APLICACIÓN DE LA TEORÍA DE LAS L AS VIBRACIONES INTRODUCCIÓN Hoy en día la mayoría de las industrias modernas dentro de sus programas de mantenimiento predictivo, utilizan el monitoreo y análisis de las vibraciones con el fin de establecer cuál es el estado de salud mecánica de las máquinas y en particular de sus elementos más críticos como son los rodamientos, descansos y engranajes, y de esta manera prevenir fallas catastróficas. Sin embargo cuando las máquinas giran a baja velocidad, el análisis se complica debido principalmente a que la magnitud de las fuerzas dinámicas que generan las vibraciones decrece con la velocidad de rotación. Por ejemplo, el desbalancea miento genera una fuerza centrífuga proporcional al cuadrado de la velocidad. Adicionalmente, las máquinas de baja velocidad típicamente son de mayor tamaño y peso, por lo tanto, la señal de vibración medida sobre el alojamiento de los descansos es frecuentemente de muy baja amplitud y con una baja razón señal-ruido. La vibración es considerada el mejor parámetro de operación para juzgar las condiciones dinámicas tales como balance, estabilidad de los rodamientos y esfuerzos aplicados a los componentes. Muchos problemas de maquinaria se manifiestan como vibraciones. Solturas mecánicas, resonancia estructural, soltura en el anclaje o fundamento; desalineamiento, flexión del rotor o pérdida de alabes del rotor. Todos ellos pueden detectarse y evaluarse con las mediciones de vibración. La medición de la posición relativa de un rotor en relación a sus componentes estacionarios protege contra los cambios que puedan resultar debido a contactos catastróficos. Se dice que un cuerpo vibra cuando experimenta cambios alternativos, de tal modo que sus puntos oscilen sincrónicamente en torno a sus posiciones de equilibrio, sin que el campo cambie de lugar. Como otro concepto de vibración, se puede decir que es un intercambio de energía cinética en cuerpos con rigidez y masa finitas, el cual surge de una entrada de energía dependiente del tiempo. La mayoría de los fallos en las máquinas, sin importar si la falla es de naturaleza Mecánica o eléctrica, generan vibraciones a una específica frecuencia. Esta vibración puede corresponder a fallas como desalineamiento, cavitación, defectos en las correas o correas flojas, aflojamiento en la cimentación o base, daños en los rodamientos y muchos otros defectos.
Definición y características de las vibraciones. La vibración es el movimiento de vaivén de una máquina o elemento de ella en cualquier dirección del espacio desde su posición de equilibrio. Generalmente, la causa de la vibración reside en problemas mecánicos Como son: desequilibrio de elementos rotativos; desalineación en acoplamientos; engranajes desgastados o dañados; rodamientos deteriorados; fuerzas aerodinámicas o hidráulicas, y problemas eléctricos. Estas causas como se puede suponer son fuerzas que cambian de dirección o de intensidad, estas fuerzas son debidas al movimiento rotativo de las piezas de la máquina, aunque cada uno de los problemas se detecta estudiando las características de vibración. Qué es una vibración?
Técnicamente se puede definir como la oscilación de un objeto con respecto a su posición de reposo.
Causas más comunes de la vibración
Desalineación (ejes, poleas) Desbalance Solturas mecánicas Daños en rodamientos Daños en engranajes
4.1. MEDICIÓN DE VIBRACIONES. La medición de la Vibración se puede definir como el estudio de las oscilaciones mecánicas de un Sistema dinámico. Las mediciones de vibración deben ser hechas con la finalidad de producir los datos necesarios, para realizar significativas conclusiones del sistema bajo prueba. Estos datos pueden ser usados para minimizar o eliminar la vibración, y por tanto eliminar el ruido resultante. En algunas aplicaciones, el ruido no es el parámetro a controlar, sino la calidad del producto obtenido por el sistema. La Medición de Vibración, juega un papel muy importante en el desarrollo de técnicas para mitigarla o reducirla, y en el establecimiento de límites en los niveles de ruido de la maquinaria existente en una instalación industrial. Aproximadamente el 50% de las averías en máquinas rotativas se deben a Desalineaciones en los ejes. Las máquinas mal alineadas generan cargas y vibraciones adicionales, Causando daños prematuros en rodamientos, obturaciones y acoplamientos, también aumenta el Consumo de energía. Gracias a los avances de la electrónica, actualmente se tienen instrumentos de medición altamente sofisticados que permiten cuantificar la vibración de manera precisa, a través de diversos principios. Es por esto que es muy importante, un buen entendimiento de los transductores empleados para la medición de vibración, y su interfaz con los sofisticados equipos de instrumentación y de adquisición de datos.
La medición de la vibración total de la máquina, de un rotor en relación con una máquina o la estructura de la máquina y la comparación de la medición con su valor normal indica el estado de salud en que está se encuentra. Los instrumentos que se emplean son: Transductores, acelerómetro, detectores de impulsos, sondas ultrasónicas, medidores de vibraciones, detector de vibraciones, balanceadores, recopilador portátil de datos. La técnica empleada es medir las vibraciones en distintas direcciones (horizontal, vertical y axial) con el objeto de detectar un exceso que pueda provocar averías y se analiza la tendencia.
Un sistema de medición y procesamiento de señales de vibración por computadora típica, está formado por:
Los transductores de vibraciones ( Acelerómetros, LVDTs, Sondas de Corriente Eddy ) los cuales Son los encargados de transformar las vibraciones en señales eléctricas. Un sistema de acondicionamiento de señal, el cual se encarga de recoger las diferentes señales, Amplificarlas y llevarlas a los niveles de tensión aceptados por el sistema de adquisición de Datos.
