Medicin y anlisis de vibraciones como tcnica de mantenimiento

INTRODUCCION

La medicin y anlisis de vibraciones es utilizado, en conjunto con otras tcnicas, en todo tipo de industrias como tcnica de diagnstico de fallas y evaluacin de la integridad de mquinas y estructuras.MEDICION DE LA VIBRACION

Las etapas seguidas para medir y/o analizar una vibracin, que constituyen la cadena de medicin, son:- Etapa transductora- Etapa de acondicionamiento de la seal- Etapa de anlisis y/o medicin- Etapa de registro.

El transductor es el primer eslabn en la cadena de medicin y debera reproducir exactamente las caractersticas de la magnitud que se desea medir. Un transductor es un dispositivo electrnico que censa unaMagnitud fsica como vibracin y la convierte en una seal elctrica (voltaje) proporcional a la magnitudMedida. Tpicamente hay cuatro tipos de sensores o transductores de vibraciones:- Sensor de desplazamiento relativo sin contacto- Sensor de desplazamiento relativo con contacto- Sensor de velocidad o velocmetro- Sensor de aceleracin o acelermetro.Para la medicin de vibraciones en el exterior de las mquinas y en las estructuras hoy en da se utiliza fundamentalmente los acelermetros. El acelermetro tiene la ventaja respecto al velocmetro de ser ms pequeo, tener mayor rango de frecuencia, y poder integrar la seal para obtener velocidad o desplazamientoVibratorio. El sensor de desplazamiento se utiliza para medir directamente el movimiento relativo del eje de una mquina respecto a su descanso.

Tabla N1.Rango de frecuencias de transductores de vibracin tpicos.Tipo de transductor Rango tpico de frecuencia (Hz) Desplazamiento sin contacto 0 - 10.000 Desplazamiento con contacto 0 - 150 Velocmetro ssmico 10 - 1.000 Acelermetro de uso general 2 - 7.000 Acelermetro de baja frecuencia 0.2 - 2.000

TECNICAS DE ANALISIS DE VIBRACIONES

El objetivo del anlisis de vibraciones es poder extraer el mximo de informacin relevante que ella posee. Para esto existen diferentes tcnicas de anlisis tanto en el dominio tiempo como en el dominio frecuencia, las cuales tienen sus propias ventajas para algunas aplicaciones en particular. A continuacin se presenta algunas de las tcnicas ms utilizadas en la inspeccin de mquinas.

1. Anlisis espectral.

La esencia del anlisis espectral es descomponer la seal vibratoria en el dominio del tiempo en sus componentes espectrales en frecuencia. Esto permite, en el caso de las mquinas, correlacionar las vibracionesmedidas generalmente en sus descansos, con las fuerzas que actan dentro de ella. Fig. N1 ilustra lo anterior. Las vibraciones corresponden a una bomba centrfuga de 5 labes. Las componentes de frecuencias 1x rpm y 2x rpm se las asocia a un grado de desalineamiento de la bomba con el motor y al desbalance residual del rotor. La componente de frecuencia 5x rpm proviene de las pulsaciones de presin que genera este tipo de Mquinas.

2. Anlisis de la forma de onda.

El anlisis de la forma de la vibracin en el tiempo a veces puede proveer informacin complementaria al anlisis espectral. Este anlisis es adecuado para reconocer los siguientes tipos de problemas:- Impactos- Rozamientos intermitentes- Modulaciones en amplitud y frecuencias- Transigentes- Truncaciones.

3. Anlisis de fase de vibraciones.

Se puede definir la diferencia de fase entre dos vibraciones de igual frecuencia como la diferencia en tiempo o en grados con que ellas llegan a sus valores mximos, mnimos o cero. El anlisis de diferencias de fase a la velocidad de giro de la mquina entre las vibraciones horizontal y vertical o entre las vibraciones axiales de los diferentes descansos del sistema motor mquina, permite determinar los movimientos relativos entre ellos, y diferenciar entre problemas que generan vibraciones a frecuencia 1x rpm:- Desbalance- Desalineamiento- Eje doblado- Resonancia- Poleas excntricas o desalineadas.

