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• Víctor Ruiz

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Mechanical Predictive Maintenance

Mantenimiento Predictivo basado en análisis de vibraciones (evaluación de efectos dinámicos)

Clasificación de técnicas de Monitoreo de condición de equipos

Clasificación de técnicas de Monitoreo de condición Las técnicas de monitoreo de condición no son más que versiones altamente sensibles de los sentidos humanos. Reaccionan a los síntomas de un fallo potencial (ruido, olor, calor) de la misma manera que los sentidos humanos, con lo que las técnicas de monitoreo de condición son diseñadas para detectar síntomas específicos (vibración, temperatura, calor).

Efectos dinámicos El monitoreo dinámico detecta los fallos potenciales (específicamente aquellos que están asociados con equipos rotativos) que causan cantidades anormales de energía

emitida en la forma de ondas tales como vibración, pulsaciones y efectos acústicos.

Análisis de vibraciones

Evaluación de Vibraciones de las máquinas Cada máquina rotativa presenta una vibración característica que se conoce como firma de vibración. Esta señal está condicionada por su diseño, fabricación, uso y desgaste de cada uno de sus componentes. Conocer la naturaleza de la vibración que cada máquina presenta, puede ser la llave para lograr un importante ahorro de costes de operación y mantenimiento.

Qué es una vibración? Una vibración es un movimiento oscilatorio de pequeña amplitud. Todos los cuerpos presentan una señal de vibración característica. Las máquinas presentan su propia señal de vibración y la información de cada uno de sus componentes. Una señal de vibración capturada de una máquina se compone de la suma de la vibración de cada uno de sus componentes.

Vibración simple

Frecuencia y Amplitud

Fase

Vibración compuesta

Otros tipos de vibraciones 1. La vibración aleatoria 2. Los golpeteos intermitentes 3. La modulación de amplitud (AM)

La Vibración aleatoria

Los golpeteos intermitentes

AM

Transformada de Fourier Fourier (1768 - 1830) encontró la forma de representar una señal compleja en el dominio del tiempo por medio de series de curvas sinusoidales con valores de amplitud y frecuencia específicos. Un analizador de espectros que trabaja con la transformada rápida de Fourier (FFT), captura una señal compleja y calcula todas las series de señales sinusoidales que contiene y las muestra de forma individual en una gráfica de espectro.

Transformada de Fourier

Desplazamiento, velocidad y aceleración

Magnitudes en frecuencia

Comportamiento espectral

Caso, deterioro de un rodamiento

Análisis espectral El éxito del análisis de vibraciones depende de la correcta interpretación que se le dé a los espectros capturados con respecto a las condiciones de operación en que se encuentra la máquina.

Análisis espectral , pasos típicos Identificación de los picos de vibración en el espectro. Diagnóstico de la máquina, determinando la gravedad de problemas en base a las amplitudes y la relación entre los picos de vibración. Recomendaciones apropiadas para las reparaciones, basadas en la gravedad de los problemas de máquinas.

Ejemplo F. motor = 1.800 rpm = 30 Hz F. bomba = (100 / 300) dientes * 1.800 rpm =600 rpm = 10 Hz

F. engrane = 100 dientes * 1.800 rpm = 300 dientes * 600 rpm = 1,800.000 rpm = 3.000 Hz

F. paso de álabe = 8 álabes * 600 rpm = 4.800 rpm = 80 Hz

Espectro de vibración del ejemplo

Determinación de niveles de vibración Registro de datos histórico de los puntos críticos del equipo.

Comparación con otros equipos idénticos Envío de espectros al fabricante Adaptar otras experiencias a nuestros casos

Transductores y su tipología El transductor es el elemento que transforma la vibración mecánica en una señal eléctrica analógica, para ser procesada, medida y analizada. Todos los transductores deben ser precisos a la hora de tomar las lecturas, ofreciendo repetibilidad (dos señales iguales tendrán que generar en el transductor la misma salida de tensión)

Tipos de sensores Tipo Transductor de desplazamiento o sonda de proximidad Transductor sísmico de velocidad o sonda de velocidad Transductor piezoeléctrico o acelerómetro

Sensibles a

Desplazamiento

Velocidad

Aceleración

Aplicación de sensores Las medidas de desplazamiento son especialmente adecuadas en vibración a baja frecuencia Las lecturas de velocidad son las de mayor campo de aplicación, ya que la velocidad es directamente proporcional al esfuerzo y al desgaste de sistemas mecánicos. Las lecturas de aceleración son las mejores para analizar fenómenos a altas frecuencias, ya que es el parámetro que mejor mide la fuerza asociada a una fuente de vibración.

