Curso Mantenimiento Predictivo Sena Ing. Gustavo a Chavez

MANTENIMIENTO PREDICTIVO

Preparo: Instructor. Gustavo Adolfo Chávez M. Mantenimiento Predictivo CENTRO DE DISEÑO TECNOLOGICO INDUSTRIAL

MANTENIMIENTO PREDICTIVO (POR CONDICION) El mantenimiento predictivo es un control metódico y planeado que usa, entre otras, lecturas de vibración para predecir efectivamente cuando una maquina en particular necesitara atención de acuerdo con su condición operativa, individualmente. La vibración mecánica es un muy buen indicador de dicha condición operativa y, esta es la razón por la cual la forma más común de control de condición de maquinaria usa las mediciones de vibración como indicador. El axioma de mantenimiento por CONDICION o PREDICTIVO, es que el servicio es permitido solamente cuando las mediciones muestran que es necesario. Por medio de una medición regular de vibración, las condiciones de falla pueden ser detectadas y se puede seguir su desarrollo, además las mediciones pueden ser extrapoladas para predecir cuando serán alcanzados los niveles de vibración y cuando la maquina debe ser atendida. Esto es lo que se llama CONTROL DE TENDENCIA y permite al personal de mantenimiento planear con anticipación la reparación.

PROGRAMA DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO (PMP)

Objetivo de un programa de mantenimiento predictivo PMP

1) PREVENIR PARADAS NO PROGRAMAS DE MAQUINARIAS

La ley de Murphy dice que si una maquina va a fallar, esta lo hará en el momento más inoportuno. Este problema lo podemos eliminar mediante la medición de vibración, conociendo la SALUD MECANICA de una máquina podemos visualizar los problemas en desarrollo antes de que ellos se conviertan en críticos y causen la falla de la maquina. Podemos predecir cuando una maquina necesitara atención. Podemos programar el mantenimiento de la maquina cuando sea mejor para nosotros. Podemos prevenir paradas no programadas


PAG. 2 Preparo: Instructor. Gustavo Adolfo Chávez M. Mantenimiento Predictivo CENTRO DE DISEÑO TECNOLOGICO INDUSTRIAL

2) REDUCIR EL TIEMPO DE PARADA DE MAQUINARIA El análisis de vibración nos permite determinar cual es el problema de una maquina mientras ella continua en operación, esto quiere decir que cuando se programa un mantenimiento, no tenemos que adivinar que parte debe ser reparada o cambiada puesto que ya lo sabemos. Cuando la maquina es parada, las partes necesarias para su reparación estarán listas, el personal necesario estará listo, la reparación se ejecutara mas rápidamente y mas rápidamente la regresaremos a la línea de producción.

3) EXTENDER LA VIDA UTIL DE LAS MAQUINAS Y COMPONENTES La maquinaria es costosa y a menudo imposible de reemplazar en un corto periodo de tiempo, por ello, manteniendo el equipo existente en operación, el mayor tiempo posible, podemos obtener ahorros sustanciales. Midiendo su vibración y manteniendo la maquina mecánicamente sana, extenderemos su vida útil. Citemos un ejemplo: tenemos un motor que puede pesar alrededor de tres mil libras (3.000 lbs.), anclado rígidamente a un piso de concreto, vibrando con amplitud de 1 mil (0.001”). Un mil es la mitad del diámetro de un cabello humano, ¿parecería muy pequeño verdad? Pero piense que dentro del motor existen fuerzas torciendo, dilatando, deformando, y moviendo este motor 1 MIL. Esto requiere mucho energía! Energía destructiva! Energía que hace que las maquinas fallen.

4) PREVENIR FALLAS CATASTROFICAS Por monitoreo continuo de la vibración de una maquina podemos normalmente detectar un problema mayor, permitiendo pararla antes de que se autodestruya. Los ahorros aquí son obvios: costo de la maquina, posibles lesiones en personal, destrucción de la planta y perdidas de producción.

5) REDUCIR COSTO DE ENERGIA Una maquina con problemas mecánicos cuesta mas operarla que una maquina sana, ya que se necesita mas energía para moverla. Un compresor o una bomba que se encuentren desbalanceados consumen más energía, por que se requiere suministrar mas fuerza a sus motores para mantener la carga, incluyendo la energía de la vibración. La energía suministrada, bien puede ser en forma de electricidad, vapor, combustible, etc.



DESARROLLO DE UN PMP

1) DEFINIR LAS MAQUINAS A MEDIR 2) ORGANIZARLAS EN UN ORDEN LOGICO PARA COLECTAR SUS DATOS 3) REGISTRO DE SUS CARACTERISTICAS Consiste en abrir o actualizar las hojas de datos particulares e inherentes a cada maquina y que representan información necesaria para el análisis y el diagnostico de problemas por vibraciones. 4) GRABACION DE INFORMACION DINAMICA INICIAL Es el conocimiento detallado y la evaluación del estado inicial en que se encuentra vibracionalmente cada maquina. Este análisis servirá como base de comparación en el futuro, en el caso de existir algún problema, generara una acción correctiva programada, con base en el diagnostico. 5) COLECTAR DATOS EN FORMA PERIODICA Son mediciones preferiblemente mensuales que cubre el nivel total de vibración (si no existen problemas). Estas mediciones darán origen a las curvas de tendencia donde se evalúa la rata de deterioro de la maquinaria.

a) Buscar cambios en niveles de vibración o sobrepaso de niveles de alarma preestablecidos, en cualquiera de las maquinas medidas.

b) Grabación de información dinámica en maquinas que hayan

experimentado lo anterior, es decir, con problemas, para efectos de evaluación y diagnostico.

c) Organizar la información de tal forma que pueda ser usada para

definir ágilmente la situación o condición individual de cada maquina. PERSONAL REQUERIDO PARA EL PROGRAMA DE MANTENIMIENTO Para implementar mediciones de vibración dentro de un plan de mantenimiento, se debe contar con personal con habilidad y adiestramiento básico en maquinaria, mecanismos, interacción de fuerzas y electricidad. Luego de colectar la información y datos adquiridos se realizara un posterior análisis y diagnostico, basados en parámetros estándares industriales de la norma ISO 10816. Para la labor de análisis y diagnostico de fallas. Dicha información es: velocidad de rotación de los ejes, carga de la maquina, características de rodamientos y cojinetes, numero de elementos rodantes, numero de dientes y tipos de engranajes, numero de alabes, cuchilla, aletas, barras, numero de correas, numero de pistones, etc., la cual debe ser alimentada en forma concisa y organizada en archivos dentro de un programa adecuado para tal fin y de manera particular para cada maquina.



La definición adecuada de los niveles límites aceptables es uno de los factores claves en la configuración de todo programa de inspección de maquinaria industrial, los llamados niveles de advertencia y alarma son los elementos que nos ayudan a identificar la salud global de un determinado equipo, ellos indican la necesidad o no de profundizar en el análisis de la condición de la máquina monitoreada. El objetivo es presentar una referencia sobre los estándares usados en la industria en el caso del monitoreo de vibraciones de equipos rotativos. Se pretende dar una guía general, para aplicaciones específicas.

Actualmente la industria cuenta con diferentes referencias para establecer los niveles de amplitud de vibración permisible para sus equipos rotativos:

• Estándares industriales como las normas API, ISO, AGMA, VDI, NEMA.

• Recomendaciones de los

fabricantes de instrumentación y equipos para el Monitoreo y análisis de vibraciones.

Los estándares son criterios establecidos por autoridades, organizaciones o consenso general. Un estándar debe representar un amplio consenso de opiniones de una gran variedad de usuarios, debe ser aceptado y aplicado en toda su plenitud. Los estándares deben ser claros, concisos y fácilmente entendibles. En materia de monitoreo y análisis de la señal de vibración en equipos rotativos se cuenta hoy en día con una variedad de estándares que regulan los limites máximos aceptables de amplitud para diversos tipos de máquinas y aplicaciones, los estándares además regulan los procedimientos de medición y adquisición de los datos.



TABLA 1. CARTA DE SEVERIDAD RATHBONE

NORMAS ISO La Organización Internacional de Estándares (ISO) actualizó las antiguas normas que

regían el monitoreo de vibraciones: ISO 2372, ISO 2954 e ISO 3945

agrupándolas actualmente como ISO 7919 (1-5) e ISO 10816 (1-6), la última revisión de

estas normas se realizó en el año 2001. La serie ISO 7919 regula los criterios de

evaluación y medición de vibración en máquinas no reciprocantes para mediciones en el

eje de máquinas rotativas. La serie ISO 10816 establece estos criterios para mediciones

hechas sobre los pedestales o carcasa de las máquinas no reciprocantes. La tabla 2

resume el alcance de las series ISO 7919 y 10816.

AMPLITUD DE VELOCIDAD DE VIBRACION PULGADAS / SEG. (VALOR PICO)

SEVERIDAD DE LA VIBRACION

0,628 MUY RUDO

0,314 RUDO

0,157 LIGERAMENTE RUDO 0,0785 JUSTO

0,0392 BUENO 0,0186 MUY BUENO 0,0096 SUAVE 0,0049 MUY SUAVE



NIVELES DE AMPLITUD DE VIBRACION PERMISIBLES PARA EQUIPOS ROTATIVOS

ESTANDARES INDUSTRIALES NORMAS ISO 10816 La norma ISO 10816-3 clasifica cuatro zonas de condiciones de trabajo:

Zona A, Verde: Amplitudes máximas para máquinas nuevas recién puestas en

operación.

