Introduccin al mantenimiento Predictivohttp://www.sinais.es/sensores/sensores_vibracion.html

Introduccin al mantenimiento Tipos de mantenimiento Correctivo Preventivo Predictivo Proactivo Mantenimiento predictivo Justificacin tcnica y econmica del mantenimiento predictivo Tecnologas aplicables al mantenimiento predictivo Anlisis de vibraciones Anlisis de aceites Termografa infrarroja Anlisis espectral de intensidades de corrientes Anlisis del flujo de dispersin Deteccin ultrasnica de defectos Descargas parciales Fundamentos del anlisis de vibraciones Qu es una vibracin? Vibracin simple Vibracin compuesta Otros tipos de vibracin Transformada de Fourier Desplazamiento, velocidad y aceleracin Anlisis espectral Sensores de vibracin e instrumentacin de medida Transductores y su tipologa Transductores de desplazamiento Transductores ssmicos de velocidad Transductores piezoelctricos Tcnicas de fijacin del sensor a la mquina Instrumentos de medida de vibracin Medicin peridica de espectros y valores globales Monitorizacin en continuo de vibraciones Normativa sobre vibraciones Clasificacin de normas y guas de aplicacin Normas sobre la instrumentacin y sistemas de medida Normas y guas de severidad de vibraciones Carta de Rathbone

ISO 2372 ISO 10816 Principales organismos de normalizacin Resumen de las principales normativas Desequilibrio y medida de la fase vibratoria Medida de fase Causas del desequilibrio Tipos de desequilibrio Anlisis de problemas en bajas frecuencias Excentricidad Eje deformado Desalineacin Angular Paralela En rodamientos y cojientes En poleas Holguras En elementos rotativos Estructurales Pulsaciones Cojinetes de friccin Excesiva holgura Remolino de aceite Lubricacin deficiente Sensores y bandas de frecuencia para medidas en cojinetes Engranajes Frecuencias propias de un engranaje Engranajes planetarios Factores determinantes en las lecturas de vibraciones Diagnstico de averas en engranajes Rodamientos Tcnicas para la deteccin de fallos en rodamientos Componentes y frecuencias de deterioro de un rodamiento Prediccin del grado de severidad del deterioro de los rodamientos Defectos tpicos en rodamientos y su identificacin espectral Fases de deterioro

Bandas de frecuencia para el estudio de la condicin de rodamientos Motores de induccin de corriente alterna Introduccin Componentes y frecuencias de inters Diagnstico de averas Resonancia Introduccin Tipos de resonancia Mtodos de deteccin Eliminacin de resonancias Definiciones

Introduccin al mantenimiento PredictivoEl mantenimiento dentro de la industria ha sufrido una evolucin importante empujada en gran parte por el desarrollo tecnolgico de los equipos de control y medida. En este captulo, se resume la evolucin histrica del mantenimiento y se realiza a continuacin una presentacin del mantenimiento predictivo o mantenimiento basado en la condicin de mquina (CBN), estableciendo unos criterios bsicos para su implantacin. Posteriormente lo justificaremos tcnica y econmicamente, comparando ventajas e inconvenientes del mismo frente a los tipos de mantenimiento ms elementales. Por ltimo, nos centraremos en enumerar y valorar las diferentes tecnologas que estn ligadas al mantenimiento predictivo. Tipos de mantenimiento Correctivo Preventivo Predictivo Proactivo Mantenimiento Predictivo Justificacin tcnica y econmica del mantenimiento predictivo Tecnologas aplicables al mantenimiento predictivo Anlisis de vibracin Anlisis de aceite Termografa infrarroja Anlisis espectral de intensidades de corrientes Anlisis de flujo de dispersin Deteccin ultrasnica de defectos Descargas parciales

Tipos de mantenimientoDe manera rpida y sencilla se puede resumir la evolucin del mantenimiento hasta nuestros das en cuatro etapas:

Mantenimiento correctivo: En un principio, el mantenimiento quedaba relegado a intervenciones como consecuencia de las averas y con los consiguientes costes de reparacin (mano de obra, piezas de repuesto,...), as como los relativos a los costes por las paradas de produccin. Este tipo de mantenimiento se conoce como mantenimiento correctivo. Mantenimiento preventivo: Las necesidades de mejora de los costes derivados de las bajas disponibilidades de la mquina y de las consiguientes paradas de produccin llevaron a los tcnicos de mantenimiento a programar revisiones peridicas con el objeto de mantener las mquinas en el mejor estado posible y reducir su probabilidad de fallo. Presenta la incertidumbre del coste que genera. Hasta qu punto los perodos establecidos para las intervenciones de mantenimiento estn sobredimensionadas? Se pueden reducir los perodos de intervencin sin consecuencias nefastas para las mquinas, abaratando de esta manera el coste del mantenimiento? Todas estas preguntas carecen de respuestas precisas y limitan la eficacia del mantenimiento.

Figura 1: Comparacin entre distintos tipos de mantenimiento.

Mantenimiento predictivo: Como consecuencia de las incertidumbres que presenta el mantenimiento preventivo y con el apoyo del desarrollo tecnolgico, se desarroll un nuevo concepto de mantenimiento basado en la condicin o estado de la mquina. Este tipo de intervencin se conoce como mantenimiento predictivo, y viene a suponer toda una revolucin dada su filosofa de anticipacin a la avera por medio del conocimiento del comportamiento de la mquina y de cmo debera comportarse, conociendo de este modo previamente qu elemento puede fallar y cundo. As se puede programar una intervencin sin afectar al proceso productivo, con las consiguientes optimizaciones en costes de produccin, mano de obra y repuestos. Se evitan de este modo grandes y costosas averas agilizando las intervenciones. Mantenimiento proactivo: Se ha desarrollado como complemento a la evolucin del mantenimiento predictivo. Este concepto engloba los tipos de mantenimiento detallados anteriormente elevndolos a otra dimensin; el anlisis de causas. El mantenimiento predictivo puede determinar si algn elemento de la mquina puede fallar, pero no estudia la causa raz del fallo. El mantenimiento predictivo no responde a la causa por la cual un rodamiento falla repetidamente aunque si nos indique cuando puede fallar. Para cubrir esta incertidumbre, el mantenimiento proactivo o tambin conocido como fiabilidad de mquina analiza la causa raz de la repetibilidad de la avera, resolviendo aspectos tcnicos de las mismas.

Mantenimiento correctivoCuando nicamente realizamos un mantenimiento correctivo, el trmino "mantenimiento" es sinnimo de "reparacin". No quiere ello decir que no pueda existir este tipo de intervenciones, de hecho el fin ltimo de todo tipo de mantenimiento es reparar o sustituir componentes daados, con la finalidad de alargar la vida til de la mquina, y para ello son inevitables las intervenciones correctivas. Pero s es un error centrar todas las actuaciones de mantenimiento con esta nica finalidad. Ello slo presenta una ventaja, el coste de la inversin inicial es prcticamente nulo; no obstante tiene serios inconvenientes:

Paradas inesperadas que normalmente suelen ocurrir cuando la produccin debe ser mayor, es decir, en el peor momento. Estas paradas suelen ser catastrficas, ya que suelen producirse roturas importantes. A veces por la prdida de un rodamiento podemos tener serias roturas en las transmisiones. Los costes de reparacin de las mismas llegan a ser muy elevados. La necesidad de tener piezas de repuesto en almacn se incrementa ante la incertidumbre de qu me

puede fallar.

Los riesgos de accidentes se incrementan. Desconocemos totalmente el estado de nuestras mquinas. Tratamos fallos crnicos como habituales sin descubrir el origen del problema, por ejemplo si un rodamiento se deteriora prematuramente y tomamos la rutina de sustituirlo, estamos ocultando un posible problema de desalineacin o de desequilibrio que puede ser la causa del dao prematuro de este componente.

Mantenimiento preventivoEl mantenimiento preventivo se basa en la sustitucin de componentes cuando suponemos que se ha agotado la vida de los mismos. El estudio terico de sus vidas lo suele suministrar el fabricante del equipo, quien normalmente incluye una gama de mantenimiento preventivo, con indicacin de sustitucin de componentes y cambios en la lubricacin. Representa un paso ms con respecto al mantenimiento correctivo. Claramente de esta forma conseguimos evitar averas, pero debemos tener cuidado con su aplicacin, por ejemplo, los fabricantes de rodamientos indican en sus catlogos que "la vida media de los rodamientos es aproximadamente cinco veces la vida nominal (Catlogo General SKF 4000/IISp, pg. 27)". Quiere esto decir que si prolongsemos la vida de los rodamientos a su duracin real conseguiramos quintuplicar la duracin de los mismos, este argumento por si solo es vlido para querer monitorizar en muchas ocasiones. Por otro lado, el mantenimiento preventivo presenta tambin una serie de inconvenientes:

El principal radica en intervenir una mquina que est funcionando correctamente, simplemente porque le toca una revisin. Las mquinas adquieren con su funcionamiento un equilibrio que es difcil de restablecer una vez que intervenimos en las mismas y con las actuaciones preventivas estamos modificando constantemente este equilibrio de funcionamiento. Cuando actuamos sobre la mquina, cambiamos componentes que normalmente estn en buen estado y desconocemos el estado real de los mismos hasta que desmontamos. Podemos cambiar componentes que han agotado su vida terica y no ver otros que se encuentran en mal estado. No tenemos control sobre los daos ocultos. En cuanto a su coste, puede dispararse como consecuencia de las frecuentes intervenciones en las mquinas, muchas de ellas innecesarias.

Ventajas del mantenimiento predictivoLas actuaciones con mantenimiento predictivo pasan por unos inconvenientes iniciales de elevados costes de inversin en tecnologa y formacin, con una rentabilidad de la misma a medio y largo plazo. Pero las ventajas son evidentes:

Conocemos el estado de la mquina en todo instante. Eliminamos prcticamente todas las averas.

Solo paramos o intervenimos en la mquina cuando realmente es necesario. Conocemos el dao en los componentes desde una fase inicial del mismo, permitindonos programar su sustitucin en el momento ms conveniente. Al intervenir en la mquina conocemos el problema, reduciendo el tiempo de la reparacin. Podemos identificar los fallos ocultos, as como la causa de fallos crnicos. Reducimos las piezas del almacn, adquirindolas cuando detectamos el problema en una fase primaria. Conseguimos bonificaciones en primas de seguros. Incrementamos la seguridad de la planta.

Resulta interesante una aplicacin ms de las tcnicas predictivas y que no est directamente relacionada con el mantenimiento y es su utilidad en la recepcin de equipos, como verificacin del correcto funcionamiento de los mismos o de la bondad de las reparaciones que se les hayan efectuado.

Mantenimiento proactivoEl mantenimiento proactivo est basado en los mtodos predictivos, pero, para identificar y corregir las causas de los fallos en las mquinas, es necesario una implicacin del personal de mantenimiento.

