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8/8/2019 A Vibraciones En Mquinas Y Mantenimiento Predictivo (Departamento de ingeniera mecnica_ energ

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EENNEERRGGTTIICCAAYY DDEEMMAATTEERRIIAALLEESS TEMA 8 VIBRACIONES EN MQUINAS.MANTENIMIENTO PREDICTIVO

33DDEEIINNGGEENNIIEERRAAIINNDDUUSSTTRRIIAALLEELLEEMMEENNTTOOSS DDEEMMQQUUIINNAASS YYVVIIBBRRAACCIIOONNEESS - 8.1 -

Vibraciones enmquinas.

Mantenimientopredictivo


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8.1 Introduccin

El anlisis y monitorizado de vibraciones son dos de las herramientas ms usuales paraprevenir incipientes problemas mecnicos relacionados con los procesos de fabricacin encualquier planta productiva, no limitndose slo a las mquinas rotativas. Hasta hace poco,

eran excluidas del anlisis de vibraciones las mquinas con velocidades de funcionamientobajas, as como las lneas de proceso continuo especialmente complejas. No obstante, enla actualidad se utilizan tcnicas de anlisis de vibraciones en mquinas cuyas velocidadesnominales son del orden de hasta 6 r.p.m.

La figura representa el esquema general correspondiente a la gestin de un sistema demantenimiento predictivo. El primer objetivo de todo sistema de mantenimiento basadoen el monitorizado de las condiciones de funcionamiento de las mquinas es evitar lasparadas no programadas. Desde esta perspectiva, el monitorizado de los parmetrosrelacionados con el estado de las mquinas, puede permitir planificar las accionescorrectivas de forma que se minimicen dichos tiempos muertos.

Por otra parte, para obtener el mximo beneficio de la adopcin de las tcnicas demantenimiento predictivo, stas deben de ser integradas de forma apropiada dentro delplan de gestin de la planta o instalaciones industriales correspondientes, con la necesariaconsideracin de:

La compatibilidad desde el punto de vista operacional.


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Los posibles mtodos de aplicacin. El grado de preparacin requerido para el personal involucrado. El valor intrnseco de la informacin obtenida. La manera en que dicha informacin ha de ser utilizada. La forma de recuperar al mximo las inversiones llevadas a cabo.

Todos estos aspectos pueden ser llevados a cabo mediante la aplicacin de una serie demdulos de gestin recogidos de forma grfica en la figura siguiente. La progresiva

introduccin de los mismos en el funcionamiento de los diferentes departamentos de laempresa permitir que las tcnicas de mantenimiento predictivo alcancen su plenodesarrollo.


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8.3 Parmetros para lamonitorizacin de

maquinaria deproduccin

MQUINAS ROTATIVAS

Muchos programas de anlisis de vibraciones se limitan al estudio de mquinas comobombas y ventiladores. Sin embargo, el monitorizado y el anlisis de vibraciones puedenextenderse tambin a maquinaria rotativa ms compleja, as como a una gran variedad desistemas en procesos continuos. Por ello, la clasificacin de mquinas rotativas deberaincluir bombas, ventiladores, compresores, generadores, mquinas de papel y una gran

variedad de mquinas de procesos continuos ms.Por definicin, un TREN DE MAQUINARIA consiste en una fuente de potencia (motorelctrico, turbina de vapor, ...), unos acoplamientos intermedios (correas, embragues, cajasde cambio, ...) y toda una serie de elementos mviles como bombas, ventiladores y demscomponentes que pueden intervenir en procesos continuos.


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Todo elemento de un tren de maquinaria genera una serie de fuerzas dinmicas durante elfuncionamiento de la mquina. Cada una de estas fuerzas dar lugar a frecuencias devibracin que identificarn a los diferentes componentes de la mquina. Desde el momentoen que todos los componentes de una mquina estn unidos entre s, las frecuencias devibracin de cada uno de los componentes de la mquina se transmitirn a la totalidad dela misma. Sin embargo, el monitorizado de las frecuencias de vibracin en puntosespecficos de la mquina puede ayudar a aislar e identificar el componente defectuoso.

Si se desea obtener un mximo beneficio y un ptimo diagnstico del programa demonitorizado de vibraciones se debe monitorizar y evaluar la mquina en su conjunto. En

este sentido, muchos programas se encuentran muy limitados por el monitorizado de cadaelemento de la mquina por separado, limitndose en gran medida la posibilidad dedetectar de una manera incipiente los problemas en la mquina. Cmo determinar, porejemplo, que los ejes de un motor y de su carga estn desalineados si no se puedecomparar la frecuencia de vibracin del sistema a ambos lados del acoplamiento. Esabsolutamente imprescindible por ello conocer la dinmica de la mquina para poderestablecer una base de datos adecuada en la que estn contemplados los rangos devibracin de la mquina, los lmites de alarma y los parmetros de anlisis sobre los cualesse pueda establecer el grado de degradacin de la mquina, y la raz de los problemasincipientes en la misma.

MQUINAS CON MOVIMIENTO ALTERNATIVOEl anlisis de vibraciones es tambin directamente aplicable a maquinaria con movimientoalternativo, aunque para este tipo de mquinas deber utilizarse una lgica distinta dediagnstico. Al contrario de lo que ocurre con las mquinas rotativas, los modos devibracin generados por las mquinas con movimiento alternativo no son losarmnicos simples de la velocidad de un eje de una mquina rotativa.

Por ejemplo, un motor de dos tiempos completa su ciclo cuando el rbol de la manivela dauna vuelta entera. Este tipo de solicitaciones generan armnicos simples; sin embargo, losesfuerzos adicionales asociados al fenmeno de la combustin dan lugar una serie decomponentes de vibracin mucho ms fuertes en el segundo armnico de la velocidad del

rbol de la manivela.Por otro lado, en mquinas con movimiento alternativo de cuatro tiempos, el cigeal debegirar los 720 (2 vueltas) antes de completar todas las solicitaciones, de ah que pocasfrecuencias de vibracin puedan ser armnicos directos de la velocidad del cigeal.

En consecuencia, un anlisis completo de la maquinaria de movimiento alternativo requieretener en cuenta un anlisis del dominio en el tiempo. En este tipo de maquinaria tanto losdatos del dominio en frecuencia como los del dominio en el tiempo deben tomarse enrelacin con el ngulo de fase del cigeal. Posteriormente, evaluando exactamente cmo


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estn relacionados los componentes especficos de la vibracin con el ngulo de fase delcigeal, puede llegar a determinarse la fuente de cada vibracin.

MQUINAS CON MOVIMIENTO LINEAL

La maquinaria con movimiento lineal tiene tambin un modelo repetible de fuerzas ymovimiento por lo que el anlisis de vibraciones puede emplearse igualmente para analizareste tipo de mquinas. La relacin existente entre los modos de vibracin y el movimientolineal es la clave para analizar estas mquinas.

Para este tipo de mquinas, el anlisis de vibraciones en el dominio del tiempo es msapropiado. Dado que las fuerzas y modos de vibracin producidos por la mayora de lasmquinas de movimiento lineal no se vuelven a repetir con cada rotacin de un eje, no esnecesario el anlisis en dominio de la frecuencia para una evaluacin segura.


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8.4 Dinmica de mquinas

COJINETES

En la maquinaria moderna, que funciona a velocidades y cargas relativamente grandes,uno de los primeros factores que determina la vida operativa del accionamiento de lamquina es la apropiada seleccin y diseo de sus cojinetes.

Como todo sistema mecnico debe tener algn tipo de cojinete, la primera indicacin delos problemas mecnicos se desarrollar en el campo de vibracin de los cojinetesde la mquina. Suelen ser por diseo el eslabn ms dbil en la mayor parte de lamaquinaria, constituyendo habitualmente el primer punto de fallo. Por ello, resulta deespecial inters disponer de un buen conocimiento de la problemtica del diseo decojinetes, as como de su dinmica operativa.

Los cojinetes pueden clasificarse en dos categoras: de elementos rodantes(RODAMIENTOS) y de camisa (CASQUILLOS). Los dos tipos tienen caractersticasoperativas y modos de fallo propios que pueden ser controlados mediante tcnicas deanlisis vibratorio.

Rodamientos

Los rodamientos (de bolas o rodillos) sehan venido utilizando en la mayor parte delas aplicaciones a alta velocidad y en lamayora de la ms pequea maquinaria deproceso.

Los principales componentes de unrodamiento incluyen:

Pista exterior. Pista interior. Caja. Elementos de rodadura.


