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ENSAIOS DE VIBRAÇÕESENSAIO DE VIBRAÇÕESLucas Nunes Renato Andrade Vinícius AntunesProfessor Jean De PaolaENGENHARIA MECATRÔNICA 5º SEMESTRE – 2009Engenharia Mecatrônica 5º Semestre - 20091ENSAIOS DE VIBRAÇÕESÍNDICEINTRODUÇÃO ........................................................................................................................................ 3 HISTÓRIA ..............................................................................................................

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ENSAIOS DE VIBRAES

ENSAIO DE VIBRAESLucas Nunes Renato Andrade Vincius Antunes

Professor Jean De Paola

ENGENHARIA MECATRNICA 5 SEMESTRE 2009

Engenharia Mecatrnica 5 Semestre - 2009

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ENSAIOS DE VIBRAES

NDICEINTRODUO ........................................................................................................................................ 3 HISTRIA ............................................................................................................................................... 4 O QUE VIBRAO ................................................................................................................................ 6 PORQUE FAZER UM ENSAIO DE VIBRAES........................................................................................... 7 INSTRUMENTOS E COMO FEITO O ENSAIO .......................................................................................... 8 INSTRUMENTOS ............................................................................................................................................ 8 COMO FEITO O ENSAIO .............................................................................................................................. 10 LIMITES RECOMENDADOS (ISO-10816-6)...................................................................................................... 13 MANUTENO ..................................................................................................................................... 16 MANUTENO PREVENTIVA ......................................................................................................................... 16 MANUTENO CORRETIVA ........................................................................................................................... 16 MANUTENO PREDITIVA ............................................................................................................................ 17 COMPARAO COM OUTROS ENSAIOS ............................................................................................... 17 CUSTOS ................................................................................................................................................ 18 EQUIPAMENTOS ......................................................................................................................................... 18 TREINAMENTO ........................................................................................................................................... 18 TERCEIRIZAO .......................................................................................................................................... 19 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................................... 20

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IntroduoO emprego da anlise de vibrao, uma das ferramentas fundamentais para monitoramento da condio, vem sendo desenvolvido extensivamente por um perodo de aproximadamente 35 anos. Com o desenvolvimento paralelo de equipamentos eletrnicos, transdutores, computadores e softwares, a superviso de mquinas, hoje em dia, praticamente automtica. Atualmente os gerentes de fbricas tm enfrentado problemas gerais, tais como maior disponibilidade de mquinas, reduo de mo-de-obra e problemas diversos inerentes a qualquer unidade produtiva. Com isso a busca de ferramentas que possibilitem esses fatos tornou-se intensa, uma destas alternativas o acompanhamento preditivo, tambm conhecido por Manuteno por Condio ou Manuteno Preditiva. A anlise de vibraes dentre as ferramentas do controle preditivo, a que apresenta o melhor custo / benefcio. Ela fornece dados para que possamos prolongar a vida do equipamento com informaes obtidas durante a vida do mesmo, eliminando desvios e problemas de montagens que reduzem significativamente a vida til dos equipamentos.

