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Diagnostico de falla en las paletas de una bomba de desplazamiento positivo por anlisis de vibraciones.

Rodrguez, Nairo.najrodriguezba@unal.edu.coUniversidad Nacional de Colombia

ResumenEl objetivo de este artculo es presentar el diagnostico de falla en las paletas de una bomba hidrulica de desplazamiento positivo, analizando las firmas espectrales que se generan por la vibracin. Teniendo en cuenta que toda mquina dentro de sus parmetros de operacin tiene niveles aceptables de vibracin y que cualquier cambio en su condicin normal de diseo se puede ver reflejada en un aumento considerable de las vibraciones, se analiza el comportamiento vibracional de la mquina para determinar de manera acertada el estado de la falla y haciendo uso de la normatividad existente se evala la severidad vibratoria.

ndice de TrminosDiagnostico, Paletas, bomba hidrulica, vibracin, anlisis de vibracin, falla.

INTRODUCCINLas Bombas Hidrulicas de Paletas, son bombas volumtricas, compuestas, por un rotor, paletas deslizantes y una carcaza, las paletas deslizan en un cilindro con ranuras radiales en el rotor, debido a la fuerza centrifuga estas son expulsadas de las ranuras, entrando en contacto tribologico con la camisa de la bomba y el fluido en movimiento[1], con el exceso de trabajo estas paletas se desgastan disminuyendo la eficiencia volumtrica de la bomba, como inicio en el estudio del desgaste de las paletas en una bomba hidrulica, se mostrara los parmetros para diagnosticar fallas en las paletas utilizando el anlisis de vibraciones.

Las vibraciones han sido asociadas generalmente a fallas mecnicas (desgaste, mal funcionamiento, ruido y daos estructurales), el monitoreo del nivel de las vibraciones en los equipos rotativos ha permitido estructurar mantenimientos ms efectivos y menos costosos [2].

Las vibraciones en la maquinas se provocan por fuerzas excitadoras, la magnitud de la vibracin en la maquina no solo depende de la fuerza sino de las propiedades del sistema y ambas de la velocidad; la vibracin puede ser utilizada para identificar los defectos de diseo, fabricacin, instalacin o por desgaste mecnico [3].

En este tipo de bombas es caracterstico el desgaste adhesivo, se presenta en dos superficies que estn en contacto deslizante, provocado por dos slidos que se deslizan uno sobre el otro bajo presin, normalmente trae como consecuencias: reduccin de la eficiencia de operacin, prdidas de potencia por friccin, incremento del consumo de lubricantes, eventualmente conduce al reemplazo de componentes desgastados.[4] BOMBA HIDRULICA Bombas hidrulicas Una bomba hidrulica es un dispositivo mecnico que convierte energa mecnica en energa hidrulica, el objetivo de una bomba es suministrar flujo a un sistema hidrulico, mas no crea la presin en el sistema, recordemos que la presin se genera por la resistencia al flujo. Clasificacin bombas desplazamiento positivo Hay muchos tipos de bombas diferentes. Las bombas funcionan a travs de dos principios bsicos, desplazamiento rotodinmico y positivo [5].

Reciprocantes Pistn Embolo Diafragma

Rotatorias Paletas Aspas Pistn Miembro flexible Tornillo EngranesBomba de paletas Las bombas de paletas consisten en un conjunto paletas alojadas en un rotor cilndrico hueco con ranuras radiales en las que oscilan las paletas, por la fuerza centrifuga.

Figura 1. Bomba de paletas deslizantes

El rotor va dispuesto en forma excntrica respecto a la superficie interior del estator que es cilndrica, debido a lo cual, las paletas, durante la rotacin del rotor, son proyectadas contra la pista interior del anillo, por accin de la fuerza centrifuga y de la presin del fluido, entrando en contacto tribologico, el empuje que resulta de estas acciones permite un contacto controlado entre las paletas y la pista interior del anillo [6].

