ANALISIS VIBRACIONAL

4.1.- INTRODUCCION

La prevención de posibles fallas en maquinarias es necesaria para una operación confiable y segura de una Instalación. El riesgo de fallas y el tiempo en que una maquinaria queda fuera de servicio pueden disminuirse sólo si los problemas potenciales son anticipados y evitados. Una de las herramientas fundamentales con que se cuenta en la actualidad para el mantenimiento predictivo de una Planta o Instalación es la medición y análisis de vibraciones.

Debido a que los programas de Análisis de Vibración ayudan a encontrar problemas antes de que fallas catastróficas ocurran, estos ofrecen grandes ventajas que incluyen:

Reducción de los Costos de Mantenimiento Incremento de la Producción Incremento de la Eficiencia Total de la Planta

Las vibraciones son un efecto. Cuando se realiza un trabajo de diagnóstico, siempre se busca el efecto para tratar de descubrir la causa. Este trabajo de diagnóstico está compuesto de dos etapas:

I.- Obtención de los datos de una manera sistemáticaII.- Interpretar los datos e identificar los problemas.

Para cumplir con el primero de estos objetivos, uno de los primeros pasos a seguir en el análisis de vibraciones en una máquina es obtener un valor "global" de las vibraciones para poder determinar la condición general de la misma. Estas mediciones deben realizarse en distintos puntos y en tres direcciones, vertical, horizontal y axial.

Los puntos importantes para la medición de las vibraciones son los ubicados sobre los rodamientos / cojinetes o cerca de ellos, porque es a través de los mismos por donde se transmiten las fuerzas de vibración. Las mediciones en distintas direcciones son necesarias debido a que algunos problemas de máquinas rotativas se manifiestan más en alguna dirección que en otra.

4.2.- MEDICIÓN DE LA VIBRACIÓN

Cada maquina que esta fallando no importando si la falla sea de naturaleza mecánica o eléctrica, genera vibraciones a especificas frecuencias. Estas frecuencias que son leídas a través de los instrumentos, corresponden a otro tipo de fallas comunes tales como: desbalance, desalineamiento, soltura mecánica, cavitación, defectos en las bandas o bandas flojas, debilidad ó falta de rigidez en la cimentación o base, daños en los rodamientos y muchos otros defectos. .

¿QUE ES UNA VIBRACION?

En términos muy simples una vibración es un movimiento oscilatorio de pequeña amplitud.

Todos los cuerpos presentan una señal de vibración característica en la cual plasman cada una de sus partes. De acuerdo a esto, las máquinas presentan su propia señal de vibración y en ella se encuentra la información de cada uno de sus componentes. Por tanto, una señal de vibración capturada de una máquina significa la suma vectorial de la vibración de cada uno de sus componentesVIBRACION SIMPLE

FIGURA 1A

La base principal de las señales de vibración en el dominio del tiempo son las ondas sinusoidales. Estas son las más simples y son la representación de las oscilaciones puras. Una oscilación pura puede ser representada físicamente con el siguiente experimento: Imagínese una masa suspendida de un resorte como el de la figura 1A.

Si esta masa es soltada desde una distancia Xo, en condiciones ideales, se efectuará un movimiento armónico simple que tendrá una amplitud Xo. Ahora a la masa vibrante le adicionamos un lápiz y una hoja de papel en su parte posterior, de manera que pueda marcar su posición. Si halamos el papel con velocidad constante hacia el lado izquierdo se formará una gráfica parecida a la figura 1B.

FIGURA 1B

El tiempo que tarda la masa para ir y regresar al punto Xo siempre es constante. Este tiempo recibe el nombre de período de oscilación (medido generalmente en seg o mseg) y significa que el resorte completó un ciclo. El recíproco del período es la frecuencia (es decir F=1/T) la cual generalmente es dada en Hz (Ciclos por segundo) o también Ciclos por minuto (CPM).

Estos conceptos pueden verse más claramente en la figura 2. De esta onda sinusoidal también es importante definir la amplitud y la fase.

