Diagnóstico de defeitos em engrenagens com análise de vibração
Gear defects são modos de desgaste e de dano — desgaste dentário, fissuras, excentricidade, desalinhamento — que se desenvolvem nos conjuntos de engrenagens utilizados para transmissão de potência em toda a maquinaria industrial. O engranzamento dos dentes das engrenagens é um processo inerentemente ruidoso e vibratório, pelo que engrenagens em bom estado produzem uma assinatura de vibração muito clara e estável; qualquer desvio relativamente a essa assinatura é um forte indicador de problemas. Uma vez que análise de vibração consegue detetar estes desvios numa fase muito precoce, identifica avarias nas engrenagens muito antes de estas evoluírem para a falha catastrófica de uma caixa de velocidades.
1. A assinatura vibratória das engrenagens
Cada conjunto de engrenagens possui uma impressão digital característica no domínio da frequência, dominada pela taxa de engranzamento dos dentes e rodeada por atividade associada à rotação de cada veio. Uma medição de referência de uma caixa de velocidades em bom estado é, por isso, uma das referências mais valiosas que um programa de fiabilidade pode deter: as avarias são diagnosticadas não por um valor absoluto, mas pela forma como o espectro atual e forma de onda temporal diferem dessa assinatura conhecida como saudável. A disciplina do diagnóstico de engrenagens é, em grande medida, a disciplina de interpretar corretamente essa diferença, razão pela qual as engrenagens figuram de forma tão proeminente na rotina de monitorização de condições.
2. Frequência de malha de engrenagens (GMF)
A frequência mais importante na análise de caixas de engrenagens é a Frequência de Engrenamento (GMF) — a taxa à qual os dentes de duas engrenagens em engranzamento se engatam entre si.
GMF = Número de dentes numa engrenagem × Velocidade de rotação dessa engrenagem
Numa caixa de velocidades em bom estado, o Espetro FFT apresenta um pico bem definido na GMF, geralmente com algumas pequenas harmónicos (2×GMF, 3×GMF). A amplitude do pico GMF reflete a carga sobre as engrenagens, pelo que um pico GMF elevado por si só não indica necessariamente uma avaria — pode simplesmente significar que a caixa de velocidades está a trabalhar com esforço. A informação de diagnóstico real encontra-se nas frequências around do pico GMF, e não no pico em si. Uma vez que a GMF depende tanto do número de dentes como da velocidade, é fácil identificá-la incorretamente de forma manual; um Calculadora da frequência de engrenamento resolve a GMF e as suas bandas laterais para um determinado conjunto de engrenagens em segundos.
3. Utilização de Bandas Laterais para Diagnosticar Avarias
Bandas laterais são a ferramenta mais poderosa para diagnosticar problemas específicos em engrenagens. São picos de pequena amplitude que aparecem em ambos os lados da GMF e das suas harmónicas, produzidos quando uma avaria modula o processo de engranzamento. A pista crucial é a sua espaçamento: o intervalo entre uma banda lateral e o pico GMF é igual à velocidade de rotação do veio que transporta a engrenagem com avaria, o que indica imediatamente que veio a inspecionar.
- Engrenagem desgastada ou excêntrica: a worn, eccentric ou a engrenagem com defeito modula a GMF à sua própria velocidade de rotação, criando bandas laterais espaçadas à velocidade de rotação (1×) do veio dessa engrenagem. Se as bandas laterais coincidirem com a velocidade do veio de entrada, a falha está na engrenagem de entrada.
- Desgaste geral dos dentes: desgaste da engrenagem aumenta tipicamente a amplitude da GMF e das suas harmónicas, acompanhada de bandas laterais a 1× provenientes da engrenagem correspondente.
- Dente fissurado ou partido: um único dente fissurado ou partido gera um pico acentuado à velocidade de rotação 1× dessa engrenagem, frequentemente com muitas harmónicas, mais bandas laterais em torno da GMF espaçadas à velocidade dessa engrenagem. A forma de onda temporal é particularmente valiosa neste caso — mostra um impacto periódico distinto cada vez que o dente danificado tenta engrenar.
- Desalinhamento das engrenagens: desalinhamento das engrenagens produz frequentemente uma harmónica 2×GMF elevada, por vezes superior ao pico GMF primário, novamente acompanhada de bandas laterais à velocidade de rotação.
Um efeito relacionado que vale a pena conhecer é o frequência hunting-tooth, a taxa muito baixa à qual um par específico de dentes volta a engrenar; falhas que envolvem um dente defeituoso em cada engrenagem podem excitá-lo.
4. Técnicas de Análise Especializadas
Como a vibração das engrenagens é muito rica em componentes, a análise espectral convencional é frequentemente complementada com técnicas que isolam o sinal da engrenagem:
- Análise da forma de onda no tempo: essencial para confirmar dentes partidos ou fissurados, que se manifestam como impactos agudos e repetitivos sincronizados com a rotação da engrenagem e não com a malha.
- Análise de Cepstrum: uma transformada que condensa famílias inteiras de bandas laterais uniformemente espaçadas em componentes únicos de leitura fácil, tornando os padrões de bandas laterais visíveis quando estão soterrados num espectro FFT densamente ocupado.
- Análise de envelope: desmodula a portadora de alta frequência para expor a taxa de impacto de baixa frequência de um defeito localizado num dente, complementando a análise das bandas laterais.
5. Estágios de falha de engrenagem
A análise de vibração permite acompanhar a progressão de uma falha de engrenagem ao longo de quatro fases reconhecíveis, dando às equipas de manutenção o tempo necessário para planear uma intervenção:
- Fase 1 (inicial): surgem pequenas bandas laterais em torno da GMF. O nível geral de vibração pode não se alterar de todo.
- Fase 2 (moderada): as amplitudes das bandas laterais crescem e começam a aparecer harmónicas da GMF com as suas próprias bandas laterais.
- Fase 3 (grave): a GMF e as suas harmónicas apresentam numerosas bandas laterais de grande amplitude, a frequência 1× da engrenagem problemática começa a subir e o patamar de ruído do espectro eleva-se.
- Fase 4 (catastrófica): a GMF pode desaparecer, substituída por uma assinatura de vibração ruidosa e aleatória à medida que os dentes ficam gravemente danificados ou destruídos.
6. Aplicação Prática no Campo
O diagnóstico de engrenagens começa com uma medição de campo limpa à velocidade e carga de operação. Um instrumento portátil de dois canais como o Balanset-1A capta o espectro FFT e a forma de onda temporal bruta em cada rolamento, permitindo ao engenheiro localizar a GMF, ler o espaçamento das bandas laterais para localizar a falha num veio específico e observar a forma de onda para detetar o impacto periódico característico de um dente partido — tudo sem abrir a caixa de engrenagens. Quando uma caixa de engrenagens também aciona ou suporta um rotor, o mesmo instrumento verifica que o desequilíbrio residual rolamento e a vibração relacionada com o desequilíbrio se mantém dentro dos limites de normas como a ISO 20816, para que uma avaria confirmada na engrenagem não seja mascarada por fontes não relacionadas. Detetada na Fase 1 ou 2, uma avaria numa engrenagem torna-se uma reparação programada em vez de uma paragem não planeada.
