ANALISTA DE VIBRACIN NIVEL IFundamentos de Vibracin

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IVamos a empezarSi quieres llegar a ser un experto analista de vibraciones, tendrs que empezar con los fundamentos. Har falta saber como tomar medidas, como son las seales y como interpretar grficos grficamente. En este apartado nos centraremos en los fundamentos de vibracin. Aprenders acerca de la forma de onda, sobre el espectro de vibracin y la relacin entre ellos, as como con la mquina. El objetivo es que te familiarices con la onda temporal y el espectro. La toma de medidas, el procesado de seales, y temas relacionados con el diagnstico sern cubiertos en otros apartados.

2

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IQu es la vibracin?Cuando se mide la vibracin en los apoyos (cojinetes, rodamientos) de una mquina, ests midiendo la respuesta de la carcasa del apoyo a las fuerzas generadas en el interior de la mquina.

Estas fuerzas estn vinculadas con todos los elementos rotativos: eje, bolas del rodamiento, palas del ventilador, ms las fuerzas provenientes de mquinas de alrededores. Si el conductor de movimiento (por ejemplo, un motor) est desalineado, lo vers en la vibracin. Si los acoplamientos no estn alineados adecuadamente, lo vern en la vibracin. Incluso si la mquina est mal atornillada, traquetear y lo vers en la vibracin.3

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IQu es la vibracin?Por lo tanto es razonable pensar que si mides la vibracin y la analizas con la experiencia necesaria, puedes determinar si existe algn problema en la mquina.

4

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IQu es la vibracin?Pero, como se sabe el aspecto que debe tener la vibracin? Las mquinas son de muy diversas formas y tamaos, pero hay un par de reglas.

5

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IQu es la vibracin?Primero hay un nmero de patrones que deben ser reconocidos. Si hay un desequilibrio, la vibracin cambiar en cierta medida. Si hay un problema con los rodamientos tambin cambiar, pero de diferente forma.

6

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IQu es la vibracin?Segundo, a medida que el estado de la mquina se degrada, los niveles de vibracin y los patrones cambiarn. El nivel generalmente aumentar y el patrn puede variar en una multitud de formas.

Por tanto lo que se har ser medir la vibracin y ver si cambia.7

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IDnde comenz todo?La gente lleva midiendo vibracin durante aos y aos. Todava hoy la gente suele escuchar a la mquina y tener una idea de su estado. Como ayuda usaban un destornillador que ponan entre la oreja y la superficie de la mquina, para escuchar a los rodamientos y cojinetes. Cuando apareci el medidor de vibraciones, este daba una indicacin global del nivel de vibracin. Es ms sensible que el odo pero no puede distinguir entre los diferentes tipos de fallos. Una vez que se conoci la naturaleza de la vibracin, se desarrollaron nuevos medidores de vibracin que se centraron en ciertas frecuencias (generalmente altas), para dar una indicacin sobre los posibles problemas en rodamientos. Algunos de ellos todava se usan hoy en da, como son Shock pulse, Spike energy, HFD y otros.

8

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IEntendiendo la vibracinCon el fin de entender que est mal en la mquina, tenemos que estudiar la vibracin ms detenidamente. Cuando un eje gira en el interior de la mquina, un motor por ejemplo, genera cierta vibracin. Si no hubiese friccin en los apoyos, no hubiese carga, estuviese perfectamente alineada y equilibrada, no hubiera gravedad entonces no vibrara. Pero en la realidad, las mquinas vibran. Antes de que una mquina vibre es necesario que se produzcan fuerzas internas. Estas fuerzas son debidas a problemas de desalineacin, desequilibrio, eje doblado, holguras, fricciones, problemas elctricos y otros factores. La vibracin que medimos se debe en gran parte a la magnitud de dichas fuerzas, a la masa, la rigidez y el amortiguamiento de la mquina. Para comprender mejor el concepto de vibracin debemos ver las cosas desde el punto de vista de la mquina. Est bien hablar de movimiento armnico y de rigidez, pero lo importante es volver a los fundamentos bsicos.

9

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IEntendiendo la vibracinImagnate un ventilador nuevo con ocho palas. Con el ventilador en marcha, si colocas tu mano en el motor no sentirs mucho (imagina que es un ventilador perfecto y no sientes nada).

Ahora vamos a hacer un cambio en el sistema. Vamos a aadir un peso en una de las palas, pegando la cabeza de una alfiler en el ventilador. Pon en marcha de nuevo el ventilador y fija la velocidad de giro en una revolucin por segundo. Con una masa tan pequea en el ventilador no se sentir nada. La masa del peso desequilibrado no es grande comparada con la del ventilador, y la velocidad de giro no es lo suficientemente grande como para provocar grandes fuerzas centrfugas.10

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IEntendiendo la vibracinAhora vamos a incrementar el peso poniendo una moneda en una de las palas. Con el ventilador girando a la misma velocidad, ahora se podr sentir algo.

