Análise de fase: tornar a análise de vibração mais fácil

a análise de vibração é principalmente uma habilidade aprendida. Baseia-se 70% na experiência e 30% no treinamento em sala de aula e no auto-estudo. Leva anos para se tornar um analista de vibração confiante e competente. Quando a análise estiver errada, as recomendações para reparo também estarão incorretas. Nenhum Analista de vibração quer fazer a chamada errada. Neste negócio, a credibilidade é ganha em pequenos passos e perdida em grandes pedaços.

um sensor de vibração colocado em uma caixa de rolamento e conectado a um analisador de vibração fornece informações de tempo, frequência e amplitude na forma de uma forma de onda e um espectro (Figura 1). Esses dados são a base para a análise de vibração. Ele contém as assinaturas de quase todos os defeitos mecânicos e elétricos presentes na máquina.

Figura 1. Forma de onda de vibração e espectro

o processo de análise de vibração envolve a determinação da gravidade da vibração, identificando frequências e padrões, associando os picos e padrões com componentes mecânicos ou elétricos, formando conclusões e, se necessário, fazendo recomendações para reparo.

todos os envolvidos na análise de vibração sabem que analisar a vibração não é fácil nem automatizado. Você já se perguntou por quê? Aqui estão algumas razões:

1) As máquinas têm várias falhas: Os padrões de vibração que aprendemos no treinamento e lemos nos livros simplesmente não parecem os mesmos no mundo real. Aprendemos como as falhas mecânicas e elétricas parecem na forma mais pura – como se sempre houvesse apenas um problema na máquina causando vibração. As máquinas geralmente têm mais de uma falha de produção de vibração. No mínimo, todas as máquinas têm algum desequilíbrio e desalinhamento. Quando outras falhas se desenvolvem, a forma de onda e o espectro rapidamente se tornam complicados e difíceis de analisar. Os dados não correspondem mais aos padrões de falha que aprendemos.

2) vibração de causa e efeito: para cada ação, há uma reação. Parte da vibração que medimos é o efeito de outros problemas. Por exemplo, a força causada pelo desequilíbrio do rotor pode fazer a máquina parecer que está fora de alinhamento, solta ou esfregando. Considere todas as coisas que tremem e chocalham em seu carro quando um pneu fica desequilibrado.

3) Muitos Tipos De Falha Têm Padrões Semelhantes: Como os rotores das máquinas giram a uma velocidade específica e a vibração é uma força cíclica, muitas falhas mecânicas e elétricas exibem padrões de frequência semelhantes que dificultam a distinção de uma falha de outra.

aprender a analisar a vibração leva tempo. Cursos de treinamento, publicações técnicas e outros recursos, como recursos on-line e material de auto-ensino comercial, estão disponíveis para melhorar as habilidades de análise e encurtar a curva de aprendizado.

existe uma técnica de diagnóstico que chega rapidamente à fonte da maioria dos problemas de vibração. É possivelmente a mais poderosa de todas as técnicas de diagnóstico de vibração. Existe desde que a análise de vibração em si ainda não tenha recebido muita atenção, e é raro encontrar boas informações sobre o assunto. O que é essa técnica? Chama-se Análise de fase.

o que é Fase?
fase é a posição de uma peça rotativa em qualquer instante em relação a um ponto fixo. A fase nos dá a direção da vibração. Ajustar um motor de carro usando uma luz de temporização e um sensor indutivo é uma aplicação de análise de fase (Figura 2).

Figura 2. O ajuste do motor usando uma luz de temporização é uma análise de fase.

um estudo de fase é uma coleção de medições de fase feitas em uma máquina ou estrutura e avaliadas para revelar informações sobre o movimento relativo entre os componentes. Na análise de vibração, a fase é medida usando técnicas absolutas ou relativas.

a fase absoluta é medida com um sensor e um tacômetro referenciando uma marca no eixo rotativo (Figura 3). Em cada ponto de medição, o analisador calcula o tempo entre o gatilho do tacômetro e a próxima vibração de pico de forma de onda positiva. Este intervalo de tempo é convertido em graus e exibido como a fase absoluta (Figura 4). A fase pode ser medida na frequência rotatória do eixo ou em todo o múltiplo do número da velocidade do eixo (frequências síncronas). A fase absoluta é exigida para o equilíbrio do rotor.