Zona B, Amarillo: Amplitudes máximas para operación continua.

Zona C, Naranja: La condición es aceptable solo por un limitado periodo de

tiempo.

Zona D, Rojo: Vibración perjudicial y peligrosa, una falla catastrófica puede

ocurrir en cualquier momento.

TABLA 2. ESTANDAR ISO 10816



Adicionalmente al tipo de apoyo - Rígido o Flexible - se definen además cuatro

grupos de máquinas:

Grupo 1: Máquinas grandes y motores eléctricos con altura de eje mayor a

315 mm, generalmente apoyada en cojinetes planos.

Grupo 2: Máquinas medianas y motores eléctricos con altura de eje entre

160 y 315 mm, generalmente apoyadas en rodamientos y con velocidad de

operación superior a 600 RPM.

Grupo 3: Bombas de una o varias etapas con motores externos con potencia

superior a 15 KW apoyadas en cojinetes planos o rodamientos.

Grupo 4: Bombas de una o varias etapas con motores integrados apoyadas

en cojinetes planos o rodamientos.

CONSIDERACIONES ECONOMICAS

El objetivo de un Programa de Mantenimiento Predictivo y los beneficios derivados de el, encierran un no despreciable ahorro económico que debe ser considerado por la gerencia de todas las empresas.

Ing.Gustavo Adolfo Chávez Mantenimiento Predictivo



Introducción Ya se ha demostrado muchas veces que la señal de vibración de una máquina en operación dá mucha más información acerca del funcionamiento interno de la máquina que cualquier otra clase de prueba no destructiva. Un rodamiento con un pequeño defecto incipiente, provocará un cambio delator en la vibración de la máquina de la misma manera que un desbalanceo, una desalinación o una cantidad de otras fallas. El análisis de vibraciones, cuando está aplicado correctamente, permite detectar pequeños defectos mecánicos incipientes mucho antes que representen una amenaza en contra de la integridad de la máquina. De esa manera, nos dá el tiempo suficiente para programar el mantenimiento para acomodar las necesidades de la gerencia de planta. De esa manera es la gerencia de planta la que controla las máquinas en lugar que sea viceversa. La medición de vibración y su análisis son las bases del Mantenimiento Predictivo, que forma un fuerte contraste con la práctica de mantenimiento del tipo histórico "funcionar hasta fallar. " Varios estudios, como el que llevó a cabo el Instituto de la Investigación de la Energia Electrica (EPRI) demostraron que en promedio, la indústria gasta $17 por año por caballo vapor, en el mantenimiento de la maquinaria. , si se practica, "funcionar hasta fallar". Técnicas de mantenimiento predictivas aplicadas correctamente redujeron esta cantidad hasta $9 por caballo vapor. Historia del análisis de vibración y su uso en el mantenimiento de maquinaria El primero analizador de vibración fué el cerebro humano, combinado con los sentidos del oido y del tacto, y todavia es uno de los mejores cuando el sujeto está bien entrenado. Muchos operadores de máquinas y gente de mantenimiento son capaces de diagnosticar problemas de máquinas por el tacto y con el uso de su fiel mango de escoba o desarmador para transmitir el sonido de un rodamiento al oido. El mecanismo del oido humano es extremadamente apto para reconocer patrones y muchas veces es capaz de reconocer las señales distinctivas, causadas por un defecto tal como una astilla en el anillo de un rodamiento con bolas. Desgraciadamente el analizador de vibraciones humano no tiene salida eléctrica, tiene una memoria deficiente y por lo general se jubila en la cumbre de su productividad.



Para incrementar la consistencia y para poder recordar las historias en el tiempo, necesitamos poder poner números a las mediciones de vibraciones y guardar archivos. Esos son las áreas donde el analizador de vibración humano falla. Era inevitable que fueran desarrollados métodos mecánicos y electrónicos para ese propósito. Los primeros medidores de vibración fueron introducidos en los años 1950. Ellos medían el nivel general o nivel de banda ancha de vibración en maquinaria, o bien en mils (milésimos de pulgada) pico a pico de desplazamiento vibratorio o en pulgadas por segundo ( PPS ) de velocidad vibratoria. Un poco más tarde, los filtros análogos fueron agregados para poder hacer la diferencia entre los componentes de frecuencia diferente y de esta manera producir una especie de espectro de vibración. Los años 1970 vieron la llegada de la computadora personal y el procesador de las señales digitales que lleva al analizador TRF y eso posibilitó el cálculo de un espectro de frecuencias muy rápido. , desde una señal de vibración grabada. Los primeros analizadores eran muy voluminosos y pesaban hasta 35 kilogramos. , y eso les hacia más adecuados como instrumentos de laboratorio que como unidades portátiles para uso en la industria. Los años 1980 vieron la explotación del microprocesador en un único chip de silicón. y éste fue seguido muy rapidamente por el verdadero analizador de señales digitales portatil. , activado por baterias. Es un aparato que junto con un programa de computadora almacena los datos y maneja los aspectos lógicos de la recopilación de datos, que revolucionó la aplicación del análisis de vibración en el diagnóstico de maquinaria.



EQUIPOS ANALIZADORES DE VIBRACION O COLECTORES FFT Un proceso de análisis de vibraciones en maquinaria, inicia por la obtención de una buena señal. Si no se tiene el cuidado de aplicar una configuración de la medición acorde a la respuesta en frecuencia, muy posiblemente se entrará a trabajar con información distorsionada: tendencias no confiables, espectros con amplitudes no reales y formas de onda sesgadas.



CONCEPTOS BÁSICOS

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 actua 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. El movimiento vibratorio de un cuerpo entero se puede describir completamente como una combinación de movimientos individuales de 6 tipos diferentes. Esos son traslaciones en las tres direcciones ortogonales x, y, y z, y rotaciones alrededor de los ejes x, y, y z. Cualquier movimiento complejo que el cuerpo pueda presentar se puede descomponer en una combinación de esos seis movimientos. De un tal cuerpo se dice que posee seis grados de libertad. Por ejemplo un barco se puede mover desde adelante hacia atras ( ondular )desde abajo hacia arriba y de babord hacia tribord. También puede rodar en el sentido de la longitud (rodar), girar alrededor del eje vertical, (colear) y girar alrededor del eje babor-tribor (arfar) Supongamos que a un objeto se le impide el movimiento en cualquiera dirección excepto una. Por ejemplo un péndulo de un reloj solamente se puede mover en un plano. Por eso, se le dice que es un sistema con un grado único de libertad. Otro ejemplo de un sistema con un grado único de libertad es un elevador que se mueve hacia arriba y hacia abajo en el cubo del elevador. 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. Mas adelante veremos que la proporcion (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 caracteristicas e interacciones permite de diagnosticar un problema de la máquina.



CARACTERÍSTICAS DE LA VIBRACIÓN

Una máquina puede analizarse como la analogía del modelo masa-resorte. La masa, es la masa misma de la máquina, incluyendo la parte fija y la parte rotativa. El resorte, es la capacidad de deformación del sistema cuando se somete a esfuerzos mecánicos. Hay una tercera variable que es el amortiguamiento y es la capacidad de restablecimiento de la máquina cuando es deformada por algún tipo de esfuerzo mecánico.

La causa de la vibración, independientemente de cuál sea ésta, es una fuerza que cambia tanto en magnitud como en dirección en el tiempo. Estas causas tienen sus propias características que dependen de la manera como dichas fuerzas se hayan generado. Las causas o perturbaciones más frecuentes que pueden producir vibraciones son: desbalanceo, desalineamiento, daño en rodamientos, defectos en engranajes, juego mecánico, problemas en bases y estructuras, defectos eléctricos, disturbios aerodinámicos e hidrodinámicos, entre otros. Lo que podemos Escuchar o Sentir de la máquina, es solo “parte de su historia”. Mediante el Análisis de Vibraciones, se puede detectar una amplia variedad de condiciones de falla.

límite inferior

límite superior

Posición neutral

resorte Un ciclo

desplazamiento

tiempo

masa



En la tabla siguiente se presenta una lista de posibles fuentes de vibración y las causas que originan las mismas.

FUENTES DE VIBRACIÓN DESCRIPCIÓN

Accionamiento Equipo que proporciona la potencia motriz que puede ser motor eléctrico, turbina, motor diesel, motor hidráulico.

Transmisión Corresponde a manchones, uniones, cadenas, acoplamientos, engranajes, poleas, correas, reductores.

Máquina Es la unidad accionada. Bombas, compresores, ventiladores, refinadores, molinos, alimentadores, cintas, etc.

Conducción Se trata de las instalaciones de conducción de termofluidos, tales como ductos y tuberías con sus singularidades.

Fluido Es el líquido o gas transportado o tratado y sus características físico – químicas.