Se deber sentir una pulsacin que deber tener un periodo de un segundo. (la moneda da una vuelta por segundo). Si tu mano est en la parte superior del motor, vers que la pulsacin alcanza su pico cuando puedes ver la pala con la moneda pegada en la parte ms elevada de la rotacin.11

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IILa onda temporalSi permitimos al punto dorado que se mueva a travs de todo el recuadro a una velocidad constante, ir dejando una estela tras de s. La curva dibujada es una onda senoidal.

El pico de la onda coincide cuando la moneda est en la parte ms alta del giro, y a la inversa cuando est en la parte ms baja. Esto es exactamente lo que se tendr si se tiene un sensor de vibracin en el ventilador, y se observa la seal en una pantalla de anlisis. La onda senoidal es una representacin de cmo la vibracin cambia instantneamente con el tiempo. La onda temporal es parte integral del monitorizado y el anlisis de vibraciones.

12

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IIPeriodo y FrecuenciaSi se midiese el tiempo entre dos picos, se estara obteniendo el periodo de la onda. La frecuencia es la inversa del periodo. En nuestro ejemplo, el ventilador estaba girando a una vuelta por segundo, luego el periodo era un segundo y la frecuencia tambin.

13

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IIPeriodo y FrecuenciaSi se doblase la velocidad del ventilador y se repitiese el ejercicio, se vera que las ondas estn ms juntas. El periodo en este caso, sera ms pequeo, 0.5 segundos, porque este es el tiempo necesario para dar una vuelta completa. La frecuencia ahora es de 2 Hz.

14

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IIPresentando CPMGeneralmente se habla de la frecuencia en trminos de ciclos por minuto CPM. La velocidad de nuestro ventilador es por tanto de 120 CPM. Naturalmente la frecuencia en CPM es 60 por el valor de la frecuencia en Hz. (o ciclos por segundo).

15

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IIPresentando HertziosAunque las unidades de ciclo por segundo son ms fciles de comprender, utilizamos el trmino Hertzio, Hz. Por lo tanto el eje est girando a 2 Hz.

16

Fundamentos de VibracinFundamentos de Vibracin IIPresentando RPMLas unidades de CPM y Hz. son trminos genricos para describir cualquier frecuencia, la frecuencia de un pitido, la frecuencia del traqueteo que hace el reductor, etc. Pero cuando se habla especficamente del eje de rotacin, usamos unidades de revolucin por minuto, RPM. El eje girar a 120 RPM.

17

Fundamentos de VibracinPresentando la Onda TemporalPresentando AmplitudLa amplitud nos indica la severidad de la vibracin y es igual a la altura de los ciclos. Si se pusieran dos monedas en la pala del ventilador y se redibujase nuestro grfico usando la misma escala, la altura del grfico sera mucho ms grande.

18

Fundamentos de VibracinPresentando la Onda TemporalPresentando Pico a PicoCuando se considera la amplitud en el mundo de la vibracin, introducimos una serie de trminos nuevos. La amplitud pico a pico es la cantidad medida entre el fondo del valle y el mximo valor que alcanza el pico.

19

Fundamentos de VibracinPresentando la Onda TemporalPresentando PicoLa amplitud de pico es la cantidad medida entre el cero y el mximo valor del pico.

20

Fundamentos de VibracinPresentando la Onda TemporalUna seal realEn nuestra onda senoidal el valor pico a pico es exactamente el doble del valor pico, pero esto solo es cierto para ondas senoidales. En una seal real, el nivel mximo positivo puede ser mayor o menor que el nivel mximo negativo, hablando en trminos absolutos.

21

Fundamentos de VibracinPresentando la Onda TemporalPresentando el promedioEl valor promedio de la seal es un trmino usado solo ocasionalmente. Es el valor promedio de todos los valores absolutos de la onda. En una seal senoidal es igual a la mitad del valor pico.

22

Fundamentos de VibracinPresentando la Onda TemporalEl RMSEl RMS (valor eficaz) es el promedio de los valores de la raz cuadrada de las amplitudes de la onda. En el caso de una onda senoidal pura es 0.707 por el valor pico.

El valor RMS es proporcional al rea bajo la curva. Si los picos negativos se rectifican y el rea total es la resultante bajo la curva, se promedia dando lugar a un nivel constante. La altura de dicho nivel sera el valor RMS.23

Fundamentos de VibracinPresentando la Onda TemporalEntrando en ms profundidadAl aumentar la velocidad del ventilador aumentar la amplitud de la onda. Si ahora pusisemos una carta que rozase con el ventilador, adems de la vibracin oiremos el sonido del golpe de la carta. Por cada vuelta que d el ventilador se escucharn 8 golpes de cada pala al pasar por la carta. Notars que la onda original dominante se riza. La frecuencia de este rizo es 8 veces la frecuencia de la velocidad del ventilador. Por ejemplo, si el ventilador gira a 24 RPM, el rizo tendra una frecuencia de 192 RPM. Se ve que los valores RMS, pico a pico y pico son diferentes ahora porque la seal es la mezcla de dos seales, el valor pico actual ser igual a la suma de ambas (depende de la relacin de fase).