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HISTRIANascida a partir de uma necessidade da manuteno, a Anlise de Vibraes caminha junto com a modernidade, como uma tcnica eficaz no monitoramento de mquinas. De 1969 at meados de 1970 empregavam-se mtodos simples, juntamente com uma observao cuidadosa do comportamento da mquina e, na maioria das vezes, reforado com manutenes freqentes. Instrumentos elementares eram, muitas vezes, usados para medir e registrar os valores a partir dos quais se baseavam a deteco de falhas e as decises de manuteno. Este mtodo exigia pessoal de manuteno altamente treinado e experiente para garantir operao eficiente e evitar falhas catastrficas. Durante a dcada de 1970 ocorreram desenvolvimentos bsicos na instrumentao analgica e nos computadores Mainframe. Acelermetros, Tradutores de Velocidades, Pick-Ups de Deslocamento foram desenvolvidos e adaptados para os requisitos da demanda industrial. Normas e diretrizes forneceram informaes sobre sua utilizao e formaram a primeira base do conhecimento para a descrio e determinao de falhas. Os instrumentos analgicos tornaram-se populares, tais como, medidores de vibraes portteis e registradores, porm, eram pesados e incmodos. Se a empresa tivesse acesso a um computador Mainframe, os dados podiam ser armazenados, de tal forma que, as primeiras estratgias de manuteno puderam ser desenvolvidas. Embora alguns instrumentos digitais j estivessem disponveis durante o incio da dcada de 70, desenvolvimento importantes ocorreram no final dos anos 70 e incio dos 80, em virtude da disponibilidade de novos microprocessadores. Os circuitos puderam ser miniaturizados, reduzindo as dimenses e o peso dos instrumentos e, permitindo que os dados pudessem ser manipulados em alta velocidade. Uma caracterstica muito importante da anlise de freqncia foi a computao eficiente do FFT (Fast-Fourier-Transformation) de medies multicanal e, segundos ou minutos e a capacidade de armazenar os dados para decises futuras. A armazenagem de dados por longo prazo tornou-se prtica aceita. A partir de meados de 1980, os desenvolvimentos comearam a ser associados so computador desktop, equipamentos de interface e software. Muitos fabricantes passaram a produzir instrumentos manuais para medio, registro e anlise instantneas das variveis. As informaes sobre um componente de mquina, em geral, ficam diretamente disponveis no instrumentos de medio (por exemplo desvio padro). Isso facilita a deciso sobre estratgias de manuteno e, portanto, a pessoa que deve tomar a deciso no necessitas mais possuir um alto nvel de especializao.Engenharia Mecatrnica 5 Semestre - 2009

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Algumas empresas j desenvolveram conjuntos de software que permitem que todo o processo e condio real da mquina sejam monitorados automaticamente, realizando todo o trabalho de anlise de medio e diagnstico de problemas, seguida de estratgias de ao e manuteno. A dcada de 1990 foi marcante pela miniaturizao da instrumentao, pela aquisio de dados e pelas unidades de processamento dos dados. A instrumentao tornou-se mais simples para operar e os problemas puderam ser analisados com a ajuda de sistemas baseados no conhecimento. Sistemas sensores foram combinados com prprocessamento eletrnico de dados e conjuntos multisensores, o que possibilitou o estudo no apenas de um nico componente de mquina, mas o de transparentes. Em meados dos anos 90, iniciou-se o monitoramento com unidades de controle central, interligando o conhecimento e as experincias dos clientes, dos fabricantes de mquinas e das companhias de seguro. Muito diferente dos primeiros sistemas de monitoramento de condio que confiavam apenas em poucos especialistas que possuam conhecimento da instrumentao e das tcnicas de anlises.

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O QUE VIBRAODefinio: qualquer movimento que se repete, regular ou irregularmente, depois de um intervalo de tempo. Vibrao o efeito oscilatrio de corpos materiais. Sendo movimento, chamada vibrao mecnica. Quando atravs do tato, sentimos a oscilao de uma corda de violo, por exemplo, sabemos intuitivamente o que uma vibrao mecnica e podemos, inclusive, ver o seu movimento. Todos os materiais podem vibrar e a maneira com que iro vibrar, depende das caractersticas do prprio material e da excitao externa. Considere-se como modelo vibratrio, uma mola presa ao teto que tenha um peso na sua extremidade livre. Inicialmente a mola se encontra em posio de equilbrio, mas, se o peso for deslocado a uma certa distncia e solto em seguida, a mola iniciar um movimento oscilatrio em torno da sua posio de equilbrio. A maior distncia que a mola atinge em relao a seu ponto de equilbrio chamada amplitude de movimento, e o tempo que a mesma leva pra completar um ciclo chama-se Perodo. O nmero de vezes que ela oscila em um segundo chamado freqncia do movimento e sua unidade o Hertz [Hz]. Um Hertz corresponde a um ciclo por segundo.

Figura 1

Alm da freqncia e da amplitude das vibraes mecnicas, so tambm geralmente consideradas as velocidades e aceleraes do corpo vibrante.