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Los elementos de rodadura pueden ser tanto bolas como rodillos, y las posiblesconfiguraciones, en funcin del tipo de esfuerzos a que van a estar sometidos, dan lugar aun gran nmero de posibles configuraciones como puede apreciarse en la figuras:

Rodamientos de bolas Rodamientos de rodillos

El comportamiento general del rodamiento est determinado por la interaccin entre suselementos. Los contactos entre los elementos de rodadura y las pistas o cajas son los

sometidos a mayores cargas, de ah que los fallos por fatiga estn principalmentemotivados por esta interaccin. Los contactos entre elementos de rodadura y caja y loscontactos entre pistas y caja son generalmente de naturaleza dinmica ya que constituyenuna serie de choques de corta duracin y alta velocidad.

Existen otros muchos factoresque afectan a la vida normal delrodamiento, tal y como seaprecia en la figura adjunta; noobstante, aqu se limitar ladiscusin a los factoresmecnicos que pueden

emplearse para predecir el fallodel rodamiento.

El punto de partida para el monitorizado de fallos en este tipo de elementos esRODAMIENTOS DEFECTUOSOS GENERAN FRECUENCIAS DE VIBRACIN A LASVELOCIDADES DE ROTACIN DE CADA COMPONENTE y cada una de esasfrecuencias puede ser calculada y registrada haciendo uso de tcnicas rutinarias deanlisis vibratorio. Dichas frecuencias rotacionales estarn relacionadas, por tanto, con el


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movimiento de los elementos de rodadura, caja y pistas; incluyendo el giro de bolas orodillos, la rotacin de la caja y la frecuencia de paso de bolas o rodillos:

La FRECUENCIA DE GIRO DE BOLAS ORODILLOS (BSF) est originada por la rotacinde cada bola o rodillo alrededor de su propio eje:

=

2

D

d1

d

DN5.0BSF

Dado que el defecto de la bola o rodillo contacta con las pistas interior y exterior encada una de sus revoluciones completas, la frecuencia del defecto de la bola serdos veces la BSF o frecuencia rotacional.

La FRECUENCIA DE ROTACIN DE LA CAJA (FTF), por ejemplo, la frecuenciafundamental del accionamiento, puede calcularse como:

=

D

d1N5.0FTF

Un defecto en la pista exterior del rodamientopuede calcularse usando el PASO EN LA PISTA

EXTERIOR (BPFO):

=

D

d1Nn5.0BPFO

Tambin puede darse el caso, por ejemplo, de dosdefectos simultneos en la pista exterior(simtricos o no), tal y como puede apreciarse enla figura.

La frecuencia de defecto en la pista interior oPASO DE BOLA EN PISTA INTERIOR (BPFI)puede calcularse como:

+=

D

d1Nn5.0BPFI

Expresiones todas ellas en las que:

N = velocidad del eje en revoluciones por segundo.


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D = dimetro medio del rodamiento en pulgadas.d = dimetro de las bolas o rodillos en pulgadas.n = nmero de bolas o rodillos.

Muchos fabricantes de rodamientos han simplificado los clculos de estas frecuencias dedefecto suministrando una gua de referencia. Esta gua da una constante (p.e. valor) paracada una de las frecuencias de defecto de los distintos rodamientos fabricados por elvendedor que ha de multiplicarse por la velocidad de rotacin real del eje de la mquinapara obtener las frecuencias de defecto nico.

Las frecuencias de rotacin y defecto pueden surgir como resultado de defectosreales del rodamiento o por cargas inducidas bien por la mquina o bien por elproceso. El desequilibrio, la desalineacin y las cargas anormales amplificarn lasfrecuencias especficas del rodamiento que debe absorber la carga. Por ejemplo:

Una carga lateral excesiva creada por una tensin excesiva en una correaamplificar la frecuencia de rotacin de la bola (BSF) y ambas frecuencias de pasode bola (BPFO y BPFI).

La desalineacin de la misma correa amplificar la frecuencia de caja (FTF).Las frecuencias de vibracin que permiten definir incipientes problemas del rodamientopueden identificarse fcilmente con tcnicas de registro de banda estrecha:

La frecuencia fundamental (FTF) o de defecto de caja, ocurrir siempreaproximadamente al 40% de la velocidad de funcionamiento. Por lo tanto, unabanda estrecha establecida para registrar la energa de vibracin en una banda defrecuencia desde el 30 al 40% de la velocidad de funcionamiento detectarautomticamente cualquier cambio anormal en las condiciones de la caja delrodamiento.

De las restantes tres frecuencias de defecto la frecuencia de rotacin de la bola(BSF) es siempre la de ms baja frecuencia. La frecuencia de paso de las bolasen la pista interior (BPFI) es siempre la ms alta. Una simple banda estrecha essuficiente para registrar estas frecuencias de defecto del rodamiento. La banda

estrecha debera establecerse con un lmite inferior de cerca del 10% por debajo dela frecuencia normal de rotacin de bola (BSF) para permitir ligeras variaciones enla velocidad de funcionamiento. El lmite superior sera, aproximadamente, el 10%ms alto que la frecuencia normal de defecto de la pista interior (BPFI).

Usando estas tcnicas de registro de banda estrecha se puede llegar a detectarcualquier cambio anormal en las condiciones del rodamiento.


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La banda que registra el nivel de vibracin de las tres frecuencias mayores de defecto noes capaz de dar informacin acerca del defecto especfico (pista interior, pista exterior obola), pero informar sobre las condiciones funcionales del rodamiento. Si se desea saberconcretamente cul de los componentes est degradado, deber evaluarse manualmentela vibracin total para tratar de detectar la frecuencia de defecto especfica que causa laalarma.

En las figuras siguientes, se muestran cuatro casos reales de distribucin en frecuencia dela vibracin como consecuencia de la presencia de fallos en rodamientos:

Presencia de BPFO y FTF Presencia de BPFO y FTF

BSF modulada con bandas laterales a FTF BSF modulada con bandas laterales a FTF

Cojinetes de casquillo

Los cojinetes de casquillo o de pelcula de aceite pueden, a su vez, dividirse en variassubclases: lisos, acanalados, partidos (semi-cojinetes), basculantes (de segmentos oalmohadillas). Con excepcin del cojinete basculante, no generan una frecuenciarotacional nica que pudiera identificar una operacin normal. En este ltimo caso, al tenerpartes mviles, p.e. las almohadillas, se generarn componentes de vibracin a unafrecuencia de paso (paso o separacin de almohadillas o segmentos) igual al productodel nmero de segmentos por la velocidad de giro del eje.


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Este tipo de cojinetes est diseado para formar una pelcula fina y uniforme de lubricanteentre el metal antifriccin del cojinete y el eje. En funcionamiento normal, el eje estcentrado en esta delgada pelcula de lubricante y no crear fuerza dinmica ocomponentes de frecuencia de vibracin que identifiquen de forma especfica el cojinete.Sin embargo, un comportamiento anormal del lubricante puede identificarse claramenteusando tcnicas de anlisis vibratorio.

Si la pelcula de lubricante se haceexcntrica el registro de vibracinmostrar un marcado incremento en

energa de baja frecuencia (inferior ala velocidad de rotacin del eje). Larotura inicial de la pelcula uniformede aceite ser anunciada por unincremento de componentes defrecuencia incluso a fracciones de lavelocidad de funcionamiento (p.e.1/4, 3/8, 1/2, etc.).

Estos componentes de vibracin son originados por el giro excntrico del eje. Cuando lacondicin empeora, los componentes fraccionarios de la vibracin se fijarnaproximadamente entre el 40 y el 48% de la velocidad de giro del eje.

Si el eje rompe la pelcula de lubricante, el rozamiento mecnico llegar a ser evidente enla seal de vibracin. Este rozamiento mostrar una muy baja frecuencia, entre 1 y 2 Hz, ytambin tendr componentes de baja amplitud de aproximadamente 25 al 40% de lavelocidad real del eje. Sin embargo, hay que constatar que slo un limitado nmero desistemas de registro de vibraciones son capaces de detectar frecuencias de vibracin pordebajo de 10 Hz 600 r.p.m. y, por lo tanto, pueden ser utilizados para detectar estosfenmenos de rozamiento mecnico.

El registro de la condicin mecnica de cojinetes podra ser confiada, en principio, a latcnica de anlisis de vibraciones. Sin embargo, el empleo de anlisis peridicos delaceite lubricante usando medios espectrogrficos o de partculas pueden suministrar

datos adicionales sobre las condiciones de funcionamiento actual. En cualquier caso,los costos aadidos implcitos a la aplicacin de estas tcnicas no justifica su uso a no serque se haya identificado algn problema especfico en el programa de registro y anlisis devibraciones.

Las temperaturas del cojinete se pueden aadir al programa de registro haciendo usosde sensores de infrarrojos cuyas seales se introducirn en la instrumentacin deregistro de vibraciones. El incremento de costo es muy pequeo y el dato aadido detemperatura facilitar una pronta identificacin de problemas incipientes.


