O que é análise de vibração e como ela pode ajudar a otimizar a manutenção preditiva?

A análise de vibrações (ou monitoramento de vibrações) é uma poderosa ferramenta de diagnóstico para identificar, monitorar e prevenir falhas mecânicas em máquinas rotativas e recíprocas. É um componente essencial dos programas de manutenção preditiva, permitindo que os técnicos detectem o desenvolvimento de problemas nos equipamentos antes que eles levem a downtime não planejado dispendioso ou falhas catastróficas.

A análise de vibrações, um componente dos sistemas de monitoramento de condição, utiliza sensores de vibrações para medir as frequências em um ativo e detectar anormalidades que podem indicar um problema. Em sua essência, a análise de vibrações é o estudo dos movimentos oscilatórios de máquinas e seus componentes em torno de um ponto de equilíbrio estabelecido. Essas oscilações podem resultar de uma série de problemas, incluindo desequilíbrios, desalinhamentos, flexibilidade, eixos tortos e defeitos de rolamentos, entre outros.

Ao medir e analisar as vibrações das máquinas, os técnicos podem avaliar melhor a integridade e o desempenho dos equipamentos, o que lhes permite identificar problemas e implementar ações corretivas. E como componentes rotativos e recíprocos (por exemplo, motores, compressores, bombas etc.) tendem a vibrar mais intensamente e mais alto à medida que envelhecem, analisar as mudanças na vibração pode ajudar os gerentes de manutenção a monitorar as condições das máquinas em tempo real e identificar proativamente o desgaste dos ativos e danos.

As vibrações são multidimensionais, portanto o teste de vibrações requer uma compreensão de vários parâmetros. Os parâmetros principais são amplitude, frequência e fase:

• Amplitude refere-se à magnitude das vibrações, normalmente medida em unidades como deslocamento (mils ou micrômetros), velocidade (polegadas por segundo ou métricas por segundo) ou aceleração (g's).
• A frequência mede o número de oscilações por unidade de tempo, geralmente expressa em Hertz (Hz).
• A fase refere-se ao tempo relativo da forma de onda das vibrações, geralmente medido em graus.

Os analisadores de vibrações podem usar esses fatores, juntamente com outros, como formato da forma de onda e conteúdo harmônico, para identificar falhas específicas da máquina e sua gravidade. 

Existem também dois tipos principais de vibrações:

• A vibração forçada ocorre quando uma força externa é aplicada a um sistema, fazendo com que ele vibre. Os exemplos incluem as vibrações produzidas por um motor ou bomba em operação.
• A vibração natural, também conhecida como ressonância, ocorre quando um sistema vibra na sua frequência natural. Esse tipo de vibração pode ser problemático se a frequência natural da máquina coincidir com a frequência de operação, pois pode levar a vibrações excessivas.

No cenário industrial competitivo atual, garantir a operação sem problemas e a longevidade de suas máquinas é fundamental. Seguir um processo passo a passo de análise de vibrações pode ajudá-lo a aproveitar as vibrações da máquina para entender melhor a integridade dos equipamentos e do sistema.

Etapa 1. Colete dados preliminares

Para realizar uma análise de vibrações, comece reunindo dados sobre o equipamento e/ou estrutura que você vai analisar. Certifique-se de identificar o local e o tipo de sensores que você precisará para medições de vibrações, incluindo quaisquer faixas de amplitude e frequência, pois os sensores servirão como coletores de dados durante todo o processo. Também é importante reunir informações sobre as condições de operação do equipamento, como velocidade, carga e temperatura.

Etapa 2. Meça as vibrações

A próxima etapa do processo é medir as vibrações do maquinário escolhido. A análise de vibrações normalmente envolve a medição da amplitude das vibrações de um ativo ou sistema.

Nesse caso, você contará com um acelerômetro conectado aos principais locais de vibrações para fazer as medições. Acelerômetros (por exemplo, acelerômetros piezoelétricos, sondas de proximidade, vibrômetros Doppler a laser etc.) usam respostas de alta frequência para medir a aceleração de um objeto vibrante em três direções: para cima e para baixo, de um lado para o outro e de frente para trás.

