Unidad II Cuestionario de la unidad de vibraciones 1. Que es vibración? En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como la oscilación o el movimiento repetitivo de un objeto alrededor de una posición de equilibrio. La posición de equilibrio es la a la que llegará cuando la fuerza que actúa sobre él sea cero. Este tipo de vibración se llama vibración de cuerpo entero, lo que quiere decir que todas las partes del cuerpo se mueven juntas en la misma dirección en cualquier momento.
2. De qué depende las vibraciones? La vibración de un objeto es causada por una fuerza de excitación. Esta fuerza se puede aplicar externamente al objeto o puede tener su origen a dentro del objeto. La proporción de frecuencia y la magnitud de la vibración de un objeto dado, están completamente determinados por la fuerza de excitación, su dirección y frecuencia. Esa es la razón porque un análisis de vibración puede determinar las fuerzas de excitación actuando en una máquina. Esas fuerzas dependen del estado de la máquina, y el conocimiento de sus características e interacciones permite de diagnosticar un problema de la máquina. La vibración depende de sus propiedades intrínsecas y de las fuentes que los perturban.
3. Para que sirven las vibraciones? En si la vibraciones no otorgan ningún beneficio al contrario su impacto económico es de preocupar a la industria ya que un problema de vibración no atendido puede repercutir en el daño de maquinaria e incluso, en daños físicos a personas causando pérdidas económicas por detención del proceso, mantenimiento e indemnización.
4. Que características tienen las vibraciones? Las características más importantes de las vibraciones son: Frecuencia. Se defina como el número de ciclos completos en un periodo de tiempo. La unidad característica es CPM (ciclos por minuto). Existe una relación importante entre frecuencia y velocidad angular. Amplitud. La amplitud de la vibración indica la importancia, gravedad del problema, esta característica da una idea de la condición de la máquina. La severidad de vibración es indicada de una forma más precisa midiendo la velocidad, aceleración o desplazamiento según el intervalo de frecuencias entre la que tiene lugar. Velocidad. La velocidad es otra característica importante en la vibración. Se mide la velocidad de pico mayor de todo el recorrido que realiza el elemento al vibrar. La unidad es mm/s. la velocidad tiene una relación directa con la severidad de vibración, por este motivo es el parámetro que siempre se mide.
Aceleración. La aceleración está relacionada con la fuerza que provoca la vibración, algunas de ellas se producen a altas frecuencias, aunque la velocidad y desplazamiento sean pequeños.
Energía de impulso. Mide los impulsos de energía de vibración de breve duración y, por lo tanto, de alta frecuencia.
5. En que unidades se miden las vibraciones?
Las vibraciones mecánicas pueden ser medidas tomando diferentes patrones y criterios y que en su mayoría están establecidos, estas medidas tienen que ver con el movimiento por lo tanto conviene analizar algunos criterios relacionados con el movimiento de oscilación. Cuando la variación de una cantidad física se repite con las mismas características después de cierto intervalo de tiempo se dice que se tiene un movimiento periódico. Todo movimiento periódico o armónico cumple con las característica de una función periódica, es decir que existe una constante T llamada período tal que la posición en un instante x(t) es la misma en x( t + nT) para n = 1,2,3,4 ..... , por lo tanto se puede definir a el período como el valor del
tiempo en la cual se efectúa un ciclo completo. El inverso del período se le conoce como la frecuencia de oscilación y representa de una manera las veces que se repite el movimiento en un determinado tiempo.
En donde el Hertz se define como ciclos/s. Es posible representar la frecuencia en otras unidades, para ello es necesario recordar que 1 rev = 2π radianes y que 1 minuto = 60 segundos, por lo tanto la frecuencia en rad/s y en rpm están dadas por:
En una señal armónica el valor máximo se le conoce como amplitud y si se mide desde la referencia se le llama amplitud de pico pero si se mide desde extremo a extremo entonces se le conoce como amplitud de pico a pico como se muestra en la figura 1.3.
6. Con que instrumentos se miden las vibraciones? A continuación se muestran los diferentes tipos de transductores usados para la medición de vibración: o Transductores de Aceleración o Acelerómetros Piezoresistivos o Acelerómetros Piezoeléctricos o Transductores de desplazamiento o LVDT’s o Corriente Eddy o Capacitivos o Transductores de velocidad o Vibró metros Láser
7. Por que se originan las vibraciones? 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. 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.
