SKF Condition Monitoring*
RadialPOLEA EXCENTRICA1X POLEAABLa diferencia de fase entre los
Planos A y B es 180
SKF Condition Monitoring*
Monitoreo de
Rodamientos.
SKF Condition Monitoring*
Porqu fallan los rodamientos?Lubricacin inadecuada - excesiva -
insuficiente - contaminadaExcesiva carga causada por: -
desalineacin - desbalanceo - eje torcido excentricidad -
etc.Incorrecto manipuleo o montajeTiempo Impronta en pista
exterior
SKF Condition Monitoring*
Curva tpica de falla de rodamientosVibracinDeteccin por emisin
acsticaPerodo de alarmaFalla del rodamientoInicio de la
fallaDeteccin por vibracionesDeteccin por ruidoTiempo
SKF Condition Monitoring*
Frecuencias de fallas de rodamientosBPFO Frecuencia de falla en
pista exteriorBPFI Frecuencia de falla en pista interiorBSF
Frecuencia de rotacin de las bolillasFTF Frecuencia de rotacin de
la jaula
SKF Condition Monitoring*
Espectro de frecuencias de fallas
SKF Condition Monitoring*
Etapas de la averaEtapa 1Etapa 2Stage 3Stage 4no apparent change
on typical velocity spectrumdefects harmonic frequencies
appeardefects fundamental frequencies also appearand may exhibit
sidebandsdefects harmonic frequencies develop multiplesidebands
(haystack), fundamental freqs. growand also develop
sidebandsdefects fund.frequency rangedefects harmonicfrequency
rangeNo hay cambio aparente en el espectro de velocidadRango de
Frec. FundamentalesRango de armnicasAparecen armnicas de
frecuencias de defectos Etapa 3Aparecen frecuencias fundamentales
de defectos, y pueden tener bandas lateralesEtapa 4Las armnicas de
defectos desarrollan mltiples bandas laterales. La frecuencia
fundamental crece, tambin con b.l.
OBJETIVO DEL CURSO
El objetivo general del curso es transmitir experiencias sobre
la deteccin y anlisis de problemas comunes de mquinas, utilizando
el monitoreo y anlisis de vibraciones.-
En dos das de curso se desarrollan los siguientes temas:
1 - Conceptos bsicos sobre vibraciones 2 - Configuracin de
mediciones de vibraciones Aspectos fsicos Base de datos 3 - Tipos
de alarma y fijacin de lmites vibratorios 4 - Valor global y
Tcnicas de anlisis de espectros y fase 5 - Mtodos de procesamiento
de seales vibratorias 6 - Anlisis de problemas tpicos de
mquinas
Las vibraciones de mquinas se producen por el movimiento
oscilante de los componentes mecnicos (alrededor de su punto
neutro), y como resultado de la reaccin a fuerzas internas o
externas.En el ejemplo superior, el conjunto masa resorte, acta
como el sistema vibratorio de una mquina. En un ciclo de
movimiento, la masa oscilante sube y baja, pasando por su posicin
de reposo.Observando la oscilacin como una funcin del tiempo, la
posicin de un punto genera una onda senoidal. El punto de inicio
(cuando la masa est en reposo) es el punto 0. Un ciclo completo de
la masa muestra un desplazamiento positivo y otro negativo respecto
de la referencia 0 .El desplazamiento es el cambio de distancia o
posicin de un objeto, relativo a su referencia. La magnitud del
desplazamiento es denominada amplitud . Cuanto mayor amplitud posee
la seal vibratoria, sta es ms severa.-
DeteccinSe mide la vibracin de los componentes de la mquina o de
la estructura, comparndose luego el nivel de vibracin con su valor
normal. Esto indica el estado actual de la mquina y su evolucin en
el tiempo. Si el nivel de vibraciones aumenta, normalmente, hay
avera.
AnlisisCada problema mecnico o defecto genera vibraciones en
forma particular. Usamos herramientas de anlisis para investigar el
tipo de vibracin, y de esta manera identificar el defecto y su
causa raz. Corrigiendo sta evitaremos que el problema se
repita.
Ciclo: Es el perodo de tiempo entre puntos repetitivos de una
onda peridica. En el ejemplo, el ciclo o perodo es de 0,5
seg..Frecuencia: Es el nmero de ciclos de la vibracin que ocurren
en un perodo de tiempo determinado. La frecuencia es la recproca
del perodo. F = 1/T En el ejemplo f = 1/5 = 2 ciclos/seg...HERTZ
(Hz): Unidad de medida de la frecuencia. 1 Hz = 1 ciclo/seg.. En el
ejemplo f = 2 HzCPM (R.P.M.):Ciclos por minuto. Es una unidad de
medicin de la frecuencia. 1 Hz = 60 cpm En el ejemplo, f = 120
cpmAmplitud: La amplitud es el desplazamiento de la onda, a partir
de la referencia 0, medida como pico, pico-pico o rmsOrden: Orden
respecto de las revoluciones del eje. Es la cantidad de veces, por
revolucin del eje, en que ocurren los eventos.Fase: Es la relacin
angular entre dos puntos de una mquina, que describe el movimiento
rotativo entre ellos. Tambin mide el ngulo entre el punto superior
de la onda senoidal, y una referencia del eje (0).Cada componente
de un tren de mquinas, generar sus seales vibratorias especficas.
Por ejemplo, consideremos el defecto en una pista de rodamientos.
El defecto es impactado por las bolillas del rodamiento, varias
veces por cada rotacin del eje. Los impactos mltiples en el defecto
del rodamiento por revolucin del eje, causarn una seal impulsiva en
frecuencia, que ser significativamente mayor que la velocidad del
eje.Otro tipo de frecuencias (bajas), son generadas por
desalineaciones y desbalanceo. Estas seales poseen una frecuencia
similar a la de rotacin del eje y sus armnicas (2X, 3X), y adems
tienen mucha mayor amplitud que aquellas causadas por rodamientos o
engranajes. Mediante el montaje de sensores en puntos estratgicos
de las mquinas, medimos valores globales, consistentes en la
combinacin de todas las seales generadas por los distintos
componentes. En el grfico del ejemplo, un tiempo pequeo
correspondiente a dos ciclos, muestra la amplitud de la vibracin
global, en funcin del tiempo. En esta representacin, la seal de
vibracin causada por el desbalanceo, es la dominante. Tiene una
amplitud elevada comparada con las provenientes de rodamientos y
engranajes, e incluye a las vibraciones de altas frecuencias. Estas
aparecen como pequeas ondas sobre la onda fundamental de
desbalanceo.Las ondas temporales, son analizadas por comparacin con
ondas previamente colectadas, para detectar cambios en la forma,
que determinan los impulsos repetitivos ocasionados por defectos de
rodamientos o engranajes.
La medicin del valor global, es la principal funcin de los
instrumentos manuales y sencillos. El valor global de la amplitud
vibratoria, es la energa total medida en un rango especfico de
frecuencias. Medido numricamente, un valor mayor que lo normal
provee una rpida indicacin que algo de la mquina anda mal.El rango
de frecuencias para el cual la medicin global se realiza, es
determinado por el equipo de monitoreo. Algunos instrumentos tienen
sus frecuencias predefinidas en un rango. En otros, el usuario
puede seleccionar el rango de frecuencia deseado. Cuando se
comparan valores globales, es importante que ambos sean obtenidos
del mismo rango de frecuencias.Muchos instrumentos porttiles de
banda fija, miden velocidad en la banda de 10 a 1000 Hz , debido a
que esto es considerado el mejor rango para juzgar los problemas
rotacionales y estructurales, tales como desbalanceo, desalineacin,
flojedad y deformaciones aplicadas a componentes, que son las
causas ms comunes de excesivas vibraciones.Instrumentos ms
avanzados, monitorean en distintas bandas de frecuencias y proveen
mltiples parmetros de mediciones globales. Por ejemplo, el VIB PEN
de SKF mide velocidad entre 10 Hz y 1 kHz. Aceleracin entre 10 kHz
a 30 kHz. Estas mediciones permiten enfocar el problema entre bajas
frecuencias rotacionales y/o estructurales, o de altas frecuencias
provenientes de rodamientos o engranajes.En resmen, el monitoreo de
vibraciones globales es una buena herramienta para la deteccin de
seales vibratorias en el rango de frecuencia prefijado. Sin
embargo, algunas mquinas, como por ejemplo los cojinetes de las
mquinas papeleras, que son equipos de bajas frecuencias fuertemente
cargados , requieren informacin adicional para un monitoreo
adecuado. Ntese que la deteccin no es anlisis. Si la medicin del
valor global aumenta, debe realizarse un monitoreo y anlisis mas
extenso, a fin de diagnosticar la causa del incremento de la
vibracin, y determinar as la mejor oportunidad para tomar acciones
correctivas.-
Cuando se analizan las vibraciones, hay dos componentes de la
seal que deben ser observados en primer instancia: su amplitud y su
frecuencia.-
La amplitud es la magnitud de la seal vibratoria, e indica la
severidad de la falla. Cuando aumenta sta, mayor es el problema. La
amplitud depende del tipo de mquina y debe referenciarse siempre
con el nivel BUENO, correspondiente a la mquina nueva.-
La frecuencia es el nmero de veces que se repite el ciclo en un
perodo de tiempo determinado. La frecuencia de la vibracin indica
la procedencia de la falla. Como se ve en la pgina 7, ciertos tipos
de fallas ocurren tpicamente a determinadas frecuencias.Conociendo
la frecuencia, tendremos un cuadro ms claro sobre la fuente de la
vibracin.-Luego en este curso veremos como los instrumentos y
software de mantenimiento predictivo permiten apreciar las
frecuencias de las vibraciones, como asimismo los cambios en
amplitudes, a frecuencias especificas. Esto nos permite detectar y
aislar las fallas de las mquinas.-
Nota - Es importante reiterar causa y efecto. Por ejemplo, si
detectamos una vibracin correspondiente a una avera en la pista
externa del rodamiento, el defecto en el mismo probablemente
exista. Sin embargo, muchas veces el rodamiento no es la fuente del
problema. Usualmente otro problema de la mquina causa el defecto.