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ENGRANAJES

Muchas mquinas usan conjuntos deengranajes para transmitir el movimiento aotros componentes de la mquina. Losengranajes y las cajas de engranajestienen marcas nicas de vibracin queidentifican tanto su funcionamientonormal como anormal. La caracterizacin

de las seales de vibracin de una caja deengranajes es difcil de establecer, peroresulta ser una valiosa herramienta paradiagnosticar problemas en la mquina. Ladificultad estriba fundamentalmente en dosfactores:

Resulta extremadamente difcil, cuando no imposible, montar los necesariostransductores de vibracin en el interior de una caja de engranajes cerca de losengranajes individuales.

El nmero de fuentes de vibracin en un accionamiento de engranajes mltiples secompone de una compleja coleccin de engranes, modulacin y frecuencias develocidades de giro.

Grandes vibraciones en las cajas de engranajes son debidas, usualmente, a la existencia

de un fenmeno de resonancia entre alguna frecuencia natural del sistema y lasvelocidades del eje. Las mquinas complejas tienen, generalmente, muchas frecuenciasde resonancia dentro de su gama de velocidades de operacin . En la resonancia,estas excitaciones cclicas pueden causar grandes amplitudes de vibracin y esfuerzos yaque, bajo condiciones de resonancia, la amplitud torsional originada est restringidasolamente por el amortiguamiento del modo de vibracin correspondiente. En cajas deengranajes tpicas, este amortiguamiento es frecuentemente pequeo y permite al parexcitado generar grandes amplitudes de vibracin bajo condiciones de resonancia. Por


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todo ello, los espectros en frecuencia de la vibracin asociada a este tipo de elementosmecnicos resulta extremadamente compleja.

La siguiente descripcin de engranajes tpicos dar alguna idea de la dinmica operativanormal de cada tipo de engranajes. Para la implantacin de un programa de mantenimientopredictivo de engranajes y cajas de engranajes basado en vibraciones es muy importanteun conocimiento bsico de las fuerzas dinmicas que ellos generan. Como mnimodebern identificarse las siguientes fuerzas y sus correspondientes vibraciones:

FRECUENCIA DE ENGRANE (GMF): Es la frecuencia ms comnmente asociadacon engranajes y es igual al producto del n de dientes por la velocidad del eje.Una caja de engranajes normal contiene mltiples engranajes y, por tanto, mltiplesfrecuencias de engrane. Una seal de un engranaje normal tendr unafrecuencia de engrane de baja amplitud con una serie de bandas lateralessimtricas, espaciadas a la velocidad de rotacin del eje, a ambos lados.

La separacin y amplitud de estas bandas sern exactamente simtricas si la cajade engranajes funciona normalmente. Cualquier desviacin de la simetra de laseal indica un incipiente problema en el engranaje.


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Vibracin de un par de engrane para un comportamiento normal

Vibracin de un par de engrane para un comportamiento anormal

FRECUENCIA DE EXCITACIN: Los engranajes pueden ser fabricados con tal altogrado de precisin que pequeas imperfecciones pueden generar componentes devibracin anormales. Estas imperfecciones pueden aparecer durante la fabricacino en las operaciones de montaje. Los desajustes en el montaje pueden producir, porotra parte, que engranajes perfectos funcionen imperfectamente. La medicin deerrores revela esquemas complejos de defectos geomtricos que dan por resultadofrecuencias de vibracin anormales.


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Para el anlisis de funcionamiento de cajas de engranaje, son de gran inters losarmnicos de baja frecuencia, ya que estos componentes excitan lasfrecuencias normales de funcionamiento ms destructivas. Los armnicosaltos, tales como los errores diente a diente y las fluctuaciones de desplazamientodel eje debido a la flexibilidad de los dientes, generan ruidos, ms que vibraciones,en las cajas de engranajes.

HOLGURA: La holgura o juego es un factor importante en el funcionamientocorrecto del engranaje. Todos los engranajes deben disponer de una serie deholguras para permitir las tolerancias de concentricidad y forma de los dientes. Una

insuficiente holgura o juego causa un rpido fallo debido a sobrecarga. Una holguraexcesiva incrementar la fuerza de contacto reduciendo, tambin, la vida delengranaje.

Las holguras anormales alterarn el espaciamiento de las bandas lateralesque rodean la seal de frecuencia de engrane. En vez de mantener un espaciadouniforme, a la velocidad de rotacin del eje, el espaciado ser errtico.

En el control de las condiciones mecnicas de engranajes y cajas de engranajes usandotcnicas de anlisis vibratorio deben considerarse tambin las fuerzas unitarias generadaspor el engranaje especfico. Por ejemplo, un engranaje helicoidal general una carga deempuje axial alta creada por el engrane de la pareja de ruedas. La degradacin de las

condiciones de engrane incrementar la fuerza axial y su correspondiente amplitud devibracin.

Las tcnicas de control de banda estrecha son ideales para detectar problemasincipientes del tipo de los aqu descritos. Deber establecerse una banda estrecha queincluya, al menos, cinco bandas laterales a cada lado de la frecuencia de engrane. Porejemplo un montaje de engranajes con un eje girando a una velocidad de 20 Hz y unafrecuencia a 200 Hz deber tener una banda estrecha con un lmite inferior fijado a 100 Hz(20 Hz x 5) y un lmite superior fijado a 300 Hz. Este tipo de banda estrecha permitirdetectar automticamente cualquier incremento en la energa generada en el montaje deengranajes y, por lo tanto, cualquier cambio en sus condiciones de funcionamiento. Noobstante, estos datos no siempre determinarn la causa raz del fallo, haciendo necesario

un anlisis manual completo.El anlisis del aceite de lubricacin con tcnicas espectrogrficas o de partculasdesprendidas aadir informacin til del funcionamiento de las cajas de engranajes ypueden incluirse en un programa de monitorizado de vibraciones. Sin embargo, el costoaadido no justifica, normalmente, la inclusin de estas tcnicas, a menos que se hayaidentificado un serio problema en el programa de vibraciones.


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LABES Y PALAS

Las mquinas que usan labes o palas tienen una frecuencia adicional que puede serrutinariamente registrada. Esta frecuencia, llamada paso de labe o pala, representa lafrecuencia creada por los labes o palas al pasar por un punto de referencia, p.e. eltransductor de vibraciones. La FRECUENCIA DE PASO DE LABE O PALA puedecalcularse multiplicando el nmero de labes o palas por la velocidad de giro del ejede la mquina.

La amplitud y perfil de la frecuencia de paso variar con la carga. Sin embargo, es

importante registrar la carga operativa real como dato de adquisicin. Si se presenta unproceso de inestabilidad, la frecuencia de paso aumentar en amplitud, y sedesarrollarn modulaciones o bandas laterales alrededor de la frecuencia de paso.

Deber establecerse una banda estrecha para monitorizar automticamente la frecuenciade paso del labe o pala. El lmite inferior deber establecerse cerca del 10% por debajo yel lmite superior cerca del 10% por encima de la frecuencia de paso, para compensar lasvariaciones de velocidad y de captacin de bandas laterales que puedan crearse porinestabilidad.

CORREAS DE TRANSMISIN

Las mquinas que emplean correas de transmisin tienen un conjunto adicional defrecuencias que pueden ser monitorizadas. Toda correa de transmisin tendr unaFRECUENCIA DE PASO DE CORREA que identificar las condiciones defuncionamiento del sistema.

Esta nica frecuencia est generada por la velocidad real de la correa y puede sercalculada para cualquier sistema de transmisin:

correadelongitud

N1416.3dcorreadePaso 1

=

donde:

Longitud de la correa = 2L + d1/2 + d2/2 d1 = dimetro de la polea conductora en pulgadas d2 = dimetro de la polea conducida en pulgadas L = distancia entre centros en pulgadas N = Velocidad real de giro del eje conductor en Hz


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La frecuencia de paso de correa es un buensistema para identificar desalineaciones, cargasinducidas excesivas y otras formas de fallosasociadas con el conjunto de transmisin.

Debe establecerse una banda estrecha para monitorizar automticamente la frecuenciade paso de correa. El lmite inferior deber establecerse un 10% por debajo de lafrecuencia de paso calculada y el superior deber ser un mltiplo de la frecuenciacalculada, mltiplo que es igual al nmero de correas. Por ejemplo, una transmisin con 10correas deber fijar el lmite superior a 10 veces la frecuencia de paso calculada.

VELOCIDADES DE FUNCIONAMIENTO: NOMINALES Y CRTICAS

Muchos de los defectos o modos de fallo en los sistemas mecnicos pueden identificarsecomprendiendo su relacin con la velocidad o velocidades de funcionamiento de un ejedentro del conjunto de la mquina. Cada mquina tendr, al menos, una velocidad defuncionamiento real o velocidad nominal, la velocidad real del eje o ejes dentro de lamquina. En la mayora de los casos, hay ms de un eje y cada uno de ellos tendr supropia velocidad nominal de funcionamiento.