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PORQUE FAZER UM ENSAIO DE VIBRAESAntigamente, a anlise de vibrao era empregada principalmente para determinar falhas e condies operacionais crticas. Hoje em dia, a demanda para monitoramento da condio e da anlise de vibrao no so limitadas apenas minimizar as consequncias de falhas em mquinas, mas utilizao dos recursos existentes de forma mais eficiente. O aumento exponencial da capacidade dos computadores, da velocidade de clculo e da telecomunicao permitiu que novas tcnicas de anlise pudessem ser implementadas em sistemas modernos de monitoramento de processo, tais como fuzzy logics e redes neurais, como ferramentas para sistemas automticos de controle e de classificao de sinal. Atualmente, sistemas modernos de monitoramento da vibrao, em geral, sugerem a possibilidade de ocorrncia de falhas. Como resultado, muitas vezes alarmes so acionados sem fornecer indicao das fontes originais de excitao. Ferramentas de anlise e tcnicas de diagnstico devem ser implementadas para a determinao e classificao da condio real da mquina. Falhas e condies de operao desfavorveis podem ser diagnosticadas e localizadas na origem. O fundamental utilizar o contedo das informaes de sinais de vibrao medidos e os parmetros do processo pela extrao de um padro significativo, para detectar avarias nos seus estgios iniciais e, tambm, para indicar falha na liderana organizacional e / ou na condio de operao. Os casos de estudos apresentados mostram os resultados de um sistema de monitoramento de vibrao que detecta, diagnostica e localiza condies de operao defeituosas em seu estgio inicial, a fim de prevenir falhas graves. A deteco inicial de um defeito em um mancal de uma caixa de engrenagem e a possibilidade de troca imediata pode evitar uma grave avaria na roda dentada. O desgaste de um mancal radial em uma turbomquina pode causar frico das lminas na carcaa ou na vedao labirntica, destruindo a mquina e causando um prejuzo da ordem de milhes de US$ em reparos. Condies de operao falhas, que excedam os nveis de vibrao, como, por exemplo, durante os procedimentos de liga e desliga, reduzem o tempo de vida til da mquina. A condio da mquina, suas falhas e avarias em andamento podem ser identificadas em mquinas em operao por sintomas de defeitos, por exemplo, vibrao mecnica, rudos transmitidos pelo ar e mudanas nos parmetros de processo, como temperatura, presso e eficincia.

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INSTRUMENTOS E COMO FEITO O ENSAIOInstrumentosPara atender as demandas de uma anlise de vibrao completa ser necessria uma instrumentao especfica da unidade a ser supervisionada, onde o deslocamento, velocidade e pick-ups de acelerao so empregados. Matematicamente, esses valores descritivos bsicos podem ser transformados uns nos outros por integrao, respectivamente, por diferenciao. Praticamente, a escolha dos sensores depende das excitaes a serem determinadas. Os acelermetros1 apresentam um comportamento de amplitude constante sobre todas as frequncias, e, portanto, podem ser empregados para detectar sinais de intensidades de frequncia baixa e alta, enquanto os sensores de velocidade apresentam amortecimento da amplitude proporcional a 1/F2, sensores de deslocamento amortecem a amplitude na relao 1/F2. Esse efeito ser favorvel se observarmos a condio de equilbrio dos rotores, em razo da reduo automtica de amplitudes de sinais de alta frequncia por conta da frico, engrenagens, etc. que sobrepem os componentes de velocidade rotacional de baixa frequncia. No caso de falhas nos elementos rolantes das engrenagens, que, de maneira geral, excitam pulsos de alta frequncia em virtude da interao dos elementos rolantes e dos condutores, os acelermetros so os mais indicados.

Acelermetro NK 20Figura 2

Acelermetro NK 25Figura 3

O Acelermetro NK 20 de Ao Inox e ideal para aplicaes em Campo. J o Acelermetro NK 25 fabricado em lato e tem o nome de Acelermetro Protegido pela sua resistncia;pois, sua principal aplicao para ambientes industriais.1 2

Acelermetro conhecido tambm por Sensor de Vibrao F = Frequncia de ExcitaoEngenharia Mecatrnica 5 Semestre - 2009