Você também pode medir vibrações usando sensores de velocidade e sensores de deslocamento. Os sensores de velocidade medem a velocidade de um objeto vibrante, oferecendo uma resposta de frequência média ideal para monitorar a integridade geral da máquina. Sensores de deslocamento, por outro lado, medem o deslocamento de um objeto vibrante, fornecendo uma resposta de baixa frequência adequada para detectar problemas estruturais e desequilíbrios.

Etapa 3. Analise os dados

Depois de coletar todos os dados relevantes, é hora de analisá-los. O estágio de análise exigirá que você use algoritmos e software de computador para identificar padrões de vibrações e tendências de dados, e você precisará comparar os dados com as normas e diretrizes estabelecidas.

As equipes de manutenção podem utilizar uma variedade de técnicas para analisar dados de vibrações, incluindo as seguintes: 

• Análise no domínio do tempo: para realizar uma análise no domínio do tempo, você analisará o sinal de vibrações brutas ao longo do tempo. Os técnicos podem extrair e avaliar dados (por exemplo, amplitude do pico, fator de corrente, assimetria, raiz quadrada média (RMS) etc.) do sinal diretamente da forma de onda no tempo. Essa técnica é útil para detectar fenômenos transitórios, como impactos ou choques. 
• Análise de domínio de frequência: utilizando uma operação matemática de análise de frequência chamada de Transformada Rápida de Fourier (FFT), a análise de domínio de frequência envolve a conversão do sinal de domínio do tempo em um sinal de domínio de frequência. O espectro de frequências resultante facilita a identificação das frequências específicas associadas a falhas mecânicas.
• Análise de envelope: também conhecida como desmodulação, a análise de envelope é usada principalmente para detectar defeitos de rolamentos em estágio inicial. Ele envolve a extração dos sinais de impacto de alta frequência gerados pelos rolamentos danificados do sinal de vibração geral, permitindo que os técnicos identifiquem a presença e a gravidade das falhas nos rolamentos.
• Análise modal: a análise modal é uma técnica mais avançada que se concentra na identificação das frequências naturais, formas de modo e características de amortecimento de uma máquina. O estudo dessas propriedades ajuda os analistas a avaliar o comportamento dinâmico de uma máquina e a identificar possíveis problemas estruturais e/ou condições de ressonância.

Etapa 4. Interprete os resultados

Uma análise bem-sucedida exigirá que os analistas de vibrações compreendam as frequências específicas associadas a vários problemas mecânicos. Algumas frequências comuns de falhas incluem as seguintes:

• Frequência fundamental: a frequência na qual um componente rotativo completa uma rotação completa. Desvios da frequência fundamental de linha de base podem auxiliar na identificação de falhas específicas, como desequilíbrio, desalinhamento e flexibilidade.
• Harmônicas: os múltiplos inteiros da frequência fundamental, frequentemente associados a problemas de encaixe de engrenagens ou outros eventos cíclicos.
• Bandas laterais: O resultado da modulação da frequência fundamental por outra frequência, como na interação entre uma falha de rolamento e a frequência de um componente rotativo. As bandas laterais geralmente aparecem como picos simétricos em torno da frequência fundamental ou de suas harmônicas e podem ser indicativas de problemas de rolamentos e/ou dedos de engrenagem quebrados.

Etapa 5. Adote medidas corretivas

Depois de identificar possíveis problemas no estágio de interpretação, defina limites de alarme que acionem uma resposta quando as vibrações os excederem. Esses limites podem basear-se em padrões do setor, dados históricos ou recomendações do fabricante. Os tipos de limites de alarme mais usados são os limites absolutos, os limites de tendências e os limites estatísticos.

• Limites absolutos são valores fixos baseados em níveis aceitáveis de vibrações para tipos específicos de equipamentos. 
• Os limites de tendências são valores dinâmicos que mudam ao longo do tempo com base no desempenho histórico do equipamento. Quando os níveis de vibrações aumentam repentinamente, isso pode indicar um problema em desenvolvimento.
• Os limites estatísticos são derivados de análises estatísticas de dados históricos, levando em conta a média e o desvio padrão dos níveis de vibrações.

Quando um sistema ou ativo excede o limite de alarme, o gerente de manutenção deve tomar as medidas apropriadas para lidar com a questão. Isso pode envolver agendar manutenção, ajustar parâmetros operacionais ou realizar análises mais adicionais para identificar a causa do problema.