Estos sistemas slo son viables si existe detrs una organizacin adecuada de los recursos disponibles, una planificacin de las tareas a realizar durante un periodo de tiempo, un control exhaustivo del funcionamiento de los equipos que permita acotar sus paradas programadas y el coste a l inherente, y una motivacin de los recursos humanos destinados a esta funcin, acordes al sostenimiento de la actividad industrial actual.

El mantenimiento proactivo puede dar respuesta a questiones como la que sigue: "Es posible que aquel rodamiento, cuya vida til de trabajo es excesivamente corta, est insuficientemente dimensionado o simplemente no sea el tipo de rodamiento ms adecuado para la aplicacin que se le est dando".

Mantenimiento predictivoEn el mantenimiento predictivo o bajo condicin, evaluamos el estado de los componentes mecnicos o elctricos mediante tcnicas de seguimiento y anlisis, permitindonos programar las operaciones de mantenimiento "solamente cuando son necesarias". Consiste esencialmente en el estudio de ciertas variables o parmetros relacionados con el estado o condicin del medio que mantenemos, como por ejemplo la vibracin, temperatura, aceites, aislamientos, etc. El estudio de estos parmetros nos suministra informacin del estado de sus componentes y, algo tambin muy importante, del modo en que est funcionando dicho equipo, permitindonos no slo detectar problemas de componentes sino tambin de diseo y de instalacin. El objetivo del mantenimiento predictivo es la reduccin de los costes de operacin y de mantenimiento incrementando la fiabilidad del equipo. La base del mantenimiento predictivo radica en la monitorizacin de los equipos, ya que debemos evaluar los parmetros antes comentados con la instalacin en funcionamiento normal. No es, por tanto, necesario hacer una parada para poder evaluar la condicin de los mismos, conocemos el estado de nuestras mquinas mientras estn

trabajando. Con las diferentes tcnicas disponibles podemos evaluar los fallos en los componentes y seguir su evolucin durante largos perodos de tiempo (a veces meses) antes de decidir nuestra intervencin, de esta manera podemos coordinar con produccin el momento ms adecuado para la intervencin de mantenimiento. Para conseguir el xito en la implantacin de un sistema de mantenimiento predictivo es necesario seguir una estrategia. El fracaso lo tendremos asegurado si pretendemos hacer una implantacin del mismo en todos nuestros equipos y ms an cuando queramos implantar varias tecnologas simultneamente. Si adems no tenemos un sistema de gestin de la informacin adecuado, que nos permita tratar los datos correctamente, conseguiremos tirar a la basura una importante inversin econmica y lo que es peor perderemos los beneficios de una buena implantacin con una alta rentabilidad econmica. Adems perderemos la confianza en unas tecnologas que terminarn siendo de uso habitual. Ser necesario en primer lugar hacer una seleccin de los equipos que vamos a monitorizar, sta vendr condicionada por una serie de factores entre los que se encuentran la criticidad o responsabilidad del equipo, la accesibilidad al mismo y la informacin tcnica que podamos disponer de l. Nos centraremos en un pequeo nmero de ellos, analizando que tcnica podremos aplicar en un primer momento, normalmente el anlisis de vibraciones es la de ms amplia utilizacin. Se realizar un programa piloto con los mismos, localizando defectos, analizando causas y retroalimentando el sistema una vez hayan sido erradicados los defectos. Una vez hayamos obtenido una valoracin positiva de nuestra experiencia piloto, pasaremos a realizar una extensin de la aplicacin a un mayor nmero de equipos y as sucesivamente hasta conseguir una implantacin total con la integracin de distintas tecnologas y una gestin adecuada de los datos obtenidos. Si el proceso se realiza de forma progresiva y sin prisas los resultados econmicos no tardarn en ser evidentes y en muchas ocasiones sorprendentes.

Justificacin tcnica y econmica del mantenimiento predictivoLa justificacin tcnica del mantenimiento predictivo es evidente, basta para ello comparar las actuaciones que realizamos cuando efectuamos un mantenimiento preventivo o correctivo en nuestras instalaciones con las que tendramos que realizar cuando tuvisemos monitorizadas nuestras mquinas, realizando un seguimiento de los parmetros a medir.

Figura 2: Costes asociados a una avera.

La rentabilidad econmica del mantenimiento bajo condicin est fuera de toda duda, como puede demostrarse con datos reales de empresas de distintos sectores donde se ha implantado o est en perodo de implantacin. La evaluacin de esta rentabilidad no es sencilla, es necesario disponer de una informacin histrica, aunque siempre es posible la estimacin del coste directo evitado. An, sin necesidad de declarar "catstrofes" evitadas se obtienen rentabilidades atractivas para competir con otros proyectos.

Tecnologas aplicables al mantenimiento predictivoSon muchas y muy variadas las tecnologas que se pueden aplicar al campo del mantenimiento bajo condicin, podemos enumerar algunas:

Anlisis de vibraciones Anlisis de aceites Termografa infrarroja Anlisis espectral de intensidades de corrientes Anlisis del flujo de dispersin Deteccin ultrasnica de defectos Descargas parciales Ensayos de aislamiento de motores Ensayos no destructivos

Cada una de ellas tiene un campo de aplicacin ms o menos concreto, existiendo complementariedad, prcticamente entre todas.

Anlisis de vibracionesDe las distintas tecnologas aplicables al mantenimiento predictivo, el anlisis de vibraciones es la ms popular. La razn la encontramos en la posibilidad de determinar una gran cantidad de defectos, en una amplia gama de mquinas con una inversin econmica inicial razonable. La vibracin es uno de los indicativos ms claros del estado de una mquina. Bajos niveles de vibracin indican equipo en buen estado, cuando estos niveles se elevan est claro que algo comienza a ir mal. Los equipos utilizados para la adquisicin de datos de vibraciones en las mquinas van desde los porttiles o de campo hasta la monitorizacin en continuo u "on line". Proceso y mantenimiento son las dos reas de actividad ms vinculadas a la productividad en la explotacin. El control de los parmetros de proceso (presin, temperatura, caudal, etc.) de los equipos ha sido objeto de automatizacin desde hace ms de una dcada en base a sistemas de control distribuido y redes de autmatas programables con interfaces Scada. El control de los parmetros de mantenimiento (vibracin, temperatura, etc.) de los mismos equipos tiene todava un largo camino por recorrer antes de lograr una implantacin generalizada y una integracin

Figura 3: Anlisis de vibraciones.

dentro del proceso de planta.comienza a ir mal. El anlisis espectral de vibraciones consiste simplemente en realizar una transformacin de una seal en el tiempo al dominio de la frecuencia, donde podemos identificar la vibracin caracterstica de cada uno de los componentes o defectos que puede presentar nuestro equipo. Cada una de las tecnologas que vamos a presentar es motivo en si de una formacin especfica. Todo este curso trata sobre el anlisis de vibraciones. Por el momento vamos a comentar algunos de los problemas que se pueden detectar fcilmente con un anlisis vibracional: Desequilibrios, desalineaciones, holguras, aflojamientos, problemas de lubricacin en cojinetes, daos en rodamientos, en engranajes, en motores elctricos, problemas hidrulicos, etc... Adems un grfico de tendencias de vibraciones en un nivel global o bien en un rango frecuencial dado que es una herramienta de un valor muy alto para el control de nuestros equipos. Por ltimo queremos volver a insistir en la importancia de la creacin de los niveles de alerta y de alarma en los mismos para optimizar los anlisis.

Anlisis de aceitesEl anlisis de aceites consiste en la realizacin de tests fisico-qumicos en el aceite con el fin de determinar si el lubricante se encuentra en condiciones de ser empleado, o si debe ser cambiado. La Ferrografa, o Anlisis de partculas de desgaste, sin embargo, utiliza el lubricante como un medio para determinar el estado de la mquina lubricada. El anlisis de aceites en nuestras instalaciones tiene dos objetivos claros: conocer el estado del aceite y conocer el estado de la mquina. Tradicionalmente ste ltimo se obviaba, centrndonos siempre en determinar nicamente el estado del lubricante, para lo cual se realizan una serie de ensayos rutinarios de viscosidad, acidez, basicidad, anlisis de aditivos, inspecciones visuales, etc. No es este el objetivo de la analtica del aceite como tcnica de mantenimiento predictivo.

Figura 4: Anlisis de aceites.

Las espectrometras, ferrografas y contenidos de partculas aportan valiosa informacin del estado de los componentes de las mquinas que baamos con nuestros lubricantes. Podemos detectar defectos con una antelacin mucho mayor que con otras tcnicas como podra ser el anlisis de vibraciones, la dificultad estriba en el alto costo de la tecnologa implicada en ello. En casos de alta responsabilidad podra emplearse como tcnica complementaria para verificar un diagnstico realizado, por ejemplo, con un anlisis vibracional. Por ejemplo, defectos en rodamientos, cojinetes o transmisiones pueden corroborarse al encontrar partculas de los mismos en un ferrograma.

Termografa infrarrojaLa termografa infrarroja se podra definir brevemente como una tcnica que permite, a travs de la radiacin infrarroja que emiten los cuerpos, la medida superficial de temperatura. El instrumento que se usa en termografa para medir, es la cmara de infrarrojos. La principal ventaja de la medida de temperatura mediante termografa, es que es una tcnica de medida sin contacto, por lo que no afectar a las condiciones de los objetos observados. Esta cualidad la hace especialmente interesante en el control y mantenimiento de elementos en tensin. Entre las principales aplicaciones de la termografa podramos citar:

Medidas de espesores y deteccin de discontinuidades en productosaislantes trmicos y refractarios. Inspeccin de tubos y tuberas. Inspeccin en soldaduras. Posicionamiento de componentes y fallos en circuitos elctricos. Aplicaciones en seguridad y defensa. Aplicaciones mdicas. Aplicaciones de prevencin y deteccin de incendios. Medicin en tanques de almacenamiento. Control de calidad en procesos de produccin.

De todas las aplicaciones, las instalaciones elctricas son candidatas naturales a la aplicacin de la termografa infrarroja. Podremos detectar puntos calientes en los termogramas realizados a las mismas. Las causas de estos puntos calientes pueden ser varias: Reflexiones. Radiacin aportada por el sol. Carga. Variaciones de emisividad. Calor inducido por corrientes de Eddy. Aumento de resistencia, ocasionado por:

- Conexin floja. - Conexin con suciedad. - Conexin con corrosin. - Conexin con ajuste deteriorado. - Componente incorrecto.

Figura 5: Termografa.

- Instalacin incorrecta.

Anlisis espectral de intensidades de corrientesEl anlisis de motores elctricos puede realizarse mediante termografas o mediante anlisis de vibraciones, pero otra de las tcnicas que podemos emplear para detectar problemas en barras es el anlisis espectral de corriente, consistente en tomar el espectro de intensidades en las fases de alimentacin del motor. Esta tecnologa puede realizarse en paralelo con el anlisis de vibraciones, usando los mismos colectores de datos, cambiando los sensores de vibracin por una pinza amperimtrica.

