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PEDIDOS INTERIOR DEL PAÍS: Línea Gratuita para el Consumidor Teléfono – Fax: 800 10 3332 PEDIDOS LOCALES (CIUDAD DE ORURO): Teléfonos – Fax: 5250715 y 5252458

“Lo que la escultura es al bloque de mármol, la educación es al alma”

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CENTRO DE ESTUDIOS INNOVACIÓN Y MANTENIMIENTO

Elementos de Medición y Análisis de Vibraciones en Máquinas Rotatorias DR. ING. EVELIO PALOMINO MARÍN, PA. Profesor de Vibroacústica Aplicada División de Ingeniería de las Vibraciones, Ruido y Diagnóstico

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BOLIVIA, 2002 LATINAS EDITORES Calle Sucre No. 1164 Casilla No. 878 Teléfonos (2)5250715 – (2)5252458 - 25113902 Fax: (2)5250715 - 25113902 Línea Gratuita Consumidor: 800-10–3332 EMAIL: [email protected] Oruro - BOLIVIA PRIMERA EDICIÓN JUNIO DE 2002 DEPOSITO LEGAL No. 5-1-893-02 ISBN Copyright © 1997, 2001 Centro de Estudios Innovación y Mantenimiento Calle 127 s/n. Campus CUJAE. Marianao. Ciudad de la Habana. Cuba. Palomino M., Evelio. ELEMENTOS DE MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN MÁQUINAS ROTATORIAS . Vibrasoft® es una marca registrada del Centro de Estudios Innovación y Mantenimiento, CEIM - ISPJAE La edición de este texto ha sido posible gracias al acuerdo de co-edición de ........ y Latinas Editores. La presente edición es propiedad de ........ y LATINAS EDITORES, cualquier reproducción y/o difusión total o parcial de esta obra, por cualquier forma, por medios mecánicos o electrónicos, inclusive por fotocopia, grabación magnetofónica y cualquier otro sistema de almacenamiento de información, está prohibida y penada por ley de acuerdo a disposiciones legales en vigencia (DERECHO DE AUTOR, LEY No 1322 del 13 de abril de 1992). Salvo el previo consentimiento escrito de ......... y la Editorial. iv

Todos los derechos reservados. Prohibida la reproducción total o parcial de este material sin previa autorización escrita del Centro de Estudios Innovación y Mantenimiento, CEIM – ISPJAE. Impreso en las Oficinas de

COMSET BOLIVIA S.R.L.

Impreso en los talleres de LATINAS EDITORES

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A mis padres, A mi esposa, A la memoria del profesor JOSÉ ANTONIO ARGÜELLES PARRADO

