Phelps DodgeCorporation

MONITOREO DE LA CONDICION MECANICA DE

LAS PALAS DE LA MINERIA A TRAVES DEL

ANALISIS DE VIBRACIONES Y MAGNITUDES

COMPLEMENTARIAS.

(Resumen del curso presentado por Dr. Ing. Pedro Saavedra G. en la

Universidad de Concepcin Chile)

Abril - 2005

Ing. Fernando Dvila Gonzlez

Ing. Manuel Terrazas JimnezMantenimiento Predictivo

Proyectos e Ingeniera

Sociedad Minera Cerro Verde S.A.A.

Procesos

Metalrgicos

PROCESO DE EXTRACCION DE MINERAL

Mquinas

criticas de la

mina

Construccin de unidades ms grandes, ms complejas, ms productivas

LA PARADA DE ESTOS EQUIPOS GENERA UNA MAYOR PERDIDA

DE PRODUCCIN

MANTENIMIENTO REACTIVO: Se permite a la mquina funcionar hasta la falla. En eseinstante se realiza la reparacin o reemplazo de ella. Riesgo de una falla catastrfica.

MANTENIMIENTO PREVENTIVO O BASADO EN TIEMPO: Esta basada en la vida estadstica.Se interviene la mquina peridicamente para inspeccionar y reemplazar componentes, an

cuando la mquina est operando satisfactoriamente.

MANTENIMIENTO PREDICTIVO O BASADO EN CONDICION: Se evala la condicin mecnicade la mquina y su evolucin, mientras ella est funcionando, a travs de diversos sntomas que

ella emite al exterior. En base a esto se programan las necesidades de mantenimiento cuando se

detecta un problema en ella.

MANTENIMIENTO PROACTIVO. Se identifica y corrige las causas raz de las fallas de lamquina. Con esta estrategia se maximiza su vida til operativa

Sntomas

Anlisis de Vibraciones

Ondas de alta frecuencia (Ultrasonido,

emisiones acusticas, SPM)

Anlisis de aceite

Anlisis corriente elctrica

ESTRATEGIAS DE MANTENIMIENTO

Pasar de las estrategias actuales de mantenimiento preventivas-reactivas a una

predictiva con el objetivo de:

Detener la mquina solo cuando sea necesario en forma confiable, evitando queuna falla pequea se transforme en una mayor, o an ms en una falla catastrfica.

Programar el mantenimiento adecuadamente.

ESTRATEGIAS DE MANTENIMIENTO

DIFICULTADES EN EL MONITOREO DE PALAS

- Cortos ciclos de trabajo.

- Velocidad variable.

- Carga variable.

Imposibilidad de utilizar

equipos comerciales durante

el funcionamiento de la pala.

Mediciones sin

carga y a velocidad

constante.

Porqu la experiencia con los equipos de la Planta no se ha traspasado a

los de la Mina?

Frecuencia = K RPM

Desbalanceamiento : K = 1

Frecuencias de engrane : K = N de dientes (Z)

Picadura rodamiento : K = BPFO ; BPFI ; 2BSF

Frecuencia paso ranuras : K = N ranuras del estator

Normalmente la frecuencia de las vibraciones est relacionada a la velocidad de rotacin de algn eje de la mquina

order

ESPECTROS VIBRATORIOS DE MAQUINAS ROTATORIAS

VIBRACION DE UN ROTOR DESBALANCEADO: VELOCIDAD VARIABLE

Muestreo a ngulos de giro constante, cada 45

Muestreo a ngulos de giro constante, cada 45

Vibracin en los dominios: ngulos de giro del eje - orders

Se puede diagnosticar el problema igual como si la velocidad de rotacin no variara

VIBRACION DE UN ROTOR DESBALANCEADO: VELOCIDAD VARIABLE

Los mtodos utilizados para realizar el espectro en orders son:

1. Muestreo de la seal mediante hardware

2. Remuestreo de la seal mediante software

3. Mtodo hbrido

METODOS PARA OBTENER ESPECTRO EN ORDERS

1. Mtodo del muestreo de la seal mediante hardware.

Esta tcnica utiliza instrumentacin analgica compleja especializada de

alto costo.

En ella se muestrea directamente la seal a incrementos de ngulos de giro

constantes.

La frecuencia de muestreo se fija siguiendo la velocidad de rotacin con un

tacmetro.

La velocidad de rotacin del eje se calcula a partir del periodo entre dos

pulsos tacomtricos consecutivos.

Como la frecuencia de muestreo utilizada es la calculada en la revolucin

anterior, este mtodo es propenso a errores cuando la velocidad de

rotacin de la mquina est cambiando rpidamente]

MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS

2. Mtodo del remuestreo de la seal mediante software

Esta tcnica consiste en adquirir la seal y el pulso tacomtrico a

intervalos de tiempo constante a travs de un sistema convencional de

adquisicin de datos, posteriormente remuestrear por software la seal

para obtenerla a intervalos de giro del eje constante. Para ello se

siguen los siguientes dos pasos:

- Determinacin de los tiempos a intervalos de ngulo constante.

- Determinacin de la amplitud de la seal para los tiempos a intervalos

de ngulo constante.

MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS

Determinacin de los tiempos a intervalos de ngulo constante.

Conocido el valor de la vibracin en el tiempo lo primero es determinar

los tiempos para los cuales se van produciendo los intervalos de ngulo

constante a los cuales se quiere remuestrear la seal .

Para esto, se dispone de un pulso tacomtrico que determina el tiempo

y la posicin angular del eje en el momento de llegada de cada pulso.

