O beneficiamento de madeira do tipo Pinos eliotti compreende o processo de descasca da madeira, serragem, secagem e remanufatura. O trabalho relatado neste artigo é sobre algumas dificuldades encontradas durante a etapa de secagem.
Panorama
Entre 2003 e 2004 a incidência de corretivas e desvios no processo de secagem era alta. Essa tendência à instabilidade no processo ocrrida devido a elevada queima dos motores elétricos, principalmente das estufas Neumann, onde as falhas abruptas que ocorriam com elevada freqüência nos motores eram quase sempre induzidas pelo travamento dos mancais ou folgas.
Dos 100% de improdutividade das câmaras de secagem por danos inesperados, 70% aproximadamente eram gerados por falhas no motor dos ventiladores. Os ventiladores não tinham até aquele momento qualquer sistema de controle de desgaste ou inspeção preditiva devido ao grande risco de acidente durante a coleta dos dados.
Tipos de falha detectáveis no ventiladores
Folgas: Muitas vezes aparecem picos em 1x a rotação do eixo e freqüências harmônicas, algumas vezes pode surgir 1/2x e harmônicas;
Desbalanceamento: Normalmente aparece pico em 1x a freqüência fundamental do eixo com amplitude maior na leitura do plano horizontal;
Eixo empenado: Pico em 1x a freqüência fundamental com amplitude maior no plano axial;
Rolamentos: Picos em alta freqüência que coincidem com freqüências de falha do rolamento;
Trincas na estrutura: 1x a rotação do eixo e sub-harmônicos;
Ressonância: Picos coincidindo com freqüência natural do conjunto;
Roçamento: Freqüência fundamental do motor x o número de ranhuras do rotor e estator do motor.
A possibilidade encontrada foi realizar os trabalhos de preditiva com o máximo de segurança e confiabilidade possíveis. O equipamento usado para medição era composto de um coletor, um cabo de comunicação e um acelerômetro (piezo-elétrico). O acelerômetro em um monitoramento normal é fixado por um prisioneiro a uma base magnética. Esta é colocada na carcaça do motor para as medições.
As estufas de secagem possuem quatro ventiladores montados um sobre o outro numa torre giratória. A primeira situação a resolver era a necessidade de retirar o analista da área de risco durante a coleta dos dados. Para isso foi necessário um cabo de comunicação entre acelerômetro e o coletor, com comprimento que possibilitasse a retirada do coletor e do analista para um local seguro durante a coleta. O tamanho do cabo resultou numa diferença de impedância que não gerou nenhuma falha no sinal.
Cabo de comunicação e acelerômetro
Os cabos conectores ou cabos de comunicação transmitem pulsos de uma parte da eletrônica para outra.
Levando em consideração que o pulso na análise de vibrações consiste num espectro continuo de freqüência, ele deveria ser capaz de transmitir uma faixa infinita de freqüências uniformemente através da referida distância. O cabo perfeito não existe. Capacitância, impedância, indutância irão atenuar algumas freqüências causando distorção e ruído. Normalmente, no ato de aquisição do cabo o fornecedor já informa qual sua impedância.
O sinal de saída do acelerômetro deve ser condicionado para se adequar ao estágio de amplificação do coletor. Ele é um gerador de força eletromotriz que tem uma alta impedância de entrada. Este é um complicador do pré-amplificador de acelerômetro. Os ajustes de impedância de saída do acelerômetro aceitam altas impedâncias por possuírem impedância de entrada bastante elevada (5 Gohms, 200.000 Gohms, etc).
Suporte de fixação do probe
A condição para elaborar um dispositivo fixo para instalação do acelerômetro é ter alta freqüência natural (rigidez e pouca massa). O dispositivo teria que ser fixo de maneira rígida, o mais próximo possível do mancal. A instalação do acelerômetro interfere diretamente na resposta em freqüência do sinal. A aceleração gerada e a vibração poderiam acarretar o desprendimento de uma base magnética do mancal causando acidentes.
A freqüência natural de um acelerômetro varia de 6,5 a 240 kHz, com uma sensibilidade de 100 mV/g, com uma faixa de freqüência de 3 mHz a 180 khz. Os transdutores de aceleração ou acelerômetros operam segundo o princípio de que um cristal piezo-elétrico gera um sinal elétrico quando sujeito à compressão ou extensão. A carga gerada pelo cristal é uma reprodução fiel do movimento da superfície na direção do eixo sensível do acelerômetro.