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No sé si calificarlo de sueño o de aventura, pero lo cierto es que estoy ante mi computadora portátil escribiendo estas ideas, mientras el Ingeniero Dennis Espinoza a miles de kilómetros de mi oficina y de mi País, está revisando minuciosamente la transcripción que el Editor ha hecho de esta obra. Agradecerle a él su decisiva contribución en la revisión de estos textos creo que es demasiado poco y por ello me limito, sencillamente a decirle: Gracias amigo!!! El lector estará de acuerdo conmigo en que presupone un riesgo muy alto empezar a mencionar personas que han hecho posible la realización de esta obra, amén de que la lista sería interminable. Sin embargo, a pesar de que son muchos los Bolivianos que me han brindado su colaboración desinteresada, creo que no sólo por tener el honor de que este libro sea prologado por un amigo muy especial, sino porque desde que nos conocimos en Abril de 2000 en una casita de la acogedora Ciudad de Oruro, ubicada en la calle 6 de Octubre, por donde pasaron los hombres del Guerrillero Heroico, él ha depositado en mí toda su confianza, con el único interés de elevar a un nivel superior la actividad de mantenimiento en la Industria Boliviana, logrando que este libro sea hoy una realidad. Por ello esta obra en tierra boliviana tiene un nombre: Héctor Villalba. El 29 de julio de 1988 creía que abortaba mi corta vida científica, con la irreparable pérdida del Profesor José Antonio Argüelles Parrado. Maestro de Maestros que encaminó mis primeros pasos en el campo de las vibraciones mecánicas. Sin embargo, la misma persona que se presentó en mi aula de segundo año de Ingeniería Mecánica, allá por el año 1977, para comunicarnos a un grupo de estudiantes que habíamos sido seleccionados para trabajar con el Departamento de Mecánica Aplicada y que después me puso en manos del Profesor Argüelles, ha continuado guiando mis pasos y haciendo correcciones al rumbo de mi vida profesional y personal, pues a veces la inmadurez nos hace temporalmente atender a los cantos de sirenas depredadoras. Hoy, el Doctor Ángel Sánchez es el Director del Centro de Estudios Innovación y Mantenimiento, centro al que con mucho orgullo pertenezco y para el cual trabajo con absoluta dedicación. Gracias Angelito. Aunque esta obra es de corte técnico, no sería justo dejar de agradecer a mis padres el haberme traído al mundo, poco menos de dos años antes de haber tenido lugar en Cuba, una Revolución que nos hizo –a los Cubanos de Cuba– independientes para siempre. A mis padres entonces, mi infinito agradecimiento, sobre todo por el ejemplo diario. A la Revolución, mi eterno agradecimiento por darme la oportunidad de llegar hasta aquí. En Octubre de 1993 comencé, en la hoy República Bolivariana de Venezuela, con los primeros golpes de tecla en Word 2.0, sin saber que estaba escribiendo las primeras ideas para esta obra. Recuerdo que salí de Cuba el 10 de Octubre de 1993 y además de que esta fecha marca nuestro Grito de Independencia en el año 1868, también en la víspera de mi viaje a Venezuela se iniciaba mi relación con mi esposa. De manera que se puede decir que Octubre de 1993 marca el inicio de dos momentos importantes en mi vida. Uno de ellos, las primeras páginas de esta obra, el otro, mi amor por Orqui. Que bueno es haberte conocido!!! A todos mis amigos, muchas gracias por la ayuda y por permitirme conocer el lado bueno de la especie humana. A mis enemigos, sólo les deseo que la amargura no les impida leer y aprovechar esta obra, que también es para ellos.

Evelio Palomino Julio 2002 vii

ELEMENTOS DE MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN MÁQUINAS ROTATORIAS Evelio Palomino Marín, Doctor en Ciencias Técnicas, Ingeniero Mecánico PROFESOR DE VIBROACÚSTICA APLICADA CEIM – Centro de Estudios Innovación y Mantenimiento Calle 127 s/n. Campus CUJAE. Marianao. Ciudad de la Habana. CUBA Tel: +(537) 267.18.72, +(537) 267.90.74 Fax: +(537) 267.20.46 E-mail: [email protected] EVELIO PALOMINO MARÍN, La Habana, Cuba 1957. Ingeniero Mecánico 1981, Universidad Politécnica de la Habana José A. Echeverría (CUJAE), Centro Rector de la enseñanza de la Ingeniería y la Arquitectura en Cuba. Grado Científico de Doctor en Ciencias Técnicas, CUJAE, Cuba 1995. Profesor de Vibraciones, Ruido y Diagnóstico, CUJAE, Cuba. Adiestrado en el Instituto de Vibroacústica Aplicada, Politécnica de Póznan, Polonia 1988-89 y en el Instituto de Investigaciones de la Construcción de Maquinarias, Academia de Ciencias, Moscú 1990-91. Más de veinte años de experiencia profesional participando en la solución de problemas de investigación y desarrollo en las ramas del Azúcar, el Petróleo, la Generación Eléctrica, la Pesca, el Cemento, la Salud, el Turismo, las Fuerzas Armadas y el Níquel, incluyendo la formación de personal técnico especializado y la docencia en la Educación Superior. Profesor Invitado, Universidad Nacional Experimental Politécnica Antonio José de Sucre, Puerto Ordaz, Venezuela 1993-94, Universidad de los Andes (UNIANDES), Santa Fe de Bogotá, Colombia 1998, Universidad Técnica de Oruro, Universidad Mayor de San Andrés y Universidad Mayor de San Simón, Bolivia 2000-2001. Premio Anual de la Comisión Nacional de Grados Científicos por Mejor Tesis de Doctorado en Ciencias Técnicas, Cuba 1997. Tres veces Distinción Especial del Ministro de Educación Superior de la República de Cuba por Trabajo Distinguido en la Enseñanza de Postgrado y las Investigaciones Científicas. Premio Anual de la Academia de Ciencias de Cuba (2001) por sus aportes científicos en el campo de las Vibraciones y el Diagnóstico Mecánico. Jefe de la División de Ingeniería de las Vibraciones, Ruido y Diagnóstico del Centro de Estudios Innovación y Mantenimiento, CEIM. Presidente del Comité Académico de la Maestría en Ingeniería de Mantenimiento Mecánico, CUJAE. Miembro del Tribunal Nacional de Grado Científico. Presidente del Comité Técnico Nacional de Normalización en Vibraciones y Acústica de la República de Cuba. Consultor Técnico Especializado de COMSET-BOLIVIA S.R.L. Especialista reconocido por la Compañía Canadiense DYNAMIC ENGINEERING LTD. Ingeniero en Aplicaciones autorizado por la Compañía Danesa - Alemana BRÜEL & KJÆR VIBRO.