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A escolha do sensor depende, em grande parte, das frequncias a serem analisadas, onde a acelerao, em geral, cobre frequncias de 0 a 20 KHz, velocidades de 2 Hz a 2 KHz e deslocamento de 0 a 300 Hz. Existem diversas tcnicas que podem ser utilizadas sozinhas ou combinadas para identificar padres de vibrao. Finalmente, a resposta de um sistema de monitoramento da vibrao, no incio das falhas e condies de operao inadequadas, depende, basicamente, da instrumentao utilizada. Quanto mais rpida for necessria uma resposta, mais indicado ser o uso de um sistema hard-wired3 do que coletores de dados portteis. Onde a ocorrncia de falhas for maior, ser mais fcil justificar os custo, por exemplo, grandes turbinas a vapor, normalmente, so monitoradas permanentemente, enquanto equipamentos auxiliares, como bombas a vcuo podem ser inspecionadas por unidades portteis. Sistemas de monitoramento da condio, baseados em medies da vibrao, provaram sua superioridade, no passado, em razo da reflexo de avarias significativas no comportamento da vibrao, determinada por medio da acelerao, velocidade e deslocamento. Para atingir essas metas, nos ltimos 30 anos, mquinas de grande porte so equipadas com sistemas de monitoramento da condio, os quais identificam distrbios na operao rotineira da mquina, principalmente, os nveis de vibrao.

Sensores de Vibrao em Turbina a VaporFigura 4

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Diferente dos instrumentos portteis, trata-se de uma anlise constante da mquina com sensores via cabos conectados diretos em um hardware (computador), agilizando o tempo de resposta.Engenharia Mecatrnica 5 Semestre - 2009

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A Figura 4 (pgina 9) nos mostra a instrumentao de vibrao de uma turbina a vapor de 920 MW, que consiste de transdutores de correntes parasitas para determinar o deslocamento e a expanso relativa do rotor, transdutores de velocidade para monitorar a vibrao do bloco de mancal e acelermetros opcionais para medir excitaes de alta frequncia durante situaes de frico. Neste caso, acelermetros adicionais e pick-ups de deslocamento, dentro do mancal radial / axial combinado entre HP-IP devem ajudar a resolver e constatar problemas de alinhamento causados por efeitos trmicos e de expanso. Dependendo da dimenso, das fontes de excitao e da importncia de uma determinada mquina para as condies de operao da planta, a instrumentao empregada pode ser a menor, como por exemplo, no caso de laminadores ou ventiladores de ar, onde uma instrumentao com acelermetros no mancal ser suficiente.

Como feito o EnsaioPara otimizar limites especficos de falhas e determinar padres de diagnsticos em sinais de vibrao e de acelerao em mquinas rotatrias realizam-se simulaes de falhas em diferentes bancadas de ensaio, como por exemplo, simulao de frico em turbomquinas, estudo de elementos rolantes e mancais radiais, bombas centrfugas e superviso de turbina, assim como, monitoramento da cavitao. As assinaturas obtidas servem como base para determinar falhas e assinaturas especficas de operao de mquinas rotatrias em usinas de gerao de energia eltrica, tais como, turbinas a vapor, bombas de alimentao de caldeira, ventiladores, vlvulas de vapor, etc., assim como, em aplicaes industriais de sistemas de controle de qualidade e linhas de produo. Para fechar o ciclo de estudo, aplicam-se clculos de elementos finitos, para avaliar o comportamento de vibrao de elementos de estrutura ou constatar fontes de excitao por simulao de vazo de fuidos. Independente da sofisticao do equipamento, a qualidade das medies e sua interpretao so, at o presente, dependentes da criatividade do operador, onde os dados de aquisio de sinais de vibrao so considerados em quatro sees de: Bsico eltrico e princpios eletrnicos; Tipos de sinal, interferncia e transmisso; Amplificadores elementares e projeto do filtro, e; Aquisio e processamento dos sinais de vibrao.

