Desbalanceo y Falla de Rodamiento
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TRATAMIENTO DE SEÑALES Desbalanceo de ejes rotativos y fallas de rodamientos Erwin Díaz*Alejandro Godoy*Iván Lobos*Felipe Vera Universidad Austral de Chile, Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Instituto de Diseño y Métodos Industriales ________________________________________________________________________ Abstract: En el presente informe dará a conocer una manera de cómo es posible detectar problemas presentes en las maquinas rotativas (motores y rodamientos) las vibraciones emitidas por estas. Dentro de los diversos problemas, se analizará específicamente el desbalanceo en ejes rotativos y las fallas de rodamientos a través de un banco de prueba construido con ese propósito. Finalmente se demostrara como las frecuencias obtenidas se asemejan bastante a las establecidas en la literatura, con lo cual se puede establecer un diagnóstico de la falla presente. _________________________________________________________________________ 1. INTRODUCCIÓN Este informe se enfoca en estudiar dos problemas comunes en la industria como son el desbalanceo de ejes rotativos y las fallas en los rodamientos. Para realizar este estudio se utilizara un banco de prueba, donde se captaran las vibraciones a través de un dispositivo de conversión Analógico/Digital (A/D) para su posterior estudio. Los desbalances mecánicos en las máquinas pueden ocasionar oscilaciones importantes en el valor de par instantáneo requerido al motor, produciendo la fatiga de los elementos de transmisión tales como correas, poleas, chaveteros y rodamientos. Además las oscilaciones en el par instantáneo producen oscilaciones en la velocidad del motor, las que se traducen en variaciones de las corrientes de alimentación y de la potencia activa entregada. La falla en rodamientos es uno de los problemas comunes en maquinaria rotativa. Aproximadamente el 50% de las fallas en el motor eléctrico, el actuador rotativo más popular, corresponden a fallas en rodamientos. Dentro de las fallas en rodamientos, las fallas asociadas a las pistas representan alrededor del 40% de las fallas totales en rodamientos. Estas fallas pueden ocasionar pérdidas económicas por interrupciones no planeadas. 2. MATERIAL Y MÉTODO En esta sección se presenta el marco teórico, el cual es de suma importancia para la comprensión de la experiencia y posteriores resultados.
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Marco teórico y aplicación de formulas para el desbalanceo y fallas de rodamientos.
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TRATAMIENTO DE SEALES
Desbalanceo de ejes rotativos y fallas de rodamientos
Erwin Daz*Alejandro Godoy*Ivn Lobos*Felipe Vera
Universidad Austral de Chile, Facultad de Ciencias de la Ingeniera,
Instituto de Diseo y Mtodos Industriales
________________________________________________________________________
Abstract: En el presente informe dar a conocer una manera de cmo es posible detectar
problemas presentes en las maquinas rotativas (motores y rodamientos) las vibraciones
emitidas por estas. Dentro de los diversos problemas, se analizar especficamente el
desbalanceo en ejes rotativos y las fallas de rodamientos a travs de un banco de prueba
construido con ese propsito. Finalmente se demostrara como las frecuencias obtenidas se
asemejan bastante a las establecidas en la literatura, con lo cual se puede establecer un
diagnstico de la falla presente.
_________________________________________________________________________
1. INTRODUCCIN
Este informe se enfoca en estudiar dos
problemas comunes en la industria como
son el desbalanceo de ejes rotativos y las
fallas en los rodamientos. Para realizar
este estudio se utilizara un banco de
prueba, donde se captaran las vibraciones
a travs de un dispositivo de conversin
Analgico/Digital (A/D) para su posterior
estudio.
Los desbalances mecnicos en las
mquinas pueden ocasionar oscilaciones
importantes en el valor de par instantneo
requerido al motor, produciendo la fatiga
de los elementos de transmisin tales
como correas, poleas, chaveteros y
rodamientos. Adems las oscilaciones en
el par instantneo producen oscilaciones
en la velocidad del motor, las que se
traducen en variaciones de las corrientes
de alimentacin y de la potencia activa
entregada.
La falla en rodamientos es uno de los
problemas comunes en maquinaria
rotativa. Aproximadamente el 50% de las
fallas en el motor elctrico, el actuador
rotativo ms popular, corresponden a
fallas en rodamientos. Dentro de las fallas
en rodamientos, las fallas asociadas a las
pistas representan alrededor del 40% de
las fallas totales en rodamientos. Estas
fallas pueden ocasionar prdidas
econmicas por interrupciones no
planeadas.
2. MATERIAL Y MTODO
En esta seccin se presenta el marco
terico, el cual es de suma importancia
para la comprensin de la experiencia y
posteriores resultados.
-
Adems de los elementos y el
procedimiento necesario para realizar la
experiencia en el banco de prueba.
2.1 Marco terico
A continuacin se define el marco
terico que rige a cada una de las
experiencias realizadas.
