Sistema de Detecção de Falhas em Rolamentos de Roletes de Esteira transportadora

Sistema de Detecção de Falhas em Rolamentos de Roletes de Esteira transportadora

(Parte 3 de 7)

NW: numero de janelas do PSD sW: sobreposicao entre as janelas de dados consecutivas do PSD

Pxx: estimativa do PSD σW: incerteza associada a estimativa do PSD pj: probabilidade de ser pico vj: valor da amplitude do pico m: numero de maximos locais existentes em determinada faixa

XValor: valor de pico representativo para toda a faixa

XPico: variavel de entrada do sub-sistema de inferencia nebulosa Faixa, que representa quao significativo o valor e em relacao ao ruıdo de fundo

XProbabilidade: variavel de entrada do sub-sistema de inferencia nebulosa Faixa, que representa o valor de probabilidade associado a cada pico

XRuido: valor da densidade espectral de potencia de ruıdo de fundo σRuido: desvio padrao da estimativa da densidade espectral de potencia de ruıdo de fundo

XFrequencia: variavel de entrada do sub-sistema de inferencia nebulosa Detecta, que representa se ha picos quaisquer que conduziriam a uma diferenca entre a PSD media e a

PSD mediana (estimativa do ruıdo de fundo) no domınio da frequencia

XFrequencia: corresponde a media de todos os valores de PSD YSinal: variavel de saıda do sub-sistema de inferencia nebulosa Tempo YFaixa: variavel de saıda do sub-sistema de inferencia nebulosa Faixa

YNormal, YFalha, YPI, YPE e YESF: variaveis de saıda do sub-sistema de inferencia nebulosa Detecta dB = ai = ao: Distancia entre o rolamento e o centro de massa

Ri: Distancia entre a pista interna e o eixo Ro: Distancia entre a pista externa e o eixo ωC: velocidade de rotacao da gaiola (rpm) zγ: 100 γ% percentil da distribuicao normal padrao sendo γ a probabilidade que indica o nıvel de confianca desejado σ: e o valor assumido para o parametro de escala V : variancia assintotica da estimativa do percentil de interesse, multiplicada por nσ2 P: percentil(100P%) da distribuicao do tempo de falha do produto que e de maior interesse para o estudo pa: probabilidade de falha no nıvel alto de estresse durante o perıodo de teste po: probabilidade de falha nas condicoes de projeto durante o perıodo de duracao do teste λ(t): tamanho da amostra para estimacao da taxa de falha em um determinado tempo

V(εe;εc): e o fator de variancia δ: e o valor do parametro de forma da Distribuicao Weibull

Po: pressao exercida sobre os discos v: velocidade linear aplicada

F: forca aplicada nos discos A: area de contato ω: velocidade angular A: conjunto nebuloso X: universo de discurso ao qual o conjunto pertence x: componente do conjunto nebuloso µA(x): funcao de pertinencia

Lista de Abreviaturas

FFT: Fast Fourier Transform PSD: Power Spectral Density RMS: Root Mean Square ABNT: Associacao Brasileira de Normas Tecnicas PPGEE: Programa de Pos-Graduacao em Engenharia Eletrica - EEUFMG UFMG: Universidade Federal de Minas Gerais

20 1 Introducao

1.1 Descricao do Problema

Paradas nao programadas em correias transportadoras geram altos custos de manutencao e perdas de producao para empresas mineradoras. Dentre as causas de travamentos nestas correias estao falhas em um de seus componentes, os roletes.

As mineradoras nao possuem informacoes a respeito da vida util e resistencia mecanica dos seus roletes. Quando ocorrem travamentos desses componentes, e as correias transportadoras de minerio continuam funcionando, sao gerados desgastes em ambos, tais como furos na carcaca dos roletes e rasgos nas correia.

Tendo em vista este fato, foi desenvolvida na Universidade Federal de Minas Gerais

(UFMG) uma bancada para ensaios de roletes de correias transportadoras. Esta bancada e utilizada neste trabalho para possibilitar o estudo de falhas em roletes, por meio da obtencao de dados reais em ensaios de resistencia mecanica dos mesmos.

Nos ultimos anos tem ocorrido um aumento na necessidade de monitoramento em tempo real para diagnostico de falhas em maquinas rotativas, objetivando promover o aumento da eficiencia, da confiabilidade, da disponibilidade e da facilidade de manutencao de plantas industriais (HENG et al., 2009; CHEN; PATTON, 1999; GERTLER, 1998; SZOLC et al., 2009; NASCIMENTO et al., 2006). Neste contexto, e importante notar que a maioria das falhas encontradas em maquinas rotativas podem ser relacionadas a defeitos mancais de deslizamento ou mancais de rolamentos (ZIO; GOLA, 2009; GHAFARI, 2007).