Etapas de medición de vibración.
Etapa transductora Etapa de acondicionamiento de la señal Etapa de análisis y / o medición Etapa de registro
Transductores de medición de vibración. Los transductores de vibración son empleados para medir la velocidad lineal, desplazamiento, Proximidad, y también la aceleración de sistemas sometidos a vibración. En general, los transductores empleados en el análisis de vibración, convierten la energía mecánica en energía eléctrica, lo que significa que producen una señal eléctrica la cual está en función de la vibración. Estos pueden ser usados aisladamente, o en conjunto con un sistema de adquisición de datos. Se pueden encontrar en diversas presentaciones que pueden ser, elementos sensores simples, transductores encapsulados, o ser parte de un sistema sensor o instrumento, incorporando tales como totalización, visualización local o remota y registro de datos. Los transductores de vibración pueden tener de uno a tres ejes de medición, siendo estos ejes ortogonales. Al momento de seleccionar transductores de vibración es necesario considerar cinco características principales a saber: rango de medición, rango de frecuencia, precisión, sensibilidad transversal y condiciones ambientales. El rango de medición puede ser en unidades “g” para la aceleración, en pulgadas/sec para velocidad lineal (y otras distancias en el tiempo), y pulgadas u otras distancias para desplazamiento y proximidad. La frecuencia es medida en Hz, (Hertz) la precisión es comúnmente representada como un porcentaje del error permisible sobre el rango completo de medición del dispositivo. La sensibilidad transversal se refiere al efecto que una fuerza ortogonal puede ejercer sobre la fuerza que se está midiendo, ésta sensibilidad también se representa como un porcentaje del fondo escala de la interferencia permisible. Para las condiciones ambientales, se deben considerar variables tales como la temperatura de operación y la máxima fuerza de vibración y choque, que el transductor será capaz de manejar. A continuación se muestran los diferentes tipos de transductores usados para la medición de vibración: •
Transductores de Aceleración
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Transductores de desplazamiento
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Acelerómetros Piezoresistivos Acelerómetros Piezoeléctricos
Vds. Corriente Eddy Capacitivos
Transductores de velocidad
Vibrómetros Láser
Acelerómetros. Los acelerómetros son dispositivos para medir aceleración y vibración. Estos dispositivos convierten la aceleración de gravedad o de movimiento, en una señal eléctrica analógica proporcional a la fuerza aplicada al sistema, o mecanismo sometido a vibración o aceleración. Esta señal analógica indica en tiempo real, la aceleración instantánea del objeto sobre el cual el acelerómetro está montado. Los acelerómetros miden la aceleración en unidades “g” . Un g se define como la fuerza gravitacional de la tierra aplicada sobre un objeto o persona. Los acelerómetros son direccionales, esto quiere decir que sólo miden aceleración en un eje. Para monitorear aceleración en tres dimensiones, se emplea acelerómetros multi-ejes (ejes x, y, z ), los cuales son ortogonales. Existen dos tipos de acelerómetros a saber: pasivos y activos. Los acelerómetros pasivos envían la carga generada por el elemento sensor ( puede ser un material piezoeléctrico), y debido a que esta señal es muy pequeña, estos acelerómetros requieren de un amplificador para incrementar la señal. Los acelerómetros activos incluyen circuitos internos para convertir la carga del acelerómetro a una señal de voltaje, pero requieren de una fuente constante de corriente para alimentar el circuito. Las opciones de salida eléctrica dependen del sistema utilizado con los acelerómetros. Las opciones analógicas comunes son voltaje, corriente, y frecuencia. Las opciones digitales son las señales paralelas y seriales. Otra opción es usar acelerómetros con una salida de cambio de estado de switches o alarmas. Existen dos tipos de acelerómetros básicamente:
Acelerómetros de Alta Impedancia Acelerómetros de Baja Impedancia
Acelerómetros de Alta Impedancia: La salida de carga del cristal tiene una impedancia de salida muy alta y se puede obtener fácilmente. Se pueden emplear técnicas especiales para obtener la señal del sensor. La alta Impedancia resultante del acelerómetro es útil done las temperaturas exceden los 120 ºC, Prohibiendo el uso de sistemas micro electrónicos dentro del sensor. Este tipo de sensor requiere el uso de conductor para bajo ruido. Note que la señal de alta impedancia debe ser convertida a baja impedancia con un convertidor de impedancia o un amplificador de carga antes de ser conectado a un sistema de adquisición de datos. Generalmente, si la sensibilidad de salida es Especificada en unidades de pC/g ( pico coulombs por g ) se tienen un sensor de alta impedancia.
Acelerómetros de Baja Impedancia:
En un acelerómetro de baja impedancia se deben emplear sistema micro dentro de la carcasa del sensor, para detectar la carga generada por el cristal piezoeléctrico. De esta manera, la transformación de alto a bajo es hecha en el punto de medición y solo se transmiten señales de baja impedancia desde el sensor. Una salida de baja impedancia es deseable cuando se requieren grandes distancias, también proveen una impedancia propia para la mayoría de los sistemas de adquisición de datos. Generalmente, si la sensibilidad de salida esta especificada en mv/g (milivoltios por unidad g ) tales como 10 mv/g o 100 mv/g, se tiene un sensor de baja impedancia.
Acelerómetros Piezoeléctricos
Este tipo de acelerómetros aprovechan los fenómenos piezoeléctricos en algunos materiales, para generar una señal eléctrica proporcional, a la aceleración de la vibración a la que son sometidos. El elemento activo del acelerómetro es un cristal piezoeléctrico pegado a una masa conocida. Un lado del Cristal está conectado a un poste rígido en la base del sensor. En el otro lado se encuentra adjunto un material llamado masa sísmica. Cuando el acelerómetro se encuentra sometido a vibración, se genera una fuerza, la cual actúa sobre el elemento piezoeléctrico.
