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ANALISIS VIBRATORIA PARA DIAGNOSTICAR LAS FALLAS MAS COMUNES EN MAQUINAS ROTATORIAS

Técnicas modernas de análisis vibratorio    • • • •

Análisis Frecuencial Análisis de la forma de onda Análisis de Fase Análisis de Órbitas Integración Análoga/Digital Promedios Sincrónicos en el tiempo Modulación

Análisis Frecuencial • Es el punto de partida de un diagnóstico de fallas en máquinas • Relación de componentes frecuenciales con las fuerzas dinámicas de la máquina • Innumerables aplicaciones (desbalanceamiento, desalineamiento, resonancia, solturas mecánicas, etc.) • Limitaciones: Diferentes fallas presentan espectros similares

Paso del Dominio Temporal al Frecuencial Se convierte la señal con valor de diagnostico en un espectro que da información sobre la salud de la maquina monitoreada. Para ello la señal portadora de información en el dominio temporal es llevada al dominio frecuencial, emplean-do la Transformada Rápida de Fourier. Es un proceso similar al que realiza el medico cuando hace un encefalograma o un electrocardiograma a un paciente. Se identifica la componente que ocasiona la falla

Por ejemplo, cada maquina funciona de forma que produce vibraciones repetitivas a frecuencias definidas. Estas vibraciones se determinan de la geometría de los elementos de la maquina y son localizadas en un ploteo que muestra cuantas vibraciones existen a una frecuencia especifica llamada espectro de vibraciones. El espectro de vibraciones permite ver que elementos mecánicos vibraciones excesivas.

o comportamientos

causan las

Dominio Frecuencial Los valores anormales determinan el tiempo de reserva para la ejecución de la matencion correctiva

Conociendo las alteraciones que se producen en el espectro y que se asocian a una posible falla en evolución, es posible identificar, empleando métodos matemáticos, cual es la componente mecánica con problemas y realizar una acción correctiva enmarcada en el tiempo de reserva para la rotura. •Metodos de diagnostico

• Estrategia del Diagnostico Todos los equipos mecanicos vibran. Esa vibracion es una forma de energia que se pierde y es causada por problemas mecanicos en la maquina. Ella se incrementa a medida que las condiciones de trabajo y el equipo se deterioran. Sin embargo, esas vibraciones pueden ser medidas con precision e interpretadas conduciendo a una deteccion temprana de problemas en desarrollo.

Las roturas o fallas inesperadas pueden ser evitadas y eliminadas a tiempo, por una adecuada Mantención, resultando en una mejora en la productividad, en la calidad del producto y en la extensión del tiempo de trabajo del equipo y del ciclo productivo, mientras que ademas se logra una reducción de los costos. El diagnostico para la Mantencion Predicitva Correctiva puede ser realizado en todo equipo mecánico y en todo los segmentos de la industria incluyendo : •Motores eléctricos •Ventiladores y Válvulas •Elementos de maquinas •Maquinas de Papel •Procesos Químicos •Generación de potencia •Industria Farmacéutica •Industria de la aviación •Industria del Cobre •Conversores •Bombas •Compresores •Textiles •Industria automovilística •Maquinas reciprocantes •Molinos •Minería •Procesamiento de alimentos •Servicios de construcción, etc

Como analizar un espectro vibratorio ?? 1. Relacionar la frecuencia de las vibraciones con la velocidad de rotación de la máquina. 2. Considerar que las vibraciones pueden provenir de: -Vibraciones propias la funcionamiento de la máquina -Vibraciones generadas por condiciones inapropiadas de funcionamiento. -Vibraciones provenientes de otras máquinas -Vibraciones generadas por fallas en la máquina

Que se debe buscar en un ESPECTRO ? 1. Componentes a la velocidad de rotación de la máquina 2. Armónicos de la velocidad de rotación 3. Frecuencias menores de la velocidad de rotación (Son subarmónicos ?). 4. Familias de armónicos y/o subarmónicos no relacionados a la frecuencia de rotación. 5. Identificar Bandas Laterales 6. Vibraciones de Banda Ancha

DEFINICIONES Componente

Sincrónica Subsincrónica

No Sincrónica

Armónica

Subarmónico

Definición

Componente cuya frecuencia es igual a la velocidad de giro de la máquina. (1x rpm o 1x) Componente cuya frecuencia es menor que la velocidad de giro de la máquina. (Por ejemplo, 0,48x rpm o 0,48x) Componente cuya frecuencia es mayor que la velocidad de giro de la máquina y no es múltiplo entero de ella. (Por ejemplo, 3,14x rpm o 3,14x) Componente cuya frecuencia es un múltiplo entero de otra frecuencia. (Por ejemplo, 1x, 2x, 3x,... son armónicos de la velocidad de rotación o armónicos sincrónicos. Componente cuya frecuencia es una fracción de otra frecuencia. (Por ejemplo, x/2, x/3, 2x/3, x/4,... son subarmónicos de la velocidad de rotación.)