Na literatura nao sao encontrados metodos de deteccao de falhas em roletes, sendo comum estudos sobre tecnicas para deteccao de falhas em maquinas rotativas por meio da analise de falhas em mancais de rolamentos, principalmente envolvendo analise de sinais de vibracao, tanto no domınio do tempo quanto no domınio da frequencia (SAWALHI,

2007). Assim, e de fundamental importancia um estudo de falhas em roletes a partir de metodos ja consagrados para maquinas rotativas e rolamentos.

Varios metodos podem ser utilizados para desenvolvimento de tecnicas de deteccao e diagnostico de falhas em rolamentos a partir da analise de sinais de vibracao (BEZERRA, 2004; MENDEL et al., 2008b), tais como: tecnicas de aprendizado por meio de redes neurais artificiais (CASTEJoN; LARA; GARCıA-PRADA, 2010; LI et al., 2000; SELIGER; FRANK, 1995; PADOVESE, 2002); em muitos casos empregando-se redes neurais nebulosas (ZIO; GOLA, 2009; GHAFARI, 2007; JANG, 1993); sistemas especialistas por meio de logica nebulosa (GODDU; LI; HUNG, 1998; FUJIMOTO, 2005; GAO; OVASKA, 2001; MECHEFSKE, 1998; LIU; SINGONAHALLI; IYER, 1996; LIU, 2005; VICENTE; FUJIMOTO; PADOVESE, 2001; VICENTE et al., 2001); entre outros.

Diversos autores classificam a analise de sinais de vibracao de rolamentos em tres abordagens (CASTEJoN; LARA; GARCıA-PRADA, 2010; BEZERRA, 2004): analise no domınio do tempo, analise no domınio da frequencia e analise no domınio do tempo-frequencia. No domınio do tempo sao utilizados parametros estatısticos para determinacao da ocorrencia da falha, tais como valor eficaz (RMS) e curtose. Ja no domınio da frequencia, uma das tecnicas mais utilizadas para deteccao e diagnostico de falhas em rolamentos baseia-se na estimativa de Densidade Espectral de Potencia (PSD) do envelope modulante do sinal temporal de falha (CASTEJoN; LARA; GARCıA-PRADA, 2010). Finalmente, no domınio do tempo-frequencia, uma tecnica bastante utilizada e a Transformada de Wavelet, especialmente para sinais com caracterısticas nao estacionarias (CASTEJoN; LARA; GARCıAPRADA, 2010).

Neste trabalho propoe-se uma metodologia de deteccao de falhas em rolamentos por meio de um sistema de inferencia nebulosa, tendo como entradas parametros no domınio do tempo (valor RMS do sinal temporal) e no domınio da frequencia (analise de frequencias caracterısticas de defeito por meio da estimativa de densidade espectral de potencia do envelope modulante do sinal temporal de falha) obtidos por meio da analise de sinais de vibracao simulados e sinais reais de falhas comumente encontradas em rolamentos (falhas nas pistas interna e externa, e falhas nas esferas). Destaca-se que a tecnica de deteccao de falhas proposta nesta dissertacao foi baseada em sinais de vibracao simulados, devido a impossibilidade de se obter uma quantidade de dados reais suficiente para implementacao da tecnica proposta durante o perıodo do trabalho.

A novidade proposta nesta dissertacao para analise do espectro de frequencias con- siste na inclusao de informacao acerca da incerteza na estimativa da densidade espectral de potencia (PSD), permitindo uma analise mais criteriosa das amplitudes de PSD nas frequencias de defeito. Alem disso, procede-se a uma analise do quao significativas estas amplitudes sao em relacao a um sinal de ruıdo de fundo estimado, e qual a probabilidade de serem de fato picos em relacao as demais frequencias vizinhas no intervalo considerado.

1.1.1 Bancada de Testes de Roletes

A bancada utilizada para os testes, vista nas Figuras 1 (a) e (b), e constituıda de quatro roletes e quatro rolos, sendo que os roletes se encontram na regiao inferior da bancada e os rolos encontram-se na parte superior. Os rolos de carga sao acionados por motores e induzem o movimento rotacional nos roletes, por atrito (LOURES, 2006).

(a) (b)

Figura 1: Bancada de ensaio de roletes, em (a) esquema, em (b) foto. Fonte: Grupo de Dinamica dos Rotores.