O dispositivo é fixado nos parafusos das tampas traseira e dianteira do motor. Esse suporte também teria a mesma finalidade da base magnética, porém com 100% de rigidez, e uma segurança bem superior. Desta forma, o acelerômetro estava fixado no suporte preso ao motor na parte dianteira para medições dos rolamentos dianteiros e na tampa traseira do motor para avaliações do rolamento traseiro, obtendo um ótimo sinal de monitoramento e excelente segurança.
Outro fator obser vado era que os suportes ficariam expostos a um ambiente com um grau de agressividade muito elevado, um índice de umidade muito alto e uma temperatura ambiente em torno dos 100° C. Esses fatores com certeza implicariam numa corrosão do suporte. Para evitá-la existiam duas possibilidades: a de fazer o suporte de aço inox que conseguisse suportar a agressividade do ambiente ou que fosse feita alguma proteção no material isolando o aço dos agentes contaminantes como uma galvanização e uma pintura com tinta epóxi.
O dispositivo possui rebaixos que servem como guia para a fixação e aumento da rigidez do acelerômetro no conjunto durante a tomada dos dados. A base do dispositivo é quadrada possibilitando que se tenha em quatro lados esse rebaixo, facilitando na análise, as leituras nos planos vertical, horizontal e axial.
Monitoração dos ventiladores
Após finalizar a instalação dos suportes foi retirada a primeira leitura de vibrações dos motores que estavam com rolamentos novos e revisados, possibilitando a aquisição de uma assinatura espectral.
Outro fator que aumenta a confiabilidade nos diagnósticos é o conhecimento dos componentes internos do equipamento como, por exemplo, rolamentos (marca, quantidade de esferas, numero), número de ranhuras do estator e do rotor, número de pás do ventilador, rotação, potência.
Com essas informações podemos saber exatamente o que esta ocorrendo nos ventiladores, ampliando a confiabilidade no equipamento e diminuindo custos de manutenção. É possível citar o exemplo de dois casos de falha verificadas nos motores da estufa Neumann, dois meses e meio após a assinatura e revisão dos ventiladores. A tabela 1 descreve as freqüências de falha que podem ser correlacionadas na análise e os dados do equipamento.
Para aquisição das freqüências de falha de rolamento utilizou-se o software do sistema de análise de vibrações, para isso é necessário saber o número do rolamento e a marca.
Após termos plena ciência das freqüências que podem retratar uma falha, deve ser realizada uma análise. No primeiro caso, foi verificado um desbalanceamento gerado pela hélice do ventilador. Foram realizadas leitura e análise e enviado um relatório para área de execução buscando sanar a falha. Anteriormente, considerando este caso, o equipamento teria como única manutenção a inspeção visual e, provavelmente, uma intervenção corretiva.
Como evitar paradas indesejáveis durante a secagem?
Caso 1. Defeito nos mancais de rolamento do motor
Conhecendo as freqüências de falhas, é possível ter conhecimento total do processo de desgaste do equipamento durante as inspeções após a leitura da “assinatura” (leia-se a primeira leitura de vibração do equipamento depois de uma intervenção ou no start de um maquinário novo).
O motor 2 da estufa 1 (Neumann) apresentou problemas cinco meses após a primeira medição. Foi notada uma vibração severa induzida por uma excitação de defeitos com respostas em alta freqüência. O envelope de aceleração apresentava picos que indicavam falha na pista externa do rolamento traseiro (6211 Z C3).
Foram feitos dois ajustes de envelope de aceleração diferentes. Em um deles, o modo de detecção está em RMS e em outro está em pico-a-pico. Assim é possível ver a energia de picos na freqüência no modo RMS ( root mean square ou valor eficaz). No modo de detecção pico-a-pico a energia e o sinal emitidos pelo pico em evidência no espectro podem ser visualizados.
O propósito do envelope de aceleração é amplificar os pequenos sinais. Primeiro, o método separa os sinais de alta freqüência de vibrações do rolamento dos de baixas freqüência da máquina, através de um filtro passa-faixa. O problema da medição neste momento é detectar pequenas amplitudes. Um sinal de defeito no domínio de tempo é muito estreito e resulta em um componente de energia disperso sobre uma larga faixa de freqüências. Por conseqüência, as amplitudes dos harmônicos da freqüência de defeito são quase encobertas pelos ruídos.
