Upload
lubricacion
View
713
Download
128
Embed Size (px)
Citation preview
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
1/163
Introduccin al Anlisis Bsico de Maquinaria
Ronald L. Eshleman
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
2/163
Vibraciones Bsicas de Mquinas
Introduccin al Anlisis Bsico de Maquinaria
Author: Ronald L. Eshleman, Ph.D., P.E.Director, Vibration Institute
Editor: Judith Nagle-Eshleman, Ph.D.Secretary-Treasurer, Vibration Institute
Traduccin al espaol: Eduardo Murphy ArteagaRepresentante en Mxico del Vibration Institute
VIPress, IncorporatedClarendon Hills, Illinois 60514
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
3/163
Eshleman, Ronald L.Vibraciones Bsicas de Mquinas: Una introduccin a la prueba de maquinaria, anlisis y
monitoreo/Ronald L. Eshlemanp. cm VIPress, Inc.Incluye referencias bibliogrficasISBN 0-9669500-1-1
1. Maquinaria Monitoreo 2, Maquinaria AnlisisI. Ttulo
2002 VIPress, Incorporated, Clarendon Hills, IL 60514
Todos los derechos reservados. Ninguna parte de este libro puede ser reproducido de ninguna manera oen cualquier medio sin el permiso escrito del editor.
El autor y el editor han hecho lo mejor para preparar este libro. Sus esfuerzos incluyen el desarrollo y laprueba de teoras e informacin contenida aqu. El autor y el editor no garantizan, expresa oimplcitamente lo relativo a los mtodos y datos contenidos en este libro. El autor y el editor no se hacen
responsables por eventos incidentales o daos causados por la aplicacin de la tecnologa aqu contenida.
Todos los nombres de productos mencionados son de marcas registradas y sus respectivos propietarios.
Impreso en Estados Unidos de America
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
4/163
TABLA de CONTENDO
Captulo I: Vibraciones bsicas de maquinaria
Unidades de Vibracin 1.1La Naturaleza Fsica de la Vibraciones 1.2Movimiento Vibratorio 1.3Parmetros empleados para medir vibraciones 1.7La medicin de Vibraciones 1.11Medicin del Angulo de Fase 1.13Anlisis de Vibraciones 1.14Excitacin 1.16Frecuencias Naturales, Formas Modales y Velocidades Criticas 1.17Resumen de la Teora Bsica de Vibraciones 1.19
Captulo II: Adquisicin de los Datos
Seleccin del Parmetro a medir 2.2Transductores de Vibracin 2.5Accesorios de Disparo 2.11Seleccin de los Transductores 2.13Montaje de Transductores 2.14Localizacin de los Transductores 2.15Rango de Frecuencias 2.16Presentacin de los Datos en la Pantalla 2.17
Resumen de la Adquisicin de Datos 2.19Referencias 2.19
Captulo III: Procesamiento de Datos
Osciloscopios 3.1Analizador FFT 3.3Colectores de Electrnicos de Datos 3.5Muestreo de Datos 3.5Frecuencias Fantasmas (Aliasing) 3.7Ventanas Espectrales 3.8
Rango Dinmico 3.11Promediado 3.12Ajuste del Analizador FFT y Colector de Datos 3.14Resumen de Procesamiento de Datos 3.17Referencias 3.18
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
5/163
Captulo IV: Diagnstico de Falla
Tcnicas de Diagnstico de Fallas 4.1Fallas a la Velocidad de Operacin 4.6Cojinetes de elementos rodantes 4.14
Cajas de engranes 4.20Motores Elctricos 4.24Mquinas Centrifugas y Axiales 4.30Bombas 4.31Ventiladores 4.36Compresores 4.39Resumen del Diagnstico de Fallas 4.40Referencias 4.41
Captulo V: Evaluacin de la Condicin de la Mquina
Vibracin en eje 5.3Vibracin en cojinetes 5.3Vibracin en carcasa 5.5Resumen Evaluacin de la Condicin de la Mquina 5.9Referencias 5.10
Captulo VI: Pruebas en Mquinas
Programacin de pruebas 6.1
Seleccin del equipo de prueba 6.3Inspeccin del sitio 6.4Pruebas de aceptacin 6.4Pruebas de lnea base o de referencia (firma espectral) 6.4Pruebas de resonancia y de velocidades criticas 6.5Pruebas de falla, condicin y balance 6.11Especificaciones 6.11Medio ambiente y montaje 6.12Presentacin de datos 6.12Reportes o formatos de reportes 6.14Resumen de Pruebas de Mquinas 6.16
Referencias 6.17
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
6/163
Captulo VII: Monitoreo Peridico
Listado y Categorizacin 7.2Conocimiento de la Mquina 7.2Seleccin de la Ruta y Definiciones 7.5
Medidas y Puntos de Medicin 7.8Datos de Referencia 7.11Frecuencia de la Coleccin de Datos 7.12Seleccin de Equipos de Prueba 7.12Pantalla 7.13Tendencias 7.15Alarmas 7.16Reportes 7.17Resumen del Monitoreo Peridico 7.17Referencias 7.18
Captulo VIII: Balanceo Bsico de Mquinas Rotativas
Tipos de Desbalance 8.2Equipo de Balanceo 8.3Verificaciones Previas al Balanceo 8.4Mediciones 8.4Relacin entre el Desbalance de Masas y Angulo de Fases 8.6Seleccin del peso de Prueba 8.7Errores de Balanceo 8.7Mtodo Vectorial con Peso de Prueba 8.7
Fraccionamiento del Peso y la Combinacin 8.9Niveles Aceptables de Vibracin 8.9Resumen de Balanceo Bsico de Mquinas Rotativas 8.10Referencias 8.12
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
7/163
PROLOGO
Vibraciones Bsicas de Mquinas, es un libro para principiantes en el campo de mantenimiento
predictivo que quiere comprender los fundamentos esenciales de las vibraciones en mquinas. El libro hasido desarrollado para servir como texto para un curso de cuatro dias en vibraciones de mquinas.Ejemplos adicionales y revisin de preguntas pueden ser agregados a discrecin del instructor. Losresmenes al final de cada captulo tambin pueden usarse para uno o dos das de clases de revisin.
El autor reconoce las contribuciones de datos: de Kevin R. Guy, David B. Szrom, y Nelson L. Baxter. Seaprecian los esfuerzos correccin ortogrfica de Loretta G. Twohig y Dave Butchy. El autor deseaagradecer a Ciro Martinez Trinidad por su traduccin tan excelenta al espaol de Basic MachineryVibrations; el trabajo de Joanne King en perfeccionar el manuscrito, y en el esfuerzo del repaso de EdgarAblan..
Clarendon Hills, Illinois Ronald L. EshlemanMayo, 2002
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
8/163
1.1
CAPITULO I
VIBRACIONES BSICAS DE MAQUINARIA
Un analista sin los conocimientos bsicos es como una mquina mal cimentada.
Tradicionalmente, las vibraciones se han asociado con fallas en las mquinas: desgaste,funcionamiento anormal, ruido y daos estructurales. Sin embargo, en los ltimos aos, las vibraciones
han sido usadas para ahorrar a la industria millones de dlares por paros de maquinaria. La evaluacin
de los cambios en los niveles de vibracin de las mquinas se ha convertido en parte importante de la
mayora de los programas de mantenimiento. Evaluaciones similares se han empleado para resolver
problemas de diseo, as como para establecer la causa de problemas de funcionamiento anormal y fallas
crnicas.
En este captulo se tratan los fundamentos de las vibraciones mecnicas y la forma en que se
miden. Se definen las unidades y su terminologa. Se enumeran las conversiones de unidades de
amplitud y de frecuencia. Se explica el ngulo de fase entre distintos puntos medidos y su
significado. Finalmente, se describen algunas propiedades de las mquinas.
UNIDADES DE VIBRACIN
Las unidades bsicas utilizadas en este libro para describir las fuerzas de vibracin y su movimiento
son:
TABLA 1. 1
Parmetro Sistema Internacional Sistema Imperial o Ingls
Amplitudde
vibracin
Desplazamiento micrmetro Pico a Pico(m P-P)
milsimas de pulgada Picoa Pico (mils P-P)
Velocidad milmetros/segundo Cero aPico o rms( mm/s 0-P o rms )
pulgadas por segundo Ceroa Pico o rms(ips 0-P o rms)
Aceleracin metros / segundo al cuadradoCero a Pico( m/s20-P)
gs pico o rms(1 g = 386.1 in/s2)
Masa kilogramos (kg) libras masa (lbm)Fuerza Newtons (N) libras fuerza (lbf)Frecuencia ciclos por minuto (cpm)
ciclos por segundo o Hertz(cps o Hz)radianes por segundo (rad/s)
ciclos por minuto (cpm)ciclos por segundo o Hertz(cps o Hz)radianes por segundo(rad/s)
Fase o desplazamientoangular
grados sexagesimales oradianes ( o rad)
grados sexagesimales oradianes ( o rad)
Velocidad de rotacin revoluciones por minuto(rpm)
revoluciones por minuto(rpm)
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
9/163
1.2
Equivalencias:
1 m = 1 x10-6m
1 g = 386.1 in/s2 = 32.2 ft/s2 = 9.81 m/s2
1mil = 0.001 in = 25.4 m
ips = inches per second = in/s (pulgadas / segundo)
rms = root mean square (valor cuadrtico medio)
Una revolucin del eje o un periodo de vibracin es igual a 360
1 radin = 180/= 57.2957...57.3
La Naturaleza Fsica de las Vibraciones
Las mquinas y estructuras vibran en respuesta a una o ms fuerzas pulsantes comnmente llamadas
fuerzas de excitacin. Como ejemplo, podemos mencionar el desbalance de masa o las fuerzas originadas
por desalineamiento. El proceso es de causa y efecto (Figura 1.1) La magnitud de la vibracin no depende
solamente de la fuerza sino tambin de las propiedades del sistema, ambas pueden depender de la
velocidad de la mquina. Las propiedades del sistema son: masa, rigidez y amortiguamiento.
La masa, es el peso
dividido entre la constante
gravitacional (ver figura 1.2a);
La rigidez, depende de la
elasticidad de los materiales del
sistema y se expresa como el
cociente de la fuerza por unidad
de deflexin (N/m, lbf/in) La
rigidez se determina aplicando
una fuerza (en N o lbf ) a una
estructura mientras que se mide
su deflexin (ver figura 1.2b);
El amortiguamiento, es la
medida de la habilidad de un sistema para disipar energa vibratoria. El amortiguamiento es proporcional
ya sea al desplazamiento, en caso de estructuras, o a la velocidad, en caso de amortiguadores tales como
los empleados por los automviles y cojinetes de pelcula de aceite o cojinetes hidrodinmicos (ver figura
1.2c)
Figura 1.1. Naturaleza de la vibracin de una mquina; Causa y Efecto.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
10/163
1.3
La causa de la vibracin es usualmente gobernada por varios factores tales como: la operacin para
la cual la mquina ha sido diseada en un proceso; tolerancias de manufactura e instalacin y defectos de
los componentes de la mquina debidas a manufactura y a desgaste. Las vibraciones pueden ser utilizadas
para identificar defectos que se originan por diseos defectuosos, fallas de instalacin y desgaste.