Este pulso puede ser obtenido de un sensor de desplazamiento

montado frente a un eje ranurado o de un foto tacmetro apuntando a

una cinta reflectante sobre el eje, ver Fig.2, o de los pulsos

provenientes de un encoder

MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS

MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS

Determinacin de los tiempos a intervalos de ngulo constante.

Posicin

Angular

del eje

(rev.)

Figura 2. Determinacin de los tiempos en que el eje gira a un ngulo

constante de 90

0.00

1.00

Determinacin de la amplitud de la seal para los tiempos a intervalos

de ngulo constante.

: Puntos a intervalos de ngulo constante : Puntos a intervalos de tiempo constante obtenidos por la tarjeta de adquisicin de datos.

Figura 3. Determinacin de la amplitud de la vibracin para los

intervalos

MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS

Una vez determinados los tiempos a intervalos de ngulo constante se debe

determinar la amplitud de la seal a los intervalos de giro constantes. Para

ello, los valores de amplitud a intervalos de giro constantes (marcados con un

rombo rojo en Fig. 4) se interpolan entre los valores de amplitud originalmente

adquiridos (marcados con un punto negro). Para este procedimiento se

pueden utilizar distintos tipos de interpolaciones como se indica en Fig. 4

MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS

Determinacin de la amplitud de la seal para los tiempos a intervalos

de ngulo constante.

3. Mtodo hbrido

La precisin de los resultados del espectro en rdenes obtenido es muy

dependiente de la precisin con que se determina los tiempos de llegada de

los pulsos tacomtricos. Esto es inherente a la adquisicin digital del pulso.

La precisin aumenta al aumentar la frecuencia de muestreo, como se

puede inferir observando la Fig. 5.

Para mejorar esta exactitud se requiere entonces adquirir el pulso con una

alta frecuencia de muestreo . Esto sin embargo, trae como consecuencia,

que si se usa una misma tarjeta de adquisicin para la seal vibratoria y el

pulso(como lo hace el mtodo anterior),se tiene que manejar una cantidad

muy grande de puntos.

MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS

Esto requiere, sin embargo usar, para los pulsos tacomtricos

de una tarjeta diferente a la de las seales vibratorias y un

sincronismo muy riguroso entre ambas tarjetas.

MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS

Transformadas tiempo-frecuencia

El contenido frecuencial de una seal temporal estacionaria es

obtenido por la Transformada de Fourier la cual cambia la seal del

dominio temporal al dominio frecuencial.

Con esta transformacin sin embargo, no se puede obtener informacin

acerca de la evolucin temporal de las componentes espectrales de la

seal. Solo se obtiene un promedio de las componentes durante el

periodo de anlisis.

Las Transformadas Tiempo-Frecuencia (TTF) son expresiones

matemticas que transforman la seal del dominio tiempo al dominio

tiempo-frecuencia, permitiendo de sta forma disponer de la evolucin

temporal del contenido frecuencial .

Las Transformadas Tiempo-Frecuencia son representaciones

tridimensionales (amplitud-tiempo-frecuencia) que permite analizar

como las componentes espectrales varan en el tiempo lo que

constituye una poderosa herramienta de diagnstico y se pueden

clasificar en lineales o cuadrticas.

Dentro de las lineales se encuentran:

- Short-Time Fourier Transform (STFT)

- Las Wavelet Transform (por ejemplo, la Gabor Transform que utiliza la

Bruel & Kjaer).

Dentro de las cuadrticas se encuentran:

- Wigner-Ville (WVD)

- Pseudo Wigner-Ville (PWVD)

- Zhao-Atlas-Marks (ZAM)

ANLISIS TRADICIONAL: ESPECTRO FFT Y FORMA DE LA ONDA

Difcil deducir la naturaleza de las vibraciones

TRANSFORMADAS TIEMPO-FRECUENCIA TTF

Componente 75 Hz comienza en t=0.2s, alcanza su mximo en

t=0.3s, permanece constante hasta t= 1.1s y desaparece en t=1.2s

(expansin de las escalas)

-Sirve para analizar vibraciones transientes: Explosiones motores Diesel,

cierre de vlvulas compresores alternativos, etc.

-Las TTF no han sido an incorporadas a los analizadores de vibraciones

comerciales (excepto aquellos que realizan diagramas en cascada).

Transformadas revolucin ordenes TRO

Las transformadas revolucin rdenes (MR Laboratorio de vibraciones Mecnicas, Facultad de Ingeniera, Universidad

de Concepcin) son expresiones matemticas que

transforman la seal vibratoria del dominio tiempo al dominio

revolucin ordenes. Ellas consisten en aplicar las TTF no a la seal en el dominio tiempo como es la manera clsica,

sino que a la seal en el dominio ngulos de rotacin, es

decir esta transformada combina las FFT y el anlisis

espectral en rdenes.

Debe tenerse presente que los resultados obtenidos al

computar la transformada TRO , o el espectro en rdenes

son muy dependientes del algoritmo de calculo utilizado, a

diferencia de cuando se calcula el espectro FFT debido que

para este ltimo existe un procedimiento de clculo

estndar.

No se puede diagnosticar,

las componentes se

dispersan en el espectro.

Se puede diagnosticar

como si la mquina girara

a velocidad constante

Desde la TTF no es fcil determinar de cuantas componentes espectrales est

compuesta la seal medida y, por lo tanto, no

es tan adecuada para el diagnstico cuando en

el espectro existen varias componentes.

En la TRO:

-Se puede ver como la amplitud de las

componentes espectrales han variado durante

el tiempo de medicin.

-Se puede determinar si las componentes

espectrales estuvieron presentes o no durante

todo el tiempo de medicin.

-Se puede determinar el mximo valor

alcanzado por cada componente espectral

(severidad).

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