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• Milo Vega Condorcet

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UNIVERSIDAD PRIVADA BOLIVIANA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA CARRERA INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

“DIAGNÓSTICO, ANÁLISIS Y MANTENIMIENTO DE MÁQUINAS ROTATIVAS, EN LA EMPRESA CIMCO LTDA.”

TRABAJO FINAL DE GRADO

PRESENTADO POR: WALTER R. MORANTE ROJAS Como requisito parcial para optar al título de: LICENCIATURA EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

TUTOR: Grover Zurita, PhD.

Cochabamba, Diciembre 2012

RESUMEN EJECUTIVO En el presente trabajo se da a conocer las posibles fallas que se pueden encontrar en equipos rotatorios, mediante el análisis vibracional, como: desbalance, desalineación, fallas en rodamientos, y fallas en motores eléctricos. El objetivo general de este trabajo es “Identificar de manera anticipada y precisa las partes que están por sufrir daño o ya se encuentran dañadas en equipos rotativos, mediante el monitoreo de análisis vibracional, en la maquinaria de la empresa CIMCO LTDA.” El análisis de vibraciones, permite detectar defectos mecánicos nacientes mucho antes que este sea una amenaza para la máquina. Es por esto que se seleccionó las máquinas que presentan un nivel Alto en la importancia en el proceso de producción. Mediante la recolección de los datos e interpretación de los mismos, se pudo intervenir corrigiendo las fallas, bajando las amplitudes a valores admisibles por la norma ISO 10816. Se realizó la medición en el Exaustor 4, Bomba de Vacío y Laminador 2, obteniendo los siguientes resultados: 

En el Exaustor 4, se pudo reducir los niveles

de vibración de 19,417 mm/s a

0,499mm/s, balanceado con una masa de 393,58 gr, ahorrando en consumo de energía eléctrica un 11,42%, lo que significa 1335,17 dólares al año, la empresa cuenta con 5 Exaustores, entonces

el ahorro en costos de energía serian de

6675,85 dólares al año. 

En la Bomba de Vacío, se pudo reducir los niveles de vibración de 13,474 mm/s a 0,41mm/s, alineando con lainas calibradas y realizando modificaciones al soporte del motor, ahorrando en consumo de energía eléctrica un 16,42% lo que significa 208,2 dólares al año, la empresa cuenta con una sola Bomba de Vacío.



En el Laminador 2, se redujo los niveles de vibración de 4,035 mm/s a

0,265

mm/s, cambiando el rodamiento 22314k y realizando el ajuste necesario en el eje, ahorrando en consumo de energía eléctrica un 1,658%

lo que significa 64,15

dólares al año, la empresa cuenta con 2 Laminadores, entonces el ahorro en costos de energía serian de 128,3 dólares al año. La técnica del Análisis de Vibraciones es uno de los métodos cada vez con mayor fuerza en el monitoreo, ya que da mucha información acerca del funcionamiento de la máquina que cualquier otro método no destructivo. ii

ABSTRACT In the present document is disclosed the possible failures that can be found in rotatory equipment, through mechanical vibration analysis, like: unbalancing, misalignment, bearing failure and faults in electrical motors. The general objective is to ―Identify prematurely and accurately the parts which are about to or already damaged in rotatory equipment through the mechanical vibrational analysis monitoring, in CIMCO LTDA‖. The vibration analysis technique allows the detection of emerging mechanical faults before they become a threat to the machine or the production itself, therefore the machines that are most important to the process were chosen. Through the data recollection and interpretation, a planned intervention was achieved where most of the faults were taken care of and the vibration amplitudes reduced to admissible levels according to the ISO 10816. The data recolection was made in exhauster 4, vacuum pump and laminator, obtaining the following results: • In Exhauster 4, vibration was reduced from 19.417 mm/s to 0.499 mm/s, balancing with a mass of 393.58 gr, saving 11.42% in electrical consumption, which means 1337.17 usd/year for exhauster and a total of 6675.85 usd/year in the 5 exhausters that are present in the process. • In the Vacuum Pump, vibration was reduced from 13.474 mm/s to 0.41 mm/s, aligning with calibrated shims and making modifications to the motor’s support, saving 16.42% in electrical consumption, which means 208.2 usd/year. There is only one vacuum pump. • In Laminator 2, vibration was reduced from 4.035 mm/s to 0.265 mm/s, changing a 22314k bearing and adjusting the axis, saving 1.658% in electrical consumption, which means 64.15 usd/year. There are 2 laminators, so the total savings are 128.3 usd/year. The vibration analysis technique is becoming one of the most powerful techniques in industrial machine monitoring because the study of vibrations gives much information about the performance than any other nondestructive technique.

iii

Lista de tablas y Figuras Tablas Tabla 1: Rangos de severidad vibratoria para diferentes clases de máquinas. ...................... 36 Tabla 2: Clasificación de Estado ........................................................................................................ 45 Tabla 3: Datos Técnicos Exaustor 4 .................................................................................................... 46 Tabla 4: Datos Técnicos Bomba de Vacío ....................................................................................... 60 Tabla 5: Datos Técnicos Laminador 2 ............................................................................................... 69

Figuras FIGURA Nº 1: Organigrama CIMCO Ltda. ......................................................................................... 2 FIGURA Nº 2: Movimiento Armónico Sencillo.................................................................................. 11 FIGURA Nº 3: Vibración Libre en el Tiempo ..................................................................................... 11 FIGURA Nº 4: Medición de la Amplitud Vibratoria ......................................................................... 12 FIGURA Nº 5: Señales desfasadas 90° .............................................................................................. 13 FIGURA Nº 6: Vibración Compuesta................................................................................................. 13 FIGURA Nº 7: Golpeteos Intermitentes ............................................................................................. 14 FIGURA Nº 8: Diagrama Cuerpo Libre Vibraciones ....................................................................... 16 FIGURA Nº 9: Resonancia Mecánica ............................................................................................... 18 FIGURA Nº 10: Señales en el dominio tiempo y frecuencia ......................................................... 20 FIGURA Nº 11: Señales en el dominio tiempo y frecuencia ......................................................... 20 FIGURA Nº 12: Desbalanceo importante en el rotor ..................................................................... 22 FIGURA Nº 13: Distintos tipos desalineación .................................................................................... 23 FIGURA Nº 14: Comparación del espectro de un rotor antes y después de alinear ............. 24 FIGURA Nº 15: Espectro de un equipo con soltura, notar la presencia de subarmónicos de la velocidad de giro. ............................................................................................................................ 25 FIGURA Nº 16: Espectro esperado para un rozamiento ............................................................... 26 FIGURA Nº 17: Vibracion en correa inperfecta .............................................................................. 27 iv

FIGURA Nº 18: Espectro de una caja de engranajes con modulación y bandas laterales en la frecuencia de engrane. .................................................................................................................. 31 FIGURA Nº 19: Clasificación de máquinas según ISO 10816-3 .................................................... 34 FIGURA Nº 20: Proceso de Producción ............................................................................................ 37 FIGURA Nº 21: Detector III ................................................................................................................... 41 FIGURA Nº 22: Dirección de puntos de medición. ........................................................................ 42 FIGURA Nº 23: Fixturlaser XA Pro ........................................................................................................ 44 FIGURA Nº 24: TMEB 2 Alineador de Poleas..................................................................................... 44 FIGURA Nº 25: Bearing Frequency Calculations ............................................................................. 45 FIGURA Nº 26: Diagrama Exaustor 4 ................................................................................................. 47 FIGURA Nº 27: Exaustor 4 ..................................................................................................................... 47 FIGURA Nº 28: Base Motor Exaustor 4 ............................................................................................... 48 FIGURA Nº 29: Desalineación de Correas ....................................................................................... 49 FIGURA Nº 30: Canal de Correas Gastados ................................................................................... 49 FIGURA Nº 31: Toma de Datos ........................................................................................................... 50 FIGURA Nº 32: Espectro Motor 1V ..................................................................................................... 52 FIGURA Nº 33: Espectro Turbina 4H ................................................................................................... 53 FIGURA Nº 34: Trendline Equilibrado ................................................................................................. 54 FIGURA Nº 35: Trendline Equilibrado en Angulo ............................................................................. 54 FIGURA Nº 36: Espectro Turbina 4H ................................................................................................... 55 FIGURA Nº 37: Comparación de Amplitudes ................................................................................ 56 FIGURA Nº 38: Diagrama Bomba de Vacío .................................................................................... 60 FIGURA Nº 39: Bomba de Vacío........................................................................................................ 61 FIGURA Nº 40: Fugas de Liquido ........................................................................................................ 61 FIGURA Nº 41: Problemas de Alimentación Eléctrica ................................................................... 62 FIGURA Nº 42: Espectro Bomba de Vacío 2H ................................................................................. 63 FIGURA Nº 43: Desalineación de Ejes ............................................................................................... 64 v

FIGURA Nº 44: Lainas Calibradas ...................................................................................................... 65 FIGURA Nº 45: Comparación de Amplitudes ................................................................................. 66 FIGURA Nº 46: Diagrama Laminador 2............................................................................................. 70 FIGURA Nº 47: Laminador 2 ................................................................................................................ 70 FIGURA Nº 48: Correas en mal estado ............................................................................................. 71 FIGURA Nº 49: Rodillo Dañado........................................................................................................... 71 FIGURA Nº 50: Espectro Laminador 2 3H ......................................................................................... 72 FIGURA Nº 51: Bearing Frequency Calculations ............................................................................. 73 FIGURA Nº 52: Verificación de Eje ..................................................................................................... 74 FIGURA Nº 53: Espectro Laminador 2 3H ......................................................................................... 75 FIGURA Nº 54: Comparación de Amplitudes ................................................................................. 76

vi

Tabla de Contenido Resumen Ejecutivo………………………………………..………………………………………………..ii Abstract……………...........................................................................................................................iii Lista de Tablas y Figuras…………………………………………………………………………………..iv I.

INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 1 1.1

Antecedentes ......................................................................................................................... 1

1.2

Descripción del problema .................................................................................................... 2

1.3

Justificación ............................................................................................................................. 3

1.4

Delimitación ............................................................................................................................. 3

1.5

Marco Teórico ......................................................................................................................... 3

1.6

Metodología ............................................................................................................................ 4

II.

OBJETIVOS ................................................................................................................................ 6 2.1

Objetivo General .................................................................................................................... 6

2.2

Objetivos Específicos ......................................................................................................... 6

III.

