O princípio da análise espectral é de que qualquer sinal pode ser decomposto em uma combinação de diferentes frequências. Para isso, pode-se realizar a decomposição por meio da transformada de Fourier, que converte um sinal do domínio do tempo para o domínio da frequência.
Análise espectral: Transformada Rápida de Fourier (FFT)
A Transformada Rápida de Fourier (FFT) é um algoritmo que calcula a Transformada discreta de Fourier (DFT) e a sua inversa (Teorema inverso de Fourier). Basicamente, o objetivo é analisar uma função em um outro domínio. A FFT é, assim, útil no processamento de sinais ao permitir a decomposição de sinais de vibração em componentes de frequência. Dessa forma, é possível identificar os padrões e anomalias em ativos industriais. Inclusive, a FFT tem aplicações em diversas áreas, desde engenharia de áudio até processamento de imagem.
A FFT converte um sinal em componentes espectrais individuais e assim fornece informações de frequência de cada um deles. Ela foi definida pelo matemático James William Cooley e o estatístico John Wilder Tukey em 1965. Eles conceberam a FFT a partir de um algoritmo que possibilita a discretização dos princípios estabelecidos por Fourier no início do século XIX, aprimorando assim a análise de sinais e a compreensão de fenômenos oscilatórios.
Uma valiosa aplicação da FFT é a decomposição de um espectro em seus vários componentes vibracionais, por exemplo. É possível ainda aplicar esse princípio na decomposição das ondas eletromagnéticas como a luz. Mas, em relação ao seu uso para a detecção de falhas na manutenção, o foco está na decomposição das ondas mecânicas – vibrações.
Entender a propagação dessa perturbação mecânica é fundamental para compreender e aplicar a análise de vibração, em especial, para fazer a análise espectral. Assim, é possível visualizar as diferentes componentes de frequência presentes no sinal e analisar seu comportamento.
O que é análise espectral?
A análise espectral é um conjunto que engloba a análise estatística das séries temporais mais os métodos de análise de Fourier. Ela é, portanto, uma forma de organizar e ler a vibração. Isto é, cada vibração possui uma assinatura, uma característica única, e por meio da decomposição é possível perceber com clareza cada uma delas.
Assim, em um ativo existirão vários componentes vibracionais ocorrendo ao mesmo tempo que se somam e geram a percepção de que só existe uma vibração. A FFT serve justamente para fazer a separação e assim analisar com atenção cada uma delas.
Quando há algo diferente nessa vibração pode ser indício de uma falha. Isto é, um rolamento sob certas condições apresentará uma assinatura espectral, se houver algum problema haverá perturbações específicas nessa assinatura. Indicando, portanto, se é uma folga, um desgaste ou etc.
Para saber como identificar falhas com a análise espectral, leia mais sobre o assunto aqui.
A partir disso, existem algumas ferramentas matemáticas e estatísticas para ver informações diferentes do espectro e então fazer as análises.
Principais Análises de Espectro aplicadas a manutenção
O espectro é o intervalo completo de frequências. Isto é, engloba desde ondas com baixa até as ondas com alta frequência. A análise de espectro serve, portanto, para observar um determinado sinal nesse intervalo. Assim, é possível monitorar continuamente o espectro para capturar os efeitos transitórios, sinais de baixa potência e outras fontes de interferência.
A análise espectral é composta por técnicas para o estudo e interpretação de sinais e sistemas. A possibilidade de decomposição de um sinal proporciona a compreensão de suas características e comportamento. Oferece assim, uma série de benefícios, como a identificação de padrões, a remoção de ruídos indesejados e a otimização do desempenho.
No aspecto prático, a espectral permite identificar indícios de falha em componentes de um ativo. Inclusive, é possível aplicar as diferentes formas de análise (que combinam variáveis e distintas formas de representação) em um mesmo ativo para facilitar essa visualização. Isso porque algumas falhas em componentes específicos ficam mais evidentes em determinados tipos de análise.
Pensando nisso, a plataforma web da Dynamox oferece diversos tipos de análise que facilitam o diagnóstico do analista. Conheça um pouco mais sobre cada uma delas:
Análise da Forma de Onda no tempo
A análise de forma de onda é basicamente a representação dos valores instantâneos em função do tempo. Ou seja, ela se dá através da relação: frequência X tempo. Essa relação é descrita por f = 1/p, onde 1 é a frequência (Hz) e p é o período em segundos (ou tempo necessário para se completar 1 ciclo). Assim, conhecendo essa relação é possível determinar os componentes da frequência a partir dos dados brutos da forma de onda.
Na plataforma Dynamox, ela pode ser apresentada na forma linear (como na imagem acima), circular e orbital.
Um exemplo de aplicação desse tipo de técnica é a identificação de falhas na pista externa de mancais de rolamento. Geralmente, se manifestam como uma sucessão de picos igualmente espaçados, no domínio do tempo, e que representam passagem de elementos rolantes sobre trincas formadas ao longo da vida útil do rolamento.
Análise Circular
A forma de onda circular tem interação direta com o gráfico de forma de onda cartesiano. Ilustrando naquele, as regiões de início e fim das rotações definidas pelo usuário.
A definição do valor do RPM também tem interação direta com os demais recursos que dependem deste parâmetro, a exemplo dos marcadores de frequência de rolamento.