Esta fuerza es igual al producto de la aceleración por la masa sísmica. Debido al efecto piezoeléctrico, se genera una salida de carga proporcional a la fuerza aplicada. Puesto que la masa sísmica es constante, la señal de salida de carga es proporcional a la aceleración de la masa. Sobre un amplio rango de frecuencia tanto la base del sensor como la masa sísmica tienen la misma magnitud de aceleración, allí el sensor mide la aceleración del objeto bajo prueba. Existen diversos materiales de cristales piezoeléctricos, que son útiles en la construcción de Acelerómetros. Entre los materiales más comunes se tiene Metaniobato cerámico, Zirconato, Titanato y Cristales naturales de cuarzo. Existen también, diferentes configuraciones mecánicas de las masas y Cristales dentro de la carcasa del acelerómetro. Las configuraciones típicas incluyen compresión aislada, esquila, y esquila en anillo. Los acelerómetros piezoeléctricos son extremadamente versátiles y ampliamente usados para la supervisión de maquinarias industriales. Los acelerómetros industriales típicos miden niveles de vibración en micro-g´s desde 60 c.p.m. hasta unos 900,000 c.p.m. (1 a 15,000 Hz ).
Un Acelerómetro
Ventajas: los acelerómetros piezoeléctricos. Un rango de medición bastante elevado, bajo ruido de salida Excelente linealidad en todo su rango dinámico Amplio rango de frecuencias Tamaño Compacto No lleva partes movibles Auto-generación – No se requiere alimentación externa
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Áreas de Aplicación. La medición de vibración a través de Vibrometría láser, siempre ha sido un problema de particular interés para las industrias aeroespaciales y automotrices, sin embargo, debido a su gran precisión, el uso de esta técnica de medición, se está difundiendo hacia otras aplicaciones y procesos industriales tales como: Control de Calidad de Productos Medición de fluidos Control de Calidad en Tubos de Rayos Catódicos para Televisión Optimización en la producción de cornetas de sonido de elevada potencia Evitar la excesiva vibración que pueda dañar equipos rotativos.
Fabricantes de Instrumentos de medición de Vibración Se mencionan algunos de los principales fabricantes de equipos de equipos de Instrumentación para la medición de Vibración.
ADE Technologies Inc. Columbia Research Labs, Inc. Extech Instruments Corp. Hardy Instruments, Inc. Instrumented Sensor Technology Monarch Instrument Philtec, Inc. Polytec PI, Inc. Soltec Corporation Transcat Vibra-Metrics Dytran Instruments, Inc. LDS-Dactron Equipo Portátil de Medición de Vibración a través de Corriente Eddy
MTI Instruments Inc. PCB Piezotronics, Inc. Wilcoxon Research
4.2. ANÁLISIS DE VIBRACIONES. El monitoreo y análisis de vibraciones son dos de las técnicas más usadas en predecir una incipiente falla sea mecánica, eléctrica y problemas relacionados dentro de un equipo o máquina. Usado junto con otras mediciones tal como, caudal, temperatura, presión, el análisis de vibraciones puede proveer el medio de identificar la falla y promover el mantenimiento requerido programado antes de que el equipo falle en forma franca. Este método puede ser usado en casi todos los elementos mecánicos y muchos de los procesos continuos dentro de un proceso productivo. Este no solo se limita a maquinas rotativas de velocidad media ó alta, las últimas técnicas permiten evaluar las de bajas revoluciones. El análisis de vibraciones puede ser usado con éxito también en control de calidad, test de aceptación de equipos, control de ruido, detección de pérdidas de fluidos etc. Un programa de Análisis de Vibración permite inspeccionar una máquina y sus componentes, a través del estudio y cálculo de frecuencias en los espectros de vibración, sin la necesidad de detenerla ni desarmarla. Este análisis ayuda a detectar todos estos problemas antes de que fallas catastróficas ocurran, procurándole Beneficios como:
Reducción en los altos costos de mantenimiento no planeado.
Considerables reducciones en inventario de partes de repuesto, debido a un mejor conocimiento sobre el estado de la maquinaria.
Reducción en las órdenes de trabajo de emergencia y t iempo extra.
Reparaciones más eficientes, porque los equipos reparados pueden ser cuidadosamente inspeccionado para asegurar la calidad de la reparación.
Incremento en la capacidad de producción, debido a menos rechazos por fallas en el equipo ocasionadas por excesiva vibración.
Mejores condiciones de seguridad, debido a que las máquinas no están condicionadas a trabajar hasta que fallen.
El programa de Análisis de Vibraciones tiene como fin lograr un servicio largo y sin interrupción del equipo esencial de la planta, evitar paros costosos y mantener el funcionamiento productivo y eficaz de su planta. Toda máquina vibra.
El cambio del nivel de vibraciones indica cambio en las condiciones. Lo que usted puede oír es sólo una parte de la historia. El análisis de las vibraciones puede ayudar a detectar una amplia variedad de condiciones para la falla.
Todas las máquinas tienen un nivel de vibración que puede ser considerado normal o inherente a su funcionamiento. Cuando este nivel aumenta y empieza a ser excesivo, es normalmente el síntoma de la presencia de una falla. Debido a la presencia de defectos localizados, se producen cambios abruptos en los esfuerzos de contacto en las interfaces, lo cual resulta en la generación de pulsos de muy corta duración, que pueden excitar las frecuencias naturales de las pistas y soporte del rodamiento.