FIGURA 2

La amplitud desde el punto de vista de las vibraciones es cuanta cantidad de movimiento puede tener una masa desde una posición neutral. La amplitud se mide generalmente en valores pico-pico para desplazamiento y valores cero-pico y RMS para velocidad y aceleración (Ver fig.3).

FIGURA 3

La fase realmente es una medida de tiempo entre la separación de dos señales, la cual puede ser relativa o absoluta. Generalmente es encontrada en grados. La figura 4 muestra dos señales sinusoidales de igual amplitud y período, pero separadas 90 grados, lo cual indica que ambas curvas están desfasadas 90 grados.

FIGURA 4

VIBRACION COMPUESTA

Una señal compuesta es una sumatoria de varias señales sinusoidales que comprenden cada uno de los componentes que se encuentran en la máquina, más todos los golpeteos y vibraciones aleatorias. El resultado es una señal como la ilustrada en la figura 5.

FIGURA 5

VIBRACION ALEATORIA Y GOLPETEOS INTERMITENTESAdemás de las vibraciones simples, también existen otros tipos de vibraciones como son la vibración aleatoria y los golpeteos. La vibración aleatoria no cumple con patrones especiales que se repiten constantemente o es demasiado difícil detectar donde comienza el ciclo y donde termina. Estas vibraciones están asociadas generalmente a turbulencia en blowers o bombas, a defectos de lubricación o a cavitación en bombas (Ver Fig. 6A).

Los golpeteos están asociadas a golpes continuos y aunque crean una señal repetitiva, ésta tiende a morir debido a la amortiguación del medio (Ver Fig. 6B).

FIGURA 6A

Por lo expuesto, la Vibración tiene tres parámetros importantes que pueden ser medidos:

FRECUENCIA.- ¿Cuántas veces la máquina o estructura vibra por minuto o por segundo?

AMPLITUD.- ¿Cuál es la magnitud de vibración en micras (um) ó mils (milésimas de pulg), mm/s ó pulg/s ó g’s?

FASE.- ¿Cómo un componente está vibrando con referencia a otro?Un espectro de vibración es una imagen de cálculo de datos que nos muestra los datos de frecuencia contra amplitud. La frecuencia ayuda a determinar el origen de la vibración, mientras la amplitud ayuda a determinar el grado de severidad del problema.

FIGURA 6B

¿QUE ES EL DESPLAZAMIENTO VIBRACIONAL?

El desplazamiento es la medida total del recorrido de la masa entre sus posiciones inferior y superior. Este desplazamiento puede ser expresado en mils (1 mils = 0.001”) o micras (1 um = 0.001 mm o 0.039 mils). Cuando una máquina está siendo sometida a excesiva carga dinámica en muy bajas frecuencias, el desplazamiento es un buen indicador de la severidad vibracional, ya que la máquina o estructura podría sufrir un notable flexionamiento o deformación.

¿QUE ES LA VELOCIDAD VIBRACIONAL?

La velocidad vibracional es una medida de cuan rápido la masa se está moviendo o vibrando durante sus oscilaciones. La velocidad de la vibración está directamente relacionada con la “fatiga”. Observemos en la FIGURA N° 7 como la oscilación de la masa suspendida de un resorte, alcanza su máximo valor de velocidad (Pico) al pasar por su posición neutral. Nótese que en la posición neutral la aceleración es cero.

Antes de llegar a su posición neutral, la aceleración es positiva; mientras que luego de pasar por la posición neutral camino a la posición inferior; la aceleración será negativa. Sin embargo, si un analizador fuese usado directamente en la medición del pico de velocidad, este podría seleccionar el pico más alto de una onda en el tiempo.Si observamos en una pantalla de un osciloscopio, la velocidad Pico sería el Pico más alto, tal como se muestra en la FIGURA N° 8.

FIGURA Nº 7LA VELOCIDAD EN LA CURVA DE DESPLAZAMIENTO

FIGURA N° 8COMO DETERMINAR LA VELOCIDAD DEL PICO EN UN OSCILOSCOPIO

En este caso, la velocidad Pico es 0.7 in/sec porque este es el pico más alto (positivo o negativo).