Movimiento Vibratorio
Existen tres caractersticas fundamentales de la vibracin son:frecuencia, amplitud y fase.
Lafrecuenciase define por el nmero de ciclos o eventos por unidad de tiempo. Se expresa en ciclos
por segundo o Hertz (cps o Hz), en ciclos por minuto (cpm), u rdenes de la velocidad de operacin si la
vibracin es inducida por una fuerza a la velocidad de giro. La velocidad de operacin de una mquina,
as como sus velocidades crticas, se expresan en revoluciones por minuto (rpm)
Elperodo (T),se obtiene de la forma de onda (amplitud vs. tiempo, Figura 1.3) y es el recproco de
la frecuencia (T = 1/f) El perodo se define como el tiempo requerido para completar un ciclo de
vibracin.
LaAmplitud (A),es el valor mximo de la vibracin en una cierta localidad de la mquina.
La Fase es la diferencia angular medida en grados o radianes entre vibraciones de la misma
frecuencia (Figura 1.4) Esta diferencia angular tambin puede medirse en unidades de tiempo. En la
figura 1.4 se observa que el pico de la vibracin registrada en el punto B (trazo superior), ocurre en el
tiempo, antes que el pico registrado en el punto A (trazo inferior) Se dice entonces, que la vibracin
registrada en el punto B est adelantada con respecto al punto A.
La fase puede usarse para determinar la relacin en tiempo entre una fuerza de excitacin y la
vibracin que causa; por ejemplo, la fuerza originada por desbalance de masa y la vibracin que genera.
Esta relacin angular puede emplearse para efectuar un balanceo de la mquina.
Al movimiento que se repite a intervalos regulares, se le llama peridico (Figura 1.3) La forma de
onda senoidal de la Figura 1.3 tiene un perodo (T) El perodo se mide en segundos o milisegundos (s o
ms)1 La frecuencia (f) es igual al inverso del perodo o 1/T La forma ms bsica del movimiento
peridico es el movimiento senoidal (comnmente llamado movimiento armnico simple) que se
representa por una senoide (Figura 1.3)
1El periodo es medido en segundos o milisegundos [1,000 milisegundos (mseg) = 1 seg, para obtener segundos a partir demilisegundos, mover el punto decimal hacia la izquierda tres lugares o dividir entre 1,000
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
11/163
1.4
Figura 1.2a. Propiedad del Sistema: masa.
Figura 1.2b. Propiedad del Sistema: rigidez.
Figura 1.2c. Propiedad del Sistema: Amortiguamiento
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
12/163
1.5
Figura 1.3. Vibracin Armnica de un Rotor.
Algunos movimientos vibratorios de mquinas sonarmnicos simples, como ejemplo podemos mencionar la
vibracin de una mquina debida a desbalance de masa
que ocurre a la frecuencia de la velocidad de operacin.
Sin embargo, la mayora de las mquinas tienen mltiples
componentes de frecuencias distintas que generan una
vibracin no armnica aunque s peridica, tal como la
mostrada en la Figura 1.5.
Los armnicos son mltiplos enteros (1, 2, 3, 4..) decualquier vibracin senoidal. Los rdenes son mltiplos
enteros de la frecuencia de la velocidad de operacin de la
mquina.
La amplitud de vibracin puede expresarse de varias
maneras: valor cuadrtico medio (rms), cero a pico ( 0-P) y
pico a pico (P-P) ver Figuras 1.3 y 1.5: La amplitud pico a
pico se mide en la forma de onda de picos adyacentes
positivo y negativo. Para una seal armnica simple comola mostrada en la Figura 1.3, los valores rms o pico pueden
expresarse en trminos del valor pico a pico: el valor pico
es igual a la mitad del valor pico a pico y, el valor rms es
igual a 0.707 el valor pico.
Figura 1.4.Medicin del ngulo de fase
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
13/163
1.6
Figura 1.5. Espectro y Forma de Onda de un Motor.Para cualquier forma de onda no armnica tal como la mostrada en la Figura 1.5, el valor rms no
puede convertirse a valor pico ni viceversa. La amplitud positiva normalmente no es igual a la amplitud
negativa de una forma de onda no armnica. El valor pico es el valor ms grande, ya sea positivo o
negativo. En general, el valor pico a pico no ser igual a dos veces el valor pico. La multiplicacin del
valor rms por 1.414 ( 1/0.707) no es un valor pico verdadero a menos que la vibracin sea armnica; esto
es, que la vibracin sea de una sla frecuencia. Muchos instrumentos despliegan el valor pico como 1.414
veces el valor rms. Esto no es un valor pico verdadero a menos que la forma de onda sea senoidal.
Notemos que el valor rms se relaciona con la energa de la vibracin2, en una mquina. Por ejemplo, elvalor rms de la forma de onda mostrada en de la Figura 1.5 es de 0.186 ips y el valor pico es 0.416 ips.
Notemos que al multiplicar 0.186 ips por 1.414, se obtiene un valor pico igual a de 0.263 ips. Este pico
se conoce comnmente como pico derivado.
El nmero de ciclos por unidad de tiempo es la frecuencia de la vibracin y es igual al inverso del
periodo:
T = periodo, s/ciclo
f = 1/T, ciclos/s (cps)
2El valor rms puede ser definido matemticamente por la siguiente frmula: A rms = (v12+ v2
2+ v32+ v4
2+..... + vn
2), donde vison las amplitudes pico de cada armnica que compone la vibracin; n es el nmero decomponentes. El valor rms tambin puede obtenerse por circuitos elctricos analgicos especiales.
rms: 0.186
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
14/163
1.7
N = 60 x f, ciclos / minuto (cpm)
La vibracin con un perodo de 11.899 ms (0.0119 s) tiene una frecuencia de 84.04 Hz o 5,042 cpm
de acuerdo a la simple ecuacin f = 1/T.
Parmetros empleados para medir vibraciones
Las medidas empleadas para evaluar la magnitud o cantidad de vibracin en maquinase muestran en
la Tabla 1.2
TABLA 1. 2
Medida Unidades Descripcin
Desplazamiento m P-P;mils P-P
Movimiento de las mquinas o estructuras, serelaciona con esfuerzo.
Velocidad
mm/s 0-P o rms;
ips 0-P o rms
Rapidez de cambio del desplazamiento, se
relaciona con fatiga.
Aceleracinm/s2 0-P o rms;gs 0-P o rms
Est relacionado con las fuerzas presentes enlas componentes de las mquinas
Desplazamiento: Es la medida dominante a bajas frecuencias y se relaciona con el esfuerzo en
miembros estructurales flexibles. Se expresa en m P-P o mils P-P debido a que, generalmente, los
desplazamientos de las mquinas son no armnicos y los picos positivos tienen magnitud distinta a los
picos negativos. El desplazamiento se usa para medir vibraciones de baja frecuencia (inferior a 1200 cpm
o 20 Hz) sobre las cubiertas de los cojinetes y en estructuras. El desplazamiento tambin se emplea
comnmente para medir el desplazamiento relativo de un eje y su cojinete o entre la carcasa de lamquina y el eje. En este caso, se usa a la frecuencia de velocidad de operacin y a rdenes de sta. La
figura 1.6 muestra el desplazamiento y la aceleracin armnicos en funcin de una velocidad constante de
0.2 ips en un rango de frecuencias de 10 a 1000 Hz. El desplazamiento para una velocidad de 0.2 ips a
600 cpm (10 Hz) es igual a 6.4 mils P-P , mientras que para 60,000 cpm (1,000 Hz) es igual a 0.064mils
P-P. Es por lo tanto difcil medir el desplazamiento a altas frecuencias debido a las bajas amplitudes de la
vibracin en relacin con el ruido de la seal.
Velocidad:Es la rapidez del cambio del desplazamiento con respecto al tiempo. Depende tanto del
desplazamiento como de la frecuencia y est relacionada con la fatiga del material. Mientras ms alto seael desplazamiento y/o la frecuencia de la vibracin, mayor es la severidad de vibracin de una mquina en
determinada localidad. La velocidad se emplea para evaluar la condicin de las mquinas en un rango de
frecuencia de 600 a 60,000 cpm (10 a 1,000 Hz)
Aceleracin:Es la medida dominante a altas frecuencias es proporcional a la fuerza sobre una
componente de una mquina, tal como un engrane y es empleada para evaluar la condicin de la
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
15/163
1.8
mquina cuando las frecuencias exceden a 60,000 cpm (1,000 Hz) En la Figura 1.6 una vibracin
de 0.2 ips a 1000 Hz, es igual a una aceleracin de 3.25 gs y para 0.2 ips a 600 cpm (10 Hz), la
aceleracin es solamente de 0.03 gs. Concluimos que la aceleracin es una medida inadecuada a
bajas frecuencias debido a que la amplitud de
seal es baja.Conversin entre medidas. Una
ilustracin grfica de la relacin entre el
desplazamiento, velocidad y aceleracin
armnicos se observa en la Figura 1.7. Para
movimiento armnico los valores pico del
desplazamiento, velocidad y aceleracin
pueden calcularse empleando las relaciones
mostradas en la Tabla 1.3:
Tabla 1. 3
Velocidad = 2fD
Aceleracin = 2fV = (2f)2D
D : Desplazamiento pico (Pulgadas)
f : Frecuencia (ciclos/s)
V : Velocidad (ips)
A : Aceleracin (in/s2) (1 g = 386.1 in/s2)
Figura 1.6. Grfico de Desplazamiento yAceleracin para una Velocidad constante
de 0.2 pulg/seg.
Figura 1.7. Relaciones entre elDesplazamiento, Velocidad y Aceleracin.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
16/163
1.9
De acuerdo con la Figura 1.7, podemos observar que existe una diferencia angular de 90entre el
desplazamiento y la velocidad. La velocidad est adelantada con respecto al desplazamiento. Por otro
lado, observamos que la diferencia angular entre el desplazamiento y la aceleracin es de 180, es decir,
el pico mximo del desplazamiento ocurre medio ciclo despus en el tiempo.
Ejemplo 1.1:Convertir un desplazamiento de 2 mils P-P con una frecuencia de 1,775 cpm a
velocidad en ips 0- P y mm/s 0-P.