Rotores Desbalanceo, rodete excéntrico, flexionamiento de ejes, desalineación angular y radial, manchón excéntrico – acoplamiento dañado – desalineación de poleas – correas tirantes

Aerohidrodinámicos Álabes dañados, objeto extraño en rodete, desajuste axial, flujo pulsante, cavitación, golpe de ariete.

Engranajes Apretado, suelto, diente dañado, engranaje desalineado, excéntrico o desgastado.

Rodamientos Pistas dañadas, rodamiento seco, juego radial excesivo, rodamiento apretado, juego axial excesivo, jaula o bolillas dañadas.

Problemas estructurales

Distorsión de carcaza, roce de sellos, falta de rigidez en cojinetes, fundación dañada, bastidores quebrados, fuerza de cañerías, resonancia en la base, excitación

externa.

Eléctricos Barra fisurada, carbones apretados o sueltos, colector dañado, defecto de rectificación, entrehierro variable, desequilibrio de fases, problemas de frecuencia.

Partes sueltas Rodete suelto, camisa suelta, rodamiento suelto, soltura de pernos en la base, manchón suelto, polea suelta, correas flojas.



PARAMETROS QUE DEFINEN UNA VIBRACION Frecuencia y Periodo de Vibración. Una vibración periódica es el movimiento que ocurre cuando una partícula realiza un movimiento oscilatorio alrededor de una posición de referencia, repitiéndolo de la misma manera luego de haber trascurrido una determinada cantidad de tiempo T. La forma más simple de movimiento periódico es el llamado movimiento armónico simple, representado en la siguiente figura.

El periodo de vibración (T), es el tiempo transcurrido entre dos condiciones sucesivas e iguales de movimiento. La frecuencia (f) se calcula a partir de la inversa del periodo. Si el periodo indica el tiempo de una oscilación, la frecuencia indica el número de ciclos de oscilación producidos por unidad de tiempo. La frecuencia normalmente se expresa en ciclos por segundo (CPS) lo que se conoce también como Hertz (Hz).

Un Seg. De tiempo Período =

1/Frecuencia



En las figuras anteriores se muestra un ventilador que gira cinco veces cada segundo, es decir, que su Frecuencia de giro es de 5 Hertz, o de 300 CPM (5 x 60). La frecuencia nos permite conocer el CUÁL de la Vibración, es decir: cuál problema (por ejemplo: Desalineamiento o Falla en Rodamientos) o cuál componente es el causante del cambio en el comportamiento (por ejemplo: Engranaje o Acople). Si no hubiera fricción en el sistema, la oscilación continuaría en la misma proporción y en la misma amplitud para siempre. Este movimiento armónico sencillo idealizado, casi nunca se encuentra en sistemas mecánicos reales. Cualquier sistema real tiene fricción y eso hace que la amplitud de la vibración disminuya gradualmente ya que la energia se convierte en calor. Las definiciones siguientes son aplicables al movimiento armónico sencillo: T=el periodo de la onda El periodo es el tiempo necesario para un ciclo, o para un viaje ida y vuelta, o de un cruce del nivel cero hasta el siguiente cruce del nivel cero en la misma dirección. El periodo se mide en segundos o milisegundos dependiendo de que tan rápido se cambie la onda. F=la frecuencia de la onda = 1/T

La unidad de frecuencia es el Hz,llamada por el cientìfico alemán,Heinrich Herz, que fue el primeroa investigar las ondas radio.

La frecuencia es el número de ciclos que ocurren en un segundo, y sencillamente es el recíproco del período.

Medición de Amplitud de Vibración

Las definiciones siguientes son de aplicación a la medición de la amplitud de las vibraciones mecánicas. 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. Pero eso no es necesariamente el caso con todas las formas de ondas de vibración, como lo veremos dentro de poco.



Amplitud Raiz del Promedio de los Cuadrados (RPC) Es la raiz cuadrada del promedio de los cuadrados de los valores de la onda. En el caso de una onda senoidal el valor RPC es igual a 0. 707 del valor pico, pero esto es solo válido en el caso de una onda senoidal. El valor RPC es proporcional al área abajo de la curva. Si se rectifica a a los picos negativos, eso quiere decir si se les hace positivos, y el área abajo de la curva resultante está promediado hasta un nivel medio este nivel es proporcional al valor RPC.

La amplitud de vibración se puede medir en tres variables: Desplazamiento, velocidad y aceleración.

• Desplazamiento es la distancia recorrida por el punto medido, debido a la vibración.

• La Velocidad de la vibración es aquella experimentada por el punto medido al

pasar por la posición neutra. Matemáticamente es la primera derivada del desplazamiento en función del tiempo, es decir que mide las variaciones de la posición o desplazamiento. La velocidad alcanza un máximo cuando la masa pasa por la posición de equilibrio y es cero cuando invierte su movimiento en los extremos.

• Aceleración es el cambio de Velocidad en el tiempo y es la segunda derivada del

Desplazamiento. La aceleración alcanza su punto máximo en el instante en que la velocidad está en su punto mínimo, es decir, en el punto donde la masa ha desacelerado hasta detenerse y está por comenzar a acelerarse nuevamente en la dirección opuesta.



Las unidades de medición de estas tres variables son:

VARIABLE INGLESA MÉTRICA DESPLAZAMIENTO MILS pico pico Micrones pico pico

VELOCIDAD in/sec rms o pico mm/seg rms G pico G rms o pico ACELERACIÓN in-seg2 mm/seg2

De acuerdo al sistema métrico utilizado, las unidades en la cuales se puede medir la vibración cambian. Esta selección es importante al momento de buscar en una tabla si un valor de vibración se encuentra dentro de valores buenos, aceptables o si es crítico. Podríamos incurrir en un error si mezclamos unas unidades con otras, dando un diagnóstico falso. Cuando se comparan valores de Amplitudes Globales, ambas señales se deben medir en el mismo rango de frecuencias y con el mismo factor de escala.

0 90 180 270 360DisplacementVelocityAcceleration

Tiempo



Las unidades de amplitud pueden ser convertidas de un tipo de sensor o medicion a otro, utilizando las siguientes formulas, y asignando estos valores y estas variables: A = Aceleracion en g’s (pulg/seg²) - Pk V= Velocidad en (pulg/seg) - Pk D= Desplazamiento en Mils - Pk-Pk π = 3.1416 g= constante gravitacional 386 pul/seg² (980 mm/seg²) f = frecuencia en Hz 1. V= 0.0031416 x f x D 2. V= 61.34 x A / f 3. D= 318.3 x V / f 4. D= 19,570 x A / f ² 5. A= 0.0000511 x D x f ² 6. A= 0.0162 x V x f O tambien se puede utilizar:

Velocidad = 2πfD Aceleracion = 2πfV = (2πf) ²D D = Desplazamiento pico (Pulgadas) f = frecuencia en Hz V = Velocidad en (pulg/seg) A = Aceleracion en (pulg/seg²) (1 g = 386.1 pulg/seg² )

Recuerden que:



El Concepto de Fase

Fase es una medida de la diferencia de tiempo entre dos ondas senoidales. Aunque la fase es una diferencia verdadera de tiempo, siempre se mide en terminos de ángulo, en grados o radianes. Eso es una normalización del tiempo que requiere un ciclo de la onda sin considerar su verdadero periodo de tiempo. La diferencia en fase entre dos formas de onda se llama a veces el desplazamiento de fase. Un desplazamiento de fase de 360 grados es un retraso de un ciclo o de un perìodo de la onda, lo que realmente no es ningún desplazamiento. Un desplazamiento de 90 grados es un desplazamiento de 1/4 del periodo de la onda etc. La fase nos permite entre otras cosas, conocer cómo se mueven los apoyos de una máquina a una frecuencia determinada. La fase vibratoria se mide en grados angulares usando tanto una luz estroboscópica como una célula fotoeléctrica. La fase es la medición de cómo una parte se mueve o vibra en relación con un punto de referencia fijo. Un ángulo de desfase de 180° significa que está justamente en oposición de fase. Si son dos masas que se mueven con la misma frecuencia siempre mantendrán la misma fase de diferencia.



Notense que la aceleración es 180 grados fuera de fase en relación al desplazamiento. Esto quiere decir que la aceleración de un objeto vibrando siempre estará en la dirección opuesta al desplazamiento. Es posible definir otro parámetro , que es la proporción de cambio de la aceleración, y se llama jalón. Jalón es lo que se siente, cuando se para su carro, si se mantiene una presión constante en el pedal del freno. Realmente es la terminación brusca de la aceleración. Los constructores de elevadores les interesa la medición del jalon, ya que los pasajeros de elevadores son especialmente sensibles a las variaciones de aceleración.