4. Anlisis de los promedios sincrnicos en el tiempo.

Esta tcnica recolecta seales vibratorias en el dominio tiempo y las suma y promedia sincrnicamente mediante un pulso de referencia repetitivo. Las componentes sincrnicas al pulso se suman en el promedio y las no sincrnicas disminuyen de valor con el nmero de promedios (1). Fig. N2 muestra vibraciones medidas en la tercera prensa de una mquina papelera. Se observa utilizando la tcnica de promedios sincrnicos en el tiempo la contribucin a la vibracin global del rodillo superior y el fieltro. Esto permite determinar en forma ms fcil el origen de las diferentes componentes vibratorias.

5. Anlisis de rbitas.

Combinando dos seales vibratorias captadas por sensores ubicados relativamente entre ellos a 90 (verticaly horizontal) en un descanso de la mquina se puede. Obtener el movimiento del eje en el descanso o su rbita,

6. Anlisis de demodulaciones.

El anlisis de demodulaciones en amplitud consiste en analizar la envolvente de la seal temporal de una seal modulada. Este anlisis permite determinar ms fcilmente la periocidad de las modulaciones y diagnosticar problemas tales como:- Rodamientos picados- Engranajes excntricos o con dientes agrietados- Deterioro de labes en turbinasProblemas elctricos en motores

7. Run up and coast down.

Existe ciertos problemas que son ms fcil de diagnosticar durante el funcionamiento transigente partidas/paradas) que durante el funcionamiento estacionario de la mquina. Es el caso de los problemasque generan vibraciones cuyas frecuencias son funcin de la velocidad de la mquina. Al disminuir sta, dichascomponentes van disminuyendo en acorde, por lo que en algn momento coinciden con alguna frecuencia natural de ella y son amplificadas, evidenciando en ese instante en forma ms clara el problema. Para esto se analiza los grficos de la amplitud y fase de algunas componentes vibratorias en funcin de la velocidad de rotacin de la mquina. Estos grficos se denominan a veces grficos de Bod. Otro grfico que se utiliza para estos anlisis es el diagrama en cascada, como el mostrado en Fig. N7. Este grfico tridimensional muestra espectros vibratorios para diferentes velocidades de rotacin de la mquina.

8. Transformadas tiempo-frecuencia.

El anlisis espectral es adecuado para analizar vibraciones compuestas de componentes estacionarias durante su perodo de anlisis. Esto indica qu efectos transigentes de la vibracin son promediados en el perodo de anlisis, perdindose informacin sobre la naturaleza o forma de estas variaciones. Existe entonces la necesidad de un anlisis que describa mejor seales no estacionarias o transigentes. Esto se consigue con las distribuciones o transformadas tiempo-frecuencia. Las transformadas tiempo-frecuencia son anlisistridimensionales amplitud-tiempo-frecuencia, es decir, se grega una nueva dimensin (el tiempo) a la clsica FFT.

