Diagnóstico de defeitos em engrenagens com análise de vibração
Defeitos em engrenagens são modos de desgaste e dano — desgaste dos dentes, trincas, excentricidade, desalinhamento — que se desenvolvem nos conjuntos de engrenagens usados para transmissão de potência em máquinas industriais. O engrenamento dos dentes é um processo inerentemente ruidoso e vibratório, portanto, engrenagens saudáveis produzem uma assinatura de vibração muito clara e estável; qualquer desvio dessa assinatura é um forte indicador de problemas. Como análise de vibração pode detectar esses desvios em um estágio muito inicial, ele identifica falhas nas engrenagens muito antes que elas se agravem em uma falha catastrófica da caixa de engrenagens.
1. A Assinatura de Vibração das Engrenagens
Cada conjunto de engrenagens tem uma impressão digital característica no domínio da frequência, dominada pela taxa na qual os dentes se engrenam e cercada por atividade ligada à rotação de cada eixo. Uma medição de referência de uma caixa de engrenagens saudável é, portanto, uma das referências mais valiosas que um programa de confiabilidade pode ter: as falhas são diagnosticadas não por um número absoluto, mas por como o espectro de hoje e forma de onda no tempo diferem dessa assinatura conhecida como boa. A disciplina do diagnóstico de engrenagens é, em grande parte, a disciplina de ler essa diferença corretamente, razão pela qual as engrenagens se destacam tanto na rotina monitoramento de condição.
2. Frequência de Engrenamento (GMF)
A frequência mais importante na análise de caixas de engrenagens é a Frequência de Engrenamento (GMF) — a taxa na qual os dentes de duas engrenagens acopladas se engrenam entre si.
GMF = Número de Dentes de uma Engrenagem × Velocidade Rotacional dessa Engrenagem
Em uma caixa de engrenagens saudável, o espectro FFT mostra um pico claro na GMF, geralmente com alguns pequenos harmônicos (2×GMF, 3×GMF). A amplitude do pico da GMF reflete a carga nas engrenagens, portanto, um pico alto de GMF por si só não é necessariamente uma falha — pode simplesmente significar que a caixa de engrenagens está trabalhando muito. A informação diagnóstica real está nas frequências ao redor ao redor do pico da GMF, não no próprio pico. Como a GMF depende tanto do número de dentes quanto da velocidade, é fácil identificá-la incorretamente manualmente; um Calculadora de frequência de engrenamento resolve a GMF e suas bandas laterais para um determinado conjunto de engrenagens em segundos.
3. Usando bandas laterais para diagnosticar falhas
Bandas Laterais são a ferramenta mais poderosa para diagnosticar problemas específicos de engrenagens. São pequenos picos que aparecem em ambos os lados da GMF e seus harmônicos, produzidos quando uma falha modula o processo de engrenamento. A pista crucial é seu espaçamento: a distância entre uma banda lateral e o pico da GMF é igual à velocidade rotacional do eixo que suporta a engrenagem defeituosa, o que imediatamente indica qual que eixo inspecionar.
- Engrenagem desgastada ou excêntrica: uma engrenagem desgastada, excêntrica ou defeituosa modula a GMF em sua própria velocidade rotacional, criando bandas laterais espaçadas na velocidade de operação (1×) do eixo dessa engrenagem. Se as bandas laterais corresponderem à velocidade do eixo de entrada, a falha está na engrenagem de entrada.
- Desgaste geral dos dentes: desgaste de engrenagens geralmente aumenta a amplitude da GMF e seus harmônicos, acompanhado por bandas laterais de 1× da engrenagem correspondente.
- Dente trincado ou quebrado: um único dente trincado ou quebrado gera um pico forte na velocidade de operação de 1× dessa engrenagem, frequentemente com muitos harmônicos, além de bandas laterais ao redor da GMF espaçadas na velocidade dessa engrenagem. A forma de onda no tempo é especialmente valiosa aqui — ela mostra um impacto distinto e periódico cada vez que o dente danificado tenta engrenar.
- Desalinhamento de engrenagens: desalinhamento das engrenagens frequentemente produz um harmônico alto de 2×GMF, às vezes maior que o pico principal da GMF, novamente acompanhado por bandas laterais na velocidade de operação.
Um efeito relacionado que vale a pena conhecer é a hunting-tooth frequency, a taxa muito baixa na qual um par específico de dentes se re-engrena; falhas que envolvem um dente defeituoso em cada engrenagem podem excitá-la.
4. Técnicas de análise especializadas
Como a vibração de engrenagens é tão rica, a análise espectral padrão é frequentemente reforçada com técnicas que isolam o sinal da engrenagem:
- Análise de forma de onda no tempo: essencial para confirmar dentes quebrados ou trincados, que aparecem como impactos agudos e repetitivos sincronizados com a rotação da engrenagem, em vez do engrenamento.
- A análise de cepstrum: uma transformada que condensa famílias inteiras de bandas laterais uniformemente espaçadas em componentes únicos e de fácil leitura, tornando os padrões de bandas laterais visíveis quando estão enterrados em uma FFT lotada.
- Análise de envelope: demodula a portadora de alta frequência para expor a taxa de impacto de baixa frequência de um defeito localizado no dente, complementando a imagem das bandas laterais.
5. Estágios de Falha de Engrenagens
A análise de vibração pode acompanhar a progressão de uma falha em engrenagens através de quatro estágios reconhecíveis, dando às equipes de manutenção o tempo necessário para planejar uma intervenção:
- Estágio 1 (inicial): pequenas bandas laterais aparecem ao redor da GMF. O nível geral de vibração pode não mudar em nada.
- Estágio 2 (moderado): as amplitudes das bandas laterais crescem, e os harmônicos da GMF começam a aparecer com suas próprias bandas laterais.
- Estágio 3 (grave): a GMF e seus harmônicos carregam muitas bandas laterais grandes, a frequência de 1× da engrenagem problemática começa a subir, e o ruído de fundo do espectro se eleva.
- Estágio 4 (catastrófico): a GMF pode desaparecer, substituída por uma assinatura de vibração ruidosa e aleatória à medida que os dentes são severamente danificados ou destruídos.
6. Colocando em prática no campo
O diagnóstico de engrenagens começa com uma medição de campo limpa na velocidade e carga de operação. Um instrumento portátil de dois canais, como o Balanset-1A captura o espectro FFT e a forma de onda temporal bruta em cada rolamento, permitindo que um engenheiro localize a GMF, leia o espaçamento das bandas laterais para identificar a falha em um eixo específico e observe a forma de onda em busca do impacto periódico característico de um dente quebrado — tudo sem abrir a caixa de engrenagens. Quando uma caixa de engrenagens também aciona ou suporta um rotor, o mesmo instrumento verifica se o desbalanceamento residual de elementos rolantes e a vibração relacionada ao desbalanceamento permanecem dentro dos limites de normas como a ISO 20816, para que uma falha confirmada na engrenagem não seja mascarada por fontes não relacionadas. Detectada no Estágio 1 ou 2, um defeito na engrenagem se torna uma reparação programada em vez de uma quebra não planejada.