Outro ponto importante é a escolha do filtro passa-faixa. É preciso escolher os que passem na freqüência onde as falhas estiverem ressonando. Por exemplo, sabemos que os defeitos de rolamento respondem em um estágio inicial da falha numa elevada freqüência (acima 20 kHz). Portanto, pode-se usar um filtro 500 Hz a 10 kHz e ou de 5 kHZ até 40 kHz, para uma visão decrescente da falha, acompanhando desde seu primeiro sinal de fadiga ou desgaste.
Para observar a faixa de freqüência em que determinado equipamento está respondendo em ressonância, pode-se utilizar uma leitura de espectro de aceleração com range de até 20 kHz. Desta forma são localizadas as faixas de freqüência que respondem ao equipamento, podendo ajustar os filtros e até utilizar um ou mais, caso se considere necessário. É importante lembrar que quanto mais rico de informações for o monitoramento, melhor e maior será a confiabilidade do resultado do trabalho.
As falhas de rolamentos em equipamentos podem ser divididos em quatro fases de detecção na análise de vibrações, como apresentado na figura 1.
O gráfico da figura 2, foi montado com as leituras adquiridas no motor. Foi possível verificar a elevação das tendências das vibrações em alta freqüência e planejar
a manutenção neste ventilador.
Após a intervenção mecânica no motor do ventilador da estufa de secagem, as vibrações retornaram a um nível considerado ideal para um bom funcionamento do equipamento, como pode ser visto na figura 3.
Caso 2. Desbalanceamento das hélices do ventilador
Outro fator importante a ser observado é que estas hélices são muito suscetíveis a um desbalanceamento e, em conseqüência, a problemas estruturais relacionados a
base. Antes do monitoramento aconteciam vários casos de parada inesperada por falha no motor originada por danos nas hélices e estruturas.
Na estufa de secagem 2 (Neumann), o ventilador 3 apresentou vibrações severas em uma das leituras.
O desbalanceamento severo pode originar danos na estrutura, ovalização dos mancais, diminuição grave da vida útil dos rolamentos e, principalmente, acarretar numa parada de processo (foto na página seguinte). A ressonância tem alta sensibilidade ao desbalanceamento, portanto podem surgir danos relevantes na estrutura da máquina. Neste caso temos uma amplitude irregular em 29,7 Hz que induz ao desbalanceamento residual das hélices, auxiliando assim para que a intervenção ocorra somente na causa do problema. Veja a figura 4.
Resultados do monitoramento
Conforme projetado e verificado, otimizar os meios de manutenção pode realmente ajudar a diminuir, em muito, os custos de manutenção de uma empresa. Além disso, o nível de produtividade dos segmentos industriais está proporcionalmente relacionado com o baixo custo de manutenção e ausência de paradas abruptas em seus equipamentos principais. A comprovação dos benefícios de um monitoramento preditivo na indústria são facilmente ilustrados e a credibilidade do sistema é diretamente envolvida pela experiência do usuário e pelas ferramentas que o sistema proporciona.
No caso do processo de secagem foi elaborada uma solução de custo baixo pela empresa já possuir os equipamentos de preditiva necessários, e ainda um técnico interno à empresa. O fator principal da decisão foi unicamente para obter uma otimização gerencial no plano de manutenção, com maior respaldo para as novas tecnologias como a preditiva. Como pudemos acompanhar, o número de paradas abruptas do processo diminuiu muito, mas o número de intervenções é alto e inviável deixando uma abertura para um estudo buscando a diminuição do número de intervenções realizadas. Os tempos de manutenção corretiva diminuíram, aumentando os tempos de manutenção programada.
O projeto realizado não passou de uma otimização e melhoria na manutenção, que automaticamente influencia todo o processo de forma positiva. A atualização de técnicas de manutenção e também das pessoas envolvidas é ponto vital para empresa moderna. Não há tempo a perder!
Composição do sistema de monitoramento
Coletor de dados que tenha condições de suporte técnico para uma pré- análise confiável, tenha interface com um software e possibilite uma gama variada de aquisição de sinais com filtros de banda e freqüência;
Software que possibilite uma análise confiável dos sinais adquiridos, possibilitando a visualização dos espectros, envelopes e tenho condições de análise no domínio de tempo e freqüência;
O cabo de comunicação entre o probe e o coletor com comprimento superior a 20 metros;
Acelerômetro tipo piezo-elétrico;
Suporte para fixação do acelerômetro nos motores.
As ferramentas de análise podem variar desde análise de espectro em cascata até análise de órbita dependendo do software.
*Originalmente publicado na revista Mecatrônioca Atual - Ano 6 - Edição 34 - Jun/Jul/07
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