La presencia de componentes de alta frecuencia, es el síntoma que permite detectar incipientemente la falla. Cuando la falla progresa, la excitación de tipo impulsiva aumenta por un tiempo hasta cuando los filos, esquinas o rebordes de los defectos se alisan producto del desgaste y los niveles de impacto disminuyen e incluso pueden llegar a desaparecer. Para realizar el análisis y diagnóstico de fallas utilizando la medición de la vibración, se han desarrollado diferentes técnicas e instrumentos, dependiendo del rango de frecuencias dentro del cual se desea hacer el análisis. Unas están enfocadas a la zona de las altas frecuencias y otras a la zona de frecuencias bajas e intermedias. Dentro de estas técnicas, están los pulsos de choque (SPM), la detección de emisiones acústicas (AE), energía espectral emitida (SEE), técnica de detección de alta frecuencia (HFD) y el ultrasonido. Otras técnicas que analizan vibraciones a frecuencias no tan altas (1 –5 khz) y que están relacionadas con la excitación de las frecuencias naturales del soporte y las pistas del rodamiento son las técnicas de Demodulación o envolvente, la técnica del Peakvue y el análisis con Zoom real sobre las zonas resonantes. Técnicas en las que se centra el presente estudio estas técnicas son consideradas como las herramientas más efectivas para diagnosticar tempranamente la presencia de defectos en los rodamientos. Buscan principalmente detectar zonas resonantes excitadas o moduladas por fuerzas de impacto periódicas, cuya frecuencia de repetición es un indicador del lugar donde se encuentra el defecto y la amplitud de la señal de los impactos puede ser utilizada en algunos casos como un indicador de la severidad y progresión de la falla. Dichas técnicas deben superar dos dificultades principalmente. La primera, es que las señales impulsivas de alta frecuencia son de una amplitud generalmente baja, comparadas con la mayoría de componentes de baja frecuencia que componen la vibración global. Y la segunda es que una banda amplia de frecuencia que abarque las frecuencias naturales del rodamiento, puede enmascarar la frecuencia e intensidad de los impactos debido al ruido y a la falta de buena resolución.
ANALISIS CON ZOOM
El análisis con Zoom real, permite por medio de filtros digitales, adquirir la señal con un ancho de banda estrecho sobre la frecuencia resonante, la cual debe haber sido previamente identificada. Se obtiene de esta manera un espectro con una buena resolución, permitiendo identificar más fácilmente las frecuencias moduladoras que causan la excitación de la frecuencia. La esencia del estudio de vibraciones es realizar el análisis de las mismas. El análisis de datos consta de dos etapas: adquisición e interpretación de los datos obtenidos al medir la vibración de la máquina. El fin a alcanzar es determinar las condiciones mecánicas del equipo y detectar posibles fallos específicos, mecánicos o funcionales.
La adquisición de datos es el primer y principal paso a dar para hacer un análisis de vibraciones. Los datos a tomar, desplazamiento, velocidad o aceleración dependerán de la velocidad de la máquina, de acuerdo con su relación equivalente de frecuencia (rpm=cpm). Así, para bajas rpm, (bajos cpm), se tomarán datos de desplazamientos. Para velocidades que estén dentro del orcen de 600 y 60.000 rpm, se medirán velocidades. Y para los que sean de orden superior, los datos a tomar serán aceleraciones.
DEMODULACIÓN Esta técnica consiste básicamente en aplicar sobre la señal temporal un filtro pasa alto o pasa banda con el fin de aislar zonas resonantes de alta frecuencia, luego rectificar la señal modulada, eliminar la componente continua y finalmente con un detector de envolvente y un filtro pasa bajo extraer la señal moduladora, tal y como se ilustra en la figura.
Figura. Proceso de Demodulación
PEAKVUE Es una técnica que capta el valor peak de los impactos que se producen (figura 2b) y luego por medio de un análisis espectral se obtiene la frecuencia de repetición de los impactos. Detecta la presencia de las ondas de esfuerzo debidas principalmente al contacto metal-metal durante una etapa temprana de falla. Al igual que la demodulación, aisla las zonas resonantes por medio de filtros digitales pasa alto o pasa banda, pero se diferencia del proceso de demodulación en que en la etapa final no emplea el detector de envolvente.
Ventajas del Análisis de Vibración Reducción de los costos de mantenimiento: _ Identificando y corrigiendo los problemas en las máquinas, antes de que estos sean más serios y más costosos de reparar. _ Incrementando la eficiencia para la detección de fallas en las máquinas. _ Reducción de partes para mantenimiento en inventario. _ Identifica y reemplaza prácticas pobres de mantenimiento. _ Reduce el costo de horas de labor del personal de mantenimiento. _ Mejora la planeación y los programas de mantenimiento.
Incremento de la producción:
_ Reduce los tiempos muertos inesperados por fallos en el equipo. _ Incrementa la velocidad del proceso y la velocidad de producción. _ Aumenta el valor de cada máquina, por el incremento anual de producción. _ Reduce las pérdidas de materia prima generadas por fallas. _ Permite mantener una calidad constante en el proceso. _ Aumenta el grado de confiabilidad de la maquinaria, permitiendo cumplir a tiempo con las órdenes de producción.
Incremento en la eficiencia total de la planta: Las ganancias derivadas por la reducción de costos de mantenimiento e incremento de producción. Los ahorros que usted obtenga, pueden ser aplicados directamente a las ganancias de la empresa. Elimina la posibilidad de accidentes y fallas graves , manteniendo la planta productiva.