MARCO TEÓRICO ................................................................................................................... 7 3.1

Mantenimiento Industrial ...................................................................................................... 7

3.1.1

Mantenimiento Rutinario....................................................................................................... 7

3.1.2

Mantenimiento Correctivo ................................................................................................... 7

3.1.3

Mantenimiento Preventivo ................................................................................................... 8

3.2

Mantenimiento Predictivo .................................................................................................... 8

3.2.1

Análisis de Aceites .............................................................................................................. 9

3.2.2

Medición de Temperaturas .............................................................................................. 9

3.2.3

Medición de Espesores ..................................................................................................... 9

3.2.4

Medición del Nivel de Ruido .......................................................................................... 10

3.2.5

Análisis de Vibraciones .................................................................................................... 10

3.3

Vibraciones Mecánicas ...................................................................................................... 10

vii

3.3.1

Vibraciones ........................................................................................................................ 10

3.3.1.1

Vibración Simple .............................................................................................................. 10

3.3.1.2

Vibración Compuesta. .................................................................................................... 13

3.3.1.3

Vibración Aleatoria Y Golpeteos Intermitentes.......................................................... 14

3.3.2

Ecuaciones de movimiento ........................................................................................... 14

3.3.3

Frecuencias Naturales ..................................................................................................... 15

3.3.4

Resonancia ........................................................................................................................ 17

3.3.5

Transformada de Fourier ..................................................................................................... 19

3.3.6

Fallas Comunes Para Equipos Rotatorios ......................................................................... 21

3.3.6.1 Desbalanceo ......................................................................................................................... 21 3.3.6.2 Desalineación ....................................................................................................................... 22 3.3.6.3 Soltura mecánica ................................................................................................................. 24 3.3.6.4 Rozamiento ............................................................................................................................ 26 3.3.6.5 Vibraciones en correas ....................................................................................................... 26 3.3.6.6 Fallas en rodamientos .......................................................................................................... 27 3.3.6.7 Fallas en engranajes ............................................................................................................ 30 3.4

Clasificación de condición de máquinas ....................................................................... 32

3.4.1

Condiciones de operación de la máquina ................................................................ 32

3.4.2

Criterios de evaluación ................................................................................................... 33

3.4.3

Evaluación de máquinas por medición en partes no rotatorias (ISO10816-3) .... 33

3.4.4

Evaluación de la magnitud de la vibración Valores límites entre las zonas de

evaluación ......................................................................................................................................... 35 3.4.5 IV.

Evaluación del cambio en la magnitud de la vibración ......................................... 36 METODOLOGÍA ..................................................................................................................... 37

4.1

Análisis del sistema bajo estudio ....................................................................................... 37

4.2

Proceso Productivo de la empresa CIMCO Ltda. ......................................................... 37

4.3

Selección adecuada de Parámetros .............................................................................. 40 viii

4.4

Adquisición de datos. .......................................................................................................... 41

4.5

Análisis e interpretación de datos..................................................................................... 43

4.6

Herramientas y Equipos para la intervención. ................................................................ 43

4.7

Evaluación del estado del equipo .................................................................................. 45

V. ANÁLISIS Y RESULTADOS ................................................................................................................. 46 5.1

Análisis Exaustor 4 Desbalance .......................................................................................... 46

5.1.1

Análisis del Equipo ................................................................................................................ 46

5.1.2

Inspección Visual .................................................................................................................. 47

5.1.3

MONITOREO DE CONDICCION .......................................................................................... 50

5.1.4

Intervención ........................................................................................................................... 53

5.1.5

Comparación ........................................................................................................................ 56

5.1.6

Costo Beneficio ..................................................................................................................... 56

5.2

Análisis Bomba de Vacío Desalineación ......................................................................... 60

5.2.1

Análisis del Equipo ................................................................................................................ 60

5.2.2

Inspección Visual .................................................................................................................. 61

5.2.3

Monitoreo de condición ..................................................................................................... 62

5.2.4

Intervención ........................................................................................................................... 64

5.2.5

Comparación ........................................................................................................................ 65

5.2.6

Costo Beneficio ..................................................................................................................... 66

5.3

Análisis Laminador 2 Rodamientos ................................................................................... 69

5.3.1

Análisis de Equipo ................................................................................................................. 69

5.3.2

Inspección Visual .................................................................................................................. 70

5.3.3

Monitoreo de Condición. ................................................................................................... 72

5.3.4

Intervención ........................................................................................................................... 73

5.3.5

Comparación ........................................................................................................................ 75

5.3.6

Costo Beneficio ..................................................................................................................... 76

VI.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................................... 79 ix

6.1

Conclusiones ......................................................................................................................... 79

6.2

Recomendaciones .............................................................................................................. 80

VII.

Bibliografía ............................................................................................................................. 81

VIII.

ANEXOS .................................................................................................................................. 82

x

I. 1.1

INTRODUCCIÓN Antecedentes

La empresa CIMCO Ltda. (Complejo Industrial de Materiales de Construcción) fue creada hace 35 años con el esfuerzo conjunto de 5 hermanos. CIMCO Ltda. Inicialmente comenzó sus actividades con la maquinaria realmente indispensable para el proceso, realizándose el secado al medio ambiente, y a través de los años se construyeron cámaras de secado, incrementando la producción, ahorro de tiempo y reducción de mano de obra. Instalando posteriormente el segundo Horno Hoffman y las prensas de teja. CIMCO Ltda. Es una empresa que empezó con la venta de ladrillo hueco en tres variedades y posteriormente incorporo la diversificación de los mismos llegando en la actualidad a ofrecer 9 diferentes tipos de ladrillos hueco de los que se puede mencionar 

Ladrillo de enchape



Ladrillo visto (2 huecos, 3 huecos, 18 huecos, 21 huecos)



Ladrillo estructural ( 4 huecos, 6 huecos, 6 huecos especial. 8 huecos)



Tejas de cerámica (portuguesa, colonial, romana, española) y complemento.

Su principal mercado se encuentra el departamento de Cochabamba, específicamente; constructores conocidos en el medio (arquitectos, albañiles y contratistas). De este conjunto de clientes los principales son los constructores y las personas naturales que abarcan alrededor del 90% de las ventas de la empresa. Las ventas se las realiza de manera directa en la empresa Actualmente CIMCO Ltda., cuenta con la certificación en ―Sistemas de gestión ambiental NB-ISO-14001-2004‖. Los niveles jerárquicos en la estructura organizacional de CIMCO Ltda. Están dispuestos de cómo se detalla en la figura Nº 1. (1)

FIGURA Nº 1: Organigrama CIMCO Ltda. Fuente: CIMCO Ltda. (1) 1.2

Descripción del problema

La empresa CIMCO Ltda., cuenta en la actualidad, únicamente con planes de mantenimiento preventivo y correctivo; pero no tienen un diagnóstico real del estado de la maquinaria. Esto no permite detectar las fallas o el mal funcionamiento de un equipo, hasta que este sufre una falla de consideración, teniendo así que parar el equipo y parar el proceso productivo. Estas

paradas forzadas

generan pérdidas en la empresa ya que las reparaciones se

ejecutan sin una previa planificación, debido a la necesidad de reintegrar la maquina al proceso productivo en el menor tiempo posible. La frecuencia de fallas en la línea de producción es de 5,25 veces al mes con un promedio de 2 horas de parada, lo que significa que se deja de producir 26,250 ladrillos al mes, el costo anual total de mantenimiento en el año 2011 fue de 24.652 dolares (2). Las reparaciones que se realizan son de los síntomas obvios de fallos, sin interesar las causas que puede haber ocasionado. La idea fundamental del trabajo es realizar un diagnóstico del estado de la maquinaria el cual será un punto de partida, para en el futuro implementar un mantenimiento predictivo.

2

1.3

Justificación

Lo que se busca es intentar aprovechar al máximo la capacidad productiva y la confiabilidad del proceso productivo de la empresa CIMCO Ltda. y eliminar los mantenimientos correctivos pudiendo ahorrar en costos de mantenimiento un total de 8,820 dólares al año , lo que significaría un costo anual de mantenimiento de 15,832 dólares al año. El diagnóstico del estado de la maquinaria será un punto de partida para poder realizar un seguimiento y realizar un mantenimiento predictivo utilizando el análisis de vibraciones. Se espera que la empresa tendrá los siguientes beneficios: 

Minimizar pérdidas económicas de mantenimiento, repuestos y tiempo muerto al evitar fallas de consideración en los equipos.



Disponer de un mejor registro de las condiciones de funcionamiento de los equipos.



Ayudar en la toma de decisiones a niveles de mantenimiento y operación.



Garantizar regularidad en los procesos y en el suministro de producto terminado a clientes.

1.4

Delimitación

El presente trabajo se realizó en la maquinaria de la empresa CIMCO Ltda. específicamente a la Bomba de Vacío, Laminador 2 y el Exaustor 4 que tiene una importancia Alta para la calidad en el proceso de moldeo y de cocción del ladrillo . Tomando como herramienta indispensable el análisis vibracional,

que es parte muy importante de las técnicas

del

mantenimiento predictivo para la detección de fallas en los equipos y para la evaluación de los niveles de vibración se han referido a la norma ISO-10816.

1.5

Marco Teórico

El análisis de vibraciones, ultrasonido, la termografía, el análisis de lubricantes, entre otras son técnicas de mantenimiento predictivo que permite hallar las causas de posibles fallos anticipándose a la avería. El programa de mantenimiento predictivo sigue una secuencia lógica desde que se detecta un problema, se estudia, se encuentra la causa, y finalmente se decide la posible solucionen el momento oportuno con la máxima eficiencia. La detección consiste en encontrar un problema en la maquinaria, para ello es necesario un seguimiento constante y riguroso del nivel de vibraciones de la máquina, el intervalo entre 3

mediciones depende de cada equipo y puede variar desde dos meses a una medición continua, según la importancia en el proceso. El equipo utilizado será un colector de datos junto con un programa informático que almacene los valores recogidos en las revisiones rutinarias sobre los elementos de la fábrica. A partir de un histórico de datos de los puntos de cada máquina es posible detectar un problema cuando la tendencia de valores aumenta o se modifica notablemente. El análisis del problema detectado, una vez encontrado este se problema, se identifica las posibles causas. Este punto es complicado, depende en cada caso del punto donde aparece el defecto, la posición y el entorno de la máquina. La corrección de la falla detectada y analizada, así una vez encontrado un problema y analizadas sus causas, intentando que esta sea lo más eficiente posible y que afecte de forma mínima el proceso de producción, aprovechando para ello una parada o situación en la que la carga de trabajo para la maquina sea menor que en otras. (3)

1.6

Metodología

Diferentes métodos han sido utilizados para la detección de fallas en equipos rotativos. La metodología empleada es: Análisis del Equipo -

-

Recolección de Datos Técnicos o

Página de Información de Activos (PIA)

o

Descripción

o

Diagrama

Inspección Visual o

-

-

Fotografías de evidencia

Monitoreo de Condición o

Ubicación de puntos de medición

o

Recolección de datos

o

Filtrar espectros obtenidos

Diagnóstico o

Análisis de espectros

o

Fallas encontradas

o

Comparación de espectros

4

-

-

Intervención o

Intervención de problemas

o

Solución al problema encontrado

Comparación o

-

Inicial vs Final (Antes y después de la intervención)

Cálculo de Costo Beneficio o

Costos de Energía

o

Costos de Mano de Obra

o

Costos Perdida de Producción

La recolección de datos técnicos se obtendrá del Procedimiento de Mantenimiento de la empresa CIMCO LTDA. La inspección Visual se hará ―in situ‖ del equipo, para poder realizar observaciones en la maquinaria. Para el monitoreo de condición se utilizara el equipo de análisis de vibraciones Detector III de FAG, que proporciona información fiable sobre la condición del equipo Los puntos elegidos para tomar vibraciones son aquellos donde puede ser posible encontrar un defecto que afecte al buen funcionamiento de la maquinaria, serán lugares en los que se alojen rodamientos, ventiladores, engranajes, uniones entre ejes, entre otros. Para la intervención se utilizara los conocimientos obtenidos en las materias cursadas en la universidad, bibliografía necesaria y repuestos de recambio. Se comparara el estado, antes y después de la intervención mostrando los valores de amplitud, en las diferentes frecuencias. Se realizara un cálculo de costo energético básico cuando una maquina no está mantenido, la mano de obra de los operarios de mantenimiento y perdidas de parada de producción, y se comparará con una máquina que tiene un correcto mantenimiento.