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Revisiones: Abril, 1997. Noviembre, 1997. Enero, 2000. Octubre, 2001.

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CONTENIDOS El sistema internacional de unidades. a

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EL PROGRAMA DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO

1

Mantenimiento contra avería. 2 Mantenimiento Preventivo. 2 Mantenimiento Correctivo. 2 Identificación de los problemas potenciales. 3 El Programa de Mantenimiento Predictivo. 3 Las Tecnologías Predictivas. 4

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INTRODUCCIÓN A LAS VIBRACIONES EN MÁQUINAS ROTATORIAS

7

El Programa de Mantenimiento Predictivo. 7 Vibraciones en máquinas rotatorias. 10 Relación fuerzas – vibraciones. 10 Caracterización de las vibraciones en maquinarias. 14 Vibración armónica. 15 Vibración periódica. 16 Vibración aleatoria. 16 Sistema máquina – soportes. 17 Sistema máquina – soportes ante la acción de una fuerza armónica. 19 Origen de las frecuencias de las vibraciones en maquinarias. 21 Frecuencias generadas. 21 Frecuencias excitadas. 22 Influencia de las vibraciones externas. 23 Transmisión de vibraciones desde la máquina hacia sus soportes. 26 Frecuencias producidas por fenómenos electrónicos. 26

3

MEDICIÓN DE VIBRACIONES EN LA MAQUINARIA INDUSTRIAL Descripción de los niveles de vibraciones. 28 Dominios del tiempo y de la frecuencia. 28 Análisis en el dominio del tiempo. 32 Análisis en el dominio de la frecuencia. 34 Unidades de medición. 34 Elementos funcionales en un sistema de medición. 35 Transductores de desplazamiento. 36 Transductores sísmicos. 38 El acelerómetro piezoeléctrico. 40 Ubicación del acelerómetro piezoeléctrico. 41 Fijación del acelerómetro piezoeléctrico. 41 El preamplificador integrador. 42 Filtros. 43 Ancho de banda constante. 45 Ancho de banda proporcional. 45

x

27

Analizadores de vibraciones. 47 Modos de operación análogico y digital. 48 Instrumentos virtuales. 48 Calibración de espectros. 50 Medición de fase. 51

4

ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN EL DOMINIO DEL TIEMPO

57

Conceptos básicos. 58 Frecuencia única. 59 Frecuencia única con armónicas. 63 Recortado de la señal. 73 Frecuencias naturales. 74 Frecuencias múltiples en sistemas lineales. 74 Frecuencias múltiples en sistemas no - lineales. 75 Frecuencias aditivas y substractivas. 78 Pulsos. 82 Modulación en frecuencia. 84

5

ELEMENTOS DE ANÁLISIS DIGITAL DE SEÑALES VIBROACÚSTICAS

87

La Transformada Rápida de Fourier (FFT). 87 Número de líneas del espectro. 89 La frecuencia de Nyquist y el ALIASING. 90 Limitaciones en el uso de la FFT. 93 Particularidades en el empleo de las ventanas de ponderación. 95 Errores estadísticos durante el análisis espectral. 96 El promediado en el análisis espectral. 97 Uso del OVERLAP. 98