Medición periódica de espectros Las medidas periódicas se realizan con equipos portátiles, que en base a su capacidad de análisis se pueden clasificar como: Vibrómetros de valor global: Analógicos y Digitales. Analizadores de frecuencia: Analógicos de banda de ajuste y Digitales FFT en tiempo real.

Vibrómetros

Analizadores de frecuencia

Monitoreo continuo, on-line Reducción drástica de los intervalos de toma de datos. Menor coste de explotación. Mayor calidad en la toma de datos. La exactitud en el punto de medida de datos es mayor.

Sistema de monitorización continua

Desequilibrio y medida de la fase

El desequilibrio constituye la principal causa de avería de tipo mecánico en máquinas rotativas. Este fenómeno es debido a la distribución no uniforme de masas sometidas a rotación.

Medida de fase Es el tiempo de adelanto o retraso que tiene una onda vibratoria respecto a otra de igual período Físicamente, la fase es el movimiento relativo que tiene un punto de la máquina con respecto a otro

Las lecturas de fase sirven en el diagnóstico de averías para diferenciar problemas mecánicos que se manifiestan espectralmente de la misma forma

Tecnologías para la medida de fase Pulso tacométrico Lámpara estroboscópica

Analizador multicanal

Desequilibrio Una máquina rotativa está desequilibrada cuando el centro de gravedad o centro de masas del rotor no coincide con su centro de rotación o centro geométrico.

Fuerza centrífuga en desequilibrio

Tipos de desequilibrio Desequilibrio en un único plano

Desequilibrio en dos planos Rotor en voladizo

Análisis de problemas en bajas frecuencias En bajas frecuencias se analizan los problemas relacionados con la velocidad de giro y sus primeros armónicos. Además del desequilibrio, ya visto, las averías principales en este margen frecuencial son:

Excentricidad Ejes doblados Desalineación Holguras

Excentricidad

Eje deformado

Tipos de desalineación Desalineación angular. Desalineación offset o paralela.

Casos típicos de desalineación: Desalineación en rodamientos y cojinetes. Desalineación en poleas.

Tipos de desalineación

Desalineación angular

Desalineación paralela

Desalineación en rodamientos y cojinetes

Desalineación en poleas

Holguras Holguras de elementos rotativos (rodamientos, cojinetes de fricción. acoplamientos, rotores, etc.) Holguras estructurales (bancadas, cajeras, pernos de anclaje, etc.).

Holguras en elementos rotativos

Holguras estructurales

Holguras en bancadas

Holguras en anclaje

Pulsaciones

Cojinetes de fricción Problemas específicos: Excesiva holgura

Remolino de aceite Lubricación deficiente

Excesiva holgura

Remolino de aceite

Lubricación deficiente

Frecuencias para el estudio de cojinetes Parámetro espectral

Ancho de banda

Remolino de aceite

0,2x a 0,8x RPM

Desequilibrio, holguras y desalineación

0,8x a 1,5x RPM

Desalineación y holguras

2,5x a 15x RPM

Defectos de lubricación

1 kHz a 20 kHz

Engranajes

Frecuencias propias de un engranaje Frecuencias de engrane (GMF): son propias de cada engranaje y aparecen en el espectro de frecuencia independientemente del estado del engranaje

Bandas laterales: son frecuencias equidistantes de la frecuencia de engrane Frecuencias naturales del engrane: al desarrollarse algún tipo de deterioro en el engrane, éstos pueden excitar las frecuencias naturales de los mismos

Espectro de un engranaje en buen estado

Factores determinantes para engranajes Sensor de medida Unidades de medición Resolución espectral

Parámetros de análisis

Bandas espectrales de problemas en engranajes Parámetro espectral

Ancho de banda

Desequilibrio

0,3x a 1,5x RPM

Desalineación

1,5x a 2,5x RPM

Holguras

2,5x a 10,5x RPM

Picos fantasma y bandas laterales del primer armónico de la frecuencia de engrane.

10x RPM a GMF - 5x RPM

Primer armónico de la frecuencia de engrane.

GMF - 5x RPM a GMF + 5x RPM

Bandas laterales del primer y segundo armónicos de la

GMF - 5x RPM a 2GMF + 5x

frecuencia de engrane, frecuencias de rodamiento.

RPM

Segundo armónico de la frecuencia de engrane. Estado general del reductor y rodamientos. Lubricación del rodamiento y reductor.