¿QUE ES LA ACELERACION VIBRACIONAL?

Cuando la estructura de una máquina está vibrando, experimenta la presencia de la aceleración, toda vez que continuamente se producen cambios de velocidades en las oscilaciones de atrás hacia delante. La aceleración se da en el instante en que la velocidad se encuentra en un mínimo, este es el punto donde la masa desaceleró hasta parar, y desde donde comienza a acelerarse en un sentido opuesto.

La Aceleración es la variación de la velocidad en el tiempo y es medido en unidades g’s. Cuando los cambios de velocidad son más altos, también serán más altos los esfuerzos en la máquina, debido a aceleraciones más altas. En altas frecuencias el daño de una maquina podría ser el resultado de la presencia de excesivas fuerzas, lo cual motivarían la rotura de la película de lubricación, permitiendo el daño de los cojinetes (debido al contacto de metal-metal), estas fuerzas excesivas son generadas por la aceleración.

La Aceleración es la que probablemente cause más dificultad para ser comprendida en la medida de la amplitud de la vibración, pero es el parámetro más frecuente medido directamente por un acelerómetro..

En general las mediciones de vibraciones globales se realizan en forma de velocidad (mm/s) debido a que la experiencia ha demostrado que las mediciones de velocidad son la mejor indicación para evaluar la severidad de las vibraciones en el rango normal de frecuencias de giro de las máquinas rotativas usuales (10 a 1000 Hz). El valor global de vibraciones obtenido, comparado con los valores recomendados por el fabricante de la máquina, da una idea de la condición mecánica de la misma. En ausencia de valores recomendados por el fabricante, existen tablas de normatividad de ISO e Institutos de Vibración.

Un análisis estadístico de las ocurrencias de los distintos problemas asociados a maquinarias, indica que:

• 30% de los problemas se debe a desbalance• 40% debido a desalineamiento (en máquinas acopladas)• 30% debido a problemas en bandas y poleas (en máquinas a polea)• 8 % debido a resonancias• 15% debido a los rodamientos• 8% debido a otras causas (cavitación, remolino de aceite, holguras o solturas

mecánicas, turbulencia en tuberías, etc).

Por lo tanto, un análisis racional de vibraciones en maquinarias debería comenzar analizando los problemas de mayor ocurrencia estadística y luego de descartarlos seguir con los menos probables.

4.3.- TÉCNICAS DE ANÁLISIS DE VIBRACIONESTRANSFORMADA DE FOURIER

Hasta ahora sólo hemos visto vibraciones en el dominio del tiempo, que son señales directas de la máquina. Como ya dijimos antes, en estas señales se encuentra plasmada toda la información acerca del comportamiento de cada componente de la máquina. Pero hay un problema a la hora de realizar un diagnóstico: estas señales están cargadas de mucha información en forma muy compleja, la cual comprende las señales características de cada parte, por lo cual prácticamente queda imposible distinguir a simple vista los diferentes componentes.

Existen otras formas para realizar un estudio de vibraciones, entre las cuales se encuentra mirar esta señal en el dominio de la frecuencia. Esta es la gráfica de Amplitud vs Frecuencia y es conocida con el nombre de espectro. Esta es la mejor herramienta que se tiene actualmente para el análisis de maquinaria.

Fue precisamente el matemático francés Jean Baptiste Fourier (1768 - 1830) quien encontró la forma de representar una señal compleja en el dominio del tiempo por medio de series de curvas sinusoidales con valores de amplitud y frecuencia específicos.

Entonces lo que hace un analizador de espectros que trabaja con la transformada rápida de Fourier es capturar una señal desde una máquina, luego calcula todas las series de señales sinusoidales que contiene la señal compleja y por último las muestra en forma individual en el eje x de la frecuencia. En la siguiente ilustración de tres dimensiones (fig.9) puede notarse claramente la señal compleja (en color verde), capturada desde una máquina. A dicha señal se le calculan todas las series de señales sinusoidales en el dominio del tiempo (vistas en azul) y por último se muestra cada una en el dominio de la frecuencia (vistas en rojo).