Solucin:
2 mils P-P = 1 mil 0-P = 0.001 in 0-P = 25.4 m 0-P
f = 1,775 cpm = 1,775 ciclos/ 60s = 29.58 cps o 29.58Hz
Velocidad = 2fD
V = 2(29.58) x 0.001 ips = 0.186 ips 0-P
La velocidad expresada en el sistema mtrico es:
V = 0.186 x 25.4 mm/s = 4.72 mm/s 0-P
Ejemplo 1.2:Convertir una velocidad de 0.15 ips 0-P a 6,000 Hz a aceleracin en gs rms y
m/s2rms
Solucin:
A = 2fV = (2f)2D
A = 2(6,000)(0.15 in/s20-P)
A = 5,655 in/s20-P
A = 5,655/386.1 = 14.65 gs 0-P
A = (14.65)x(0.7071) = 10.36 gs rms
A = 10.36 x 9.81 m/s2rms = 101.6 m/s2rms
Con el objeto de convertir aceleracin a velocidad o velocidad a desplazamiento, los trminos
correspondientes deben despejarse de las equivalencias mostradas en la Tabla 1.3. La velocidad puede
expresarse en funcin de la aceleracin y la frecuencia como sigue:
V = A/2f
El desplazamiento puede expresarse en funcin de la velocidad, aceleracin y frecuencia como sigue:
D = A/(2f)2= V/2f
Ejemplo 1.3:Convertir una aceleracin de 0.5 gs 0-P a 1,775 cpm a desplazamiento en mils
P-P y m P-P
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
17/163
1.10
Solucin:
f = 1,775 ciclos/min (1 min / 60 s) = 29.58 ciclos/s = 29.58 Hz
D = Aceleracin / (2f)2
D = 0.5 gs (386.1 in/s2/g) / (2x 29.58)2
D = 0.0056 in 0-P = 5.6 mils 0-P
D = 11.2 mils P-P = 11.2 x 25.4 m P-P = 284 m P-P
Ejemplo 1.4: Convertir una aceleracin de 2 gs rms a 60,000 cpm (1,000 Hz) a velocidad en
ips 0-P y mm/s 0-P.
Solucin:
A = 2 (1.4142) 0-P = 2.828 gs 0-P
A = 2.828 x (386.1 in/s2) 0-P = 1,091.9 in/s20-P
V = 1,091.9 in/s20-P / 2(1,000)
V = 0.17 in/s 0-P = 4.41 mm/s 0-P
Ejemplo 1.5: Convertir una velocidad de vibracin de 0.2 ips rms a 120,000 cpm (120 kcpm o
2,000 Hz) a aceleracin en gs 0-P y m/s20-P.
Solucin:
f = 120,000 cpm /60 = 2,000 Hz
V = 0.2 ips rms x (1.414) = 0.282 ips 0-P
A = 2x (2,000 Hz) x (0.282 ips 0-P )/ 386.1 in/s2/g
A = 9.2 gs 0-P = 9.2 x 9.81 m/s 20-P = 90.3 m/s 20-P
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
18/163
1.11
La medicin de vibracionesLa vibracin mecnica se mide con un transductor (tambin llamado pick up, captador o sensor) que
convierte el movimiento vibratorio en una seal elctrica. Las unidades de la seal elctrica son Volts (V)
o ms comnmente milivolts (mV). Hay mil mV por cada V. Para obtener V de mV, mueva el punto
decimal 3 veces a la izquierda o divida entre1000. La seal medida en V se manda a un metro,
osciloscopio o analizador. La amplitud se calcula
al dividir la magnitud del voltaje por el factor de
escala, el cual puede estar expresado en mV/mil,
mV/ips, mV/g, mV/grado, o cualquier otra
relacin de mV a unidades de ingeniera. La
figura 1.8 es una representacin esquemtica de
los tipos de los tipos comunes de transductoresdisponibles para medir la vibracin en un
sistema rotor cojinetes.
Sensores de proximidad (proximity probes) o transductores de desplazamiento del tipo no contacto o de
corrientes de eddy (corrientes de remolino)Estos sensores se sujetan a las cubiertas de los cojinetes y miden la vibracin relativa del eje con
respecto al sensor. Normalmente dos sensores se montan con una diferencia angular de 90 entre ellos
(Figura 1.9) El sensor horizontal siempre ser el que se encuentre a la derecha del sensor verticalcuando la mquina se observe desde el lado del acoplamiento al motor. Notemos que la vibracin
horizontal est adelantada a la vertical por 90 cuando la rotacin del eje es en sentido anti-horario.
Accesorios de contacto directo al eje (shaft rider)En ocasiones se requiere medir la vibracin absoluta del eje y para esto puede emplearse un vstago
con una zapata con material antifriccin que se coloca sobre el eje. (Figura 1.8)
Los transductores de velocidadMiden la vibracin absoluta de la cubierta de los cojinetes. La velocidad puede ser convertida a
desplazamiento al ser integrada electrnicamente o matemticamente por medio de un analizador de
espectros.
AcelermetrosEstos sensores miden la vibracin absoluta en m/s2o en gs. La seal puede integrarse a velocidad o
desplazamiento ( dos integraciones), sin embargo, el ruido presente en la seal constituye un problema al
tratar de integrar seales de baja frecuencia. La vibracin de un eje no puede obtenerse directamente a
Figura 1.8. Medicin de vibraciones bsica:osicin de los transductores.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
19/163
1.12
partir de una medida absoluta de un sensor colocado en la tapa del cojinete debido al sistema dinmico
que forman el eje y el propio cojinete. Un sensor de proximidad o shaft rider se requieren para medir la
vibracin del eje3.
Un ejemplo de un registro vibratorio capturado sobre una bomba de agua vertical se muestra en la
Figura 1.10. La forma de onda en mV est tomada directamente del transductor: un transductor develocidad con una sensibilidad o factor de escala de 1,000 mV/ips. El valor pico medido fue de 934 mV,
por lo tanto, la velocidad pico es igual a:
Velocidad 0-P = 934 mV / 1000 mV/ips = 0.934 ips 0-P
Pueden emplearse dos transductores para determinar el ngulo de fase entre dos localidades de una
mquina, sin embargo, la ubicacin de cada transductor debe considerarse al momento de evaluar los
datos. Los transductores axiales mostrados en la Figura 1.8 estn montados con una diferencia angular de180 por lo tanto, se deben agregar 180 a la lectura de uno de ellos.
3Si se emplea un sensor de proximidad relativo, debe medirse el desplazamiento del punto de sujecin. Una restaelectrnica de las dos seales d como resultado el desplazamiento absoluto del eje. Empleando un shaft rider ocola de pescado sobre el eje, con un transductor de velocidad o aceleracin, puede conocerse el desplazamientoabsoluto del eje una vez que se ha integrado una o dos veces la seal.
Figura 1.9a. Convencin de posiciones para medicin con Captadores de No Contacto.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
20/163
1.13
Figura 1.12.Medicin del ngulo de fase utilizando una luz
estrobosc ica.
Figura 1.11. Angulo de fase con
respecto a una seal de referencia
Figura 1.10. Forma de onda de una
bomba con rotor desbalanceado.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
21/163
1.14
Medicin del ngulo de fase
El ngulo de fase entre dos seales indica su relacin en el tiempo. Ambas pueden representar
vibracin o fuerza y su relacin puede indicar una condicin tal como desalineamiento, la frecuencia de
una velocidad crtica, o la localizacin del punto pesado en un rotor durante el proceso de balanceo.El ngulo de fase puede medirse de la forma de onda (amplitud vs. tiempo) empleando un
osciloscopio analgico o digital (Figura 1.4), por medio de un analizador de dos canales, medidor de fase
o empleando una lmpara estroboscpica. Es esencial medir con precisin la diferencia en tiempo entre
las seales para medir el ngulo de fase. En ocasiones se mide a partir de una seal de referencia generada
una vez por revolucin por un sensor estacionario, por ejemplo, un sensor ptico que observe una cinta
reflejante o un sensor de proximidad que detecte el paso del cuero (Figura 1.11) La seal de referencia
se corresponde a una posicin angular nica en el eje. El ngulo de fase de la seal de vibracin puede
medirse con respecto a esa posicin angular sobre el eje. El ngulo de fase que se relaciona con el tiemporequerido para efectuar una revolucin del eje se obtiene al multiplicar 360 por la diferencia en tiempo
de los dos eventos (seal de referencia y pico de la vibracin) y al dividir entre el perodo de la vibracin.
Este ngulo de fase se mide en forma automtica por los analizadores empleados para el balanceo.
El ngulo de fase tambin puede medirse con una lmpara estroboscpica (Figura 1.12) el disparo de
la lmpara se efecta al cruce por 0 de la seal de vibracin, es decir, cuando el voltaje cambia de
negativo a positivo. Al realizarse el disparo luminoso se visualiza una marca arbitraria colocada en el eje
y puede medirse su posicin con respecto a una escala graduada colocada en el cojinete o una parte
estacionaria del equipo.El ngulo de fase en diferentes posiciones puede medirse al reubicar el sensor de vibracin sobre la
mquina.
Anlisis de Vibraciones
Un movimiento peridico puede descomponerse en una serie de movimientos armnicos. La
vibracin peridica mostrada en Figura 1.13 puede representarse como la suma de dos vibraciones
armnicas (trazos 1 y 2) 1X y 2X.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
22/163
1.15
Figura 1.13. Armnicas componentes de un
movimiento peridico complejo.
Notemos que la vibracin
a 2X tiene una frecuencia igual
a dos veces la vibracin a 1X.
La vibracin a 2X se denomina
segundo armnico de lavibracin a 1X debido a que su
frecuencia es exactamente dos
veces la de la vibracin a 1X.
Cuando la frecuencia a 1X
corresponde con la velocidad de
giro de la mquina, la vibracin
a 2X se llama vibracin de 2
ordenEl movimiento peridico
tiene una forma especfica cuando las dos componentes estn en fase como se muestra la Figura 1.13.