5

II.

2.1

OBJETIVOS

Objetivo General

Para la solución al problema planteado, se ha formulado el siguiente objetivo general: “Identificar de manera anticipada y precisa las partes que están por sufrir daño o ya se encuentran dañadas en equipos rotativos, mediante el monitoreo de análisis de vibraciones mecánicas, en la maquinaria de la empresa CIMCO LTDA”

2.2

Objetivos Específicos

Para el logro del objetivo general, se han identificados los siguientes objetivos específicos: 1. Realizar un relevamiento de datos y especificaciones de los equipos identificados. 2. Determinar el estado técnico inicial de los equipos, mediante el análisis vibracional. 3. Reducir los niveles de vibración, interviniendo las fallas detectadas.

III.

MARCO TEÓRICO

3.1 El

Mantenimiento Industrial mantenimiento

industrial,

tiene

como

finalidad

que

las

instalaciones,

equipos,

componentes de máquinas, entre otros, funcionen en tiempo y forma durante un periodo determinado en las condiciones operativas especificas a que se encuentra sometido (4). La técnica laboral específica ha desarrollado, metodologías de mantenimiento conforme a la siguiente clasificación: 

Mantenimiento de Rutina



Mantenimiento Correctivo



Mantenimiento Programado



Mantenimiento Preventivo



Mantenimiento Predictivo

3.1.1

Mantenimiento Rutinario

El mantenimiento de rutina es uno de los mantenimientos más elementales, en el cual se realizan actividades diarias pretendiendo mantener, limpieza, lubricación y reportar algunas novedades que puedan ser detectadas en los diferentes equipos o instalaciones, como así también el cuidado y limpieza de los espacios comunes y no comunes de la planta. El personal que realiza este mantenimiento no necesita un grado de instrucción avanzado, ya que el principal objetivo es informar de las novedades que existan en cuanto a verificación de los niveles de agua, aceite, temperatura, ruidos, vibraciones, y otras variables que existen en el proceso productivo (4). 3.1.2

Mantenimiento Correctivo

El objetivo de este mantenimiento es reparar la falla producida, el cual conlleva a la parada forzosa, que permite la interrupción operativa en cualquier momento de la producción, sin importar el tiempo que este lo demande. Los inconvenientes que este mantenimiento, son: Inseguridad en funcionamiento ―Al no disponerse de equipamiento para la detección precoz de fallas la interrupción por ruptura se puede producir de la forma más imprecisa e inoportuna en un servicio continuado y exigido‖ (4).

Si el componente de servicio es de naturaleza crítica, los daños y perjuicios amplifican al extenderse la interrupción de operación de la máquina. Importancia de la rotura Al no detectar prematuramente una falla, puede aumentar la gravedad de la rotura, ampliando el daño a otros componentes de la maquina o equipo. Stock de repuestos Muchas veces los repuestos no existen en el almacén local ya que pueden ser piezas específicas. La importancia de tener un buen stock de repuestos en depósito tiene que ser antieconómica para cubrirse la aparición de un desperfecto. Personal de mantenimiento Los altos costos de la mano de obra o de un especialista calificado es un punto muy importante para poder disponer en forma inmediata para una reparación. 3.1.3

Mantenimiento Preventivo

El mantenimiento preventivo se lo realiza, suspendiendo la máquina, equipo o instalación del servicio operativo, realizando inspecciones y/o sustituir algún componente de acuerdo a una programación planificada y organizada (4). Para este mantenimiento la importancia del conocimiento específico de las máquinas y su historial es muy requerido, la información específica que suministran los fabricantes en sus manuales y/o catálogos principalmente en cuanto a expectativa de vida útil para componentes críticos. Este es un mantenimiento que se anticipa a la imprevisión de una falla y con un método de valores limitantes de operación. Los parámetros para poder planificar el mantenimiento preventivo pueden ser el kilometraje recorrido, toneladas de producción de un equipo, horas trabajadas, velocidad, humedad, temperatura, presión y otras variables que existen en el proceso productivo (5). 3.2 Mantenimiento Predictivo Este mantenimiento, hace un seguimiento a variables de una maquina o un equipo para anticiparse y pudiendo predecir el comportamiento de una falla. Se basa en un proceso de mediciones con la máquina en operación tratando de minimizar el tiempo de equipo detenido y detectar la evolución de una falla y tomar la anticipación necesaria (6).

8

Además prolongar la factibilidad del funcionamiento, aún con la existencia de una falla, hasta permitir una inspección programada. Estas son las técnicas más utilizadas: a. Análisis de aceites b. Medición de temperaturas c. Análisis de presiones d. Medición de espesores e. Medición del nivel de ruido f.

Análisis de vibraciones

3.2.1

Análisis de Aceites

Los análisis de estos aceites además de informar su estado, también dan información del equipo que lo contiene. En cuanto al estado del aceite es de interés investigar: 

Presencia de residuos no solubles, el polvo o limaduras metálicas indican desgastes en componentes. Un análisis mecanográfico informará sobre los componentes con deterioros.



La presencia de líquidos como agua, indica estanqueidad defectuosa por fallas en juntas, empaquetaduras, retenes.



El nivel de cenizas, indica exceso de temperatura de trabajo.



La viscosidad, informará sobre el estado de la capacidad de lubricante.



La rigidez dieléctrica: informará sobre la actitud aislante del aceite (4).

3.2.2

Medición de Temperaturas

En las maquinas eléctricas como: motores, generadores, alternadores este parámetro está especificado por normas informando sobrecargas en sus devanados. Si la temperatura no es detectada por las protecciones, puede existir una falla de refrigeración y o ventilación defectuosa. La temperatura de sobrecarga acorta la vida útil de los devanados perjudicando su aislación ingresando al cortocircuito (4). 3.2.3

Medición de Espesores

Con las sondas de ultrasonido es posible predecir fallas al comprobar o verificar espesores en chapas de calderas, donde las incrustaciones del agua de alimentación puedan haber causado abrasión u oxidación alterando su espesor hasta los límites inseguros.

9

3.2.4

Medición del Nivel de Ruido

El empleo del decibelímetro informa los niveles aceptables de ruido para distintas actividades, además las variaciones de intensidad sonora nos dan información que existe algún tipo de cambio en los componentes. Un buen registro del nivel de ruido ayuda a seguir la evolución del trabajo de un equipo a lo largo de las horas de su funcionamiento operativo. El ruido y las vibraciones son efecto y causa de algunas fallas que avisan sobre la necesidad de una inspección cuidadosa el ruido lo medimos a distancia y la vibración mecánica por contacto (4). 3.2.5

Análisis de Vibraciones

Con el análisis de vibraciones se diagnostica problemas en el equipo antes de que ocurra algún fallo catastrófico además de tener otras ventas como, reducir los costos del mantenimiento no planeado, reparaciones más eficientes. ―Un espectro de vibración es una imagen de cálculo de datos de frecuencia y amplitud. Un incremento en el nivel de frecuencia indica un cambio en el mecanismo que podría ser: bandas flojas, grietas en la estructura, daños en rodamientos, desbalanceo, desgaste de piezas entre otros‖ (4). 3.3

Vibraciones Mecánicas

―En términos muy simples una vibración es un movimiento oscilatorio de pequeña amplitud‖ (7). Toda masa presenta una señal de vibración, la cual plasma sus características, entonces las máquinas presentan su propia señal de vibración y en ella se encuentra la información de cada uno de sus componentes. Por tanto, es una sumatoria de vibraciones de cada uno de sus componentes lo cual nos da una señal de vibración compuesta de una máquina (7). 3.3.1 3.3.1.1

Vibraciones Vibración Simple

El principio fundamental de las señales de vibración en el dominio del tiempo son las ondas sinusoidales. Estas señales son las más simples y son la representación de las oscilaciones puras. Una oscilación pura puede ser representada físicamente con el siguiente experimento: una masa suspendida de un resorte como el de la Figura Nº 2 (8).

10

FIGURA Nº 2: Movimiento Armónico Sencillo Fuente: Daza (7) Si esta masa es soltada desde una distancia Xo, en condiciones ideales, se efectuará un movimiento armónico simple que tendrá una amplitud Xo. Ahora a la masa vibrante le adicionamos un lápiz y una hoja de papel en su parte posterior, de manera que pueda marcar su posición. Si jalamos el papel con velocidad constante hacia el lado izquierdo se formará una gráfica parecida a la Figura Nº 3. El tiempo que tarda la masa para ir y regresar al punto Xo siempre es constante. Este tiempo recibe el nombre de período de oscilación (medido generalmente en seg o mseg) y significa que el resorte completó un ciclo (8).

FIGURA Nº 3: Vibración Libre en el Tiempo Fuente: Daza (7) El recíproco del período es la frecuencia la cual generalmente es dada en Hz (Ciclos por segundo) o también Ciclos por minuto (CPM). Estos conceptos pueden verse más claramente en la Figura Nº 4. De esta onda sinusoidal también es importante definir la amplitud y la fase. ―La amplitud desde el punto de vista de las vibraciones es cuanta cantidad de movimiento puede tener una masa desde una posición neutral‖ (8). La amplitud se mide generalmente 11

en valores pico-pico para desplazamiento y valores cero-pico y RMS (Root Mean Square – Raiz Media Cuadrática) para velocidad y aceleración.

FIGURA Nº 4: Medición de la Amplitud Vibratoria Fuente: A-Maq (8)

La fase realmente es una medida de tiempo entre la separación de dos señales. Generalmente es encontrada en grados. La figura 5 muestra dos señales sinusoidales de igual amplitud y período, pero separadas 90 grados, lo cual indica que ambas curvas están desfasadas 90 grados (8).

12

FIGURA Nº 5: Señales desfasadas 90° Fuente: A-Maq (8) 3.3.1.2

Vibración Compuesta.

La sumatoria de varias señales hace una señal compuesta que comprenden cada uno de los componentes que se encuentran en la máquina, más todos los golpeteos y vibraciones aleatorias. El resultado es una señal como la ilustrada en la Figura Nº 6.

FIGURA Nº 6: Vibración Compuesta Fuente: A-Maq (8)

13

3.3.1.3 Vibración Aleatoria Y Golpeteos Intermitentes La vibración aleatoria es demasiado difícil detectar donde comienza un ciclo y donde termina, no cumple con patrones especiales que se repiten constantemente. Este tipo de patrones es mejor interpretarlos en el espectro y no en la onda en el tiempo. Los golpeteos intermitentes están asociados a golpes continuos que crean una señal repetitiva. Estas se encuentran comúnmente en los engranajes, en el paso de las aspas de un impulsor o ventilador, etc. Este tipo de señales tiende a morir debido a la amortiguación del medio. En la figura 7 se muestra claramente este fenómeno: un golpe intermitente que se amortigua con el medio (9).