FIGURA 9

La figura 10 muestra una señal en el dominio del tiempo y su correspondiente en el dominio de la frecuencia.

FIGURA 10

En el conjunto de categorías clasificadas se presentarán los espectros característicos de las fallas más comunes. Estos espectros han sido el fruto de muchos estudios y se convierten en "recetas de cocina" que ayudan a descubrir los problemas que pueden suceder en una máquina.

ANÁLISIS ESPECTRAL

Cuando se mide una máquina, se genera una información muy valiosa que es necesario analizar. El éxito de este análisis depende de la correcta interpretación que se le de a los espectros capturados con respecto a las condiciones de operación en que se encuentra la máquina. A continuación se muestra un esquema de cómo sería la captura de la información desde una máquina para luego ser analizada.

DESPLAZAMIENTO, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN DE VIBRACIÓN

Existen varias variables para medir la amplitud de vibración de un espectro. Para vibraciones mecánicas lo más común es medirlas en unidades de desplazamiento, velocidad y aceleración.

Cada una presenta ventajas respecto de las otras, por tanto es recomendable para el analista revisarlas todas. A continuación se describen sus ventajas.

- La medida en desplazamiento (mm ó um en el Sistema ISO, mils en el Sistema Inglés) es importante para reconocer patrones que están a muy baja frecuencia. Los picos de vibración que están al comienzo del espectro son mejor resaltados. Esta es una medida especial para hallar anormalidades en chumaceras de aceite, muy utilizadas en turbomaquinaria.

- La medida en velocidad (mm/s en el Sistema ISO, in/s en el Sistema Inglés) permite reconocer la mayoría de los patrones de fallas primarias y de otros componentes cuando están en un estado evidente, como por ejemplo desbalance, desalineación, holgura mecánica, fricciones abrasivas, resonancias, pulsaciones, engranajes de pocos dientes, sistema de poleas, aspas de bombas y ventiladores. Esta variable de velocidad es importante para resaltar picos de bajas y medias frecuencias.

- La medida en aceleración (mG o G en ambos sistemas de medición) permite reconocer patrones asociados a contactos metal-metal y fricciones abrasivas, problemas en engranajes, cavitación, entre otros. Esta variable resalta picos de vibración de medias y altas frecuencias y es muy utilizada para la detección prematura de fallas en chumaceras y rodamientos y otros componentes como engranajes.

A continuación se presenta un esquema de una señal vista en las tres variables:

ANÁLISIS DE LA FORMA DE ONDA EN EL TIEMPO

Una onda en el dominio tiempo es una representación gráfica de una muestra en un tiempo corto de la vibración total antes de que sea convertida en un espectro de frecuencia (figura 2).

La onda en el tiempo es una excelente herramienta de análisis especialmente aplicada para ejes de bajas velocidades, así como en la evaluación de Cajas de engranajes para determinar la presencia de dientes astillados, fisurados ó rotos.

PROBLEMAS PERCEPTIBLES POR EL ANALISIS DE LA ONDA EN EL TIEMPO Y QUE NO PUEDEN SER DETECTADOS POR EL ANÁLISIS ESPECTRAL

PROBLEMAS CUYO DIAGNOSTICO PUEDE SER CONFIRMADO CON LA ASISTENCIA DEL ANALISIS DE LA FORMA DE ONDA EN EL TIEMPO, CUANDO EL ANALISIS ESPECTRAL EVIDENCIÓ DEFECTOS

- Los dientes de los engranajes fisurados, rotos o deformados con defectos, en máquinas de velocidades muy bajas(<10 RPM).  - Los defectos producidos en rodamientos de máquinas de velocidades muy bajas(<10 RPM). - Problemas transitorios en el arranque de motores eléctricos que afectan los cojinetes y devanados. - Compresores reciprocantes: vibración por impacto en cortos periodos de tiempo, tales como golpeteo de pistones, soltura de bielas / cojinetes o defectos en las válvulas de admisión o descarga.