Cuando cambiamos un rodamiento debemos controlar automticamente si
hay otros defectos, tales como desbalanceo o desalineacin, y
reprogramar su correccin junto con el cambio del rodamiento.-
Hay dos mediciones derivadas del desplazamiento de la vibracin:
Velocidad AceleracinLa velocidad es la derivada del desplazamiento
en funcin del tiempo. Esto es, la variacin del cambio del
desplazamiento. La velocidad es un buen indicador para evaluar las
vibraciones de bajas frecuencias presentes, (por ejemplo
desbalanceo, desalineacin, flojedades mecnicas y defectos de
rodamientos de bajas frecuencias, que evidencian avances en el
deterioro del rodamiento).
La aceleracin es la segunda derivada del desplazamiento respecto
del tiempo, y es la variacin del cambio de velocidad . La
aceleracin es una herramienta muy valorable en el anlisis de
mquinas rotativas, dado que la medicin da como resultado una
respuesta lineal sobre una banda ancha de frecuencia, y se
visualiza ms, a medida que la frecuencia se incrementa.-
Como se expres, la vibracin tiene tres caractersticas medibles:
desplazamiento, velocidad y aceleracin. Observese en el dibujo que
cuando la masa se desplaza por el punto cero, la velocidad es
mxima. Asimismo cuando el desplazamiento es mximo, la velocidad es
cero. Esto ocurre para cualquier frecuencia. La aceleracin tiene
otra relacin: cuando el desplazamiento est en el punto mximo
positivo, la aceleracin lo est en el mximo negativo. Cuando el
desplazamiento pasa por cero, la aceleracin tambin posee este
valor.
Por circuitos electrnicos integradores o derivadores, se pueden
obtener a partir de la seal del sensor, las dos caractersticas
restantes.-Cuando se comparan valores de amplitudes de vibraciones,
Se debe tener en cuenta los factores de escala. Estos son:
mediciones Pico, Pico-Pico o RMS. Estas tienen una relacin directa
entre s cuando se trata de ondas senoidales.-
Nota - Pico y Pico-Pico pueden ser valores verdaderos o
calculados a partir del valor RMS.
Pico - Representa la amplitud desde el valor cero de referencia
al tope del valor mximo. La amplitud pico es usada para medir
aceleracin, habitualmente calculada a partir del valor RMS.-Pico a
Pico - Es la amplitud medida desde el tope positivo al tope
negativo. El valor P-P resulta = 2 x Pico.Se la utiliza para medir
desplazamiento.-RMS - En trminos generales, el valor RMS (root mean
square ) es derivado a travs de una conversin matemtica que
relaciona la energa de la c/c con la de la c.a. Es generalmente
usado para medir la energa efectiva de la vibracin randmica o
conformada por mltiples seales de distintas frecuencias. Si se mide
una onda senoidal pura, el valor RMS es .707 del valor pico.La
norma ISO 2372 utiliza la velocidad rms para establecer los rangos
de severidad de las mquinas.No es importante saber qu procedimiento
emplea el instrumento de medicin para calcular el valor de la
amplitud, pero s debemos tener en cuenta, cuando nos referimos a
valores globales, cul es el rango de frecuencia de la medicin y cul
es el factor de escala seleccionado.-
Desplazamiento:El desplazamiento representa la distancia, y es
utilizada preferentemente en maquinas de bajas revoluciones. El
desplazamiento pico-pico es igual a la distancia total recorrida
por el componente vibratorio. Debe ser medido con sensores de
corrientes parsitas (eddy current probe).Medido en:mils (1 mil =
.001) micrones (.0001 cm)
Velocidad:La velocidad de la vibracin es la unidad mas utilizada
para propsitos generales de evaluacin de mquinas de baja y media
velocidad. El rango habitual en frecuencia es de 10 Hz a 1000
Hz,.Medido en: in/sec.mm/sec.
AceleracinLa aceleracin es la relacin de cambio de velocidad.
Tpicamente se mide amplitud pico o RMS, siendo la ms utilizada para
evaluar altas frecuencias como las generadas por rodamientos y
engranajes.-Medido en:Gs (1 G = aceleracin producida por la
gravedad) in/sec2 mm/sec2
El parmetro primario para seleccionar el sensor es la velocidad
de la mquina. Las r.p.m.. del eje determinan la frecuencia
fundamental de inters. Generalmente, es deseable que el transductor
provea de informacin sobre el rango de 0.4 - 1.0 vez la frecuencia
de rotacin, hasta varias veces (3X a 6X). Las mquinas en buen
estado, usualmente, vibran solamente a la frecuencia de
rotacin.Tipos de mquinas y elementos - Tambin es de gran
importancia en la seleccin del sensor, el tipo de mquina y los
elementos asociados. Mquinas con labes (bombas, ventiladores,
compresores, turbinas, etc.) pueden generar vibraciones de inters a
frecuencias igual al numero de labes por las r.p.m. Los
acelermetros son requeridos para estos casos. La amplitud y la
aptitud de la medicin, esta influenciada por la relacin de masa
entre los alabes, rotor/eje y carcaza. Por ello, ventiladores y
bombas con los labes con mayor masa respecto del eje/rotor, pueden
generar mucha informacin til. Pero los labes de turbinas y
compresores con relativamente menor masa respecto de las grandes
masas de ejes/rotores, emiten seales que pueden ser insignificantes
y pueden ser muy difciles de medir (sin embargo, estas seales son
muy tiles para el anlisis, ms que para el monitoreo) Los cojinetes
de deslizamiento son excelentes fuentes de seales vibratorias, ya
que hay menos elementos mecnicos entre el eje y el sensor (aceite,
metal blanco, carcaza, etc...). Los sensores de desplazamiento son
usualmente preferidos con estos tipos de cojinetes.Los cojinetes
antifriccin (rodamientos) generan vibraciones en la frecuencia de
rotacin y otras mucho ms elevadas, asociadas con el nmero de
bolillas y dimetros de las pistas interior/exterior. Normalmente se
utilizan acelermetros para su monitoreo.El tipo de falla posible de
la mquina, es un factor importante para seleccionar el tipo de
sensor. Los sensores son como ventanas, a travs de las cuales,
porciones de las seales vibratorias pueden ser observadas. Los
sensores de desplazamiento tienen un rango mximo de 0 a 1000 Hz,
los de velocidad desde 10 a 1500 Hz y los acelrometros desde cerca
de 0 a aproximadamente 40 kHz
La velocidad es considerada el parmetro de propsito general para
evaluar el estado de las mquinas. Esto es debido a que la mayor
cantidad de problemas ocurren en bajas frecuencias,( por ejemplo
desbalanceos, desalineaciones, flojedades, etc....), y la medicin
de velocidad, resalta los eventos que ocurren en ese rango. Por
este motivo, Las normas ISO proveen recomendaciones generales sobre
severidad de las vibraciones usando velocidad. Sin embargo, la
llave para detectar fallas especficas es realizar las mediciones en
la manera apropiada y adecuada a la falla que se espera
encontrar.-Para detectar mejor y aislar la falla de mquinas, el
analista realiza mltiples mediciones. Tpicamente se mide velocidad,
y cuando es apropiado tambin se mide aceleracin, envolvente de
aceleracin y SEE. Envolvente en aceleracin y SEE son tcnicas de
procesamiento de seales que han tenido buen suceso para la deteccin
temprana de problemas de lubricacin y eventos de alta frecuencia
(rodamientos, engranajes). SKF Condition Monitoring denomina estas
mediciones como monitoreo de mltiples parmetros.El mtodo
multiparmetro resultara tedioso, si no fuese por la tecnologa de
las computadoras que proveen a los colectores la capacidad de
realizar automticamente mltiples mediciones en cada punto.Por
ejemplo, los colectores de datos modernos y porttiles, brindan al
usuario la posibilidad de configurar hasta 12 mediciones para
coleccin automtica en un punto. Usando el mismo sensor dual, el
usuario necesita presionar solo un botn, para colectar
secuencialmente 12 mediciones preconfiguradas. Por ejemplo, el
analista puede montar el sensor horizontalmente sobre la carcaza
del cojinete, presionar el botn y medir: Velocidad (para eventos de
baja frecuencia) Aceleracin (para medias y altas frecuencias)
Envolvente en aceleracin (en bandas mltiples para determinar
rodamientos y engranajes) SEE (para detectar lubricacin y estado de
rodamientos)Con lmites de alarmas adecuados para cada medicin, se
logra una alta eficiencia, cuando se monitorean mltiples problemas
de mquinas, y ayuda al analista a aislar el problema de la mquina,
con poco tiempo o esfuerzo, de su parte.Es recomendable montar el
sensor de vibracin orientado en los sentidos horizontal, vertical y
axial.El montaje radial es el ms comn. Hay que evitar las
posiciones con variaciones de temperaturas o excesiva condensacin,
y en el caso de acelermetros, el flujo de aire/fluidos sobre el
sensor. Dado que conocemos cmo los problemas crean vibraciones en
cada plano, la lectura en tres sentidos puede ayudarnos a
interpretar el origen de las mismas: En mquinas
horizontales:Horizontal : El desbalanceo es la causa mas comn de
vibraciones en el plano radial (horizontal y vertical). Normalmente
las mquinas son ms elsticas en el plano horizontal, por lo tanto el
desbalanceo se manifiesta generalmente en este sentido.Vertical:
normalmente es menor que en el plano horizontal, debido a la
diferencia de rigidez mencionada, y a la accin de la
gravedad.-Axial - En condiciones ideales presenta valores ms bajos
que las radiales, dado que las fuerzas generalmente son
perpendiculares al eje. Sin embargo, los problemas de
desalineaciones crean vibraciones en este sentido.-
Nota - Esta es una descripcin como gua de casos generales.
