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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI EXTENSIÓN LA MANÁ FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

ANÁLISIS PREDICTIVO ANÁLISIS DE VIBRACIONES

Autor: Acosta Pico Wilson Stalin Paccha Jiménez Klever Vinicio Torres Merizalde Denni Damian Villegas Marcillo Jhonatan Alfredo Docente: Ing. M.Sc. Nelson Villarroel

La Maná-Ecuador Marzo 2019- Agosto 2019

INTRODUCCIÓN Una de las herramientas con que se cuenta en la actualidad es el mantenimiento predictivo, este aplica técnicas no destructivas en las máquinas para predecir cuándo requieren operaciones de reparación o sustituciones de piezas. Una de ellas, y quizás la más utilizada es el análisis de vibraciones, que sirve para determinar el estado de cada uno de los componentes de los equipos con el fin de programar las actividades de mantenimiento respectivas, sin afectar al desarrollo normal de la planta de producción. El análisis de vibraciones está basado en la interpretación de las señales de vibración tomando como referencia los niveles de tolerancia indicados por el fabricante o por las normas técnicas. Objetivo General Realizar una investigación sobre el método de análisis de vibraciones mediante fuentes secundarias para recopilar información de la normativa y como se aplica dentro de la industria. Objetivos específicos 

Identificar las normas que se emplean en el análisis de vibraciones.



Describir la técnica de ensayo No Destructivo (E.N.D.) de análisis de vibraciones.



Citar un ejemplo del análisis de vibraciones.

DESARROLLO (Olarte, Botero, & Cañon, 2010, pág. 225). Ensayo de análisis de vibraciones en máquinas rotativas Todas las máquinas presentan ciertos niveles de vibración aunque se encuentren operando correctamente, sin embargo cuando se presenta alguna anomalía, estos niveles normales de vibración se ven alterados indicando la necesidad de una revisión del equipo. Para que este método tenga validez, es indispensable conocer ciertos datos de la máquina como lo son: su velocidad de giro, el tipo de cojinetes, de correas, el número de alabes, palas, etc. También es muy importante determinar los puntos de las máquinas en donde se tomaran las mediciones y el equipo analizador más adecuado para la realización del estudio (RENOVETEC, 2010)

Figura 1.próximo al rodamiento del eje de salida del motor.

Las vibraciones pueden analizarse midiendo su amplitud o descomponiéndolas de acuerdo a su frecuencia, así cuando la amplitud de la vibración sobrepasa los límites permisibles o cuando el espectro de vibración varía a través del tiempo, significa que algo malo está sucediendo y que el equipo debe ser revisado. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ANÁLISIS POR VIBRACIONES APLICADO AL MANTENIMIENTO DE LAS MAQUINAS Ventajas del análisis de vibración: 

Identificación rápida de los defectos sin necesidad de desmontar el equipo.



Seguimiento de la evolución del defecto en el transcurso del tiempo antes que este se convierta en un peligro.



Planificación más eficiente del suministro de repuestos y la mano de obra necesaria.



Aumento de la producción por disminución del número de paradas y tiempos muertos.



Mejoras en la calidad del producto, debido a la reducción de los niveles de vibración y mejor funcionamiento de la maquinaria.



Disminución de costos de mantenimiento debido a la reducción del tiempo de parada y al conocimiento de los repuestos, accesorios, herramientas y personal a utilizarse en la reparación.



Garantiza una selección satisfactoria de las condiciones de operación de la máquina.



El funcionamiento de la planta, sistema o equipo es más seguro.



Mejor precisión a la hora de tomar decisiones por parte de los ejecutivos de la empresa industrial.



Mejores condiciones ambientales para el personal que opera una máquina con un nivel de vibración admisible.

Desventajas del análisis de vibración: 

Necesidad de personal especializado para procesar las mediciones y realizar tomas de decisiones.



Selección de instrumentación sofisticada para realizar mediciones.



Aumento de costos por adquisición y/o formación de personal especializado.



Altos costos iniciales por compra de instrumentos especializados.