Anlisis del flujo de dispersinEl espectro de flujo magntico es una tcnica prometedora que ha despertado gran inters desde su aparicin, hace menos de 5 aos. Aunque la tcnica no est demasiado probada en mquinas reales, los ensayos de laboratorio presentan resultados sorprendentes en el control de evolucin de fallos de aislamiento, cortocircuitos de espiras, y otros problemas relacionados con esttor y rotor.

Deteccin ultrasnicaExisten numerosos fenmenos que van acompaados de emisin acstica por encima de las frecuencias del rango audible. Las caractersticas de estos fenmenos ultrasnicos hacen posible la utilizacin de detectores de ultrasonidos en infinidad de aplicaciones industriales dentro del mantenimiento como por ejemplo:

Deteccin de grietas y medicin de espesores (por impulso eco). Deteccin de fugas en conducciones, vlvulas, etc. Verificacin de purgadores de vapor. Figura 6: Deteccin ultrasnica. Inspeccin de rodamientos. Control de descargas elctricas.

Estas son algunas de las aplicaciones no habituales de los ultrasonidos, adems de las normalmente usadas como ensayo no destructivo para la determinacin de defectos internos en piezas, en este caso, somos nosotros los que realizamos la emisin acstica para poder detectar el defecto.

Fundamentos del anlisis de vibraciones

Cada mquina rotativa presenta una vibracin caracterstica que la diferencia de forma nica, y se conoce comnmente como firma de vibracin. Esta seal est totalmente condicionada por su diseo, fabricacin, uso y desgaste de cada uno de sus componentes. Si el mecnico o ingeniero de mantenimiento al cargo de un equipo industrial invierte su tiempo y esfuerzo en conocer la naturaleza de la vibracin que esta presenta, no tardar mucho tiempo en lograr un importante ahorro de costes de operacin y mantenimiento. Qu es una vibracin? Vibracin simple Vibracin compuesta Otros tipos de vibracin Transformada de Fourier (FFT) Magnitudes: desplazamiento, velocidad y aceleracin Anlisis espectral

Qu es una vibracin?En trminos muy simples una vibracin es un movimiento oscilatorio de pequea amplitud. Todos los cuerpos presentan una seal de vibracin en la cual plasman cada una de sus caractersticas. De acuerdo a esto, las mquinas presentan su propia seal de vibracin y en ella se encuentra la informacin de cada uno de sus componentes. Por tanto, una seal de vibracin capturada de una mquina se compone de la suma de la vibracin de cada uno de sus componentes.

Vibracin simpleLa base principal de las seales de vibracin en el dominio del tiempo son las ondas sinusoidales. Estas son las ms simples y son la representacin de las oscilaciones puras. Una oscilacin pura puede representarse fsicamente con el siguiente experimento: imagnese una masa suspendida de un muelle como el de la Figura 7. Si esta masa es soltada desde una distancia A, en condiciones ideales, se efectuar un movimiento armnico simple que tendr una amplitud A. Ahora a la masa vibrante le aadimos un lpiz, y una hoja de papel en su parte posterior, de manera que pueda marcar su posicin. Si desplazamos el papel con velocidad constante hacia el lado izquierdo se dibujar una onda como la representada en la Figura 8. A continuacin se describen los parmetros que definen este tipo de vibracin.

Figura 7: Masa suspendida en un muelle.

Figura 8: Movimiento armnico simple.

Frecuencia El tiempo que tarda la masa en ir y volver al punto A siempre es constante. Este tiempo recibe el nombre de perodo de oscilacin (medido generalmente en segundos o milisegundos) y significa que el muelle complet un ciclo. El recproco del perodo es la frecuencia (es decir F=1/P) la cual generalmente es dada en Hz (ciclos por segundo) o CPM (ciclos por minuto). Amplitud La amplitud desde el punto de vista de las vibraciones es cuanta cantidad de movimiento puede tener una masa desde una posicin neutral (marcada como 0 en la Figura 7). Es la intensidad de la vibracin, y es indicativa de la severidad de la misma. Existen diversas formas de medir la amplitud de una onda como se puede ver en la Figura 9. Podemos decir que el movimiento tiene una amplitud de pico (p) de A mm, ya que sabemos que como la curva es simtrica tambin existe un movimiento de amplitud -A mm en la direccin opuesta. Tambin podemos decir que la curva tiene un valor de desplazamiento pico a pico (p-p) de 2A, correspondiente a A mm hacia arriba y A mm hacia abajo. La tercera forma de describir la amplitud se denomina valor RMS (root-mean-square) y es un poco ms compleja. Es la raz cuadrada del promedio de los cuadrados de los valores de la onda. En el caso de una onda sinusoidal el valor RMS es igual a 0.707 del valor pico, pero esto es slo vlido en el caso de una onda sinusoidal. El valor RMS se utiliza para medir la energa de la forma de onda. Fase Es una medida de la diferencia de tiempo entre dos ondas sinusoidales. Aunque la fase es una diferencia de tiempo, siempre se mide en trminos de ngulo, en grados o radianes. Eso es una normalizacin del tiempo que requiere un ciclo de la onda sin considerar su verdadero perodo de tiempo.

Figura 9: Medidas de amplitud.

La diferencia en fase entre dos formas de onda se llama desfase o desplazamiento de fase. Un desplazamiento de fase de 360 grados es un retraso de un ciclo o un perodo completo de la onda, lo que realmente no es ningn desplazamiento. Un desplazamiento de 90 grados es un desplazamiento de del periodo de la onda, etc. El desplazamiento de fase puede ser considerado positivo o negativo; eso quiere decir que una forma de onda puede estar retrasada respecto a otra o puede estar adelantada respecto a otra. Esos fenmenos se llaman retraso de fase y avance de fase respectivamente. En el ejemplo de la Figura 10, la curva A se encuentra desplazada 90 grados con respecto a la curva B. Eso es un retraso de tiempo de del perodo de la onda. Tambin se podra decir que la curva A tiene un avance de 90 grados.

Figura 10: Desfase entre dos senoides.

Vibracin compuestaUna vibracin compuesta es la suma de varias vibraciones simples. La vibracin de una mquina es una vibracin compuesta de una serie de vibraciones simples asociadas a sus componentes internos en movimiento. Teniendo esto en cuenta, se deduce que la forma de onda de vibracin de una mquina no es una seal sinusoidal sino que puede llegar a ser muy compleja. Como se puede ver en la Figura 11, dos seales de vibracin de diferente frecuencia se suman formando una vibracin compuesta. Incluso en casos tan sencillos como este, no resulta fcil obtener las frecuencias y amplitudes de las dos componentes a partir de la forma de onda resultante. La gran mayora de las seales de vibracin son mucho ms complejas que esta y pueden llegar a ser extremadamente difciles de interpretar.

Figura 11: Suma de vibraciones simples en el dominio del tiempo.

Otros tipos de vibracionesAdems de las vibraciones simples, tambin existen otros tipos de vibraciones como son la vibracin aleatoria, los golpeteos intermitentes y la modulacin. La vibracin aleatoria no cumple con patrones especiales que se repiten constantemente o es demasiado difcil detectar donde comienza un ciclo y donde termina. Estas vibraciones estn asociadas generalmente a turbulencia en sopladores y bombas, a problemas de lubricacin y contacto metal-metal en elementos rodantes o a cavitacin

en bombas (ver Figura 12 ). Este tipo de patrones es mejor interpretarlos en el espectro y no en la onda en el tiempo. Los golpeteos intermitentes estn asociados a golpes continuos que crean una seal repetitiva. Estos se encuentran ms comnmente en engranajes, en el paso de las aspas de un impulsor o ventilador, etc. Este tipo de seales tiende a morir debido a la amortiguacin del medio. En la Figura 13 se muestra claramente este fenmeno. La modulacin de amplitud (AM) es la variacin en amplitud de una seal, debido a la influencia de otra seal, generalmente, de frecuencia ms baja. La frecuencia que se est modulando, se denomina frecuencia portadora. En el espectro mostrado en la Figura 14, la componente ms importante es la portadora, y las otras componentes, que parecen armnicos, se llaman bandas laterales. Dichas bandas laterales se ubican simtricamente a cada lado de la portadora, y su distancia es igual a la frecuencia moduladora. La modulacin de amplitud ocurre en espectros de vibracin de mquinas, especialmente en cajas de engranajes, donde la frecuencia de engrane est modulada por las RPM del pion o la corona como se ver ms adelante.

Figura 12: Vibracin aleatoria.

Figura 13: Golpeteos intermitentes.

Figura 14: Modulacin de amplitud

Transformada de FourierHasta ahora slo hemos visto vibraciones en el dominio del tiempo, que son las seales capturadas directamente de la mquina. Como ya dijimos antes, en estas seales se encuentra plasmada toda la informacin acerca del comportamiento de cada componente de la mquina. Sin embargo, existe un problema a la hora de realizar un diagnstico: estas seales estn cargadas de mucha informacin en forma muy compleja, la cual comprende las seales caractersticas de cada componente de la mquina, por lo cual prcticamente resulta imposible distinguir a simple vista sus comportamientos caractersticos.

Existen otras formas para realizar un estudio de vibraciones, entre las cuales se encuentra analizar las seales en el dominio de la frecuencia. Para ello se emplea la grfica de amplitud frente a frecuencia que es conocida con el nombre de espectro. Esta es la mejor herramienta que se tiene actualmente para el anlisis de maquinaria. Fue precisamente el matemtico francs Jean Baptiste Fourier (1768 - 1830) quien encontr la forma de representar una seal compleja en el dominio del tiempo por medio de series de curvas sinusoidales con valores de amplitud y frecuencia especficos. Entonces lo que hace un analizador de espectros que trabaja con la transformada rpida de Fourier es capturar una seal de una mquina, calcular todas las series de seales sinusoidales que contiene la seal compleja y por ltimo mostrarlas de forma individual en una grfica de espectro.

Figura 15: Procesado FFT de una onda vibratoria compleja. En la Figura 15 de tres dimensiones puede verse claramente la seal de vibracin compuesta, capturada desde una mquina. A dicha seal se le calculan todas las seales sinusoidales en el dominio del tiempo que la componen y por ltimo se muestra cada una de ellas en el dominio de la frecuencia. Por tanto, empleando la transformada de Fourier, podemos retomar la suma de vibraciones simples de la Figura 11 y representar exactamente la misma operacin en el dominio de la frecuencia como se muestra en la Figura 16, con la particularidad de que en este caso resulta obvio obtener las frecuencias y amplitudes de las dos componentes originales a partir del espectro resultante.

Figura 16: Suma de vibraciones simples en el dominio de la frecuencia. Como ya se ha dicho, la grfica en el dominio del tiempo se llama la forma de onda, y la grfica en el dominio de la frecuencia se llama el espectro. El anlisis del espectro es equivalente a transformar la informacin de la seal del dominio de tiempo en el dominio de la frecuencia. Un ejemplo claro de la equivalencia en ambos dominios es un horario, podemos decir que sale un tren a las 6:00, 6:20, 6:40, 7:00, 7:20, o podemos decir que sale un tren cada 20 minutos comenzando a las 6:00 (representando

este ltimo dato la fase). Lo primero sera la representacin en el tiempo y lo segundo la representacin en frecuencia. La representacin de la frecuencia supone una reduccin de datos con respecto a la representacin del tiempo. La informacin es exactamente la misma en ambos dominios, pero en el dominio de frecuencia es mucho ms compacta.