Equipos montados verticalmente, o con rotores en voladizo, u otros
casos particulares, pueden mostrar diferentes repuestas.-Es
importante resaltar, que el sensor tiene mayor sensibilidad en la
direccin en la cual es montado.Tambin se debe tomar la lectura, lo
mas cerca posible del cojinete. Evitar posicionar el sensor sobre
partes muy delgadas, pues pueden presentar resonancias o
flojedades.-
Como vimos previamente, varios problemas de mquinas generan
vibraciones en frecuencias especficas. En el ejemplo de arriba, el
desbalanceo produce el valor mayor en baja frecuencia (1 x r.p.m.).
Los problemas en el cojinete producen seales en altas frecuencias y
de mucha menor amplitud.La frecuencia de engrane se produce en z x
r.p.m..El mtodo ms usado para ver las seales vibratorias de las
mquinas, es la aplicacin de la Transformada Rpida de Fourier (FFT).
En trminos no matemticos, esto significa que la seal global es
descompuesta en sus componentes individuales, las cuales son
graficadas en funcin de la frecuencia.El espectro FFT es una
herramienta muy utilizada. Si el problema en la mquina existe, el
espectro FFT provee informacin que ayuda a la ubicacin de ste, y
mediante el seguimiento de tendencias se puede predecir cundo el
problema comienza a ser crtico.Debido a que conocemos que ciertos
problemas ocurren a determinadas frecuencias, analizamos el
espectro FFT para detectar cambios en las amplitudes, dentro de
nuestros rangos de frecuencias de inters.-
Si es posible, obtener los datos histricos de las mquinas Buscar
valores de vibraciones previamente grabados, FFT, datos de sala de
control, o tendencias globales.Hay firma registrada (baseline)?
Hablar con los operadores. A veces informan acerca del problema
original (cambio de acoplamiento, incremento de flujo, limpieza de
ventiladores, etc.
Identificar la frecuencia de rotacin de las mquinasEl
conocimiento de la velocidad de rotacin es crtico cuando se analiza
un espectro FFT.Tomar la velocidad de instrumentos fijos en la
mquina o de la sala de control, o en caso de no poseer esa
indicacin, usar un tacmetro manual que puede ser el mismo colector
de datos.Observar los picos en el espectro, a 1500 o 3000 r.p.m.,
si el motor es de induccin. Los motores tpicamente operan a esa
frecuencia . En un espectro FFT, el pico correspondiente a la
velocidad, normalmente es el primero desde la izquierda.
Identificar ese pico y observar si hay armnicas en (2X, 3X,
4X).
Las tcnicas de anlisis permiten Identificar qu tipo de
informacin brindan los espectros FFT, y quproducen en l, los
diferentes parmetros, tales como el desplazamiento, la velocidad,
la aceleracin, la envolvente, el mtodo SEE, etc...Tambin se debe
analizar en qu posicin del sensor se obtienen los datos
fundamentales : horizontal, vertical, axial, en la zona de
carga.Debe verificarse que los valores obtenidos sean consistentes
para que la comparacin sea vlida.
AnlisisUn anlisis eficiente requiere: Adquirir datos de
vibraciones en tres planos, en cada cojinete (H, V, A) . Como mnimo
lectura de velocidad y envolvente. Cuando sea posible, adquirir
medicin de fase relativa. Esto suele tener gran importancia en el
diagnstico. Evaluar las vibraciones globales de toda la mquina:
Dnde est la fuente de vibracin (mayor amplitud) Qu direccin de
medicin es ms importante La frecuencia dominante tiene relacin con
los elementos rotantes?
Una vez que la informacin arriba mencionada es conocida, se
puede proceder a analizar el espectro. El anlisis usualmente
utiliza el proceso de eliminacin. Una vez identificada la
frecuencia de rotacin, determinar el rango de frecuencias del
espectro Identificar las armnicas de las r.p.m. (1X, 2X, 3X,
etc..). Identificar las frecuencias de fallas de rodamientos.
Identificar frecuencia de labes de ventiladores. Identificar el
nmero de dientes de los engranajes. Identificar la frecuencia del
impulsor de la bomba. Identificar vibraciones de mquinas
adyacentes. Con motores elctricos, identificar picos a frecuencia
de lnea. Determine si es elctrico o mecnico.Verifique frecuencias
sospechosas de fallasEl espectro puede producir picos a frecuencias
identificadas como falla. Estos picos pueden o no, representar
fallas. Observe si hay armnicas de la frecuencia de falla. Si el
pico aparece a la frecuencia fundamental de falla, y otro pico
aparece al doble, seguramente la falla existe Si no aparece un pico
a la frecuencia fundamental de falla, pero est presente a dos, tres
y tal vez cuatro x, es una indicacin vlida de frecuencia de
avera.La lectura de fase es muy til para identificar el
problema.Para rodamientos y engranajes deben evaluarse HFD y
envolvente (tambin dan indicacin de cavitacin y roce). Determine la
severidad de la falla Un mtodo para determinar la severidad de la
falla es comparar la amplitud con lecturas anteriores, tomadas en
condiciones similares. Otro, es comparar la amplitud con otras
lecturas obtenidas de mquinas similares, operando en las mismas
condiciones, dado que una lectura mayor a lo normal indicar
problemas.
A travs del tiempo, en los sucesivos anlisis, se van
reconociendo caractersticas espectrales que representan problemas
especficos.
Nota - La siguiente es una gua general para mquinas tpicas..
Menor de 1X de la velocidad de rotacinDefecto en la jaula del
rodamiento (tpicamente alrededor de 1/3 de las r.p.m.) Roce
Remolino de aceite (Oil Whirl) Recirculacin en bombas Resonancia
(muy comn)
1X de la velocidad de rotacin y armnicas hasta 10 XDesbalanceo
(1X) Desalineacin (1X, 2X) Eje torcido (1X, 2X) Flojedades (1X -
10X) Palas / labes de ventiladores (nmero de palas x R.P.M.)
Cojinete flojo ResonanciaEventos en alta frecuencia (mayores de 10X
velocidad de rotacin)Daos en rodamientos (Frecuencia de defecto y
armnicas) Engranajes (nmero de dientes x R.P.M.) Cavitacin Ejemplo
de una indicacin de falla en un espectro.
Ejemplo 1Es un espectro FFT normal. Este fue obtenido con una
operacin normal de la mquina, en la cual no se observan problemas.
Tpicamente, el pico de la izquierda es la frecuencia de rotacin (1
X). Ocurre porque es normal un pequeo desbalanceo en el rotor.
Otros picos en frecuencias aleatorias, representan vibraciones no
perjudiciales. Otras son armnicas de las r.p.m., y la frecuencia
natural de la mquina y rotor.