8. Que es la resonancia.
La resonancia es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es sometido a la acción de una fuerza periódica, cuyo periodo de vibración coincide con el periodo de vibración característico de dicho cuerpo. En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del movimiento tras cada una de las actuaciones sucesivas de la fuerza. Este efecto puede ser destructivo en algunos materiales rígidos como el vaso que se rompe cuando un tenor canta. Por la misma razón, no se permite el paso por puentes de tropas marcando el paso, ya que pueden entrar en resonancia y derrumbarse.
9. Que es un oscilador? Un oscilador es un sistema capaz de crear perturbaciones o cambios periódicos o cuasi periódicos en un medio, ya sea un medio material (sonido) o un campo
electromagnético (ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, rayos X, rayos gamma, rayos cósmicos). En electrónica un oscilador es un circuito que es capaz de convertir la corriente continua en una corriente que varía de forma periódica en el tiempo (corriente periódica); estas oscilaciones pueden ser senoidales, cuadradas, triangulares, etc., dependiendo de la forma que tenga la onda producida. Un oscilador de onda cuadrada suele denominarse multivibrador y por lo tanto, se les llama osciladores sólo a los que funcionan en base al principio de oscilación natural que constituyen una bobina L (inductancia) y un condensador C (Capacitancia), mientras que a los demás se le asignan nombres especiales.
10. Para que sirven los osciladores?
Es básicamente un circuito autónomo, es decir, es capaz de generar una señal periódica sinusoidal sin necesidad de aplicar una entrada. Una diferencia fundamental de estos circuitos multivibradores es que estos últimos son circuitos no lineales (basados en comparadores, disparadores de schmitt) frente a los circuitos lineales
11. Que es una carta de severidad?
Es la primera guía (no norma) de amplia aceptación en el ámbito industrial. Fue desarrollada en los años treinta y perfeccionada posteriormente. La Carta dispone de una escala logarítmica frecuencia en hercios o RPM y de una logarítmica de amplitudes en desplazamiento (Pico o Pico-Pico) y en velocidad, mediante las cuales podremos determinar directamente la severidad de la vibración. Las
principales limitaciones de dicha carta de severidad de vibraciones son las siguientes: o La carta no tiene en cuenta el tipo de máquina, la potencia y la rigidez de los anclajes o Es aplicable solamente a los equipos rotativos y no a los alternativos u otros sistemas industriales o Cuanto mayor es la frecuencia, la amplitud de vibración en desplazamiento tiene que ser menor para que se conserve la misma severidad, es decir, si un equipo vibra a 300 CPM con 100 micras p-p. La severidad es "buena", pero si la misma amplitud corresponde a una frecuencia de 4.000 CPM, entonces la severidad es "grave". La vibración a baja frecuencia es menos peligrosa que la vibración a alta frecuencia de ahí que las averías de engranajes y rodamientos, que se producen generalmente a alta frecuencia sean muy peligrosas. Este es el motivo por el que las amplitudes de baja frecuencia se miden en desplazamientos y las de alta frecuencia en velocidad o aceleración. La carta de Rathbone fue creada para máquinas de bajas RPM y hoy se considera obsoleta.
12. Que son las RMS? RMS (Root Means Square) es un valor más realístico de medición y se ha convertido en el standard para hacer referencia a la potencia de equipos de amplificación. La corriente alterna y los voltajes (cuando son alternos) se expresan de forma común con su valor efectivo o RMS (Root Mean Square – raíz media cuadrática).Tiene una relación con las disipación de calor o efecto térmico que una corriente directa de igual valor disiparía. Un valor en RMS de una corriente es el valor, que produce la misma disipación de calor que una corriente directa de la misma magnitud.
13. Que es la frecuencia?
La frecuencia es el número de ciclos que ocurren en un segundo, y sencillamente es el reciproco del periodo. La unidad de la frecuencia es el Hz. Ratio de repetición de un evento periódico, normalmente se expresa en ciclos por segundo (Hz), revoluciones por minuto (RPM) o múltiplos de la velocidad de rotación de la máquina (orden). Comúnmente se utiliza 1x la velocidad de giro, 2x la velocidad de giro, etc.