2.1.1 Marco terico desbalanceo
El desbalance se produce cuando
el eje principal de inercia se desplaza con
respecto al eje de rotacin, este ltimo
determinado generalmente por los
soportes de las mquinas, es decir los
rodamientos.
Ilustracin 1: Desplazamiento de centros
A esta diferencia, entre los ejes de
inercia y de rotacin, se le denomina
excentricidad e y se utiliza en el clculo
del desbalance.
El desbalanceo puede ser
representado por un punto de peso W
localizado a una distancia R de la lnea de
centros de rotacin (Ilustracin 2)
Ilustracin 2: Representacin del
desbalanceo
Este peso W origina al girar una
fuerza centrfuga que, de alguna manera
se transmite a los apoyos. La magnitud de
la fuerza vibratoria debida al peso de
desbalanceo se puede encontrar segn la
segunda Ley de Newton, as:
= =
(2 )
Donde
W: es el peso del desbalanceo
: Velocidad angular
r: radio del desbalanceo
2.1.2 Marco terico de falla de
rodamientos
La gran mayora de no llega a su
vida til calculada, ya que esta es afectada
por diversos factores externos. El centro
tcnico NSK (fabricante de rodamiento)
en Ann Arbor, Michigan en los estados
unidos realizo un estudio de las fallas de
los rodamientos estableciendo los
siguientes datos:
-
50% de las fallas es producto de contaminacin.
30% problema de lubricacin. 17% otros motivos como: Mal
montaje, cada, mal ajuste con el
eje, temperatura y corrosin.
3% vida til.
Cada elemento del rodamiento, posee
una frecuencia caracterstica de falla
segn sean sus caractersticas dinmicas.
Estas frecuencias ayudan a identificar
donde se encuentra localizada la falla
dentro del rodamiento.
Nomenclatura Localizacin de la falla
BPFO
Frecuencia de pasos de los
elementos rodante por un
defecto en la pista externa.
BPFI
Frecuencia de pasos de los
elementos rodante por un
defecto en la pista interna.
FTF
Frecuencia de rotacin
del porta elemento o
jaula.
BSF Frecuencia de giro de
los elementos rodantes
Tabla 1: Falla caracterstica de los
rodamientos
Para determinar matemticamente
cada una de estas frecuencias, se utilizan
las siguientes ecuaciones:
=
2(1
) 0.4
=
2(1 +
) 0.6
=
2(1
)
=
2[1 (
)2
2]
Donde:
Rpm: Frecuencia de rotacin del eje.
Di: Dimetro de la pista interna.
De: Dimetro de la pista externa.
n: Nmero de elementos rodantes.
dm: Dimetro entre los centros de los
ejes rodantes.
d: Dimetro entre los ejes rodantes.
: Angulo de contacto.
Ilustracin 3: Esquema de las dimensiones de
un rodamiento
2.2 Configuracin del experimento
Para realizar el experimento del
desbalanceo de eje rotativo se utilizarn
los siguientes componentes:
Motor SIEMENS Mod: LA7090-2AA10
Variador de frecuencia Siemens Micromaster 420
2 Chumaceras: SNK 500-605 Sistema Hidrulico (Circuito)
Bomba Vlvula estranguladora Vlvula liberadora de presin Estanque de almacenamiento Fluido Hidrulico Manmetro
Disco con perforaciones Masas (Pernos) Acelermetro
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Para realizar el experimento del
desbalanceo de eje rotativo se utilizaron
los siguientes componentes:
Motor SIEMENS Mod: LA7090-2AA10
Variador de frecuencia Siemens Micromaster 420
2 Chumaceras: SNK 500-605 Sistema Hidrulico (Circuito)
Bomba Vlvula estranguladora Vlvula liberadora de presin Estanque de almacenamiento Fluido Hidrulico Manmetro
Acelermetro Rodamientos con fallas
Falla pista interior Falla pista exterior Falla en las bolas
2.3 Experiencias a realizar
A continuacin se detallan el
procedimiento para realizar cada una de
las experiencias (desbalanceo de eje
rotativo y falla de rodamientos).
2.3.1 Desbalanceo de eje rotativo
Para iniciar esta experiencia el
primer paso es establecer las condiciones
del sistema sin cargas ni masas, esto
quiere decir que no se aplicar presin
generada por el sistema hidrulico y el
disco con perforaciones no tendr
ninguna masa.
Todo esto es realizado con el fin
de establecer una lnea base que permitir
estudiar el efecto que producen las masas
en el disco.
Condicin 1: Se agrega un perno y una
tuerca en unas de las perforaciones del
disco, esto servir como masa y se
recopilan los datos.
Condicin 2: Al perno anterior se agrega
una tuerca ms, quedando un perno y dos
tuercas en una perforacin y se recopilan
los datos.
Condicin 3: Se retira la tuerca agregada
anteriormente (condicin 2) y se agrega
un perno y una tuerca en la cara opuesta
(a 180). Posteriormente se recopilan los
datos a 30 Hz, 40 Hz y 50 Hz.