FIGURA Nº 7: Golpeteos Intermitentes Fuente: A-Maq (8) 3.3.2

Ecuaciones de movimiento

Si se anota la posición o el desplazamiento de un objeto que está sometido a un movimiento armónico sencillo contra el tiempo en una gráfica, la curva resultante será una onda seno o senoidal que se describe en la siguiente ecuación: (1) Dónde: d = desplazamiento instantáneo D = desplazamiento máximo o pico t = tiempo Esta es la misma curva que la de una función senoidal trigonométrica, y se puede considerar como la más sencilla y básica de todas las formas repetitivas de ondas. La función senoidal matemática se deriva de las longitudes relativas de los lados de un triángulo rectangular y la onda senoidal es una anotación del valor de la función senoidal contra el ángulo. En el caso

14

de vibración, la onda senoidal se anota como una función de tiempo pero a veces, se considera que un ciclo de la onda es igual a 360 grados de ángulo. La velocidad del movimiento que describimos arriba es igual a la proporción del cambio del desplazamiento, o en otras palabras a que tan rápido se cambia su posición. La razón de cambio de una cantidad respecto a otra se puede describir con la derivada siguiente: (2) Dónde: v= velocidad instantánea Se puede ver que la forma de la función de velocidad también es senoidal, pero ya que está descrita por el coseno, está desplazado de 90 grados. La aceleración del movimiento que se describe está definida como la proporción de cambio de la velocidad, o que tan rápido la velocidad está cambiando en cualquier momento. (3) Dónde: a= aceleración instantánea

3.3.3

Frecuencias Naturales

Se puede hacer un modelo en forma de un número de resortes, masas y amortiguadores de cualquier estructura física. Los amortiguadores son los que absorben la energía pero los resortes y las masas no lo hacen, un resorte y una masa interactúan uno con otro, de manera que forman un sistema que hace resonancia a su frecuencia natural característica. Si se le aplica energía a un sistema resorte-masa, el sistema vibrará a su frecuencia natural, y el nivel de las vibraciones dependerá de la fuerza de la fuente de energía y de la absorción inherente al sistema, como muestra en la figura Nº 8 (10).

15

FIGURA Nº 8: Diagrama Cuerpo Libre Vibraciones Fuente: Glen White (10). La frecuencia natural de un sistema resorte-masa no amortiguado se da en la siguiente ecuación:

√

(4)

Dónde: Fn = frecuencia natural k = constante del resorte, o rigidez m = masa De eso se puede ver que si la rigidez aumenta, la frecuencia natural también aumentará, y si la masa aumenta, la frecuencia natural disminuye. Si el sistema tiene absorción, lo que tienen todos los sistemas físicos, su frecuencia natural es un poco más baja y depende de la cantidad de absorción. Un gran número de sistemas resorte-masa-amortiguación que forman un sistema mecánico se llaman "grados de libertad", y la energía de vibración que se pone en la máquina, se distribuirá entre los grados de libertad en cantidades que dependerán de sus frecuencias naturales y de la amortiguación, así como de la frecuencia de la fuente de energía. Por esta razón, la vibración no se va a distribuir de manera uniforme en la máquina. Por ejemplo, en una máquina activada por un motor eléctrico una fuente mayor de energía de vibración es el desbalanceo residual del rotor del motor. Esto resultará en una vibración 16

medible en los rodamientos del motor. Pero si la máquina tiene un grado de libertad con una frecuencia natural cerca de las RPM del rotor, su nivel de vibraciones puede ser muy alto, aunque puede estar ubicado a una gran distancia del motor. Es importante tener este hecho en mente, cuando se hace la evaluación de la vibración de una máquina. La ubicación del nivel de vibración máximo no puede estar cerca de la fuente de energía de vibración. La energía de vibración frecuentemente se mueve por largas distancias por tuberías, y puede ser destructiva, cuando encuentra una estructura remota con una frecuencia natural cerca de la de su fuente (10). 3.3.4

Resonancia

La resonancia es un estado de operación en el que una frecuencia de excitación se encuentra cerca de una frecuencia natural de la estructura de la máquina. Una frecuencia natural es una frecuencia a la que una estructura vibrará si uno la desvía y después la suelta. Una estructura típica tendrá muchas frecuencias naturales. Cuando ocurre la resonancia, los niveles de vibración que resultan pueden ser muy altos y pueden causar daños muy rápidamente. En una máquina que produce un espectro ancho de energía de vibración, la resonancia se podrá ver en el espectro, como un pico constante aunque varié la velocidad de la máquina. El pico puede ser agudo o puede ser ancho, dependiendo de la cantidad de amortiguación que tenga la estructura en la frecuencia en cuestión. Para determinar si una maquina tiene resonancias prominentes se puede llevar a cabo una o varias pruebas con el fin de encontrarlas: • La prueba del Impacto. Se pega a la máquina con una masa pesada, como una viga de madera, de cuatro por cuatro, o el pie -con bota- de un jugador de futbol, mientras que se graban los datos. Si hay una resonancia, la vibración de la máquina ocurrirá a la frecuencia natural, mientras que ella se está extinguiendo. • El arranque y rodamiento libre. Se prende y se apaga la máquina, mientras que se graban datos de vibración y de tacómetro. La forma de onda de tiempo indicará un máximo, cuando las RPM igualan las frecuencias naturales. • La prueba de la velocidad variable: en una máquina cuya velocidad se puede variar en un rango ancho, se varía la velocidad, mientras que se están grabando datos de vibración y de tacómetro. La interpretación de los datos se hace como en la prueba anterior. El comportamiento de un sistema resonante, cuando se le somete a una fuerza externa, es interesante y va un poco en contra la intuición. Depende mucho de la frecuencia de la 17

fuerza de excitación. Si la frecuencia forzada es más baja que la frecuencia natural, entonces el sistema se comporta como un resorte y el desplazamiento está proporcional a la fuerza. El resorte de la combinación resorte-masa hace el sistema resonante y está dominante al determinar la respuesta del sistema. (10) La figura 9 muestra una curva de respuesta idealizada de resonancia mecánica.

FIGURA Nº 9: Resonancia Mecánica Fuente: Glen White (10) En la resonancia misma, el sistema se comporta totalmente diferente en presencia de una fuerza aplicada. Los elementos resorte y masa se cancelan el uno al otro, y

la fuerza

solamente ve la amortiguación o la fricción en el sistema. Si el sistema está ligeramente amortiguado es como si se empuja al aire. Cuando se le empuja, se aleja de su propia voluntad. En consecuencia, no se puede aplicar mucha fuerza al sistema en la frecuencia de resonancia, y si uno sigue intentándolo, la amplitud de la vibración se va a incrementar hasta valores muy altos. Es la amortiguación que controla el movimiento de un sistema resonante a su frecuencia natural.

18

3.3.5

Transformada de Fourier

Las vibraciones que tiene cualquier maquina están en el dominio del tiempo, las cuales son señales directas de la máquina,

estas señales nos dan

información acerca del

comportamiento de cada componente de la máquina. Pero a la hora de realizar un diagnóstico existe un problema, estas señales son señales compuestas que están cargadas de mucha información en forma muy compleja, la cual comprende las señales características de cada componente de la máquina, por lo cual prácticamente queda imposible distinguir a simple vista sus comportamientos característicos (8). Existen otras formas para realizar un estudio de vibraciones, entre las cuales se encuentra mirar esta señal en el dominio de la frecuencia. Esta es la gráfica de amplitud vs frecuencia y es conocida con el nombre de espectro. Esta es la mejor herramienta que se tiene actualmente para el análisis de maquinaria. ―Fue precisamente el matemático francés Jean Baptiste Fourier (1768 – 1830) quien 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‖ (8). Lo que hace un analizador de espectros que trabaja con la transformada rápida de Fourier es capturar una señal desde una máquina, luego calcula todas las series de señales sinusoidales que contiene la señal compleja y por último las muestra en forma individual en el eje X de la frecuencia. En la figura

10 puede notarse claramente la señal compleja,

capturada desde una máquina. A dicha señal se le calculan todas las series de señales sinusoidales en el dominio del tiempo y por último se muestra cada una en el dominio de la frecuencia (8).

19

FIGURA Nº 10: Señales en el dominio tiempo y frecuencia FUENTE: A-Maq (8)

FIGURA Nº 11: Señales en el dominio tiempo y frecuencia FUENTE: A.Maq (8). En el conjunto de categorías clasificadas se presentarán los espectros característicos de las fallas más comunes. Estos espectros han sido el fruto de muchos estudios y se convierten en ―recetas de cocina‖ que ayudan a descubrir los problemas que pueden suceder en una máquina, aunque en muchos casos es necesario realizar un análisis físico de la máquina.

20

3.3.6

Fallas Comunes Para Equipos Rotatorios

3.3.6.1 Desbalanceo ―Una de las fallas más comunes de vibración en maquinaria y, cuando se produce se caracteriza por altos valores a la frecuencia de rotación del equipo‖ (7). El desbalanceo es casi inalcanzable de suprimirlo por completo, en la mayoría de los casos tendremos un desbalance de nuestros rotores, el punto es que debemos mantenerlo dentro de márgenes aceptables para el buen funcionamiento del equipo y la seguridad de la planta. Esta se produce al girar un rotor que genera una fuerza centrífuga radial hacia fuera, lo que genera que el eje del rotor se flecte o arquee y la fuerza sea transmitida a los descansos de la máquina. La fuerza resultante tiene una forma armónica, por lo que su forma de onda sería senoidal (obviando los efectos del ruido y otros factores) y la frecuencia de excitación será la velocidad de giro del rotor o, mejor dicho, la 1X del equipo (7). En el espectro vibratorio lo que se debe esperar tiene las siguientes características: •El espectro vibratorio, tal como lo representa la Figura Nº 12 normalmente representa una componente radial dominante a la 1X, pero se

debe tener cuidado, ya que no

necesariamente esta condición representa por si sola un desbalanceo. •Cuando la condición predominante es el desbalanceo, éste debe ser al menos el 80% del valor global medido. Esta condición es general, ya que muchas veces se presentan condiciones especiales como, grandes vibraciones provenientes de otra fuente, donde esta regla no podría ser aplicable. •El origen de la vibración del desbalanceo es fácil de entender, ya que el punto pesado pasa frente al transductor una vez por cada revolución. Se hacen modelos de los sistemas a monitorear, por lo que existen no linealidades que se traducen en pequeños armónicos de la 1X. Sin embargo, en el caso de tener un desbalanceo grave, estos armónicos pueden crecer de forma importante y confundirse con otras fallas asociadas a vibraciones (6).