14. Que es desplazamiento? Llamamos desplazamiento a la distancia que existe entre la posición final e inicial de un movimiento (o de una parte del movimiento). Siempre se representa sobre una línea recta. Esto quiere decir que tiene una dirección que coincide con esa línea recta y comienza en el punto inicial y termina en el punto final. Esto quiere decir que tiene un sentido que viene determinado por las posiciones de los puntos inicial y final.
Por lo tanto
tiene una longitud, que se determina por la diferencia entre las
posiciones final e inicial (del intervalo de tiempo seleccionado). Es lo que se conoce como módulo del desplazamiento. En resumen el desplazamiento es una magnitud vectorial, que tiene una dirección, un sentido y un módulo, que se pueden representar gráficamente mediante una flecha y matemáticamente mediante un vector.
15. Que problemas son causados por las vibraciones?
El impacto físico y psicológico a personas puede manifestarse de diferentes maneras, por ejemplo, cuando un obrero es sometido a constantes fuentes de vibración le afecta a algunas partes del cuerpo ya que son susceptibles a diferentes frecuencias de vibración. Otro caso se puede observar cuando una fuente de vibración genera ruido a diferentes frecuencias y niveles sonoros en rangos no deseables, además de ser un causante de contaminación ambiental y que puede alterar el comportamiento humano, puede causar daños irreversibles al oído incluyendo sordera. Otro ejemplo puede ser si en un proceso de maquinaria es causante de transmisión de vibración al piso repercutiendo en problemas a unidades habitacionales a su alrededor, por ejemplo, daños en estructuras y ruido causando inconformidad entre grupos de vecinos.
16. Que causan las vibraciones?
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.
17. Describa que es desbalanceo Es una condición de una parte rotativa, donde el centro de masa no está situado en el centro de rotación. Desbalanceo de un rotor causa la aplicación de una fuerza centrífuga a la frecuencia del ritmo de rotación en los rodamientos. Si la fuerza es importante, puede reducir de manera significativa la duración de vida de los rodamientos, y puede causar vibración en la máquina. Las fuerzas causadas por el desbalanceo son proporcionales al cuadrado de las RPM y eso quiere decir que las máquinas de alta velocidad deben ser balanceadas con más precisión que las máquinas de baja velocidad. El desbalanceo existe en varias formas. El desbalanceo estático es la condición en la que el eje principal de inercia de un rotor está fuera del eje de rotación., y paralelo a este. Un rotor con desbalanceo estático buscará una posición con el punto pesado hasta el fondo cuando se le coloca en una arista de presión nivelada. Teóricamente, el desbalanceo estático se puede corregir agregando una masa de corrección única. El desbalanceo de un par de fuerzas es la condición en la que el eje principal de inercia intersecta el eje de rotación en el centro de gravedad. Un rotor con desbalanceo de par de fuerzas será estable en cualquier posición en una arista de presión, pero producirá fuerzas de desbalanceo fuera de fase, en los rodamientos, cuando está girando. La corrección del desbalanceo de par de fuerzas necesita dos masas de corrección.
El desbalanceo dinámico es una combinación de los dos tipos anteriores y es el tipo de desbalanceo que más se encuentra en la práctica. En el desbalanceo dinámico el eje principal de inercia no corta el eje de rotación pero tampoco es paralelo a éste. La corrección del desbalanceo dinámico requiere por lo menos dos masas de corrección
18. Como se corrige el desbalanceo? Para llevar a cabo el balanceo se coloca la flecha del rotor sobre unos rieles como se muestra en la Figura 1(a). Se rota el disco y se le deja detenerse por sí solo. Se marca sobre el disco con un gis en la parte inferior de la circunferencia. Se repite el proceso varias veces, cada vez marcando en la parte inferior. Si el disco está balanceado, las marcas de gis se verán aleatoriamente dispersadas por la circunferencia. Ahora, si las marcas coinciden significa que el disco está desbalanceado. El desbalance detectado de esta forma es conocido como desbalance estático. El desbalance estático puede corregirse removiendo material donde aparece la marca de gis, o agregando peso a 180° de la marca de gis. Debido a que la magnitud del desbalance es desconocido, la cantidad de material a agregar o remover se determina mediante prueba y error. Este procedimiento es llamado "balanceo en un plano" debido a que toda la masa se encuentra prácticamente en
un plano. La cantidad de desbalance puede
encontrarse haciendo rotar al disco a una velocidad angular ω conocida, y midiendo las reacciones en ambos apoyos (ver Fig.