Magnitudes: desplazamiento, velocidad y aceleracinHasta ahora, solamente hemos considerado como medida de la amplitud de la vibracin de un objeto el desplazamiento. El desplazamiento es sencillamente la distancia al objeto desde una posicin de referencia o punto de equilibrio. Aparte de un desplazamiento variable, un objeto vibrando presenta una velocidad variable y una aceleracin variable. La velocidad se define como la proporcin de cambio en el desplazamiento y se mide por lo general en in/s (pulgadas por segundo) o mm/s. La aceleracin se define como la proporcin de cambio en la velocidad y se mide en g (la aceleracin promedio debida a la gravedad en la superficie de la tierra) o mm/s. Como hemos visto, el desplazamiento de un cuerpo que est sometido a un movimiento armnico simple es una onda sinusoidal. Tambin la velocidad y la aceleracin del movimiento son ondas sinusoidales. Cuando el desplazamiento est en su mximo, la velocidad vale cero, porque esa es la posicin en la que la direccin del movimiento se invierte. Cuando el desplazamiento vale cero (en el punto de equilibrio), la velocidad estar en su mximo. Esto quiere decir que la fase de la onda de velocidad se desplazar hacia la izquierda 90 grados, comparada con la forma de onda del desplazamiento. En otras palabras, la velocidad est adelantada 90 grados con respecto al desplazamiento. La aceleracin es la proporcin del cambio de velocidad. Cuando la velocidad est en su mximo, la aceleracin vale cero ya que la velocidad no cambia en ese momento. Cuando la velocidad vale cero, la aceleracin est en su mximo en ese momento dado que es cuando ms rpido cambia la velocidad. La curva sinusoidal de la aceleracin en funcin del tiempo se puede ver de esta manera como desplazada en fase hacia la izquierda respecto a la curva de velocidad y por eso la aceleracin tiene un avance de 90 grados respecto a la velocidad y de 180 grados respecto al desplazamiento.

Figura 17: Desfase entre magnitudes.

Figura 18: Magnitudes en frecuencia.

Las unidades de amplitud seleccionadas para expresar cada medida tienen gran influencia en la claridad con la cual se manifiestan los fenmenos vibratorios. As, segn se puede ver en la Figura 18, el desplazamiento muestra sus mayores amplitudes en bajas frecuencias (tpicamente por debajo de 10 Hz), la velocidad lo hace en un rango intermedio de frecuencias (entre 10 y 1.000 Hz), y la aceleracin se manifiesta mejor a altas frecuencias (por encima de 1.000 Hz). Para ilustrar estas relaciones, consideremos lo fcil que resulta mover la mano una distancia de un palmo a un ciclo por segundo o 1 Hz. Probablemente sera posible lograr un desplazamiento similar de la mano a 5 o a 6 Hz. Pero consideremos la velocidad con que se debera mover la mano para lograr el mismo desplazamiento de un

palmo a 100 Hz o 1.000 Hz. Esta es la razn por la que nunca se ven niveles de frecuencia altos combinados con valores de desplazamiento altos. Las fuerzas enormes que seran necesarias sencillamente no se dan en la prctica. En la Figura 19 se presenta un grfico con el comportamiento de las distintas unidades de amplitud en todo el rango de frecuencias. Los tres espectros proporcionan la misma informacin, pero su nfasis ha cambiado. La curva de desplazamiento es ms difcil de leer en las frecuencias ms altas. La curva de velocidad es la ms uniforme en todo el rango de frecuencias. Esto es el comportamiento tpico para la mayora de la maquinaria rotativa pero, sin embargo, en algunos casos las curvas de desplazamiento y aceleracin sern las ms uniformes. Es una buena idea seleccionar las unidades de tal manera que se obtenga la curva ms plana. Eso proporciona la mayor cantidad de informacin visual al observador. El parmetro de vibracin que se utiliza ms comnmente en trabajos de diagnstico de maquinaria es la velocidad. Por ultimo, ilustraremos lo dicho con el caso prctico de la Figura 20 donde se muestra un mismo espectro en unidades de desplazamiento y aceleracin. Ambas grficas corresponden a un deterioro de un rodamiento. En el espectro en desplazamiento no se observa el problema, mientras que en el espectro en aceleracin se observa claramente.

Figura 19: Comportamiento espectral.

Figura 20: Deterioro de un rodamiento.

Anlisis espectralCuando se mide la vibracin de una mquina, se genera una informacin muy valiosa que es necesario analizar. El xito de dicho anlisis depende de la correcta interpretacin que se le de a los espectros capturados con respecto

a las condiciones de operacin en que se encuentra la mquina. Los pasos tpicos en el anlisis de vibracin son:

Identificacin de los picos de vibracin en el espectro: lo primero es identificar el pico de primer orden (1x), correspondiente a la velocidad de rotacin del eje. En mquinas con mltiples ejes, cada eje tendr su frecuencia de rotacin caracterstica 1x. En muchas ocasiones, los picos 1x del eje van acompaados de una serie de armnicos o mltiplos enteros de 1x. Existen armnicos de especial inters, por ejemplo, si se trata de una bomba de seis labes, normalmente, habr un pico fuerte espectral en 6x. Diagnstico de la mquina: determinacin de la gravedad de problemas de mquina basndose en las amplitudes y la relacin entre los picos de vibracin. Recomendaciones apropiadas para las reparaciones, basadas en la gravedad de los problemas de mquinas.

Consideremos a modo de ejemplo el sistema de la Figura 21. A partir de los datos de la misma podemos calcular las principales frecuencias inters: F. motor = 1.800 rpm = 30 Hz F. bomba = (100 / 300) dientes * 1.800 rpm = 600 rpm = 10 Hz F. engrane = 100 dientes * 1.800 rpm = 300 dientes * 600 rpm = 1,800.000 rpm = 3.000 Hz F. paso de labe = 8 labes * 600 rpm = 4.800 rpm = 80 Hz

Figura 21: Ejemplo de un sistema mecnico.

En esta mquina tenemos dos ejes (motor y bomba). En el caso del motor, el valor 1x es 30 Hz, adems probablemente encontremos un pico de frecuencia en el espectro en el armnico 100x, que se corresponde con la frecuencia de engrane entre pion y corona. Para la bomba, el valor 1x es 10 Hz, y su principal armnico de inters es 8x, que se corresponde con la frecuencia de paso de labe. Obviamente, pueden aparecer otras frecuencias, como por ejemplo, bandas laterales en la frecuencia de engrane, frecuencias de cojinetes, y armnicos de las frecuencias calculadas.

En el espectro de vibracin de la Figura 22 aparece representada la firma de vibracin de nuestro sistema mecnico de ejemplo. Una vez que hemos identificado las frecuencias de inters, la siguiente cuestin es si el valor de su amplitud es aceptable o inaceptable. Un valor de vibracin aceptable es aquel que no causa una reduccin en la vida de la mquina ni causa daos en los equipos cercanos. Algunas mquinas estn diseadas para tolerar niveles de vibracin extremadamente altos (por ejemplo, molinos) y otros equipos son muy sensibles incluso al ms leve nivel de vibracin (por ejemplo, sistemas pticos). Existen cuatro formas de determinar cual es el nivel de vibracin adecuado para una mquina dada. La mejor forma es mantener un registro de datos a lo largo del tiempo de los puntos crticos de la mquina, a partir de estos datos se establecern criterios de referencia de los Figura 22: Espectro de vibracin. niveles aceptables. Si existen varias mquinas idnticas en la planta se puede utilizar un segundo mtodo. Si tres mquinas muestran un espectro similar y la cuarta mquina muestra niveles mucho ms altos trabajando en las mismas condiciones, es fcil suponer que mquina est teniendo problemas. Otro mtodo es recopilar datos de vibracin y enviarlos al fabricante para que los evale. Hay que tener en cuenta que la vibracin vara en funcin de las condiciones de trabajo y del montaje de la mquina. El cuarto mtodo es elegir un estndar en base a la experiencia de otros y si es necesario adaptarlo en base a nuestra experiencia.

Sensores de vibracin e instrumentacin de medidaEn este captulo se analiza la instrumentacin disponible para medir vibraciones en maquinaria rotativa, dividida en sistemas porttiles y sistemas montados de forma permanente. Tambin se estudian los diferentes tipos de sensores de vibracin y sus tcnicas de montaje sobre la mquina.

Transductores y su tipologa Transductores de desplazamiento Transductores ssmicos de velocidad Transductores piezoelctricos Tcnicas de fijacin del sensor a la mquina Instrumentos de medida de vibracin

Transductores y su tipologaEl transductor es el elemento que transforma la vibracin mecnica en una seal elctrica analgica, para ser procesada, medida y analizada. Atendiendo a su principio constructivo, hay transductores de vibracin de desplazamiento, velocidad y aceleracin, cada uno de ellos ms o menos idneo a cada aplicacin industrial. Todos los transductores deben ser precisos a la hora de tomar las lecturas de amplitud, ofreciendo repetibilidad (dos seales de la misma amplitud tendrn que generar en el transductor la misma salida de tensin). Los transductores tambin deben ser muy precisos en la informacin de frecuencias de la seal mecnica. Esto es fundamental pues, en muchos defectos mecnicos, la relacin entre sus frecuencias y la frecuencia del eje de giro que se toma como referencia, proporciona al analista la informacin precisa para determinar la naturaleza del defecto mecnico que genera la vibracin. Los tipos diferentes de transductores responden a parmetros diferentes de la fuente de vibracin, como se puede apreciar en la Tabla 1. Las medidas de desplazamiento son especialmente adecuadas en vibracin a baja frecuencia, o cuando el analista necesita conocer el movimiento completo de un eje determinado. Estas medidas se toman directamente con transductores de desplazamiento. Las lecturas de velocidad son generalmente las de mayor campo de aplicacin, ya que la velocidad es Sensibles a directamente proporcional al esfuerzo y al desgaste Tipo de un sistema mecnico. Pueden ser tomadas con un Transductor de desplazamiento Desplazamiento sensor ssmico de velocidad, si bien se suele o sonda de proximidad emplear con ms asiduidad acelermetros por su Transductor ssmico de mejor respuesta en frecuencia y menor coste. La Velocidad velocidad o sonda de velocidad seal del acelermetro es procesada para ser convertida a unidades de velocidad. Transductor piezoelctrico o Aceleracin Las lecturas de aceleracin son las mejores para acelermetro analizar fenmenos a altas frecuencias. La aceleracin es el parmetro que ofrece la mejor Tabla 1: Tipos de transductores de vibracin. medida de la fuerza asociada a una fuente particular de vibracin. El procedimiento de convertir una seal de desplazamiento a velocidad o de velocidad a aceleracin es equivalente a la operacin matemtica de diferenciacin. De modo contrario, la conversin de aceleracin a velocidad o de velocidad a desplazamiento es la integracin matemtica. Es posible llevar a cabo estas operaciones con instrumentos que miden la vibracin y de esta manera convertir los datos de cualquier sistema de unidades a cualquier otro. Desde un punto de vista prctico la diferenciacin es un procedimiento ruidoso en si, y muy raras veces se lleva a cabo. La integracin, por otra parte se lleva a cabo con mucha precisin, con un circuito electrnico muy barato. Esa es una de las razones de que el acelermetro sea el transductor estndar para medicin de vibraciones, ya que su seal de salida se puede integrar fcilmente una o dos veces para mostrar velocidad o desplazamiento. La integracin no es adecuada para seales con una frecuencia muy baja (por debajo de 1 Hz), ya que en este rea el nivel de ruido se va incrementando y la precisin del procedimiento de integracin padece. La mayora de los integradores disponibles comercialmente funcionan correctamente por encima de 1 Hz, lo que es lo suficientemente bajo para casi todas las aplicaciones de vibraciones.