A implementação da análise de vibrações como parte de um programa de manutenção preditiva oferece inúmeros benefícios:

• Detecção precoce de falhas: a análise de vibrações pode detectar falhas em desenvolvimento em máquinas muito antes de elas se tornarem visíveis ou audíveis aos sentidos humanos. Esses recursos de detecção precoce ajudam as equipes de manutenção a programar reparos ou substituições antes que uma falha ocorra, reduzindo o downtime e melhorando a produtividade geral.
• Programação de manutenção aprimorada: ao identificar a gravidade das falhas da máquina, a análise de vibrações permite que as equipes de manutenção priorizem seus esforços e aloquem recursos de forma mais eficaz. Essa abordagem direcionada pode resultar em economias significativas de custos e maior confiabilidade do equipamento.
• Redução dos custos de manutenção: encontrar e corrigir falhas nas máquinas antes que elas levem a falhas catastróficas pode ajudar as organizações a evitar reparos dispendiosos e substituições de equipamentos. Além disso, a manutenção preditiva com base na análise de vibrações pode estender a vida útil das máquinas, reduzindo ainda mais as despesas de capital de longo prazo. 
• Segurança aprimorada: a análise de vibrações pode desempenhar um papel crucial na manutenção de um ambiente de trabalho seguro para os funcionários. A detecção e o tratamento proativo de possíveis falhas mecânicas reduzem significativamente o risco de acidentes e lesões no ambiente de trabalho.
• Maior eficiência energética: as máquinas defeituosas geralmente consomem mais energia do que deveriam, levando ao aumento dos custos operacionais. A retificação de problemas por meio da análise de vibrações ajuda as organizações a otimizar a eficiência dos ativos e reduzir o consumo de energia.

A versatilidade da análise de vibrações a torna uma metodologia útil em uma ampla gama de setores e tipos de equipamentos.

As unidades de fabricação usam análise de vibrações para monitorar a condição de motores (incluindo motores elétricos), caixas de câmbio, esteiras transportadoras e máquinas-ferramenta. Os dados de vibrações podem ser utilizados para otimizar processos de produção, reduzir o risco de falha de equipamentos e melhorar a eficiência geral da fábrica.

No setor automotivo, a análise de vibrações desempenha um papel significativo no projeto, desenvolvimento e teste de componentes. Analisar as características de vibrações de motores, transmissões e sistemas de suspensão pode ajudar os engenheiros a otimizar seus projetos para melhorar o desempenho e a confiabilidade no mundo real e aumentar o conforto dos passageiros.

No setor aeroespacial, a análise de vibrações permite que os engenheiros identifiquem e lidem com problemas como vibração excessiva, ressonância ou fadiga de materiais para aumentar a confiabilidade e longevidade dos sistemas da aeronave. E no setor de energia eólica, a análise de vibração ajuda os operadores de turbina a monitorar a integridade da turbina para identificar desequilíbrios nas pás, falhas na caixa de velocidades e/ou defeitos nos rolamentos.

A análise de vibrações é uma ferramenta inestimável no mundo da manutenção preditiva, oferecendo às organizações a capacidade de detectar falhas de máquinas desde o início. Compreender os princípios da análise de vibrações e usar software avançado como o IBM Maximo Application Suite pode ajudar as equipes de manutenção a melhorar significativamente a confiabilidade, eficiência e segurança de seus equipamentos.

O IBM Maximo é uma plataforma integrada que ajuda as empresas de fabricação a otimizar o desempenho dos ativos e simplificar as operações diárias. Com o Maximo, as equipes podem configurar medidores para observar e medir a integridade dos ativos e conectar esses medidores a sensores de vibração instalados nos principais ativos, ajudando-os a armazenar e acessar dados de máquina com mais facilidade.

Usando uma plataforma integrada baseada em nuvem e impulsionada por IA, o Maximo oferece recursos de CMMS, EAM e APM que produzem análises avançadas de dados de vibrações e ajudam os gerentes a tomar decisões de manutenção mais inteligentes e baseadas em dados.

Conforme os setores continuam evoluindo e adotando novas tecnologias, a análise de vibração continuará na vanguarda da manutenção da integridade da máquina e da garantia de desempenho ideal. Ao aproveitar os recursos e funcionalidades avançados do IBM Maximo, as empresas podem transformar as operações de manutenção para manter o ritmo com o cenário de fabricação em constante mudança.