1b). Si una masa
desbalanceada m está colocada a un radio r del disco, la fuerza centrífuga será igual a mrω 2. Entonces las reacciones en los apoyos serán:
19. Para que sirve la alineación y como se corrige el des-alineamiento mecánico?
Para evitar falla por fatiga en estructuras y elementos asociadas al elemento rotatorio, incrementar la vida útil del sistema rotatorio y u o máquina, ahorro de energía y prevenir cargas excesivas en rodamientos debido a sobrecargas.
En que las llantas de un automóvil que trabajen en forma paralela unas de otras y que rueden en el ángulo correcto. Cada vehículo tiene sus propios ángulos. Estos ángulos dependen del peso sobre cada una de las llantas delanteras y traseras, diseño y resistencia de muelles, espirales o barras de torque y otros factores. Un equipo computarizado determina con láser sus ángulos para que se corrija, ajustando varios puntos o aumentando cuñas o calzas para compensar los desgastes y daños ocasionados por caminos accidentados. El tener las llantas balanceadas y el vehículo alineado es importante para la durabilidad de la llanta, para el desempeño del vehículo y la seguridad sus ocupantes. Se deben balancear las llantas para evitar la vibración y causar la
fatiga al conductor. La alineación reduce el desgaste de las llantas, la suspensión y la dirección del vehículo.
20. Para que sirve un análisis de vibraciones?
El análisis de vibraciones, la termografía, el análisis de lubricantes, entre otras son técnicas de mantenimiento predictivo que permiten hallar las causas de posibles fallos anticipándose a la avería. Para la implantación de un mantenimiento predictivo resulta imprescindible la realización de un programa y una organización que aseguren el seguimiento constante y riguroso de los elementos que componen la empresa.
Los pasos en que se basa el programa de mantenimiento predictivo se pueden explicar de la siguiente forma. El programa de mantenimiento predictivo sigue una secuencia lógica desde que se detecta un problema, se estudia, se encuentra su causa, y finalmente se decide la posibilidad de corregirlo en el momento oportuno con l máxima eficiencia. Los pasos de que consta son tres:
• Detección: Reconocimiento del problema. • Análisis: Localización de la causa del problema. • Corrección: Encontrar el momento y forma de solucionar el problema
21. Que es una frecuencia natural? Una frecuencia natural es una frecuencia a la que una estructura vibrará si uno la desvía y después la suelta. Una estructura típica tendrá muchas frecuencias naturales. Cuando ocurre la resonancia, los niveles de vibración que resultan pueden ser muy altos y pueden causar daños muy rápidamente.
22. Cual es la formula que se utiliza para la conversión de decibeles a unidades de vibración? Se define el decibel (dB) por la expresión siguiente:
Dónde: LdB = el nivel de la señal en dB L1= el nivel de Vibración, en Aceleración, Velocidad, o Desplazamiento. Lref = el nivel de referencia, equivalente a 0 dB
23. Que es la amplitud?
Es una medida de la variación máxima del desplazamiento u otra magnitud física que varía periódica o casi periódicamente en el tiempo. Es la distancia máxima entre el punto más alejado de una onda y el punto de equilibrio o medio. Amplitud Pico (Pk) es la distancia máxima de la onda del punto cero o del punto de equilibrio.
Amplitud Pico a Pico (Pk-Pk) es la distancia de una cresta negativa hasta una cresta positiva. En el caso de una onda senoidal, el valor pico a pico es exactamente dos veces el valor pico, ya que la forma de la onda es simétrica. Amplitud Raíz del Promedio de los Cuadrados (RPC) Es la raiz cuadrada del promedio de los cuadrados de los valores de la onda.