Si la fase de las dos componentes se cambia, la magnitud del pico de la vibracin, esto es, la
amplitud, cambiar. En general, la suma de las amplitudes individuales no es igual al valor pico de la
forma de onda peridica total. La suma de los picos de las amplitudes 1 y 2, sern iguales al pico
total de la vibracin slo cuando la componente fundamental (1X) est adelantada a la componente
de 2 orden (2X) por 45 o 225. Cualquier otra relacin angular resultar en un pico total menor que
la suma individual de sus componentes.La amplitud y la frecuencia de las componentes que constituyen una forma de onda se muestran
directamente en el espectro de frecuencias (ver Figura 1.14, trazo superior) En este grfica se despliega
amplitud vs. frecuencia. La descomposicin de una forma de onda peridica compleja en sus
componentes de frecuencia se muestra en la figura 1.15. El espectro muestra la descomposicin de la
forma de onda en las componentes armnicas que la constituyen. Las amplitudes de las armnicas
mostradas en el espectro se obtuvieron por medio de un analizador de espectros. La forma de onda no
puede reconstruirse a partir de este espectro de frecuencia a menos que el ngulo de fase de cada
componente armnica se conozca.Un analizador FFT utiliza un bloque de datos capturados durante un tiempo determinado y
relacionado a un rango de frecuencia seleccionado antes del procesamiento de los datos. Una
computadora digital que contenga un algoritmo (un procedimiento matemtico definido) lleva a cabo
la transformada rpida de Fourier (FFT) El analizador FFT despliega las componentes de la vibracin
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
23/163
1.16
en celdas (bins) o lneas (tpicamente 400 y mltiplos de este valor), igualmente espaciadas en un
rango de frecuencias. Las celdas pueden ser consideradas como una serie de filtros.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
24/163
1.17
ExcitacinEl propsito del anlisis de vibraciones es
identificar defectos y evaluar la condicin de
operacin de las mquinas. Las frecuencias se
usan para relacionar las fallas de las mquinas conlas fuerzas que causan la vibracin. Es por lo tanto
importante identificar las frecuencias de las
componentes de la mquina y sus sistemas
antes de realizar el anlisis de vibraciones. Las
fuerzas generalmente son el resultado de
defectos o desgaste de las componentes de la
mquina o son debidas al diseo del equipo o a
problemas de instalacin tales como eldesalineamiento, pata coja o floja, solturas o
flojedad, etctera. La tabla 1.4 muestra una lista de algunas frecuencias de excitacin comnmente
asociadas con mquinas; Es importante identificar la velocidad de operacin del equipo antes de
proceder con el anlisis de las vibraciones, debido a que las fuentes de vibracin se relacionan con
su velocidad de operacin.
Figura 1.14. El espectro de frecuencias y su relacin con la forma dela onda compleja.
Figura 1.15. Anlisis de la forma de onda.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
25/163
1.18
Frecuencias Naturales, Formas Modales y
Velocidades Crticas
Las frecuencias naturales se determinan por el
diseo de una mquina o de un componente. Sonpropiedades del sistema y dependen de la
distribucin de la masa y de la rigidez (ver figura
1.2). Cada sistema tiene un nmero de frecuencias
naturales, las que no son, sin embargo, mltiplos de
la primer frecuencia natural (excepto casos raros de
componentes simples) Las Frecuencias Naturales no
son importantes en el diagnstico de falla de una
mquina a menos que una frecuencia excitadora seubique cerca de una frecuencia natural o que ocurran impactos en la mquina. Si una frecuencia
excitadora es cercana a una frecuencia natural, se presenta una resonancia y los niveles de vibracin son
elevados debido a que la mquina absorbe energa con facilidad a sus frecuencias naturales. Si la
frecuencia de excitacin es un orden de la velocidad de operacin de la mquina, se conoce como
velocidad crtica. Solamente las frecuencias naturales que estn dentro del rango de frecuencias
excitacin son de inters para el anlisis de las vibraciones de las mquinas.
Figura 1.16.Forma modal de un rotor flexible.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
26/163
1.19
Tabla 1. 4 Algunas frecuencias de excitacin asociadas a mquinas
Fuente Frecuencias (mltiplos de la velocidad de giro)
Inducidas por fallas
Desbalance de masa 1X
Desalineamiento 1X, 2X
Eje flexionado 1X
Soltura o flojedad mecnica Armnicas impares de 1X
Distorsin de carcasa, cimentacin obase
1X
Rodamientos antifriccinFrecuencias caractersticas, no son armnicas de lavelocidad de giro
Impactos y mecanismos de impactoMltiples frecuencias, dependen de la forma deonda
Inducidas por diseo
Juntas universales 2X
Ejes asimtricos 2X
Engrane (n dientes) nX
Coples (m mordazas) mX
Remolino de aceite 0.43X a 0.47X
labes y aspas (m) mX
Mquinas reciprocantes1/2 y mltiples armnicas de la velocidad de giro,depende del diseo
Las formas modales de un sistema se asocian con sus frecuencias naturales. La forma que asume un
sistema al vibrar a una frecuencia natural se llama forma modal. Una forma modal no proporciona
informacin sobre el movimiento absoluto del sistema, sino que consiste en deflexiones en puntos
seleccionados. Las deflexiones se determinan con relacin a un punto fijo en el sistema, normalmente
ubicado en uno de los extremos del eje. El movimiento absoluto puede determinarse nicamente cuando
las fuerzas de vibracin y amortiguamiento se conocen. Un ejemplo de forma modal de un rotor flexible
se muestra en la figura 1.16. Los modos de rotores rgidos se determinan por la flexibilidad de los
cojinetes. Los rotores flexibles pueden vibrar en modos con movimiento lateral, torsional y axial. La
forma modal en donde el movimiento es nulo se conoce como un nodo. Obviamente los transductores
no deben montarse cerca o en un nodo.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
27/163
1.20
RESUMEN DE LA TEORA BSICA DE VIBRACIONES
Las tres caractersticas importantes de la vibracin son: frecuencia, amplitud y fase.
La frecuencia es el nmero de ciclos por unidad de tiempo.
El perodo es el tiempo requerido por un ciclo de vibracin y es el recproco de la frecuencia.La amplitud es el mximo valor de vibracin en una localidad dada de una mquina. Para el
desplazamiento se expresa en m o mils; para velocidad en mm/s o ips (inches per second); para la
aceleracin en m/s2o gs.
La amplitud de vibracin se expresa en unidades de cero a pico (0-P), pico a pico (P-P), o rms (root
mean square, valor cuadrtico medio)
El valor cero a pico y rms se emplean con velocidad y aceleracin. El valor de desplazamiento se
expresa en amplitud pico a pico.
Las medidas de vibracin -desplazamiento (esfuerzo), velocidad (fatiga), aceleracin (fuerza)-pueden convertirse una a otra si la vibracin es de una sola frecuencia (armnicos)
El ngulo de fase es la relacin en tiempo entre vibraciones y/o fuerzas de la misma frecuencia.
Una fuerza o frecuencia de excitacin causa vibracin. La vibracin siempre est retrasada con
respecto a la fuerza que la genera.
Las fuerzas vibratorias se generan por variables de procesos, diseo inadecuado, mala instalacin y
defectos en la fabricacin o desgaste.
Las vibraciones se analizan por medio de formas de onda y en el espectro de frecuencias.
Las frecuencias naturales son una propiedad del sistema mecnico y dependen de la masa y de larigidez.
La resonancia ocurre cuando la frecuencia de una fuerza de excitacin es igual o cercana a una
frecuencia natural.
Una velocidad crtica es una resonancia especial en una mquina rotatoria.
La vibracin se amplifica en la resonancia.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
28/163
2.1
CAPITULO II
ADQUISICIN DE DATOS
Las decisiones sern tan acertadas como los hechos en que se han basado.
Los registros de vibracin
se obtienen de una mquina
por medio de un transductor
que convierte la vibracin
mecnica a una seal
elctrica de voltaje (Figura
2.1) La calidad de la seal
obtenida de la mquina,
depende del transductor
seleccionado as como de laforma en que se monta y de
su ubicacin.
La correcta adquisicin de
datos de vibracin es la clave
para realizar un monitoreo de
mquinas efectivo, llevar a
cabo un diagnstico de falla,
evaluar la condicin y
realizar pruebas de aceptacin. La adquisicin de datos de buena calidad requiere de unaplaneacin que involucra: la mquina, la naturaleza de los datos de vibracin esperados, la
instrumentacin disponible y el propsito de la prueba.
Antes de realizar la adquisicin de datos, el analista debe formular un plan tcnica y
econmicamente viable basado en el propsito de los datos a adquirir (esto es, monitoreo,
diagnstico, evaluacin de condicin o pruebas de aceptacin) Los tpicos considerados en este
captulo incluyen la seleccin de la medida de vibracin (desplazamiento, velocidad o aceleracin),
el transductor, su montaje y su ubicacin. Debido a que los datos se digitalizan en forma previa a
su almacenamiento, los tiempos de adquisicin y tamao de muestra tambin deben considerarse de
tal forma que los despliegues adecuados de la informacin sean adecuados para el anlisis y la
evaluacin. La clave para un trabajo de calidad en el campo de vibraciones es una adecuada
adquisicin de datos.
Figura 2. 1. Adquisicin de datos de una mquina.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
29/163
2.2
Seleccin del parmetro a medirUna medida es una unidad o estndar de medida que provee un medio para evaluar los datos. Tres
parmetros de vibracin estn disponibles: desplazamiento, velocidad y aceleracin. Idealmente, el
transductor proporcionara el parmetro medido en forma directa, sin embargo, las limitaciones deltransductor no siempre permiten la medicin directa de la vibracin en el parmetro adecuado.
El parmetro a medir se selecciona en funcin del contenido de frecuencia de la vibracin presente, del
diseo de la mquina, del tipo de anlisis que se efectuar (fallas, condicin, informacin de diseo) y
la informacin buscada.
El desplazamiento absoluto,que se emplea para medir vibracin estructural de baja frecuencia (de 0 a
20 Hz), est relacionado con el esfuerzo (eje o estructura) y tpicamente se mide con un acelermetro
con doble integracin. El desplazamiento absoluto, de un eje debe ser medido por medio de un
transductor de contacto o un transductor de no contacto en combinacin con un transductor ssmico,sin embargo, la frecuencia debe ser considerada cuando la severidad del desplazamiento o de
aceleracin se evalen.
El desplazamiento relativo de un ejede mide con un sensor de proximidad y muestra la vibracin del
eje con respecto al cojinete. Se emplea en un rango de frecuencia amplio.
Para monitoreo general de maquinaria y anlisis con un rango de 10 a 1,000 Hz, la velocidad,es el
parmetro predeterminado. La velocidad, como razn de cambio del desplazamiento con respecto al
tiempo, depende de la frecuencia y del desplazamiento y se relaciona con la fatiga. Se ha demostrado
que es una buena medida en el rango de 10 a 1,000 Hz porque un valor nico expresado en rms o ceroa pico puede usarse para evaluaciones gruesas de la condicin sin necesidad de considerar a la
frecuencia. La mayora de los colectores de datos modernos emplean acelermetros, por lo que la
seal se integra para obtener velocidad.
La aceleracines el parmetro empleado para frecuencias superiores a 1,000 Hz. Se relaciona con la
fuerza y es usado para medir altas frecuencias tales como frecuencias de engranaje y defectos en
rodamiento antifriccin.