Como la mayor parte de las frecuencias de vibracin se refieren a la velocidad de rotacin

de un eje dentro de la mquina es importante que se identifique cada velocidad de rotaciny su propia frecuencia rotacional. La FRECUENCIA FUNDAMENTAL DE VIBRACIN ovelocidad de rotacin ser un primer indicador de muchos de los problemas del conjuntode la mquina y deber ser cuidadosamente registrada.

Deber establecerse una banda estrecha para monitorizarautomticamente cada una delas velocidades reales de giro del interior de la mquina. Hay que advertir que lasvelocidades de giro en el interior de una mquina no permanecen constantes; aun en elcaso de mquinas de velocidad constante, se producen variaciones en la velocidad de giro.Esta variacin es, en principio, una funcin del factor de carga: en la mayora de lasmquinas, la velocidad de rotacin disminuye cuando aumenta el factor de carga. Paracompensar este tipo de variacin, la banda estrecha deber establecerse con el lmite

inferior fijado cerca del 10% por debajo y el lmite superior cerca del 10% por encima de lavelocidad normal de giro calculada. Esto ser suficiente para compensar las pequeasvariaciones de la velocidad real.

Las mquinas de velocidad variable deben ser tratadas de manera ligeramente diferentemediante el establecimiento automtico de filtros de banda estrecha. Este mtodo, llamadoANLISIS DE RDENES, usa un tacmetro para determinar la velocidad de rotacin ymover los filtros de banda estrecha a la posicin correcta basada en la velocidad de giromedida. Esta aproximacin simplifica la monitorizacin automtica de estas mquinas.


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Velocidades Crticas

Todos los ejes de sistemas mecnicos rotativos presentan vibraciones radialespotencialmente perjudiciales. Estas velocidades crticas son aquellas frecuencias derotacin que coinciden con una o ms de las frecuencias naturales del eje.

Los ejes vibrarn de forma importante a velocidades crticas aun en mquinas equilibradascon precisin. El equilibrado estrecha, pero no elimina, la banda de velocidades en la quelas vibraciones alcanzan un valor importante permitiendo que una mquina bien equilibradapueda funcionar ms cerca del conjunto de velocidades crticas sin quedar perjudicada.

Normalmente, la velocidad crtica ms baja o fundamental, es la de mayor intersporque genera la vibracin de mayor amplitud. Por ello, frecuentemente se eligen losejes por su alta rigidez y baja masa, lo cual ayuda a situar la velocidad crtica por encimade la velocidad de funcionamiento normal.

No obstante, la ligereza y rigidez de los ejes no resuelve por s misma los problemas develocidad crtica. Por ejemplo, la mayora de los ventiladores y soplantes estnproyectados para funcionar justamente por debajo de su primera velocidad crtica ofundamental. Mientras el ventilador o soplante funcione a la velocidad de diseo noexperimentar ningn problema relacionado con la velocidad crtica; sin embargo,frecuentemente los ventiladores y soplantes en funcionamiento normal se averan o

destruyen como resultado directo de un problema de velocidad crtica. El factor quepermite al ventilador llegar a funcionar a la primera velocidad crtica es la limpieza de suslabes: en un funcionamiento normal los ventiladores y soplantes estn sujetos a unaumento de polvo y otros slidos contaminantes depositados sobre los labes que danlugar a un aumento del peso o masa que bajar la primera velocidad crtica del ventilador;como resultado el ventilador llegar a estar funcionando, a la velocidad de diseo, dentrode la primera velocidad crtica.

En ocasiones, no se llega a comprender del todo el hecho de que la velocidad crtica seaun fenmeno de toda mquina rotativa y no slo una caracterstica dinmica de ejes enrotacin. Cualquier componente en una mquina rotativa que reduzca la rigidez oincremente la masa de giro tambin acercar las velocidades crticas a lasvelocidades de funcionamiento de la mquina. Esto puede llegar a ser un problema realcuando se disean o seleccionan componentes sin considerar su potencial influencia sobrelas velocidades crticas de la mquina.

La vibracin excesiva originada por funcionar a velocidades crticas disminuyeinmediatamente al cambiar la velocidad de la mquina. Por ello, un mtodo paradeterminar si existe un problema de velocidad crtica es modificar la velocidad de lamquina. Un aumento o disminucin de la velocidad de la mquina reducir drsticamentetoda vibracin y especficamente la componente de la velocidad de funcionamiento real.


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Adems de la primera velocidad crtica o fundamental originada por fuerzas centrfugas deuna masa no equilibrada, se han observado tambin algunas componentes de vibracina una frecuencia igual a la mitad de la primera crtica. Este efecto es tpico de ejeshorizontales, indicando que la influencia de la fuerza de gravedad, del peso propio, puedeser una de la causas. Hay dos causas primarias para esta velocidad crtica secundaria:

Efecto de la gravedad combinada con la presencia de un desequilibrio. Efecto de la gravedad combinada con una rigidez a flexin no uniforme en el eje.

En conclusin, las velocidades crticas deben ser consideradas en todas las mquinas

rotativas. Se debe poner especial atencin a las velocidades crticas o frecuenciasnaturales en mquinas con componentes suspendidos o en voladizo, (p.e. ventiladores) omquinas con masa rotativas grandes y poca masa de fundacin. Las mquinas de papelson ejemplos clsicos de grandes masas giratorias con poca masa soporte: la mayor partedel peso o masa de la mquina es debida a los componentes rotativos (p.e. rodillos) y estsoportada por una estructura mnima siendo, por lo tanto, altamente susceptible a losproblemas de velocidad crtica.

MODO O FORMA DE OPERACIN

Como la mayora de las mquinas usan ejes relativamente flexibles, los ejes tienden a

flexar y funcionar en una forma o modo ms que girar en su propio centro.El PRIMER MODO de operacin es un desplazamiento radial delcentro de giro del eje. El eje gira cilndricamente alrededor del centronormal o esttico y no tiene un verdadero nodo (punto dedesplazamiento nulo) entre los cojinetes soporte; permanecerelativamente recto pero girando excntricamente. El DESEQUILIBRIOen un plano y otras disposiciones de carga generan este modo deoperacin. La componente de vibracin de la velocidad nominal seexcita por este modo de operacin.

La SEGUNDA FORMA adoptada por un eje en rotacin es ms bien

cnica que cilndrica. El eje se deforma en forma de S con un nodoentre los cojinetes soporte. Por lo tanto, por cada revolucin del ejese observarn dos puntos altos en la seal de vibracin. Este modocrear un componente de vibracin a dos veces la velocidad degiro. Normalmente asociado con la DESALINEACIN, tambinpueden ser origen de esta forma: un desequilibrio de fase, ejestorcidos, una inestabilidad aerodinmica,


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En la TERCERA FORMA de operacin posible en un eje giratorio, stetiene dos nodos entre los cojinetes soporte. Este modo origina uncomponente de vibracin de frecuencia tres veces la velocidad degiro. Muchas situaciones de carga pueden dar lugar a esta terceraforma de operacin: un desequilibrio en varios planos, un movimientooscilatorio del elemento giratorio, ...

Una clara comprensin de las diferentes formas o modos de operacin, de cmo songenerados y cmo aparecen en la seal de vibracin, facilitar la comprensin de lascondiciones de funcionamiento de la mquina de cara a su mantenimiento predictivo.

En cualquier caso, en la forma adoptada por losmodos descritos anteriormente, existe un factorde diseo del rotor que resulta determinantecomo es la rigidez o elasticidad quecaracterice a los apoyos que sustentan alrotor(hard/soft supports).

As, las formas descritas constituyen las propiasde un rotor con apoyos flexibles. La presenciade unos apoyos rgidos modifican de maneradeterminante las caractersticas definidas tal y

como se puede observar en la figura,introduciendo un mayor nmero de nodos encada una de ellas y obligando, de partida, a lapresencia de un nodo en cada uno de loscojinetes que sirven de apoyo al rotor.

En la figura se recogen, a modo de ejemplo, las formas de operacin de un compresor:


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RESONANCIA

Si una frecuencia natural de la mquina o sistema mecnico es excitada por una o msvelocidades o por un defecto en la mquina, el nivel de vibracin que se genera puedellegar a ser importante pudiendo dar lugar a graves averas. No en vano, la resonancia deuna frecuencia natural de una mquina constituye una de las fuerzas de vibracin msdestructivas que se pueden encontrar.

Normalmente, las frecuencias asociadas con las resonancias ms crticas son bajasy, en algunos casos, estn por bajo de las capacidades de monitorizado de lainstrumentacin de mantenimiento predictivo. As, en muchos casos, para monitorizar lasfrecuencias de resonancia la instrumentacin debe ser capaz de separar frecuencias en labanda de 1 a 10 Hz del ruido que normalmente limita estas bandas .