- Rodamientos con defectos en baja y moderada velocidad (50 - 300 RPM). - Problemas eléctricos en el motor (Estator, Rotor, entrehierro).  - Lacraduras / marcas en el eje en el sector que es controlado por una sonda de proximidad.- Roce del rotor.  - Cajas Norton de máquinas herramientas.  - Distinguir desalineamiento y soltura mecánica.  - Inestabilidad en al cuña hidrodinámica de aceite Vs. 1/ 2 X - Sopladores rotatorios - Roce de lóbulos del impulsor contra su carcasa ó entre sí. - Compresores reciprocantes o motores de combustión alternativos, problemas de ignición, compresión y/o combustión.

USO CONVENIENTE Y CONFIRMACIÓN MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA FORMA DE ONDA EN EL TIEMPO

FIGURA N°4DOMINIOS EN EL TIEMPO Y EN LA FRECUENCIA

DE UN RODAMIENTO CON FISURA

FIGURA N°5ESPECTRO FFT Y WAVEFORM DE UNA PISTA INTERIOR FISURADA DE UN RODAMIENTO INSTALADO EN UN

RODILLO QUE GIRA A 43 RPM

ANÁLISIS DE FASES

Como definición fase es la diferencia de ángulo existente entre una “marca conocida” en el eje que está rotando y la generada por la señal de vibración del eje.

Esta relación permite obtener información sobre los niveles de amplitud de la vibración, órbitas y posición del eje. Asimismo es usado como elemento de análisis orbitales y para la ejecución del balanceo dinámico de un conjunto rotatorio.

Adicionalmente la fase puede ser usada para determinar la velocidad de giro (luz estroboscópica).

La fase puede ser determinada con la asistencia de un sensor óptico (optical phase), por una luz estroboscópica (strobe light) o por medio de dos señales tomadas a 90 grados radialmente al eje. La FIGURA N° 8 muestra un diagrama vector fase/amplitud, el mismo que permitiría evaluar la condición de la máquina.

Una alteración en la longitud del vector o un desplazamiento de su posición, podría indicar algún problema.

FIGURA N°8GRAFICA DE FASE

acceptanmce region

En el gráfico vector fase de la FIGURA N° 8, la longitud del vector muestra la magnitud de la vibración y la posición del vector, su fase. Una vez definida la región de aceptación del vector fase, cualquier variación que lo remonte de dicha región, será registrado por las alarmas.

4.4.- EQUIPOS DE MEDICIÓN

ANALIZADORES DE VIBRACIONES

El propósito de la instrumentación de vibraciones, es obtener medidas de vibraciones exactas, ya sean de amplitud, frecuencia y fases, de tal forma que se pueda determinar confiable la condición de la máquina. Hay una amplia variedad de instrumentos de vibración, en función de sus diversas capacidades. Básicamente hay cinco tipos de instrumentos de medida de vibración:

Overall Level Vibration Meters (Hand-Held) – VibrómetrosSwep-Filter Analyzers – Analizadores Sintonizables o de Filtros de Barrido.FFT Data Collectors (también Hand-Held) - Analizadores / Colectores de DatosReal Time Spectrum Analyzers – Analizadores de Tiempo Real Instrument Quality Tape Recorder – Grabadora de Cinta de Alta calidad.

Cada uno de estos tipos de instrumentos, tienen sus propias aplicaciones en el monitoreo de la vibración. Cuando decidimos comprar un tipo de instrumento o efectuar una prueba de vibración en particular, debemos tener en cuenta sus características, ese es el propósito de este capítulo. :

Es importante conocer en forma general las propiedades y capacidades que posee el instrumento que usaremos ó compraremos.

Para ayudar al lector a entender mejor la instrumentación para la medición de la vibración, presentaremos un glosario de los tipos que existen

1.- Portátil.- El equipo puede ser fácil de llevar a una planta industrial o fábrica

2.- Rango de Frecuencia.- Describe si el instrumento en su rango de frecuencia puede normalmente medir (usualmente +/- 10%; o +/- 3dB que es igual a +41%, - 31%). Fuera de este rango, la respuesta del instrumento descenderá y algunas veces variará repentinamente. Esto determinará si el instrumento tiene la capacidad para analizar la maquinaria de la planta, basada en frecuencias que son generadas dentro de ellas.