La aceleracin y la velocidad son medidas absolutas que se toman sobre la caja del cojinete o tan cerca
a ste como sea posible. El desplazamiento relativo entre la carcasa y el rotor, tpicamente se mide pormedio de un sensor de proximidad instalado en forma permanente. Algunas aplicaciones generales de
los parmetros a medir y el rango de frecuencias aplicables se muestran en la Tabla 2.1. Los rangos de
frecuencia predeterminados para colectores de datos se muestran en la Tabla 2.2. Varios parmetros a
medir que dependen de la mquina, se listan en la Tabla 2.3.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
30/163
2.3
En resumen, la seleccin de un parmetro (desplazamiento, velocidad o aceleracin) para evaluar fallas
o condicin de mquinas, se basa en los rangos de frecuencia tiles del parmetro medido (Tabla 2.1),
del rango de frecuencias predeterminado (Tabla 2.1 ) y de la aplicacin (Tabla 2.3)
Ejemplo 2.1: Seleccione un parmetro o parmetros de medida para una caja de engranes de reduccin
sencilla de 9 MW descrito en la Tabla 2.3.
La caja de engranes est equipada con cojinetes hidrodinmicos y es suficientemente grande (mayor de 500
HP) para justificar la instalacin permanente de sensores de desplazamiento de no contacto para evaluar la
posicin del eje dentro del cojinete y la relacin amplitud de vibracin a claro del cojinete. El analista
podr entonces evaluar la severidad de la vibracin del eje. Debido a que la frecuencia de engranaje (3,000
Hz) es mayor a 1,000 Hz (ver Tabla 2.1), la aceleracin de la carcasa debe ser monitoreada y analizada. Un
rango de frecuencia hasta 10,000 Hz (ver Tabla 2.2) se debe monitorear en trminos de aceleracin, y las
componentes de 75,000 cpm (entrada, eje de alta) y 12,000 cpm (salida, eje de baja), en trminos de
desplazamiento a partir de los sensores de proximidad.
Ejemplo 2.2: Seleccionar el parmetro o parmetros a medir para un rodillo secador. La velocidad
de giro es de 300 rpm. El rodillo de varias toneladas est montado en rodamientos antifriccin con
26 elementos rodantes.
Debido a que el rodillo opera a baja velocidad, el desbalance de masa no es de consideracin ya que
la fuerza es baja. La frecuencia caracterstica mayor del rodamiento es la que corresponde a la
frecuencia de defecto de falla de la pista interna (BPFI) y puede aproximarse de acuerdo a la
siguiente ecuacin:
BPFI = 0.6 x velocidad de giro x (No. de rodillos) = 0.6 x 300 x 26 = 4,680 cpm (78 Hz)
De la tabla 2.2 se observa que el rango de frecuencia debe ser igual a: 10 x BPFI = 10 x 4680 =
780 Hz. Por lo tanto, y de acuerdo a la Tabla 2.1, este valor puede ser cubierto en trminos de
velocidad.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
31/163
2.4
Tabla 2. 1.Parmetros empleados para medicin de parmetros en mquinas
ParmetroRango til defrecuencias
Parmetrofsico
Aplicaciones
Desplazamientorelativo
0 1,000 HzEsfuerzo y
movimientoMovimiento relativo del eje en cojinetes o
carcasas
Desplazamientoabsoluto 0 20 Hz
Esfuerzo ymovimiento
Movimiento estructural
Velocidad 10 1,000 HzEnerga y
fatigaCondicin general de la mquina yvibraciones de frecuencias medias
Aceleracin > 1,000 Hz FuerzaCondicin general de la mquina y
vibraciones de frecuencias medias y altas
Ejemplo 2.3: Seleccione parmetro(s) a medir para un motor de induccin de 200 HP, 4 polos, con 8
elementos rodantes en sus rodamientos antifriccin.
La vibracin a la velocidad de operacin tiene una frecuencia cercana a 1,800 cpm (30Hz) y un rango defrecuencia de 300 Hz, el cual se ubica dentro del rango de velocidad. El rango de frecuencia del rodamiento
es: 10 X BPFI = 10 X 0.6 X 8 X 1,800 cpm= 86,400 cpm (1,440 Hz)
Debido a que la mayor parte de la actividad se encuentra en el rango cubierto por velocidad, puede
emplearse un transductor de velocidad (o un acelermetro con integracin sencilla) a pesar de que
exista alguna actividad arriba de 1,000 Hz. Los rangos de frecuencia tiles para las medidas empleadas
se traslapan, por lo tanto, la medida debe seleccionarse de acuerdo a la porcin de frecuencia
predominante del componente. Por ejemplo, si el rango de frecuencia predeterminado para el
rodamiento hubiese sido 2,880 Hz (16 elementos rodantes), el parmetro de aceleracin, se hubiese
seleccionado para los rodamientos, sin embargo, el rango de frecuencia de 300 Hz para el rotor, an seubica dentro del rango de velocidad; por lo tanto, dos medidas, velocidad y aceleracin, se requeriran.
Tabla 2. 2 Rangos de frecuencia predeterminados para colectores de datosComponente Rango de frecuencia
Vibraciones del eje 10 X velocidad de giro
Cajas de engranes 3 X frecuencia de engranaje
Rodamientos de elementos rodantes(rodamientos antifriccin)
10 X BPFI
Bombas 3 X Paso de labes
Motores y Generadores 3 X 2 FL (frecuencia de lnea)
Ventiladores 3 X Paso de aspas
Cojinetes cilndricos o comunes 10 X velocidad de giro
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
32/163
2.5
Transductores de Vibracin
La informacin sobre la vibracin se adquiere por transductores colocados en posiciones ptimas
sobre un sistema mecnico. Los transductores convierten las vibraciones mecnicas a seales
elctricas que se acondicionan y
procesan con una amplia variedad deinstrumentos.
Estos instrumentos proveen la
informacin necesaria para realizar un
monitoreo de condicin, verificar el
desempeo, diagnosticar fallas e
identificar parmetros. La magnitud, la
frecuencia y el ngulo de fase entre dos
seales se emplean para efectuar una
evaluacin.
La seleccin del transductor est basada
en la sensibilidad, el tamao, la medida
seleccionada, la respuesta a la frecuencia
y el diseo y velocidad de la mquina.
La respuesta de cualquier instrumento,
incluyendo los transductores, determina
la calidad de respuesta del instrumento a un estmulo (voltaje o vibracin) a una frecuencia dada. Los
analistas desean una frecuencia plana en el rango de frecuencias observado. Provee el transductor una
seal elctrica que es proporcional a la vibracin que est midiendo? Desafortunadamente, la respuesta
es no en algunos casos. En la Figura 2.2. por ejemplo, se observa que la curva de respuesta para un
sensor de velocidad no es plana. A bajas frecuencias presenta atenuacin, esto es, su respuesta es menor
a una seal de la misma fuerza que la que tiene a frecuencias mayores a 20 Hz. Esto significa que si el
mismo factor de escala de 484 mV/ips se emplea en todo el rango de frecuencia, las amplitudes a bajas
frecuencias sern menores que las reales. Las curvas de respuesta a la frecuencia (amplitud vs.
frecuencia) tales como las mostradas en la Figura 2.2, tpicamente se proveen por el fabricante del
transductor.
La sensibilidad del transductor es la relacin del voltaje de salida a una vibracin de entrada dada; porejemplo, 200 mV/mil, 500 mV/ips, 100 mV/g. Cuanto mayor es el voltaje de salida por unidad de
ingeniera de entrada, mayor ser la sensibilidad del transductor.
Figura 2. 2 Frecuencia de respuesta de algunostransductores de velocidad.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
33/163
2.6
Sensores de proximidad. El sensor de proximidad (sensor de desplazamiento de no contacto, de
corrientes de remolino eddy) mostrado en la Figura 2.3, mide el desplazamiento esttico y
dinmico de un eje con respecto a la caja del cojinete. En varias mquinas se monta en forma
permanente para monitoreo continuo (proteccin) y anlisis. La aplicacin de los sensores de
desplazamiento relativo para medir las vibraciones en las direcciones radial y axial se cubren endetalle en la norma API 670 rotores livianos instalados en carcasas robustas tales como turbinas,
compresores, etctera. Debido al peso y la rigidez de la carcasa, la alta vibracin del rotor liviano no
afectar mucho al incremento de la vibracin de la carcasa; en estos casos es necesario medir la
vibracin real del eje con los captadores de proximidad. Las aplicaciones de estos captadores en la
medicin de las vibraciones en las posiciones axial y radial son tratadas en detalle en el API 670 [1].
Tabla 2. 3 Seleccin de Medidas para varios tipos de Equipos1
MquinaPotencia
(HP/Mw)
Giro (RPM)
Frecuencias (Hz)
Tipo de
CojineteMedida
Transductor
esCaja de
engranajes desimple
reduccin
9 Mw7,500 RPM input1,200 RPM output
GM = 3,000 Hz
pelcula deaceite
desplazamiento del eje2aceleracin de la
carcasa3
captador deproximidad
acelermetro
Caja deengranajes de
doble reduccin400 HP
1,800 RPM input200RPM out putGM=375.725 Hz
rodamientosde 15
rodillosaceleracin y velocidad
acelermetroo velocidad
Turbina a vapor18,000
HP5,000 RPM
pelcula deaceite
desplazamiento del ejecaptador deproximidad
Turbina a vapor 500 Mw 3,600 RPM
pelcula de
aceite desplazamiento del eje
captador de
proximidad
Turbina a gas 50 Mw 9,000 RPMpelcula de
aceite
desplazamiento del ejeaceleracin de la
carcasa
captador deproximidad
acelermetroMotores deInduccingrandes
4,000 HP 3,600 RPMpelcula de
aceitedesplazamiento del eje
captador deproximidad
Motores deInduccin
200 HP 1,800 RPMrodamiento
de 08rodillos
velocidad de la carcasaacelermetroo velocidad
Motores Diesel 400 HP 1,800 RPM
pelcula de
aceite velocidad de la carcasa
acelermetro
o velocidad
Bombascentrfugas dealta eficiencia
18,000HP
5,000 RPMpelcula de
aceite
desplazamiento del ejey velocidad de la
carcasa
captador deproximidad
acelermetroo velocidad
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
34/163
2.7
Continuacin Tabla 2.3. Seleccin de Medidas para varios tipos de Equipos1
MquinaPotencia(HP/Mw)
Giro (RPM)Frecuencias (Hz)
Tipo deCojinete
MedidaTransductor
es
Bombas
centrfugas
200 HP 1,800 RPMrodamiento
de 12
rodillos
velocidad de la carcasa acelermetro
Bombasreciprocantes
200 HP 300 RPMrodamiento
de 15rodillos
velocidad de la carcasaacelermetroo velocidad
CompresoresCentrfugos
1,000 HP 5,000 RPMpelcula de
aceitedesplazamiento del eje
captador deproximidad
CompresoresReciprocantes
500 HP 480 RPMpelcula de
aceitevelocidad de la carcasa
acelermetroo velocidad
Dryer Roll 300 RPMrodamiento
de 26rodillos
velocidad de la carcasaacelermetroo velocidad
1 Solamente medidas convencionales, HFD, deteccin de envolventes y otras tcnicas especiales noincluidas.
2 Eje = Vibracin relativa del eje.3 Carcasa = Caja de cojinetes
La sonda o probeta est constituida por unabobina plana protegida por un plstico noconductivo o un material cermico, la cual seubica en el extremo de un cuerpo metlicoroscado. Un oscilador demodulador, tambinconocido como driver o proximitor, serequiere para excitar la sonda para unafrecuencia de 1.5 a 2 MHz. El campomagntico resultante, se rada de la punta de lasonda. Cuando se aproxima un eje a la sonda,se inducen corrientes de remolino sobre el ejeque extraen energa del campo y su magnituddecrece. Esta disminucin en la amplitud,genera una seal de CA, directamente
proporcional a la vibracin. El voltaje constantedel oscilador demodulador, vara en proporcin ala distancia que existe entre la punta de la sonday el material conductor. La sensibilidad de la
sonda es generalmente de 200 mV/mil (8 mV/m) dentro de un rango de 0 a 80 mils ( 0 a 2 mm) Eloscilador demodulador requiere una alimentacin de voltaje negativo de 24V CD; la sonda debe estarblindada y aterrizada.