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A aquisio e processamento de dados so feitas atravs de um sistema tradicional de monitoramento da condio e empregado para relatar qualquer distrbio ou mudanas significativas na condio da mquina. Sua principal funo prevenir danos mais graves na mquina, danos consequentes e tempos ociosos no programados na produo. A finalidade do sistema processar valores caractersticos dos sinais de vibrao recebidos, realizar comparaes de limite, dar alarme, e, mesmo, desligar o sistema de acordo com as especificaes e sugestes determinadas por diversas normas e diretrizes nacionais e internacionais como (ISSO, IEC, DIN, VDI, API, ASME, Etc.). O critrio de avaliao de vibrao radial de mquinas rotatrias o valor mximo e efetivo da vibrao medida por dois dispositivos ortogonais. Se for usada apenas uma medio da direo, deve-se tomar cuidado para garantir que ela fornea a informao adequada. Neste contexto, deve-se assegurar que as medies representam a vibrao na carcaa do mancal e no incluam ressonncias ou amplificaes locais. As localizaes e direes para medio da vibrao devem ser aquelas que forneam sensibilidade adequada s foras hidrulicas da mquina, sob diversas condies de operao. Tipicamente, em geral, sero necessrias duas medies radiais ortogonais em cada tampa de mancal. A vibrao medida na guia inferior do mancal de mquinas verticais pode, algumas vezes, ser mal interpretada; nveis de vibrao medidos em tais mancais e seus suportes auxiliares, os quais esto rigidamente incorporados na construo, so produzidos por foras hidrulicas, transmitidas diretamente da mquina hidrulica atravs da fundao. Tal vibrao no, necessariamente, fornece a imagem correta da vibrao de sistemas de eixos rotatrios. Para a finalidade de monitoramento, apenas em alguns casos as posies de medies podem ser reduzidas para as mais importantes, principalmente, em conjuntos de mquinas com quatro ou mais mancais. A seleo deve ser baseada na anlise de desempenho da vibrao. As localizaes preferenciais para medies devem, quando possvel, ser aquelas que produzem eventos perturbadores mais significativos nas amplitudes da carcaa do mancal. Tais posies podem ser determinadas por medies de ensaio. A instalao de um nico transdutor no pedestal ou carcaa do mancal, em posio ligeiramente inclinada, , em geral, considerada adequada para monitoramento contnuo de bombas. Para monitoramento da vibrao axial de uma mquina, como regra geral, suficiente um transdutor montado no mancal de empuxo. Medies absolutas de vibrao em carcaa de mancal so geralmente feitas em conjuntos de mquinas usando transdutores ssmicos (ISSO 10816-5).

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O trabalho de medio requer que as medies sejam feitas nas partes expostas, que so normalmente acessveis e representativas do suporte da estrutura. Conforme instrues do prprio manual do instrumento NK 300, fabricado pela Tekniko, veremos as principais posies nas figuras abaixo:

Figura 5

O nvel de vibrao na direo horizontal em geral o mais alto, pois o sentido em que as mquinas tem maior liberdade de movimento.

Figura 6

Se o nvel de vibrao na direo vertical for maior do que na direo horizontal, geralmente existe um problema de fixao.

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Figura 7

Se houver um nvel de vibrao elevado na direo axial, pode estar ocorrendo desalinhamento. Deve-se tomar cuidado para garantir que qualquer sinal processado no afete de forma diversa a preciso exigida pelo sistema de medio. Isto pode ser constatado calibrando-se a linha de medio completa por excitao mecnica definida, por exemplo, misturador. Tanto a resposta da frequncia quanto as amplitudes de vibraes medidas so afetadas pelo mtodo de colocao do transdutor. muito importante manter um bom acoplamento entre o transdutor e a mquina, de outra forma, isto pode ser um problema. Colar, teoricamente, possvel, mas em virtude das condies ambientais e por razo de segurana, prefere-se parafusar os sensores. Parafuso de instrumentos antigos podem ser utilizados. Em unidade maiores, placas de ao podem ser soldadas sem causar influncia a carcaa.

Limites Recomendados (ISO-10816-6)Zona A: Vibrao de mquinas recentes instaladas. Zona B: Mquinas com vibrao normalmente aceita, para operao sem restrio a longo prazo. Zona C: Mquinas com vibrao considerada insatisfatria para operao contnua. Geralmente, a mquina pode ser operada por um perodo limitado nessa condio, at que ocorra uma oportunidade para corretiva.

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Zona D: Valores de vibrao dentro desta zona so, normalmente, considerados suficientemente graves para causar danos mquina. Os valores numricos atribudos s zonas no tem a inteno de servir como especificao de aceitao, as quais devem estar sujeitas acordos entre o fabricante da mquina e o cliente. Os limites da zona, entretanto, devem garantir que defeitos grosseiros ou requisitos irrealistas sejam evitados. De acordo com o ISO-10816-1, existem limites recomendados para diferentes classes de mquinas, conforme tabela abaixo:

Classe I: Partes individuais de motores e mquinas, integralmente conectada mquina completa em sua condio de operao normal. Classe II: Mquinas de tamanho mdio sem fundao especial como motores eltricos de 15 KW 75 KW, motores ou mquinas montados rigidamente sobre fundao especial at 300 KW. Nvel de Vibrao de mquinas recentemente colocadas em Funcionamento