24

Fundamentos de VibracinPresentando la Onda TemporalNecesitas saber esto?Puedes estar interesado en saber que los trminos pico y RMS no son solo trminos abstractos que usamos para describir ondas. Durante muchos aos se han utilizado medidores porttiles que dan un valor de vibracin global de la mquina. La lectura era de nivel global RMS o de valor pico a pico (o pico). Estas medidas son todava muy importantes hoy en da. La mayora de sistemas de mantenimiento predictivo ofrecen la opcin de obtener lecturas RMS que pueden ser usadas en tendencias. EL valor RMS es calculado bien de la onda, bien del espectro, o mediante un chip en el colector de datos que deriva el nivel de vibracin RMS de la seal dinmica. Existe una normativa sobre la severidad de la vibracin que indica el estado de la mquina , en funcin de su valor RMS. Lo mismo se puede aplicar a lecturas de pico en cojinetes, como indicacin del movimiento del eje respecto al cojinete. Es ms, las unidades de vibracin utilizadas para describir la amplitud de la vibracin siempre vienen en valores RMS, pico a pico o pico.

25

Fundamentos de VibracinEntendiendo la faseOigamos acerca de la faseVamos a utilizar ahora dos ventiladores, con una moneda en cada uno situada en la parte superior de cada uno de ellos. Al arrancar los ventiladores a la vez entrarn en velocidad al mismo tiempo.

26

Fundamentos de VibracinEntendiendo la faseOigamos acerca de la faseLa pulsacin de cada ventilador se producir al mismo tiempo, es decir, alcanzan su valor pico a la vez. Ambos giran una vez por segundo, por la tanto estn en fase. Paramos los ventiladores de manera que la moneda del primero est en la parte superior y la del segundo en la inferior. La pulsacin se produce al mismo tiempo, pero la pulsacin ser mayor cuando la moneda est en el punto ms alto. Pero el pulso no est sincronizado. Un ventilador produce el pulso medio segundo despus del otro (giran a un ciclo por segundo).

27

Fundamentos de VibracinEntendiendo la faseOigamos acerca de la faseLa amplitud es la misma y la frecuencia tambin, pero hay una diferencia en el tiempo. Los dos ventiladores estn 180 fuera de fase o desfasados. La onda dorada es la de referencia. Dividimos un ciclo en 360 partes iguales, de forma que cada intervalo sea un grado de rotacin. Si observamos el pico de la segunda onda, alcanza su mximo 180 despus de la primera.

Si nos referimos al ventilador como si fuese una brjula, podemos ver que cuando la moneda del primer ventilador est en el norte, la del segundo estar en el sur.

28

Fundamentos de VibracinEntendiendo la faseOigamos acerca de la faseVamos a repetir el ejemplo pero ahora poniendo la moneda del segundo ventilador en la posicin que ocupa el este. De nuevo arrancamos los ventiladores a la vez y los hacemos girar en el sentido de las agujas del reloj. El primer ventilador alcanzar su mximo despus de que lo haga el segundo, exactamente un cuarto de segundo despus.

Si nos referimos al ventilador como si fuese una brjula, podemos ver que cuando la moneda del primer ventilador est en el norte, la del segundo estar en el sur.

29

Fundamentos de VibracinEntendiendo la faseOigamos acerca de la faseSi dibujamos las ondas senoidales de nuevo, vemos que esta vez los picos estn ms cerca. Estn todava desfasados, estn todava desfasados, sin embargo, esta vez el primero adelanta en 90 al segundo.

30

Fundamentos de VibracinEntendiendo la faseOigamos acerca de la faseLa onda de color rojo alcanza su pico antes que la dorada. Por lo tanto, el ventilador de la onda roja adelanta en 90

La fase es una cuestin de tiempo entre dos sucesos. En nuestro caso consideramos la fase a una nica frecuencia (la velocidad del eje). De hecho la mayora del trabajo de anlisis de vibraciones solo contempla estudiar la fase a la velocidad de la mquina, y solamente si los eventos estn en fase o 180 desfasados.

31

Fundamentos de VibracinEntendiendo la faseLa fase es una herramienta de diagnstico importanteUsamos la fase para diagnosticar fallos tales como desequilibrio (el caso del ventilador), desalineacin, ejes doblados, y muchos otros fallos. Tambin se pueden detectar resonancias o problemas de flexibilidad en la base.

32

Fundamentos de VibracinSintiendo la VibracinSintiendo la vibracinHay tres caractersticas que podemos medir: desplazamiento, velocidad y aceleracin. Ahora vamos a fijarnos en la rotacin del eje. El punto rojo indica donde se coloc el punto rojo. Si miramos detenidamente al eje podemos ver que se mueve arriba y abajo, por lo que si tuvisemos una manera de medir distancia entre un punto de referencia y el eje, deberamos ver el mismo patrn senoidal.