2GMF - 5x RPM a 2GMF + 5x RPM 1 kHz a 20 kHz

Diagnóstico de averías en engranajes

Engranaje excéntrico o eje doblado

Desgaste del diámetro primitivo o diente roto

Engranaje sobrecargado

Desalineación de un engranaje

Frecuencia de repetición de diente

Rodamientos, factores a evaluar Identificar los defectos mediante el diagnóstico espectral y de la onda en el tiempo Determinar los factores a tener en cuenta para predecir el grado de deterioro en el rodamiento, con el fin de estimar la vida útil restante del mismo.

Diagnóstico de rodamientos Técnicas basadas en el análisis de parámetros simplificados Valor global de vibración RMS o Pico Factor de cresta: relación entre el valor de pico y el valor RMS. Kurtosis: es un parámetro estadístico calculado de la onda en el tiempo Skewness: también es un parámetros estadístico calculado a partir de la onda en el tiempo Banda variable a alta frecuencia, definida entre 1 kHz y 20 kHz. HFD o banda a alta frecuencia (entre 5 y 30 kHz) en aceleración. Spike-energy o banda a alta frecuencia (entre 5 y 60 kHz). SPM o Impulsos de choque que mide la vibración a alta frecuencia (entre 30 y 40 kHz). Detección acústica de fisuras/IFD. Banda entre 80 y 120 kHz. Emisión acústica, banda con un rango superior a los 200 kHz

Diagnóstico de rodamientos Técnicas basadas en el análisis espectral y de la onda en el tiempo El estudio espectral y de la onda en el tiempo es determinante a la hora de diagnosticar un deterioro de un rodamiento permitiéndonos, por comparación de la evolución de las amplitudes espectrales, llegar a predecir el grado de deterioro y planificar su cambio con la suficiente antelación

Frecuencias de deterioro BPFO o frecuencia de deterioro de la pista exterior. Físicamente es el número de bolas o rodillos que pasan por un punto en un giro BPFI o frecuencia de deterioro de la pista interior. Físicamente es el número de bolas o rodillos que pasan por un punto de la en un giro BSF o frecuencia de deterioro de los elementos rodantes. Físicamente es el número de giros que realiza una bola del rodamiento en un giro del eje FTF o frecuencia fundamental de tren o de deterioro de la jaula. Físicamente es el número de giros que realiza la jaula del rodamiento en un giro del eje

Componentes y frecuencias de deterioro

Predicción de la severidad del deterioro Conocer fallos más frecuentes de los componentes

Discernir si la falla es en la pista interior o exterior Amplitudes por falla en pista interior < Pista exterior La primera indicación de deterioro es a altas frecuencias Bajas amplitudes iniciales de deterioro a altas frecuencias Aparición de nuevas frecuencias de fallo indican mayor daño Bandas laterales acompañan frecuencias de deterioro Bandas anchas indican alto deterioro y cambio geométrico Engrasar el rodamiento ante evidencia de falla

Análisis en el tiempo complementa la detección de fallas Un defecto se acelera cuando la velocidad de giro es mayor

Defectos típicos en rodamientos

Fallo de pista exterior

Fallo de elemento rodante

Fallo de pista interior

Fallo de jaula

Defectos

Deterioro en una jaula

Picadura en el aro exterior

Deterioro avanzado

Fases de deterioro en rodamientos Fase 1 – Algunos armónicos Fase 2 – Lecturas a altas frecuencias Fase 3 – Frecuencias de falla apreciables Fase 4 – Holguras y ruido

Bandas espectrales para la detección de problemas en rodamientos Parámetro espectral Desequilibrio, desalineación, holguras, rozamientos y desgaste de correas.

Ancho de banda 0,3 a 1,5x RPM

Desalineación y holguras

1,5 a 2,5x RPM

Holguras, desalineación y BSF.

2,5x a 4,5x RPM

Primeros armónicos de las frecuencias de rodamientos, BPFO, BPFI y BSF. Armónicos superiores de las frecuencias de rodamientos y presencias de frecuencias eléctricas.

4,5 kHz a 20,5 kHz

20,5 kHz a 50 kHz

Banda espectral de alta frecuencia, en unidades de aceleración (G's). Parámetro de alarma sobre estados incipientes de deterioro en rodamientos, presencia de cavitación o falta de lubricación.

