Diagnóstico de defeitos em rolamentos
Defeitos de rolamento são falhas microscópicas ou macroscópicas — fissuras, lascas ou cavidades — nas superfícies de trabalho de um rolamento de elementos rolantes. Uma vez que os rolamentos são fundamentais para a maioria das máquinas rotativas e constituem um ponto frequente de falha, a deteção precoce destas falhas é uma das tarefas de maior valor em análise de vibração. Um defeito produz um impacto repetitivo e periódico sempre que um elemento rolante passa por cima dele, e é precisamente essa periodicidade que torna a falha visível no espetro muito antes de o rolamento sobreaquecer ou começar a fazer barulho.
1. A natureza dos defeitos dos rolamentos
Um rolamento de elementos rolantes típico é composto por quatro partes: um anel exterior, um anel interior, um conjunto de esferas ou rolos e uma gaiola que mantém os elementos uniformemente espaçados. Um defeito é uma imperfeição em qualquer uma destas superfícies. À medida que um elemento rolante passa por cima dela, o contacto gera um impacto pequeno, agudo e de alta frequência — um «estalo». Um único estalo transporta muito pouca energia, mas os impactos repetem-se a cada passagem, criando um sinal fortemente periódico. A análise de vibração é excecionalmente eficaz na deteção deste tipo de impacto repetitivo, razão pela qual é possível detetar um rolamento em deterioração com meses de antecedência, em vez de apenas no momento da paragem.
2. As quatro frequências fundamentais de falha
O princípio fundamental do diagnóstico de rolamentos é que, para uma determinada geometria do rolamento e velocidade do eixo, os impactos ocorrem a frequências muito específicas e previsíveis. Estes frequências de falhas em rolamentos are:
- BPFO (Frequência de passe da bola, pista exterior): a velocidade a que os elementos rolantes passam por um único ponto na pista exterior fixa. Trata-se da frequência de defeitos em rolamentos mais comum.
- BPFI (Frequência de passe da bola, pista interior): a velocidade a que os elementos passam por um ponto na pista interior. Como a pista interior gira com o eixo, o BPFI é superior ao BPFO.
- BSF (Frequência de rotação da bola): a frequência com que um elemento rolante gira em torno do seu próprio eixo. Um defeito BSF apresenta frequentemente uma energia correspondente ao dobro dessa frequência, uma vez que a imperfeição atinge ambas as pistas em cada rotação do elemento.
- FTF (Frequência fundamental do comboio): a frequência de rotação da gaiola, ou «comboio». Trata-se de uma frequência muito baixa, normalmente inferior a 0,5 vezes a velocidade de funcionamento.
Essas taxas dependem da geometria do rolamento — diâmetro primitivo, diâmetro dos elementos rolantes, ângulo de contacto e número de elementos —, juntamente com a velocidade do eixo. Os programas de análise de vibrações geralmente incluem uma vasta base de dados de rolamentos e calculam esses valores automaticamente, podendo também ser calculados diretamente com um calculadora da frequência de defeitos nos rolamentos quando o número de referência ou as dimensões do rolamento são conhecidos.
3. Como os defeitos dos rolamentos aparecem no espetro
Um defeito em desenvolvimento deixa um padrão característico no Espetro FFT:
- Picos de alta frequência: a própria frequência de falha (por exemplo, BPFO) surge como um pico bem acima na gama de frequências, afastado dos picos rotacionais de ordem inferior.
- Harmónicos: A natureza brusca e impulsiva dos impactos gera normalmente vários harmónicos — múltiplos exatos — da frequência da falha, e uma longa sequência destes indica uma falha bem desenvolvida.
- Bandas laterais: Este é o marcador de diagnóstico crucial. O pico de frequência da falha é normalmente ladeado por bandas laterais espaçadas a 1X a velocidade de funcionamento. Um pico BPFO com bandas laterais a 1X é uma assinatura clássica de um defeito no anel exterior, enquanto um defeito no anel interior (BPFI) apresenta quase sempre bandas laterais a 1X, uma vez que a falha rotativa entra e sai da zona de carga do rolamento uma vez por revolução, modulando a intensidade do impacto.
Nas fases iniciais, estes picos são pequenos e facilmente ocultados pelo ruído de fundo do espetro, razão pela qual se recorre normalmente a uma técnica de deteção especializada.
4. Análise de envelopes para deteção precoce
Análise de envelope, também conhecida como demodulação, é o método mais eficaz para detetar defeitos nos rolamentos numa fase inicial. Trata-se de uma técnica de processamento de sinal que utiliza filtros passa-banda para eliminar as vibrações de baixa frequência e alta energia provenientes de fontes como desequilíbrio e desalinhamento, concentrando-se exclusivamente nos impactos de alta frequência e baixa energia produzidos pela falha. Os impactos repetitivos fazem com que a estrutura entre em ressonância nas suas frequências naturais, e o processamento de envelope extrai a taxa de repetição dessa ressonância.
O resultado espetro de envelope é notavelmente «limpo», apresentando as frequências de avaria dos rolamentos e os seus harmónicos de forma clara num fundo de baixo ruído. Isto permite a deteção com meses — por vezes anos — de antecedência em relação à avaria do rolamento, proporcionando o tempo de antecipação necessário para que a substituição seja planeada, em vez de ocorrer uma avaria de emergência.
5. Confirmação do diagnóstico no terreno
Uma conclusão sólida sobre o rolamento assenta na correspondência entre os picos medidos e as frequências de falha calculadas, bem como na confirmação do padrão de bandas laterais esperado, idealmente apoiada por um espetro de envelope e por uma tendência ascendente clara ao longo de medições sucessivas. Um instrumento portátil de dois canais, como o Balanset-1A permite que um engenheiro registe o espetro da máquina nos próprios rolamentos, à velocidade de funcionamento, para que um defeito suspeito nos rolamentos possa ser verificado no local, comparando-o com as frequências previstas. Vale também a pena excluir casos semelhantes: falhas estruturais folga e as avarias nos elementos rolantes podem ambas aumentar a energia de banda larga, mas apenas um defeito real no rolamento se enquadra nas famílias BPFO, BPFI, BSF ou FTF.