O sistema de automacao da bancada e composto por (LOURES, 2006): sensores (aceleracao, temperatura e proximidade); placas de aquisicao de dados; circuitos eletronicos de condicionamento de sinais e por dois computadores. Desta forma, os sinais analogicos dos sensores sao lidos, condicionados e convertidos em sinais digitais pelas placas de aquisicao de dados, e apresentados ao usuario.

1.1.2 Planejamento de Testes Experimentais

De acordo com Nascimento et al. (2006), os roletes tem vida util media de 30 meses, operando em condicoes normais de carga e velocidade. Portanto, a realizacao de testes de vida util em roletes em condicoes normais torna-se uma tarefa bastante demorada quando se pretende obter um numero de amostras significativo que garanta a precisao desejada, tornando-se praticamente inviavel. Para reduzir o tempo de ensaios de roletes, a bancada projetada permite opera-los em velocidades de rotacao e em cargas mais elevadas do que aquelas normalmente experimentadas em campo.

A selecao de amostras e a determinacao das condicoes de velocidade e carga para os testes na bancada foram baseadas em teoria de confiabilidade, como visto no Apendice A. Para tanto, foi realizado o planejamento de testes acelerados de roletes na bancada para se determinar a viabilidade de obtencao de dados de falhas reais durante o perıodo de elaboracao deste trabalho. O planejamento dos testes de vida acelerados e importante neste estudo por garantir a confiabilidade dos resultados obtidos para vida util de roletes, uma vez que estes dados nao estao disponıveis na literatura, ou na norma de padronizacao de roletes de correias transportadoras (ABNT NBR 6678, de janeiro de 1988).

Infelizmente constatou-se, como visto no Apendice A, a inviabilidade de se obter resultados precisos em tempo habil para a extrapolacao dos dados de testes de vida acelerados para as condicoes de uso, devido ao grande tamanho de amostras necessario. Isto porque, com a bancada de ensaios apresentada e possıvel realizar testes de falhas com aproximadamente 12 roletes no perıodo de 18 meses na bancada de ensaios disponıvel. Entretanto, este numero de amostras e insuficiente para se obter uma precisao aceitavel na estimativa de vida util, sendo calculado um erro superior a 50% para este caso. De acordo com o o planejamento realizado, seria necessario o ensaio de aproximadamente 1.621 roletes neste curto perıodo de tempo para se obter uma precisao de aproximadamente 10%, por exemplo.

Sendo assim, para possibilitar a validacao da metodologia de deteccao de falhas proposta por meio de dados de falhas reais, foram induzidos defeitos causados por remocao de material nos rolamentos internos aos roletes. Desgastes deste tipo ocasionam mudancas no sinal de vibracao do sistema, que sao passıveis de deteccao automatica.

Esta metodologia de inducao de falhas em rolamentos se mostrou fundamental neste trabalho, afinal nao seria possıvel um conhecimento previo de quais falhas ocorreriam nos roletes submetidos aos testes (ex. falhas nos rolamentos, desbalanceamento, desalinhamento, entre outros), o que talvez dificultaria a obtencao de varios tipos de falhas. A analise destes sinais de falhas reais em rolamentos e de fato importante depois da validacao da metodologia com sinais simulados e sinais de falhas induzidas.

24 1.2 Objetivos

Os objetivos especıficos deste trabalho sao:

• Desenvolver um sistema de deteccao automatica de falhas para roletes de correias transportadoras;

• Desenvolver um modelo matematico para o rolete, possibilitando a simulacao de falhas comumente encontradas em rolamentos;

• Validar a tecnica implementada usando dados simulados;

• Testar a tecnica implementada a partir de dados reais de falhas induzidas.

1.3 Metodologia Proposta

Para cumprir o principal objetivo deste trabalho foram obtidos modelos para falhas ocorridas em rolamentos internos dos roletes capazes de produzir sinais de vibracao simulados correspondentes aqueles que seriam medidos por sensores vinculados a estrutura mecanica que suporta estes roletes.

O sistema de deteccao automatica de falhas, por sua vez, foi implementado por meio de uma maquina de inferencia nebulosa, tendo como entradas parametros no domınio do tempo e no domınio da frequencia, obtidos por meio da analise de vibracao de sinais temporais.

E importante analisar a metodologia em tres grandes areas: modelagem matematica (obtencao de dados simulados), processamento de sinais (obtencao do envelope do sinal temporal e estimativa da densidade espectral de potencia), e inteligencia computacional (maquina de inferencia nebulosa), conforme visto na Figura 2.

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