Transductores de desplazamiento

El transductor de desplazamiento, conocido tambin como transductor "de corriente Eddy" o proxmetro, se aplica normalmente para bajas frecuencias (por debajo de 1.000 Hz) en cojinetes de friccin de turbomquinas. Los proxmetros se emplean para medir el desplazamiento radial o axial de ejes. Se instalan en las cubiertas de rodamientos o a su lado y detectan el desplazamiento del eje en relacin a su posicin de anclaje. Un sistema de captacin de proximidad de tipo Eddy se compone del propio sensor y un acondicionador de seal. Su respuesta en frecuencia es excelente. No tienen un limite inferior de frecuencia de trabajo y se emplean en la medicin tanto de vibracin como de la posicin axial de ejes. Ventajas del transductor de desplazamiento:

Figura 23: Transductores de corriente Eddy.

Mide el movimiento relativo entre su punta y el eje de giro. Su empleo es de especial utilidad en maquinaria rgida donde se transmite muy poca vibracin a la carcasa de la mquina. Esta situacin se da si la masa de la carcasa es del mismo orden de magnitud que la del eje. Mide tanto la componente continua como alterna de una seal vibratoria. La tensin continua permite localizar fsicamente el eje en el cojinete objeto de estudio. La tensin alterna suministra informacin de la forma de onda y del espectro de vibracin, lo que permite diagnosticar y observar la evolucin de defectos mecnicos.

Figura 24: Proxmetros en un cojinete.

Inconvenientes del transductor de desplazamiento:

Estos transductores deben instalarse permanentemente. Esto es siempre costoso, e incluso imposible en algunos casos. El rango de frecuencias est limitado en cierto modo respecto a otros modernos transductores tpicamente lineales entre 0-1.000 Hz. Se requiere un acondicionador de seal. Los transductores de desplazamiento se ven afectados por errores de lectura elctricos y mecnicos. Incluso pequeas grietas en el eje pueden hacer que el transductor las interprete como una gran actividad de vibracin. Figura 25: Esquema de un proxmetro.

Transductores ssmicos de velocidadEl transductor ssmico de velocidad se aplica a mquinas donde el eje transmite la vibracin a la carcasa con poca amortiguacin, es decir, las amplitudes de vibracin en la carcasa son grandes. Se compone de un imn permanente ubicado en el centro de una bobina de hilo de cobre. Cuando la carcasa vibra, se crea un movimiento relativo entre el imn y el bobinado, inducindose por la ley de Faraday una tensin proporcional a la velocidad del movimiento. Este tipo de dispositivo fue desarrollado para su uso industrial por primera vez a finales de los aos 40 por Arthur Crawford, y su aplicacin se extendi durante los aos 60 y 70. Ventajas del transductor ssmico:

Figura 26: Transductor ssmico de velocidad. Inconvenientes del transductor ssmico:

Mide directamente la velocidad, que es proporcional a la severidad de la vibracin. No se necesita fuente externa de alimentacin, lo que permite enviar la seal elctrica a lo largo de grandes distancias por cable, hacindolo ideal para aplicaciones donde queden lejanos e instalados permanentemente. Slo requiere una simple diferenciacin o

Las dimensiones del transductor son relativamente grandes, necesitando grandes bases magnticas para su sujecin. En consecuencia, el rango de frecuencias es, en cierto modo, restrictivo: 10-1.000 Hz. La salida del transductor depende de la temperatura. A elevadas temperaturas, la salida se reduce al debilitarse el campo magntico. Sin embargo, se han desarrollado transductores especficos para altas temperaturas.

integracin para convertir la seal a otras unidades de amplitud. Esto repercute en una mejor calidad del postprocesado de datos.

La orientacin de la medida, vertical u horizontal del transductor puede alterar la seal de salida del orden de un 5-10%. La calibracin puede perderse por el desgaste y la temperatura.

Tienen una relacin de seal muy buena respecto al ruido elctrico de su rango de frecuencia de uso.

Transductores piezoelctricosEste tipo de transductor genera una tensin elctrica proporcional a la aceleracin por presin sobre un cristal piezoelctrico. Un acelermetro piezoelctrico puede captar con precisin seales entre 1 Hz y 15.000 Hz. Estos dispositivos son muy apropiados para tomar datos de vibracin a alta frecuencia, donde aparecen grandes esfuerzos con desplazamientos relativamente pequeos. Algunos transductores especiales pueden medir frecuencias mucho ms bajas y tambin mucho ms altas. La recogida de datos de vibracin a altas frecuencias depende del medio de fijacin del transductor a la mquina. Un velocmetro piezoelctrico se construye igual que un acelermetro, pero con un amplificador de seal que realiza una integracin lgica. Como esta etapa de integracin se hace dentro del velocmetro, la salida de seal viene en unidades de velocidad. El velocmetro aprovecha las buenas caractersticas de respuesta en frecuencia de un acelermetro, de modo que genera una salida lineal en un rango de frecuencia mucho mayor que el velocmetro ssmico.

Figura 27: Transductor piezoelctrico. Ventajas del transductor piezoelctrico:

Figura 28: Acelermetro piezoelctrico. Inconvenientes del transductor piezoelctrico:

La mayora de los sensores tiene un amplio rango de frecuencia, normalmente entre 2 Hz y 15.000 Hz. Hay que observar que la respuesta en frecuencia depende del tipo de montaje del sensor en la mquina. Estos transductores son muy compactos, sin partes mviles, ligeros y de tamao reducido, necesitando pequeas bases

Cuando se usa en modo "hand-held" o "stinger" para medir altas frecuencias, la respuesta de seal es muy pobre por encima de 1.200 Hz. Los acelermetros necesitan una fuente de alimentacin externa. La salida de amplitud viene dada en unidades de aceleracin. Esta salida debe ser integrada para obtener la representacin espectral o el valor

magnticas.

global de amplitud de velocidad.

El transductor del tipo ICP (Integrated Circuit Piezoelectric) tiene un acondicionador de seal interno. Aunque ICP es una marca registrada de PCB Piezotronics Inc., se ha convertido en un trmino genrico para referirse a un acelermetro con amplificador integrado. Tambin se les suele denominar con ms precisin acelermetros en modo voltaje. Se montan fcilmente con adhesivos o atornillados. Tambin se puede disponer de bases magnticas para montajes temporales o aplicaciones especiales.

Tcnicas de fijacin del sensor a la mquinaExiste un aspecto de gran importancia relativo a la colocacin de los sensores de contacto. El mtodo de sujecin del sensor en la mquina determina directamente el corte de altas frecuencias, ya que el contacto sensor-mquina acta como un filtro mecnico. En la Tabla 2 se muestra la frecuencia lmite segn las distintas formas de sujecin de los sensores que aparecen en la Figura 29 agrupadas como temporales y permanentes. Es preferible sujetar el sensor con la mano de forma directa sobre el punto a medir a utilizar varillas de extensin que actan como amortiguadores. El mejor mtodo de sujecin es, evidentemente, atornillando el sensor a la superficie de la mquina donde se va a medir, aunque, por su coste, solamente se utiliza este mtodo en sistemas de monitorizacin en continuo. Para capturar seales a muy alta frecuencia (de 6 a 8 kHz), se recomienda la utilizacin de grasas y pegamentos a base de silicona. En general, en la industria es muy difcil obtener medidas fiables de vibraciones a frecuencias por encima de 5 kHz. Los analizadores de vibraciones modernos disponen de rangos de frecuencia para medidas lineales que estn muy por encima de los rangos de respuesta lineal de los sensores. Forma de fijacin Sujecin manua Montaje con imn Montaje con adhesivo Montaje atornillado Frecuencia max. (Hz) 2000 5000 6000 7000 Figura 29: Tcnicas de fijacin.

Tabla 2: Lmite frecuencial segn la fijacin.

Instrumentos de medida de vibracinLa mayor parte del mantenimiento predictivo por anlisis de vibraciones realizado en la actualidad, entra dentro de uno de los siguientes grupos:

Medidas peridicas de espectros y valores globales. Monitorizacin en continuo de vibraciones.

Medicin peridica de espectros y valores globalesLas medidas peridicas (tambin llamadas en ruta) se realizan con equipos porttiles, estos equipos atendiendo a su capacidad de anlisis se pueden clasificar como:

Vibrmetros de valor global: Analgicos y Digitales. Analizadores de frecuencia: Analgicos de banda de ajuste y Digitales FFT en tiempo real.

Los vibrmetros son instrumentos que reciben la seal elctrica de un transductor y la procesan (filtrado, integracin) para obtener el valor del nivel global de vibracin. La mayora de ellos estn diseados para tomar medidas segn determinadas normativas de severidad de vibracin. Por ejemplo, segn la norma ISO 2372 se debe medir el valor de vibracin en velocidad RMS, en un rango de frecuencia entre 10 y 1.000 Hz. Las principales ventajas de estos instrumentos son su fcil manejo, su poco peso y el coste asequible. Sus limitaciones son grandes, pues slo sirven para medir amplitudes, ya que no estn provistos de frecuencmetros. Otra de sus limitaciones hace referencia al rango de frecuencia, tanto por debajo (frecuencias subarmnicas en problemas de desgaste de correas, remolino de aceite, roces, etc.) como por encima (frecuencias de defectos en engranajes, rodamientos, cavitacin, lubricacin, etc.) del rango de medida.

Figura 30: Vibrmetro.

Pero la limitacin ms importante de los vibrmetros es la imposibilidad de determinar la frecuencia a la que se produce la vibracin y, por lo tanto, su origen mecnico. En la actualidad, el desarrollo de la instrumentacin para medir vibracin ha sido tan grande que ya existen en el mercado pequeos aparatos que, por un coste bastante razonable, realizan el anlisis FFT y obtienen el espectro de frecuencia, permitiendo distinguir unos problemas de otros.