En algunos casos, esta resonancia puede, a su vez, transmitirse a mquinas adyacentes oa otros equipos de la misma planta. En tales situaciones, la resonancia puede enmascararla seal de vibracin de otros componentes crticos. Si se sospecha la presencia de unfenmeno de resonancia, debe verificarse y eliminarse lo ms rpidamente posible.

PRECARGAS Y CARGAS INDUCIDAS

Las cargas inducidas dinmicamente en ejes giratorios constituyen el ms comn y menoscomprendido de los comportamientos de mquinas. Por otro lado, son tambin ellas lasque contribuyen mayormente al fallo de la mquina.

Se define como PRECARGA a una fuerza direccional que, por motivos de diseo, esaplicada a un eje giratorio. Un ejemplo de precarga es la tensin lateral creada por unacorrea. La mayora de las mquinas tienen al menos una precarga de proyecto que creauna fuerza direccional que no es compensada por otra fuerza igual y contraria. La fuerzade la gravedad es, por ejemplo, otra forma de precarga; todas las mquinas tienen estafuerza no equilibrada que sobreviene durante el funcionamiento normal.

La CARGA INDUCIDA es tambin una fuerza direccional desequilibrada en la mquina.En este caso, la fuerza est creada por el funcionamiento dinmico de la mquina. Un

ejemplo de carga inducida es la inestabilidad creada por la obstruccin de la corriente deaire de un ventilador o soplante. Todas las mquinas de labes o palas (bombas,compresores, ventiladores, etc.) pueden ser objeto de este tipo carga anormal.

El resultado tanto de la precarga como de la carga inducida es la flexin del eje en uncuadrante de los cojinetes o segn uno de los modos de operacin vistos . Estoorigina una resistencia no lineal y que la constante de reaccin de los cojinetes sea mayoren oposicin a la fuerza que lo es perpendicularmente a ella; lo que causar un desgasteprematuro del cojinete y puede ser motivo de serias averas en la mquina.


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El conocimiento de las cargas y de su efecto en la mquina es importante por dos razones:

Ser posible localizar el punto en el plano opuesto a la carga inducida potencial. Loque asegurar la detencin precoz de un problema incipiente.

Suministrar ayuda a la diagnosis de los problemas de la mquina.No obstante, las precargas y cargas inducidas no son necesariamente causa del malfuncionamiento de la mquina. En algunos casos, tienden a estabilizar el eje, los cojinetesy los dems elementos rotativos. Sin embargo, si se aplican a la mquina cargas excesivaspueden, y en muchos casos lo harn, desarrollarse rpidamente muy serios problemas. En

casos extremos, pueden originarse curvatura de ejes, rotura de elementos rotativos, roturade acoplamientos y otros graves problemas.

VARIABLES DE PROCESO

Toda mquina est diseada para ejecutar una funcin dentro de un determinado proceso.En este sentido, un programa de mantenimiento predictivo no puede dedicarse a registrarexclusivamente vibraciones. Las variaciones en el proceso tienen un efecto directo sobrelas condiciones de funcionamiento de la mayor parte de equipos mecnicos. Por ejemplo:

Las bombas, compresores, ventiladores y otros equipos mecnicos cuentan parafuncionar con una presin de admisin mnima y estn limitados en la presin dedescarga mxima (TDH) que pueden producir. Las variaciones en la presin deadmisin y las demandas a la presin de descarga pueden hacer que el sistemamecnico funcione fuera de sus lmites aceptables provocando graves fallos.

Muchos de los problemas que causan fallos prematuros en el sistema son resultadodirecto de procesos de cargas inducidas. As, un gran nmero de problemas dedesequilibrio en maquinaria son, en realidad, causados por inestabilidad hidrulica oaerodinmica originada por procesos de restriccin. En estas circunstancias, seobliga al sistema mecnico a funcionar fuera de su capacidad.

Por ello, todos los parmetros de proceso que afecten directamente alfuncionamiento del equipo mecnico debern ser considerados y registrados como

parte rutinaria en el proceso de adquisicin. Las tendencias de estas variablesidentificarn frecuentemente un potencial problema del sistema, caso de tener lugar. Eneste sentido, la mayora de los sistemas de monitorizado de mquinas soportan, al menos,un mtodo de registro de variables como rutina de las condiciones de adquisicin, algunospermiten la adquisicin directa de variables del proceso partiendo de instrumentacin enplanta y otros permiten la entrada manual de los datos de proceso.


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8.5 Causas ms comunesde fallo

DESEQUILIBRIO

Es probablemente el fallo ms comn en un equipo mecnico. No obstante, es incorrectala suposicin de que debe existir un desequilibrio mecnico real para crear una condicinde desequilibrio en la mquina. La inestabilidad aerodinmica o hidrulica tambin puedecrear un desequilibrio masivo. De hecho, todas las formas de fallos generarn algunaforma de desequilibrio. Por ello, cuando se consideran todos los fallos, el nmero deproblemas de mquina que son resultado del desequilibrio real mecnico de elementorotativo es relativamente pequeo.

El desequilibrio podr tomar muchas formas en laseal de vibracin, pero casi siempre lacomponente de la velocidad de giro ser excitaday de amplitud dominante. Sin embargo, estacondicin tambin puede excitar mltiplesarmnicos mltiplos de la velocidad de giro. Elnmero de armnicos y su amplitud tiene unarelacin directa con el nmero de planos dedesequilibrio y su relacin de fases.

Para un nico elemento rotativo se establecer una banda estrecha para monitorizar lacomponente de frecuencia a la velocidad de giro. Para varios elementos rotativos, la bandamonitorizar la velocidad y un nmero de armnicos igual al de elementos rotativos.


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DESALINEAMIENTO

Esta condicin est siempre presente en los grupos de mquinas. Generalmente, sesupone que existe desalineacin entre dos ejes conectados por mediante un acoplamiento.El desalineamiento tambin puede existir entre los cojinetes de un eje slido o entrecualquier otro par de puntos de la mquina.

La representacin de la desalineacin en la seal de vibracin depender del tipo dedesalineacin. Hay dos tipos principales de desalineacin:

La desalineacin paralela: se presenta entre dos ejes paralelos entre s, pero queno estn en el mismo plano. Este tipo de desalineacin generar una vibracinradial y duplicar el segundo modo de forma. En otras palabras, generar unavibracin radial dos veces (x2) la velocidad de giro real del eje.

La desalineacin angular: se produce cuando los ejes no estn paralelos entre s.Este tipo de desalineacin generar vibraciones axiales (p. e. paralelas al eje).

Como esta forma de desalineacin puede duplicar cualquiera de los modos deforma, el resultado de la frecuencia de vibracin puede llegar a ser dos (x2) otres veces (x3) la velocidad de rotacin. El indicador principal aumentar envibraciones axiales.

Adems de stas, otros tipos de desalineamientos importantes son los que tienen lugar enlos apoyos, ya se trate de rodamientos o de cojinetes, o entre poleas.


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FALTA DE APRIETE EN ELEMENTOS DE UNIN

La holgura puede crear una gran variedad de modelos de seales de vibracin. El msfrecuente, originado con un componente de frecuencia primaria al 50 por ciento de lavelocidad de rotacin (x0.5) generar mltiples armnicos de este componenteprimario. En otras palabras, habr frecuencias componentes a 50, 150, 250 por ciento,etc. En otros casos, ser excitado el componente de velocidad real o fundamental ( x1). Encasi todos los casos, habr mltiples armnicos con casi idnticas amplitudes.

Las figuras muestran algunas configuraciones tpicas que dan lugar a este tipo deproblema en las mquinas; as como algunas de las soluciones que suelen adoptarse paraminimizar su influencia.

En las figuras siguientes, puede apreciarse el esquema de puntos de medicin tpico parala deteccin de un problema de malas condiciones de anclaje; as como el espectro enfrecuencia asociado a una bomba horizontal con este tipo de problemtica.


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DESGASTE MECNICO

Muchas mquinas son susceptibles a la presencia de rozamientos. Este fallo puede serdebido al roce del eje contra el metal antifriccin de un casquillo de cojinete, los rodillos oun elemento rodante rozando contra las pistas, o alguna parte del rotor rozando contra lacarcasa. En cada caso, la seal de vibracin se desplazar a un pico de baja amplitud,normalmente entre 1 y 10 Hz. Este pico extremo de baja frecuencia estar acompaadopor un pico menor fijado entre el 25 y el 40 por ciento de la velocidad de rotacin del eje.Cuando se presenta el defecto, es casi seguro el fallo de la mquina. Hay que advertir que

muchos sistemas de monitorizacin no puede detectar este defecto ya que no captancorrectamente frecuencias tan bajas.


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8.6 Monitorizado demquinas de

produccin

Adems de las caractersticas comunes y modos de fallo, cada tipo de mquina tendrrequerimientos muchas veces nicos para monitorizar sus condiciones de funcionamiento.Una vez analizadas las caractersticas comunes y modos de fallo de equipos mecnicos, elpaso siguiente consiste en determinardnde y cmo monitorizar la mquina especfica.Para mantener continuidad y sencillez, en monitorizacin y anlisis se sugiere estructurarcada TREN DE MQUINA usando una aproximacin consistente en un eje comn paralocalizar los puntos de medida y establecer los parmetros de anlisis.