ANALISIS DE VIBRACIONESMonitoreo de vibraciones El monitoreo de vibraciones permite cuantificar las vibraciones de la superficie de la maquinaria, con mediciones realizadas de forma DISCRETA o sea, en algunos puntos de la mquina o de la estructura objeto de anlisis y en forma DIRECTA, porque se mide a travs del contacto entre el dispositivo de medicin y la mquina [7]. Las bombas son uno de los equipos ms utilizados en procesos industriales, y muchas veces determinan la disponibilidad de todo un proceso, es lamentable que las bombas no alcancen generalmente su vida til terica debido a desgastes y condiciones propias del proceso, monitoreando tempranamente los indicadores de una inminente falla, se puede planificar adecuadamente la parada de planta y los recursos tcnicos. Analisis de vibraciones Se han desarrollado una gran cantidad de tcnicas de anlisis de seales de vibracin, algunas de ellas utilizan la forma de onda en el dominio del tiempo, otras consideran el estudio de los componentes de espectro de frecuencia, otras analizan la forma de la rbita descrita por el rotor y algunas otras utilizan ciertos filtros que se enfocan especialmente en determinar la condicin de los rodamientos.

Cuando se efecta anlisis de vibracin, se buscan tres componentes en la seal de vibracin, amplitud, frecuencia y fase.

Frecuencia.- Es el nmero de oscilaciones realizadas por un objeto en un tiempo determinado; La frecuencia a la cual ocurre la vibracin indica el tipo de falla.

Amplitud.- Es el tamao de la seal de vibracin, sta determina la severidad de la falla; entre mayor es la amplitud, mayor la vibracin, mayor el problema.

Fase -Dos vibraciones con la misma frecuencia f (o ), pueden ser no simultneas figura 2, es decir, mientras que la vibracin X1 empieza en t1, la vibracin X2 empezar en t2, ver la siguiente figura, se dice entonces que las vibraciones estn fuera de fase o desfasadas en un lapso (t2-t1).

Figura 2. Desfase

Cuando se va a realizar el anlisis de vibracin de una mquina es necesario tener a la mano toda la informacin de cmo esta constituda la mquina (tipo de rodamientos, velocidades, nmero de labes (si aplica), nmero de dientes (si aplica), tipo de motor, tipo de transmisin, etc. Adems de conocer todas las piezas de la mquina, es necesario tambin conocer el proceso para maximizar la disponibilidad y el rendimiento de los equipos mediante un buen mantenimiento y operacin; el desconocer esta informacin puede arriesgar la precisin del diagnstico. Las fuerzas de la mquina internas y externas generan cierta vibracin, algunas veces la vibracin es aceptable y en otras no, la aceptacin para el nivel de vibraciones en velocidad esta dado por la norma ISO 10816 [8].

NORMATIVA A la hora de llevar a cabo una clasificacin de la severidad de la vibracin en una mquina, la variable del movimiento a considerar (desplazamiento, velocidad o aceleracin de la vibracin) depende del tipo de norma y del rango de frecuencias a analizar.

El anlisis del estado vibracional de una mquina en el rango de 10 a 1.000 Hz, se lleva a cabo en funcin de la velocidad de vibracin, al resultar un parmetro prcticamente independiente de la frecuencia en este rango, lo que facilita el llevar a cabo una medida sencilla de la severidad de las vibraciones en una mquina. Cuando se trata de analizar un movimiento armnico simple, puede llevarse midiendo valores pico a pico, o valores rms, del desplazamiento en vibracin. Sin embargo, para mquinas cuyo movimiento es ms complejo, el uso de estos dos ndices da lugar a resultados claramente diferentes debido al distinto peso aportado por los armnicos de ms alta frecuencia. En mquinas rotativas con velocidad de giro dentro del rango de 600 a 12.000 RPM, el valor rms de las amplitudes de la velocidad de vibracin suele corresponderse bastante bien con el nivel de severidad de la vibracin. As, la International Standards Organization (ISO) [10] define como severidad de la vibracin el mayor valor rms de la amplitud de velocidad de vibracin obtenido en la banda de frecuencia 10 1.000 Hz y medido en unos puntos preestablecidos de la estructura figura 3. (normalmente medidas triaxiales en la tapa de los cojinetes o en los soportes). Por lo tanto, por regla general, las normas de severidad de vibraciones de maquinaria se basan en dos parmetros de la vibracin: amplitud y frecuencia [9].

Figura 3. Medicin de puntos en una maquina rotativa horizontal

Para la evaluacin de la severidad en la bomba tomaremos como base la ISO 10816. Vibracin mecnica. Evaluacin de la vibracin en una mquina mediante medidas en partes no rotativas.