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CAUSAS MÁS FRECUENTES DE VIBRACIONES EN MÁQUINAS ROTATORIAS

103

Empleo de las normas de severidad. 105 Frecuencias generadas. 109 El desbalance de masa. 109 Desbalance estático. 110 Desbalance par. 111 Desbalance casi – estático. 111 Desbalance dinámico. 111 Modelos para el balanceo. 112 Unidades para expresar el desbalance. 113 Amplitud y fase de las vibraciones debido al desbalance. 114 Balanceo en un plano. 117 Efecto cruzado. 118 Balanceo en dos planos. 118 Un ejemplo. 123 Tolerancias para el balanceo “in situ”. 124 Grado de calidad del balanceo según ISO. 124 Deformación permanente por flexión. 126 xi

Desalineamiento. 126 Amplitud y fase debido al desalineamiento. 129 Pata coja. 129 Soltura mecánica. 130 Inestabilidad subsincrónica. 132 Resonancia. 134 Empleo de la fase en la identificación del fenómeno de la resonancia. 135 Determinación experimental de la frecuencia de resonancia. 136 Fuerzas hidrodinámicas y aerodinámicas. 137 Transmisiones por polea – correas. 139

7

VIBRACIONES EN MOTORES DE INDUCCIÓN

141

Frecuencias de diagnóstico. 141 Excentricidad en el estator. 142 Excentricidad en el rotor. 143 Rotura de barras en el rotor. 144 Corto circuito en el enrollado del estator. 144 Deformaciones térmicas. 145 Pulsos torsionales. 145 Un comentario práctico. 146

8

VIBRACIONES EN PARES ENGRANADOS

147

Análisis FFT vs. Transmisiones por engranajes. 148 Fallos en engranajes. Causas. 149 La función CEPSTRUM. 151

9

VIBRACIONES EN COJINETES DE RODAMIENTOS

153

Medición de vibraciones en rodamientos. 153 Magnitud a medir. 155 Frecuencias generadas por los rodamientos. 155 Detección de defectos en rodamientos. 157 Tecnologías para la detección de defectos en cojinetes de rodamientos. 161 Causas de fallos en rodamientos. 164

10

FUNDAMENTOS DE LA DINÁMICA DE ROTORES

169

Medición de vibraciones en el rotor. 169 El ploteo orbital. 171 Posición de la línea de centros del rotor. 174 Cascada de espectros. 177 Ploteo de BODE. 177 Ploteo polar. 179 Un caso de estudio. 179

xii

BIBLIOGRAFÍA

189

GLOSARIO DE TÉRMINOS

193

xiii

Mantenimiento, vibraciones y economía, tres vocablos íntimamente relacionados y de total vigencia actual. Después de algunos años desconociendo la importancia —y a la vez— la necesidad del aprovechamiento de las vibraciones generadas por la maquinaria industrial para poder evaluar su estado mecánico, la industria ha venido mostrando en los últimos años, indicios de una toma de conciencia en relación con la importancia que estas tres palabras presuponen. Si bien es cierto que el mantenimiento tributa directamente a la economía, este efecto puede tener lugar de forma rentable o puede ocasionar pérdidas considerables, toda vez que la intervención de una máquina cuyo estado técnico no justifica tal acción, conduce a pérdidas irreversibles. De igual forma, la presencia incontrolable de vibraciones en una máquina, hace inminente el fallo catastrófico de ésta, debido al efecto en cadena que produce la proliferación de las fuerzas dinámicas, todo lo cual acarrea incuestionables pérdidas económicas. Sin embargo, la relación mantenimiento - vibraciones reporta considerables beneficios, siempre que el Diagnóstico y las Tecnologías Predictivas se apliquen en aquellas máquinas que por su importancia dentro del flujo tecnológico así lo requieran. Claro está, el trabajo con las vibraciones ya sea desde el punto de vista del aprovechamiento de la información de la cual son portadoras o desde el punto de vista del control y aislamiento de éstas, implica inversiones iniciales. El equipamiento a fin no es nada barato por lo cual constituye una exigencia de primer orden, la adquisición de instrumentos que satisfagan las expectativas de un especialista competente en la problemática del diagnóstico vibroacústico de máquinas y estructuras. Por ello es necesario aprovechar al máximo la capacidad del instrumento, para amortizar en el más breve plazo la inversión realizada. Esto sólo es posible sobre la base de una preparación consciente y profunda en lo que a Vibraciones y Diagnóstico se refiere. El presente material está encaminado a esclarecer y recapacitar el conocimiento relacionado con las técnicas de medición y el análisis de vibraciones, con vistas al diagnóstico de estado de la maquinaria industrial, abordando los aspectos medulares que debe conocer el especialista para poder configurar de forma rigurosa su instrumento de medición y lograr una medición precisa del evento vibroacústico. Recuerde que medir vibraciones no es sólo pulsar botones, hay que saber que se está midiendo bien y tener suficiente iniciativa para aprovechar ese precioso tiempo durante el cual se está delante de la máquina con el instrumento en operación. Tenga presente que después que llegue a la computadora y descargue la información del día, ya no habrá remedio si no detectó a tiempo una deficiencia durante la medición.