33

Fundamentos de VibracinSintiendo la VibracinPresentando desplazamientoCuando el eje se encuentra en su posicin ms baja de su movimiento, la onda se encuentra en la posicin ms alta. Eso es porque el eje se encuentra en el punto ms alejado del sensor.

Esta medida se denomina medida en desplazamiento. La medida de desplazamiento es muy importante porque es proporcional a la cantidad de tensin a la que estn sometidos apoyos, pernos y otros mecanismos de sujecin. En el caso de las turbinas y de los cojinetes una medida en desplazamiento puede decirnos donde se localiza el contacto entre el eje y el apoyo, y si hay friccin.34

Fundamentos de VibracinSintiendo la VibracinPresentando velocidadMirando de nuevo a nuestro eje, si nos fijamos en el movimiento vertical, podemos ver que desde la posicin inferior sube rpidamente pasando por el centro a mxima velocidad y entonces decelera como si viniese a descansar a la parte superior.

35

Fundamentos de VibracinSintiendo la VibracinVelocidad y desplazamientoSi miramos a la velocidad y desplazamiento podemos ver que ambos son senoidales y que el eje alcanza su velocidad mxima antes de que este llegue a su mximo desplazamiento en la parte inferior de su rotacin. La velocidad adelanta en 90 al desplazamiento.

36

Fundamentos de VibracinSintiendo la VibracinVelocidadLa velocidad es importante porque la velocidad es proporcional a las fuerzas de fatiga a las cuales estn sometidos los apoyos y otros componentes estructurales, lo que es la causa de fallo ms comn en maquinaria rotativa. La mayora de medidas de vibracin sern visualizadas en unidades de velocidad.

37

Fundamentos de VibracinSintiendo la VibracinPresentando aceleracinEl eje parte de una posicin de reposo en la parte inferior de la rotacin y pasa a mxima velocidad por el centro, por lo tanto debe haber una aceleracin. De manera inversa decelera desde el centro hasta la posicin ms alta de rotacin, donde vuelve al reposo.

Imagina que ests sentado sobre la grfica. La mayor fuera de aceleracin se ejerce sobre ti en el momento de ascender hacia la parte superior, en ese momento te sentirs empujado hacia atrs (fuerza de gravedad). En el momento que atraviesas la lnea central, no sentirs casi ninguna fuerza sobre ti. Entonces cuando desciendes y acta el freno, te vers sometido a fuerzas de consideracin y sentirs la aceleracin de nuevo.38

Fundamentos de VibracinSintiendo la VibracinAceleracin y desplazamientoPor lo tanto la aceleracin es tambin senoidal, pero con la diferencia de que el mnimo y el mximo ocurren en momentos opuestos. Por esta razn estn 180 desfasados.

39

Fundamentos de VibracinSintiendo la VibracinAceleracin, velocidad y desplazamientoSi juntamos las tres podemos ver la relacin de fase entre ellos y comprobar porqu la fase es tan importante.

40

Fundamentos de VibracinSintiendo la VibracinAceleracinLa aceleracin es una caracterstica importante porque es proporcional a las fuerzas en los apoyos. La aceleracin es lo ms importante en mquinas de velocidad rpida, o componentes de alta frecuencia (> 120000CPM). Ya que mientras que los niveles de desplazamiento pueden ser muy pequeos, y los de velocidad moderados, los niveles de aceleracin pueden alcanzar niveles altos.

41

Fundamentos de VibracinSintiendo la VibracinDesplazamientoInversamente, el desplazamiento (mm o micras) es la mejor medida para mquinas lentas, que estn por debajo de 100 RPM. Para este caso el movimiento puede ser grande, mientras que la aceleracin es baja. Entre estas dos est la velocidad (mm/s), que se usa para medir vibracin en la mayora de las mquinas.

42

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalLas ondas temporales pueden ser muy complejasEn general una mquina tendr un nmero bastante grande de fuentes de vibracin. Los apoyos, ventilador de refrigeracin, las barras del rotor en el motor y todas las resonancias generan vibraciones a diferentes frecuencias.

43

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalBuscando cambios

Por esta razn, el arte de anlisis de vibraciones est en buscar cambios en los patrones y entonces relacionar estos cambios con los componentes mecnicos de la mquina.

44

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalIncremento del desequilibrioSi tuvisemos una onda senoidal de nuestro ventilador de prueba cada semana y observsemos cada una de las ondas, notars que la frecuencia es la misma, como lo es la velocidad de la mquina, pero que los niveles han aumentado. Es como si alguien hubiese incrementado poco a poco el tamao de la moneda.

45

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalIncremento de rocesQu pasa si la seal principal no cambia en nivel, pero la vibracin debida al ventilador aumenta? Solo vara el componente de alta frecuencia. Es como si el ventilador estuviese friccionando con mayor fuerza en la carta.

46

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalPresentando el espectroLa onda es muy til para el anlisis. Permite ver exactamente como cambia la vibracin de un momento a otro. Si hubiese un impacto (una bola del rodamiento golpeando la pista interior) se vera un pico en la onda.