Ejemplo 2Muestra como el espectro FFT comienza a indicar una
fuente de vibracin excesiva. El FFT del ejemplo 2, fue obtenido
cuando la mquina tena un desbalanceo. En este, el pico a la
velocidad de rotacin se incrementa. Esta vibracin es llamada
fundamental, o de primer orden, o 1 X. Las armnicas estn a dos,
tres, n, veces la velocidad de rotacin. Estas se denominan de
segundo orden, tercer orden, etc..
Ejemplo 3El pico 1 X de la frecuencia del cojinete, ms alto de
lo normal, indica que el desbalanceo ya le ha causado dao.
Muchas veces, en los espectros FFT, alrededor de una frecuencia
dominate aparecen frecuencias laterales a espacios similares una de
otra. Estas representan modulaciones y son una herramienta
importante para el anlisis. por ejemplo, ayudan a identificar
problemas elctricos de motores, y brindan informacin sobre la la
severidad de los defectos de engranajes y rodamientos.
Defectos de RodamientosComo se describe luego (en la seccin de
monitoreo de rodamientos), las bandas laterales (sidebands) pueden
proveer una buena indicacin de la severidad del defecto del
rodamiento o engranaje. A medida que el defecto del rodamiento
avanza, las bandas crecen alrededor de la fundamental de la falla,
y de sus armnicas (en espectros de velocidad y aceleracin).
Aumentos en las bandas laterales, implican aumento de la avera.
Nota - Para defectos en la pista interior o exterior, las bandas
estn espaciadas 1 x r.p.m.. Esto es causado por la modulacin de la
frecuencia de rotacin sobre la pista del rodamiento.
Una armnica es una frecuencia que es mltiplo exacto de la
fundamental.
Es importante notar que con defectos en las bolillas del
rodamiento, las armnicas de la fundamental del defecto, tpicamente
aparecen primero (generalmente a 5-40 x frecuencia de la
velocidad). Estas armnicas del defecto, son el indicador ms
temprano de la existencia del problema. Si en el tiempo, el defecto
fundamental con sus armnicas crece, es una indicacin del aumento de
la avera, y que requiere una atencin inmediata. (Cuando hay
mltiples defectos, pueden disminuir).
Nota: El proceso de envolvente del espectro monitorea
efectivamente el inicio de armnicas, para detectar defectos en las
etapas iniciales (etapas 1 y 2).
La mayora de los software de mantenimiento predictivo, permiten
al operador observar los mltiples espectros de un punto, tomados en
el tiempo. Este tipo de grfico es llamado de cascada (cascade o
waterfall) y es usado para seguir las tendencias de cambios
espectrales.En el grfico de cascada de la ilustracin, la medicin en
el ventilador de 1 x muestra un incremento en amplitud sobre las
primeras cuatro lecturas, indicando un problema en 1 x r.p.m.
(probablemente desbalanceo por suciedad o rotura de una pala). El
ventilador fue reparado despus de la cuarta lectura, mostrando una
amplitud de 1 x baja, en los espectros siguientes.
La fase es una medicin, no un mtodo de proceso. Provee
informacin respecto de cmo una parte de la mquina vibra, con
respecto de la otra.La fase indica la diferencia angular entre una
marca establecida en el eje de rotacin, y la seal de vibracin. Esta
relacin provee una informacin de mucho valor, adicionada a la
amplitud, rbita del eje, y posicin del eje. Tambin es muy usada
para balanceo y anlisis. Cuando medimos el ngulo de fase en dos
posiciones de la mquina, y analizamos la relacin entre las mismas,
tomamos conocimiento de cmo se mueve el rotor. Esta informacin es
muy til para determinar la causa de la vibracin, ya que algunos
problemas de mquinas producen relaciones de fase especficas.
Por ejemplo: Como veremos luego en este curso, un desbalanceo
puramente esttico, producir lecturas en fase en ambos extremos del
rotor.En cambio, un desbalanceo en cupla, produce lecturas con 180
de desfasaje. Una combinacin de desbalanceo esttico y de cupla,
produce una lectura de fase diferente en ambos extremos, pero no en
oposicin.
Este tipo de informacin es valorable cuando se balancea una
mquina o cuando se analiza la causa raz del desbalanceo. Otros
problemas de mquinas (desalineacin, eje doblado, etc..), tambin
producen una relacin especfica de fase entre mediciones. No
solamente entre los distintos cojinetes del rotor o a travs del
acoplamiento, tambin entre planos vertical, horizontal o axial de
un mismo punto. Informacin detallada y tablas de relaciones de fase
se proveern en otras pginas.
Para propsito de anlisis, en la figura superior observamos que
un acelermetro sensa la fuerza de desbalanceo, y un tacmetro la
posicin del eje.Una marca es colocada en el eje. El tacmetro enva
un pulso (trigger), cuando la marca se enfrenta con el tacmetro, y
este pulso inicia la coleccin de datos.DefinicinEl ngulo de fase es
el ngulo (en grado), que el eje cubre desde el inicio de la toma de
datos hasta que el sensor experimente la mxima fuerza positiva.La
fase del ngulo es de 90 , si el sensor tiene su fuerza positiva
mxima 90 despus que se inicia la coleccin de datos por el
tacmetro.EjemploEn la figura 1, el tacmetro sensa la marca en el
eje e inicia la coleccin de datos. En este punto la fuerza es igual
a cero.En la figura 2, el punto pesado rota 90 a partir de la
posicin del sensor . En este punto, la fuerza de desbalanceo
produce la lectura mxima positiva del sensor.Nota - Cuando el punto
pesado se aproxima al sensor, esa fuerza es considerada en direccin
positiva.En la figura 3, el punto pesado rota 90 adicionales, la
fuerza experimentada por el sensor es nuevamente cero.En la figura
4, el punto pesado se encuentra en el mximo negativo, a 270 Nota -
Cuando el punto pesado se aleja del sensor, esta fuerza es
considerada en direccin negativa.En la figura 5, el punto pesado
rota 90 adicionales hasta completar los 360 de una revolucin. La
fuerza experimentada por el sensor es nuevamente cero.El ngulo de
fase en esta medicin es de 90.
Cuando se comparan dos mediciones, es importante considerar el
sentido de los sensores.Si el sensor en ambas mediciones tiene la
misma direccin, entonces la lecturas de fase son correctas.Por
ejemplo, si el motor y la bomba de la figura 1 estn vibrando en
fase, la lectura de las fases darn esa indicacin exactamente.Del
mismo modo, si ambos componentes estn 180 fuera de fase, la lectura
nos dar la misma indicacin. En la figura 1 ambos sensores estn
montados en la misma direccin.
A veces no es posible montar el sensor en el mismo sentido, por
lo tanto, si estn en direccin opuesta, la lectura de la fase
diferir en 180.Por ejemplo, si el motor de la figura 2 vibra en
fase, las lecturas tomadas con los sensores diferirn en 180. De la
misma manera, si los equipos vibran desfasados 180 , las lecturas
en cambio estarn en fase.Cuando se realicen mediciones de fase, se
debe tratar de orientar el sensor en ambos puntos de medicin, en la
misma direccin. Si no es posible, mentalmente recuerde que la
lectura real esta a 180 . Si la lectura es < 180, adicione 180 a
la misma para corregirlaSi la lectura es > 180, reste 180 a la
misma para corregirla
Hemos introducido el concepto de que para algunos problemas
especficos de mquinas, existe una relacin de fase entre dos puntos
de medicin. El diagrama de arriba es un ejemplo de cmo podemos
ilustrarnos de esa relacin de fase, y en la pgina siguiente se da
otro ejemplo. El diagrama superior, se trata de un conjunto
rotor/eje entre dos cojinetes. La medicin de fase est tomada en el
mismo plano (axial) en cada cojinete para determinar la relacin de
fase a travs del eje. La direccin y plano de medicin para cada
lectura, est indicada con flechas rojas en cada cojinete.El
resultado de esa medicin de fase, es mostrado arriba de cada punto,
con un circulo que tiene una marca. El crculo simboliza la rotacin
del eje, y la marca indica el punto pesado de la vibracin (tomada
con lmpara estroboscpica o sensor ptico) Nota - Es importante
resaltar que la posicin del sensor (horizontal, vertical o
axial),debe ser la misma para mediciones tomadas a travs de la
mquina (como en el ejemplo).La relacin de fase entre las dos
mediciones, est determinada por la comparacin de ambas con la nica
posicin de la marca de referencia. Por ejemplo,Si las marcas estn
en la misma posicin respecto de la de referencia, para cada
medicin, stas estn en fase.Si una marca est en oposicin con la otra
marca, la medicin esta 180 fuera de fase.Del mismo modo, si una
marca en una posicin difiere en 90 de otra marca, luego la medicin
est desfazada 90.