24. Que es la velocidad?
Es una magnitud física vectorial que refleja el espacio recorrido por un cuerpo en una unidad de tiempo. El metro por segundo (m/s) es su unidad en el Sistema Internacional.
La velocidad media es el promedio de velocidad en un intervalo de tiempo. Para esto es necesario dividir el desplazamiento por el tiempo que se tardó en efectuarlo.
25. Que es la aceleración?
Aceleración se define como la proporción de cambio en la velocidad y en el sistema inglés se mide en unidades G, o sea la aceleración promedia debida a la gravedad en la superficie de la tierra. Para obtener aceleración desde velocidad, se requiere otra diferenciación, y eso resulta en otra multiplicación por la frecuencia. El resultado es que por un desplazamiento dado, la aceleración es proporcional al cuadrado de la frecuencia. La aceleración es igual a desplazamiento por el cuadrado de la frecuencia, o: a = 0. 1 x (100)² = 1000 pulgadas por segundo.
26. Que una desalineación paralela? La desalineación es una condición en la que las líneas centrales de flechas acopladas no coinciden. Si las líneas centrales de las flechas desalineadas están paralelas pero no coinciden, entonces se dice que la desalineación es una desalineación paralela. La desalineación paralela produce una fuerza de cizallamiento y un momento de flexión en la extremidad acoplada de cada flecha, niveles de vibración altos en 2x y en 1x.
27. Que es una desalineación angular?
La desalineación angular produce un momento de flexión en cada flecha, y esto genera una fuerte vibración en 1x, y algo de vibración en 2x en la dirección axial en ambos rodamientos y de fase opuesta. También habrá
niveles relativamente fuertes en direcciones radiales y/o transversales1x y 2x, pero en fase.
Desalineación angular Un acoplamiento desalineado generalmente producirá niveles axiales bastante altos en 1x en los rodamientos a las otras extremidades de las flechas también. Síntomas: •
Fuerte vibración axial en 1x RPM posiblemente con armónicos en 2x y 3x.
•
El armónico 2x RPM en dirección axial puede alcanzar un valor igual o incluso superior a 1x.Vibración en dirección radial, probablemente de menor amplitud que en dirección axial, en 1x, 2x y 3x.
•
Las medidas de fase axial a ambos lados del acoplamiento se encuentran desfasadas 180°.
28. Que es una vibración inducida eléctricamente?
La maquinaria eléctrica sufre de todos los defectos de otra maquinaria rotativa, con la complicación adicional de efectos puramente eléctricos. La constricción magnética o magneto estricción es la deformación de un material magnético en presencia de un campo magnético, y causa vibración a 120 Hz en todos los aparatos eléctricos como motores, generadores, transformadores etc. En motores eléctricos hay una atracción magnética entre el rotor y el estator que varía en 120 Hz. Esto también causa vibración en el estator en 120 Hz. Es a veces difícil
distinguir el efecto magnético en 120 Hz del componente de vibración 2x en máquinas de 3600 RPM. El componente magnético 120 Hz desaparecerá de inmediato cuando se apaga la corriente, y el componente 2x seguirá presente mientras que el rotor está rodando bajo el impulso cinético.
29. Que daños a la salud causan las vibraciones? Puede causar: •
Daño físico permanente
•
Trastornos y molestias al sistema nervioso
•
Lumbalgias en cadera y/o parte baja de la espalda
•
Efectos al sistema circulatorio y/o urológico
•
Daños permanentes en determinados órganos del cuerpo
•
Una exposición prolongada puede resultar en daños importantes cuando principalmente se emplean máquinas herramientas “manuales”. Se puede llegar a adquirir el síndrome del dedo blanco
Los efectos de la vibración se pueden mostrar cómo: •
Fatiga
•
Insomnio
•
Dolor de cabeza
•
Aceleración del ritmo cardíaco
•
Visión borrosa
•
Pérdida del equilibrio
•
Falta de concentración
30. Cual es la ecuación del modelo matemático masa resorte? La frecuencia natural de un sistema resorte-masa no amortiguado se dá en la siguiente ecuación:
Donde Fn = la frecuencia natural k = la constante del resorte, o rigidez m = la masa