La onda es muy til, pero a medida que se van introduciendo un mayor nmero de seales, se hace ms difcil interpretar que est pasando en la mquina. En nuestro simple ejemplo, se puede ver que las dos seales tienen diferentes frecuencias y niveles de amplitud.

47

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalPresentando el espectroPero hay otra manera de estudiar la vibracin y consiste en estudiar el espectro. El espectro se deriva de la onda por medio de un proceso denominado Transformada Rpida de Fourier o FFT. Construyamos otro grfico. Esta vez, el eje horizontal es la frecuencia. Recuerda que cuanto ms rpido funciones la mquina, mayor es la frecuencia. El eje vertical es la amplitud.

48

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalPresentando el espectroEn este grfico que va de 0 a 10 Hz (10 Hz significa 10 ciclos por segundo, o 600 CPM).

Ahora vamos a mostrar el efecto que produce la moneda cuando el ventilador est girando a 1 ciclo por segundo. Suponemos que la amplitud es 3.

49

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalPresentando el espectroSi ponemos una moneda ms pesada la lnea de nuestro grfico es el doble de grande pero la frecuencia no ha cambiado.

Si ahora doblamos la velocidad del ventilador, la altura de la lnea no cambia pero ahora se muestra a la frecuencia de 2 Hz.

50

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalPresentando el espectroAhora quitamos la moneda, fijamos de nuevo la velocidad a 1 Hz, e insertamos la carta para que justo haga contacto con la punta de las palas. Se puede or una vibracin a 8 veces la velocidad del ventilador. Pero la altura es solo un tercio comparada con la moneda pegada a la pala. La frecuencia es por tanto 8 Hz y la altura 1.

Si introdujsemos an ms la carta para aumentar el contacto, sin disminuir la velocidad del ventilador, la altura, amplitud, de la frecuencia a 8 Hz aumentara.

51

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalPresentando el espectroEs decir, nuestro grfico cambia de acuerdo a los cambios producidos en las fuentes de vibracin, ya sea bien la amplitud, bien la frecuencia, o bien ambas. Esto es el espectro.

En la siguiente figura se muestra que el proceso de crear un espectro es romper la onda en sus partes constituyentes, determinar la frecuencia y amplitud de dichas partes, y finalmente representarlo.

52

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalPresentando el espectroOtra forma de representar como se forma un espectro es lo mostrado en la siguiente figura. Rompemos la onda en sus partes constituyentes y las separamos en funcin de la frecuencia. Si mirsemos las ondas desde un lado, veramos slo las alturas de estos picos y por lo tanto tendramos el espectro.

Podemos llevar esta idea un poco ms lejos. Consiste en que cualquier onda temporal, no importa su complejidad, est constituida de muchas ondas senoidales de diferentes frecuencias y amplitudes. Se puede decir que la FFT es simplemente descomponer la onda en ondas individuales y despus representarlas en un espectro.53

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalUna nueva unidad de frecuencia: rdenesTe has dado cuenta que a menudo nos referimos a la frecuencia como a una unidad relativa de la velocidad de giro, ms que como un trmino absoluto (por ejemplo Hz o CPM)? Saber que la frecuencia viene en Hz o CPM es til, pero generalmente es ms til saber la frecuencia relativa. Si dices que el pico a 1X es alto te ests refiriendo a la velocidad de la mquina. En nuestro ejemplo nos referimos al pico 8X como el pico a la frecuencia de paso de labes, que se produce a 8 veces la frecuencia de la velocidad de la mquina. Este fue un ejemplo muy simple, porque nuestra mquina gira a 1 Hz. Pero si el ventilador estuviese girando a 0.5 Hz o a 20 Hz, el componente de la frecuencia debido a la friccin de las palas contra la carta ser siempre 8 veces esa frecuencia.

54

Fundamentos de VibracinPresentando el espectro, la onda temporalUna nueva unidad de frecuencia: rdenesPero ms all de visualizar el espectro con el eje x en unidades de Hz o CPM, lo cambiamos por rdenes. Para ello simplemente tomamos la frecuencia real y la dividimos por la velocidad de la mquina.

Y a medida que nos adentramos con mquinas ms complejas, con un mayor nmero de mquinas rotativas, la onda y el espectro se volvern ms complejos.

55

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IPresentando las frecuencias de falloHemos visto como los patrones en la onda temporal y por tanto en el espectro estn relacionados con los elementos rotativos de la mquina. Fue fcil estudiar el ventilador y saber donde aparecan los picos en el espectro. Esto no significa que los picos aparecern, slo donde debern aparecer, si existen sntomas de fallo. A medida que miramos las mquinas que se encuentran en la industria, podemos ver que el nmero de frecuencias esperadas en un espectro aumentar. Hay que aprender a estudiar la mquina y a calcular esas frecuencias llamadas frecuencias de fallo.

56

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo ICalculando las frecuencias de falloSi tienes un eje rotativo, esperars que se genere una frecuencia de rotacin. Si el eje gira a 1000 CPM, entonces tendrs un pico en el espectro a dicha velocidad.