Nota - Todos los valores de fase difieren ms o menos 30, debido
a variaciones mecnicas.-
En el ejemplo de arriba, la comparacin de fase se realiza entre
dos planos de mediciones, en el mismo cojinete. La posicin del
sensor est indicada por la flecha roja.La medicin de fase
resultante est nuevamente mostrada con las marcas dentro de los
crculos. El crculo simboliza la rotacin del eje, y la marca, el
punto pesado de la vibracin.
Esta medicin es muy til para diferenciar si el origen de la
vibracin corresponde al rotor (un vector rotativo como el
desbalanceo), o al estator o carcaza de la mquina (un vector
esttico como la desalineacin).
Lo siguiente es un comentario de introduccin a la resonancia.
Esta es descripta ms profundamente en Anlisis de Vibraciones II,
debido a que la correccin de la resonancia (como corregir el
desbalanceo), requiere experiencia y conocimientos ms avanzados.
Usamos el diapasn para describir la resonancia. Cuando lo
golpeamos, l produce un tono. La frecuencia del tono depende de las
dimensiones fsicas del diapasn, siendo sta la frecuencia natural
del diapasn. Como el diapasn, cada componente de una mquina o parte
de su estructura, tiene su frecuencia natural determinada por las
dimensiones fsicas y propiedades de la mquina (rigidez, masa).
Muchos problemas de vibraciones de las mquinas, ocurren cerca de su
frecuencia natural, que es puesta en resonancia por la excitadora
(r.p.m..), y como resultado, puede aumentar su amplitud original
hasta 20 veces.Nota - se denomina velocidad crtica a la velocidad
rotacional de la mquina que coincide con la frecuencia natural.
Cuando esto ocurre, la magnitud de la amplitud de la vibracin es
amplificada.Los constructores y diseadores de mquinas entienden la
importancia de la resonancia y las disean para rotar a frecuencias
menores o mayores que la frecuencia natural para escapar de la
misma (ver el grfico). La masa y la rigidez de los elementos
mayores de la instalacin, deben ser considerados. Fundacin, base,
caeras, eje, rotor, carcaza, acoplamiento, cojinetes, carcaza de
cojinete, etc...., todo contribuye a la transmisin en cadena de la
seal vibratoria. En adicin a la resonancia y velocidad critica,
esas partes de mquinas pueden alterar (amplificar o amortiguar) las
vibraciones.En general, los elementos flexibles y livianos pueden
generar seales significativas y alterar las vibraciones de otros
componentes. Elementos pesados y rgidos pueden actuar como buenos
conductores o transmisores de las seales vibratorias. En
proximidades de la resonancia, si el balanceo o la alineacin no
estn en tolerancia, la vibracin de la mquina ser excesiva, o un
pequeo aumento en la velocidad de la mquina resultar en un
incremento de la vibracin, Cuando se sospecha de una resonancia, se
utiliza el ensayo de golpe, o se puede plotear punto por punto para
determinar el modo natural. Ntese que la frecuencia natural no
cambia cuando cambia la velocidad de la mquina, lo cual ayuda en su
identificacin. Para salir de una resonancia, puede modificarse la
frecuencia natural variando la masa o la rigidez. Aumentando la
masa o bajando la rigidez, se baja la Fn
Cuando observamos en el dominio de la frecuencia, los defectos
repetitivos de engranajes o rodamientos, son tpicas seales
vibratorias de baja energa, en el rango de alta frecuencia. Las
bajas amplitudes se deben a que son provocadas por defectos de
naturaleza pequea, a veces microscpicas, y la frecuencia alta
obedecen a que hay varios impactos por revolucin. Tambin porque
esas seales son impactos de corta duracin, que generan armnicas en
rangos muy elevados. Generalmente, las vibraciones de baja
frecuencia y alta energa, enmascaran las amplitudes mucho ms bajas
debidas a fallas de rodamientos o engranajes, y por ello no son
detectadas.Esto ha dado origen a varias tcnicas de procesamiento de
seales, que tratan de filtrar las vibraciones de baja frecuencia,
con el fin de aislar y resaltar las seales provenientes de rangos
de alta frecuencia La representacin grfica de los rangos de estas
tcnicas se representan a la derecha, y se describirn en detalle ms
adelante.
La envolvente de aceleracin, o demodulacin, es la tcnica de
procesamiento de seal, que provee una gran prestacin al analista,
para determinar la condicin de los equipos rotativos. Este mtodo de
procesamiento de seal, permite la deteccin de impulsos repetitivos
de baja energa, tales como los defectos de rodamientos y
engranajes, con mucha anticipacin respecto de los mtodos
tradicionales de anlisis. Nota - Debido a la deteccin temprana de
defectos de rodamientos, el personal de mantenimiento tiene la
oportunidad de aplicar medidas correctivas que pueden extender la
vida del rodamiento.En trminos simples, el proceso envolvente de
aceleracin, se inicia con el filtrado de las vibraciones de baja
frecuencia. Luego procesa las armnicas generadas por seales
repetitivas que, ocurren en una banda de alta frecuencia
especificada por el usuario, (fig. 2). Las seales armnicas se
inician en las primeras etapas del defecto, en el rango de alta
frecuencia. Normalmente 5 a 40 veces la frecuencia fundamental del
defecto. (fig. 3)Cuando esas armnicas son detectadas, la envolvente
muestra las seales en un espectro en el rango de frecuencia del
defecto fundamental. El resultado es un espectro de baja
frecuencia, con eventos en dicha fundamental del defecto, y sus
armnicas (fig. 4).Nota - Debemos hacer notar que las seales
impulsivas de defectos son generadas con mas energa en la zona de
carga del rodamiento. Por esta razn , es muy importante para
obtener mejores resultados en la medicin de envolvente, posicionar
el sensor en la zona de carga, o lo ms cercano posible a ella.La
llave para predecir con anticipacin las fallas de rodamientos, es
detectar las frecuencias de baja amplitud de sus defectos, y las
armnicas, sin incluir la seal de alta amplitud originada por la
rotacin del equipo. Para cumplir con sto, un sistema moderno,
permite al usuario seleccionar cuatro filtros pasa bandas para la
medicin de envolvente.Cada filtro pasabanda de la medicin, es
seleccionado basndose en la frecuencia de rotacin del eje y en el
rango de la frecuencia del rodamiento o engranaje de inters. Los
filtros son: 5 Hz a 100 Hz 50 Hz a 1 kHzLa seleccin de uno de estos
cuatro filtros, permite al analista500 Hz a 10 kHz aislar las
frecuencias de inters especficas (por ejemplo 5 kHz a 40 kHz
rodamientos de engranaje)El propsito del filtro pasa banda, es
eliminar las bajas frecuencias generadas por las seales de alta
energa rotacionales, debidas a desbalanceos, desalineaciones,
flojedades, etc, y amplificar solamente las seales de alta
frecuencia, armnicas de defectos de rodamientos (estas armnicas
ocurren a 5 - 40 X frec. de defecto)Excluyendo las bajas
frecuencias, donde las componentes de gran amplitud tienen mucha
significacin respecto de la relacin de ruido, permite que armnicas
de defectos muy pequeas puedan ser detectadas, sumadas, y
convertidas por el proceso de envolvente, en su frecuencia
fundamental del defecto y sus armnicas asociadas. El resultado es
un espectro que presenta las seales repetitivas de rodamientos, y
suprime todas las seales de bajas frecuencias y/o no repetitivas.
Es importante recordar que el espectro de envolvente presenta
seales, cuyas amplitudes son sumas relativas de la energa, en una
banda filtrada en un rango especificado. No se puede comparar el
resultado de envolvente con una medicin estndar de aceleracin.
Estas amplitudes relativas dependen de variables operacionales,
tales como la ubicacin del sensor y la velocidad del eje. Si estas
variables operacionales permanecen constantes, y la misma banda de
filtro es usada en el tiempo, ser tendenciable la seal de
envolvente de aceleracin. La seal es proporcional al defecto. En el
diagrama temporal, el incremento de la amplitud se debe al aumento
del defecto.-TABLA GENERAL DE SEVERIDAD DE ENVOLVENTE
Esta tabla provee una recomendacin general sobre los valores gE,
creada a partir de datos estadsticos aportados por un gran nmero de
mquinas. No obstante, los casos especiales deben ser analizados en
forma particular.