Investigación del equipamiento a monitorear (límites de vibración, determinación de espectros, patrones, selección de puntos de medición, etc.).

CONSIDERACIONES DEL MANTENIMIENTO PREDICTIVO POR VIBRACIONES DE MÁQUINAS Metodología de trabajo de manteamiento predictivo basado en un análisis de vibraciones: 1. Análisis del sistema bajo estudio. El inventario de equipos consiste en la elaboración de un listado de máquinas e instalaciones que van a incluirse en el programa de mantenimiento predictivo. En la primera etapa de implementación de mantenimiento predictivo es recomendable tener bajo control un pequeño grupo de los equipos más representativos y trabajar sobre ellos. 2. Selección adecuada de parámetros. Luego de tener toda la información técnica necesaria de cada máquina se procederá a la selección de los puntos y parámetros predictivos de medida. Se seleccionarán en cada punto las direcciones de medidas más adecuadas según los tipos de problemas que se pretendan detectar. Es necesario definir los límites de condiciones aceptables de manera correcta, ya que limites muy bajos generarán falsas alarmas que afectaran la confianza de los resultados del analista, mientras que con limites muy altos, muchas averías pasaran desapercibidas. 3. Adquisición de datos. Se podrá adquirir los datos del nivel de vibración en los equipos por medio de sensores conectados a estos. Se debe garantizar que los datos sean de la máxima calidad.

4. Análisis e interpretación de datos. Después de realizar las medidas es conveniente generar un informe de las mismas. La finalidad de este tipo de informes es filtrar la gran cantidad de información adquirida en campo de forma que ayude a reducir el número de puntos que se analizaran en profundidad. Los programas informáticos especializados ayudan en gran medida y reducen el tiempo necesario para emitir un diagnóstico. 5. Evaluación del estado del equipo. Para determinar la salud del equipo es frecuente el uso de la técnica del análisis frecuencias. Ésta permite determinar la gran mayoría de posibles averías en la maquina rotativa como los mencionados a continuación: 

Desbalanceo



Desalineamiento



Defecto de rodamientos, bandas, acoples, engranajes, entre otros.



Ejes torcidos



Desajuste mecánico



Defecto de transmisiones por correa



Defectos de engranajes



Problemas eléctricos 6. Generación de avisos y toma de decisiones.

La información obtenida del sistema deberá estar al alcance de todo el personal encargado de la operación y mantenimiento de la planta. La toma de decisiones oportuna estará enfocada a actuar con rapidez para evitar que la o las fallas se agraven, y así ahorrar grandes cantidades de recursos, tanto económicos, materiales como humanos. 7. Ordenes de trabajo y retroalimentación. Una vez realizado el diagnostico de un problema, se emite una orden de trabajo en la que conviene especificar el nombre y código del equipo, la anomalía detectada y la intervención que debe realizarse, así como un código de prioridad de la intervención. Luego de la ejecución del trabajo es muy importante la retroalimentación del sistema que consiste en comprobar el estado de los elementos o partes del equipo sustituidas y hacer una medición posterior a la reparación. Finalmente, como esto es proceso que se quiere seguir

implementando, se debe comenzar nuevamente solo que desde el paso número tres (3) adquisición de datos. Claves del éxito del mantenimiento predictivo basado en análisis de vibraciones: 

Es necesario destinar recursos y atención a cada uno de los pasos de la metodología mostrada anteriormente.



Es necesario realizar un análisis financiero con estimación de los ahorros para cada diagnóstico y su acción correctiva, evaluando el factor costo-beneficio.



Es necesario contar con un personal calificado o proporcionarle la formación adecuada en caso de no ser calificados.



Debe existir un apoyo de la organización para realizar el análisis.



Es importante contar con personal dedicado de forma continua que corrija fácilmente los problemas que se presentan.



Disminuir el espacio entre mediciones previene huecos en las mediciones o tendencias.



Es importante adquirir los datos en el mismo lugar y condición para poder comparar las mediciones.



Establecer el correcto rango de los límites de alarma.



Desarrolle la función de Mantenimiento en forma costo eficaz, y mida su desempeño en base a los costos totales de la empresa y su efecto directo en las ganancias.



