite original. b) Limite modificado base de tratamento estatstico. Ambos os limites so de risco.

abFig. 03 Exemplos de tendncias da banda de frequncia de 1 x RPM. a) Com os limites originais. b) Com os limites modificados base de tratamento estatstico.

Fig. 04 Exemplos de tendncias da banda de frequncia de 6-10 x RPM. a) Com os limites originais. b) Com os limites modificados base de tratamento estatstico.

A escolha dos nveis de Alerta e Risco dos dados estatsticos foi feita base dos limites de confiana de 80% e 95% que correspondem 1,3 e 2 desvios padres, (, para uma distribuio gaussiana.

Abaixo pode-se observar os grficos da densidade probabilstica e a distribuio cumulativa das seguintes faixas espectrais: Nvel Global, 1 x RPM e 6-10 x RPM.

Fig. 05 Densidade probabilstica e distribuio cumulativa do Nvel Global.

Fig. 06 Densidade probabilstica e distribuio cumulativa da faixa espectral de 1 x RPM.

Fig. 07 Densidade probabilstica e distribuio cumulativa da faixa espectral de 6-10 x RPM.

As figuras 05 a 07 mostram que mesmo usando 250-500 dados espectrais, as distribuies no so perfeitamente gaussianas, devido pequena quantidade de equipamentos tomados na amostragem. Mesmo assim, as amplitudes identificadas pelo tratamento estatstico so mais confiveis na avaliao destas mquinas e mquinas similares em relao utilizao dos nveis genricos, desenvolvidos pelo analista.

Mscaras de Espectros de Banda Estreita.

O fato de existirem dados histricos de espectros vibracionais pode fornecer uma viso compreensiva sobre como esta uma mquina se comporta ao longo do tempo. Os espectros coletados da mquina informam muito mais sobre ela do que um nico espectro de referncia (baseline), visto que este ltimo apenas representa uma situao nica da mquina. Construindo-se um espectro de referncia ou uma mscara base de tratamento estatstico, as variabilidades temporais de comportamento da mquina podem ser incorporadas neste, podendo assim indicar quais nveis podem ser esperados e a varincia de cada pico espectral.

Fig. 08 Grfico mostrando os diversos dados estatsticos de cada componente espectral.

abFig. 09 Espectros com mscaras de nveis superpostas. a) Mscara de banda estreita criada base da mdia mais 1,3 sigma que corresponde 80 % em cima de um espectro composto. b) Mscara de bandas de frequncias do nvel de alerta (a base de 80%) em cima de um espectro normal de medio.

abFig. 10 Espectros com mscaras de nveis superpostas. a) Mscara de banda estreita criada a base da mdia mais 4,5 sigma que corresponde 99,9999 % em cima de um espectro composto. b) Mscara de bandas de frequncias do nvel de risco (a base de 95%, 2 sigma) em cima de um espectro normal de medio.

abFig. 11 Espectros com mscaras de nveis superpostas. a) Mscara de bandas estreitas criada a base da mdia mais 3 sigma que corresponde 99,7 % da populao encima de um espectro composto. b) Esta mesma mscara de bandas estreitas de frequncias em cima de um espectro normal de medio.

As figuras 09 a 11 mostram que para a criao de uma mscara de bandas estreitas adequada, deve-se utilizar do valor mdio acrescido de 3 desvios padres para obter uma mscara, que no promova alarmes falsos, sem ao mesmo tempo deixar de alarmar quando exista um defeito que requeira anlise do analista, assim avisando-o de modo automtico. Desta maneira o trabalho do analista seria concentrado na anlise do defeito que est causando penetrao das mscaras.

Limitaes ao Tratamento Estatstico

Utilizando espectros normais de vibraes existem limitaes ao que pode ser detectado. O tratamento estatstico no elimina esta limitao. Em redutores por exemplo, a existncia de um defeito em um dente, uma trinca, no detectvel utilizando espectros normais. Para detectar este tipo de defeito temos que utilizar outros meios de medio, tais como a forma de onda obtida por mdias sncronas ou uma nova tecnologia chamada peakvue, que reala este tipo de defeito, permitindo a sua deteco por via do espectro. Obtendo-se assim um espectro que represente este defeito, os mtodos estatsticos acima mencionados podero ser aplicados efetivamente.

Concluso

O tratamento estatstico dos dados vibracionais permite uma diviso das mquinas base dos seguintes parmetros:

a. Tipos de conjuntos de mquinas

b. Carga

c. Direes (sentidos de medio),

d. Altura do ponto de medio

e. Tipo de Base (Rgida ou flexvel), etc

A partir de uma amostragem de leituras espectrais que possam caracterizar efetivamente a populao de mquinas em anlise possvel estabelecer novos limites para os parmetros de vibrao adotados, arbitrando o nvel de confiabilidade desejado para tal conjunto de mquinas. Isto significa uma mudana sensvel na forma de anlise e confiabilidade da mesma, uma vez que os equipamentos, em um primeiro estgio monitorados a partir de limites genricos, passam a ser avaliados a partir de nveis vibracionais particulares e intrnsecos ao mesmo.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS:

1)

PROVEN METHOD FOR SPECIFYING BOTH 6 SPECTRAL ALARM BANDS AS WELL AS NARROWBAND ALARM ENVELOPES USING TODAYS PREDICTIVE MAINTENANCE SOFTWARE SYSTEMS (3 rd Edition)

By: James E. Berry, P.E.

Vice-President, Analytical Group

Technical Associates of Charlotte, Inc.

Charlotte, NC

CSI 1995 USER CONFERENCE

TECHNICAL PRESENTATIONS

2)

OPTIMIZING, ROUTINE MACHINERY DIAGNOSTICS USING AUTOSTAT

Mark Slemp

Applications Enginer

Computaitonal Systems, Inc.

RELIABILITY WEEK 1997

Technical Presentations

3)

HOW TO AND HOW NOT TO CREATE MEANINGFUL NARROWBAND SPECTRAL ALARM ENVELOPES

Analysis III - Introduction to Special Vibraton Diagnostic Techniques and How to Analyze low, high and Variable speed Machines

By Mr. James E. Berry, P.E.

Vice-President, Analytical Group

Technical Associates of Charlotte, Inc.

Charlotte, NC

4)

PROVEN METHOD FOR SPECIFYING SPECTRAL BAND ALARM LEVELS AND FREQUENCIES USING TODAYS PREDICTIVE MAINTENANCE SOFTWARE SYSTEMS

By James E. Berry, P.E.

Vice-President, Analytical Group

Technical Associates of Charlotte, Inc.

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ADVANCED ENGINEERING MATHEMATICS

By Erwin Kreyszig

Prof. of Mathematics

Ohio State University

Columbus, Ohio

6)

THE VIBRATION MONITORING HANDBOOK

Author: Charles W. Reeves

1998

7)

AUTOSTAT - CSI

Automated Statistical Limits

Manual de Usurio

8)

MASTERTREND FOR WINDOWS

Software for Reliability Based Maintenance

Volume 2

Manual de Usurio

9)

THE SIMPLIFIED HANDBOOK OF VIBRATION ANALYSIS

Volume 2: Applied Vibration Analysis

By Arthur R. Crawford and Steve Crawford

Este artigo reproduz palestra do Eng. B. Lasse Hansen, da Vitek Consultoria, realizada no

Congresso de Gesto e Tcnicas Preditivas na Manuteno, realizado no CREA em 1998

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