3.- Formato de Datos de Medidas.- Describe los parámetros de cada instrumento, los tipos y como pueden medirse. El usuario puede verlo de la siguiente manera:Nivel Total.- Solamente la amplitud de la vibración total es reportada por lo que no se dispondrá de sus componentes frecuenciales.Filtro de Barrido.- Un filtro de porcentaje constante (típicamente de 12 a 10%) barre un rango de frecuencia de 60 hasta 600,000 CPM, en muchos de estos instrumentos.

Espectro de Frecuencia.- Se ve la amplitud versus la frecuencia para cada pico del espectro.

La onda en el tiempo .- Vemos el tiempo (segundos o minutos) vs la amplitud de la vibración (mils o um, in/s o mm/s, g)

4.- Tipos Típicos de Pantalla.- Describe los tipos de pantalla que son usados por los instrumentos. Básicamente hay tres tipos diferentes.

- Presentación en Cristal Líquido (LCD).- Es una buena pantalla que está usualmente bajo buenas condiciones de iluminación.- Pantalla Macromática.- Típicamente es una pantalla de fondo negro o verde, con texto y figuras dibujadas en un solo color (usualmente de color blanco, verde o naranja).- Medidor Analógico.- La amplitud de la vibración medida con una aguja que reporta la medida actual de la misma.

5.- Tipos de Transductores Típicos.- Sensores que recogen la vibración de las maquinarias:

- Acelerómetros.- Mide la aceleración (g, pul/s2, mm/s2)- Transductores de velocidad.- Mide la velocidad (pulg/s o mm/s)- Probeta de Proximidad.- Mide el desplazamiento (mils o micrones)

6.- Capacidades de fototacómetro y Luz Estroboscópica.- La capacidad para leer la señal de entrada de fototacómetro o en luz estroboscópica para determinar la velocidad de giro o la detección de medidas de fases. Algunas veces, las fases podrían ser deseadas en armónicas NX más altas (2X RPM, 3X RPM, etc.)

7.- Disponibilidad Multicanal.- Es la capacidad de poder hacer más de una medición vibracional simultáneamente.

8.- Capacidad de Medir Spike Energy, HFD o Shock pulse.- La capacidad de proveer todos los niveles de Spike Energy, HFD (detección de alta frecuencia) ó SOC Pulse.

9.- Capacidad de medir High Frecuency Enveloped Spectrum Measurement.- Capacidad de proveer un espectro envolvente de un “Spike Energy”, “Amplitude Demodulated” o “Acceleration Enveloped” todos ellos medidos dentro de los 5,000 – 50,000 Hz de rango de frecuencia (300,000 – 3’000,000 CPM).

10.- Spectral Display Update.- Que tan rápido el equipo actualiza sus datos en la pantalla.- Live Time : Actualizar los datos en la pantalla demora aproximadamente entre 1-4 segundos dependiendo del modelo y el seteado del instrumento- Real Time : Actualizar los datos en la pantalla casi instantáneamente

11- Fácil de usar.- Una evaluación de cuanto tiempo se requiere para aprender a operar el instrumento.

12.- Capacidad de almacenamiento de la Onda en el Tiempo.- La capacidad de almacenar la onda en el tiempo desde un transductor para un análisis posterior.

13.- Almacenamiento del Espectro Frecuencial.- La capacidad de almacenar el espectro frecuencial para un análisis posterior.

14.- Software de Mantenimiento Predictivo.- Hay software disponible para tendencias, seteados de alarmas espectrales, análisis de espectros, rutas, etc; para el desarrollo de un PMP.

15.- Capacidad de desarrollar pruebas de Frecuencia Natural.- La capacidad de conducir las pruebas de frecuencia natural con el instrumento, que puede incluir una prueba de golpe o impulso.

16.- Capacidad de Efectuar “Operating Deflection Shape”.- La capacidad para que simultáneamente mida fase y amplitud en una frecuencia particular y descargar esta información en una computadora personal con un software conveniente para producir gráficos en movimiento de la máquina operando, usando una animación de dibujos sobre un monitor de computadora.