21

FIGURA Nº 12: Desbalanceo importante en el rotor FUENTE: A.Maq (8). Las fuerzas generadas por el desbalanceo son radiales, es lógico pensar que la vibración radial (tanto vertical como horizontal) será predominante frente a la vibración axial. La rigidez de un cuerpo no es igual en todas las direcciones se tendrá en lo general que la rigidez vertical será mayor que la horizontal, por lo que al alcanzarse diferencias sustanciales (del orden de 6 veces más rígidas) se podría dar origen incluso a problemas de resonancias. En el caso de tenerse altas vibraciones axiales, puede deberse a rotores en voladizo (como es el caso de gran parte de los ventiladores) pero también puede ser producto de una desalineación y no de un desbalance. La forma de onda de este tipo de vibración es de forma sinusoidal y de amplitud constante. Sin embargo, si la vibración es captada con acelerómetros es posible que muestre componentes de alta frecuenta significativos. Generalmente los problemas no se presentan de forma independiente, pero cuando el desbalanceo predomina, se tendrá una diferencia de fase entre las componentes horizontal y vertical del mismo descanso de 90°±20°. Otro buen indicador, utilizando la herramienta de la diferencia de fase, es la de comparar las vibraciones horizontales de los descansos del rotor deben ser iguales a la diferencia de fase entre sus vibraciones verticales. Para el caso de rotores en voladizo, la diferencia entre las componentes radiales de los descansos debe ser 0°±20° 3.3.6.2 Desalineación Es una condición en la cual los ejes de la máquina conductora y conducida no están en la misma línea de centros. Existen dos tipos de desalineación: • Paralelo.

22

• Angular. En la generalidad, suele encontrarse una combinación de ambos tipos de desalineación. Este se produce principalmente por las siguientes razones: • Problemas de montaje. • Problemas de operación. Puede ser que hayan sido bien montados, pero por movimiento de fundaciones, desplazamiento de cañerías, deformaciones por cargas de trabajo, entre otros provoquen alguna de las configuraciones de la Figura Nº 13 o una combinación de ambas.

FIGURA Nº 13: Distintos tipos desalineación Fuente: Daza (7) El efecto sobre el equipo que provoca la desalineación, radica en la flexión del eje, lo que se traduce en un aumento en los descansos del equipo (maquina conductora y conducida). Un aumento en la carga tiene un gran impacto sobre la vida útil de un rodamiento, lo que puede disminuir dramáticamente la vida útil de éstos. Como es de esperarse, al igual que en el caso del desbalance del rotor, la desalineación no puede reducirse a cero, sino que se establecen límites permisibles dados por estándares o recomendaciones del fabricante. Por esto muchas veces se utilizan acoplamientos flexibles para poder absorber en alguna medida esta desalineación (7).

El espectro vibratorio normalmente muestra armónicos de la 1X, generalmente hasta el 3X, pero un desalineamiento severo puede llegar a tener hasta armónicos de 8X, que puede confundirse con solturas mecánicas En el caso de tener desalineamiento paralelo, se generarán altas vibraciones radiales, en el caso de un desalineamiento angular, se generarán altas vibraciones axiales. Por lo general, se tendrá una combinación de ambos, por lo que la característica del desalineamiento es 23

una alta vibración axial, que no es común en otros tipos de falla como muestra la Figura Nº 14. A diferencia del desbalanceo, que presente altas vibraciones radiales, tanto en el plano horizontal como vertical, en el caso del desalineamiento, por lo general, no tienen un comportamiento similar entre vibración horizontal y vertical.

FIGURA Nº 14: Comparación del espectro de un rotor antes y después de alinear Fuente: A.Maq (8). En el caso del desalineamiento, la vibración es principalmente periódica, teniendo como característica que el número de picos que tenga en cada revolución, corresponderá al número de armónicos que presente en el espectro. Las fuerzas que actúan en cada máquina producto del desalineamiento tienen sentido opuesto, por lo que es lógico esperar que la diferencia de fase entre las vibraciones axiales de 180° indique un desalineamiento angular y una diferencia de fase de 180° entre la vibración de los mismos descansos indique un desalineamiento paralelo. No debemos perder de vista que los cambios de temperatura tendrán un impacto sobre el alineamiento de nuestros equipos ya que todos los materiales se dilatan al aumentar la temperatura, por lo que el alineamiento debería de realizarse a la temperatura de trabajo. 3.3.6.3 Soltura mecánica Existen múltiples casos de solturas mecánicas, originados por: • Excesivo juego radial de los descansos, ya sea para descansos por rodamientos como por descansos hidrodinámicos. • Rotor suelto en el eje o con un ajuste por interferencia insuficiente. • Apriete insuficiente en la camisa del descanso. 24

• Pernos de sujeción de la máquina a la base sueltos. Una de las principales características de las solturas mecánicas en el espectro vibratorio es una gran presencia de armónicos, si la soltura es más severa, mayor será la cantidad de armónicos. En máquinas conducidas por correas o cuando se aumenta el juego radia en descansos hidrodinámicos (o planos) se puede presentar la situación de que los armónicos se ven amortiguados. En algunos casos, se tendrán subarmónicos a fracciones enteras de la velocidad de giro (1/2, 1/3.) y sus múltiplos, tal como lo muestra la Figura Nº 15, esto ocurre en el caso de rodamientos sueltos en el alojamiento o con mucho juego radial, producto del desgaste en la pista de rodadura (7).

FIGURA Nº 15: Espectro de un equipo con soltura, notar la presencia de subarmónicos de la velocidad de giro. Fuente: A.Maq (8). Las vibraciones son por lo general radiales, esto lo diferencia del desalineamiento severo con el que podría confundirse al tener espectros similares. Un descanso suelto, por lo general tendrá una vibración mayor en la dirección vertical que horizontal. La forma de onda es variable ya que la amplitud relativa entre los armónicos cambia en el tiempo. Esto hace que la amplitud global de la vibración sea variable. Es posible que la información anterior nos permita determinar la presencia de una soltura mecánica, pero no nos aseguran hallar el lugar donde se ha producido la soltura, para responder a esta pregunta, se debe medir tanto la amplitud como la fase en diversos puntos de la máquina, ya que en la vecindad de la soltura, se verán medidas erráticas, que cambian bruscamente de valor y dirección (7). 25

3.3.6.4 Rozamiento Este se produce entre el rotor y el estator, existiendo dos tipos de rozamiento, a saber: • Roce total: Ocurre durante toda la revolución, puede hacer girar el eje en contra rotación • Roce parcial: Ocurre cuando el rotor toca ocasionalmente el estator. El roce parcial produce un espectro que se compone de múltiples armónicos de la velocidad de giro, por lo que puede confundirse con una soltura mecánica o con un desalineamiento severo. También puede generar subarmónicos enteros de la velocidad de giro, al igual que en algunos casos de soltura severa. Solo que estos subarmónicos enteros pueden ser menores que en caso de soltura llegando hasta x/5 de la velocidad de giro, como muestra la figura Nº 16.

FIGURA Nº 16: Espectro esperado para un rozamiento Fuente: (11)

La forma de la vibración es aplanada, indicará un rozamiento, ya que el rotor se ve imposibilitado de dar un giro completo sin contactar al estator. La fase de la vibración muestra cambios constantes. Ahora bien, cuan importantes son los cambios de fase, dependerá de si el rotor roza parcialmente o si roza a través de toda la revolución (7). 3.3.6.5 Vibraciones en correas Los problemas que se pueden generar en correas ocurren por dos causas, a saber: Problemas de desgaste, solturas o imperfecciones de la correa: • Correa agrietada. 26

• Zonas duras (o blandas) de la correa, imperfección del material. • Desprendimientos en la correa. Polea excéntrica: • Esta se produce cuando la polea gira en torno a un punto que no coincide con el centro geométrico. Debemos diferenciar con un problema de redondez de la correa. Tal como lo muestra la figura Nº17, cuando se trata de poleas con imperfecciones tendremos armónicos de la velocidad de giro de la polea (7).

FIGURA Nº 17: Vibracion en correa inperfecta Fuente: A.Maq (8). La fase entre las vibraciones horizontales y verticales medidas en el descanso será de 0° o 180°. 3.3.6.6 Fallas en rodamientos La forma más simple para estimar la vida útil de un rodamiento está dada por la ecuación 4, como sigue:

( )

(4)

Donde, L10h: Vida nominal del rodamiento en horas de servicio. n: Velocidad de giro en rpm C: Capacidad de carga dinámica (en N) P: Carga dinámica equivalente (en N) p: Exponente 27

Donde p puede tomar los siguientes valores: • Rodamiento de bolas: 3 • Rodamiento de rodillos: 10/3 La vida L10h corresponde al número de horas que se espera que más del 90% de los rodamientos opere antes de manifestar problemas de fatiga, por lo que esta cantidad puede variar al ser esta vida útil un estimado estadístico. No deja de ser interesante analizar que para el esperada

rodamiento de bolas, si la carga dinámica se aumenta al doble, la vida

disminuye 8 veces. Por lo que muchas de las fallas que se presentan en la

máquina, se transmiten a los rodamientos y pueden limitar de forma importante la vida útil de éstos aunque queden bien montados y hayan sido seleccionados de forma correcta. Existen 4 tipos de daños generados por vibraciones en rodamientos, a saber: • Vibraciones de alta frecuencia: Vibraciones sobre 5000 Hz que son medidas por una gran variedad de técnicas e instrumentos, cada día surgen nuevas ofertas en el mercado para abarcar este tipo de fallas, algunas de las que se usan habitualmente son: 

HDF: High frequency detection.



Ultrasonido.

• Vibraciones a las frecuencias naturales de los componentes del rodamiento: El rango de las frecuencias naturales de los rodamientos se encuentra generalmente entre las 30.000 y las 120.000 rpm. Ahora bien, si el rodamiento se encuentra dañado, estas frecuencias se excitarán de manera importante. La frecuencia natural es propiedad del sistema, en este caso de los rodamientos. Sin embargo, la amplitud de la respuesta será proporcional a la velocidad de impacto, lo que significa que a mayor velocidad de la máquina, será mayor la amplitud de la frecuencia. Frecuencias características de los defectos: Existen fallas características de los rodamientos a frecuencias características de los mismos que se originan cuando los elementos rodantes presentan fallas, estas son: 

BPFO: Ball Pass Frecuency of the Outer race, vale decir, frecuencia de paso de los elementos rodantes en la pista externa



BPFI: Ball Pass Frecuency of the Inner race, vale decir, es la frecuencia de paso de los elementos rodantes en la pista interna



BSF: Fundamental Train Frecuency, o sea, corresponde a la frecuencia de rotación del portaelementos, jaula o canastillo que contiene a los elementos rodantes 28



FTF: Ball Spin Frecuency, que corresponde a la frecuencia de paso de los elementos rodantes, que pueden ser bolas, rodillos o conos

(

)

(5)

(

)

(6)

[

(

(

)

]

)

(7)

(8)

En los rodamientos de una máquina pueden aparecer problemas en las pistas, en los elementos rodantes y en la jaula, pudiendo presentarse también como debe imaginar el lector, cualquier combinación de estos. Dichos defectos, generan un solo tipo de señal, atendiendo al tipo de rodamiento que se esté estudiando, de acuerdo con su diseño, las cargas actuantes y las holguras en éste. Es necesario señalar también que las frecuencias que se generan en cojinetes de rodamientos defectuosos pueden sumarse o restarse de forma tal que en los espectros no aparezcan las frecuencias típicas BPFO, BPFI, BSF o FTF, todo lo cual complica sobre manera el análisis de los espectros (7). En aquellos casos en que se desconoce los parámetros físicos del rodamiento, hay unas formulas experimentales bastantes aproximadas que nos permitirán determinar las frecuencias de deterioro de las pistas y de la jaula de un rodamiento en función del número de rodantes y la velocidad de giro. (9) (10) (11) Existe una variación por la influencia del ángulo de contacto en las frecuencias de deterioro de un rodamiento (6).