Evelio Palomino Abril de 1997

xiv

xv

NOTA DE LA TERCERA REVISIÓN Muchas y de inestimable valor práctico, han sido las recomendaciones que he recibido a lo largo de casi cinco años, impartiendo cursos y seminarios especializados en técnicas de análisis de vibraciones, para profesionales de la mecánica y la electricidad, como parte del sistema de Diplomados y Especialidades, concebido de conjunto entre el Centro de Estudios Innovación y Mantenimiento CEIM, del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (ISPJAE) y la Escuela Superior de la Industria Básica. Un sin número de opiniones, sugerencias y recomendaciones, han propiciado la incorporación de nuevos temas y la ampliación de otros, en esta tercera revisión de “ELEMENTOS DE MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN MÁQUINAS ROTATORIAS”, que por su extensión ya va dejando de ser una monografía adolescente para convertirse en un texto maduro. Se han incluido algunas consideraciones en relación con la clasificación de las diferentes formas y estrategias de mantenimiento que existen en el mundo industrial moderno, basado en aportes de prestigiosos autores norteamericanos relacionados con este campo. En realidad, si bien es cierto que el análisis espectral de las vibraciones producidas por las máquinas resulta de suma importancia, también es cierto que le hacemos “poco caso” al registro temporal, a pesar de lo valioso que resulta el análisis de su forma de onda. Es por ello que esta tercera edición contiene un capítulo titulado, ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN EL DOMINIO DEL TIEMPO, con el ánimo de ofrecer al lector una descripción conceptual de los patrones temporales de algunos defectos, ilustrados con poco más de 30 formas de onda. De igual forma, se ha incorporado otro capítulo titulado, ELEMENTOS DE ANÁLISIS DIGITAL DE SEÑALES VIBROACÚSTICAS , que incluye una serie de consideraciones relacionadas con la operación de los Colectores Analizadores de Vibraciones de última generación, haciendo una valoración de los tipos de promediado, las ventanas de ponderación y la capacidad de overlap de estos instrumentos. Con respecto a la revisión anterior, en ésta se enriquece el capítulo dedicado a los motores de inducción, incorporando las expresiones de cálculo de las frecuencias de diagnóstico más relevantes en el análisis de las vibraciones producidas por este tipo de máquina eléctrica. De igual forma, el capítulo dedicado a los cojinetes de rodamientos ha sido extendido incluyendo una descripción general del mecanismo de evolución del defecto en este tipo de elemento de máquina. Desde el punto de vista general, se ha mejorado la calidad de las figuras y se ha incorporado un capítulo dedicado al Sistema Internacional de Unidades (SI), toda vez que aún nos queda mucho tiempo para continuar conviviendo con el sistema imperial, resultando de mucha utilidad el poder tener a mano una tabla sencilla para conversiones de rutina. Es interés del autor que esta nueva revisión satisfaga las expectativas de todos aquellos que desde sus puestos de trabajo han estado abogando por ella.

Evelio Palomino Enero del 2000 xvi

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PRESENTACIÓN POR PARTE DE HÉCTOR

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