Los analizadores de frecuencia son pequeos ordenadores porttiles. Su principal virtud es la gran capacidad de diagnstico de problemas asociados a frecuencias caractersticas de problemas mecnicos en elementos rotativos. Estos analizadores pueden ser analgicos de banda ajustable o digitales con microprocesador integrado FFT. Los primeros son antiguos, pesados, lentos e incmodos de manejar. Los segundos obtienen el espectro en tiempo real y disponen de multitud de funciones de ayuda al anlisis. Estos ordenadores normalmente son muy robustos, pero el precio de su robustez (aparte del puramente econmico) es que sus prestaciones son muy inferiores a lo que cabra esperar. Normalmente estos colectores estn basados en procesadores de la familia Intel 8086, o 80286, con unas velocidades de proceso bajas, y con muy poca memoria disponible para el almacenamiento de medidas. Entre las marcas que dominan el mercado destacan CSI, Predict, Bently Nevada, Entek IRD, Bruel & Kjaer, Diagnostic Instruments, Framatome, Schenck.

Figura 31: Analizador de frecuencia CSI.

Las medidas en ruta se suelen realizar con un sensor (normalmente un acelermetro) que se va fijando en los distintos puntos de medida situados en la mquina. La identificacin de estos puntos en la mquina se puede realizar simplemente con pintura, aunque es ms recomendable el empleo de una base fija para asegurar la repetibilidad de las medidas. As mismo, el tipo de sujecin con la cual se conecta el acelermetro a la mquina es determinante en la calidad de la medida de vibracin obtenida. La sujecin manual, ampliamente usada hasta hace unos aos, ha dado paso a otro tipo de fijaciones de mayor calidad, como puede ser el empleo de imanes o la conexin rgida a elementos de fijacin en la propia mquina. La identificacin de los puntos de medida tambin se ha visto mejorada con la introduccin de elementos de ayuda, como el empleo de cdigos de barras. Sea cual sea el sistema empleado para la medida, todos los datos quedan guardados en la memoria del colector. Esta memoria suele ser, como ya se ha comentado, bastante limitada, y normalmente voltil (se pierde cuando se agotan las bateras). Por tanto, para realizar las tendencias de vibracin (elemento fundamental en el mantenimiento predictivo) hay que descargar estas medidas en un ordenador de sobremesa, dotado de un paquete especfico de software. Esta descarga se realiza normalmente a travs del puerto serie del ordenador, cuya baja velocidad hace que el proceso pueda requerir bastante tiempo. El tiempo empleado en la medida de vibraciones, as como el usado en el procesado de estos datos por el ordenador, tiende a minimizarse, ya que es un tiempo que no implica ningn valor aadido. Hay que tener en cuenta que el verdadero valor obtenido por el mantenimiento predictivo, y en el que habra que invertir todo el tiempo posible, es en el anlisis de las vibraciones, no en su toma. Por tanto, se han desarrollado mtodos para disminuir el tiempo de medida de vibraciones (sensores triaxiales, fijaciones especiales,...), as como el de anlisis (sistemas automticos de diagnstico). Aquellos puntos de medida que son de difcil o peligroso acceso, se suelen dotar de sensores colocados de forma permanente. Estos sensores se cablean hasta una caja de conexiones, a la cual se conecta el colector durante la toma de medidas en ruta.

Monitorizacin en continuo de vibracionesLa toma de datos de vibracin en mquinas evoluciona hacia sistemas automatizados (sistemas en continuo o "online") que ofrecen mayores beneficios que la adquisicin de datos con colectores porttiles:

Reduccin drstica de los intervalos de toma de datos. Ya que estos se toman de forma continua. Permitiendo detectar inmediatamente los cambios de vibracin en la mquina. Menor coste de explotacin. Al ser la toma de datos automtica eliminamos el coste de la mano de obra por tomar los datos de vibracin de la mquina. Mayor calidad en la toma de datos. La exactitud en el punto de medida de datos es mayor, puesto que siempre se mide en el mismo sitio y con el mismo sensor y adems podemos condicionar la toma de datos siempre que se den unas determinadas condiciones de operacin (velocidad y carga dadas).

Los sistemas de monitorizacin en continuo normalmente presentan el problema del gran coste que supone su instalacin, comparado con el de un sistema porttil. Este coste incluye los sensores, el cableado en la planta, as como los gastos de los propios registradores de vibracin. Hay que prestar especial atencin al cableado de los acelermetros, ya que es importante que estos den una buena seal de vibracin. Para ello hay que evitar fuentes de interferencias electromagnticas (cables de alta tensin principalmente), as como cables excesivamente largos. Hoy en da, gran parte de los registradores de monitorizacin en continuo slo tienen en cuenta el valor global de vibracin, por lo que se ven limitados a la hora de realizar diagnsticos precisos de los fallos de las mquinas. En el caso de querer instalar un sistema permanente con la capacidad de anlisis de espectros, el coste sube de manera importante.

Figura 32: Sistema de monitorizacin en continuo.

Normativa sobre vibracionesEn todos los pases del entorno europeo y en la mayor parte de pases desarrollados existen normativas especficas que regulan las vibraciones mecnicas de la maquinaria industrial, proponiendo criterios de limitacin de las mismas, delimitando los instrumentos y puntos de medida, divisin en grupos de mquinas, etc. Existen diferentes normativas para definir la severidad de una vibracin, con respecto al dao especfico que ella puede causar. Por ejemplo, un nivel de vibracin puede ser muy bajo para un tipo mquina, pero puede

ser inaceptable para el operario que la maneja. Existen algunas normativas que dan una indicacin del estado de la mquina en funcin del valor global de vibracin, independientemente del tipo de mquina. Muchas de las normas internacionales, son traducidas e incorporadas a las normativas de cada organizacin nacional. Existen estndares publicados por organizaciones tales como American National Standards Institute (ANSI), Asociacin Alemana de Ingenieros (VDI) o International Standards Organization (ISO). Tambin existen normas a nivel europeo (EN) y normas nacionales (UNE). Algunos estndares son publicados por grupos de industrias tales como, American Petroleum Institute (API), American Gear Manufacturers Association (AGMA), National Electric Manufacturers Association (NEMA), etc. Clasificacin de normas y guas de aplicacin Normas sobre la instrumentacin y sistemas de medida Normas y guas de severidad de vibraciones Carta de Rathbone ISO 2372 ISO 10816 Principales organismos de normalizacin Resumen de las principales normativas

Clasificacin de normas y guas de aplicacinAtendiendo al mbito de aplicacin podemos distinguir los siguientes tipos de normas:

Normas Internacionales (ISO): Se considera de mxima prioridad en transacciones internacionales, siendo en la prctica el punto de partida para valorar la severidad de vibraciones. El principal inconveniente que presenta dicha norma es su carcter general. Normas Europeas (EN): Dentro del mbito de la Unin Europea, las normas o directrices europeas estn constituyendo en los ltimos aos la referencia a la que adecuar las correspondientes normas de carcter nacional. Normas Nacionales (UNE): Normativas a nivel nacional elaboradas por la entidad privada AENOR (Asociacin Espaola de Normalizacin y Certificacin), normalmente a partir de las normativas internacionales y europeas. Recomendaciones y guas de fabricantes: Son recomendaciones de los fabricantes sobre los niveles de vibracin permisibles por sus equipos. En la actualidad se limitan al rea de la turbomaquinaria, aunque hay una gran tendencia a exigir este tipo de informacin del fabricante cada vez que se adquiere un equipo crtico. Normas internas: Resulta recomendable desarrollar normativas internas propias de vibraciones por ser las que mejor se adaptan a los equipos tipo de cada planta productiva. Esta es una de las tareas ms difciles dentro del Mantenimiento predictivo, pero se ve recompensada a medio plazo por los excelentes resultados obtenidos.

Normas sobre la instrumentacin y sistemas de medidaEstas normas se refieren a las caractersticas de los anaIizadores de vibraciones y sensores. Engloban aspectos muy diversos como calibracin, pruebas de seguridad, agitacin y de temperatura, etc.. Asimismo hay que cuidar el aspecto de los sensores, particularmente si se piensa utilizar el aparato en zonas de fbrica potencialmente explosivas (es decir, en este caso, tanto el aparato como el sensor han de ser intrnsecamente seguros). Algunas de las normas ms habituales que suelen cumplir los aparatos y sensores de medida pueden ser: IEC, MIL y CISPR. Un gran nmero de aparatos de medicin de vibraciones no cumplen ninguna norma internacional. Generalmente se confa en el renombre de ciertas marcas como garanta suficiente.

Normas y guas de severidad de vibracionesLas normas de severidad de vibraciones de maquinaria se basan en dos parmetros de vibracin: amplitud y frecuencia. A continuacin vamos a comentar tres de ellas: la carta de Rathbone por motivos histricos y las dos normas ms relevantes sobre la severidad de vibraciones de mquinas de la Organizacin Internacional de Normalizacin (International Standard Organization), las normas ISO 2372 e ISO 10816.

Carta de Rathbone ISO 2372 ISO 10816

Carta de RathboneEs la primera gua (no norma) de amplia aceptacin en el mbito industrial. Fue desarrollada en los aos treinta y perfeccionada posteriormente. La Carta dispone de una escala logartmica frecuencial en hercios o RPM y de una logartmica de amplitudes en desplazamiento (Pico o Pico-Pico) y en velocidad, mediante las cuales podremos determinar directamente la severidad de la vibracin. Las principales limitaciones de dicha carta de severidad de vibraciones son las siguientes:

La carta no tiene en cuenta el tipo de mquina, la potencia y la rigidez de los anclajes. Es aplicable solamente a los equipos rotativos y no a los alternativos u otros sistemas industriales. Cuanto mayor es la frecuencia, la amplitud de vibracin en desplazamiento tiene que ser menor para que se conserve la misma severidad, es decir, si un equipo vibra a 300 CPM con 100 micras p-p. La severidad es "buena", pero si la misma amplitud corresponde a una frecuencia de 4.000 CPM, entonces la severidad es "grave". La vibracin a baja frecuencia es menos peligrosa que la vibracin a alta frecuencia de ah que las averas de

engranajes y rodamientos, que se producen generalmente a alta frecuencia sean muy peligrosas. Este es el motivo por el que las amplitudes de baja frecuencia se miden en desplazamientos y las de alta frecuencia en velocidad o aceleracin. La carta de Rathbone fue creada para mquinas de bajas RPM y hoy se considera obsoleta.

Figura 33: Carta de Rathbone.

Norma ISO 2372-1974VIBRACIN MECNICA DE MQUINAS CON VELOCIDADES DE OPERACIONES ENTRE 100 Y 200 REV/S. BASES PARA LA ESPECIFICACIN DE ESTNDARES DE EVALUACIN. Las caractersticas ms relevantes de la norma ISO 2372 son:

Es aplicable a los equipos rotativos cuyo rango de velocidades de giro est entre 600 y 12.000 RPM. Los datos que se requieren para su aplicacin son el nivel global de vibracin en velocidad - valor eficaz RMS, en un rango de frecuencia entre 10 y 1.000 Hz, distinguiendo varias clases de equipos rotativos segn la Tabla 3.