Frecuencia En rpm
Causas más probables
Otras causas posibles Y comentarios
1x RPM
Desequilibrio
2x RPM
Juego mecánico excesivo
3x RPM
Desalineación
Menos de 1x RPM
Movimiento giratorio del aceite (menos de 1/2 RPM)
Sincrónica (Frecuencia de línea AC)
Problemas eléctricos.
2x Sincrónica en frecuencia Muchas veces la de RPM (Frecuencia armónicamente relacionada)
Pulsaciones de torque Engranajes defectuosos Fuerzas aerodinámicas Fuerzas hidráulicas Soltura mecánica
1. Chumaceras, engranajes o poleas excéntricas. 2. Eje desalineado o deformado, en caso de alta vibración axial. 3. Correas defectuosas si se trata de RPM de correa. 4. Resonancia. 5. Fuerzas recíprocas. 6. Problemas eléctricos. 1. Desalineación en caso de alta vibración axial. 2. Fuerzas recíprocas. 3. Resonancia. 4. Correas defectuosas si es de 2xRPM de correa. De costumbre se trata de desalineación y juego axial excesivo (soltura) combinados. 1. Correas de transmisión defectuosas. 2. Vibración ambiental. 3. Resonancia subarmónica. 4. Vibración que late. Los problemas eléctricos más frecuentes incluyen las barras de rotor rotas, rotor excéntrico, fases desequilibradas en sistemas polifásicos, abertura de aire desigual Problema raro a menos que se excite la resonancia Número de dientes multiplicado por las RPM del engranaje defectuoso. Número de paletas del ventilador por las RPM. Número de aletas impulsoras por las RPM Podrá darse a 2, 3, 4 o más armónicas de ser mucha la soltura.
4.3. DIAGNOSTICO DE VIBRACIONES. Tanto el control como el diagnóstico de vibración de máquinas y agregados han cobrado una gran importancia durante los últimos años. Cada vez con más frecuencia incluso máquinas de pequeño y mediano tamaño están siendo incluidas en estrategias de control de vibración. Todo esto obedece a que los equipos para la medición de vibración han alcanzado unos niveles de precios que convierten las aplicaciones de medición de vibración en una alternativa considerable también para estas máquinas. Además ha aumentado el interés por las tecnologías en vibración y sus aplicaciones exitosas en el campo eléctrico. Por un lado, los operadores requieren cada vez más a menudo una recopilación de datos de vibración posterior a la instalación o reparación y por otra parte, el control de vibración y su diagnóstico ofrecen un potencial considerable para servicios adicionales, especialmente a consultores para pequeñas empresas, en las que no sería rentable comprar su propio equipo de medición de vibración. El diagnóstico de vibración es una herramienta extraordinaria para la localización de defectos y posibles causas de deterioro o daños en máquinas y componentes, de utilidad también como defensa objetiva ante incumplimiento injustificado de garantía.
TECNICAS DE DIAGNOSTICO Diferentes métodos han sido utilizados para la detección y diagnóstico de defectos de rodamientos, estos métodos son principalmente: 1. Análisis de vibración, ruido y ondas. 2. Análisis de temperatura. 3. Análisis de partículas en el aceite.
Diagnóstico de vibración: desequilibrio en rotor El espectro de vibración muestra un cuadro típico de desequilibrio. Los niveles de intensidad de vibración medidos en varias localizaciones de la máquina indican que el origen de vibración está próximo al acoplamiento. Un equilibrado simple del disco de freno redujo la vibración del motor a 3,5 mm/s y la vibración del engranaje a 3,1 mm/s.
Diagnóstico de vibración: eje desalineado El espectro de vibración muestra un pico en dos veces la frecuencia de rotación del eje, lo cual indica claramente desalineación en eje. Efectuando una alineación de eje desaparecerá el pico pero el desequilibrio del rotor señalado en el espectro anterior quedará pendiente de corrección.
Diagnóstico de vibración: campo asimétrico El motor ha comenzado a llamar la atención debido a elevada vibración, la cual también sucede al quitar el acoplamiento. El pico inusual: dos veces la frecuencia señaló daño del estator. Al desmontar se reveló que el paquete del estator se había quemado debido a un corto circuito. El motor tuvo que ser totalmente reemplazado.
Diagnóstico de vibración: polea floja
Diagnóstico de daño en rodamiento antifricción. Este procedimiento permite una precisión extrema a la hora de diagnosticar daños en rodamientos antifricción, incluso en casos componentes de señal extraños tales como ruido en engranaje, tienden a tapar la señal actual del rodamiento. Para esto se requiere conocimiento de ciertos datos geométricos del rodamiento, incluyendo el diámetro del rodamiento, el número y el diámetro de elementos rotativos, el ángulo de carga y la velocidad de operación.
Diagnóstico de rodamiento: daño en rodadura interna Aquí aparece un ejemplo de daño avanzado en la rodadura interna. El gran incremento en los niveles de impulso de choque, especialmente el de valor cresta dBm desde 18 a 48 dBSV, lo cual significa un daño serio en el rodamiento. El análisis del espectro envolvente indica un caso típico de daño en rodadura, el cual ha sido posteriormente confirmado al cambiar de rodamiento: una de las dos rodaduras del anillo interno ya mostraba una superficie dañada de cerca 15 x 15 mm / 5/8"x 5/8".