Llamaremos a la velocidad del eje del motor, velocidad de referencia o 1X. Ahora vamos a considerar el ventilador de refrigeracin del motor. Nuestro ventilador tiene 8 palas

57

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo ICalculando las frecuencias de falloLa frecuencia asociada con el ventilador de refrigeracin aparecer a 8X (o 8000 CPM).

Ahora aadiremos un compresor a nuestro motor.

58

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo ICalculando las frecuencias de falloAhora podemos analizar los apoyos de la mquina, un acoplamiento y un compresor. Se construir una lista de frecuencias de fallo para la mquina.

Si nuestro compresor tiene 12 palas se generar una frecuencia a 12 veces la velocidad de giro del eje. En este ejemplo, el eje del compresor est directamente conducido por el motor, luego estar girando a la misma velocidad (1X o 1000 CPM) que el motor.

59

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo ICalculando las frecuencias de falloSi consideramos la mquina al completo, encontraremos tres frecuencias de inters: la velocidad del eje del motor y compresor, la frecuencia de las palas del ventilador del motor y la frecuencia de las palas del compresor.

60

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IClculo de frecuencias de fallo generalesLas frecuencias de fallo son usadas para ayudarnos a diagnosticar fallos en maquinaria rotativa. Estos clculos nos permiten saber donde aparecern los picos en el espectro, es decir, a qu frecuencia son generados. En el caso anterior hemos usado el ventilador del motor y el impulsor del compresor como un ejemplo fcil para calcular las frecuencias de fallo. Hay un gran nmero de componentes que tendrn elementos rotativos: ventiladores, soplantes, turbinas, mezcladoras, trituradoras, mquinas herramienta y muchos ms.

61

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IIRodamientos de bolasHay 4 frecuencias de fallo de inters: de pista interior BPI, de pista exterior BPO, de giro de bolas BS y de jaula FT. Si utilizas rdenes para trabajar con estas frecuencias (FT=0.4X), entonces todo lo que se necesita para calcular la frecuencia final es multiplicarla por la velocidad del eje en el cual est localizado el rodamiento. Alternativamente se podr conocer la siguiente informacin: n de bolas, dimetro de la bola, dimetro primitivo del rodamiento y ngulo de contacto.

62

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IIRodamientos de bolasLas frmulas son las siguientes:

63

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IIFrecuencias de fallo de reductoresTeniendo un nico eje la mquina es bastante simple, pero ahora vamos a aadir un reductor. El reductor en si mismo genera nuevas frecuencias debido al engrane entre los dientes, pero ms importante por ahora es el hecho de que cambia la velocidad de salida del eje. El clculo de la velocidad de salida consiste en dividir el nmero de dientes del pin de entrada entre el nmero de dientes de la rueda de salida y multiplicarlo por la velocidad del eje de entrada. Si aadimos un reductor a nuestro compresor que nos reduzca la velocidad de salida a la mitad, es decir de 1000 a 500 CPM, tenemos dos velocidades de eje, una a 1X y otra a 0.5X.

64

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IIFrecuencias de fallo de reductoresLa frecuencia de paso de los labes del ventilador del motor no ha cambiado porque la velocidad del motor no ha cambiado y el ventilador est directamente acoplado al eje del motor. La frecuencia de paso de labes del compresor se ha reducido a la mitad. Por eso nuestro espectro tendr un pico a 1X a la frecuencia del motor, otro a 0.5X a la frecuencia del compresor, otro a 8X la frecuencia de palas del ventilador del motor y otro a 6X a la frecuencia de labes del compresor.

65

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IIIComponentes de transmisinHay varios tipos de componentes para cambiar la velocidad (relacin de transmisin) de la mquina. Los dos ms comunes son los reductores y las poleas. En anlisis de vibraciones se tiene que determinar el cociente de reduccin en componentes tales como reductores, poleas con correas o con cadenas, acoplamientos fluidos y otros tipos de transmisin. Se puede hacer bien dividiendo las velocidades de entrada y salida (por ejemplo usando una lmpara estroboscpica), bien usando la informacin fsica y calculando el cociente a partir de ella.

66

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IIIVuelta a las frecuencias de fallo de reductoresHay una frecuencia de fallo que es necesario calcular: la frecuencia de engrane. Se calcula multiplicando el nmero de dientes por la velocidad del eje. Vamos a ver un ejemplo. Tenemos 12 dientes en el eje de entrada y 24 en el de salida. Si la velocidad de entrada es 1000 CPM entonces la frecuencia de engrane es 12000 CPM. La velocidad de salida del reductor es 1000 x (12/24)=500 CPM. Luego la frecuencia de engrane es 500 x 24 = 12000 CPM.

67

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IIIReductores multi-etapaEn reductores multi-etapa la velocidad de salida se calcula teniendo en cuenta cada interaccin entre los engranajes, y la frecuencia de engrane se calcula de nuevo como el producto del nmero de dientes por la velocidad del engrane, teniendo en cuenta los ejes intermedios. Por lo general se podrn calcular las relaciones sin conocer el nmero de dientes, aunque a veces se podrn hallar asumiendo que el nmero de dientes ser un nmero primo y buscando picos de alta frecuencia en el espectro.