29

El comienzo del problema en cualquiera de las dos pistas genera vibraciones a las frecuencias BPFO o BPFI. Estas frecuencias también pueden ser observadas en los espectros de las vibraciones de rodamientos bajos de carga. Después que el defecto ha comenzado a desarrollarse entonces los espectros comienzan a exhibir bandas espectrales que indican modulación a la frecuencia de rotación. Para poder considerar significativos los cambios en los niveles de vibraciones del rodamiento, es necesario tener en cuenta en primera instancia, el tipo de máquina y la causa de la vibración, por ello los rodamientos deben ser chequeados periódicamente tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia, con el objetivo de detectar y estudiar la evolución de los problemas en estos.

3.3.6.7 Fallas en engranajes Las cajas de engranajes son elementos de transmisión de potencia, actuando entre dos máquinas, combinando dentro de su espectro, las posibles fallas de ambas máquinas, además de las que se producen al interior del reductor (12). • Para engranajes rectos, la mejor señal se obtendrá en la posición radial. • Para engranajes helicoidales y otros que tengan ángulo de contacto, la señal idónea será la axial. • El tipo de falla también afecta de forma importante la ubicación de la medición. Un engranaje suelto, con una chaveta gastada puede causar una alta vibración radial. • El transductor debe ser ubicado lo más cercano posible al engrane. • La transmisibilidad de la vibración a través de un perno no atenúa la señal, por lo que se recomienda medir sobre la cabeza de los pernos, si no es posible medir en los descansos. La vibración de cajas de engrane es bastante compleja, sobre todo cuando existen varios pares de engranes al interior de la caja o con engranajes planetarios, ya que tendremos muchas componentes en su espectro, además de las máquinas que se encuentran conectadas a él. Al igual que en el caso de las bombas y ventiladores, existe una frecuencia que dependerá de la naturaleza de los engranes, conocida como ―Frecuencia de engrane‖ que corresponde a la velocidad de rotación multiplicada por el número de dientes del engrane (10).

30

Existen dos tipos de modulaciones, con distintos significados, a saber: Modulación en amplitud: La amplitud de la vibración de los engranajes es sensible a las cargas aplicadas en sus dientes. Por lo que se espera que la modulación de las cargas tenga un efecto similar al de la amplitud. La modulación se ve en la forma de ondas tal como se aprecia en la Figura Nº 18.

FIGURA Nº 18: Espectro de una caja de engranajes con modulación y bandas laterales en la frecuencia de engrane. Fuente: A. Maq (8) Modulación en frecuencias: Esta se produce cuando la velocidad de rotación no es constante o los dientes no tienen el juego adecuado, esto producirá una modulación en frecuencias de la componente de engrane. La modulación en frecuencias hará aparecer gran cantidad de bandas laterales a separadas a la frecuencia moduladora. Si se presentan defectos en el piñón, éstos generarán bandas laterales con una distancia entre ellas igual a las RPM del piñón.

3.3.6.8 Fallas en Motores Los motores de inducción producen una gran variedad de frecuencias que son inherentes a su diseño y aplicación, la magnitud de vibración a una frecuencia dada depende del campo magnético generado en el motor y de la respuesta dinámica de cada componente de la máquina. Existen ciertos parámetros y frecuencias que deben ser identificados: -

Excentricidad Estática. La frecuencia más característica es dos veces el valor de la frecuencia de línea (FL). (12)

31

-

Excentricidad Dinámica. Las Frecuencias más características son bandas laterales alrededor de la frecuencia fundamental. (13) Dónde: [

-

]

(14)

Frecuencia de Paso de los Polos El número de polos del estator multiplicado por la frecuencia fundamental de rotación del motor. (15)

3.4

Clasificación de condición de máquinas

Todas las normas de evaluación de la severidad vibratoria de máquinas rotatorias estudiadas en el presente informe definen cuatro zonas de evaluación. Éstas se establecen con el fin de permitir una evaluación cualitativa de la vibración de una máquina dada y, además, entregan guías sobre las posibles acciones a tomar: Zona A: (Buena) La vibración de las máquinas nuevas puestas en servicio normalmente está dentro de esta zona, condición óptima. Zona B: (Satisfactoria) Máquinas con vibración en esta zona se consideran aceptables para operación a largo plazo sin restricción. Zona C: (Insatisfactoria) Máquinas dentro de esta zona se consideran insatisfactorias para operación continua a largo plazo. Generalmente la máquina puede continuar operando hasta que llegue a la detención programada para reparación. Zona D: (Inaceptable) Los valores de vibración dentro de esta zona son consideradas de suficiente severidad para causar daño a la máquina. 3.4.1

Condiciones de operación de la máquina

Las mediciones de vibración deben hacerse sobre el rango de operación de la máquina (velocidades nominales, temperaturas de operación, entre otras). Para máquinas de velocidad o carga variable, las mediciones deben realizarse bajo todas las condiciones a las cuales se espera que la máquina trabaje por períodos prolongados de tiempo. Para fines de 32

análisis de severidad de vibración, se considerarán los valores máximos medidos como representativos de entre todas las velocidades posibles de operación. Luego, estos estándares no son aplicables a condiciones transientes, tales como partida y parada. Si se tiene que, con la máquina detenida, la vibración alcanzada es mayor al 25% de la vibración de la máquina medida en funcionamiento, se deberán efectuar acciones correctivas para reducir la vibración de fondo. Factores ambientales que pueden alteran la medición: • Variaciones de temperatura. • Campos magnéticos. • Campos sonoros. • Variaciones de la fuente de poder que lo alimenta. • Longitud del cable del transductor. • Orientación del sensor. 3.4.2

Criterios de evaluación

En todas las normas analizadas existen dos criterios de evaluación, a saber: • Criterio de evaluación I: Magnitud alcanzada por la vibración. Orientada para cuando no se dispone de los antecedentes de la máquina en particular. • Criterio de evaluación II: Cambio en la magnitud de la vibración. Recomendada para máquinas con historial de comportamiento vibratorio conocido. La forma de aplicación de estos criterios varía según la norma y son función de distintos parámetros. A pesar que las normas de evaluación de severidad están orientadas tanto para monitoreo, como para aceptación de máquinas, no establecen valores vibratorios para su aceptación. En su lugar propone usar los valores entregados en estos estándares como guía para establecer acuerdos entre proveedores y clientes. 3.4.3

Evaluación de máquinas por medición en partes no rotatorias (ISO10816-3)

Lo primero que debemos especificar es lo que se entiende por ―partes no rotatorias‖, esto no es más que la medición de la vibración en algún punto que logre entregar una medición representativa de la vibración del equipo en alguna parte no rotatoria del equipo, en la gran mayoría de los casos se realizará la medición en los descansos del equipo, pero cuando esto 33

no es posible, deberá realizarse en la carcasa o en algún punto que sea accesible o lo suficientemente seguro para el técnico que realizará la medición. Clasificación de máquinas de acuerdo a ISO 10816-3 muestra la figura Nº 19.

FIGURA Nº 19: Clasificación de máquinas según ISO 10816-3

La norma 10816-1 de la ISO también define cuatro clases de máquinas (I, II, III, y IV) de acuerdo a su tamaño, fundamento y propósito: 

Clase I: Partes individuales de motores y maquinas conectadas integralmente a la maquina en sus condiciones normales de operación (los motores eléctricos de hasta 15 [kW] son ejemplos típicos de máquinas en esta categoría).



Clase II: Maquinas de tamaño medio (típicamente, motores eléctricos con salida entre 15 [kW] y 75 [kW]) sin fundamentos especiales, maquinas o motores montados rígidamente (de hasta 300 [kW]) sobre fundamentos especiales.



Clase III: Grandes motores primarios y otras máquinas con masas rotatorias montadas sobre fundamentos rígidos y pesados, que son relativamente rígidos en la dirección en la que se miden las vibraciones.



Clase IV: Grandes motores primarios y otras grandes maquinas con masas rotatorias montadas sobre fundamentos relativamente blandos en la dirección en la que se miden las

34

vibraciones (por ejemplo, grupos de turbogeneradores y turbinas de gas con salidas mayores a 10 [MW]). Clasificación por flexibilidad del sistema soporte: Soporte rígido si la primera frecuencia natural del sistema máquina/soporte, en la dirección de la medición es más alta que su principal frecuencia de excitación (generalmente, la frecuencia de rotación) por lo menos en 25%, entonces el soporte se puede considerar rígido en esa dirección. Soporte flexible serán flexibles, todos los sistemas que no estén dentro de la definición anterior. Según la definición de soporte rígido, es posible que un sistema sea rígido en una dirección y flexible en otra.

3.4.4

Evaluación de la magnitud de la vibración Valores límites entre las zonas de evaluación

Este criterio es el que debe de utilizarse cuando no se dispone de información del comportamiento vibratorio histórico de los equipos a evaluar, por ejemplo, instalaciones nuevas o que estén incorporando esta técnica de análisis a sus plantas. Una vez que se han establecido los valores típicos de vibración, se recomienda utilizar el criterio II de la presente norma.

35

Tabla 1: Rangos de severidad vibratoria para diferentes clases de máquinas.

Velocidad

Vibración

hasta 15 kW

de

15KW

a

75kW

>75 kW Rigido

>75 kW Suave

Clases III

Clases IV

R.M.S. Clases I

Clases II

0,28 0,45

BUENO BUENO BUENO

0,71 1,12

BUENO SATISFACTORIO

1,8 2,8

SATISFACTORIO ALERTA

4,5

SATISFACTORIO ALERTA

7,1

SATISFACTORIO ALERTA

11,2 18

ALERTA PARADA

28

PARADA PARADA PARADA

45

3.4.5

Evaluación del cambio en la magnitud de la vibración

Este criterio es el ideal para cuando se dispone de información de los equipos de planta, de la forma de vibrar característica y de los valores que alcanzan normalmente por lo que se adapta la norma a la realidad específica de la planta a analizar. Se establece como criterio de alarma cuando el cambio en el nivel de la vibración es, al menos el 25 % del límite de la zona B/C, independiente que estos cambios sean crecientes o decrecientes. El 25% del valor es proporcionado como recomendación para un cambio significativo en la magnitud de vibración. Sin embargo, pueden usarse otros valores, basándose en la experiencia para una máquina específica. 36

IV. 4.1

METODOLOGÍA 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 diagnóstico. En una primera etapa de la implantación del sistema predictivo, es muy conveniente tener bajo control predictivo solo un pequeño grupo de los equipos más representativos, e ir trabajando sobre ellos hasta consolidar las técnicas aplicadas. Con posterioridad, el programa se extenderá progresivamente al resto de equipos hasta incluir todos los del inventario. 4.2

Proceso Productivo de la empresa CIMCO Ltda.