Los PUNTOS DE MEDIDA debern establecerse secuencialmente comenzando con elcojinete conductor exterior y acabando con el cojinete exterior de la mquina componenteconducida. Adems, debern usarse una serie de detalles consistentes numerados quefaciliten la identificacin de su posicin y orientacin (p.e. vertical, horizontal, axial, etc.).


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El trmino cojinete conductorhace referencia a cada eje continuo en el sistema mquina.Por ejemplo, en un motor elctrico accionando una caja reductora simple se considera ejecomn el eje del motor de accionamiento y el de la reductora. Aun cuando se trata de dosejes acoplados, todas las fuerzas actuantes, as como las vibraciones, se transmitirn a lolargo ambos (del eje comn). Esta aproximacin a la hora de establecer un conjunto dedatos, condiciones operativas de monitorizacin y anlisis de problemas incipientes tienedos ventajas:

Una identificacin ms inmediata de la localizacin de un punto de medida durantelas fases de adquisicin y anlisis de una mquina.

Una mayor facilidad a la hora de evaluar todos los parmetros que afectan a cadauno de los componentes de la mquina.

El conocimiento de la localizacin especfica y orientacin de cada punto de medida escrtico para el correcto diagnstico de problemas incipientes en la mquina. No hay queolvidar que la seal de vibracin es una representacin grfica de las fuerzas dinmicaspresentes en la mquina. Sin un conocimiento de la localizacin y orientacin ser difcil, sino imposible, identificar correctamente el problema incipiente. La orientacin de cada puntode medida deber considerarse cuidadosamente durante la toma de datos, dado quenormalmente hay una orientacin ptima para cada punto de medicin en cada trende mquinas de cara a poder registrar las peores fuerzas dinmicas y vibraciones

posibles. As, por ejemplo: En casi todos los casos, cada tapa de cojinete necesitar dos mediciones

radiales perpendicularmente al eje, para monitorizar correctamente lascondiciones de funcionamiento de la mquina.

Ser tambin necesaria en cada eje comn al menos una medida axial.Por ejemplo, un ventilador accionado por una correa:

Tendr una fuerza dominante creada por la tensin de la correa; sin embargo, lapeor vibracin se producir en la direccin radial de la correa conductora.

Para monitorizar la peor vibracin y alcanzar la ms pronta detencin de unproblema incipiente, el primer punto de medida radial debera estar entre el eje y ellado opuesto de la correa conductora.

Una segunda medida radial debera tomarse a 90 de la primera permitiendoregistrar una energa de vibracin comparativa y que ayudar a determinar en lamquina el vector fuerza real.

Las lecturas axiales de los ejes tanto del motor como del ventilador son tambinmuy importantes. Un fallo comn de las unidades de accionamiento por correa es ladesalineacin: si las poleas no estn en el mismo plano, la tensin de la correa


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Los motores cerrados que incluyen un ventilador y algunos motores a prueba deexplosin son difciles de monitorizar. El alojamiento del ventilador de estos motoresincluye la tapa de cojinete. El mejor mtodo para adquirir datos del cojinete exterior esmontar transductores sobre las tapas de cojinete y conectarlos a una localizacinconveniente. Si esto no es posible, el ptimo consistir en conseguir la medicin en elpunto ms cercano que pueda tener una conexin mecnica con el cojinete.

En general, con este tipo de mquinas se establecen una serie de BANDAS ESTRECHASPARA MONITORIZAR:

Desequilibrio (1x RPM).

Desalineacin (2x RPM). Problemas elctricos (50,100,150 Hz). Defectos en cojinetes (ver cojinetes). Prdida de polos o frecuencia de paso de polos (n de polos x RPM). Roce mecnico o subarmnicos. Tambin hay que leer un pico de corriente para comprobar la barras rotas del

rotor

En estos casos, tambin el escaneado infrarrojo provee un pronta detencin tanto de losproblemas mecnicos como de los elctricos que no pueden ser detectados por anlisis devibraciones. Al mismo tiempo, debe adquirirse como mnimo un registradormotorizado depuntos de temperatura. Pueden usarse termmetros de infrarrojos junto con el registradorde datos.

CAJAS DE CAMBIO

Se suelen emplear como elementos intermedios para aumentar o disminuir la velocidad defuncionamiento. Dependiendo de la aplicacin pueden llevar varios tipos de engranajes ycojinetes. Por la tanto, las formas de fallo variarn en consecuencia.


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Prescindiendo de las interioridades de la caja de engranajes, para monitorizar lascondiciones de funcionamiento debern usarse dos puntos de medida radial en cadatapa de cojinete. Si se utilizan engranajes helicoidales se requerir tambin una lecturaaxial en cada eje.

La medicin en dichos puntos debe orientarse en direccin opuesta a la peor fuerzadinmica prevista. En la mayora de casos, sta ser opuesta a la pretensin y posiblesempujes generados por el engrane.

Las cajas reductoras o multiplicadoras suelen tener ejes locos que, en muchos casos, no

son accesibles desde el exterior de las cajas. En estos casos, las lecturas axiales enpuntos prximos a dichos ejes locos servirn como datos, intentando asegurar que el puntoseleccionado tenga una ligazn mecnica directa con el eje o alojamiento del cojinete.

Debern establecerse BANDAS ESTRECHAS PARA CADA EJE que puedan registrar:

Desequilibrio. Desalineacin. Frecuencias de engrane. Defectos de cojinetes. Rozamientos mecnicos.

Tambin puede aadirse como parte del equipo de medida sensores de temperatura enlas tapas de cojinetes y ampermetros para la carga de intensidad del motor.

Los anlisis peridicos del aceite lubricante, usando mtodos espectrogrficos o dedesgaste de partculas, mejorarn la capacidad del programa para detectar problemasincipientes.

VENTILADORES Y SOPLANTES

La variedad de diseo de ventiladores y soplantes es casi infinita. Sin embargo, puedenclasificarse en dos clases: centrados o en consola (voladizo). Ambos tipos estn

generalmente proyectados para funcionar por debajo de su primera velocidad crtica,aunque preparados para los severos desequilibrios originados por esa velocidad crtica.

El diseo en voladizo o consola es susceptible tambin de inestabilidad aerodinmica ycargas inducidas. Esto es, en principio, resultado de la gran masa de los elementos enrotacin y de la configuracin en voladizo de la estructura soporte de los cojinetes. Todoslos ventiladores y soplantes deben monitorizarse para los modos de fallo comunes y paraprocesos de inestabilidad inducida. El paso de aletas es el indicador primario defuncionamiento.


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Las unidades accionadas por correas sonpropensas a desalineacin y debenvigilarse cuidadosamente. Para monitorizarla condicin de un ventilador se requieren,por lo menos, dos puntos de medida encada tapa de cojinete, orientados contra lapeor fuerza dinmica, y una medida axial.

Se establecern BANDAS ESTRECHASpara monitorizar los fallos de: desequilibrio,

desalineacin, defectos en cojinetes, pasode labes o palas, rozamiento mecnico einestabilidad aerodinmica.

Debern vigilarse los puntos de admisin y descarga. Las restricciones en cualquierade estos puntos intentan forzar al elemento rotativo en direccin contraria. En la mayorade casos, est ser la direccin correcta de monitorizacin.

Debern incluirse en el proceso de adquisicin de datos la presin de succin, la presinde descarga y la intensidad de carga del motor. Las temperaturas de las tapas decojinetes ayudarn en la pronta detencin de problemas en los cojinetes.

COMPRESORES

Al igual que los ventiladores, la variedad de tipos de compresores es infinita. Laclasificacin mayor incluye centrfugos de etapa nica, de etapas mltiples, de tornilloy recprocos. A su vez, los centrfugos de etapas mltiples pueden dividirse en lineales yhelicoidales. En los compresores industriales se usan rodamientos y casquillos concojinetes de casquillo basculante. Los parmetros de control se establecern deacuerdo con cada tipo:

Los COMPRESORES CENTRFUGOS DE UNA ETAPA son similares a losventiladores y pueden ser monitorizados de igual manera. El paso de labe ser unprimer indicativo de su funcionamiento. Como regla general, debern establecerse

bandas estrechas para monitorizar: desequilibrio, desalineacin, paso de labe,defecto de cojinetes, inestabilidad aerodinmica y rozamiento mecnico.