Figura 2. 3a. Captador de Proximidad.Cortesa de Bently Nevada Corporation
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
35/163
2.8
La sensibilidad de los captadores es generalmente 200 mv/mil (8 mv/m) por separacin o gap
de 0 a 80 mils. El oscilador demodulador requiere el suministro del voltaje negativo de 24 V DC,
el sensor debe ser blindado y con puesta a tierra.
Figura 2.3b. Captador de Proximidad montado en elalojamiento de cojinetes.
Figura 2.3c. Esquema de funcionamiento delCaptador de Proximidad.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
36/163
2.9
Figura 2.4b. Curva de Factores de Correccin parael Transductor ssmico de velocidad IRD 544.
Transductores de Velocidad. Estos sensores (ver figura 2.4a) son auto excitados o sea que no
requieren suministro de energa para
trabajar, se llaman tambin sensores
ssmicos porque interiormente tiene
una bobina suspendida con dos resortesdentro de un campo magntico fijo.
Al existir movimiento relativo entre el
imn permanente y la bobina se genera
una seal elctrica que responde
directamente a la velocidad de la
vibracin. Son utilizados para medir
las vibraciones en los alojamientos de
los cojinetes en el rango de frecuencias de 10 hasta 2,000 Hz.
Un transductor de velocidad tpico genera 500 mV/pulg/seg, excepto para frecuencias
inferiores a 10 Hz (ver figura 2.2).
La sensibilidad baja para
frecuencias inferiores de 10 Hz,
porque la bobina ya no se queda
fija en el espacio sino que tiende a
seguir el movimiento del imn
permanente entonces las lecturas
deben ser corregidas por un factor
(>1) que depende de la frecuencia
(ver figuras 2.2 y 2.4b).
Figura 2.4a.Transductor Ssmico de Velocidad.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
37/163
2.10
Acelermetros. Son sensores utilizados para medir los niveles de vibracin en carcasas y
alojamientos de cojinetes, son sensores que tpicamente se suministran con los colectores de
datos. El acelermetro consiste en una pequea masa montada sobre cristales piezoelctricos que
producen pequeas seales elctricas proporcionales a la aceleracin cuando hay una fuerza
aplicada (ver figuras 2.5a y 2.5b). Para poder medir la pequea seal elctrica generada por loscristales piezoelctricos los acelermetros tienen incorporados amplificadores electrnicos de
alta ganancia, por ejemplo el acelermetro IRD 970 tiene una sensibilidad de 50 mV/g.
El tamao de un acelermetro es
proporcional a su sensibilidad: Un
acelermetro, tan pequeo como un borrador de
lpiz tiene una sensibilidad de 5 mV/g y una
respuesta plana hasta 25 kHz. Un acelermetro
de 1,000 mV/g que es utilizado para
mediciones a bajas frecuencias, puede ser tan
grande como un transductor de velocidad y
tener una respuesta plana hasta 1,000 Hz. El
analista debe tener cuidado de las caractersticas
de cada acelermetro antes de utilizarlos.
Si se desea medir velocidad de vibracin, la seal es usualmente integrada antes de ser
registrada o analizada, en la figura 2.7 se muestra un integrador anlogo y suministrador de
potencia, este accesorio tiene su propiafrecuencia de respuesta caracterstica y una
determinada disminucin a bajas frecuencias.
Como la aceleracin es una funcin del
desplazamiento y la frecuencia al cuadrado
(Aceleracin = 2fV = (2f)2D), los
acelermetros son sensibles a las amplitudes
de la vibracin a altas frecuencias debido a
esta caracterstica es particularmente til
para monitoreo fijo debido a su larga vida y
su baja sensibilidad cruzada (la sensibilidad
cruzada significa que el transductor genera
Figura 2.5a. Acelermetro y Suministrador dePotencia.
Cortesa de PCB Piezotronics Inc
Figura 2.5b. Esquema del Acelermetro conamplificador incorporado.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
38/163
una se
la long
Acceso
Cuando
el giro d
utilizan
sincroni
rotativo
la adqui
adquirid
disparad
accesori
algunos
ngulo d
(ver figu
Figur
al en la dir
itud del ca
ios de dispa
es ventajoso a
el eje o con l
los accesori
ado a la frecu
ue enva una
sicin de lo
s en la mis
r enve una s
de disparo
de sus mlti
e fase entre la
ra 1.11).
2.6. Martillde fuer
ccin X por
le y la sen
cu
T
m
ga
el
pi
m
ro.
sociar directa
a vibracin d
s de dispar
encia de una
seal a un an
datos y tod
a posicin a
al al analiza
st asociado
los, al estar
seal de refer
y Calibradza.
vibracione
ibilidad po
idadosamen
ansductore
rtillos mod
uges), tambi
ctricas que
zoelctricos
dificada por
ente los dat
otras partes
; este acces
arca o una pr
lizador u osci
os los datos
ngular del ej
or. La frecue
con la veloci
asociados se
encia y la se
r
2.11
en la direc
temperatur
te.
de Fuerza
les (modal
n contienen
son proporc
generan un
la conversi
s de vibraci
de la mquin
rio detecta
otuberancia d
loscopio que i
empezarn
cada vez q
ncia de la se
ad del eje o
puede medir
l de la vibrac
in Y), sin
a del acele
. Los transd
ammers) o
cristales pi
ionales a la
seal de a
n de la carga
con
a, se
es
l eje
nicia
ser
e el
l del
de
el
in
Figanlo
Cort
embargo; E
metro deb
uctores de f
calibradores
zoelctricos
fuerza aplic
plia impeda
o voltaje a b
ra 2.7. Acceo y suministesa de PCB
l ruido del c
en ser eval
erza, tales
de fuerzas
y generan s
ada. Los cri
ncia que de
ja impedanci
orio Integradador de potepiezotronix I
able,
adas
omo
force
ales
stales
e ser
a.
orncia.c.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
39/163
2.12
Sensores pticos. Los sensores pticos (ver figura 2.8) son a menudo utilizados para obtener una seal de
referencia por revolucin del eje, el cual es requerido para medir
el ngulo de fase entre la marca de referencia que gira a las RPM
del eje y una seal filtrada de vibracin a la frecuencia de giro
del eje. El rayo de luz que sale del sensor ptico se refleja en lacinta reflectante pegada al eje una vez por cada revolucin, el
sensor enva un pulso de voltaje al analizador (ver figura 1.11) y
este compara la seal de la cinta reflectante con otros eventos;
por ejemplo, otras cintas reflectantes en el eje, picos de vibracin
filtrada a la misma frecuencia o su propia seal para determinar
las RPM del eje.
Los sensores pticos tambin pueden ser utilizados para determinar la diferencia de tiempos entre
dos cintas reflectantes separadas y ubicadas en la misma posicin angular de un eje, esta medida es lavibracin torsional del eje. El sistema ptico incluye el sensor, cinta reflectante en el eje y el
amplificador con el suministrador de potencia.
Sensores Magnticos. Son sensores autoexcitados (ver figura 2.9), pueden ser utilizados como un accesorio de un
disparador porque emite un pulso de voltaje cuando el sensor se acerca a
una discontinuidad por ejemplo, la protuberancia de una chaveta en el eje;
el sensor generalmente se ubica a una distancia de 20 mils de la
discontinuidad ms elevada del eje. Los sensores magnticos son utilizados
para medir las vibraciones torsionales, porque producen una serie de pulsosde voltaje proporcionales a las RPM del eje. Si las vibraciones torsionales
estn presentes, el tiempo entre pulsos vara producindose una frecuencia
modulada.
Una desventaja del sensor magntico es el acondicionamiento de la
seal que algunas veces es complicado porque la magnitud del voltaje
depende de la velocidad del eje; los sensores de proximidad
proporcionan la misma funcin de disparo sin sta desventaja.
Figura 2.8. Sensor ptico.Cortesa de Monarch Instrument
Figura 2.9. SensoresMagnticos.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
40/163
2.13
Luz Estroboscpica.La luz estroboscpica es utilizada para medir la velocidad de giro del eje o el ngulo de
fase en conjuncin con un sensor de vibracin (ver figura 1.12). Para medir las RPM del eje, la frecuencia de
encendido de la luz se vara lentamente hasta llegar a sincronizar con las RPM y el eje se observar como si
disminuyera su velocidad hasta quedar estacionario. Para medir el ngulo de fase, el encendido de la luz
estroboscpica ocurre cuando la seal vibratoria cambia de menos a ms, esto significa que el punto mselevado estar siempre adelantado 90 con respecto al encendido de la luz.
Seleccin de los transductores
Las consideraciones ms importantes en la seleccin de los transductores son; frecuencias de respuesta,
proporcin de seal y ruido, sensibilidad del
transductor y magnitud de la seal que va ha ser
medida. El rango de frecuencias del transductor
debe ser compatible con las frecuencias generadas
por los componentes mecnicos de la mquina, delo contrario se debe seleccionar otro transductor y la
seal convertida a sus propias unidades de
medicin; por ejemplo, si la medicin de velocidad
es decidida para frecuencias superiores a 2,000 Hz,
se debe seleccionar como transductor a un
acelermetro y para obtener
velocidad se debe integrar la seal; si se desea la
forma de onda de la velocidad, entonces la seal
debe ser adquirida de un transductor de velocidad ode una seal integrada a partir de un transductor de
aceleracin.