4.4. BALANCEO DE ROTORES. El desbalance es una de las fuerzas que más causan problemas en los rotores y por consecuencia en las maquinas rotativas. Si una maquina no está correctamente balanceada, generalmente presenta altos Niveles de vibración, ruido y desgaste que son evidentes. También, existe una reducción en la resistencia a la fatiga de la máquina. Un área que está sumamente relacionada al uso de rotores es el de la turbo maquinaria (turbinas, compresores, bombas, motores, etc.) En dicha área, una de las fuentes más comunes de vibraciones es el desbalance de los rotores. Debido a lo mencionado, los rotores son balanceados como parte de su proceso de manufactura, antes de que la maquina sea utilizada. Las fuerzas de vibración en el desbalance se deben a que el centro de masa del rotor es excéntrico al eje de rotación, por lo tanto, se generan fuerzas centrifugas que actúan sobre la masa del rotor y que deben ser contenidas por los rodamientos y su carcaza o estructura de soporte.
Balanceamiento. Es el procedimiento por el cual la distribución de masas de un rotor es chequeada y, si es necesario, ajustada para asegurar que la vibración de los descansos y/o las fuerzas en los descansos a una frecuencia correspondiente a la velocidad de operación está dentro de límites especificados. Puesto que el desbalanceamiento es una de las causas más comunes de vibración en las máquinas, es importante adquirir los conocimientos necesarios que permitan identificar el problema por medio de las vibraciones emitidas por la máquina a través de sus descansos.
TIPOS DE DESBALANCEAMIENTO
, según ISO 1925.
Balanceamiento en un plano (estático). Es el procedimiento por el cual la distribución de masas de un rotor rígido es ajustada para asegurar que el desbalanceamiento estático residual esté dentro de límites especificados y el cual requiere corrección en un solo plano. NOTA: Balanceamiento en un plano puede ser hecho sobre un par de filos de cuchillos sin rotación del rotor, pero es ahora más usualmente hecho sobre máquinas desbalanceadoras.
Balanceamiento en dos planos (dinámico).
Es el procedimiento por el cual la distribución de masas de un rotor rígido es ajustada para asegurar que el desbalanceamiento residual en dos planos arbitrarios esté dentro de límites especificados referido a esos planos.
Razón de reducción del desbalance (R.R.D.).
Es la razón entre la cantidad de desbalanceamiento que se reduce en una sola carrera de balanceamiento y el desbalanceamiento inicial. Desgaste no simétrico del material. Ej. Turbinas: Dilataciones no simétricas (máquinas térmicamente sensibles). Ej. Generadores.: Deformaciones no simétricas cuando giran a su velocidad de operación. Ej. Ventiladores: Montaje excéntrico de elementos. Ej. Rodamientos, rotores, etc. Otras: des alineamientos, mala fijación de acoplamientos, etc.
¿En cuántos planos se debe efectuar el balanceamiento? Depende de la calidad de balanceamiento que se requiera. Ello dependerá fundamentalmente de la función del rotor y de su velocidad. Balanceamiento en un plano. En rotores donde su largo (excluyendo las dimensiones del eje soportante) es mucho menor que su diámetro (muelas de rectificado, volantes, ventiladores, etc.); los balanceamientos U pueden ser considerados como concentrados en un solo plano, sin gran error. Balanceamiento en dos planos. Cuando el rotor no tiene forma de disco, el desbalanceamiento tiende a darle un movimiento "de vaivén" cuando éste gira. Esto sólo puede corregirse agregando o quitando masas a lo menos en dos planos. - Balanceamiento en tres o más planos. Se utiliza en rotores con desbalanceamientos puntuales pronunciados (como en cigüeñales), rotores flexibles o en rotores donde es necesario minimizar los momentos flectores.
Rotor rígido: Un rotor es considerado rígido cuando puede ser balanceado en dos planos Cualesquiera (arbitrariamente seleccionados) y, después que se corrige, su desbalanceamiento no excede significativamente las tolerancias de balanceamiento (relativas al eje del rotor) a cualquier velocidad hasta su máxima velocidad de servicio y cuando funciona bajo condiciones bastante aproximadas a aquéllas del sistema de soporte final. Para un rotor rígido, el desbalanceamiento permanece siendo el mismo independiente de las condiciones de operación. Así un rotor puede ser balanceado a 1500 RPM en una máquina balanceadora, y puede razonablemente ser esperado que opere satisfactoriamente a 3600 RPM, 10000 RPM, o cualquiera que sea su velocidad de servicio.
Desbalanceamiento inicial controlado:
Es el desbalanceamiento inicial, el cual ha sido minimizado con el balanceamiento individual de componentes y/o con un cuidadoso diseño, manufactura y ensamble del rotor.
Rotor flexible:
Es un rotor que no satisface la definición anterior debido a su deflexión elástica. Un rotor flexible, por definición es aquél cuya forma cambia con la velocidad, debido a su proximidad con una velocidad crítica de flexión. Cualquiera deformación puede alterar el balanceamiento del rotor. No siempre es necesario usar una técnica de balanceamiento de rotor flexible. Muchos rotores flexibles pueden ser balanceados satisfactoriamente usando técnicas de balanceamiento de rotor rígido. Ejemplo.
Comportamiento de rotores rígidos y Comportamiento de rotores flexibles.