Armonice y adopte medidas para que las labores de mantenimiento puedan realizarse con una afectación mínima de las operaciones, añadiendo valor a esta actividad y cumpliendo con el objetivo trazado.



Analizar con un sistema de programación la ruta crítica del proyecto, identificando las tareas cuyos tiempos inciden directamente en el tiempo total del cierre programado.



Realizar pre-inspecciones durante cierres parciales cortos o no programados, y colecte información en cuanto a equipos o componentes levemente averiados que eventualmente requerirán mantenimiento o reemplazo.



Utilizar las herramientas del Mantenimiento Predictivo, y esté preparado para realizar reemplazos y mantenimientos menores durante cualquier cierre no programado, evitando de esta manera fallas imprevistas que pueden resultar costosas y parar la producción en el momento menos adecuado.



Eliminar lo innecesario y clasificar lo necesario.



Buscar mejores formas de realizar lo que ya se hace bien.



Justificar toda inversión adicional en base a la reducción en costos de mantenimiento y una mayor confiabilidad o disponibilidad del equipo de producción.

Es importante a la hora de emplear las técnicas del mantenimiento predictivo basado en el análisis de vibraciones, tener presente las normas ya establecidas que permiten la correcta realización de las técnicas. 

ISO 2954 da a conocer todos los requerimientos de instrumentos para medir la severidad de la vibración en maquinaria rotatoria y reciprocante.



ISO 1940-1 especifica los requerimientos de calidad para el balance de tolerancia de los rotores.



ISO 10816-1 ha reemplazado a la Norma ISO 2372 como guía general para mediciones fuera de límite y para la evaluación de vibraciones mecánicas en máquinas industriales típicas.



ISO 7919-1 complementa a la norma anterior con información referente a vibraciones mecánicas de máquinas no reciprocantes y medición y evaluación de ejes rodantes.



ANSI S2.47 aporta información referente a medición de vibraciones y la evaluación de sus efectos en los edificios.



ISO 2631 es una norma que define y da valores numéricos para los límites de exposición a los que puede estar sometido un ser humano.



NTE INEN-ISO 20643 Vibraciones mecánicas. Maquinaria sujeta y guiada con la mano. Principios para la evaluación de la emisión de las vibraciones (ISO 20643:2005, IDT)

PARÁMETROS

EMPLEADOS

PARA

MEDIR

VIBRACIONES

(MEDIDAS,

UNIDADES, EN QUE EQUIPOS, RANGOS DE FRECUENCIA) El análisis de vibraciones está basado en la interpretación de las señales de vibraciones, tomadas al examinar los niveles de toleración de una máquina que pueden ser indicados por el fabricante o por las normas técnicas. Todas las maquinas rotativas generan vibraciones como parte normal de su actividad, al contar con un tren de maquinaria que consiste en una fuente de potencia o motor eléctrico, unos acoplamientos intermedios que pueden ser desde correas, embragues, cajas de cambios, entre otros, y toda una serie de elementos móviles como bombas, ventiladores, compresores.

Todos los elementos que conforman un tren de maquinaria generan fuerzas dinámicas durante su funcionamiento que dan lugar frecuencias de vibración según cada elemento. Estas vibraciones se pueden considerar como la suma de cada una de las frecuencias de vibraciones que corresponden a todas las partes o componentes del equipo ya que estos elementos de la maquina están unidos entre sí. Debido a la complejidad que presentan las señales de las vibraciones, muchas veces, es necesario convertirlas en señales más sencillas para facilitar su análisis e interpretación (ver figura 2). Figura 2: Conjunto de fallas en un equipo rotativo.

Sin embargo es de gran importancia conocer primero los conceptos básicos usados en el análisis de vibraciones de máquinas. Las manifestaciones de las vibraciones están asociadas a la relación existente entre desplazamiento, velocidad y aceleración de los objetos, que a su vez se relacionan con las propiedades de rigidez, amortiguación y masa de los mismos. Entre los conceptos básicos se tienen: 

Fuerza: en los términos más básico, es toda acción, esfuerzo e influencia que pueda alterar el estado de movimiento o de reposo de un objeto.