2.3.2 Falla de rodamientos
Para iniciar esta experiencia el
primer paso es establecer las condiciones
iniciales del sistema, para ello se utilizan
rodamientos sin falla en las chumaceras y
no se aplica carga sobre el sistema, esto
quiere decir que no se aplicara presin
generada por el sistema hidrulico.
Todo esto es realizado con el fin
de establecer una lnea base que permitir
estudiar las vibraciones que producen
cada una de las fallas de los rodamientos.
Condicin 1: Se cambia el rodamiento
2 por un rodamiento con falla de las
bolas y se aplica una carga de 50 bar,
proveniente del sistema hidrulico del
banco. Posteriormente se procede a la
recopilacin de datos
Condicin 2: Se cambia el rodamiento
2 por un rodamiento con falla de las en
la pista interior y se aplica una carga de
50 bar, proveniente del sistema hidrulico
del banco. Posteriormente se procede a la
recopilacin de datos
-
Condicin 3: Se cambia el rodamiento
2 por un rodamiento con falla de las en
la pista exterior y se aplica una carga de
50 bar, proveniente del sistema hidrulico
del banco. Posteriormente se procede a la
recopilacin de datos
3 DESARROLLO
Para la captacin de las
vibraciones producidas por las diversas
situaciones descritas anteriormente, se
utiliza un convertidos anlogo digital.
Una vez recopilada la seal, se realiza su
anlisis a travs de la aplicacin FFT en
el software Matlab, la cual permitir
conocer las magnitudes de la vibracin a
diversas frecuencias.
En la situacin de desbalanceo se
agregaron masas al disco, esto con el fin
de comprobar la ecuacin descrita en el
marco terico la cual conjuga 3 factores
la masa, la distancia de esta al centro y la
velocidad angular.
Para el anlisis de las fallas en los
rodamientos, se cambiara un rodamiento
por otros que tienen fallas establecidas.
Posteriormente se analizar el espectro
obtenido con el fin de verificar el estado
de los rodamientos.
4 RESULTADOS
Ilustracin 4: Lnea base desbalanceo
Ilustracin 5: Desbalanceo 2 masas
Como se puede apreciar en la
Ilustracin 5, la magnitud producto que
aumenta la fuerza vibratoria al agregar 2
masas en una perforacin del disco.
Ilustracin 6: Desbalanceo 3 masas
-
En la ilustracin 6, se muestra el
grafico con 3 masas en una sola
perforacin, los peak disminuyen su valor
en todas las frecuencias.
En las siguientes ilustraciones se
representa la situacin de cuatro masas
ubicadas a 180 en el disco. Se puede
apreciar que a medida que se aumenta los
Hz el peak se desplaza a travs de la
frecuencia.
Ilustracin 7: Desbalanceo 4 masas 30
Hz
Ilustracin 8: Desbalanceo 4 masas 40
Hz
Ilustracin 9: Desbalanceo 4 masas 50
Hz
La siguiente ilustracin muestra la
lnea base para el anlisis de las fallas en
los rodamientos.
Ilustracin 10: Lnea base rodamientos
Se puede apreciar que la falla en la
pista exterior posee una magnitud mucho
menor que la falla en la de pista interior,
esto debido al factor multiplicativo de sus
ecuaciones planteadas anteriormente.
Ilustracin 11: Falla en la pista exterior
Ilustracin 12: falla pista interior
-
La falla presente en las bolas del
rodamiento, posee un valor menor a la
falla de pista exterior, debido a que su
ecuacin no considera el nmero de
bolas.
Ilustracin 13: Falla de bola
4 CONCLUSIN
Por medio de este informe, se ha
podido demostrar que utilizando el
anlisis de vibraciones es factible
monitorear y diagnosticar el estado de la
condicin mecnica de las mquinas y de
los rodamientos, demostrado que se
puede llegar a un diagnstico acertado de
la falla de estos ltimos.
Adems el desbalance mecnico
en las mquinas puede ocasionar
oscilaciones importantes, las cuales
pueden producir la fatiga de los
elementos de transmisin tales como
correas, poleas, chaveteros y rodamientos.
En la experiencia realizada se demuestra
que la adicin de pequeas masas es
posible generar un desbalanceo del eje.
5 REFERENCIAS
Alvarez, A. (2005). Tecnicas de diagnostico de
daos incipientes en rodamientos.
Bolton, W. (1995). Mediciones y pruebas
elctricas y electrnicas.
MARCOMBO.
Estupian, E. (s.f.). Tecnicas de diagnostico
para el analisis de vibraciones de
rodamientos.
Gohar, A. (1998). Vibrations associated wirh
ball bearing .
Harris. (1996). Rolling bearing analysis.
Irarrazabal, P. (1999 ). Anlisis de seales.
MCGRAW-HILL.
Martnez, S. (2003). Tratamiento digital de
seales . Pearson Educacin.
Piety, R. (1998). New methodology for
bearing fault: peakvue analysis.