El proceso productivo se divide en 3 Etapa descritas a continuación (ver Figura Nº 20):

FIGURA Nº 20: Proceso de Producción Fuente: Propia 37

a) Preparación de la materia prima 

Extracción de Materia Prima

La arcilla es extraída de un yacimiento que es comprada de un contratista externo. La extracción puede ser efectuada mediante una pala mecánica. El transporte de la arcilla es realizado generalmente por los servicios de 2 carros volquetas. 

Almacenamiento

La arcilla es almacenada, en dos áreas que se encuentran en los costados de la empresa esto para que tenga un óptimo aprovisionamiento en épocas alta de demanda mediante una pala mecánica la arcilla es trasladada a la tolva de dosificación. 

Desterronado

Una vez que la arcilla es cargada a la tolva un trabajador hace la primera selección y retira cualquier tipo de impureza que pueda tener la arcilla, después este es transportado mediante una cinta a un molino este homogeniza el tamaño de los terrones. 

Amasado o mezclado

Este proceso consiste en el amasado o mezclado de la arcilla con agua. Esta mezcla es con el fin de humedecer la arcilla se la realiza por medio de 2 tornillos sin fin gruesos, donde el agua es dosificada por medio de dos regaderas en forma de abanico. 

Laminado

Una vez que la arcilla se encuentra homogenizada es transportada hasta una laminadora de cilindros, donde se mezcla y se termina de homogenizar la arcilla humedecida volviéndola más compacta. 

Alimentación y dosificación

Después se deja reposar la arcilla humedecida en una tolva para que entren en contacto con los granos secos, con el fin de que exista un proceso de transferencia de masa (agua) por contacto y lograr niveles de humedecimiento mayores de la arcilla que facilitan el posterior proceso de laminado.

38

b) Elaboración de producto crudo 

Laminado Final

Este proceso consiste en laminar la materia prima en finísimas partes, convirtiendo la masa arcillosa en una materia físicamente homogenización completa y eliminando partículas gruesas. 

Amasado o mezclado

Este proceso es realizado la mezcla final compuesto por una cantidad grande de paletas, una muy cerca de otra que realizan un perfecto amasado de arcilla y a la vez le dan un movimiento helicoidal a la masa de arcilla que sale por la boca de la mezcladora en la mezcladora se dosifica agua nuevamente para mejorar la plasticidad de la mezcla. 

Extruido

La arcilla es introducida en una cámara de vacío que es parte de la extrusora, y este es compactado, la matriz es cambiada dependiendo del producto que se quiera fabricar, descargando una barra de arcilla humedad compactada 

Cortado de pasta

La barra compactada es transportada mediante rodillos, la cortadora es manipulada de forma manual realizando cinco cortes, operarios reciben cada ladrillo y luego estos son acomodados en los estantes, después cada estante es trasladado por un operario a las cámaras de secado. c) Proceso de secado 

Secado

Una vez los estantes son acomodados se procede a secar el material, esto a través del paso de flujo de aire caliente vaya a secar las piezas de arcilla húmeda. Las cámaras de secado están provistas por ventiladores que proveen de aire caliente (60- 70 ºC). La empresa cuenta con siete cámaras de secado cada una con 4 compartimentos, el calor requerido para este proceso es proporcionado por generadores de gas naturales. d) Proceso de Cocción 

Cargado del horno

Una vez que las piezas de arcilla han liberado casi la totalidad de su humedad, son trasladadas al horno para su cocción, donde los obreros acomodan las piezas por paquetes

39

o rumas, cada paquete o ruma contiene entre 1200- 1400 ladrillos estos paquetes están compuestos por cuatro filas de ladrillos



Cocido u horneado

El horno del tipo Hoffman está construido de ladrillos gambote, la forma de calentamiento del horno es a través de quemadores que se instalan en varios orificios localizados en la parte superior del techo, se introducen estos quemadores (que funcionan a gas natural como combustible y aire forzado suministrado por ventiladores) en cada paquete armado dentro del horno, se cuenta con tres equipos de suministro de combustible- aire. Los equipos quemadores están armados en coches quemadores que son movidos alternativamente desde

atrás

del

horno

hasta

la

parte

delantera

del

horno.

La

cocción

dura

aproximadamente ocho días y la temperatura tope a la que trabaja el horno en este periodo varía entre los 800 y 900 º C 

Descarga del horno

Después de tres días de haber iniciado la cocción de las piezas se descargan los primeros paquetes donde los quemadores iniciaron el proceso de cocción. El descargue ser realiza de forma manual, colocando los ladrillos en carritos para luego ser transportadas hasta la playa.



Almacenamiento

En el área denomina ―playa‖, las piezas cerámicas son clasificadas en primera y segunda (amarillos) para luego ser contadas y acomodadas en el almacén de producto terminado. 4.3

Selección adecuada de Parámetros

Una vez recopilada la información técnica disponible de cada máquina se procederá a la selección de puntos y parámetros predictivos de medida. Se seleccionara en cada punto las direcciones de medida más adecuadas, que dependerán de los tipos de problemas que se pretenderán detectar, por último se procederá

a definir unos límites de condición

aceptables. Si estos están muy bajos, habrán falsas alarmas, reduciendo la confianza de los resultados, mientras que, si los límites de alarma están establecidos muy altos, muchas averías pasaran desapercibidas.

40

4.4

Adquisición de datos.

Los datos obtenidos con un sensor, son la materia prima de nuestro estudio. Se debe garantizar que los datos sean se la máxima calidad. Para

la recolección de datos se

cuenta con el Detector III de marca FAG, como muestra la figura Nº 21, es un medidor manual con la función de registro de datos para la monitorización fuera de línea de equipos y máquinas (monitorización de estado / Condition Monitoring). Para ello, el aparato mide las señales de vibraciones en puntos de medición previamente especificados, por medio de un sensor y calcula los valores RMS de la velocidad vibratoria, la aceleración vibratoria y la curva envolvente, los denominados valores característicos que indican el estado de una máquina o de un componente de máquina.

FIGURA Nº 21: Detector III Fuente: Trendline (13)

Para la adquisición de datos previamente se tiene que crear rutas para identificar las máquinas y puntos de medición. La medición de vibración se realizara mediante la guía, lo que indica la norma ISO 10816. Los puntos serán tomados como, Vertical (V), Horizontal (H) y Axial (A), como se muestra en la figura Nº 22. Para garantizar la calidad de los datos se deben buscar los puntos sólidos y cercanos a los rodamientos, estos pueden ser en tapas de los motores o en las chumaceras de los rodamientos.

41

FIGURA Nº 22: Dirección de puntos de medición. Fuente: Trendline (13) Las propiedades del Detector III son: Detector ha sido diseñado para ser • Fácil de operar • Bajo costo • Portable Equipo para monitorear en ruta y diagnosticar su maquinaria. • Origen, detecta el origen del problema mediante análisis de ondas de tiempo y espectros • Balanceo- opcional, medición de balanceo y fase en dos planos • Mediciones de temperatura- Integra más parámetros de análisis • Planificación de rutas- aplicación en grandes plantas Ventajas. • Sistema colector de datos de fácil uso • Visualización de tendencia • Mediciones extendidas y opcionales de análisis • Análisis de rodamientos, apoyada por una base de datos de rodamientos • Opción de balanceo • Razonable en precio 42

• Diseño robusto • Liviano en peso. Limitaciones. • Tendencia: condiciones operaciones constantes (velocidad y carga) durante las mediciones de vibración • No es posible realizar mediciones transcientes durante partidas y detenciones en máquinas. (14)

4.5

Análisis e interpretación de datos

Después de la toma de datos, se debe filtrar la gran cantidad de información adquirida en el campo, de forma que nos permita reducir el número de puntos, poder realizar un análisis a profundidad, ya que sería inviable estudiar toda la información punto por punto. El software para poder realizar este estudio es el software Trendline. Los valores medidos y las señales registradas se transmiten a un ordenador en el que se evalúan, analizan y representan gráficamente mediante el software Trendline. Trendline es el programa de servidor para el Detector III. El propio Detector ha sido diseñado para registrar los valores de medición. Todas las tareas relacionadas con la administración y evaluación de datos las lleva a cabo el software Trendline. 4.6

Herramientas y Equipos para la intervención.

Para la ayuda de la intervención y confirmación de los datos obtenidos se cuentan con los siguientes equipos: Fixturlaser XA Pro ―Es una herramienta de Alineación de Ejes Horizontales y Verticales. Con la introducción de nueva tecnología tanto en hardware como software, esta herramienta de alineación dio un enorme salto tecnológico innovador en lo que se refiere a la facilidad de uso y a la vez, largo consumo de tiempo‖ (15). La corrección del alineamiento horizontal se hace desplazando el par de pies delantero y trasero de una de las máquinas, tanto vertical como horizontalmente, hasta dejar los ejes alineados dentro de las tolerancias indicadas. (ver figura 23)

43

FIGURA Nº 23: Fixturlaser XA Pro Fuente: MPC (15) TMEB 2 ―El alineador de poleas SKF BeltAlign, TMEB 2, alinea las poleas en las ranuras. Sus guías-V y sus potentes imanes permiten la instalación del alineador de poleas en las ranuras de la polea. Con sólo dos componentes, una unidad emisora de láser y una unidad receptora, el alineador se instala fácil y rápidamente‖ (16), como muestra la figura 24. La zona objetivo tridimensional de la unidad receptora permite una fácil detección de la desalineación, así como su naturaleza; tanto si es horizontal, vertical, paralela o una combinación de las tres. Utilizando esta información precisa, el operario puede realizar fácilmente los ajustes apropiados hasta que la línea láser coincida con la línea de referencia en la unidad receptora (16).

FIGURA Nº 24: TMEB 2 Alineador de Poleas Fuente: SKF (16) Bearing Frequency Calculations El software Bearing Frequency Calculations, es una herramienta que tiene por objetivo calcular las frecuencias en los rodamientos siendo de gran ayuda, ya que para el cálculo 44

manual muchas veces no se pueden encontrar las características de los rodamientos. La gran ventaja de este software, es la selección del fabricante, tipo de rodamiento y la velocidad de giro, como muestra la figura 25.

FIGURA Nº 25: Bearing Frequency Calculations Fuente: BRGDATA (17) 4.7

Evaluación del estado del equipo

Para la evaluación de la maquinaria se clasificara por el estado actual de la maquinaria donde se clasificara como muestra la Tabla Nº 2. Tabla 2: Clasificación de Estado A

Muy Buen Estado

Seguimiento de estado Periódico 4 meses

B

Operación Sin Restricción

Seguimiento de estado Periódico 3 meses

C

Operación Restringida

Tiempo de intervención 2 meses

D

Vibración Peligrosa

Tiempo de intervención < 1mes

La clasificación adoptada, es una evaluación conjunta entre los valores obtenidos en velocidad de vibración RMS para determinar el estado general de la máquina y la interpretación de estado de los rodamientos y niveles de vibración. Los tiempos de intervención se dan por la gravedad de la falla, los tiempos dados se dan por la evolución de las fallas y para evitar catástrofes mayores.