Resúmen de Unidades de Amplitud En el sistema inglès de medición, el desplazamiento se mide generalmente en mils (milésimos de pulgada), y el valor pico a pico se usa por convención. La velocidad generalmente se mide en pulgadas por segundo y la convención es de usar el valor pico o el valor RPC. Lo mas común es de usar el valor pico, no porque sea mejor, pero debida a una larga tradición. La aceleración se mide generalmente en Gs. 1 G es la aceleración debida a la gravedad en la superficie de la tierra. El G en realidad no es una unidad de aceleración--es sencillamente una cantidad de aceleración a que estamos sometidos como habitantes de la tierra. A veces la aceleración se mide en pulgadas por segundo por segundo (pulgadas/seg²) o m/seg ², que son unidades verdaderas. Un G es igual a 386 pulgadas / seg² o 9. 81 m/seg². El procedimiento de convertir una señal de desplazamiento hacia velocidad o de velocidad hacia aceleración es equivalente a la operación matemática de diferenciación Del modo contrario, la conversión de aceleración a velocidad o de velocidad a desplazamiento es la integración matemática. Es posible llevar a cabo estas operaciones



con instrumentos que miden la vibración y de esta manera convertir los datos de cualquier sistema de unidades a cualquier otro. Desde un punto de vista práctico la diferenciación es un procedimiento ruidoso en si, y muy raras veces se lleva a cabo. La integración, por otra parte se lleva a cabo con mucha precisión, con un circuito eléctrico muy barato. Esa es una de las razones de que el acelerómetro de hecho es el transductor estandard para medición de vibraciones, ya que su señal de salida se puede integrar fácilmente una o dos veces para mostrar velocidad o desplazamiento. La integración no es adecuada para señales con una frecuencia muy baja (Abajo de 1 Hz), ya que en esta área el nivel de ruido se va incrementando y la precisión del procedimiento de integración padece. La mayoria de los integradores disponibles comercialmente funcionan correctamente arriba de un Hz, lo que es lo suficiente bajo para casi todas las aplicaciones de vibraciones.

FRECUENCIAS NATURALES Muchos problemas mecánicos se reconocen por un cambio en las amplitudes de las vibraciones mecánicas. Para entender y diagnosticar correctamente las características vibratorias de las maquinarias rotantes, es esencial para el analista entender la física de los movimientos dinámicos. Esto incluye la influencia de la rigidez y la amortiguación sobre la frecuencia de vibración de una masa oscilatoria – tanto como la interrelación entre la frecuencia, desplazamiento, velocidad y aceleración de un cuerpo en movimiento. Para alcanzar un diagnóstico exitoso y aceptable en tiempo y forma deben considerarse muchas facetas de un problema mecánico. Por ejemplo, para identificar y solucionar un problema de vibración mecánica se debe considerar entre otras:

• Impacto económico • Tipo de maquinaria y construcción • Historia de la maquinaria – tendencias – fallas • Distribución de frecuencias • Distribución y dirección del movimiento vibratorio • Vibración forzada o libre

El impacto económico está directamente asociado con la criticidad de la máquina. Un problema en un compresor primario debería recibir atención inmediata, mientras que un problema de sello en una bomba de reflujo auxiliar debería recibir una prioridad menor. Claramente, los tipos de maquinarias y la historia de fallas son piezas importantes de información. Además, la frecuencia de la vibración, la ubicación y dirección del movimiento son indicadores del tipo de problema y la severidad del mismo. Tradicionalmente, las clasificaciones de vibraciones forzadas y libres son usadas para identificar el origen de la excitación. Esto provee información considerable para la futura



corrección potencial. Para propósitos de explicación, la siguiente lista identifica algunos mecanismos de vibraciones forzadas y libres. Mecanismos de vibraciones forzadas:

• Desbalanceo de masa • Desalineación • Eje curvo • Giroscopio • Contacto de engranajes • Roces del rotor • Excitaciones eléctricas • Excitaciones externas

Mecanismos de vibraciones libres:

• Cuña de aceite • Batido por aceite o vapor • Fricción interna • Resonancia del rotor • Resonancia estructural • Resonancia acústica • Excitación aerodinámica • Excitación hidrodinámica

Los problemas de las vibraciones forzadas son generalmente resueltos removiendo o reduciendo la excitación. Estos problemas son típicamente más fáciles de identificar y resolver que los problemas de vibraciones libres. Los mecanismos de vibraciones libres son fenómenos auto-excitados que son dependientes de la geometría, masa, rigidez y amortiguación del sistema mecánico. Las correcciones de problemas de vibraciones libres pueden requerir modificaciones físicas de la máquina. Como tales, este tipo de problemas suelen ser difíciles de corregir. El éxito en el tratamiento de problemas auto-excitados está directamente relacionado a la habilidad del analista para entender y aplicar los principios apropiados.



RESONANCIA

Cuando en un sistema coinciden una Frecuencia Natural (Fn) y una Frecuencia de Operación (Fo), el sistema entra en Resonancia. Si se trata de la Frecuencia Natural del rotor, excitada por la Frecuencia de Rotación, entonces hablamos de Velocidad Crítica, es decir, la Resonancia del Rotor

ADICION DE OTRA FUENTE DE VIBRACION El roce genera una señal adicional. La onda se torna más compleja. La frecuencia adicional es cercana a 80 Hz (4800 CPM). Las ondas se suman y la nueva onda trata de ser sinusoidal (como la del desbalanceo), pero tiene una perturbación adicional.



SENSORES DE VIBRACIÓN

TIPOS DE SENSORES Los sensores de vibración más utilizados son:

• Acelerómetros • Sensores de velocidad • Sensor de proximidad de corrientes parásitas de Eddy o sondas • Sensor de desplazamiento de contactos con el Eje y Shaft Rider

Sensores De Aceleración Piezoeléctricos. Un sensor de aceleración (acelerómetro) es un transductor electromecánico que produce como respuesta a una aceleración mecánica una carga eléctrica proporcional. El corazón de un acelerómetro es un elemento piezoeléctrico, generalmente de un cerámico ferro eléctrico artificialmente polarizado. Estos elementos tienen la propiedad de producir una carga eléctrica que es directamente proporcional a la deformación y por lo tanto a la fuerza aplicad cuando trabaja con cargas que pueden ser de compresión o corte. En la práctica, el diseño de los acelerómetros se efectúa de manera tal que los elementos piezoeléctricos estén cargados con una masa y precargados con un resorte. Cuando el sistema está sometido a una vibración, las masas ejercen una fuerza variable sobre el elemento piezoeléctrico que es directamente proporcional a la aceleración. Para frecuencias que se encuentren por debajo de la frecuencia de resonancia del conjunto, la aceleración de las masas será la misma que la aceleración de la base y el nivel de la señal producida será proporcional a la aceleración a que está sujeto el acelerómetro.



Los sensores de aceleración piezoeléctricos son los sensores mas ampliamente utilizados hoy en día debido a que han logrado ampliar enormemente su rango de frecuencias y su estabilidad ante los cambios de temperatura. Pueden conseguirse modelos para sensar vibraciones de baja frecuencia en máquinas que giran hasta a 12 RPM; también existen modelos especiales para altas frecuencias (hasta 10 KHz). Uno de los avances mas determinantes ha sido el desarrollo de sensores con “Circuito Internamente de Procesado” (ICP) los cuales permiten mayor confiabilidad y limpieza en las señales de salida. Sensores de Velocidad (Magneto – Resorte)

El sensor de velocidad del tipo magneto suspendido no necesita poder eléctrico, ya que es autopotenciado. Normalmente se le denomina sensor “sísmico” (aunque este término también abarca a los sensores de aceleración piezoeléctricos). Dentro de una cápsula hermética se encuentra un magneto suspendido entre resortes, algunas veces inmerso en un fluido de amortiguamiento. Solidario a la cápsula existe un bobinado. Cuando existe movimiento relativo entre el magneto y el bobinado se induce un voltaje proporcional a la velocidad del movimiento vibratorio del sistema sobre el cual se monta el sensor. Su rango de frecuencias va desde 10 Hz. hasta 1000 Hz.

• Son dispositivos resistentes • Operan en bandas anchas de frecuencias (desde cerca de 0 Hz

hasta 40 kHz o más) • Buena respuesta en altas frecuencias • Algunos modelos son aptos para altas temperaturas • Requieren electrónica adicional (puede estar dentro del mismo)

• Usualmente para medir la vibración del cuerpo de la máquina o soporte.

• Efectivos en el rango de baja a media frecuencia (10 Hz a aprox. 1.500 Hz)

• Generan su propia señal.



Sensores de Velocidad (Piezoeléctrico)

Este tipo de transductores denominados PVT, realizan el trabajo de un acelerómetro de propósito general y tienen la característica de un colector electrodinámico de velocidad para equipos de baja velocidad. Suministran una señal con una fidelidad superior a la de los acelerómetros estándar en el rango de 90 a 3600 rpm. Los transductores de estado sólido del tipo PVT son más confiables y tienen una respuesta en frecuencia mayor que un sensor electrodinámico. Básicamente está constituido por un acelerómetro piezoeléctrico con un microcircuito conversor de velocidad. Sensores de Desplazamiento por Corrientes Parásitas

También llamado sensor de proximidad, sensor tipo Eddy o de no contacto. Se monta generalmente en las cajas de los apoyos de máquina. Está basado en el principio eléctrico de las corrientes de fuga. Convierte un movimiento mecánico en una señal eléctrica análoga que es proporcional al desplazamiento, es decir, el espacio ocupado por la vibración del sistema. Un elemento de potencia recibe alimentación DC y la entrega a un circuito de alta frecuencia (entre 100 Khz. y 2 Mhz), dentro del cual se encuentra un transductor, cuyo extremo se aproxima al eje de la máquina. En este extremo se encuentra una pequeña bobina que forma un campo magnético que induce corrientes de Eddy en el eje, produciendo una caída de voltaje en el circuito oscilador proporcional a la distancia entre eje y sensor (llamada normalmente “offset”). La señal de

• Realmente, es un Acelerómetro Piezoeléctrico • Tiene un “integrador” interno, para convertir la señal a

Velocidad • Entrega una señal muy limpia • Útil en aplicaciones de maquinaria papelera. • También en balanceo de rotores

• Miden distancias relativas entre dos superficies.