Los COMPRESORES DE ETAPAS MLTIPLES ALINEADAS debern ser tratadoscomo una combinacin de caja de engranajes y bomba. Disponen de un granengranaje helicoidal que conduce varios engranajes menores montados en un ejepin impulsor. Las velocidades tpicas de ese eje pin suelen estar entre 30.000y 50.000 r.p.m. y deben ser monitorizadas cuidadosamente. Los ejes pin tienen,


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normalmente, cojinetes de casquillo flotante que generan un frecuencia de paso sise presenta un juego o desalineacin anormales.

La mayora de estos compresores helicoidales tienen transductores dedesplazamiento montados permanentemente para monitorizar los ejes pin .Estos datos se aaden a los registrados por los sensores situados en la estructura.

Para monitorizar las condiciones de funcionamiento del compresor se han de tomardos puntos de medicin radial en cada tapa de cojinete del engranajehelicoidal y en cada eje pin. Como emplea engranajes helicoidales, tambin

son necesarias mediciones axiales en cada tapa de cojinete.Se debern establecer bandas estrechas para monitorizar en cada eje:desequilibrio, desalineacin, engrane, paso de labe, defecto de cojinetes,inestabilidad aerodinmica y rozamiento mecnico.

Los COMPRESORES DE TORNILLO usan rodamientos o cojinetes de casquillo yson susceptibles de inestabilidad aerodinmica. Tienen un juego axialextremadamente pequeo y no permiten un movimiento axial mayor de 0.05milsimas antes del contacto con el rotor. En estas mquinas, las medidas axialestanto del rotor como del tornillo son absolutamente crticas.

En los compresores de tornillo deben realizarse dos medidas radiales y una axial

en cada cubierta del cojinete. Las lecturas de engrane y axial del rotor son losprimeros indicadores de un funcionamiento anormal. Debern establecerse bandasestrechas en cada rotor para monitorizar: desequilibrio, desalineacin, engrane delrotor, defectos de cojinetes, inestabilidad aerodinmica, rozamiento mecnico.

Por otra parte, los compresores originan fuerzas y vibraciones resultantes a frecuenciasdiferentes de otras mquinas rotativas. Normalmente, el segundo armnico (x2) es msdominante que la velocidad real del cigeal. Adems de en los dos puntos de medidaen cada tapa de cojinete, se deben tomar medidas en la pared del cilindro paradetectar rozamiento, y cerca de las vlvulas de admisin y descarga para detectarproblemas de las mismas.

Las bandas estrechas que se monitorizarn son las correspondientes a: desequilibrio

del cigeal, desalineacin del cigeal, rozamiento mecnico en las paredes del cilindro,defectos de vlvulas, defectos de cojinetes y juego.

Los parmetros de proceso dan informacin vlida acerca de las condiciones operativasde todos los compresores. Todos los parmetros accesorios (presiones, temperatura,intensidades elctricas del motor, temperaturas de los cojinetes, ...) debern serconsiderados. Datos entre las fases de compresores multifases, especialmente enunidades recprocas, son crticas en el anlisis.


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Por ltimo, una vez ms, el anlisis peridico del aceite lubricante con mtodosespectrogrficos o de partculas suministrar una pronta vigilancia de problemas

incipientes.

GENERADORES

Los generadores normalmente estn dotados con cojinetes de pelcula de aceite o decasquillo y se monitorizan con dos puntos de medicin radial en cada tapa de cojinete .Tambin disponen de un juego o movimiento axial del conjunto total del rotor. Por ello serequiere, al menos, una medicin axial. Las bandas estrechas monitorizarn:desequilibrio, desalineacin, defectos de cojinetes, inestabilidad del rotor, defectoselctricos y roce mecnico.

El escaneado infrarrojo del generador proveer una pronta observacin de los problemas

incipientes no detectados por el anlisis vibratorio.

BOMBAS

La variedad de bombas es tambin muy grande. Sin embargo, pueden ser monitorizadasde la misma manera que los ventiladores y soplantes. La frecuencia de paso de labes opalas es el indicador primario de problemas de proceso y ha ser monitorizadacuidadosamente. Los puntos de medicin radiales y axiales deben ser orientados a


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Las bombas requieren un paquete de parmetros de proceso completo. Al igual que loscompresores, son muy susceptibles a problemas inducidos por el proceso, y estos datosson necesarios para determinar sus condiciones operativas. Estas mediciones debernincluir: presiones, temperaturas, caudales, intensidad de corriente en motores ytemperatura de los cojinetes.

LNEAS DE PROCESO CONTINUO

La mayor parte de plantas de proceso y fabricacin emplean una variedad de complejos

sistemas de procesos mecnicos continuos que deben ser incluidos en el programa demantenimiento predictivo. En esta clasificacin se pueden incluir: mquinas de papel,laminadoras, lneas de envasado, prensas de estampacin, lneas de teido y muchasms. Estos sistemas pueden estructurarse, monitorizarse y analizarse de la misma maneraque una simple mquina (bomba, ventilador, etc.).

La obtencin de los datos iniciales requiere un esfuerzo mayor, pero se aplican los mismosprincipios. Cada sistema deber ser evaluado para determinar el eje comn quecomponga el conjunto de mquina total. Usando el dato del eje comn se evala cada ejepara determinar el propio movimiento mecnico y las fuerzas dinmicas que genera, ladireccin de cada fuerza y los modos de fallo anticipados. Entonces, esta informacinpuede ser utilizada para determinar la localizacin de los puntos de medicin y las bandas

estrechas requeridas para monitorizar las condiciones de funcionamiento de la mquina.

La seleccin de las bandas estrechas depender de las dinmicas operativas de cadamquina. Debern usarse los mismos mtodos que los usados en mquinas simples. Sedebe recordar el tratar cada eje como una unidad bsica para el establecimiento de bandasestrechas.


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8.7 Desarrollo de bases dedatos

El siguiente paso requerido para el establecimiento de un completo programa demantenimiento predictivo es la creacin de una base de datos comprensible.

FRECUENCIA DE ADQUISICIN DE DATOS

Durante la etapa de implantacin de un programa de mantenimiento predictivo, debencomprobarse todas las clases de maquinaria para establecer una base del conjunto dedatos. Deben conseguirse seales completas de vibraciones para verificar la exactitud dela base de datos y establecer las condiciones iniciales de funcionamiento de lamquina.

Como un amplio programa incluir tendencia y tiempo previsto para el fallo, se

requieren mltiples lecturas en todas las mquinas para proveer datos que permitandesarrollar estadsticas de tendencias. Normalmente, durante esta fase, las medidas serealizan cada 2 semanas.

Despus del anlisis inicial o bsico de la maquinaria, la frecuencia de registro de datosvariar segn la clasificacin del grupo de mquinas. Mquinas de:

Clase I: se monitorizarn sobre 2 a 3 semanas ciclo. Clase II: sobre 3 a 4 semanas ciclo. Clase III: sobre 4 a 6 semanas ciclo. Clase IV: sobre 6 a 10 semanas ciclo .

Esta frecuencia puede y debe ser adecuada para la condicin real de los gruposespecficos de mquinas. Si la cadencia de cambio de un mquina especfica indica unadegradacin rpida debe repararse o al menos incrementarse la frecuencia demonitorizacin para prevenir fallos graves.

La frecuencia de compilacin de datos es la mxima que puede asegurar laprevencin de fallos graves. Una frecuencia de compilacin menor limitar la capacidaddel programa para detectar y prevenir averas de mquina no catalogadas.


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El desarrollo del programa bsico de vibraciones puede llegar tambin a catalogar tareasno vibratorias. Las mediciones de tapas de cojinetes, uso de puntos de medida coninfrarrojos, inspecciones visuales, o la compilacin de parmetros de proceso son aspectosque debern tratarse juntamente con la adquisicin de datos de vibracin.

La imagen total de infrarrojos o el escaneo del equipo incluido en el programa demonitorizacin de vibraciones debera realizarse con una base cuatrimestral. Adems,debera realizarse cuatrimestralmente una exploracin total trmica del equipo elctricocrtico (conexiones, cortacircuitos, etc.) y de todos los sistemas de transmisin de calor(cambiadores de calor, condensadores, tuberas, etc.) que no estn en el programa de

vibracin.

Tambin debern tomarse, al menos mensualmente, muestras del aceite de lubrificacinde todo el equipo incluido en el programa. Sobre estas muestras se realizar, al menos, unanlisis espectrogrfico. El anlisis de partculas de desgaste u otros anlisis tcnicos serealizarn si se consideran necesarios.

PARMETROS DE ANLISIS

El paso siguiente en el establecimiento de la base de datos del programa es estructurar losparmetros de anlisis que han caracterizar al equipo monitor de planta. Cada uno de

estos parmetros estar basado en los requerimientos del grupo de mquina especficoque se haya desarrollado.

Normalmente, para equipamientos no mecnicos, el conjunto de parmetros de anlisisconsistir en los valores derivados de mediciones del perfil trmico o parmetros deproceso. Cada clasificacin de equipo o sistema tendr su propio conjunto deparmetros de anlisis nico.