Se asume que:sensor = CMSS 793 , CMS 797 , MCD, CMSS 2100, o
CMSS 2200equipo = CMVA55 o CMVA320 o MCDfiltro = N 3 (30 a 500
Hz)Fmax = 1000 Hzdeteccin = pico - pico
Nota: Se debe tomar la medicin para condiciones operativas
normales (temperatura, caudal, potencia, presin, etc). Montar el
sensor en el punto ms cercano posible a la zona de carga del
cojinete. SEE es la sigla de Spectral Emitted Energy. La tecnologa
SEE provee una deteccin muy temprana de fallas de rodamientos y
engranajes, por medio de la medicin de la emisin acstica, de muy
alta frecuencia. A travs de la deteccin temprana del deterioro
mecnico, la medicin SEE tambin detecta problemas de lubricacin de
rodamientos causados por contaminacin, lubricacin inadecuada, o la
rotura de la pelcula del lubricante por defecto local. Estas
mediciones producen un valor numrico global, y un espectro FFT Es
generalmente aceptado que una lubricacin inadecuada es la causa
primaria de una falla de rodamiento.Operando en el rango de muy
alta frecuencia, las mediciones de SEE detectan la tensin
estructural iniciada por problemas de lubricacin y por el contacto
entre superficies del rodamiento. La indicacin temprana de
lubricacin inadecuada provee al analista, tiempo para aplicar
acciones correctivas de lubricacin, prolongando la vida en servicio
del rodamiento.Nota - Tal como la medicin de envolvente de
aceleracin, la medicin SEE debe ser realizada en la zona de carga
del cojinete, o lo ms cercano a ella. El sensor SEE, no se apoya
directamente sobre la superficie de la mquina. Por ello se usa un
film de grasa o aceite entre el sensor y la superficie, para ayudar
a la conductibilidad acstica entre ambos. La consistencia en la
adquisicin de datos es crtica. Los sensores permanentemente
montados, son preferibles, dado que stos aseguran la misma ubicacin
y presin, como asimismo un acoplamiento fluido. Una lectura mayor
de lo normal en SEE sugiere una lubricacin insuficiente,
contaminacin del fluido, o el comienzo del defecto en el
rodamiento. Si una lectura alta de SEE, se reduce a su valor normal
luego de la relubricacin, se deduce que sta es la causa,
resolvindose as el problema del rodamiento, con slo una lubricacin
correctiva temprana. Si la lubricacin es aplicada y la lectura
global SEE permanece elevada, implica deterioro en el cojinete. En
etapas posteriores, mltiples picaduras, o improntas, aparecern en
la regin de las pistas, y las lecturas SEE pueden decrecer. Esto se
debe al efecto de la cua de lubricante, que separa la superficie
daada, del contacto de las bolillas. El dao contina y aparece la
fatiga en la pista, con desprendimiento de partculas largas de
acero, que comienzan a contaminar el lubricante, aumentando
considerablemente la lectura SEE.
Dependiendo del instrumento de monitoreo, SEE provee un nmero,
un espectro o ambos.
Anlisis Numrico SEE
Debido a que la seal SEE detecta una anormalidad en la
proximidad del sensor, es esencial un conocimiento claro de la
mquina. Por ejemplo, si una caja de engranajes es adyacente al
rodamiento donde la SEE es tomada, las emisiones acsticas
provenientes de la caja pueden sumarse a la del cojinete. En este
caso una lectura alta de SEE, puede ser normal para un buen estado
del rodamiento (debido a que la SEE adicional provena de la caja)
En general, una medicin SEE ms elevada que lo normal, indica un
problema. Si inicialmente no haba seal SEE presente, use la
siguiente carta como gua para evaluar la severidad.
Los nmeros estn en medicin SEE. 0 - 3 no identifica problemas 3
- 20 problema de lubricacin, contaminacin, defecto de rodamiento
con poca carga, o pequea avera con carga normal.20 -100 defecto de
rodamiento o contaminacin del lubricante > 100 problema severo
de rodamiento
Nuevamente se recomienda que use esta carta solamente como gua.
Su experiencia en la tendencia de las mediciones determinar el
camino vlido.
Anlisis espectral SEE
Los defectos microscpicos incipientes de los cojinetes, no son
visibles en los espectros normales de velocidad o aceleracin porque
no existe vibracin an, o: Si la vibracin existe, ella ocurre en el
rango de defecto del rodamiento, que el espectro FFT puede no
mostrar. Esta es una amplitud pequea que queda oculta por la
vibracin de la frecuencia rotacional.
La medicin SEE monitorea la frecuencia ultrasnica en que ocurre
esta emisin (150 - 500 kHz) y filtra todos los eventos
rotacionales. Las seales acsticas provenientes de defectos de
rodamientos incipientes son resaltados y mostrados como picos a la
frecuencia de defecto. En una medicin de rodamientos, si no aparece
un pico en el espectro SEE, es porque no hay seal acstica generada
por el mismo.Nota - Cuando no se observan picos de fallas de
rodamientos en el espectro SEE, pero el valor global aumenta, es
indicacin que el problema es de cavitacin o roce.
Nota - La experiencia obtenida indica que aproximadamente la
mitad de los problemas de las mquinas se deben a desbalanceo.
El desbalanceo ocurre cuando el eje central de masa no coincide
con la lnea central geomtrica. Hay tres tipos de desbalanceos:
esttico, cupla y dinmico, que es la combinacin de los dos
primeros.Desbalanceo estticoEn el desbalanceo esttico, solamente se
considera una fuerza. Para observarla, coloque el rotor en un
soporte antifriccin. El rotor girar hasta que la zona pesada quede
abajo (6 horas). El trmino esttico implica que este tipo de
desbalanceo, puede observarse en reposo.Desbalanceo en cuplaA
diferencia del desbalanceo esttico, el desbalanceo en cupla no
puede medirse en reposo. En ste, dos fuerzas (pesos) iguales, estn
dispuestos a 180 entre s, lo cual implica que el rotor permanezca
balanceado en reposo. Sin embargo, cuando el rotor gira, estas
fuerzas mueven al rotor en direccin opuesta, en sus respectivos
extremos del eje. Esto causar que el eje se mueva, con una
diferencia de fase de 180 entre ambos extremos.Desbalanceo
dinmicoEn realidad, todos los desbalanceos son dinmicos. Se llama
as a la combinacin del desbalanceo esttico y en cupla. En mquinas
simples (un plano), es usual detectar un desbalanceo esttico ms que
dinmico (poleas, ventiladores, etc.). En mquinas ms complejas, con
rotores con varios planos, el desbalanceo en cupla es el ms
importante.Cuando se monta una mquina, en muchos casos es
conveniente verificar primero el desbalanceo esttico sobre apoyos,
por seguridad, y luego realizar el balanceo de la cupla en todos
los planos.
RevisinLa vibracin causada por un desbalanceo puro, es una onda
senoidal con un periodo de 1 x revolucin. En el espectro FFT, sta
aparece como una vibracin mas elevada en 1 x. Otras fallas tambin
pueden ocasionar una mayor amplitud en 1 x. Si el desbalanceo es
muy severo, o cuando la rigidez horizontal difiere mucho de la
vertical, suelen aparecer armnicas. Si alguna de sta es mayor que
la fundamental, no debe sospecharse de un desbalanceo.-
Causas de desbalanceoEl desbalanceo puede ser causado por un
nmero de factores, incluyendo fabricacin inadecuada, como el caso
de piezas mal fundidas, depsito de materiales extraos en labes,
rotores, paletas, etc., o a la colocacin de pesos en una reparacin,
sin el debido balanceo. En bombas, un desgaste desigual de
impulsores generara desbalanceos.
Efectos del desbalanceoEl desbalanceo normalmente provocar que
el cojinete soporte una carga dinmica mas elevada que la
especificada en diseo, que inducir fallas por fatiga en el
cojinete. La fatiga es el resultado de esfuerzos cclicos aplicados
sobre la superficie que soporta la carga, y metalogrficamente, se
observa como un desprendimiento de la superficie del metal.
Diagnsticos Es probable un desbalanceo si: (Medicin de vibracin
global) - Tiene alta energa, baja frecuencia, vibracin radial (en
mquinas horizontales, la amplitud se incrementa ms en el sentido
horizontal que en el vertical). (Mediciones espectrales) - Tiene
una amplitud en 1 X r.p.m. ms alto que lo normal. (Mediciones
espectrales) - Con 1 X elevada, las armnicas (2X, 3X, 4X, etc..)
son bajas o no existen. (Mediciones espectrales) - la amplitud 1X
se incrementa con el aumento de la velocidad (luego de pasar por la
velocidad crtica).(Medicin de fase) - Para el desbalanceo en que
predomina el esttico, es normal el mismo ngulo en los cojinetes
extremos de la mquina y luego del acoplamiento. (Medicin de fase) -
El sensor mostrar 90 de diferencia de fase entre la posicin
horizontal y vertical en el mismo cojinete. Nota - Todas las
lecturas de fase pueden variar ms o menos 30 debido a variaciones
mecnicas.Es probable que no sea desbalanceo si: (para mquinas
horizontales) Un incremento pequeo en velocidad produce un
incremento radical en amplitud (chequear por resonancia). Las
amplitudes verticales se incrementan mucho ms que las horizontales
(chequear por flojedades). Mediciones axiales son mayores que las
radiales (chequear por desalineacin). Si las armnicas de las r.p.m.
en 2X y 3X se incrementan con la velocidad (chequear por problemas
de alineacin, flojedad en cojinete, eje torcido, etc..)