Desplazamiento: Es el cambio de posición de un objeto entre dos instantes o tiempos bien definidos.



Velocidad: es una magnitud física que expresa la rata de cambio del desplazamiento de un objeto por unidad de tiempo.



Aceleración: es una magnitud física que expresa la rata de cambio de la Velocidad de un objeto por unidad de tiempo.



Frecuencia: es el número de ciclos de vibraciones por segundo.



Período: es el tiempo que tarda la onda en terminar un ciclo.



Amplitud: es el desplazamiento que tiene una masa con respecto a una posición inicial o neutral. Existen diferentes formas para medir la amplitud de una onda (Ver Figura 3), el movimiento puede tener una amplitud de pico (p) de A mm y de sentido opuesto –A mm, también existe un desplazamiento pico a pico (p-p) de 2A mm y por ultimo posee una tercera forma de describir la amplitud, denominándola valor Root- MeanSquare (RMS) que corresponde a la raíz cuadrada del promedio de los cuadrados de los valores de la onda. El RMS se utiliza para medir la energía de la forma de onda.



Fase: es una medida de la diferencia de tiempo entre dos (2) ondas sinusoidales. La diferencia en fase entre dos (2) formas de onda se llama desfase o desplazamiento de fase. El desplazamiento de fase puede ser considerado positivo o negativo si la forma de una onda se encuentra retrasada a otra o también puede estar adelantada con respecto a otra. (ver figura 4). Figura 3: Medidas de amplitud.

Figura 4: Desfase entre dos ondas.

En el análisis de vibraciones se utilizan diferentes transductores, éstos son elementos que transforman la vibración mecánica en una señal eléctrica analógica, para ser procesada, medida y analizada. Atendiendo a su principio constructivo, hay transductores de vibración de desplazamiento, velocidad y aceleración. Su uso va a depender de la aplicabilidad industrial que requiera, en la tabla 1 se puede apreciar los rangos típicos de frecuencia según el tipo de

transductor de uso frecuente. En la tabla 2 se puede observar las unidades de medición más usadas en el análisis de vibraciones. Tabla 1: Rango de frecuencia en los transductores de uso típico.

Tipo de transductor Desplazamiento sin contacto Desplazamiento con contacto Velocímetros Acelerómetro de uso general Acelerómetro de baja frecuencia

Rango típico de frecuencia (Hz) 0 – 10 000 0 – 150 10 – 1 000 2 – 7 000 0,2 – 2 000

Tabla 2: Unidades más utilizadas.

Parámetros medibles Desplazamiento Velocidad Aceleración Frecuencia Periodo Desfase

Unidades Típicas Milímetros Milésimas de pulgadas Milímetros/segundos Milésimas de pulgadas/ segundos Número de veces de la gravedad local CPS = número de ciclos por segundos CPM = número de ciclos por minuto Tiempo Angulo: Grados Radianes

Unidades Abreviadas mm mils mm/s mils/s 1g = 9,81m/s2 Ciclos/s Ciclos/ min

[Hz]

S o Rad

Las maquinas a las cuales se le aplica el análisis de vibraciones son aquellas críticas que requieren la información de su estado o condición para garantizar su correcto funcionamiento, seguridad para el personal, entre otras. Algunos de los equipos son: 

Turbinas de vapor y de gas.



Bombas centrífugas.



Ventiladores.



Motores eléctricos.



Compresores rotativos, de tornillo y alternativos.



Agitadores, mezcladoras.



Molinos



Hornos rotativos.

Técnicas más utilizadas en la industria para el análisis de vibraciones a) Análisis espectral. Es empleado para descomponer la señal vibratoria en el dominio del tiempo en sus componentes espectrales en frecuencia (ver figura 5). El análisis de vibraciones se puede visualizar por espectros de vibración, con este método se dividen en tres (3) grupos que pueden distinguirse como múltiplos de la velocidad fundamental de rotación de la maquina (1X) o una combinación de ellas (armónicas): 

Frecuencias Bajas: (1X, 2X, 3X) donde se detectan los problemas de desbalance, desalineación, ejes doblados y holguras mecánicas. La energía (fuerza) disipada por estas frecuencias es muy alta y destructiva lo que supone una parada de la máquina detección y corrección inmediata del origen de la falla.