68

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IIIReductores multi-etapaPor ejemplo, tenemos un reductor que tiene 35 dientes en el engranaje de entrada y 13 en la entrada del eje intermedio. El segundo engranaje del eje intermedio tiene 27 dientes, y finalmente el pin de salida tiene 15 dientes. En los primeros dos ejes la relacin es de 2.692, por tanto el eje intermedio gira a 2692 CPM. Por tanto la frecuencia de engrane en la primera etapa es de 35X. La relacin de la segunda etapa es de 1.8 y la relacin total ser por tanto 4.846. La velocidad de salida ser por tanto 4846 CPM. La frecuencia de engrane de la segunda etapa ser 27x2.692 o 15x4.846, es decir, 72.69X (72690 CPM).

69

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IIITransmisin por correasLas poleas con correas son muy comunes en la industria. Son usadas para transmitir energa y movimiento y provocar un cambio en la velocidad.

El clculo de una mquina conducida por poleas es tan directo como el de un reductor de una nica etapa. Determinas el dimetro de cada rueda de polea y calculas el cociente.

70

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IIIJuntndolas todasEl ventilador de refrigeracin del motor tiene 8 palas y el compresor 12. El reductor tiene en la primera etapa 43 y 17 dientes. La segunda etapa tiene 34 y 19 dientes.

La velocidad del eje intermedio ser 2.529X. Su frecuencia de engrane ser 43X. La siguiente etapa es 34/19 o 1.789X. Sin embargo, la entrada a esta etapa es 2.529X la velocidad del motor de referencia, luego la velocidad de salida del eje del reductor ser 2.529 x 1.789 = 4.524X. Con 34 dientes en el eje intermedio, la frecuencia de engrane es por tanto 34 x 1.789 = 60.826X.

71

Fundamentos de VibracinFrecuencias de Fallo IIIJuntndolas todasSi consideramos las 8 palas del ventilador del motor y las 12 del compresor, las frecuencias de fallo sern 8X y (12x4.524) 54.288X, respectivamente.

Nuestro espectro deber alcanzar un rango de hasta 61 rdenes debido a la alta frecuencia de engrane del eje intermedio.

72

Fundamentos de VibracinLecturas GlobalesLecturas globalesLas lecturas globales suelen derivar en un nico nmero, que suele ser comparado con niveles de referencia con el fin de determinar si la mquina est bien o no. De hecho, desde hace tiempo se ha intentado hallar un nmero mgico que pueda ser usado de una manera definitiva para decidir el estado de la mquina, pero de momento sin xito. Hoy en da la mayora de los proveedores ofrecen una variedad de parmetros con los que se pueden realizar tendencias. Algunos son tecnologas patentadas comercialmente y otras son normativa industrial que ha sido usada durante muchos aos. El valor global es el valor RMS de la seal. Antes de que los analizadores de espectros fuesen porttiles (colectores de datos), el valor global era el parmetro ms comnmente usado en medicin. Todava hay mucha gente que compra sencillos medidores de valor global (vibrometros) donde se visualizan y almacenan los valores globales. Es una gua til. En general, cuando el estado de la mquina empeora, el valor global (RMS) aumenta. El valor global es generalmente calculado usando la vibracin en el rango de frecuencia que va desde 10 a 1000 Hz solamente. De esta manera, es posible que se use como referencia para comparar. En algunas aplicaciones el valor RMS no era relevante. En vez de eso, se utilizaba el valor pico, o el valor pico a pico para describir el estado de la mquina. Esto es especialmente cierto para mquinas con cojinetes, donde se utilizaba una medida en desplazamiento. EL valor RMS no dice mucho acerca de la mquina ya que es ms sensible a la mayor de las seales dominantes, generalmente el pico a 1X. Es prcticamente imposible saber que est mal en la mquina y no es muy sensible a los cambios en seales de baja amplitud. Es ms una herramienta de deteccin que de anlisis.73

Fundamentos de VibracinLecturas GlobalesLecturas globalesDurante muchos aos ha habido parmetros escalares que han sido ideados para concentrarse en datos a alta frecuencia, principalmente diseados para dar una indicacin del estado de los rodamientos. Estos parmetros incluyen spike energy, SEE, HFD, Shock pulse y otros. Hoy en da podemos obtener estos parmetros tiles para tendencias de varias maneras. Podemos medir por un lado el valor global, y realizar las medidas de alta frecuencia en los apoyos y podemos extraer parmetros del espectro (con programas de software) para alarmas y tendencias. Estos parmetros incluyen el valor cresta (el valor pico dividido por el valor RMS), el nivel mximo en una banda definida de usuario (ms muchos otros factores calculados de la banda) y problemas de severidad (calculados por el sistema experto). En la mayora de los casos estos parmetros se usan para centrarse sobre una mquina que pueda tener un problema. Entonces ya se analiza el espectro, la onda y los parmetros disponibles con el fin de determinar el estado de la mquina y la severidad del fallo si este existe.