Para utilizar la norma ISO 2372, basta con clasificar la mquina en estudio dentro de la clase correspondiente y una vez obtenido el valor global de vibracin entre 600 y 60.000 CPM localizar en la Tabla 4 la zona en la que se encuentra. Clase Descripcin Clase Equipos pequeos hasta 15 kW. I Clase Equipos medios, de 15 a 75 kW o hasta II 300 kW con cimentacin especial. Equipos grandes, por encima de 75 kW Clase con cimentacin rgida o de 300 kW con III cimentacin especial. Clase Turbomaquinaria (equipos con RPM > IV velocidad crtica). Tabla 3: Clasificacin de equipos en ISO 2372.Tabla 4: Severidad de la vibracin en ISO 2372.

Norma ISO 10816-1995VIBRACIN MECNICA. - EVALUACIN DE LA VIBRACIN EN UNA MQUINA MEDIANTE MEDIDAS EN PARTES NO ROTATIVAS.

Establece las condiciones y procedimientos generales para la medicin y evaluacin de la vibracin, utilizando mediciones realizadas sobre partes no rotativas de las mquinas. El criterio general de evaluacin se basa tanto en la monitorizacin operacional como en pruebas de validacin que han sido establecidas fundamentalmente con objeto de garantizar un funcionamiento fiable de la mquina a largo plazo. Esta norma reemplaza a las ISO 2372 e ISO 3945, que han sido objeto de revisin tcnica. Este estndar consta de cinco partes:

Parte 1: Indicaciones generales. Parte 2: Turbinas de vapor y generadores que superen los 50 MW con velocidades tpicas de trabajo de 1500, 1800, 3000 y 3600 RPM. Parte 3: Maquinaria industrial con potencia nominal por encima de 15 kW y velocidades entre 120 y 15000 RPM. Parte 4: Conjuntos movidos por turbinas de gas excluyendo las empleadas en aeronutica. Parte 5: Conjuntos de maquinas en plantas de hidrogeneracin y bombeo (nicamente disponible en ingls).

Este nuevo estndar evala la severidad de la vibracin de maquinaria rotativa a travs de mediciones efectuadas en planta en partes no giratorias de las mismas. Engloba y amplia los estndares citados anteriormente. Los criterios de vibracin de este estndar se aplican a un conjunto de mquinas con potencia superior a 15 kW y velocidad entre 120 RPM y 15.000 RPM. Los criterios son slo aplicables para vibraciones producidas por la propia mquina y no para vibraciones que son transmitidas a la mquina desde fuentes externas. El valor eficaz (RMS) de la velocidad de la vibracin se utiliza para determinar la condicin de la mquina. Este valor se puede determinar con casi todos los instrumentos convencionales para la medicin de vibracin. Se debe prestar especial atencin para asegurar que los sensores estn montados correctamente y que tales montajes no degraden la precisin de la medicin. Los puntos de medida tpicamente son tres, dos puntos ortogonales en la direccin radial en cada caja de descanso y un punto en la medicin axial. Las mediciones deben realizarse cuando el rotor y los descansos principales han alcanzado sus temperaturas estacionarias de trabajo y con la mquina funcionando bajo condiciones nominales o especficas (por ejemplo de velocidad, voltaje, flujo, presin y carga). En mquinas con velocidad o carga variable, las velocidades deben realizarse bajo todas las condiciones a las que se espera que la mquina trabaje durante perodos prolongados de tiempo. Los valores mximos medidos, bajo estas condiciones, sern considerados representativos de la vibracin. Si la vibracin es superior a lo que el criterio permite y se sospecha de excesiva vibracin de fondo, las mediciones se deben realizar con la mquina detenida para determinar el grado de influencia de la vibracin externa. Si con la mquina detenida excede el 25% de la vibracin medida con la mquina operando, son necesarias acciones correctivas para reducir el efecto de la vibracin de fondo. En algunos casos el efecto de la vibracin de fondo se puede anular por anlisis espectral o eliminando las fuentes externas que provocan las vibraciones de fondo. La severidad de la vibracin se clasifica conforme a los siguientes parmetros:

Tipo de mquina. Potencia o altura de eje.

Flexibilidad del soporte.

Clasificacin de acuerdo al tipo de mquina, potencia o altura de eje Las significativas diferencias en el diseo, tipos de descanso y estructuras soporte de la mquina, requieren una divisin en grupos. Las mquinas de estos grupos pueden tener eje horizontal, vertical o inclinado y adems pueden estar montados en soportes rgidos o flexibles.

Grupo 1: Mquinas rotatorias grandes con potencia superior 300 kW. Mquinas elctricas con altura de eje H >= 315 mm. Grupo 2: Mquinas rotatorias medianas con potencia entre 15 y 300 kW. Mquinas elctricas con altura de eje 160 =< H =< 315 mm. Grupo 3: Bombas con impulsor de mltiples labes y con motor separado (flujo centrfugo, axial o mixto) con potencia superior a 15 kW. Grupo 4: Bombas con impulsor de mltiples labes y con motor integrado (flujo centrfugo, axial o mixto) con potencia superior a 15 kW.

NOTA: La altura del eje H de una mquina est definida como la distancia medida entre la lnea de centro del eje y el plano basal de la mquina misma. La altura del eje H de una mquina sin patas o de una mquina con pies levantados o cualquier mquina vertical, se debe tomar como la altura de eje H de una mquina horizontal en el mismo marco bsico. Cuando el soporte es desconocido, la mitad del dimetro de mquina puede ser utilizada. Clasificacin segn la flexibilidad del soporte Si la primera frecuencia natural del sistema mquina-soporte en la direccin de la medicin es mayor que su frecuencia principal de excitacin (en la mayora de los casos es la frecuencia de rotacin) en al menos un 25%, entonces el sistema soporte puede ser considerado rgido en esa direccin. Todos los otros sistemas soportes pueden ser considerados flexibles. En algunos casos el sistema mquina-soporte puede ser considerado rgido en una direccin de medicin y flexible en la otra direccin. Por ejemplo, la primera frecuencia natural en la direccin vertical puede estar sobre la frecuencia principal de excitacin mientras que la frecuencia natural horizontal puede ser considerablemente menor. Tales sistemas seran rgidos en el plano vertical y flexibles en el plano horizontal. En estos casos, la vibracin debe ser evaluada de acuerdo a la clasificacin del soporte que corresponda en la direccin de la medicin. Evaluacin Zona A: Valores de vibracin de mquinas recin puestas en funcionamiento o reacondicionadas. Zona B: Mquinas que pueden funcionar indefinidamente sin restricciones. Zona C: La condicin de la mquina no es adecuada para una operacin continua, sino solamente para un perodo de tiempo limitado. Se deberan llevar a cabo medidas correctivas en la siguiente parada programada. Zona D: Los valores de vibracin son peligrosos, la mquina puede sufrir daos.

Tabla 5: Severidad de la vibracin segn la norma ISO 10816-3.

Principales organismos de normalizacinOrg. IEC mbito Internacional (Sede en Suiza) Internacional (Sede en Suiza) Nombre International Electrotechnical Commission Direccin web http://www.iec.ch

ISO

International Organization for Standarization Asociacin Espaola de Normalizacin y Certificacin American National Standards Institute British Standards Institution Deutsches Institut fr Normung (Instituto Alemn de Normalizacin) Deustcher Industrie Normen (Normas de la Industria Alemana) Japanese Standards Organization (Normas JIS)

http://www.iso.org http://www.aenor.es http://www.ansi.org http://www.bsi-global.com

AENOR Espaa ANSI BSI USA GB

DIN

Alemania

http://www.din.de

JSA

Japn

http://www.jsa.or.jp/default_english.asp

VDI API

Alemania USA

Association of German Engineers American Petroleum Institute

http://www.vdi.de/ http://www.api.org/

Tabla 6: Principales organismos de normalizacin.

Resumen de las principales normativasOrg. Cdigo Ao Descripcin Vibracin mecnica de mquinas con velocidades de operacin entre 10 y 200 rev/s. La ISO 2373 constituye una adaptacin especial de la ISO 2372 para motores elctricos, y se aplica a motores de corriente alterna trifsica y a motores de corriente continua con alturas de eje entre 80 y 400 mm. Medida y evaluacin de la severidad de vibracin en grandes mquinas rotativas, in situ con velocidades de operacin entre 10 y 200 rev/s. Vibracin mecnica. - Evaluacin de la vibracin en una mquina mediante medidas en partes no rotativas. Reemplaza la ISO 2373 e ISO 3945. Vibracin mecnica de mquinas no alternativas - Medidas en ejes rotativos y evaluacin. Evaluacin de vibraciones mecnicas de maquinaria rotativa. Basada en la ISO 2372. Reemplazada por la ISO 10816. Vibracin mecnica. - Evaluacin de la vibracin en una mquina mediante medidas en partes no rotativas. Este estndar es idntico y ha sido reproducido a partir de la ISO 10816-1:1995. Mechanical vibration of certain machines with shaft heights 56 mm and higher - Measurement, evaluation and limits of vibration severity. Vibraciones mecnicas de determinadas mquinas con altura de eje igual o superior a 56 mm. Medicin, evaluacin y lmites de la intensidad de vibracin. Vibraciones mecnicas de determinadas mquinas con altura de eje igual o superior a 56 mm. Medicin, evaluacin y lmites de la intensidad de vibracin. Basada en la IEC 34-14, acaba de salir la revisin del 2004, denominada por AENOR UNE EN 60034-14:2004 y correspondiente a la norma IEC 6003414:2003 Vibracin mecnica. - Evaluacin de la vibracin en una mquina mediante medidas en partes no rotativas. Basada en la ISO 10816-1:1995. Monitorizacin en tiempo real y la proteccin de maquinaria crtica.

ISO

ISO 2372/2373

1974

ISO ISO ISO VDI ANSI

ISO 3945 ISO 10816 ISO 7919 VDI 2056 AS 2526

1985 1995 1996 1964 2003

IEC

IEC 34-14:1996

1996

AENO R

UNE EN 6003414:1997

1997

BSI API

BS 7853 API 670

1996 1993

Tabla 7: Resumen de las principales normativas.

Desequilibrio y medida de la fase vibratoriaEl desequilibrio constituye la principal causa de avera de tipo mecnico en mquinas rotativas. Este fenmeno es debido a la distribucin no uniforme de masas sometidas a rotacin.

Medida de fase Causas del Desequilibrio Tipos de Desequilibrio

Medida de faseLa fase es un parmetro ntimamente relacionado con la vibracin, ya que aparece en la realizacin de los equilibrados, la deteccin de resonancias y en el diagnstico de averas. Definiremos el concepto de fase de dos formas diferentes para una mejor comprensin:

Es el tiempo de adelanto o retraso que tiene una onda vibratoria respecto a otra de igual perodo o con respecto a una marca de referencia. La frecuencia de ambas ondas vibratorias y de la marca de referencia han de ser iguales. Fsicamente, la fase es el movimiento relativo que tiene un punto de la mquina con respecto a otro.