Frecuencias Medias: (4X, 5X, 6X…) Se originan por resonancias estructurales y son propias del tipo de construcción de las maquinas.



Frecuencias Altas: (10X o Mayor) La amplitud de estas frecuencias es muy baja en comparación a las de las frecuencias anteriores y son características de fallas superficiales de los componentes dinámicos de los rodamientos y elementos de engranajes.

b) Análisis de la forma de onda. Se emplea como complemento de información al análisis espectral, para descartar problemas de impactos, rozamientos intermitentes, modulaciones, transientes, truncaciones. Figura 5: Ejemplo de Análisis Espectral.

c) Análisis de fase de vibraciones. Es usado para realizar análisis de diferencias de fase a la velocidad de giro de la maquina entre las vibraciones horizontales y verticales o entre las vibraciones axiales de los diferente descansos del sistema motor-máquina. Es utilizado para identificar problemas generados por vibraciones a frecuencia 1 x rpm. d) Frecuencia de aplicación. El análisis de vibraciones es una técnica del mantenimiento predictivo que se puede aplicar basándose en los parámetros que pueden afectar el funcionamiento de los equipos. En la figura 4, se puede apreciar la frecuencia de realización del análisis de vibraciones en los equipos principalmente basándose su grado de criticidad y mantenibilidad, asignando un análisis continuo a mayor criticidad y uno bimensual a equipos que tengan baja criticidad y mantenibilidad. e) Métodos para maquinas rotativas y alternativas. En el análisis de vibraciones de máquinas rotativas se utiliza la medida de velocidad de vibraciones o vibración severa para conocer la energía que produce la vibración. La norma ya mencionada, ISO 10816-1 proporciona los distintos niveles de vibración recomendables y además aporta una forma para agrupar a los equipos (ver figura 6). La medida debe realizarse en el rango de velocidad y en modo RMS (Victor, 2017). CLASE I: Máquinas pequeñas con potencia menor a 15 KW. CLASE II: Máquinas de tamaño mediano con potencia entre 15 y 300 K CLASE III: Máquinas grandes con potencia sobre 300 KW, montadas en soportes rígidos. CLASE IV: Máquinas grandes con potencia sobre 300 KW, montadas en soportes flexibles Calidad o severidad de la vibración A: Buena B: Satisfactoria C: Insatisfactoria D: Inaceptable

Tabla 3. Rangos de severidad vibratoria para máquinas normales. ISO 2372. Para máquinas con velocidad nominal entre 600 y 12000 rpm. Rango de velocidad Tipos de Máquinas efectiva ó RMS (mm/s)

Clase I

Clase II

Clase III

Clase IV

0,18 - 0,28 0,28 - 0,45

A

0,45 - 0,71 0,71 - 1,12 1,12 - 1,8 1,8 - 2,8 2,8 - 4,5

11,2 - 18

A

A

B B C

B C

4,5 - 7,1 7,1 - 11,2

A

B C

D

18 - 28 Fuente: (Saavedra, 2017)

D

C D

D

Las máquinas alternativos como los motores de combustión y los compresores se caracterizan por disponer de elementos en movimientos que generan vibraciones más grandes que en los maquinas rotativas (ver figura 6). La norma clasifica de la siguiente manera: 

A: maquinas nuevas.



B: máquinas de funcionamiento continúo.



C: no se aconseja su funcionamiento para funcionamiento continuo.

Figura 6: Nivel de vibración según el tipo de máquina alternativa.

Ejempló de analisis de vibraciones  Caso De Resonancia y su Confirmación por Medio de Análisis de Fase Equipo:

Molino de caucho, 4000 HP

Problema: Vibración excesiva en el motor, la cual comenzó justo después de haber realizado el cambio del mismo durante un mantenimiento.