NORMATIVA EXISTENTE EN EL ANALISIS DEVIBRACIONES

1. Respecto a las mquinas rotatorias. La normativa actual existente da criterios de evaluacin de la severidad vibratoria respecto a:- la condicin operacional de la mquina- ensayos de aceptacin de mquinas.ISO 10816-1. "Mechanical vibration. Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts. Part 1: General guidelines" establece los parmetros a medir, procedimientos, instrumentacin y condiciones de operacin recomendados para tomar las mediciones.Para su evaluacin divide a las mquinas de acuerdo a su tamao (potencia), de acuerdo al tipo de mquina y de acuerdo a su sistema de montaje. Califica el nivel vibratorio en cuatro calidades: A, B, C y D. El nivel vibratorio de calidad A corresponde al de una mquina en buen estado y debera ser el valor de aceptacin para una mquina nueva. En el otro extremo, una calidad de vibracin D se considera ser suficientemente severa como para causar dao a la mquina. Esta normativa utiliza para evaluar la severidad de vibraciones de baja frecuencia (f < 10 Hz) el desplazamiento RMS, para vibraciones de frecuencias intermedias (10 f 1000 Hz) la velocidad RMS, y para vibraciones de alta frecuencia (f > 1000 Hz) la velocidad RMS. Esto considerando el hecho que a bajas frecuenciasEl problema ms serio que generan las vibraciones son los esfuerzos o la fatiga a bajos ciclos; en el rango medio de frecuencias es el efecto de la fatiga y a altas frecuencias son las fuerzas de inercia que generan las vibraciones. Para las mquinas con descansos hidrodinmicos, que es el caso en general de mquinas crticas grandes, esta normativa ISO 10816 es complementada con el estndar ISO 7919-1: "Mechanical vibration of non reciprocating machines. Measurement on rotating shafts and evaluation criteria". Este ltimo estndar establece lmites para las vibraciones del eje de la mquina con el objeto de i) evitar sobrecargas dinmicas excesivas sobre los descansos, los cuales pueden daar el metal blanco. ii) que los desplazamientos vibratorios del eje sean compatibles con los juegos internos del rotor con las partes fijas de la mquina (estator, sellos). La severidad vibratoria la cuantifica este estndar por la medicin del desplazamiento vibratorio mximo del eje respecto al descanso.

2. Respecto a mquinas con movimiento alternativo. En el caso de mquinas con movimiento alternativo los estndares existentes para evaluar la severidad de sus vibraciones tienen objetivos diferentes que para el caso de las mquinas rotatorias, ver ISO 10816-1: "Mechanical vibration. Evaluation of machine vibration by measurement on non-rotating parts. Part 6: Reciprocating machines with power rating above 100 Kw". Una mquina con movimiento alternativo, como ser un motor Diesel, es una mquina robusta diseada para soportar los esfuerzos que generan las explosiones que se producen dentro de ella. De aqu, que los esfuerzos generados por las vibraciones son para este tipo de mquinas, marginales. La normativa evala la severidad vibratoria no para considerar el efecto sobre la mquina misma, sino que considera el efecto que ella tiene en elementos montados sobre la mquina (bombas, intercambiadores de calor, instrumentos, etc.) y los conectados a ella (tuberas, fundaciones, etc.).

3. Respecto a las estructuras. Existen normativas al respecto, tales como ASA 95-1990 ANSI S2.47: "American National Standard. Vibration of Buildings. Guidelines for the measurement of vibrations and evaluation of their effects on buildings". Esta normativa, a diferencia de la existente para las mquinas, no da valores numricos que permitan la evaluacin de la severidad de la vibracin. Esta normativa es solamente cualitativa. Indica los diferentes factores que deben ser considerados para su evaluacin; como tomar en cuenta los diferentes tipos de estructuras o edificios existentes; las magnitudes y mtodos de medicin que pueden ser usados y los diferentes procedimientos de clculo a utilizar para evaluar las vibraciones medidas. El hecho de que la normativa existente para las mquinas de valores que permite evaluar la severidad de sus vibraciones se debe a que la razn entre las diferentes dimensiones de una misma mquina es relativamente constante, lo que permite relacionar niveles vibratorios y esfuerzos generados por ellos. Sin embargo, esto no sucede en las estructuras, donde las dimensiones relativas en las tres direcciones de ellas pueden variar grandemente.