• Respuesta con exactitud a bajas frecuencias • Sensibilidad limitada en alta frecuencia



salida del transductor es un voltaje DC proporcional al offset sobre un rango limitado. Ya que el eje rota, la señal DC variará, formando una señal dinámica AC, la cual representa el cambio en el offset en el tiempo; esta variación de voltaje es procesada como síntoma del comportamiento dinámico del eje. El sistema realiza una medición relativa, por lo tanto no puede utilizarse para mediciones globales, ya que se mueve solidario con la carcaza (o el elemento en el que esté montado). Puede utilizarse como sensor de fase o contador de revoluciones, si se le dispone de tal manera que "mire" una discontinuidad en el eje (por ejemplo un cuñero), lo cual produce un tren de pulsos eléctricos espaciados a cada ciclo de rotación. Estos sensores tienen un rango de frecuencias alcanza hasta 1000 Hz. Su aplicación principal se da en el campo de las turbo maquinas: Centrales hidroeléctricas, turbinas a gas y a vapor. Un aspecto clave es que su enfoque se centra en el análisis de “orbitas”.

SELECCIÓN DE LOS SENSORES

Son varios los factores a tener en cuenta a la hora de seleccionar un sensor para una aplicación determinada. Sin embargo se deben tener en cuenta principalmente tres: rango de frecuencias, nivel o amplitud experimentada por el sistema y temperatura de operación. El factor mas determinante es el rango de frecuencias a medir; los sensores de desplazamiento se utilizan para rango de 1 a 100 Hz; los sensores de velocidad se



utilizan desde bajas hasta medias frecuencias (1 a 1000 Hz); los sensores de aceleración fueron utilizados inicialmente para aplicaciones especiales de alta frecuencia, pero por su desarrollo ahora son utilizados para bajas y medias frecuencias. El siguiente esquema ilustra la aplicación.

Al medir Desplazamiento obtenemos énfasis en los eventos de baja frecuencia, mientras que los eventos de alta frecuencia se ven minimizados. Al medir Aceleración, obtenemos énfasis en los eventos de alta frecuencia, los cuales requieren de grandes fuerzas para lograr muy rápidos cambios de dirección en el movimiento vibratorio. La Velocidad, es estable para un amplio rango de frecuencia, lo cual constituye una razón para que sea el parámetro de evaluación de maquinaria industrial. B. PLANOS DE MEDICIÓN Es necesario establecer mediciones en las tres direcciones: horizontal, vertical y axial. En el proceso de análisis, se puede establecer por ejemplo que existe un problema de deficiencia en el anclaje, si la vibración Vertical es mayor a la Horizontal. Es posible también, tener bastante certeza de la presencia de Desalineamiento, cuando son elevadas las mediciones Axiales.

10 100 1,000 10,000

Frecuencia(Hz)

10

1.0

0.1

1

0.01

100

Desplazamiento (mils) Aceleración (g's)

velocidad (in/sec.)

Rango normal de operación

Amplitud (mils, in/sec..., g’s)



El montaje radial es el más común. Hay que evitar las posiciones con variaciones de temperaturas o excesiva condensación y en el caso de acelerómetros, el flujo de aire/fluidos sobre el sensor. Dado que conocemos cómo los problemas crean vibraciones en cada plano, la lectura en los tres sentidos puede ayudarnos a interpretar el origen de las mismas: En máquinas horizontales: Horizontal: El desbalanceo es la causa mas común de vibraciones en el plano radial (horizontal y vertical). Normalmente las máquinas son más elásticas en el plano horizontal, por lo tanto el desbalanceo se manifiesta generalmente en este sentido. Vertical: normalmente es menor que en el plano horizontal, debido a la diferencia de rigidez mencionada, y a la acción de la gravedad. Axial: En condiciones ideales presenta valores más bajos que las radiales, dado que las fuerzas generalmente son perpendiculares al eje. Sin embargo, los problemas de desalineaciones crean vibraciones en este sentido.- Nota - Esta es una descripción como guía de casos generales. Equipos montados verticalmente, o con rotores en voladizo u otros casos particulares, pueden mostrar diferentes repuestas. Es importante resaltar, que el sensor tiene mayor sensibilidad en la dirección en la cual es montado. También se debe tomar la lectura, lo mas cerca posible del cojinete y evitar posicionar el sensor sobre partes muy delgadas, pues pueden presentar resonancias o flojedades. En algunas ocasiones, simplemente no es posible físicamente obtener las tres mediciones; en términos generales, es aceptable contar con Horizontal y Vertical en cada apoyo de maquina y una medición Axial por cada eje. Niveles de Vibración. Un hecho notable en las maquinarias rotativas es que los síntomas de un defecto mecánico que afecta el comportamiento dinámico de la máquina son básicamente dos: Vibración y temperatura. Toda máquina, aún cuando es nueva, exhibe un comportamiento vibratorio que es la consecuencia de las tolerancias del proceso de fabricación; pero a medida que se comienzan a manifestar pequeñas anomalías las vibraciones comienzan a aumentar. Es evidente entonces que es posible establecer una correlación entre el estado de la maquinaria y el nivel vibratorio, es decir definir las bandas de tolerancias en las mediciones de vibración. Podemos definir las tolerancias de las vibraciones como el desvío aceptable a partir del nivel vibratorio que la experiencia ha admitido como satisfactorio. En la práctica industrial, los valores admitidos como tolerancias son los límites aceptados para distintas severidades de vibración. Hoy en día la industria ha aceptado e incorporado en un sentido muy amplio la práctica de las técnicas de Mantenimiento Predictivo, y muy particularmente las relacionadas con las mediciones de vibraciones para determinar el estado de condición, utilizando todas las capacidades que las mismas suministran. Un programa de Mantenimiento Predictivo



utiliza computadoras personales, instrumentos de mano para medición global o espectral de las vibraciones y técnicas de monitoreo on-line que son las que suministran los datos necesarios para evaluar el estado de condición de la máquina. Con base a los sistemas de predictivo que se utilizan, el proceso de evaluación de datos se ha podido automatizar profundamente, pudiéndose obtener conclusiones en forma rápida y con mínima intervención del analista, si previamente se hubieran establecido valores de alarma adecuados. El problema en esta última acción implica que el analista conoce de antemano la condición de normal para un determinado componente de un equipo, de modo que la condición de anormal es la que supera los valores de tolerancias establecidos o valores permitidos. Para una tendencia de valores globales en condiciones normales de una máquina nueva o después una reparación se fijan los niveles de alarma por algún criterio con base a la propia tendencia o en función de algún standard o norma. Se toma un nivel de alarma y un segundo nivel de alarma o también llamado nivel de peligro.

Desafortunadamente sabemos de la dificultad práctica que tenemos para establecer los valores de alarmas, ya que al establecer un sistema de Predictivo por primera vez se carece del conocimiento necesario sobre el comportamiento de la máquina. La respuesta típica que se tiene al alcance de las manos para vencer a este dilema, está dada por el uso, en el inicio de un programa de normas standard que permiten tener niveles de medición aceptables sobre una gama amplia de equipos. Existen diferentes normas que pueden aplicarse para establecer valores de alarma en las máquinas. Todas ellas se basan en el tipo, tamaño y velocidad de la máquina, y a menudo fueron desarrolladas por las propias firmas constructoras para tener test de aceptación de los equipos durante el



período de puesta en marcha. El problema clásico con este tipo de standards es que los valores reales de vibración no suelen corresponderse a las mismas condiciones con las que se establecieron los valores adoptados por las normas, debido a que las condiciones de contorno de las mismas no se pueden obtener en un ambiente industrial, como por ejemplo: máquinas de velocidad variable hacen poco practicable los valores de normas, variaciones en la elasticidad de la estructura de montaje cambian significativamente los valores de vibración, algunas máquinas son extremadamente sensibles a los cambios de velocidad, en la práctica los valores leídos en un punto pueden estar influenciados por las vibraciones de máquinas vecinas, variaciones en la carga hacen variar los valores de vibración. Los valores establecidos por las normas se aplican a mediciones globales, que es un algoritmo que determina el valor RMS, el valor pico o pico a pico sobre un ancho de banda determinado (generalmente 1 Hz a 1000 Hz). Desafortunadamente, otra desventaja que tiene el uso de estas normas es que el valor global es poco sensible a los pequeños cambios que se originan en la energía de las vibraciones debidas a fallas en rodamientos, problemas eléctricos, defectos en engranajes y otros que poseen valores de energía similares. Si se colocan los niveles de alarma de modo que detecten cambios en defectos que poseen una energía alta de vibración, tales como desbalanceo o partes flojas, es improbable la detección de las fallas más pequeñas como las mencionadas. La inversa es también cierta. Esto es, si colocamos los niveles de alarma de modo tal que el programa de análisis usado detecte los cambios de poca energía, cambios en fallas tales como desbalanceo o desalineación aparecerán máquinas en alarma no deseadas. Por estas razones, la mayor parte de los analistas utilizan los valores de las normas sólo para suplementar algoritmos de análisis de alarmas más eficientes.