La aplicacin prctica de las lecturas de fase en el diagnstico de averas est en la diferenciacin de problemas mecnicos que se manifiestan espectralmente de la misma forma, como son: el desequilibrio, la excentricidad, el eje deformado, la desalineacin, las holguras, la falta de rigidez en la bancada y la resonancia armnica. Veamos diferentes tecnologas aplicables a la medida de fase. Pulso tacomtrico Para realizar lecturas de fase utilizando un pulso tacomtrico es necesario lo siguiente: un analizador monocanal con entrada TTL y con filtro, un sensor de vibracin, un pulso tacomtrico generado por un fototaco o un taco magntico y una marca de referencia, que para el primer caso ser una cinta reflectante y para el segundo un chavetero. Para la realizacin de la medida se coloca el sensor en el punto que se desea analizar y se orienta el tacmetro hacia la cinta reflectante para obtener el pulso tacomtrico. La salida del tacmetro se conecta a la entrada TTL del analizador y el sensor a su entrada de vibracin. La seal TTL determina la frecuencia que se desea filtrar y el usuario determina el ancho de la banda de frecuencia a travs del analizador. El analizador presentar en pantalla directamente el posicionamiento del mximo de vibracin de la seal filtrada con respecto a la marca de referencia.

El grfico de la Figura 34 permite interpretar claramente el clculo de la fase realizado en el analizador monocanal. El clculo es una simple regla de tres que da como resultado la siguiente ecuacin:

La ventaja ms destacable del tacmetro de infrarrojos o luz visible es la fiabilidad, la repetibilidad y la rapidez en la realizacin de las lecturas siendo el principal inconveniente la necesidad de parar la mquina para la colocacin de la cinta refIectante. Este es un inconveniente que no presentan los tacmetros magnticos. Lmpara estroboscpica

Figura 34: Clculo de la fase con marca de referencia.

Las lecturas de fase con lmpara estrobocpica se pueden realizar mediante dos tcnicas. La primera es totalmente anloga a la del pulso tacomtrico, en este caso la lmpara acta como un generador de pulso a la frecuencia que desea el usuario, normalmente la velocidad de giro del eje. La lmpara dispone de una salida que enva el pulso TTL al analizador. Para que el pulso se genere siempre en el mismo instante de cada giro del eje, ha de congelarse la imagen del eje siempre en la misma posicin. Para congelar la imagen siempre en la misma posicin hay que fijarse en marcas claras del eje o en la chaveta y mantener el eje en la misma posicin a lo largo de todas las mediciones de fase. El valor de la lectura de fase aparecer en la pantalla del analizador al igual que ocurre con el pulso tacomtrico. La segunda tcnica de lectura de fase no presenta la lectura de fase en el analizador, sino que se visualiza segn la posicin del eje al congelarlo la lmpara estroboscpica, en este caso la lmpara no enva ningn tipo de seal al analizador. La cadena es la siguiente, el analizador filtra la seal del sensor a la frecuencia fijada por el usuario, cada vez que el analizador detecta el mximo de vibracin enva una seal a la lmpara para que emita un destello. Estos destellos tienen la frecuencia de giro del eje, por lo que el eje se observa congelado. Tomando como referencia un punto fijo, se mide la fase como el posicionamiento de una marca de eje con respecto a la referencia fija. La ventaja de la lmpara es que no hay necesidad de parar la mquina para colocar la cinta reflectante sobre el eje y el inconveniente es que se requiere mayor tiempo y es menos precisa la lectura que la realizada con el fototaco. Analizador multicanal Las medidas con analizadores multicanales (dos canales como mnimo) consisten en realizar al menos dos lecturas de vibracin con dos sensores simultneamente y, comparar sus ondas en el tiempo. De la comparacin se deducir la fase de una de las medidas con respecto a la otra. Fijando un sensor en uno de los puntos del sistema y colocando otro sensor en los puntos de inters podemos realizar lecturas de fase relativas al sensor fijo. La principal ventaja de este mtodo, adems de su rapidez, es que no requiere la utilizacin de fototaco o de lmpara estroboscpica. Esta tcnica suele utilizarse para anlisis ODS (simulacin de la deformacin en funcionamiento) y anlisis modal.

Causas de desequilibrio

Una mquina rotativa est desequilibrada cuando el centro de gravedad o centro de masas del rotor no coincide con su centro de rotacin o centro geomtrico. Esto origina una fuerza centrfuga que (como se puede ver en la Figura 35) parte desde el centro de rotacin en direccin radial y gira sncronamente con el eje generando una vibracin excesiva. Entre las caractersticas principales del desequilibrio podemos destacar las siguientes:

La amplitud de la vibracin es directamente proporcional a la cantidad de desequilibrio. La variacin en el desequilibrio originar una variacin en el ngulo de fase. La suma vectorial de todos los pesos situados en un mismo plano es igual a un nico desequilibrio. La cantidad de desequilibrio se puede medir en peso y distancia desde el centro del rotor al peso (gramos x cm). Un aumento del peso de desequilibrio o del radio originar un aumento directamente proporcional a la cantidad de desequilibrio donde: m = masa de desequilibrio d = radio de desequilibrio w = velocidad angular

Las fuentes de desequilibrio pueden tener origen y naturalezas muy diferentes como pueden ser las siguientes:

Aglomeracin desigual de polvo en los rotores de un ventilador. Erosin y corrosin desigual de las impulsoras de una bomba. Falta de homogeneidad en partes coladas, como burbujas, agujeros de soplado, y partes porosas. Excentricidad del rotor. Distribucin desigual en las barras de rotor de motores elctricos o en el bobinado. Flexin de rodillos, especialmente en mquinas de papel. Pesos de equilibrado que faltan. Eje flexionado. Excentricidad. Figura 35: Fuerza centrfuga en desequilibrio.

Tipos de desequilibrio

Desequilibrio en un nico plano Tambin se conoce como desequilibrio esttico y es normalmente el problema ms fcil de diagnosticar. Producido generalmente por desgaste radial superficial no uniforme en rotores en los cuales su largo es despreciable en comparacin con su dimetro. La causa es una fuerza centrfuga que provoca un desplazamiento del eje de giro en la direccin radial. En ausencia de otros problemas el desequilibrio genera una forma de onda sinusoidal pura y por tanto el espectro presenta vibracin dominante con una frecuencia igual a 1x RPM del rotor. Para corregir el problema se recomienda equilibrar el rotor en un slo plano (en el centro de gravedad del rotor) con la masa adecuada y en la posicin angular calculada con un equipo de equilibrado. Sntomas:

Vibracin radial en 1x RPM. Diferencia de fase entre la direccin horizontal y vertical de un rodamiento de aproximadamente 90, permitiendo una variacin aceptable de 30. No existen diferencias de fase significativas en las lecturas de fase entre ambos lados del eje en las direcciones radiales. Figura 36: Desequilibrio en un nico plano.

Desequilibrio en dos planos El origen del desequilibrio no es una fuerza, sino un par de fuerzas. Es decir, dos fuerzas de igual magnitud y de sentidos contrarios. El desequilibrio dinmico se da en rotores medianos y largos. Es debido principalmente a desgastes radiales y axiales simultneos en la superficie del rotor. El espectro presenta vibracin dominante y vaivn simultneo a frecuencia igual a 1x RPM del rotor. Para corregir el problema se recomienda equilibrar el rotor en dos planos con las masas adecuadas y en las posiciones angulares calculadas con un equipo de equilibrado. Sntomas:

Vibracin radial en 1x RPM. Diferencia de fase entre la direccin horizontal y vertical de un rodamiento de aproximadamente 90, permitiendo una variacin aceptable de 30. Figura 37: Desequilibrio en dos planos. La lectura de fase radial nos indicar que ambos lados del eje tienen un desfase

de 180. Rotor en voladizo Ocurre en rotores que se encuentran en el extremo de un eje. Es producido por desgaste en la superficie del rotor y doblamiento del eje. El espectro presenta vibracin dominante en 1x RPM del rotor, muy notoria en direccin axial y radial. Para corregir el problema, primero debe verificarse que el rotor no tenga excentricidad y que el eje no est doblado, luego debe realizarse el equilibrado adecuado. Sntomas:

Vibracin radial en 1x RPM. Vibracin axial en 1x RPM. Diferencia de fase entre la direccin horizontal y vertical de un rodamiento de aproximadamente 90, permitiendo una variacin aceptable de 30. Lecturas de fase axial entre los rodamientos normalmente en fase. Las medidas de fase en direccin radial entre los rodamientos podran estar desfasados. Figura 38: Desequilibrio de rotor en voladizo.

El desequilibrio se produce en los ejes rotativos cuando el centro de giro y el centro de masas no coinciden. La fuerza centrifuga excitadora que se genera es proporcional al cuadrado de la Descripcin velocidad de giro del eje. Por lo tanto, a mayor velocidad de giro, mejor deber ser el equilibrado del rotor. Valor global Espectro Sintomas Fase Forma de onda Severidad Aumento de la vibracin en su valor global. Pico en 1x RPM, nivel de ruido espectral bajo. Valor de fase estable, cambio de fase de 90 cuando se desplaza la posicin del sensor 90. Se llega a apreciar una onda senoidal.

Depende de la mquina, pero en general los valores de alarma oscilan entre 3 y 8 mm/s. En una mquina en la que aparece un problema de desequilibrio encontraremos un aumento de la amplitud de vibracin en las medidas radiales, mientras que las medidas de vibracin axial pueden permanecer bajas. En mquinas con rotor en voladizo tambin encontraremos un aumento de la amplitud de la vibracin en las medidas axiales.

Medicin

Deteccin

La deteccin del desequilibrio se realiza mediante la configuracin de una banda frecuencial de 0,8x a 1,2x RPM. El seguimiento de los valores medidos en esta banda nos da el primer sntoma de que la mquina puede sufrir un desequilibrio.

El desequilibrio se corrige con una compensacin de masa en el punto adecuado. Con un Correccin analizador de vibraciones se puede localizar el peso y el ngulo para colocar esta masa de compensacin. Tabla 8: Diagnstico del desequilibrio.

Anlisis de problemas en bajas frecuenciasEn este captulo se estudian los problemas ms comunes relacionados con la velocidad de giro y sus primeros armnicos. Se excluye el caso del desequilibrio, abordado en el captulo anterior. Las averas principales en este margen frecuencial son: excentricidad, ejes doblados, desalineacin y holguras.

Excentricidad Eje deforme Desalineamiento Angular Paralela En rodamiento y cojinetas En poleas Holguras En elementos rotativos Estructural Pulsaciones

ExcentricidadLa excentricidad se define como la no coincidencia entre el eje de rot