74

Fundamentos de VibracinUna introduccin al anlisis de vibracionesIntroduccin al anlisis de vibracionesSe tendr que mirar el espectro y la onda para ver si indican cualquier tipo de desequilibrio, desalineacin, desgastes en palas o rodamientos, holguras, fallos elctricos, fallos en engranajes y otros muchos posibles problemas. Bsicamente hay 4 tipos de fallos, los cuales son los ms comunes: desequilibrio, desalineacin, holguras y fallos en los apoyos. Para diagnosticar fallos en maquinaria se tendrn que estudiar los espectros y las ondas. No slo se buscarn los patrones clsicos en los espectros, sino que tambin se mirarn los niveles para ver si son anormales. Los espectros vienen en todas las formas y tamaos y a menos que tengas gran experiencia con todas las mquinas que monitorizas, ser ms importante detectar un cambio en el nivel de vibracin, que examinar directamente los valores absolutos.

75

Fundamentos de VibracinUna introduccin al anlisis de vibracionesIntroduccin al anlisis de vibracionesSe podrn encontrar normas ISO que sirven de gua. Sin embargo una vez que tengas tu programa funcionando, te encontrars cmodo comparando medidas actuales con las antiguas o con otras medidas tomadas en mquinas idnticas.

76

Fundamentos de VibracinUna introduccin al anlisis de vibracionesIntroduccin al anlisis de vibracionesSobre todo se buscar un cambio en el nivel. Un cambio indica un problema de empeoramiento y generalmente se comprobarn los niveles de vibracin a lo largo del tiempo. Entonces se intentar identificar la fuente de vibracin que vara, ya que algunas partes del espectro no cambiarn nada.

Por ejemplo, si el pico a 1X (el pico que representa la velocidad de la mquina) aumenta con el tiempo, mientras que el resto de niveles del espectro permanecen prcticamente iguales, la mquina probablemente estar desequilibrada. Mientras que si un pico aparece a 4.9X y hay armnicos, se puede esperar un fallo en algn rodamiento.

77

Fundamentos de VibracinUna introduccin al anlisis de vibracionesIntroduccin al anlisis de vibracionesPero, Qu pasara si hubiese un pico alto a 4.9X con armnicos y el nivel de vibracin no hubiese cambiado en el tiempo? Parece un tpico fallo en el apoyo, pero si la vibracin no cambiaLa vibracin puede venir de otra mquina, del proceso en si mismo, o de algn otro elemento rotativo. Pero si compruebas que esta no cambia y piensas que no va a causar dao a la mquina, puedes limitarte a dejarla funcionar. La evidencia de un fallo en un rodamiento puede estar presente un ao, pero sin empeorar la situacin, por lo que no es necesario llevar a cabo ninguna accin. Hay varios tipos de comparaciones que se pueden hacer: Se pueden comparar las medidas actuales con las antiguas para ver la variacin de los niveles.

78

Fundamentos de VibracinUna introduccin al anlisis de vibracionesIntroduccin al anlisis de vibracionesPuedes comparar el espectro con la medida de otras mquinas idnticas. Esto puede servir de referencia para saber que aspecto debera tener la vibracin.

Tambin puedes comparar los espectros entre ejes (axial, radial y tangencial). Realizar una comparacin entre ejes puede llevar a conclusiones muy reveladoras. Por ejemplo, si tanto el eje vertical como el horizontal tienen amplitudes significativas a la velocidad de la mquina (1X), es bastante probable que sea un problema de desequilibrio.

79

Fundamentos de VibracinUna introduccin al anlisis de vibracionesIntroduccin al anlisis de vibracionesTambin puedes comparar las vibraciones entre diferentes localizaciones de la mquina. Para diagnosticar desalineacin compararemos los patrones de vibracin (y de fase si es posible) a ambos lados del acoplamiento.

El grfico estndar a usar es un dibujo comparativo donde los espectros aparecen superpuestos.80

Fundamentos de VibracinUna introduccin al anlisis de vibracionesIntroduccin al anlisis de vibracionesAlgunos softwares permiten visualizar un grfico apilado verticalmente donde los espectros estn fsicamente separamos. Otro mtodo muy usado es el grfico en cascada. Aqu se visualizan varios espectros revelando patrones y tendencias.

81

Fundamentos de VibracinUna introduccin al anlisis de vibracionesIntroduccin al anlisis de vibracionesLas tendencias son muy tiles. La tendencia ms comn muestra como vara el valor global a lo largo del tiempo. Tambin indicarn niveles de alarma. Algunos softwares te permiten realizar tendencias de los niveles de amplitud a determinadas frecuencias, para ver como cambian estos niveles con el tiempo.

En otros programas puedes definir bandas de frecuencia especficas. Una banda se puede extender desde 0.9X a 1.1X centrndose en problemas de desequilibrio. Otra banda podra abarcar frecuencias entre 1.9X y 2.1X para centrarse en problemas de desalineacin.

82