COMPONENTES FRECUENCIALES MAS COMUNES Componente principal

Componentes secundarias

1x

2x, 3x

Desalineamiento

1x, 2x, 3x

4x, 5x

Máquina distorsionada

1x, 2x, 3x

Desbalanceamiento

Solturas

1x, 2x, ...6x

x/2, 3x/2,...9x/2

Eje doblado

1x

2x, 3x

Resonancia

1x (grande)

Cavitación en bombas

aleatoria

Análisis de Fase Aplicaciones: •Discriminación de problemas que generan vibraciones a 1x (Desbalanceamiento, desalineamiento, solturas, eje doblado, rotor excentrico, etc.)

•Análisis de la forma de la deflexión de un sistema en operación (ODS)

Medición de la Fase de la Vibración

Diferencia de Fase : Se considera para dos señales de la misma frecuencia, como la diferencia en tiempo o en grados con que ellas llegan a sus valores máximos, mínimos o cero

1

Análisis de Fase • Medición simultanea en los puntos 1 y 2

2

Conjunto Motor - Bomba De donde provienen las vibraciones medidas en un punto ??

LIMITACIONES DEL ANALISIS DE FASE

 

La medición de fase toma tiempo para realizarla en terreno. El pulso de referencia debe ser estable.

Diferencia de fase en problemas que generan vibraciones a 1x Desbalanceamiento

 HORIZ -  VERT = 90º ó 270º

Desalineamiento

 =180º a ambos lados del acoplamiento

Solturas

fase inestable

Eje doblado

 AXIAL = 180º entre ambos descansos

Resonancia

 HORIZ -  VERT = 180º ó 0º

Análisis de la forma de onda Aplicaciones: • Análisis de transientes (partidas y paradas de máquinas) • Impactos • Vibraciones de baja frecuencia • Truncación o restricciones de movimiento

RUNOUT 001 - OFF ROUTE MACHINE OFF ROUTE -OR P OFF ROUTE ME AS URE ME NT P OINT D ATA

P-P Disp in Mils

0.05

ROUTE S P E CTRUM 10-JU L-99 12:32:11 OV RA LL= .2301 D-A N P -P = .0455 LOAD = 100.0 R P M = 10. R P S = .17

0.04 0.03 0.02 0.01 0 0

400

800

1200

1600

2000

Fr equency in CP M

Displacem ent in Mils

0.03

ROUTE W A V E FOR M 10-JU L-99 12:32:11 P -P = .0461 P K(+) = .0211 P K(-) = .0318 C RE S TF= 1.95

0.02 0.01 0 -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

2.7

3.0

3.3

Tim e in S econds Label: MOTO RKIT -2V /RUNO UT

Forma de onda truncada (eje curvo o desalineamiento en descansos)

Características de las vibraciones generadas por fallas comunes en las máquinas rotatorias

Desbalanceo • Componente Predominante a 1x • Amplitud aumenta con la Velocidad • Corrección : Balanceo, Centro eje Centro de Gra vedad

Fuerza

1x 2x 3x

Orders

DESBALANCEAMIENTO: 001 - OFF ROUTE MACHINE OFF ROUTE -ORP OFF ROUTE MEASUREMENT POINT DATA

P-P Disp in Mils

0.30 0.24

ROUTE SPECTRUM 10-JUL-99 12:36:08 OVRALL= .2326 D-AN P-P = .2246 LOAD = 100.0 RPM = 3031. RPS = 50.51

1x

0.18 0.12 0.06 0

Displacement in Mils

0

10000

20000 Frequency in CPM

30000

40000

0.12

ROUTE WAVEFORM 10-JUL-99 12:36:08 P-P = .1460 PK(+) = .0858 PK(-) = .0750 CRESTF= 1.66

0.08 0.04 0 -0.04 -0.08 -0.12 0

50

100

150 200 Time in mSecs Label: MOTORKIT -3H /VNORMAL

250

300

350

Forma de onda senoidal. Componente principal a 1x

Que se puede análizar para el diagnóstico ??