Nvel de Vibrao aceitvel para Operao Contnua da Mquina por um longo perodo

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Nvel de Vibrao inaceitvel para Operao Contnua da Mquina por um longo perodo. Deve ser feito a manuteno do Equipamento

Nvel de Vibrao suficiente para causar danos ao Equipamento. Deve ser revisado imediatamente

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MANUTENOManuteno PreventivaManuteno preventiva consiste no conjunto de procedimentos e aes antecipadas que visam manter a mquina em funcionamento. Ela obedece um padro previamente esquematizado, que estabelece paradas peridicas com a finalidade de permitir a troca de peas gastas por novas, assegurando assim o funcionamento perfeito da mquina por um perodo pr-determinado. O processo preventivo de manuteno um mtodo aprovado e adotado atualmente em todos os setores industriais, pois abrange desde uma simples reviso com paradas que no obedecem a uma rotina at a utilizao de sistemas de auto ndice tcnico. A manuteno preventiva abrange cronogramas dos quais so tratados planos e revises peridicas (por tempo ou por medidor de monitoramento).

Manuteno CorretivaA manuteno corretiva a manuteno que ocorre somente quando a falha ocorrida;ou seja, s feito a manuteno quanto a mquina j est quebrada. Reparo no planejado, parada no planejada antecipadamente; Desencadeia perda de produtividade; Disponibilidade imediata do pessoal; Servios especiais Tcnicos experientes e especializados; Imediata disponibilidade de peas; Alto custo do servio de reparo; Servios Surpresa emergenciais, atrapalham o cronograma dos servios planejados.

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Manuteno PreditivaA manuteno Preditiva um tipo de ao preventiva baseada no conhecimento das condies de cada um dos componentes das mquinas e equipamentos. Manuteno Preditiva aquela que indica as condies reais de funcionamento das mquinas com base em dados que informam o seu desgaste ou processo de degradao das mesmas, obtidos atravs de uma monitorao ou diagnstico. Trata-se da manuteno que prediz o tempo de vida til dos componentes das mquinas e equipamentos e as condies para que esse tempo de vida seja bem aproveitado, at mesmo prolongado. Esses dados so obtidos por meio de acompanhamento do desgaste de peas vitais de conjuntos de mquinas e equipamentos. Testes peridicos so efetuados para determinar a poca adequada para substituio ou reparos de peas. Determinar, antecipadamente, a necessidade de servios de manuteno de uma pea especfica de um equipamento; Eliminar desmontagens desnecessrias para inspeo; Aumentar o tempo de disponibilidade dos equipamentos; Reduzir o trabalho de emergncia no planejado; Impedir o aumento dos danos; Aproveitar a vida til total dos componentes de um equipamento.

COMPARAO COM OUTROS ENSAIOSNo existe comparao com o Ensaio de Vibraes;pois, no existe um outro ensaio com um objetivo em comum.

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CUSTOSEquipamentos NK 300 (Tekniko) R$ 4.500,00 R$ 6.300,00

Itens inclusos na compra (Direto com a Tekniko) NK 300 Sensor de Vibrao NK 20 Cabo de Conexo Capa de Proteo para o NK 300 Carregador

Treinamento Carga horria de 8 h. Investimento R$ 600,00 Objetivo do Treinamento Dar uma viso geral sobre as principais tcnicas

Contedo: Noes fundamentais Conceitos e Caractersticas Programa de Preditiva Retentores, falhas e montagens, etc.

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Terceirizao Os custos de manuteno correspondem a parte principal dos custos operacionais totais de todas as plantas industriais de manufatura e de produo Os custos da manuteno podem variar de 15% 30% da produo da mquina (Potncia, tamanho, etc.)

Exemplo: Indstrias alimentcias podem representar 15%; Indstrias siderrgicas, papel e celulose podem representar 30%.

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BIBLIOGRAFIAABENDI Associao Brasileira de Ensaios No Destrutveis e Inspees VIBROSERT www.vibrosert.com.br WRH PREDITIVA www.wrhpreditiva.com.br/anlise WIKIPDIA pt.wikipedia.org TEKNIKO www.teknikao.com.br

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