Características de la vibración: 

Los niveles permanecen aceptables (0.15 in/s) hasta que el motor alcanza su velocidad máxima de 890 RPM, en la cual se disparan bruscamente (0.40 in/s)



Se presenta a la velocidad de giro del motor.



Es predominantemente horizontal.



Los niveles en ambos apoyos son muy semejantes.



La vibración es mayor con el equipo trabajando en vacío. Con carga los niveles disminuyen.



La vibración en los demás componentes del equipo (un reductor de velocidad y el molino de caucho) es muy baja (0.04 in/s máximo) Figura 7: muestra de las vibraciones adquiridas de espectros, donde el problema se presenta a la velocidad de giro del motor

Fuente:

(Jimenez, 2003)

Durante este estudio se mide la amplitud absoluta y la fase relativa entre las señales provenientes de 2 sensores de vibración. Uno de ellos permanece fijo y el otro se coloca en diferentes puntos y posiciones del equipo a monitorear. En este caso se tomaron lecturas en 50 puntos distintos distribuidos entre el motor y su estructura, en los sentidos horizontal, vertical y axial.

Posteriormente esta información se procesa en el software de simulación, el cual genera una función compleja (función de transferencia) que contiene la información de amplitud y fase en todo el rango de frecuencias en que fueron tomados los espectros. En este software además se ha dibujado un diseño esquemático del equipo Figura 8: procesamiento de información en un software de simulación

Fuente:

(Jimenez, 2003)

En este dibujo se señalan las distintas localizaciones en que fue colocado el sensor de vibración. El software asigna a cada punto la amplitud y fase que le corresponde (de acuerdo a los datos físicos) y genera una simulación de movimiento. Los niveles de vibración a la frecuencia donde se detectó el problema (890 CPM) se redujeron de 0.4 in/s a un máximo 0.04 in/s.

CONCLUSIONES 

El mantenimiento predictivo permite identificar problemas en las máquinas de una forma rápida y eficaz. Por medio del mantenimiento predictivo se pueden programar adecuadamente todas las reparaciones de las máquinas sin interrumpir el proceso de producción.



El incremento de las vibraciones en las máquinas indica que algo anormal está sucediendo y por tal razón en las industrias implementan dentro de su plan de mantenimiento predictivo, el análisis de vibraciones con el fin de controlar y monitorear las máquinas rotatorias para poder realizar una buena programación de las tareas de mantenimiento sin detener el funcionamiento de la planta de producción y sin poner en riesgo la vida útil de las máquinas.

RECOMENDACIONES  Incluir todas las condiciones anticipadas de operación en el alcance del diseño. Esto asegura que la operación completa se evalúe para considerar los riesgos dinámicos y de vibraciones.  Se debe contemplan realizar una inspección de vibraciones de línea de base para medir las frecuencias naturales mecánicas, las pulsaciones y las amplitudes de vibraciones, y luego compararlas con las directrices de la industria BIBLIOGRAFÍA Jimenez,

O.

(2003).

Recuperado

el

03

de

06

de

2019,

de

file:///D:/Datos/Downloads/oscar%20ejemplos%20reales_unlocked.pdf Olarte, W., Botero, M., & Cañon, B. (2010). TÉCNICAS DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO UTILIZADAS EN LA INDUSTRIA. Scientia et Technica Año XVI, 224-225. RENOVETEC. (20 de enero de 2010). Mantenimiento Predictivo. Técnicas de Mantenimiento Condicional

basadas en

la

medición

de

variables

físicas.

Obtenido

de

|||

Saavedra, P. N. (20 de octubre de 2017). TUTORIAL SEVERIDAD VIBRATORIA. PARTE I. Obtenido

de

http://www.ing.udec.cl/upload/paginas/archivos/20-10-2017-15-22-

35_26-04-2017-15-43-21_tutorial-severidad-vibratoria-parte-i.pdf V. M. (12 de junio de 2017). EL ANALISIS DE VIBRACIONES EN EL MANTENIMIENTO PREDICTIVO.

Obtenido

de

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