Figura 3. Medição de fase absoluta

a fase relativa é medida em um analisador de vibração multicanal usando dois ou mais sensores de vibração (tipo semelhante). O analisador deve ser capaz de medir a fase entre canais. Um sensor de eixo único serve como referência fixa e é colocado em algum lugar da máquina (normalmente em uma caixa de rolamento). Outro sensor de eixo único ou triaxial é movido sequencialmente para todos os outros pontos de teste (Figura 5). Em cada ponto de teste, o analisador compara formas de onda entre os sensores fixos e itinerantes. Fase relativa é a diferença de tempo entre as formas de onda em uma frequência específica convertida em graus (Figura 6). A fase relativa não requer um tacômetro, portanto, a fase pode ser medida em qualquer frequência.

Figura 5. Medida Relativa Da Fase

Figura 6. Fase relativa calculada entre duas formas de onda de vibração

ambos os tipos de medições de fase são fáceis de fazer. A fase relativa é a maneira mais conveniente de medir a fase em uma máquina porque a máquina não precisa ser parada para instalar fita reflexiva no eixo. A fase pode ser medida em qualquer frequência. A maioria dos analisadores de vibração de canal único pode medir a fase absoluta. Analisadores de vibração multicanal como o Pruftechnik VibXpert ilustrado na Figura 7 têm funções padrão para medir a fase absoluta e relativa.

Figura 7. Pruftechnik VibXpert Analisador De Vibração de 2 canais

quando usar Análise de fase
todos precisam de análise de fase. Um estudo de fase deve ser feito em máquinas problemáticas quando a fonte da vibração não estiver clara ou quando for necessário confirmar fontes suspeitas de vibração. Um estudo de fase pode incluir pontos medidos apenas nos rolamentos da máquina ou pode incluir pontos em toda a máquina, desde a fundação até os rolamentos. A seguir estão exemplos de como a fase pode ajudar a analisar a vibração.

pé macio
o termo pé macio é usado para descrever a distorção do quadro da máquina. Pode ser causada por uma condição em que o pé de um motor, bomba ou outro componente não é plano, quadrado e apertado à sua montagem, ou muitas outras coisas, como erros de usinagem, pés dobrados ou torcidos e superfícies de montagem não planas. O pé macio aumenta a vibração e coloca uma tensão indevida nos rolamentos, vedações e acoplamentos. O pé macio em um motor distorce o alojamento do estator que cria um rotor não uniforme à diferença de ar do estator tendo por resultado a vibração na linha frequência de duas vezes.

um bom sistema de alinhamento do eixo do laser deve ser usado para verificar o pé macio afrouxando os pés da máquina um de cada vez.

a fase pode ser usada para identificar o pé macio quando a máquina estiver na operação. Meça a fase vertical entre o pé e sua superfície de montagem. Se a junta estiver apertada, o ângulo de fase é o mesmo entre as superfícies. Se o ângulo de fase for diferente em mais de 20 graus, o pé está solto ou a estrutura da máquina está rachada ou frágil. A figura 8 é um exemplo da mudança de fase através de um pé macio.

Figura 8. Uma mudança de fase entre o pé e o suporte pode indicar um pé macio.

rolamentos engatilhados e eixos dobrados
a fase é usada para detectar rolamentos engatilhados e eixos dobrados. Meça a fase em quatro posições axiais em torno do alojamento do rolamento. Se o rolamento estiver armado ou o eixo estiver dobrado através do rolamento, a fase será diferente em cada local. Se o eixo estiver reto e o rolamento não estiver torcendo, a fase será a mesma em cada local (Figura 9).

Figura 9. Fase identifica o movimento do rolamento no plano ou torcendo.

confirmar desequilíbrio
uma vibração radial uma vez por revolução geralmente significa desequilíbrio do rotor. Use a fase para provar que o desequilíbrio é o problema. Para confirmar o desequilíbrio, meça a fase horizontal e vertical em um eixo ou carcaça do rolamento. Se a diferença entre os valores de fase for de aproximadamente 90 graus, o problema é o desequilíbrio do rotor (Figura 10). Se a diferença de fase estiver mais próxima de zero ou 180 graus, a vibração é causada por uma força de reação. Uma polia excêntrica e desalinhamento do eixo são exemplos de forças de reação.