1 kHz a 20 kHz

Motores de inducción de corriente alterna Los motores de inducción generan multitud de frecuencias de vibración que son inherentes a su diseño y aplicación. Es conveniente monitorear el espectro de vibración de las máquinas críticas para identificar los posibles cambios indicadores de problemas causados por deterioro mecánico

Frecuencias de interés FL: Frecuencia de la red eléctrica 2 x FL: Picos en los polos P: Número de polos del motor NS: Velocidad síncrona FS: Frecuencia de deslizamiento FP: Frecuencia de paso de polo

WSPF: Frecuencia de paso de bobinado RBPF: Frecuencia de paso de barra

Diagnóstico de averías Excentricidad de estator, cortos por laminaciones y componentes sueltos Rotor excéntrico Problemas de rotor Problemas de fase (conector suelto)

Rotor excéntrico

Problemas de rotor

Barras o anillos rotos o rajados

Separación o apertura de las barras del rotor

Problemas de fase (conector suelto)

Resonancia La relación entre síntomas y diagnóstico no es biunívoca ya que existen elementos que pueden distorsionar los síntomas. El estudio de las frecuencias naturales o de resonancia aporta información sobre el estado de normalidad de las máquinas

Tipos de resonancia Resonancia estructural: Está asociada a las partes no rotativas de la máquina

Resonancia de equilibrio: Está asociada a la frecuencia natural de los rotores de una máquina

Métodos de detección de resonancia Test de arranque y parada Diagrama de espectros en cascada Test de impacto

Diagrama de espectros en cascada

Test de impacto y diagrama de Bode

Eliminación de resonancia Reducir o eliminar la fuerza de excitación: mediante equilibrado de precisión, alineación fina de ejes y correas, cambio de amortiguadores de vibración gastados o rotos.

Modificar la masa o rigidez de la estructura. Cambio de régimen de giro en el equipo. Añadir amortiguamiento al sistema: Se puede, por ejemplo, montar la máquina sobre calzos antivibratorios.

Enumeración de técnicas de Monitoreo dinámico

Monitoreo Dinámico Análisis de vibración de banda ancha: P-F días. Análisis de banda octava: P-F días, semanas. Análisis de Ancho de Banda constante: P-F semanas, meses. Análisis de Ancho de Banda de % constante: P-F semanas, meses.

Monitoreo Dinámico Análisis en tiempo real: P-F semanas, meses. Análisis de forma temporal de onda: P-F semanas, meses. Análisis de promedios de tiempos sincrónicos: semanas, meses. Análisis de frecuencia: P-F semanas, meses

Monitoreo Dinámico Cepstrum (Armónicos): P-F semanas, meses. Demodulación de amplitud: P-F semanas, meses Análisis de valor máximo (Peak vue): P-F semanas, meses. Energía punzante (Spike energy): P-F semanas, meses.

Monitoreo Dinámico Análisis de proximidad: P-F días, semanas.

Monitoreo de impulsos de choque: P-F semanas, meses. Kurtosis (choque): P-F semanas, meses. Emisión acústica: P-F semanas

Análisis por ultrasonido Este método estudia las ondas de sonido de baja frecuencia producidas por los equipos que no son perceptibles por el oído humano. Ultrasonido pasivo: Es producido por mecanismos rotantes, fugas de fluido, pérdidas de vacío, y arcos eléctricos. Pudiendo ser detectado mediante la tecnología apropiada.

El Ultrasonido permite detectar Fricción en maquinas rotativas.

Fallas y/o fugas en válvulas. Fugas de fluidos.

Pérdidas de vacío. Detección de "arco eléctrico". Detección de ―efecto corona‖ Verificación de la integridad de juntas de recintos estancos.

Frecuencias de Ultrasonido El sonido cuya frecuencia está por encima del rango de captación del oído humano (20 a 20.000 Hertz) se considera ultrasonido.

Casi todas las fricciones mecánicas, arcos eléctricos y fugas de presión o vacío

producen ultrasonido en un rango aproximado a los 40 Khz

Aplicación de Ultrasonido La aplicación del análisis por ultrasonido se hace indispensable especialmente en la

detección de fallas existentes en equipos rotantes que giran a velocidades inferiores a las 300 RPM, donde la técnica de medición de vibraciones se transforma en un procedimiento ineficiente.

Análisis Ultrasónico Condiciones observadas: Cambios en los patrones de sonidos (sintonía acústica) causados por fugas, desgaste, fatiga o deterioro. Intervalo P — F: Muy variable dependiendo de la naturaleza del fallo.

Análisis Ultrasónico Aplicaciones: Fugas en sistemas de presión y vacio, Desgaste o fatiga de cojinetes, trampas de vapor, desgaste de válvulas y de asientos de válvulas, cavitación de bombas, coronas de engranajes en cajas reductoras, descargas estáticas, integridad de sellos y empaquetaduras de tanques, sistemas de tuberías y grandes cajas de entrada, fugas en tuberías y tanques bajo tierra.