Tabla1. Aceptacin niveles de vibracin ISO 10816 [10]

DIAGNOSTICO de fallaAnalizador de vibraciones Para captar y analizar las frecuencias propias de la mquina de forma continua se utilizo un analizador de vibraciones Microlog Analyst SKF serie GX. En base a los datos recolectados por el analizador, se determinaron los objetos de diagnstico, los cuales permiten determinar tempranamente problemas como cavitacin, desbalance, desgaste, fallas en los rodamientos, fallas en los impulsores, problemas estructurales entre otros, los datos recolectados por el analizador fueron transferidos a un software especializado para anlisis de vibraciones SKF @ptitude Analyst for Microlog.

Bomba de paletas Blackmer Se tiene como base de estudio una bomba de paletas de desplazamiento positivo Marca Blackmer Modelo MRLX4B,

Parmetros de operacin Modelo MLX4B

Velocidad mxima de la bomba600 RPM

Temperatura mxima de operacin (115-204 C)

Viscosidad mxima(6300-21000 cSt) (30000-100000 SSu)

Diferencial de presin mximo200 psi

Presin de trabajo mxima250 psi

TABLA 2. Parametros Bomba [13]

El diseo de estas bombas, permite lograr un alto rendimiento al utilizar tres fuerzas en su ciclo de operacin, la fuerza centrifuga por la rotacin del rotor, la fuerza de empuje de las varillas, al desplazamiento entre paletas y la presin del liquido que ingresa a travs de los canales de las paletas impulsndolas hacia afuera, todo esto permite desplazar eficientemente el fluido con cada revolucin. Este tipo de bombas tiene la capacidad de auto compensar el desgaste, ya que el desplazamiento de estas siempre ser el mximo figura 4, esta caracterstica permite que las bombas Blackmer mantengan su rendimiento por ms tiempo.

Figura 4. Mximo desplazamiento paletas

La fuerza motriz de la bomba es suministrada por un motor elctrico marca Marathon electric, de siguientes caractersticas Tabla 3.

Parmetros Valores

Velocidad1762 rpm

Voltaje460 V

Frecuencia60 Hz

Potencia40 hp

TABLA 3. Parmetros Motor Elctrico [11]

La bomba - motor estn acoplados por un reductor, Nord modelo SK52-W, con parmetros de operacin mostrados en la tabla 4.

Parmetros valores

Reduccin 4,61

Par salida770 N-m

Potencia motor 40 Hp

Velocidad motor1750 rpm

Velocidad salida380 rpm

TABLA 4. Parmetros Reductor [12]Monitoreo de la bomba Teniendo en cuenta lo recomendado en la norma ISO 10816, se tomaron los siguientes puntos de medicin.

BombaReductorMotor

A B C D E FFigura 5. Puntos de medicion

En los 6 puntos seleccionados figura 5 se tomaron datos en los tres ejes: horizontal vertical axial, en desplazamiento, velocidad, aceleracin y envolvente en los puntos que aplica.

PuntoDesplazamiento(Mils)Velocidad(in/s)Aceleracin(G)EnvolventegE

Ax0,3570,0290,2620,212

Ay---0,040------

Az---0,029------

Bx0,4850,0610,3410,196

By---0,089------

Bz---0,046------

Cx0,2380,0950,9640,657

Cy---0,067------

Cz---0,075------

Dx0,3260,1010,9630,771

Dy---0,055------

Dz---0,050------

Ex0,4860,1462,7312,879

Ey---0,198------

Ez---0,129------

Fx1,2850,1493,1193,212

Fy---0,144------

Fz---0,162------

Tabla 5. Datos vibracin

Evaluando los valores obtenidos tabla 5 se observan datos de velocidad con valores dentro del rango de severidad en la zona C segn norma ISO 10816 (corta operacin permisible) [10]. Valores normales de vibracin en velocidad en los sentidos horizontal, vertical y axial en motor figura 6, valores moderados de vibracin en reductor, son influenciados por vibracin proveniente de la bomba figura 7, Valores globales inferiores a 0,100 in/s, para ambos componentes

7Universidad Nacional de Colombia. Rodrguez Nairo. Diagnostico de falla en una bomba de paletas.

Premio Colombiano de Informtica ACIS 2011

Figura 6. Espectro en velocidad ms representativo motor vertical lado acople punto By

Figura 7. Espectro en velocidad ms representativo reductor horizontal acople bomba punto Dx

En este tipo de bombas se tiene un componente de vibracin importante en la frecuencia de paso de paletas que es igual al nmero de paletas por las RPM o actividad en sus armnicos mltiplos. Si la amplitud en la frecuencia de paso de las paletas o en sus mltiplos se incrementa de manera significativa

eso por lo general quiere decir que hay un dao en las paletas.