ANLISIS DE LMITES OPERATIVOS

Todos los sistemas de control de vibraciones tienen lmites finitos en resolucin; es decir,una determinada capacidad a la hora de mostrar grficamente los componentes de

frecuencia nica que integran una seal de vibracin de mquina. El lmite superior (F max)para el anlisis de seal deber situarse lo bastante alto como para poder capturar yrepresentar suficientes datos para que el analista pueda determinar las condiciones defuncionamiento del grupo mquina, pero no ms alto. Como todos los sistemas basados enmicroprocesador tienen un lmite de lneas de resolucin, la eleccin de frecuenciasexcesivamente altas puede limitar severamente las capacidades de diagnstico delprograma.


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Para determinar el impacto de resolucin, se calculan las capacidades de representacindel sistema. Por ejemplo, una seal de vibracin con una frecuencia mxima (Fmax) de1.000 Hz tomada con un instrumento que dispone de 400 lneas de resolucin dara unarepresentacin en la que cada lnea mostrada sera igual a 2.5 Hz, o 150 r.p.m. Cualquierfrecuencia comprendida entre 2.5 y 5.0, por ejemplo, se perdera.

LMITES DE ALARMA

El mtodo para establecer y usar lmites de alerta/alarma depende del sistema de registro

de vibraciones particular seleccionado. Normalmente, estos sistemas utilizan lmitesestticos o dinmicos para registrar, conducir y avisar sobre el nivel de vibracionesmedidas.

Los sistemas que usan lmites alerta/alarma dinmicos basan su lgica en el hecho deque el grado de cambio de amplitud de vibracin es ms importante que el nivel real .Cualquier cambio en la amplitud de vibracin es una indicacin directa de que estteniendo lugar el correspondiente cambio en las condiciones mecnicas de la mquina. Sinembargo, habra un lmite mximo aceptable, p. e. el asociado a fallo absoluto.

A continuacin, se introduce con carcter orientativo una gua para algunos lmitesmximos que pueden resultar aceptables para muchas plantas de equipos mecnicos.

Un lmite de severidad aceptado para vibraciones de la estructura o cuerpo es0.628 ips pico (velocidad). Es un valor de banda ancha no filtrada y corresponde,normalmente, a un ancho de banda entre 10 y 10.000 Hz.

Este valor puede usarse para establecer el fallo absoluto o amplitud mxima devibracin para mediciones en banda ancha en la mayora de plantas de maquinaria.La excepcin seran mquinas girando a velocidades por debajo de 1.200 porencima de 3.600 r.p.m.

Pueden establecerse lmites de banda estrecha, p. e. anchos discretos de banda,dentro de la banda ancha. Normalmente, del 60 al 70% de la energa de vibracintotal corresponder a la velocidad real de la mquina. Sin embargo, el lmite de

fallo absoluto para una banda estrecha que controle la velocidad de giro realsera de0.42 ips pico.

Este valor tambin puede usarse para cualquier banda estrecha establecida paracontrolar frecuencias por debajo de la velocidad de giro.

Los lmites de fallo absoluto para bandas estrechas establecidos para controlarvelocidades de giro superiores pueden desarrollarse usando el lmite de 0.42 ipsestablecido para la velocidad de giro real. Por ejemplo, el lmite de fallo absoluto


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para una banda estrecha creada para registrar la frecuencia de paso de una palade ventilador con 10 palas se establecer en 0.042 ips 0.42/10 ips.

Las bandas estrechas diseadas para controlar componentes de alta velocidad,p. e. por encima de 1.000 Hz, tendrn un fallo absoluto de 3.0 g pico (aceleracin).

Los cojinetes de elementos rodantes suelen tener, basado en recomendaciones,un lmite de fallo absoluto de 0.01 ips pico. Los cojinetes de casquillo o pelculade aceite pueden considerarse de forma similar. Si los componentes fraccionariosque identifican la vibracin por sobreengrase o la vibracin por giro estn presentes

a cualquier nivel, el cojinete est sujeto a avera y el problema debe de sercorregido.

Los equipos y sistemas no mecnicos tendrn un lmite de fallo absoluto que especificael nivel mximo recomendado para funcionamiento continuo. Los fabricantes ydistribuidores, en la mayora de los casos, estarn capacitados para dar esta informacin.


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8.8 Instrumentos para lamedida de vibraciones

El tipo de sensores y tcnicas de adquisicin de datos empleados en el programa demantenimiento es un factor crtico que puede determinar su xito o fracaso. Su precisin,correcta aplicacin y apropiado montaje determinarn si los datos obtenidos son o novlidos.

Hay tres tipos de transductores de vibracin que pueden usarse para monitorizar lascondiciones mecnicas de una planta de maquinaria, cada uno con sus aplicacionesespecficas en la planta y sus limitaciones:

Sonda de desplazamiento. Captador de velocidad (velocmetro). Acelermetro.

SONDAS DE DESPLAZAMIENTO

Las sondas de desplazamiento o de corrientes de fuga (Foucault) se disean para medirel movimiento absoluto de un eje de mquina con respecto a la sonda . Por lo tanto, lasonda de desplazamiento deber montarse rgidamente sobre una estructura rgida con elfin de asegurar un dato seguro y repetible.

Las sondas de desplazamiento montadas permanentemente, suministran los datos msseguros en mquinas con rotor de bajo peso (en relacin con la carcasa o estructuraportante). Turbinas, compresores y otros componentes suelen llevar captadores dedesplazamiento montados permanentemente en posiciones de medida claves para elsuministro de datos al programa.

La gama de frecuencias tiles para las sondas de desplazamiento es de 10 a 1.000 Hz(600 a 60.000 r.p.m.). Los componentes en frecuencia fuera de esta gama sedistorsionarn y resultarn intiles para la determinacin de las condiciones de la mquina.El dato de desplazamiento se registra, normalmente, en milsimas de pulgada pico apico (cuando se aplican normativas de origen anglosajn).


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La mayor limitacin de las sondas de desplazamiento o sondas de proximidad es sucoste. El costo indicativo de la instalacin de una simple sonda, incluyendo alimentacin,acondicionamiento de seal, etc. puede llegar a ser de $1.000 de media. Si cada mquinadel programa requiere 10 mediciones el costo por mquina resultara de $10,000. Por lotanto, el uso generalizado de captadores de desplazamiento en todas las mquinas de laplanta incrementara dramticamente el costo inicial del programa.

TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD

Los transductores de velocidad (velocmetros) son sensores electromecnicosproyectados para monitorizar o registrar vibraciones relativas. El dato de velocidad esexpresado, normalmente, en pulgadas por segundo (i.p.s.) pico y es, quizs, el mejormtodo para expresar la energa creada por la vibracin de la mquina.

Los sensores de velocidad, como las sondas de desplazamiento, tienen una gamaefectiva de frecuencias de 10 a 10.000 Hz . No deben ser usados para registrarfrecuencias por debajo o por encima de esta gama.

La mayor limitacin de los captadores de velocidad es su sensibilidad a los daosmecnicos o trmicos. El uso normal puede causar una prdida de calibrado y, por lotanto, debe establecerse un estricto programa de recalibracin (por ejemplo, cada seismeses) para prevenir la distorsin de las medidas. Aun as, con calibraciones peridicas,


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los programas que usan captadores de velocidad son propensos a datos errneos odistorsionados resultantes de una prdida de calibrado.

ACELERMETROS

Los acelermetros pueden estar basados entecnologas diferentes:

piezoelctricos, piezoresistivos, capacitivos, ...

Los ms utilizados son los acelermetrospiezoelctricos que a partir de un cristal conpropiedades piezoelctricas convierten laenerga mecnica del movimiento en sealeselctricas.

Por regla general, las aceleracionesdeterminadas por este tipo de sensores suelenvenir expresadas en trminos de la aceleracin

de la gravedad: g (9.8 m/s2).Los acelermetros son susceptibles de averas trmicas. Si se permite que un calorsuficiente irradie al cristal es posible que ste se avere o destruya. Sin embargo, como eltiempo de utilizacin recomendado es relativamente corto, el dao trmico es raro.

El rango efectivo de los acelermetros de uso general es de 1 a 10.000 Hz. Aunquepueden encontrarse acelermetros ultrasnicos vlidos para frecuencias de hasta 1 MHz.

TCNICAS DE MONTAJE

Los programas de mantenimiento predictivo basados en el anlisis de vibraciones deben

tenerdatos precisos y repetitivos para determinar las condiciones operativas de la plantade maquinaria. Adems de los transductores, tres factores afectan a la calidad de losdatos:

punto de medicin, orientacin del transductor, carga de compresin.

8/8/2019 A Vibraciones En Mquinas Y Mantenimiento Predictivo (Departamento de ingeniera mecnica

a vibraciones en máquinas y mantenimiento predictivo (departamento de ingeniería mecánica_...

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