Los colectores de datos son suministrados
usualmente con un acelermetro debido a su rango de frecuencias de respuesta y por ser pequeos. El rango de
respuesta es determinante para que el usuario no trate de medir las vibraciones en un rango de frecuencias para el
cual el colector no responde apropiadamente; por ejemplo, un colector tpico que responde hasta una frecuencia de
8kHz y una caja de engranajes tiene una frecuencia de engrane de 10 kHz entonces la seal estar fuera del rango
de medicin del colector. La aceleracin es medida por muchos colectores que proporcionan lecturas en
aceleracin o velocidad, los parmetros seleccionados dependen del criterio escogido.El cable que transmite la seal al colector de datos puede causar errores de lectura; Los cables estndar
especialmente fabricados son ms convenientes que los cables coaxiales estndar por ser ms flexibles y
resistentes a la rotura por concentracin de esfuerzos localizados al curvarse en las tomas vibracionales o al ser
empacados para el transporte.
Figura 2.10. Rangos de frecuencia de acuerdo con elmtodo de montaje
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
41/163
2.14
Adicionalmente, las terminales deben ser manipuladas cuidadosamente; muchos fabricantes de
acelermetros suministran los conectores roscadosAmphenol 97seriesTMque pueden aflojarse en el
campo causando el giro y su posterior rotura. Se puede aminorar este tipo de fallas aplicando
LoctiteTM a todas las conexiones roscadas cuando son nuevas. Un cable de repuesto es siempre
necesario, estos cables son conectores de computadoras y deben ser manipulados con cuidado.
Montaje de Transductores
El mtodo utilizado para montar el transductor de vibracin, afecta la curva de respuesta del sensor,
porque la frecuencia natural del acelermetro disminuye dependiendo del mtodo de montaje empleado (ver
figura 2.10). El mtodo de montaje seleccionado debera proporcionar una respuesta plana en el rango de
frecuencias que se desea analizar (ver tabla 2.4). Los datos por montaje de los transductores estn disponibles
en [3], ver tabla 2.4 el montaje con esprrago sobre una superficie plana de buen acabado y limpia proporciona
la frecuencia ms elevada de respuesta, la respuesta disminuye progresivamente para; cera de abejas,
pegamento epxico y base magntica. La confiabilidad ms baja de las lecturas se obtiene con la sonda manual
de 9 pulgadas, cada acelermetro con el mtodo de montaje elegido tiene una nica frecuencia natural y un
rango de frecuencias de trabajo.
Tabla 2. 4 Rango de frecuencias aproximadas para un acelermetro de 100 mv/g desensibilidad
Mtodo de Montaje Lmite de Frecuencias CPM
Sonda de 9 pulgadas 30,000
Magntico 120,000
Pegamento epxico 150,000 a 240,000Cera de abejas 300,000
Esprrago 360,000 a 600,000
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
42/163
2.15
Figura 2.12. Posiciones de medicin en la zona de carga.
Localizacin de los Transductores
La clave para lograr precisin de las lecturas de vibracin es localizar los transductores en puntos estratgicos
donde responda a la condicin de la mquina o tan cerca de los cojinetes como sea posible, en la figura 2.11 se
observa los puntos ptimos de montaje de los
transductores para la adquisicin de datos. Lasposiciones horizontal y vertical a la lnea central del
cojinete son utilizadas para detectar las vibraciones
causadas por fuerzas radiales tal como el
desbalance. En la figura el peso del rotor causa una
zona de carga en la parte inferior, la posicin axial
es utilizada para detectar las vibraciones causadas
por fuerzas axiales. Los sensores deben ser
instalados lo mas cerca de los cojinetes, si lasuperficie exterior de los alojamientos de cojinetes
es de difcil acceso , se deber identificar el lugar
ms significativo para el
registro ptimo de
informacin, desde el eje
hasta el punto de registro,
evitando la transmisin a
travs de planchas delgadas,
guardas y empaquetaduras.
Si los rodamientos son
radiales las lecturas de
vibracin deben ser radiales
y si es de contacto angular
la lectura debe ser axial,
siempre se debe considerar
el lado de carga delrodamiento. En la figura
2.12 se muestra las posiciones
del transductor recomendadas para una mquina tpica. El detalle del diseo interno es necesario para
determinar el tipo de cojinete y el camino ptimo de transmisin de la seal vibratoria. Cuando los cojinetes
Figura 2.11. Puntos ptimos de Medicin
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
43/163
2.16
son inaccesibles, los transductores pueden ser montados y luego cableados a una caja de conexiones que
permitan los registros de vibracin fcilmente.
La tolerancia diametral interna existente en los cojinetes de baja velocidad y de altas cargas -
tpicamente los rodamientos de rodillos esfricos permite el contacto solamente en el lado de carga del
ensamble de la pista interior, rodillos y pista exterior.En general las lecturas radiales son tomadas en los cojinetes radiales o rodamientos de contacto angular
igual a 0, estos cojinetes son utilizados en motores elctricos, ventiladores medianos y ligeros y en unidades
de transmisin de potencia no sujetas a cargas axiales.
El cojinete de contacto angular o cualquier cojinete que absorba el empuje axial tiene un acoplamiento
radial - axial que requiere de la medicin axial para un monitoreo preciso. Los engranajes de contacto
angular y helicoidal absorben el empuje y las vibraciones deberan medirse en el sentido axial; Las lecturas
radiales son requeridas para verificar la condicin de la mquina a la velocidad de operacin (1X) tales como
desbalance, desalineamiento, soltura, resonancia y eje combado.
Rango de Frecuencias
Los espectros pueden ser colectados como parte de la funcin de pantalla de muchos colectores de datos, el
rango de frecuencia debe reflejar apropiadamente la muestra con la apropiada seleccin del transductor. Los
engranajes pueden generar frecuencias de engrane con armnicas significativas que pueden ser cortados por
el lmite de 2 kHz del transductor de velocidad, entonces la medicin debe ejecutarse con un acelermetro.
El corte tambin puede ocurrir cuando el rango de frecuencias del espectro es menor que la frecuencia
mxima que esta siendo transmitida. La tabla 2.2 contiene rangos de frecuencias recomendados por
espectros tomados en mquinas rotativas para monitoreo y anlisis, los rangos se basan en las RPM y otras
frecuencias de la mquina. El corte en el rango de frecuencias est indicado por los valores de la energa
espectral que son significativamente ms bajos que el nivel total.
Sin embargo, si el rango espectral es ancho, la resolucin puede ser reducida a tal punto que no se
pueda discriminar las frecuencias; Si no hay la adecuada resolucin en los rangos de frecuencias
disponibles, se requerirn varios rangos de frecuencias con la adecuada resolucin para cubrir el rango
total deseado para analizar. Una ptima configuracin permite la suficiente resolucin para analizar la
frecuencia a la velocidad de operacin y sus bandas vecinas, tambin el rango de frecuencias elevadas
para rodamientos y engranajes. Es recomendable dividir los datos en dos o tres rangos para incrementar
las lneas de resolucin y obtener una mejor resolucin del espectro, de esta manera ser necesario
tomar los datos con el colector dos o tres veces en el mismo punto para poder cubrir todo el rango de
frecuencias deseado.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
44/163
2.17
Presentacin de los Datos en la Pantalla
Los datos de vibracin de una mquina que trabaja a una velocidad constante son generalmente
repetitivos; Pequeas variaciones ocurren como una influencia de la carga, temperatura y del proceso.
Las condiciones ambientales y de carga deberan ser tomadas en cuenta cuando se recolectan los datos;
Tpicamente los datos son presentados en un espectro de frecuencias, una forma de onda y una rbita.
Ejemplo 2.4: Un esmeril gira 6,000 RPM y est soportado por rodamientos de rodillos (19
elementos). Los rangos de frecuencias recomendado segn la tabla 2.2 para este tipo de
mquinas son: 60,000 CPM (1000 Hz) para la vibracin del eje y 19x0.6x6,000x10 = 684,000
CPM (11,400 Hz) para los elementos de los rodamientos. Es probable que el rango de
frecuencias del colector sea de 720,000 CPM (12,000 Hz)
Esta situacin requiere lo siguiente: Para fallas a la velocidad de operacin; un espectro de velocidad
con un rango de frecuencias de 60,000 CPM (1,000 Hz). Si se utiliza un espectro de 400 lneas con una
ventanaHanning, se obtendr una resolucin de: (60,000 CPM / 400 lneas) x 3 = 7.5 Hz (ver CapituloIII).La resolucin es adecuada para las fallas a la velocidad de operacin.
Para las fallas de elementos de rodamientos de rodillos, la frecuencia de las bandas vecinas
ms bajas es 0.4 RPM (ver Captulo IV)= 2,400 CPM (40 Hz) Por lo tanto, se requiere una
resolucin mnima de 40 Hz, entonces el nmero de lneas requeridas son:
N = (FMAX/ RES) (3) = (12,000/40)(3) = 900 lneas
Por lo tanto, se requiere 1,600 lneas de resolucin.
La Forma de Onda.La forma de onda es el grfico de la amplitud de vibracin versus tiempo, esto
refleja el comportamiento fsico de la mquina en seal vibratoria, la forma de la onda es utilizada para
identificar eventos nicos de una
mquina y su repeticin. El tiempo
de presentacin de los datos en
forma de onda depende de la
informacin solicitada. Tpicamente
es relativo al periodo de la velocidad
de operacin (seg) = 60/RPM. La
mejor resolucin del ngulo de fasepara el balanceo bsico se obtiene utilizando la presentacin del periodo fundamental , en la figura
2.13 se muestra la forma de la onda de 12(400 mseg / 33.3 mseg). En la figura 1.14 se muestra una
forma de onda de 39(60/936 = 0.0641 seg = ); el rango es de 2.5 seg; Por lo tanto, 2.5/0.0641 = 39, el
cual permite el anlisis de eventos en largos periodos de tiempo.
Figura 2.13. Forma de Onda de un Compresor
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
45/163
2.18
Espectro. La configuracin del espectro de la figura 1.14 esta determinado por el rango de
frecuencias de los datos para que toda la informacin sea obtenida. La resolucin, el rango dinmico
y la exacta amplitud son
determinados por la configuracin del
analizador FFT (ver Capitulo III). Enla figura se muestra el espectro con
un rango de frecuencias igual a
10xRPM para analizar las vibraciones
del eje. Estos datos fueron procesados
en un analizador de configuracin fija
de 400 lneas, as que no se puede
variar la resolucin excepto el tipo de
ventana. La ventana flat top fueutilizada para lograr precisin en la
medicin de la amplitud, pero la
resolucin disminuye (183.2 CPM
para la ventana flat top vs 72 CPM
para la ventana Hanning) ver
Capitulo III. En tales situaciones, si
se requiere rangos de frecuencia con mayor resolucin ser necesario procesar dos o ms espectros
con diferentes rangos de frecuencia. Con un colector de datos el analista tiene la opcin deincrementar las lneas de resolucin en lugar de tomar ms espectros.
rbita.La rbita mostrada en la figura 2.14 es una presentacin en la pantalla de dos dimensiones de
la vibracin de un punto de la mquina, las rbitas son comnmente colectadas por sensores de
proximidad, que muestran el movimiento fsico del eje con respecto del cojinete. Las rbitas se
utilizan para mostrar el movimiento de los pedestales, tuberas o cualquier estructura cuando una
mejor visualizacin de la vibracin de los objetos es deseada.
