Rolamento: os quatro estágios de falha e o que o espectro FFT mostra em cada um

Rolamento não quebra de repente. Ele avisa, e avisa em etapas: primeiro em frequências que só um sensor de alta resposta enxerga, depois nas próprias frequências naturais, depois nas frequências de falha que qualquer espectro de velocidade mostra, e por fim no ruído generalizado que antecede o travamento. Quem sabe ler essas etapas troca o rolamento na parada certa, com a peça em mãos.

Este artigo explica os quatro estágios, as frequências características de cada componente do rolamento, o que é o envelope e como o alerta por tendência antecipa a troca. É leitura para o técnico de vibração e para o gerente que quer entender por que "ainda está na zona B" não significa "ainda está bom".

As frequências de falha

Um rolamento tem quatro componentes que geram vibração quando têm defeito: a pista externa, a pista interna, os elementos rolantes (esferas ou rolos) e a gaiola. Cada um produz uma frequência característica, calculada da geometria do rolamento e da rotação:

• BPFO (Ball Pass Frequency Outer): frequência com que os elementos passam por um ponto da pista externa.
• BPFI (Ball Pass Frequency Inner): o mesmo para a pista interna.
• BSF (Ball Spin Frequency): rotação de cada elemento em torno do próprio eixo.
• FTF (Fundamental Train Frequency): rotação da gaiola.

As fórmulas usam o número de elementos (n), o diâmetro do elemento (d), o diâmetro primitivo (D) e o ângulo de contato (a), com f a frequência de rotação do eixo:

• BPFO = (n ÷ 2) × f × (1 − (d ÷ D) × cos a)
• BPFI = (n ÷ 2) × f × (1 + (d ÷ D) × cos a)
• BSF = (D ÷ 2d) × f × (1 − ((d ÷ D) × cos a)²)
• FTF = (f ÷ 2) × (1 − (d ÷ D) × cos a)

Os fabricantes publicam esses valores por modelo. Quando o modelo não é conhecido, valem as aproximações de campo: BPFO perto de 0,4 × n × f, BPFI perto de 0,6 × n × f e FTF perto de 0,4 × f. Para um rolamento de 9 esferas num eixo a 29 Hz (motor de 4 polos em rede de 60 Hz), BPFO fica em torno de 105 Hz e BPFI em torno de 157 Hz.

O detalhe que salva o analista: essas frequências são múltiplos não inteiros da rotação (3,6x, 5,4x, e assim por diante). Desbalanceamento, desalinhamento e folga aparecem em múltiplos inteiros. Um pico em 5,4x rotação, sem harmônico inteiro por perto, é rolamento até prova em contrário, mesmo sem saber o modelo.

Os quatro estágios

Estágio 1: o dano ainda é subsuperficial. Não há pico visível nas frequências de falha no espectro de velocidade. As primeiras indicações aparecem na faixa ultrassônica e são captadas por técnicas de alta frequência: demodulação, energia de pico (spike energy), pulso de choque. Nesta fase o defeito é microscópico, e lubrificação deficiente pode ser a causa. A maior parte da vida ainda está pela frente.

Estágio 2: as frequências naturais do rolamento acordam. Os impactos de cada passagem sobre o defeito excitam as frequências naturais dos componentes do rolamento, em geral entre 500 Hz e 1,5 kHz (30 mil a 90 mil cpm). Aparecem no espectro de aceleração, com bandas laterais na rotação. É o estágio em que o envelope brilha, e em que a troca pode ser planejada sem pressa.

Estágio 3: as frequências de falha aparecem no espectro de velocidade. O RMS global sobe. BPFO, BPFI ou BSF ficam visíveis com seus harmônicos, e a BPFI costuma ser a primeira a ganhar bandas laterais de 1x rotação, porque o defeito na pista interna gira e entra e sai da zona de carga a cada volta. Aqui a troca deixa de ser opcional e passa a ser questão de quando.

Estágio 4: o rolamento se desfaz. A amplitude de 1x rotação e seus harmônicos sobe (a folga aumentou), bandas laterais de 1x aparecem em volta de tudo, ruído e temperatura crescem, e as frequências de falha discretas somem, substituídas por um piso de ruído aleatório de banda larga. A vida restante se mede em horas ou dias, e a parada aqui é parada de emergência.

O que é o envelope

Nos estágios 1 e 2 os impactos são pequenos e escondidos sob a vibração normal da máquina. A técnica de envelope (ou demodulação) filtra o sinal de aceleração numa banda alta, em torno das frequências naturais excitadas, extrai a envoltória desses impactos repetitivos e faz a FFT da envoltória. O resultado mostra a frequência com que os impactos se repetem, que é justamente BPFO, BPFI ou BSF, muito antes de elas aparecerem no espectro de velocidade. Exige sensor com resposta em alta frequência e fixação rígida; ímã sobre tinta não entrega.

Como o alerta por tendência antecipa a troca

Com RMS de velocidade e temperatura registrados várias vezes por dia em cada mancal, a passagem do estágio 2 para o 3 aparece como uma inclinação na curva, semanas antes de o valor cruzar a zona C. A ISO 20816-3 dá o critério: mudança acima de 25% da fronteira B/C, no mesmo ponto e nas mesmas condições, é significativa e pede investigação, esteja onde estiver na tabela.

Na nossa plataforma, cada leitura é comparada com os limiares do sensor, só a mudança de nível avisa (e-mail e WhatsApp), e a tendência é ajustada sobre o histórico para projetar quando o limiar de alarme seria atingido, com a confiabilidade da estimativa declarada. Uma ressalva que fazemos sempre: rolamento em desgaste acelera no fim, então a projeção é prazo máximo, não data marcada. O espectro FFT sob demanda é o passo seguinte: o engenheiro abre o espectro, procura os múltiplos não inteiros e confirma qual componente está falhando.

A sequência prática:

1. Tendência sobe: alerta. Abre-se o espectro e confirma-se rolamento.
2. Estágio 2 ou início do 3: compra-se o rolamento, programa-se a parada na janela da produção.
3. Troca feita com a máquina ainda íntegra: eixo, alojamento e selo sobrevivem.
4. Nova linha de base registrada.

O que fazer agora

1. Levante o modelo dos rolamentos das máquinas críticas e calcule (ou peça ao fabricante) as quatro frequências para a rotação de operação.
2. Garanta fixação rígida e sensor com resposta acima de 1 kHz nos mancais que interessam.
3. Registre a linha de base com a máquina boa.
4. Trate a inclinação da tendência como o primeiro sinal, e o espectro como confirmação.

Se quiser saber o que a sua planta precisa, fale com um engenheiro nosso.

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Fontes: Ludeca, 4 Stages of Bearing Failures (guia de referência, 2021); ISO 20816-3:2022, item 6.3 (Critério II, mudança de magnitude de vibração); fórmulas de frequências de falha conforme a literatura de análise de vibração (Mobius Institute; Acoem; Power-MI).