4.5. REGISTRO Y ANÁLISIS DE VIBRACIONES. La base de datos establecida para un programa de registro de vibraciones incluye Informaciones en banda ancha, banda estrecha y datos absolutos de señales de vibración. También incluye parámetros de proceso, temperaturas de tapas de cojinetes, análisis de aceite de lubricación, diagramas de temperaturas y otros parámetros críticos de control. ¿Qué hacer con estos datos? La mayoría de los sistemas suministran los medios necesarios para almacenar e imprimir esos parámetros de vibración y proceso, datos tendentes al análisis o a trabajosas copias para informes. También preparan e imprimen automáticamente numerosos informes que cuantifican las condiciones de funcionamiento de un punto específico. Algunos incluso imprimen automáticamente informes indicativos que cuantifican el cambio dentro de un marco seleccionado de tiempo. El control de las tendencias de un grupo de máquinas o sistema de proceso suministrará la posibilidad de prevenir la mayor parte de los fallos catastróficos. La desventaja de confiar en la tendencia como único medio de sostener un programa de mantenimiento predictivo es que éste no dirá la razón por la que una máquina se está degradando. Un buen ejemplo de esta debilidad podría ser una fundición de aluminio que confía estrictamente en la tendencia para mantener su programa de mantenimiento predictivo. Un análisis completo suministraría la respuesta: los crecimientos o depósitos de materiales en las palas del ventilador aumentan la masa del rotor y obliga a los ventiladores a funcionar a velocidad crítica, o cercanos a ella. El desequilibrio creado por un funcionamiento a velocidad crítica fue la situación forzada que dio lugar a la destrucción prematura de los cojinetes.
Datos en banda ancha Los datos conseguidos usando una banda ancha están limitados a un valor que representa la energía total en vibración generada por la máquina en el punto de localización y en dirección opuesta al transductor. Muchos programas tienden a comparar el valor registrado en un solo punto y desprecian los otros puntos de medición del eje común. Un planteamiento más adecuado sería, en lugar de evaluar separadamente cada punto de medición, establecer una gráfica con el nivel de energía en cada punto de medición del eje común. En primer lugar, se trazan las medidas obtenidas en dirección vertical para determinar la forma del eje de la máquina. Si, por ejemplo, el gráfico indica que el extremo externo del eje motor está más desplazado que el resto del eje, esto limita el problema de la máquina a la parte posterior del motor. Basado estrictamente en el valor general, la causa probable podría ser la pérdida de apoyo del soporte trasero del motor. En segundo lugar, se traza la gráfica correspondiente a los desplazamientos horizontales. Si, por ejemplo, el gráfico indicara que el eje ha flexado entre los soportes de cojinetes, sin información adicional la forma del eje sugeriría una curvatura del eje entre cojinetes. Con este procedimiento, aunque no se haya podido identificar el modo absoluto de fallo, si que se ha podido aislar el problema en la sección de la máquina situada entre los soportes de los cojinetes.
Datos en banda estrecha
La adición de bandas estrechas que monitoricen componentes específicos de la Máquina o modos de fallo concretos suministra más información sobre diagnósticos. Si añadimos la información obtenida en el apartado anterior, podríamos encontrar, por
Ejemplo, que los datos verticales están, principalmente, a la velocidad de giro real del eje común. Ello confirmaría que existe un problema de flexión del eje. Ningún otro componente de la máquina o modo de fallo contribuyen al problema. Por otro lado, suponiendo que se tratara de un ventilador, las mediciones horizontales podrían indicar, a su vez, que el paso de las palas, el fallo de cojinete y las bandas estrechas de desalineamiento son también importantes contribuyentes. Como se ha visto anteriormente, los ventiladores son propicios a la inestabilidad aerodinámica. La indicación de paso de palas anormal puede sugerir que este fenómeno contribuye al problema de vibraciones. El dato adicional suministrado por las lecturas de banda estrecha ayuda a eliminar muchos de los posibles modos de fallo que pudieran afectar al ventilador. Sin embargo, no podríamos llegar a confirmar el problema específico.
Análisis de las causas raíces de fallos Una inspección ocular del ventilador permitiría observar, por ejemplo, que la descarga Fuese horizontal u opuesta a la posición del punto de medición. Comprobando los Parámetros de proceso registrados coincidentes con las medidas de vibración, podría Deducirse, por ejemplo, que el motor estaba en condiciones de parada o vacío y que la Presión de descarga era anormalmente baja. Además, la inspección visual podría permitir comprobar, por ejemplo, que el ventilador se asentaba sobre una plancha de corcho y no estaba atornillado al suelo y que el tubo de descarga no estaba aislado del ventilador y no había soportes de tubo en los primeros 7 primeros metros del recorrido del mismo. Con estos indicios en la mano podría concluirse que el ventilador estaba trabajando en condiciones de “vacío”, no generando presión, y, sin embargo, estaba inestable. A la vista de estas circunstancias, esta parte del problema de máquina podría ser corregida reduciendo el registro (cerrando parcialmente) y forzando al ventilador a funcionar dentro de límites aerodinámicos aceptables. Después de corregido el registro, todas las lecturas horizontales anormales podrían caer dentro de los límites aceptables. Por lo que se refiere al problema vertical con el motor, la solución podría ser aislarlo de la instalación incorrecta. A su vez, el peso de aproximadamente 7 metros de tubo de descarga comprimía la plancha de corcho bajo el ventilador y forzaba al extremo del motor a elevarse por encima de su centro normal. En esta posición el motor se convertía en una viga flotante y resonaba de la misma forma que un diapasón. El problema se podría eliminar aislando el tubo de descarga del ventilador e instalando sus correspondientes soportes a lo largo de esos 7 metros.
Registro de excitaciones: En la caracterización dinámica de sistemas mecánicos se deben registrar previamente excitaciones tipo que se correspondan con la vida útil del equipo. Registro de la respuesta: Se emplean transductores que registran la respuesta del sistema. Principales: acelerómetros, células de carga, galgas extensiométricas, sismógrafos, vibrómetros y medidores de desplazamiento. Además se necesitan equipos acondicionadores y equipos para registrar la señal. Análisis de señal: El analizador de señal se encarga de analizar la señal registrada frente a la excitación. Analizador de señal: Incluido registro y análisis
Toma de datos con transductor.