Figura 2.14. Presentacin de la Orbita
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
46/163
2.19
Resumen de la Adquisicin de Datos
El empleo de medidas de desplazamiento, velocidad o aceleracin para evaluar la condicin demaquinaria depende de las caractersticas especficas de la mquina.
Los transductores de vibracin deben seleccionarse de acuerdo a la respuesta en frecuencia,
magnitud de la seal, tamao, tipo de mquina y tipo de cojinete. La magnitud de la seal depende de la medida seleccionada y de la frecuencia de inters.
Las seales de aceleracin a bajas frecuencias son pequeas en magnitud, tal como es eldesplazamiento a altas frecuencias.
La integracin de la seal de aceleracin puede causar elevadas amplitudes y ruidos a bajafrecuencia.
La respuesta a la frecuencia es la capacidad de un transductor de reproducir la magnitud devibracin dentro de un rango de frecuencias dado.
Los transductores de vibracin deben colocarse cerca del cojinete y sujetarse apropiadamente paraadquirir datos a la frecuencia de inters.
Las vibraciones a la velocidad de operacin (1X), tales como desbalance, desalineamiento, soltura,etctera son monitoreados en la direccin radial y analizados en las direcciones radiales y axial.
Los rodamientos de contacto angular, as como engranajes no rectos se miden en la direccin axial.
Hay que seleccionar los rangos de frecuencia y nmero de lneas adecuado para que toda laactividad vibracional se capture con una resolucin adecuada.
La correcta configuracin del colector de datos proporciona una presentacin que mejora elanlisis.
Referencias
2.1.API 670, 1986, Vibration, Axial Positon, and bearing Temperature MonitoringSystem, 2nd ed.,American Petroleum lnstitute, Washington, D.C.
2.2. API 678, 1981, Accelerometer-Based Vibration Monitoring System, API, Washington, D.C.
2.3. Crawford, A.R. and Crawford, S., The Simplified Handbook of Vibration, Analysis, Volume 1,Computational Systems, Inc. (1992).
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
47/163
3.1
CAPITULO III
PROCESAMIENTO DE DATOS
Cuando el problema es difcil, la diferencia entre xito y fracaso ser la calidad de los datos
procesados.
Este captulo trata sobre el ajuste y las limitaciones de la instrumentacin que se usa para medir
vibraciones en forma rutinaria. Incluimos osciloscopios, analizadores FFT (analizadores de
transformada rpida de Fourier), y colectores electrnicos de datos. Los osciloscopios analgicos y
digitales, muestran la forma de onda en el tiempo y son utilizados para desplegar y analizar su forma
y frecuencias. Los osciloscopios pueden ser usados para evaluar fase y rbitas. Los analizadores FFT
y los colectores electrnicos de datos son usados en anlisis espectral y para evaluar la forma de onda
en el tiempo.
Osciloscopios.
El osciloscopio (Figura 3.1) mide y despliega
voltajes que varan en el tiempo. Un transductor
convierte la vibracin mecnica en una seal
elctrica proporcional (ver figura 2.1) calibrada en
unidades de ingeniera (EU) tales como mV/mil,
mV/ips, mV/g. Los osciloscopios son utilizados para
desplegar la forma de onda en el tiempo, rbitas y
marcas que se relacionan a eventos tales como la
rotacin de un eje (Figura 3.2)
Disparo (Triggering)El disparo o gatilleo es una funcin
importante tanto del osciloscopio como del analizador FFT.
Un disparador inicia la adquisicin de datos en un tiempo o
amplitud especficos y controla la adquisicin de datos por
una seal especfica (vibracin o disparo) El osciloscopio
puede ajustarse en modo de disparo automtico para unmuestreo continuo de datos. El disparo puede hacerse sobre una seal seleccionada con base a la pendiente y/o
magnitud de voltaje. El osciloscopio puede ser ajustado para realizar un barrido simple que es disparado a un
voltaje especfico. Para medicin continua, se utiliza un sensor ptico o uno de proximidad como disparador
continuo a la frecuencia de giro del eje.
Figura 3.1. Osciloscopio Analgico.
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
48/163
3.2
Entrada externa de intensidad. Una marca controlada de blanqueo o de intensidad acentuada puede
desplegarse en el trazo de la forma de onda en la pantalla del osciloscopio aplicando una seal de 5V en el
conector del eje z. La entrada puede tener acoplamiento de CA (esto es, no pasa CD), si no es as, debe
usarse un capacitor con sensores de
proximidad que tienen ms de 5VCD. El blanqueo o borrado del
trazo a travs del eje z, se usa para
medir la fase y para referir una
marca en el eje a la seal de
vibracin durante el balanceo. El
blanqueado de la seal se obtiene de
un sensor de proximidad empleado
como un disparador o de un sensor
ptico.
Amplificador Vertical. Los
amplificadores verticales reciben la
variacin del voltaje en el tiempo de
un transductor. Los controles estn
calibrados en mV/divisin (div) La amplitud de la seal en nmero de divisiones se obtiene de la pantalla. El
voltaje es calculado multiplicando el nmero de divisiones por el ajuste de la ganancia del amplificador en
mV/div para obtener mV. La amplitud de vibracin se calcula al dividir los mV por sensibilidad del
transductor en mV/EU. Las EU pueden ser mils, ips, gs o grados. La pantalla tiene ocho divisiones verticales(Figura 3.2). El ejemplo 3.1 ilustra el uso de un osciloscopio para medir la amplitud y la frecuencia.
Base de tiempo (amplificador
horizontal) La funcin primaria
del amplificador horizontal es
como base de tiempo. El nmero
de divisiones por periodo de la
seal es obtenido de la pantalla
(figura 3.2) y multiplicado por la
razn de barrido de la base de
tiempo (s/div). Cuando el
amplificador horizontal se conecta
a una fuente de voltaje su comportamiento es similar al de un amplificador vertical, pero la seal es un
voltaje en direccin horizontal que produce un despliegue x-y (rbita o diagrama de Lissajous) La pantalla
tiene diez divisiones en la direccin horizontal.
Figura 3.2. Anlisis en osciloscopio.
Ejemplo 3.1:Encuentre la amplitud y el periodo de la forma de onda dela figura 3.2.
Escala en el tiempo: 10 ms/divEscala de amplitud: 200mV/div = .2V/divCalibracin del transductor: 1000 mV/ips
Procedimiento de los clculos:
Perodo T = (4 div) (10 ms/div) = 40 ms = 0.04 sFrecuencia = 1/T = 1/0.04 s = 25 Hz = 1,500 CPM
Amplitud = (1 div) (200 mV/div) = 200 mV 0-Pico
Amplitud = Amplitud/Sensibilidad = (200mV) / (1000mV/ips) =0.2 ips 0-Pico
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
49/163
3.3
Analizador FFT
El analizador FFT (ver figura 3.3) es un
instrumento digital computarizado. Un
bloque de datos digitalizados en un
convertidor analgico - digital es
procesado mediante un algoritmo
transformada rpida de Fourier (FFT)
para generar un espectro. La forma de
onda en el tiempo es reconstruida a
partir del bloque de datos digitalizados.
Un analizador FFT de dos canales
permite obtener las propiedades de fase y
fase entre dos seales obtenidas. El
analizador FFT tiene alta resolucin de
amplitud pero su precisin puede menoscabarse dependiendo del ajuste. Es bsicamente un analizador
para tomar datos de estado estable ms que para datos transitorios.
El analizador adquiere un bloque de datos a una velocidad de muestreo elevada (mayor que
200,000 muestras por segundo) dependiendo del rango ms alto de frecuencias del analizador. El
analizador requiere que una seal complete un ciclo antes de que los datos sean procesados por la
FFT. Esto significa que a bajas frecuencias (por debajo de 10 Hz), se requieres largos perodos
de muestreo antes de comenzar con el procesamiento de la FFT.La habilidad del analizador para seguir eventos cuando la velocidad cambia rpidamente es
entonces comprometida. A frecuencias comunes de mquinas, el tiempo para el procesamiento de
la FFT es una fraccin del tiempo de adquisicin de datos y del tiempo de autorango. La funcin
zoom en un analizador FFT incrementa la resolucin: 400 u 800 lneas se emplean pero el ancho de
banda de la frecuencia (comienzo o centro) se reduce para lograr su resolucin. La resolucin se
refiere a la capacidad del instrumento para permitir que el analista observe componentes de
frecuencias muy en el espectro.
Comnmente los analizadores FFT tienen ms ventanas disponibles que los colectores electrnicos
de datos. Las ventanas son usadas para el proceso de la FFT. El rango dinmico de los analizadoresFFT es actualmente cercano a 72 dB. Por lo tanto, una seal de 1 mV puede detectarse en presencia de
una seal de 2V. Muchos de las capacidades de los analizadores FFT incluyen rbitas, grficas de
Bod, grficas polares, diagramas de cascada (waterfall), y grficas reales e imaginarias usadas para
anlisis modal.
Figura 3.3. Analizador FFT Hewlett-Packard.Cortesa de Hewlett Packard
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
50/163
Figu a 3.4c. ColeCortesia de
ctores DC-7PREDICT/D
Figura 3.4
y 8603.LI
Colectores
3.4
lectrnicos
Figurad
Cortesia de
de Datos
.4d. ColectDatos Spec
Vibration Sp
r y Analizatra VIB.ciality Corp
or
ration
8/9/2019 01_VIBRACIONES_BASICAS_DE_MAQUINAS-libre.pdf
51/163
3.5
Colectores Electrnicos de Datos:
Los colectores electrnicos de datos (Figura 3.4) adquieren y almacenan parmetros seleccionados de
vibracin tales como vibracin global, vibracin global en anchos de banda seleccionados, espectros,
formas de onda, rbitas, diagramas en cascada, medidas de alta frecuencia y espectros de deteccin deenvolvente. La vibracin global generalmente se almacena como velocidad de vibracin en pico o rms,
y est relacionada a puntos en rutas preestablecidas que pueden incluir numerosas mquinas. Los datos
se vacan a una computadora capaz de efectuar tendencias contra datos colectados previamente en
forma tal que cualquier cambio en la condicin de las mquinas pueda ser detectado.
Los colectores electrnicos de datos se han vendido como analizadores desde que se
desarrollaron. Algoritmos de FFT se incorporaron en los colectores y despus de varias
generaciones, muchos son ahora analizadores FFT de prestigio, con una buena resolucin y rango
dinmico. Algunos colectores tienen capacidad de 6,400 lneas. Por supuesto, que el