EVALUACIÓN DE SEVERIDAD

4.1 MONITOREO DE MULTIPLES PARAMETROS Espectro en velocidad Espectro en aceleración Eventos en bajas frecuencias (desbalanceo, desalineación, etc.) se aprecian mejor en el espectro en velocidad. En tanto para las fallas de altas frecuencias generadas por rodamientos o engranajes, es mejor el espectro en aceleración. Espectro de Vibración. Es el conjunto de eventos vibratorios que se manifiestan en el tiempo y que son expresados en un formato amplitud-frecuencia. Este será la base de información del sistema vibratorio en el enfoque de diagnóstico. La mayor parte de las vibraciones en la realidad son combinaciones complejas de diferentes formas de onda. Para realizar un buen análisis es necesario descomponer las señales compuestas en señales simples a fin de estar entonces en condiciones de identificar las excitaciones correspondientes. Para tal efecto se utilizan los analizadores digitales con microprocesadores que ejecutan un algoritmo matemático llamado Transformada Rápida de Fourier (FFT).



Resolución en un Espectro de Vibración. La resolución es la menor diferencia en frecuencia que puede ser detectada entre dos componentes cercanos. Es igual a la banda base dividida entre el número de líneas. A mayor resolución (menor ancho de banda), más cantidad de muestras requeridas para realizar los cálculos necesarios. El número de muestras requeridas es igual a 2.56 veces el número de líneas (Límite de Nyquist).



En un analizador de vibraciones el ancho de banda está determinado por el número de líneas escogido. Una línea es el lugar de un dato en el dominio de la frecuencia. El tiempo requerido para tomar un cierto número de muestras es igual al número de muestras divido entre la velocidad de muestreo. Un Colector de Datos ¨muestrea¨ la señal eléctrica proveniente de un sensor de vibración. La rata de muestreo, el número de muestras y la longitud del registro de tiempo, determinan la ¨Resolución¨ y Frecuencia Máxima

CRITERIOS DE EVALUACION DE SEVERIDAD Las Tendencias son una buena base para establecer Periodicidad en las mediciones. También permiten optimizar los tiempos para intervención de maquinaria. Valor Global. Es la energía vibratoria total dentro de un rango de frecuencia. Incluye la combinación de todas las señales vibratorias dentro de un rango de frecuencia. No incluye las señales vibratorias fuera del rango de frecuencia especificado. Lo representa un valor numérico. Este valor de vibración global es el primer paso a tener en cuenta para empezar a analizar un equipo. Cuanta vibración tiene? Como estaba en la medición anterior?. Está dentro de la vibración global que me recomienda el fabricante de la máquina ?.

DETECCIÓN Y ANÁLISIS Detección Los límites de alarmas son establecidos para cada medición. Cuando el valor medido supera este límite programado, el software de Mantenimiento Predictivo o el colector de datos avisa al analista del problema Análisis El análisis de las medidas de excepción provee información sobre el problema y sobre la causa raíz de fallas. En esta fase se estudian los espectros, las formas de onda, y las tendencias. Cuando se ha realizado una buena selección de los parámetros de análisis y alarmas, el equipo y el programa nos indican en donde podemos tener un posible problema. El paso siguiente es analizar los espectros, formas de onda e información adicional obtenida en el momento de realizar las mediciones, para determinar con exactitud el problema y su origen. Existe una amplia disponibilidad de equipos de medición producidos por diferentes fabricantes. Los objetivos que se proponen difieren levemente, pero la potencia y los resultados obtenidos marcan amplias diferencias.



Ha hecho carrera la realización simultánea de dos mediciones, una global, la cual es la suma de la amplitud de las señales a diferentes frecuencias, presentes en una misma medición, y otra por bandas selectivas, es decir, filtrando cada fuente o grupos cercanos de fuentes para concretar el aporte de cada una. Para esta última puede utilizarse la medición global y mediante software realizar la división para el análisis. La decisión sobre la metodología a utilizar depende de la capacidad del instrumento colector de datos y el rango lineal de los sensores utilizados. La frecuencia fundamental es la de rotación de la máquina medida; puede expresarse en ciclos por segundo (cps o Hertz), o en ciclos por minuto (CPM). Los armónicos son frecuencias cuyo valor es un múltiplo de la frecuencia fundamental. Se dividen en sincrónicos, no-sincrónicos y subsincrónicos. Los sincrónicos son frecuencias que se presentan a múltiplos enteros de la fundamental; también se expresan como ordenes (2 X RPM ó 2 X , ó segundo orden). Los no-sincronicos son frecuencias que ocurren a múltiplos no-enteros de la fundamental; ejemplo: 3.4 X RPM, 10.8 X RPM, etc. Los sub-sincronicos son señales de vibración que ocurren a frecuencias por debajo de la fundamental. Por ejemplo: 0.4 X RPM. Análisis del Espectro Desde el advenimiento de los analizadores FFT las técnicas de análisis en frecuencia se han vuelto un medio de identificación de fallas mediante la inspección de la vibración. Estas técnicas se han ido extendiendo desde la identificación directa de frecuencias simples hasta la suma y diferencia de análisis frecuenciales como un resultado de las habilidades de los analizadores FFT. El espectro presenta la información de la vibración en términos de la frecuencia y la amplitud. La técnica de análisis en frecuencia se realiza directamente relacionando parámetros tales como la velocidad de giro y otras frecuencias generadas por la máquina como pueden ser frecuencias de engrane, paso de hélice, defectos de rodamientos y defectos eléctricos, a las frecuencias obtenidas en el espectro. También pueden observarse en el espectro, frecuencias naturales excitadas por alguna fuerza externa o interna (resonancias) o alguna otra forma de energía aleatoria presente.



MODELO ESPECTRAL (VELOCIDAD)

A través del tiempo, en los sucesivos análisis, se van reconociendo características espectrales que representan problemas específicos. La siguiente es una guía general para máquinas típicas:

5.7 EJEMPLOS DE ESPECTROS

1

2

3

baseline espectro (norm)

higher than normal 1X vibración signal

1X

2X 3X

bearing freq..

gearmesh freq.

higher than normal 1X and bearing vibración signals

Espectro Base del equipo: Colectar mediciones cuando se sabe que la máquina está en buenas condiciones.

1 X velocidad de rotación es mayor que lo normal. Indica que la señal ocurre una vez por cada revolución. Típicamente causada por desalineación o desbalanceo.

Un pico mayor que lo normal, en 1X rpm, y frecuencia de falla de cojinete, indica que la frecuencia rotacional ya ha causado daño en é t

Mayor que lo normal en 1 x r.p.m. y frecuencia de cojinete

Mayor que lo normal en 1 x r.p.m.

Espectro de referencia, normal

1X

2X 3X

4X

< 1X

Bajas frecuencias: eventos rotacionales y sus armónicas. (Desbalanceo, desalineación, flojedades,

etc.)

Eventos de altas frecuencias (rodamientos, engranajes)

10X



Ejemplo 1: Es un espectro FFT normal. Este fue obtenido con una operación normal de la máquina, en la cual no se observan problemas. Típicamente, el pico de la izquierda es la frecuencia de rotación (1 X). Ocurre porque es normal un pequeño desbalanceo en el rotor. Otros picos en frecuencias aleatorias, representan vibraciones no perjudiciales. Otras son armónicas de las RPM, y la frecuencia natural de la máquina y rotor. Ejemplo 2: Muestra como el espectro FFT comienza a indicar una fuente de vibración excesiva. El FFT del ejemplo 2, fue obtenido cuando la máquina tenía un desbalanceo. En este, el pico a la velocidad de rotación se incrementa. Esta vibración es llamada fundamental, o de primer orden, o 1 X. Las armónicas están a dos, tres, n, veces la velocidad de rotación. Estas se denominan de segundo orden, tercer orden, etc. Ejemplo 3: El pico 1 X de la frecuencia del cojinete, más alto de lo normal, indica que el desbalanceo ya le ha causado daño.

DIAGNÓSTICO DE FALLAS

La mayor ventaja de los programas de mantenimiento predictivo actuales es la habilidad para diagnosticar los problemas mecánicos y eléctricos de la máquina, que se evidencian en los espectros de vibración, si la vibración excede los niveles de alarma espectrales y globales establecidos. Al analizar los espectros y comparando con los “espectros típicos”, se revela información invaluable acerca del origen del problema por lo que el analista debe plantearse preguntas como: • Qué frecuencias están presentes en el espectro y cómo se relacionan con la velocidad

operativa de la máquina, es decir, son los picos presentes iguales a 1X, 2X, 3X, 5,78X RPM?