Pasos a seguir en la adquisición de datos: 1. Determinación de las características de diseño y funcionamiento de la máquina, como son: velocidad de rotación de la máquina, tipo de rodamiento, engranaje y condiciones del entorno en que esté situada como es el tipo de apoyo, acoplamientos, ruido, etc. También habrá que tener en cuenta las condiciones de funcionamiento como velocidad y cargas entre otras que normalmente afectarán a las mediciones de vibración. 2. Determinación de la finalidad de la vibración que podrá incluir: Medidas de rutina para detectaren un momento determinado un posible fallo y determinar las causas que lo originan. Medidas para crear un histórico de datos y con él obtener un valor de base, sobre el que estará el valor de vibración que deba tener la máquina cuando sus condiciones de trabajo sean normales. Toma de datos antes y después de una reparación, la medida de antes pondrá de manifiesto el problema, elemento defectuoso y será más eficaz así su reparación. Después de la reparación se tomarán medidas que indiquen la evolución del elemento sustituido o la corrección del defecto existente. 3. Selección de los parámetros de medición: desplazamiento, velocidad, aceleración, Ellos determinarán el transductor a utilizar. 4. Determinación de posición y dirección de las medidas con los transductores, la vibración se tomará generalmente en rodamientos de la máquina o puntos donde sea más probable un fallo por acoplamiento, equilibrio, puntos donde se transmitan las fuerzas vibratorias. Los tres sentidos principales en una medición son horizontales, verticales y axiales. Sentidos radiales son horizontal y vertical, y se toman con eje del transductor a 90º respecto al eje de rotación, como se observa.
Sentido de toma de datos en una silla.
5. Selección del instrumento de medición y transductores. 6. Determinación del tipo específico de datos requeridos para la interpretación de las medidas realizadas. Así se ahorrará tiempo a la hora de realizar las medidas y se obtendrá de estas, información más útil en el análisis. Los datos obtenidos pueden ser: valores de magnitud total, espectro de frecuencias amplitud-frecuencia que indica el tipo de problema existente, amplitud-tiempo para vibraciones transitorias rápidas o vibraciones muy lentas, en rodamientos, engranajes y problemas de cavitación.
Puntos de toma de datos de motor y bomba. 7. Toma de datos. Paso esencial en el análisis, precisa de atención y fiabilidad de las medidas Tomadas. A la hora de la adquisición de datos es importante tener en cuenta:
Secuencias de medición, tomar datos correctos y lo más rápido posible, evitan tiempo perdido.
Lugar de toma de datos siempre será el mismo, con el transductor unido de una forma firme, para la veracidad de los datos.
Controlar el entorno exterior de la máquina, aspecto, ruido, etc.
Atender tendencias inesperadas. Estar preparado para tomar más datos, medidas cuando pueda haber signos de algún problema.
Mantener sólo datos coherentes, tomados con precisión.
Comparar con máquinas similares y en igual forma de trabajo. Por tanto, se puede decir que la toma de datos es un paso esencial para un buen análisis de vibraciones. Para una buena interpretación de los datos es necesario tener unos datos fiables que hayan sido tomados de una forma metódica y precisa. Así podrá hacerse un diagnóstico de algún problema lo más exacto posible.
Interpretación de datos. Una vez obtenidos de una forma metódica y precisa los datos de vibraciones de una máquina donde se ha detectado un problema, es necesario identificar cual ha sido su causa y así buscar la forma y momento de reparación más eficiente, es decir, que elimine el fallo y su coste económico sea el mínimo posible. El estudio de los datos de vibraciones, de sus espectros es la base para encontrar las causas y la forma de corregir el defecto que ellas indican. Sólo es importante prestar especial atención a las vibraciones que vayan acompañadas de otros efectos como ruido, pérdida de aceite o cualquier fallo, o bien los valores de amplitudes que sean excesivos comparados con otros en funcionamiento correcto, en esos casos se analizará la forma de los espectros que identificarán las causas de los problemas. Los problemas mecánicos más comunes en las máquinas que producen vibraciones son desequilibrio entre ejes, falta de alineación de acoplamientos, defectos en rodamientos y engranajes y problemas eléctricos. A continuación se pueden ver la forma de identificar estos problemas analizando los datos y espectros de vibraciones.
CONCLUSION. Se ha podido mostrar que utilizando el análisis de vibraciones es factible monitorear y diagnosticar el estado de la condición mecánica de las máquinas de baja velocidad y en particular de sus rodamientos, considerados como elementos fundamentales para su buen desempeño. Para llegar a un diagnóstico acertado, se hace necesario realizar el estudio de sus vibraciones utilizando de forma integrada varias de las técnicas de análisis disponibles hoy en día en varios de los equipos de análisis de vibración modernos. Para el análisis de las vibraciones de frecuencias más bajas, se debe realizar una adecuada selección y uso de los componentes que conforman la cadena de medición, de forma tal que sus componentes no sean filtradas o atenuadas. En la etapa de medición de la vibración, se deben encaminar grandes esfuerzos hacia el mejoramiento de la razón señal-ruido, con el fin de obtener la información más confiable para el análisis y poder lograr así diagnósticos cada vez más acertados. Es importante considerar que la productividad de una industria aumentará en la medida que las fallas en las máquinas disminuyan de una forma sustentable en el tiempo. Para lograr lo anterior, resulta indispensable contar con la estrategia de mantenimiento más apropiada y con personal capacitado tanto en el uso de las técnicas de análisis y diagnóstico de fallas implementadas como también con conocimiento suficiente sobre las características de diseño y funcionamiento de las máquinas.
BIBLIOGRAFIA
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