4. Respecto a las personas.La norma ms importante y ampliamente conocida es la norma ISO 2631: "Mechanical vibration and shock.Evaluation of human exposure to whole-body vibration. Part 1: General requirements", cuya primera edicinapareci en 1972. La revisin ms reciente corresponde a 1997. Este estndar define y da valores numricos para los lmites de exposicin a los que puede estar sometido un ser humano. Estos lmites establecen valores que permiten cuantificar diferentes efectos de las vibraciones sobre el individuo:

- Dao en la salud o seguridad de las personas.- Disminucin de la eficiencia en el trabajo.- Disminucin del confort de la persona.Las quejas mdicas incluyen dolor vertebragnico, deformaciones de la columna vertebral, fatiga, enfermedades de los msculos del esqueleto, desrdenes hemorroidales, etc. Esta norma utiliza para evaluar la severidad vibratoria la aceleracin RMS entre 1 y 80 (Hz) medida en tres direcciones mutuamente ortogonales. Limita el nivel vibratorio de acuerdo a la frecuencia de la vibracin. Los valores ms bajos corresponden a los rangos de frecuencia donde se encuentran las frecuencias naturales de vibrar de los diferentes rganos del ser humano. Por ejemplo, la frecuencia natural longitudinal (de cabeza a pies) de un ser humano se considera que est entre 4 y 8 (Hz). Las transversales (espalda a pecho y de derecha a izquierda) estn entre 1 y 2 (Hz).

CROSS CHANNEL

Cross cannel: el anlisis de fase es muy usado para distinguir fallas que se observan como desbalance pero en verdad es causa de otras razones. Por ejemplo desalineamiento cuando se muestra a la 1X rpm. Conocer la relacin de fase de una maquina nos ayuda a confirmar la existencia de fallas especificas. Cross cannel phase es un conveniente mtodo de toma de medicin de fase y no requiere del uso de tacmetro o cinta reflejante, la fase es medida entre dos sensores.NOTA: Cuando tomes mediciones de fase toma en cuenta la direccin de los sensores. Si tu medicin es atreves del cople en direccin axial tu posiblemente puedes rotar los sensores en un posicin opuesta uno del otro esto te dar una adicin de 180.

RECOMENDACIONES PARA EL CROSS CANNEL: Determine la frecuencia exacta de inters con el uso de espectros puedes identificar picos con altas amplitudes y especificar la frecuencia. Posicione el canal 1 en el punto con mayor vibracin a esa frecuencia. No mover el canal 1. Intenta en distintos puntos con el sensor del canal 2 notando la relacin de fase y amplitud. Repite los pasos 2 y 3 en cualquier otra localizacin de inters.

1 Conectar dos sensores apropiadamente.

2 Desde el men presione 2 measure usando la mano izquierda y seleccione cross cannel phase y presione

3 Use la mano izquierda sobre los teclas para seleccionar parameter o presione 4 para crear un nuevo parmetro de unidades y velocidad de la maquina.

4 T necesitas asignar dos sensores y habilitar ambos canales. Presiona ALT despus presiona 5 sensor setup y crea o selecciona el sensor que requieres y presiona para continuar.

5 Presiona para comenzar la medicin con ambos canales.

TIPO DE FALLAS Y SU RELACIN DE FASE

Desalineamiento: Picos con alta amplitud pueden aparecer a la 1X, 2X y algunas veces a la 3X de la velocidad de giro. Si la fase tiende a 180 (+,- 30) atreves del cople en la posicin axial para un desalineamiento (angular). O en la posicin radial para un desalineamiento radial. Desalineamiento de rodamientos (en tres puntos del rodamiento) causado por el movimiento torsional en la direccin axial la fase tiende a 180 (+,- 30) entre la parte inferior y superior de la caja del rodamiento o de un lado al otro.Desbalance: Picos con altas amplitudes pueden aparecer a la 1X de la velocidad de giro. Esta falla se confirma con una diferencia de fase de 90 (+,- 40) una diferencia de fase entre la derecha e izquierda horizontal puede tener 30 de fase de diferencia entre la derecha e izquierda vertical. Si al fase es inestable esto puede ser por una soltura mecnica.Resonancia: Picos con altas amplitudes pueden aparecer donde la frecuencia natural resonante coincide con la frecuencia de excitacin (ejemplo 1X, u otras rdenes ms bajas de la velocidad de giro paso de aspas, etc.) se observa que una fase de 0 cambia cuando ambos sensores estn posicionados en la misma posicin. La fase cambia a 180 cuando se pasa por la velocidad crtica.Resonancia (maquinas con velocidad variable): Para encontrar una resonancia si tu puedes variar la velocidad de la maquina una fase de 180 puede ocurrir cuando la maquina va incrementando su velocidad aun por debajo de la resonancia. La fase cambia a 90 cuando se presenta la resonancia.ANLISIS DE ORBITAS