• Cuáles son las amplitudes de cada pico? • Cómo se relacionan los picos de frecuencia entre ellos? Por ejemplo 2X RPM es

mucho más alto que 1X RPM, hay un gran pico en 5,63X RPM, hay un gran número de armónicas de la velocidad de operación.

• Finalmente, si hay picos de amplitud significativos, cuál es exactamente su origen? Es 7,43X RPM una frecuencia de rodamiento defectuoso?

No es inusual que una máquina tenga dos o más problemas presentes en el mismo momento. Por ejemplo, si una máquina tuviera simultáneamente tanto soltura mecánica como desbalanceo del rotor, cada uno contribuiría frecuencias a su espectro, el cual mostraría RPM altas de 1X junto a armónicas múltiples de velocidad de operación múltiples. En general suele ser potencialmente posible suministrar información acerca de la fase para la mayoría de los problemas mencionados. La amplitud revela cuánto algo



vibra, la frecuencia expresa cuántos ciclos ocurren por unidad de tiempo, mientras que la fase completa el cuadro mostrando cómo está vibrando la máquina. Desde el punto de vista del diagnóstico, la fase es una poderosa herramienta para diferenciar cuál de las numerosas fuentes de problemas es la dominante. A continuación se tratarán algunas de las fallas más comunes:

DESBALANCEO DINAMICO Es la causa de vibración mas común y la mas fácil de diagnosticar. El desbalanceo es una condición donde el centro de masa no coincide con el centro de rotación.

La razón de esto es la distribución de masa no uniforme alrededor del centro de rotación. Esto puede ser visto como un punto imaginario y pesado sobre el rotor. Este punto empuja al rotor y al eje alrededor de él causando una deflexión que se siente en los rodamientos. La tarea para el balanceador consiste en encontrar la cantidad y localización de dicho punto pesado y aplicar un contra peso en dirección opuesta (180°) para compensar la situación. Esto permitirá que el centro de masa sea coaxial con el centro de rotación y el resultado será un rotor trabajando uniformemente. Las causas del desbalanceo pueden ser: • Porosidad en la carcasa • Densidad no uniforme del material • Tolerancias en la manufactura • Ganancia o pérdida de material durante la operación

+ gc

+ mc

Punto pesado

+ gc

+ mc

Punto pesado

Contra peso



• Acciones de mantenimiento tales como cambio de rodamientos o limpieza • Cambio de pernos • Maquinado • Material moviéndose alrededor tal como agua en las cavidades • Cuñas • Acoples • Cualquier otra cosa que afecte la distribución de masa El desbalanceo se presenta como una frecuencia de vibración exactamente igual a la velocidad de rotación con una amplitud proporcional a la cantidad de desbalanceo. El desbalanceo se puede clasificar como estático, de cupla o dinámico. . Desbalanceo dinámico En realidad, todos los desbalanceos son dinámicos. Se llama así a la combinación del desbalanceo estático y en cupla. En máquinas simples (un plano), es usual detectar un desbalanceo estático más que dinámico (poleas, ventiladores, etc.). En máquinas más complejas, con rotores con varios planos, el desbalanceo en cupla es el más importante. Cuando se monta una máquina, en muchos casos es conveniente verificar primero el desbalanceo estático sobre apoyos, por seguridad, y luego realizar el balanceo de la cupla en todos los planos.

Revisión. La vibración causada por un desbalanceo puro, es una onda senoidal con un periodo de 1 x revolución. En el espectro FFT, ésta aparece como una vibración mas elevada en 1 x. Otras fallas también pueden ocasionar una mayor amplitud en 1 x. Si el desbalanceo es

1x

2x 3x

Alta 1 x

Armónicas de 1 x bajas

Radial



muy severo, o cuando la rigidez horizontal difiere mucho de la vertical, suelen aparecer armónicas. Si alguna de ésta es mayor que la fundamental, no debe sospecharse de un desbalanceo.- Causas de Desbalanceo. El desbalanceo puede ser causado por un número de factores, incluyendo fabricación inadecuada, como el caso de piezas mal fundidas, depósito de materiales extraños en álabes, rotores, paletas, etc., o a la colocación de pesos en una reparación, sin el debido balanceo. En bombas, un desgaste desigual de impulsores también genera desbalanceos. Efectos del Desbalanceo. El desbalanceo normalmente provocará que el cojinete soporte una carga dinámica mas elevada que la especificada en diseño, que inducirá fallas por fatiga en el cojinete. La fatiga es el resultado de esfuerzos cíclicos aplicados sobre la superficie que soporta la carga, y metalográficamente, se observa como un desprendimiento de la superficie del metal.

DEFECTOS EN RODAMIENTOS Un rodamiento puede fallar por un número de razones: lubricación inadecuada, contaminación del lubricante, carga elevada por problemas de la máquina (desbalanceo, desalineación, eje doblado, etc), mal manipuleo o montaje inadecuado, vejez (fatiga superficial), etc.

En general, el resultado inicial de la fatiga generada por las cargas cíclicas, son fallas que aparecen inmediatamente abajo de la zona de rodadura con carga. Luego de un tiempo, este esfuerzo provoca picaduras que gradualmente se extienden sobre la superficie. Al pasar los elementos rotantes sobre la falla, se fragmenta nuevamente. Esto es conocido como spalling o flaking. El spalling se incrementa progresivamente hasta inutilizar el rodamiento. Este tipo de daño de rodamiento es de una progresión lenta, y se desarrolla en las cuatro etapas de fallas que se describen más adelante.



Otro tipo de falla es iniciado por fatiga de la superficie. Se forman cráteres en la superficie y penetran en el material. Esta fatiga es también causada por la carga excesiva o la lubricación inadecuada. En ambos casos, la falla del rodamiento produce ruido y vibración, permitiendo su detección y análisis anticipado. Esto provee al personal de mantenimiento, de tiempo suficiente para corregir la causa del problema del rodamiento (extendiendo efectivamente la vida en servicio), o si es necesario, tiempo para reemplazar el rodamiento antes que falle completamente. Una vez reemplazado el rodamiento, el analista debe determinar la causa raíz del problema. Muchas veces, problemas en las máquinas tales como desbalanceo, desalineación, mala lubricación, etc, son las causas de las fallas de rodamientos. Para prevenir éstas nuevamente, se debe corregir la causa raíz. Frecuencias de Fallas de los Rodamientos Existe una relación física entre la geometría de los rodamientos, y la señal de vibración emitida por los defectos de cada componente del rodamiento. Si conocemos las dimensiones geométricas del rodamiento (diámetro de las bolillas, diámetro medio, número de bolillas, y ángulo de contacto), podemos calcular las frecuencias de falla de cada componente del rodamiento. Luego que las frecuencias de fallas del rodamiento son conocidas, analizamos el espectro para identificar los picos de esas frecuencias (o sus armónicas). Un pico en la frecuencia de falla, indica que el rodamiento tiene problemas, y además cuál es la ubicación del mismo en el rodamiento. Las frecuencias de fallas de rodamientos se calculan individualmente para cada rodamiento: Pista exterior: outer race = BPFO (Ball Pass Frequency Outer Race) Pista interior: inner race = BPFI (Ball Pass Frequency Inner Race) Canastilla: Cage = FTF (Cage Frequency, or Fundamental Train Frequency) Bolas: rolling elements = BSF (Ball Spin Frequency) Estas cuatro frecuencias de defectos son calculadas para cada tipo de rodamientos, usando ecuaciones relativas a su geometría. Por ejemplo, la ecuación para calcular BPFO es: BPFO = (n)/2 x (R.P.M.)/60 x (1-Bd/Pd x cos A) Donde: (n) = número de bolillas

Bd = diámetro de bolilla Pd = diámetro primitivo A = ángulo de contacto

Este cálculo puede resultar engorroso cuando se tiene 1000 rodamientos en uso en una simple máquina de papel. Gracias al avance tecnológico, la computadora puede hacerlo por nosotros. La mayoría de los software de análisis incorporan bases de datos de rodamientos identificados por fabricantes y número de modelo. Cada uno de los cuatro defectos son almacenados en la base. En la configuración del punto de medición, el usuario simplemente especifica el rodamiento (fabricante y modelo). El programa introduce las



frecuencias de fallas en cada punto de medición seleccionado, para relacionarlas con las mediciones. Luego de la colección de datos, cuando se observan los espectros, con una simple selección en el menú, se pueden apreciar superpuestas, las frecuencias de falla. Esto hace muy fácil para identificar defectos de rodamientos. Nuevamente, el pico a la frecuencia de falla conocida indica que el rodamiento tiene problemas, e indica dónde está el defecto. En el siguiente espectro, el defecto en la pista exterior es claramente identificada, cuando la marca de la frecuencia fundamental BPFO se alínea con el primer pico significativo en la medición de envolvente de aceleración (a aproximadamente 35 Hz). Los picos subsecuentes ocurren a múltiplos del defecto fundamental (2xBPFO, 3xBPFO, y 4xBPFO). En el espectro claramente se identifica el uso de la sobreposición de las frecuencias de fallas de rodamientos. El proceso de envolvente ha filtrado en el rango de frecuencia seleccionado, las vibraciones rotacionales con altas amplitudes, que ocultan los impulsos repetitivos de baja energía que producen las fallas de rodamientos. Luego, éstos son sumados y expresados en el rango del defecto fundamental y sus armónicas . El resultado es un cuadro de un defecto de pista externa a la frecuencia BPFO del rodamiento.



