Referencia enMedición y Análisis de VibracionesProf. Sergio E. DiazLaboratorio de Dinámica de MáquinasUniversidad Simon Bolivarhttp://www.ldm.laba.usb.ve(0212) 906 4136sdiaz@usb.ve

Medición y Análisis de

VibracionesDe todos los parámetros que pueden medirse en la industria hoy en día, el aspecto que se refiere a la vibración contiene la mayor cantidad de información acerca de la condición mecánica.

• IntroducciónJustificación y Aplicabilidad• Tema 1Fundamentos de Vibración• Tema 2Medición de Vibraciones Mecánicas• Tema 3Procesamiento y Análisis de Señales Dinámicas• Tema 4Herramientas para la Identificación de fallas mediante análisis de Vibraciones

Contenido

Medición y Análisis de Vibraciones

Introducción

¿POR QUÉ ES ÚTIL LA MEDICIÓN Y

ANÁLISIS DE VIBRACIÓN?

• Cuantificar el deterioro o la condición de equipos dinámicos.

• Estudiar las diferentes causas de problemas.

• Cuantificar la severidad de la falla.• A través del establecimiento de tendencias, predecir posibles fallas.

¿Por qué vibran las máquinas ?

¿ Cómo se mide la vibración en una máquina ?

¿ Cómo se puede analizar la vibración en una máquina ?

¿ Cómo se pueden identificar las fallas a partir del análisis de la vibración ?

¿ Vibración ?

Causas típicas de la excesiva Vibración en las Máquinas Rotativas

•Desbalanceo

•Eje doblado

•Desalineación

•Inestabilidad hidrodinámica (en cojinetes, sellos o rodetes)

•Desgaste o daños en elementos tribológicos (rodamientos,

engranajes, cojinetes, acoplamientos)

•Roce entre partes en rotación y estacionarias

•Holgura mecánica excesiva

•Apriete inadecuado

•Resonancias estructurales

•Grietas en los rotores

Tema 1: Fundamentos de Vibración

Es una oscilación mecánica alrededorde una posición de referencia.Esta oscilación puede ser periódica(repetitiva) o no.

En una máquina rotativa la vibración puede ser generada por fuerzas dinámicas que aparecen como producto de su funcionamiento.

Vibración

El movimiento armónico es la forma de vibración periódica más simple.

Movimiento Armónico Simple

¿Es la vibración en una máquina rotativa de esta forma?

Generalmente la vibración en una máquina es más compleja!!

Generalmente la vibración en una máquina es más compleja!!

Parámetros Descriptores de un movimiento armónico simple

Para un movimiento armónico simple se tiene:

¿Cuál es el parámetro descriptor de amplitud de vibración más usado para máquinas?

El valor RMS representa un estimado del contenido energético en la vibración de una máquina o estructura.

Este valor es ampliamente utilizado para cuantificar la severidad de lavibración en máquinas.

El valor RMS debe ser medido con un instrumento capaz de detectar elvalor real RMS (true rms detector)

RMS

Valores RMS y Pico. Ejemplos

Máquina RotativaRotorEstatorFluido de trabajoSellosCarcaza

Estructura soporteCojinetesPedestales

FundaciónPlaca soporte

SISTEMA “EQUIVALENTE”SISTEMA FÍSICO

MASA/ INERCIA

RIGIDEZ

AMORTIGUACIÓN

FUERZAS DEEXCITACIÓN

Propiedades del

sistema

¿Cómo vibra un sistema ?

¿Por qué vibra un sistema ?

MASA/ INERCIAAcumuladores de energía cinética

RIGIDEZAcumuladores de energía potencial

AMORTIGUACIÓNDisipadores de energía

FUERZAS DEEXCITACIÓN

Variación de energía

VIBRACIÓN !!!

Sistema Masa-Resorte-Amortiguador Equivalente

Ecuación fundamental de la teoría lineal de vibraciones mecánicas.

De las propiedades del sistema se definen dos parámetros importantes:

La vibración o respuesta de un sistema puede ser expresada como:

RESPUESTA DEL SISTEMA = + Respuesta Homogénea

Respuesta Particular

Respuesta Homogénea

Depende de las propiedades del sistema !!!

Vibración Libre

Respuesta Particular

Depende de la excitación !!!

Vibración Forzada

Respuesta Homogénea para sistema no amortiguado (ζ = 0)

El sistema oscila (vibra) con una frecuencia igual a ωn

En la realidad NO EXISTEN SISTEMAS SIN DISIPACIÓN !!!

Respuesta Homogénea para sistemas amortiguados (ζ ≠ 0)

0 < ξ < 1Sistema Sub-amortiguado

Sistema críticamente amortiguado

Sistema sobreamortiguado

ξ = 1

ξ > 1

En la mayoría de sistemas mecánicos (ejemplo máquinas rotativas)

el factor de amortiguación ζ es menor que 1 .

Respuesta Homogénea para sistemas sub amortiguados

Respuesta Homogénea (Libre) para sistemas amortiguados

F(t)

Periódicas

No periódicas

Armónica simple

Armónica compuesta

Fuerzas de Excitación

En una máquina rotativa la vibración en régimen de operación (régimen permanente) depende de la excitación.

En particular, si la fuerza es una armónica simple (ejemplo un desbalance) la respuesta en régimen de operación es a la misma frecuencia de la excitación, solo que presenta un retraso.

F(t ) = Fosen(ωt)

IGUALES!!!

X (t ) = X osen(ωt −φ )

Desfasaje

Amplitud de la respuesta

1 ciclo o T segundos = 360 grados

Amplitud de respuesta y desfaje para régimen permanente

La condición en la cual la frecuencia de excitación coincide con la frecuencia crítica del sistema se conoce como RESONANCIA.

¿Es la resonancia una condición segura para un sistema que vibra?

No!, en general para la mayoría de equipos y estructuras que vibran esta condición debe evitarse

Si ω = ωc Amplitud de vibración MÁXIMA

Resumiendo

Observación:Si ζ es pequeño, los valores de ωd y ωc son cercanos a ωn

ω = ωc A = AMÁX RESONANCIA

Función de transferencia

RESPUESTA = (FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA)* EXCITACIÓN

MEDICIÓN DE LA FRECUENCIA NATURAL

La ωn no puede ser determinada directamente de forma experimental, ya que no existe sistema real que no presente amortiguación en lo absoluto. Para determinar ωn es necesario determinar ωd o ωcritico.

Dominio del Tiempo y dominio de la FrecuenciaLa vibración puede ser estudiada como función del tiempo y como función de la frecuencia

¿Es útil estudiar la vibración en el dominio de la frecuencia?Permite identificar posibles fuentes de excitación cuando se expresa la vibración como una suma de señales armónicas al identificar lasrespectivas frecuencias. FFT