Combinando dos seales vibratorias captadas por sensores ubicados relativamente entre ellos a 90 (verticaly horizontal) en un descanso de la mquina se puede. Obtener el movimiento del eje en el descanso o su rbita.Una de las mejores herramientas para el apoyo de la FFT diferenciar desbalance de desalineamiento es el anlisis de orbitas ya que el desbalance se muestra circular mientras el desalineamiento muestra aplastamiento. DESBALANCE: Consiste en que el centro de masa no coincide con el centro de giro del eje, originando una fuerza centrifuga que deflexiona la flecha. La magnitud de la fuerza centrifuga depende del desbalance y por lo tanto del grado de deflexin de la flecha la deflexin de la flecha vista axialmente describir una trayectoria circular, llamada rbita circular el dimetro de la rbita depende del grado de desbalance.

EJES FLEXIONADOS:En espectros el eje flexionado y el desbalance representan la misma sintomatologa y no es posible determinar si es uno u otro. La herramienta ms til para apoyar el espectro es el anlisis de orbita y el Cross Channel mientras el equipo gira baja velocidad (menos del 10% de su velocidad de operacin). En caso de motores elctricos se realiza la prueba mientras bajan su velocidad en secuencia de paro.

DESALINEAMIENTO: El efecto se observa cuando el eje desalineado tiene una direccin de carga con respecto al otro. Como la carga del desalineamiento no cambia de direccin el eje se ve sometido a un esfuerzo flexionante alternativo. Con una frecuencia del doble de su velocidad de giro la fuerza del desalineamiento restringe el movimiento del eje dentro del cojinete modificando su forma normalmente de movimiento circular para tomar otra.

DESALINEAMIENTO DE SEGUNDO GRADO:

DESALINEAMIENTO DE TERCER GRADO:

ORBITAS CON RIZO INTERNO:Se produce cuando la intensidad del choque es tal que se comporta como una situacin de choque produciendo un rebote del eje hacia el centro del cojinete.

ORBITA CON RIZO EXTERNOSe caracteriza por que la intensidad del choque es tal que el eje prcticamente se engrana en un instante, producindose la inversin transitoria de la direccin de la rbita.

ROZAMIENTO SUBARMONICO: Esta falla ocurre solo cuando el rotor opera en una velocidad ligeramente superior a un mltiplo de la velocidad crtica (doble o triple) de tal forma que al producirse el rozamiento el soporte adicional que proporciona el sello o chumacera al rotor, incremento ligeramente su rigidez haciendo que su velocidad crtica aumente para coincidir con un submltiplo exacto o ms cercano de la velocidad de giro dndose una condicin de resonancia indirecta. Al encontrarse el rotor en esta circunstancia, excita su nueva velocidad critica producindose una vibracin subarmonica que se presenta en dobles o triples trazos de la rbita segn se trate de la mitad o tercio de la velocidad de giro esta condicin es seria ya que puede disparar en un instante los niveles de vibracin a dos o tres veces la amplitud original.

n n x 2 n x

COJINETE SUELTO:Esta falla ocurre solo cuando el rotor opera en una velocidad ligeramente inferior al doble o triple de la velocidad crtica y uno de sus cojinetes esta suelto o no se sujeta perfectamente a su caja. En esta condicin su rigidez disminuye, haciendo disminuir su velocidad crtica que se sintoniza para acomodarse a la mitad o al tercio de la velocidad de giro dando una condicin de resonancia indirecta esta resonancia excita la nueva velocidad critica presentndose la vibracin a la mitad o un tercio de la velocidad de giro.

n n 2n x