GLOSARIO DE TÉRMINOS TÉCNICOS A Aceleración: Razón de cambio de la velocidad respecto al tiempo. Acelerómetro: Sensor y transductor cuya entrada es la amplitud de aceleración y tiene una salida de voltaje de baja impedancia. Aliasing (Falseado): Una señal falsa cuyo valor frecuencial es igual a la diferencia entre la frecuencia de entrada y la rata de muestreo de un analizador digital. Alineación: Posición en la cual las líneas centro de dos ejes deben ser lo mas colineales posible, durante el tiempo de operación normal de la máquina. Amplitud: Es el máximo valor que presenta una onda sinusoidal. Análisis Espectral: Es la interpretación que se le hace a un espectro para determinar el significado físico de lo que pasa en una máquina. Angulo de Fase: La separación en el tiempo entre dos eventos cuando el tiempo es medido en grados. Armónico: Son frecuencias de vibración que son múltiples integrales de una frecuencia fundamental específica. Armónico Fraccionario: Armónicos que se encuentran entre los armónicos principales y son fracciones de la frecuencia fundamental. Axial: Posición del sensor que va en el sentido de la línea del eje. B Backlash: Juego que presentan dos elementos móviles conectados que han tenido mal montaje y presentan desgaste. Balanceo: Procedimiento por medio del cual se trata de hacer coincidir el centro de masa de un rotor con su centro de rotación, de manera que se pueda eliminar el mayor número de fuerzas inerciales. Balanceo en Múltiples Planos: Un Método de balanceo donde un rotor es dividido en dos o más planos de balanceo. Se calculan y adicionan pesos de corrección en cada plano. Bandeamiento Lateral: Son líneas espectrales que aparecen espaciadas a igual frecuencia, alrededor de una línea central. Esta es la mezcla de dos señales, en la cual la línea central pertenece a una y las líneas laterales pertenecen a la otra. Bandwith (Ancho de Banda): El rango de frecuencias que un transductor o analizador pueden acomodar. En el caso de los filtros de señales, el ancho de banda especifica la más pequeña diferencia de frecuencias que puede ser detectada (esto también se conoce como resolución). También mirar filtro de ancho de banda con porcentaje constante. C Centro de Gravedad: Es la representación de la masa de un cuerpo en un punto. Ciclo: Es un rango de valores en los cuales un fenómeno periódico se repite.



D Decibel: Unidad logarítmica de amplitud medida (muy usada en vibraciones y acústica). Desalineamiento: Una condición donde las líneas de centro de dos ejes acoplados no están exactamente en línea una con otra. Las dos líneas de centro pueden estar desplazadas paralelamente una de la otra (llamado desalineamiento paralelo), o pueden intersectarse a un ángulo diferente de 180° (llamado desalineamiento angular). Desbalanceo Dinámico: El que se configura por una condición combinada de desbalanceo dinámico y estático, en el cual las lecturas de vibración están desfasadas en un valor diferente de 0° o 180°. Desbalanceo Estático: El conformado en un rotor en el que la masa de desbalanceo causa un corrimiento paralelo del centro de masas. Las lecturas de vibración tomadas en los dos apoyos del rotor se encontrarán en fase. Comparar con desbalanceo dinámico. Desbalanceo Tipo Cupla: El conformado en un rotor de dos planos cuando cada uno presenta una masa de desbalanceo 180° aparte de la otra. Las lecturas de fase estarán igualmente 180° fuera de fase. Comparar con desbalanceo estático. Desplazamiento: Cambio de posición de un objeto o partícula de acuerdo a una sistema de referencia. Diagnóstico: Proceso por medio del cual se juzga el estado de una máquina. Dominio de la Frecuencia: Es la representación gráfica de la vibración en la cual se enfrentan Amplitud vs. Frecuencia. Dominio del Tiempo: Es la representación gráfica de una señal de vibración en la cual se enfrentan Amplitud vs. Tiempo. E Entrehierro: Espacio de aire comprendido entre el Estator y el Rotor de un motor eléctrico. Espectro: Sinónimo de dominio de la frecuencia. Espectro de líneas: Una gráfica en el dominio de la frecuencia que resulta cuando la energía de vibración se encuentra en frecuencias definidas que se transforman en frecuencias discretas (líneas) en el espectro. Comparar con espectro continuo. Excentricidad: Variación del centro de rotación del eje con respecto al centro geométrico del rotor. F Factor de Servicio: Factor que corrige niveles normalizados, para máquinas que se encuentran a condiciones especiales de operación. Fase: Es un retardo en el tiempo de dos señales, expresado en grados de rotación. Fatiga: Tendencia de un material a romperse bajo deflexiones repetidas. Frecuencia: Es el recíproco del período y significa número de oscilaciones completas por unidad de tiempo.



Frecuencia de Engrane (GMF Gear Mesh Frecuency): Es la velocidad nominal del engranaje multiplicado por el número de dientes. La GMF es igual para piñón y engranaje. Frecuencia de falla de Jaula (FC): Es la frecuencia de un rodamiento que se excita cuando se presenta deterioro en su jaula. Frecuencia de falla de Elemento Rodante (FB): Es la frecuencia de un rodamiento que se excita cuando se presenta un daño en algún elemento rodante. Frecuencia de falla de Pista Externa (FO): Es la frecuencia de un rodamiento que se excita cuando se presenta un daño en la pista externa. Frecuencia de falla de Pista Interna (FI): Es la frecuencia de un rodamiento que se excita cuando se presenta un daño en la pista interna. Frecuencia de Nyquist: Una relación (o frecuencia) de muestreo igual al doble de la frecuencia de entrada, permitiendo al analista su reconstrucción desde los valores discretos de la señal digital. Frecuencia Natural (Fn): Es la frecuencia que presenta cada componente por su propia naturaleza y características. Esta frecuencia oscilará si es excitada por agente externo que opere a una frecuencia muy cercana. G G: Unidades de aceleración de la gravedad. Equivale a 9800 mm/s2 y a 32.2 pie/s2. H Horizontal: Generalmente es la posición que se le da al sensor, que va perpendicular al sentido de la gravedad. Hz: Unidad más común de la frecuencia. Equivale a ciclos por segundo. M Masa Equilibrante: Masa utilizada en balanceo, para contrarrestar la masa desbalanceadora. Micra: Medida de longitud o distancia. Equivale a la milésima parte de un milímetro. Mil: Medida de longitud o distancia. Equivale a una milésima de pulgada. O Onda en el tiempo: Es la representación instantánea de una señal dinámica con respecto al tiempo. Órden: Es otra de las unidades de frecuencia, utilizadas para maquinaria rotativa. Una orden es equivalente a la velocidad nominal de la máquina. P Período: Es el tiempo necesario para que ocurra una oscilación o se complete un ciclo. Generalmente está dada en minutos y segundos. Pico: Cada una de las líneas que componen el espectro.



Pulsación: Elevación y caída en la amplitud de vibración causada por dos fuentes de vibración que están a frecuencias muy cercanas. R Radial: Posición del sensor que va perpendicular a la línea del eje. Resonancia: Se presenta cuando la frecuencia natural de un componente es excitada por un agente externo. La amplitud de vibración de la máquina se incrementará enormemente causando perjuicios a todos sus componentes. Rotor Flexible: Son rotores que giran muy cerca o por encima de su primera velocidad crítica. Por sus condiciones de operación presentan una deformación significativa. Rotor Rígido: Rotor que no se deforma significativamente cuando opera a su velocidad nominal. RPM: Otra de las unidades de frecuencia. Equivale al número de ciclos por minuto que presenta la máquina. RPS: Otra de las unidades de frecuencia. Equivale a 1 Hz (ciclos por segundo). S Sensor: Es un dispositivo de medición que transforma una variable física en una señal eléctrica. En nuestro caso pasa de una señal física de vibración y la convierte en una señal eléctrica. Señal: Es toda información de magnitud física variable que se convierte a magnitud eléctrica mediante un transductor. Shock: Es un impacto que tiene como resultado la generación de un pulso. Subarmónicos: Son frecuencias que se encuentran a una fracción fija de una frecuencia fundamental, como la velocidad nominal de la máquina. T Transformada Rápida de Fourier (FFT): Es una técnica para calcular por medio de un computador la frecuencia de las series que conforman la onda en el dominio del tiempo. V Vector: Es una cantidad dotada de magnitud y dirección. Velocidad: Razón de cambio del desplazamiento respecto al tiempo. Velocidad Nominal: Velocidad de entrada de una máquina. Vertical: Posición que se le da al sensor, que va en el sentido de la aceleración de la gravedad. Vibración: Es un movimiento oscilatorio. Vibración Aleatoria: Frecuencias que no cumplen con patrones especiales que se repiten.

Curso Mantenimiento Predictivo Sena Ing. Gustavo a Chavez

Documents

Transcript of Curso Mantenimiento Predictivo Sena Ing. Gustavo a Chavez