Da mesma forma, há a reflexão na forma de onda circular das diferentes métricas, parâmetros de filtro, e demais transformações de sinal aplicadas à forma de visualização cartesiana.
Um exemplo de aplicação desse tipo de técnica é a identificação de falhas na pista externa de mancais de rolamento. Geralmente, se manifestam como uma sucessão de picos igualmente espaçados, no domínio do tempo, e que representam passagem de elementos rolantes sobre trincas formadas ao longo da vida útil do rolamento.
A autocorrelação é outra técnica que pode ser utilizada em conjunto com a forma de onda circular. Especialmente, quando aplicada ao sinal e visualizada no sistema polar, ajuda a tornar mais evidente os padrões de interesse durante a análise.
Leia mais sobre: Forma de Onda Circular: gráfico para análise de falhas em ativos (dynamox.net)
Autocorrelação da forma de onda
A autocorrelação da forma de onda é uma ferramenta de identificação de defeitos em máquinas, que, a partir da análise do domínio do tempo, correlaciona formas de onda consigo mesmas para calcular um fator de correlação a cada instante de tempo. Assim, ela evidencia o que repetitivo e o que é aleatório.
Leia mais sobre: Autocorrelação: identificando sinais de vibração de máquinas (dynamox.net)
Análise de Órbita
A Análise de Órbita permite identificar problemas de vibração onde outras técnicas não conseguem entregar informações suficientes para a análise. Um exemplo são as máquinas que possuem mancais de deslizamento ou escoras (turbinas, bombas, geradores, compressores, etc). Isso porque a observação se dá a partir da frequência a partir da amplitude e da fase do componente, por meio do transdutor e do estado de estabilidade da operação. Sendo, portanto, necessário coletar dados triaxiais (como realizado pelos sensores Dynamox) para que a análise funcione.
Desse modo, a ferramenta é ideal para o exame dos movimentos do rotor e avaliação de quaisquer restrições de movimento que causem vibração. Ajuda, ainda, a determinar o estado de lubrificação e os estados dos rolamentos.
Cascata Espectral
O gráfico espectro em cascata (também conhecido como cascata espectral) permite a visualização de uma série de espectros de um mesmo ponto de monitoramento coletados em diferentes momentos em um único gráfico.
Esta ferramenta é fundamental para a observação de variações nos espectros ao longo do tempo. Assim, é possível evidenciar o surgimento de falhas prematuras ou mudanças na condição de operação do equipamento em termos de faixas de frequência. Uma das possíveis aplicações é a identificação da evolução de um defeito do rolamento de um mancal de tambor de desvio de um transportador de correia.
Leia mais sobre: Espectro em cascata: Solução pioneira na manutenção (dynamox.net)
Cepstro
Os espetros de frequência possuem muitas componentes vibratórias o que dificulta a interpretação. Assim, o Cepstro é útil para identificar famílias de harmônicas e bandas laterais em sinais complexos e consistes. Analisam-se, desse modo, as periodicidades do espectro como se este fosse uma forma de onda. Assim, o foco da análise são as características das bandas laterais e não a frequência de engrenamento normal da máquina.
Dessa forma, uma das indicações de uso do Cepstro é para identificar falhas em engrenamentos. Isso porque a partir dessa forma de análise é possível perceber a frequência das bandas laterais. Afinal, são elas que vão definir a severidade desse defeito. Quantos mais bandas e quanto mais energia, mais severo é o defeito.
Leia mais sobre aqui: Cepstro: a análise das famílias de harmônicos (dynamox.net)
Envelope de aceleração
A análise dos espectros de envelope permite determinar as taxas de repetição dos impactos que geram as ondas de tensão, identificando os componentes defeituosos. Essa forma de análise permite ver micro impactos em altas frequências ao atenuar as baixas e evidenciar as altas. Essa característica permite a visualização de uma faixa menor, mas com alta resolução.
A ferramenta é indicada para detectar avarias em rolamentos, problemas mecânicos que podem gerar choques, como engrenagens em mau estado, folgas, desapertos, etc.
Leia mais sobre aqui: Envelope de aceleração: conheça essa análise (dynamox.net)
Plataforma Dynamox: Complementos das Análises Espectrais
Previsão
A previsão é uma funcionalidade que permite projetar o agravamento de uma falha. Isto é, a partir da configuração correta das características do ativo e da existência de um histórico, a ferramenta consegue fornecer um cone de previsibilidade do agravamento do problema. Essa projeção se dá a partir do cenário mais crítico de atividade e permite que haja uma programação de manutenção.
Se todos os parâmetros estiverem bem configurados, é possível prever falhas com muitos dias de antecedência. A previsão pode ser aplicada a todos os ativos monitorados, tornando-se uma informação extremamente valiosa para um planejamento eficiente da manutenção.
Comparação de Análises Espectrais
Outra funcionalidade bastante útil para entender o desempenho dos ativos é a comparação entre as análises espectrais. Na plataforma da Dynamox é possível comparar as análises de diferentes períodos, bem como de diferentes spots. Dessa forma, é possível perceber a evolução de um problema ou notar diferenças entre ativos iguais.
A comparação funciona, portanto, tanto para espectros de exemplares distintos de um mesmo ativo, quanto para comparativos entre spots de uma mesma máquina. Neste caso, é possível analisar o lado esquerdo versus o direito, por exemplo. Essa funcionalidade está disponível para todos os tipos de análise disponíveis na plataforma.
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