Frecuencia de giro

La frecuencia fundamental 1X es la relacionada con la velocidad de giro de la bomba.

Frecuencia de paso de paletas

Donde

Analizando los datos y los espectros en velocidad tabla 5 y figura 8 se observan valores moderados de vibracin en sentidos horizontal, vertical y axial en la bomba valores globales hasta 0,198 in/s, espectros dominados por mltiplos armnicos a 2X, el valor de amplitud a la frecuencia de paso 6X, no muestra relevancia, sin embargo sus mltiplos armnicos, muestran amplitudes relevantes (24X y 36X), frecuencias de falla relaciona con el paso de paletas;

Figura 8. Espectro en velocidad bomba lado acople vertical punto Ey

Analizando los datos y los espectros en envolvente y aceleracin tabla 5 y figura 9 se observan valores altos de vibracin, actividad multiarmonica relacionada con mltiplos pares de 6X, valores globales de hasta 3 Gs espectros asociados con desgaste de paletas de la bomba,

Figura 9. Espectro en Envolvente bomba lado libre Fx

ConclusionesTeniendo en cuenta las condiciones de operacin de la bomba y analizando los espectros obtenidos en el monitoreo, se diagnostico la falla por desgaste en las paletas de una bomba hidrulica Blackmer, la utilizacin de herramientas avanzadas para la toma de vibraciones y el conocimiento de la teora permiti dar un diagnostico acertado y a la vez puntualizar las recomendaciones al personal de mantenimiento: Evaluar el estado de las paletas en la bomba, pueden presentar un avanzado estado de desgaste e inspeccionar y evaluar el desgaste en el anillo de la bomba. Verificar si las condiciones de operacin de las bombas en cuanto a velocidad de giro y viscosidad del fluido trasegado sean las ms adecuadas. Incluir el equipo en un plan de mantenimiento predictivo para evaluar el comportamiento de los valores globales y firmas espectrales, con el fin de anticipar fallas futuras y garantizar la disponibilidad.

El anlisis de vibraciones permiti diagnosticar la falla en las paletas, si se quiere conocer por que fallaron las paletas se debe realizar un estudio ms profundo y detallado sobre las paletas y el anillo como tal.referencias[1] B Nesbit, Handbook of pumps and pumping BH), first Edition 2006, Elseiver and Roles & associates pp. 37-38.[2] G. White Introduccin al anlisis de vibraciones AZIMA DLI, 1990-2010.[3] R. L. Eshleman Vibraciones Basicas de Maquinas Vibration Institute a not for profit corporation , Peru- Lima 2001[4] K. G. Budinski Guide to Friction, Wear, and Erosion Testing , ASTM Stock Number: MNL56, 2007[5] L. Nelik, Centrifugal and Rotatory pumps fundamentals with applicationsCRC PRESS TJ919.N34 1999.[6] IIMPI Bomba Oleohidraulicas Departamento de diseos Hidraulicos, wojwda@fing.edu.co.[7] E. P. Martin, La medicin y el anlisis de vibracin en el diagnstico de mquinas rotativas,Curso de analisis de vibraciones. RENOVETEC, info@renovetec.com [8] SKF Venezuela s.a Manual bsico de vibraciones www.skf.com 2006.[9] Universidad de Navarrensis Normativa sobre Vibraciones Curso de doctorado Introduccion al fenomeno de las vibraciones mecanicas. Tema 7.[10] British Standar Mechanical vibration Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts. IS0 10816 1995.[11] Marathon Electric Installation, Operation and Maintenance Instructions for AC Induction Motors 56- 6800 Frames (NEMA) 63 280 Frames (IEC)[12] Reductores nord modelo SK52-W B1000 Instrucciones de montaje y funcionamiento para reductores y motorreductores[13] Blackmer power pump Installation Operation and Maintenance instructions MLB4 series

Autor

Nairo Julin Rodrguez Ballesteros, Estudiante a titulo de Magister en Ingeniera - Ingeniera Mecnica, Universidad Nacional de Colombia, Ingeniero Electromecnico Universidad pedaggica y tecnolgica de Colombia, experiencia profesional en Confiabilidad Operacional mantenimiento predictivo - Analisis de vibraciones, precomisionamiento de maquinas rotativas.