Figura 10. Deslocamento de fase Horizontal para Vertical de cerca de 90 graus confirma desequilíbrio

frouxidão, flexão ou torção
fase é usada para detectar juntas soltas em estruturas e flexão ou torção devido a fraqueza ou ressonância. Para verificar a frouxidão, meça a fase vertical em cada junta mecânica conforme indicado pelas setas na Figura 11. Quando as articulações estão soltas, haverá uma mudança de fase de aproximadamente 180 graus. O ângulo de fase não mudará em uma junta apertada.

Figura 11. Uma mudança de fase entre as articulações aparafusadas indica frouxidão.

desalinhamento do eixo
o desalinhamento do eixo é facilmente verificado com Fase. Meça Cada rolamento nas direções horizontal, vertical e axial. Registre os valores em uma tabela ou diagrama de bolhas, conforme mostrado na Figura 12. Compare a fase horizontal do rolamento ao rolamento em cada componente e através do acoplamento. Repita a comparação usando dados verticais e axiais. O bom alinhamento não mostrará nenhum deslocamento de fase substancial entre os rolamentos ou através do acoplamento. A Máquina Na Figura 12 tem um deslocamento de fase de 180 graus através do acoplamento nas direções radiais. As direções axiais estão em fase através da máquina. Os dados indicam desalinhamento do eixo paralelo (offset).

Figura 12. Dados de fase indicam desalinhamento do eixo paralelo

formas de deflexão Operacional
em vez de comparar os números de fase e magnitude de uma tabela ou diagrama de bolha, o software de forma de deflexão Operacional (ODS) pode ser usado para animar um desenho de máquina. Um ODS é uma técnica de medição usada para analisar o movimento de equipamentos e estruturas rotativas durante a operação normal. Um ODS é uma extensão da análise de fase em que um modelo gerado por computador da máquina é animado com dados de fase e magnitude ou formas de onda de tempo medidas simultaneamente. A animação é analisada visualmente para diagnosticar problemas. O teste ODS é capaz de identificar uma ampla variedade de falhas mecânicas e problemas de ressonância, como frouxidão, pé macio, soldas quebradas, desalinhamento, desequilíbrio, flexão ou torção de ressonância, fraqueza estrutural e problemas de Fundação.

a Figura 13 é um ODS simples de três eixos acoplados diretamente. Fase e magnitude foram medidas a partir de sondas de deslocamento X e Y montadas permanentemente em um gerador de turbina. Os valores listados na tabela foram utilizados no software ODS para animar um desenho de figura de bastão dos eixos de turbina de alta e baixa pressão e do eixo do gerador. A imagem à direita da tabela é uma captura da animação ODS mostrando o padrão de vibração de cada eixo e o movimento relativo entre eixos a 3.600 ciclos por minuto (velocidade de giro).

Figura 13. Forma de deflexão operacional do eixo

muitas máquinas vibram devido a fundações deterioradas, frouxidão, ressonância da estrutura de suporte e outros problemas que ocorrem abaixo dos rolamentos da máquina. Um estudo de fase pode incluir centenas de pontos de teste medidos em toda a máquina e Fundação. Um bom software ODS pode facilitar a análise de dados de fase e magnitude de um grande número de pontos de teste. A análise de um ODS envolve observação e interpretação da máquina em movimento. A figura 14 é um desenho de estrutura ODS de uma bomba vertical.

Figura 14. Desenho de estrutura de forma de deflexão operacional Da Bomba Vertical

conclusão
testes de vibração baseados em condições são um componente vital de um programa de manutenção baseado em confiabilidade. Sensores de vibração, instrumentos e software são capazes de fornecer informações importantes sobre a saúde da máquina. O elo fraco da cadeia é a capacidade do analista de interpretar os dados, diagnosticar com precisão o problema e direcionar a falha até que seja hora de recomendar ações corretivas. A análise de fase é uma ferramenta de diagnóstico muito poderosa. Cada analista de vibração deve estar usando a fase para melhorar a precisão da análise de vibração.

sobre o autor:
Tony DeMatteo é Analista de vibração e instrutor de treinamento técnico da 4x Diagnostics LLC, uma empresa de serviços e treinamento que fornece serviços de consultoria, orientação e treinamento em medição diagnóstica, análise, teste de forma de deflexão operacional e análise modal. Ele pode ser alcançado em 585-293-3234 ou www.4xdiagnostics.com.