Resmen
Si la medicin radial 1 X es elevada, y todas las armnicas
(excepto pasaje de vanos) son menores del 15 % de 1X, y no aumentan
con la velocidad, entonces puede ser desbalanceoSi la principal
vibracin es en el plano radial, la amplitud 1 X es mediana o alta,
la lectura de fase en el mismo cojinete, en sentido horizontal
difiere 90 del sentido vertical, es posible un desbalanceo. Si la
vibracin no es sincrnica con 1X, es probable un desbalanceo de una
mquina prxima.Si la vibracin se incrementa en los sentidos radial y
axial, la mquina tiene un peso en voladizo, el ngulo de fase axial
a travs de la mquina y del acoplamiento es el mismo, puede ser un
desbalanceo. Nota - Es importante resaltar nuevamente que un
incremento en las fuerzas por desbalanceo, incrementan la carga del
cojinete. Si la carga es excedida, la vida del rodamiento se reduce
drsticamente.staticcoupleesttico purocupla puraRevisinLa
experiencia indica que junto al desbalanceo, la desalineacin es la
causa ms comn de los problemas de las mquinas.La desalineacin es
causada cuando los ejes, acoplamientos y cojinetes no son
propiamente alineados a lo largo de su lnea central.Los tipos de
desalineacin pueden ser: angular y paralela. En la prctica,
generalmente se presentan las dos.
Desalineacin angularLa desalineacin angular ocurre cuando dos
ejes son unidos alabeados entre s, de tal manera que se induce una
fuerza que tiende a doblar los ejes.
Desalineacin paralelaLa desalineacin paralela ocurre cuando las
lneas centrales de los ejes son paralelas, pero desplazadas una de
otra.
NOTA: Ambas deben medirse en los planos horizontal y verticalUna
desalineacin angular pura, causa una vibracin axial a la frecuencia
de rotacin (1 X)Una desalineacin radial pura, produce una vibracin
radial a dos veces las r.p.m. (2X)Una desalineacin excesiva, u
otras fallas, adems producen vibraciones en 3XDebido a que
normalmente la desalineacin es una combinacin de angular y radial,
las frecuencias 1 X y 2X son analizadas en las mediciones radiales
y axiales.Tambin, mientras las fuerzas de desbalanceo
(rotacionales) son iguales en las posiciones vertical y horizontal,
las de desalineacin (estticas) raramente son iguales.
Causas de desalineacinLas posibles causas de desalineacin
son:Expansin trmica debido a trabajos con calor (como en las
turbinas). Muchas mquinas son controladas en fro, y luego cuando se
operan con temperatura, la dilatacin trmica causa desalineacin.
Mquinas de acople directo, no alineadas adecuadamente. Fuerzas
transmitidas a la mquina por caeras o falta de soportes.
Fundaciones desniveladas, con bases flojas o con base
despareja.
Efecto de la desalineacinLa desalineacin usualmente produce un
aumento de carga en los cojinetes ms alta que la especificada, lo
cual provocar la rotura del mismo por fatiga. Esta se produce en la
zona de carga del rodamiento, y genera el agrietamiento de la
superficie del metal. Tambin, en los motores elctricos una carga
excesiva produce una operacin con baja eficiencia (aumenta el
consumo elctrico). Diagnstico(medicin del valor global) - Las
fuerzas de desbalanceo son iguales en los planos horizontal y
vertical, en cambio las de desalineacin no son as. Debido a la
gravedad y a la rigidez del montaje, el desbalanceo tpicamente
produce vibraciones mayores en el plano horizontal. Si la vibracin
vertical supera a la horizontal, es sospechada una desalineacin
antes que un desbalanceo.(medicin del valor global) - La amplitud
de la vibracin en el plano horizontal se incrementa 2 o 3
veces.(Medicin del valor global) - Esta es de alta energa, baja
frecuencia, vibraciones radiales y axiales (la desalineacin
tpicamente presenta un valor axial alto respecto al radial).
(medicin espectral) - amplitudes ms altas que lo normal en 1X, 2X,
3X, en sentidos radiales y axiales. La amplitud 2 X no siempre esta
presente, pero si est, puede variar desde un 30% de 1 X hasta 100%
- 200% de 1 X.Notas - mediciones de amplitudes de 2X < 50% de 1X
son usualmente aceptables y pueden operar por un largo perodo de
tiempo. Cuando 2X esta entre un 50% a 150% de 1X, es probable que
ocurra un dao en el acoplamiento. La mquina con 2X mayor de 150% de
1X tiene una severa desalineacin, y el problema debe ser corregido
lo antes posible. (Mediciones espectrales) - Cuando hay una severa
desalineacin, el espectro puede contener armnicas de 3X a 10X.
(Medicin de fase) - Desalineacin angular - En la posicin axial, la
fase difiere 180 a travs del acople. (Medicin de fase) -
Desalineacin paralela - En la posicin radial, hay una diferencia de
fase de 180 a travs del acoplamiento. Una diferencia de 0 o 180
puede ocurrir si el sensor se mueve desde el plano horizontal al
vertical, en el mismo cojinete. (Medicin de fase) - Combinacin de
desalineacin angular o paralela - En la posicin radial y axial, hay
una diferencia de fase de 180 a travs del acoplamiento.
Est claro que la medicin de fase provee de una informacin
importante para el diagnstico de la desalineacin. Si es posible,
realice la comparacin de fase entre la lectura axial del cojinete
en los extremos opuestos a travs del acoplamientoNota - La medicin
axial a travs del acoplamientodebe realizarce en la misma posicin
axial enambos cojinetes (ver la figura)
Probablemente no sea desalineacin si: Las mediciones de amplitud
axial son bajas (controlar flojedades) Las amplitudes de las
armnicas 4X-10X son altas, o si 1/2 armnica est presente (chequear
flojedades)Resmen Si hay una amplitud anormal en 1X/2X, Si hay 180
de diferencia de fase a travs del acoplamiento Si hay acoplamiento
o correa, puede ser desalineacin Tambin habr si la amplitud radial
2X es anormalmente alta y est 180 fuera de fase a travs del
acoplamiento Si la componente axial 1X es anormalmente alta y est
desfasada 180 a travs del acoplamiento.
1234RevisinLa vibracin global y el anlisis espectral, presentan
un problema de eje doblado idntico a un problema de desalineacin.
La medicin de fase a lo largo del eje permite distinguir las
dos.
Causas de las dobladuras de ejes Doblado por deformacin trmica -
Como resultado de la gravedad, los ejes largos respecto de su
seccin, pueden curvarse en reposo. Manipuleo inadecuado en el
transporte. Torque elevado.
Efectos del eje dobladoComo en el desbalanceo, el eje doblado
usualmente causa rotura por fatiga en los cojinetes, por la carga
dinmica elevada.Nota - Distorsiones en carcazas, especialmente en
motores largos, pueden presentar los mismos sntomas que ejes
doblados.
DiagnsticoUn eje doblado tpicamente presenta las mismas
caractersticas que la desalineacin.Nota - Los sntomas de fase del
eje doblado aparecen a lo largo del eje estando desacoplado. La
desalineacin ocurre con los ejes acoplados.La medicin de fase es
esencial para el diagnstico de eje doblado.Nota - Todos los valores
de fase son ms o menos 30. La medicin de fase a travs de la mquina
debe realizarce en la misma posicin en ambos cojinetes (ver
figura).
Es probable que el eje est doblado si: Si est desacoplado y
adems: (Valor global y espectro) - Similar a la desalineacin.
(Medicin de fase) En la posicin axial: 180 de diferencia de fase.
(Medicin de fase) En la posicin radial: no hay diferencia de fase
entre los cojinetes en los extremos del eje.. Revisin El plano
primario de vibracin es en el sentido axial, dominante en 1 X, no
se presenta una cupla, hay una diferencia de 180 en sentido axial y
no hay diferencia de fase en sentido radial. Estas caractersticas
corresponden a sntomas de eje doblado.RevisinFlojedades mecnicas, o
el montaje incorrecto entre componentes, es caracterizado
generalmente en el espectro por una larga sucesin de armnicas de
las r.p.m. o 1/2 de las r.p.m., con amplitudes anormalmente
elevadas.Nota - Estas armnicas pueden ser espordicas. por ejemplo,
las flojedades pueden mostrar picos en 2X, 3X, 4X, 5X, 6X, etc.....
o a 3X, 3.5X, 4X, 5.5X, 6X, etc.....
Causas de flojedades mecnicasLas causas posibles de
huelgos/flojedades son: Que la mquina tenga su montaje flojo. Que
un componente de la mquina est flojo. El rodamiento ha desarrollado
una avera que rompi sus elementos, o agrand el alojamiento del
cojinete.
Efectos de las flojedades mecnicas Si la flojedad es debida al
cojinete, el efecto es el mismo que el desbalanceo, o ms severo. Si
la flojedad se debe a un componente (por ejemplo una pala de un
ventilador), es posible un dao secundario por la rotura de la
pala.