1. Espectro Vibratorio 2. Dirección de la Vibración 3. Forma de la Vibración u Onda

4. Relación de fases entre vibraciones

Características vibratorias típicas del Desbalaceamiento

CONCLUSION... !!! Clave para DIAGNOSTICAR fallas : FRECUENCIA DE LA VIBRACION

Clave para EVALUAR SEVERIDAD de las vibraciones : LA VIBRACION GLOBAL

Paralelo

Desalineamiento • Componente a 2x suele ser mayor • Desalineamiento angular causa vibración axial • Cambio de fase de 180° entre ambos lados del acople • La amplitud no incrementa con la velocidad

Acople Angular

2x 1x 3x

Orders

Características vibratorias típicas del Desalineamiento 1. Espectro Vibratorio : 1x, 2x y 3x 2. Dirección de la Vibración :

- Desal Paralelo V. Radial Alta - Desal Angular  V. Axial Alta

- Fuerzas rotatorias diferentes en ambas direcciones radiales. 3. Forma de la Vibración : Periódica

4. Relacion de Fases Diferencia de fase de 180°

5. Modos de vibrar muy diferentes

Distorsión de la Carcasa “Soft Foot” – “Pata Floja”

Características vibratorias de una Máquina Distorsionada

1. Espectro Vibratorio : 1x, 2x y 3x 2. Dirección de la Vibración : 3. Forma de la Vibración :

4. Relacion de Fases : - Posible desfase entre las V. Axiales de la máquina de aprox. 180°. - V. Direccional V.V – V.H 0 ó 180°

Solturas Mecánicas -Pernos sueltos. -Juego radial excesivo en los descansos.

-Grietas en la estructura de la máquina o en el pedestal. -Rotor suelto en el eje. -Componentes sueltos de la máquina. -Insuficiente apriete de la camisa del descanso.

Características vibratorias de las solturas mecánicas

1. Espectro Vibratorio : - Gran cantidad de armónicos - Subarmónicos 1/2x ó 1/3x y múltiplos

2. Forma de la Onda : Variable 3. Dirección de la Vibración : Vibraciones generalmente radiales 4. Relacion de Fases : - Cambios bruscos de valores en la vecindad de la soltura.

RESONANCIA

SE PRODUCE CUANDO LA FRECUENCIA DE ALGUNA FUERZA DE EXCITACIÓN, COINCIDE CON ALGUNA FRECUENCIA NATURAL DE VIBRAR DE ALGUN ELEMENTO

Características vibratorias de las RESONANCIA 1. Espectro Vibratorio : 1x

2. Forma de la Onda : Senoidal 3. Variación de la Vibración : Al aumentar o disminuir la velocidad * 4. Relacion de Fases : - 0 ó 180° entre Vertical y Horizontal

5. Relación de Amplitudes : - Vibración mucho mayor en una dirección que en otra.

Rozamientos -Roce Parcial - Rotor toca ocasionalmente el estator.

-Roce Total -Ocurre a través de toda la duración.

Características vibratorias de los ROZAMIENTOS 1. Espectro Vibratorio :

- 1x, 2x, 3x, etc - Subarmónicos 1/2x ó 1/3x y múltiplos - Excitación de frecuencias naturales 2. Forma de la Onda : Aplanada, truncada, ó con excitaciones periódicas.

3. Relacion de Fases : - Cambios constantes.

ROCE: 001 - OFF ROUTE MACHINE OFF ROUTE -ORP OFF ROUTE MEASUREMENT POINT DATA

P-P Disp in Mils

0.020 0.016

ROUTE SPECTRUM 10-JUL-99 14:26:48 OVRALL= .0331 D-AN P-P = .0186 LOAD = 100.0 RPM = 3000. RPS = 50.00

1x

0.012 0.008

2x 3x

0.004

4x

5x

0

Displacement in Mils

0

4000

8000 12000 Frequency in CPM

16000

20000

0.018

ROUTE WAVEFORM 10-JUL-99 14:26:48 P-P = .0187 PK(+) = .0144 PK(-) = .0104 CRESTF= 2.16

0.012 0.006 0 -0.006 -0.012 0

60

120

180 Time in mSecs

240

300

Label: MOTORKIT -24V /ROCE

Señal truncada. Presencia de armónicos en el espectro

Vibraciones en Correas 1. Problemas de desgaste, solturas o imperfecciones de la correa como: grietas, puntos altos, zonas duras o blandas...,.

1. Polea Excentrica Giro de la polea en torno a un punto qu eno es su centro geométrico. Se produce vibración, debido a la variación de tensión en la correa.

Características vibratorias de fallas en Correas

1. Espectro Vibratorio : - Múltiplos de los RPM de giro de la correa. - Polea excentrica  componente grande a 1xrpm de giro de la polea 3. Dirección de la Vibración : Vibración radial predominante. 4. Relacion de Fases : - Vibración unidireccional

• Condiciones – Carga Radial Ligera – Excesivo Huelgo entre eje y descanso

• Sintomas

Aceite

Eje

1x Amplitude

Oil Whirl

0.40x

–