Diagnstico Es probable una flojedad mecnica si:
(Medicin global) - Posee una alta energa vibratoria radial,
especialmente en el plano vertical. (Medicin global) - En el plano
axial las vibraciones son bajas. (Medicin espectral) - Hay una
amplitud en frecuencia de rotacin anormal, seguida por armnicas
altas, posiblemente 1/2 de las r.p.m. tambin (de 2X a 10X). Los
picos de las armnicas decrecen en amplitud a medida que crece la
frecuencia (excepto a 2X, en el plano vertical puede ser
mayor).
Revisin Si hay una serie de tres o mas mltiplos sincrnicos o 1/2
de r.p.m. (en el rango 2X a 10X), y su magnitud es mayor de 20% de
1X, pueden ser flojedades.Si la mquina es de acoplamiento rgido
(sin acople flexible o correa) y la componente radial 2X es alta,
tambin es sntoma de flojedades.
Nota - El siguiente tema describe las fallas tpicas de los
elementos de los rodamientos.
Un rodamiento puede fallar por un nmero de razones: lubricacin
inadecuada, contaminacin del lubricante, carga elevada por
problemas de la mquina (desbalanceo, desalineacin, eje doblado,
etc), mal manipuleo o montaje inadecuado, vejez (fatiga
superficial), etc.En general, el resultado inicial de la fatiga
generada por las cargas cclicas, son fallas que aparecen
inmediatamente abajo de la zona de rodadura con carga. Luego de un
tiempo, este esfuerzo provoca picaduras que gradualmente se
extienden sobre la superficie. Al pasar los elementos rotantes
sobre la falla, se fragmenta nuevamente. Esto es conocido como
spalling o flaking. El spalling se incrementa progresivamente hasta
inutilizar el rodamiento. Este tipo de dao de rodamiento es de una
progresin lenta, y se desarrolla en las cuatro etapas de fallas que
se describen en la pgina 94. Otro tipo de falla es iniciado por
fatiga de la superficie. Se forman crteres en la superficie y
penetran en el material. Esta fatiga es tambin causada por la carga
excesiva o la lubricacin inadecuada. En ambos casos, la falla del
rodamiento produce ruido y vibracin, permitiendo su deteccin y
anlisis anticipado. Esto provee al personal de mantenimiento, de
tiempo suficiente para corregir la causa del problema del
rodamiento (extendiendo efectivamente la vida en servicio), o si es
necesario, tiempo para reemplazar el rodamiento antes que falle
completamente.Nota - Una vez reemplazado el rodamiento, el analista
debe determinar la causa raz del problema. Muchas veces, problemas
en las mquinas tales como desbalanceo, desalineacin, mala
lubricacin, etc, son las causas de las fallas de rodamientos. Para
prevenir stas nuevamente, se debe corregir la causa raz.
Muchos rodamientos continan operando con pequeas fallas . En el
transcurso del tiempo, stas comienzan a incrementarse y progresan
rpidamente llegando a roturas catastrficas.
Nota -Cuando el rodamiento comienza a demostrar una tendencia de
falla, la adquisicin de datos debe incrementarse para aumentar la
confiabilidad de la mquina.
El objetivo del sistema de mantenimiento predictivo, es la
deteccin temprana de las anormalidades, para permitir una
programacin de la tarea correctiva. Existe una relacin fsica entre
la geometra de los rodamientos, y la seal de vibracin emitida por
los defectos de cada componente del rodamiento. Si conocemos las
dimensiones geomtricas del rodamiento (dimetro de las bolillas,
dimetro medio, nmero de bolillas, y ngulo de contacto), podemos
calcular las frecuencias de falla de cada componente del
rodamiento. Luego que las frecuencias de fallas del rodamiento son
conocidas, analizamos el espectro para identificar los picos de
esas frecuencias (o sus armnicas). Un pico en la frecuencia de
falla, indica que el rodamiento tiene problemas, y adems cul es la
ubicacin del mismo en el rodamiento.Las frecuencias de fallas de
rodamientos se calculan individualmente para cada rodamiento: pista
exterior:outer race= BPFO (Ball Pass Frequency Outer Race) pista
interior:inner race= BPFI (Ball Pass Frequency Inner Race)
canasto:cage= FTF (Cage Frequency, or Fundamental Train Frequency)
bolilla:rolling elements= BSF (Ball Spin Frequency)
Estas cuatro frecuencias de defectos son calculadas para cada
tipo de rodamientos, usando ecuaciones relativas a su geometra. Por
ejemplo, la ecuacin para calcular BPFO es:BPFO = (n)/2 x
(R.P.M.)/60 x (1-Bd/Pd x cos A) donde:(n) = nmero de bolillas Bd =
dimetro de bolilla Pd = dimetro primitivo A = ngulo de contacto
Si conocemos la geometra especifica de cada uno de nuestros
rodamientos, esto es , el dimetro de las bolillas, el dimetro
medio, el nmero de bolillas y el ngulo de contacto, podemos
realizar el clculo de las frecuencias de fallas usando un
calculador estndar. Pero con ms de 1000 rodamientos en uso en una
simple mquina de papel, el clculo consume mucho tiempo, adems de
ser un trabajo tedioso. Gracias al avance tecnolgico, la
computadora puede hacerlo por nosotros.La mayora de los software de
anlisis incorporan bases de datos de rodamientos identificados por
fabricantes y nmero de modelo. Cada uno de los cuatro defectos son
almacenados en la base. En la configuracin del punto de medicin, el
usuario simplemente especifica el rodamiento (fabricante y modelo).
El programa introduce las frecuencias de fallas en cada punto de
medicin seleccionado, para relacionarlas con las mediciones. Luego
de la coleccin de datos, cuando se observan los espectros, con una
simple seleccin en el men, se pueden apreciar superpuestas, las
frecuencias de falla. Esto hace muy fcil para identificar defectos
de rodamientos. Nuevamente, el pico a la frecuencia de falla
conocida indica que el rodamiento tiene problemas, e indica dnde
est el defecto.En el espectro de arriba, el defecto en la pista
exterior es claramente identificada, cuando la marca de la
frecuencia fundamental BPFO se alnea con el primer pico
significativo en la medicin de envolvente de aceleracin (a
aproximadamente 35 Hz). Los picos subsecuentes ocurren a mltiplos
del defecto fundamental (2xBPFO, 3xBPFO, y 4xBPFO).Nota - En el
espectro claramente se identifica el uso de la sobreposicin de las
frecuencias de fallas de rodamientos. El proceso de envolvente ha
filtrado en el rango de frecuencia seleccionado, las vibraciones
rotacionales con altas amplitudes, que ocultan los impulsos
repetitivos de baja energa que producen las fallas de rodamientos.
Luego, stos son sumados y expresados en el rango del defecto
fundamental y sus armnicas . El resultado es un cuadro de un
defecto de pista externa a la frecuencia BPFO del rodamiento.
Normalmente, el defecto del rodamiento progresa a travs de
cuatro etapas antes de la falla catastrfica. Cada una de esa etapa
exhibe caractersticas espectrales definidas.Nota - La aceleracin y
el procesamiento de la seal envolvente en aceleracin, son los
mejores parmetros para analizar problemas de rodamientos. El
espectro mostrado arriba plotea velocidad, dado que en este se
aprecian eventos de altas y bajas frecuencias..Etapa 1 -cuando en
un elemento del rodamiento comienza un defecto, la seal del mismo
es muy pequea comparada con las otras emanadas de la mquina, y no
es apreciable en el espectro de velocidad. El procesamiento de
seales como SEE, envolvente de aceleracin, Spike Energy, y HFD, que
concentran el monitoreo en rangos de frecuencias muy altas, o
ultrasnicos (donde aparecen primero los defectos de rodamientos),
son necesarios para indicar defectos en etapas tempranas.Etapa 2 -
A medida que el defecto crece, aparecen armnicas del defecto
fundamental (en el rango de 500 Hz a 2 kHz). En el espectro de
velocidad, estas armnicas del defecto fundamental son los
indicadores ms tempranos de que el problema existe. Hacia el final
de la etapa dos, aparecen bandas laterales en los picos
armnicos.Etapa 3 - A medida que la falla aumenta, aparecen armnicas
del defecto fundamental en el rango de frecuencias. Normalmente, a
mayor nmero de armnicas, ms gravedad tiene el problema. Cuando la
falla es muy severa, adems de las armnicas, aparecen bandas
laterales en la fundamental y sus armnicas. El rodamiento debe ser
cambiado en este momento.-Etapa 4 - Con el progreso del defecto,
aumentan las armnicas y sus bandas laterales, y aumenta el nivel de
ruido. En esta etapa, crece la componente 1 x r.p.m. y sus
mltiplos. Es importante resaltar que en la etapa cuatro, puede
disminuir el valor global de la vibracin (a pesar que el estado del
rodamiento empeora). Esto es causado por la expansin de mltiples
defectos en la pista, lo cual implica que los impactos severos
disminuyen.