45

V.

ANÁLISIS Y RESULTADOS

Los equipos que están incluidos en este análisis son: Exaustor 4, Bomba de Vacío y Laminador 2. 5.1

Análisis Exaustor 4 Desbalance

Durante la realización del trabajo se fue realizando la recolección de datos técnicos del equipo Exaustor 4, esta información es fundamental a la hora de realizar el estudio de vibraciones, ya que para analizar un espectro de vibraciones de una máquina, es necesario saber las velocidades de giro, potencia, tipos de rodamientos, entre otros. 5.1.1

Análisis del Equipo Tabla 3: Datos Técnicos Exaustor 4

Equipo de accionamiento

Motor eléctrico

ID de activo del motor:

M-022

Fabricante:

WEG

Tensión Nominal:

220/380 V

Corriente Nominal:

38,5/22,3 A

Núm. POLOS:

4

Rodamiento Delantero:

6309 C3

DE Brg:

6209 Z C3

POTENCIA

15

Factor de Potencia:

0,84

Aletas:

Sí

Alimentación:

50 [Hz]

Nivel de Ruido

62dB

Nº correas

3

Correa tipo

B-76

NDE Brg::

2213K-H313

Diámetro

poleas 110

Conductora Accionamiento de Equipo

Exaustor

Fabricante:

Verdez

componente tiene un solo ID RPM:

2950

Armazón:

RPM de salida medidas:

[hp]

[mm]

CV:

160M 3011

Acoplamiento: Correa

Conducida 350

RPM:

950

FIGURA Nº 26: Diagrama Exaustor 4 5.1.2

Inspección Visual

La inspección visual es una técnica entre los Ensayos No Destructivos, y también la más usada por su versatilidad y su bajo costo. En el cual el ojo humano es la herramienta principal, el cual es complementado frecuentemente con instrumento de magnificación, iluminación y medición. En la inspección visual realizada al equipo Exaustor 4 (ver Figura Nº 27 ) que se encuentra en la sección de hornos, se pudo conocer la situación real del equipo. Los aspectos encontrados fueron:

FIGURA Nº 27: Exaustor 4 47

1.- La base del motor no es la adecuada, la base que soporta al motor debe estar debidamente seleccionada al tamaño adecuado del motor (ver figura Nº 28), el cimiento o fundación donde van los soportes del motor deben ser completamente rígidos, además el nivel debe estar totalmente horizontal (sin inclinación).

FIGURA Nº 28: Base Motor Exaustor 4 2.- Las poleas tanto en el motor como en el exaustor no tienen la misma cantidad de canales para las correas. 3.- Existe una desalineación en las poleas, lo cual afecta al rendimiento de la equipo además de acortar la vida útil de las poleas y correas. Además que existe un tesado incorrecto de las correas. (ver Figura Nº 29 )

48

FIGURA Nº 29: Desalineación de Correas 4.- Los canales de correa ya se encuentran gastados, con la inspección de las galgas se puede observar que existe desgaste de los canales de correas, ya que tienen luz en los laterales. (ver Figura Nº 30)

FIGURA Nº 30: Canal de Correas Gastados

49

5.- Existe manchas de grasa alrededor de la carcasa del Exaustor, esto se da por la excesiva cantidad de grasa que se emplea en los rodamientos.

5.1.3

MONITOREO DE CONDICCION

Se realizaron un análisis de vibraciones al equipo completo, para ver el estado, tanto del motor como de la turbina, en los puntos especificos mostrados en la figura Nº 26. El equipo que se utilizó para la obtención de datos fue el Detector III, como se muestra en la figura Nº 31.

FIGURA Nº 31: Toma de Datos Motor Eléctrico Según los datos de la tabla se pudo calcular las vibraciones en el motor eléctrico, Calculo de vibraciones en el motor eléctrico según las formulas de la sección 2.6.6.8. Excentricidad Estática La frecuencia más característica es dos veces el valor de la frecuencia de línea.

50

Excentricidad Dinámica Las frecuencias más características son bandas laterales alrededor de la frecuencia fundamental.

Entonces: [

[

]

]

Frecuencia de Paso de los Polos El número de polos del estator multiplicado por la frecuencia fundamental de rotación del motor.

Teniendo los resultados de las frecuencias se compara con el espectro obtenido.

51

FIGURA Nº 32: Espectro Motor 1V Se puede observar que no existe problemas respecto a vibraciones a causas eléctricas como muestra en la Figura Nº 32, se detectó que existe un desbalanceo en el rotor. Turbina Claramente el espectro entregado en la mayoría de los puntos medidos es de 1xRPM, lo que indica que existe problemas de desbalanceo, la amplitud fue de 19.417 mm/s (ver Figura Nº 33), lo cual es alto para el funcionamiento de este equipo, según la norma ISO 10816-1(Anexo I), además se realiza mediciones del consumo eléctrico que es de 35 A. y está en una zona Vibración Peligrosa según la Tabla 2.

52

FIGURA Nº 33: Espectro Turbina 4H

5.1.4

Intervención

Se procedió a eliminar el problema encontrado, que es el desbalance del rotor del ventilador. En este paso se procede a eliminar el problema encontrado, que es el desbalance del rotor del ventilador. Para esto se ingresa los datos solicitados por el software Trendline 6.0. en la sección de equilibrado (ver Figura Nº 34, 35).

53

FIGURA Nº 34: Trendline Equilibrado

FIGURA Nº 35: Trendline Equilibrado en Angulo

54

Se realizaron las pruebas correspondientes con diferentes masa para su balanceo entonces se incorporó una masa de 393.58 gr total en uno de los alabes de ángulo 98 grados. Se puede observar en la Figura Nº 36 que se disminuyó la amplitud considerablemente en un procentaje de 96,17%.

FIGURA Nº 36: Espectro Turbina 4H El resumen del balanceo se muestra a continuación, el informe completo se puede observar en el Anexo II.

Amplitud inicial

19,417mm/s

Amplitud final

0,499mm/s

Reducción (%)

97,43%

55

Peso resultante

393,58 gr

Ángulo resultante

98

5.1.5

Comparación

La Comparación de las amplitudes nos muestra que se pudo reducir el desbalanceo dejando una amplitud de 0,499 mm/s, lo cual representa una reducción en porcentaje de 97,43%, la diferencia de amplitudes se muestra en la figura Nº 37.

FIGURA Nº 37: Comparación de Amplitudes 5.1.6

Costo Beneficio

En la energía eléctrica medida inicialmente fue de 35 A y después de la intervención del balanceo de la turbina, cambio de correas, alienado de poleas, tesado de las correas, fue de 31A.

56

Se realizó el cálculo de la energía presentada en el siguiente ejercicio. Potencia del equipo

P= 15 hp

Tensión Nominal

V=220V

Corriente Inicial

I1=35 A

Corriente Final

I2= 31 A

Ciclo de trabajo

t= 24 hr/día durante 365 días al año

Realizando los cálculos de potencia

(16)

√

Inicial

Final

√

√

Energía eléctrica (17)

Inicial

Final

hr Porcentaje de Diferencia entre Energía (18)

57

Costo de la Energía El precio de la energía para la industria según contrato (18):

Costo de Energía del equipo por año: (19)

Inicial

Final

La diferencia de Costo de energía antes y después del mantenimiento es de: (20)

La realización del mantenimiento adecuado nos podrá ahorrar un monto de 1335,17 dólares al año, solo en consumo eléctrico para el Exaustor 4. La empresa cuenta con 5 máquinas similares, entonces el monto final del ahorro seria de 6675,85 dólares al año.

58

El tiempo de intervención de la maquina fue de 4 horas, con 3 personas involucradas para la intervención, el sueldo de estos obreros en promedio es de 13 Bs/hr entonces: (21)

La producción de esta máquina es de 1435 ladrillos por hora entonces: (22)

El costo total de la reparación y la perdida en la producción es de 929,59 dólares, siendo un gasto que se puede reducir con el mantenimiento adecuado en la maquinaria.

59

5.2

Análisis Bomba de Vacío Desalineación

5.2.1

Análisis del Equipo

Durante la realización del trabajo se fue realizando la recolección de datos técnicos del equipo Bomba de Vacío, esta información es fundamental a la hora de realizar el estudio de vibraciones, ya que para analizar un espectro de vibraciones de una máquina, es necesario saber las velocidades de giro, potencia, tipos de rodamientos, entre otros. Tabla 4: Datos Técnicos Bomba de Vacío Equipo de accionamiento

Motor eléctrico

ID de activo del motor:

M-005

Fabricante:

WEG

Tensión Nominal

220/380 V

Corriente Nominal:

11,2/6,50 A

Núm.

4

Rodamiento Delantero:

6206 ZZ

POLOS: Rod Trasero:

6205 ZZ

POTENCIA

4

Factor de potencia (100%)

0,84

Aletas:

Nivel de Ruido:

62 dB

Nº

Accionamiento de Equipo

Bomba de Vacio

ID

de

activo

*— Utilizar ID de activo del motor si el RPM:

[hp]

Verdes

Presion de Vacio

1.5 bar

160M

RPM de salida medidas:

1480

CV:

Acoplamient Flexible Sí

o: Alimentació

50 [Hz]

n: Correa tipo

correas

del Bomba de Vacio

accionamiento: Fabricante:

componente tiene un solo ID 1485 Armazón:

75 kW (rigid) Class III

A

> 75 kW (soft) Class IV

A

B B C

B C C

D

D

D

As shown in Table 1, different classes and types of machinery are addressed in subsequent parts of ISO 7919 and 10816, including evaluation criteria. As a “short-term expedient only” limited evaluation criteria are provided in an informative annex of Part 1of each standard (Table 3).

2.3

ISO Standards For Vibration Measurements

ISO 13373-1:2001 Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration condition monitoring — Part1: General procedures provides general guidelines for the measurement of machinery vibration for condition monitoring. Recommendations are provided for the following; • • • • • • • •

measurement methods and parameters transducer selection, location, and attachment data collection machine operating conditions vibration monitoring systems signal conditioning systems interfaces with data processing systems continuous and periodic monitoring

Due to the wide variety of approaches to condition monitoring, specific topics will be addressed in more detail in additional parts of 13373. At the time of writing this article, Part 2: Processing, analysis and diagnostics is at the committee draft stage. ISO 17359:2003 Condition monitoring and diagnostics of machines — General guidelines sets out guidelines for the general procedures to be considered when setting up a condition monitoring program. 2.4

ISO Standards For Training and Certification

ISO standards for personnel training and certification are a relatively new and significant initiative for ISO/TC108. In August, 2003, ISO 18436-2:2003 Condition monitoring and diagnostics of machines — Requirements for training and certification of personnel — Part 2: Vibration condition monitoring and diagnostics received an affirmative vote at the FDIS stage, and was affirmed as an international standard. 18436-2 describes a 4-category scheme for certification of vibration analysis personnel who perform condition monitoring and diagnostics. Certification candidates are required to meet prerequisite education, training, and experience, and successfully pass a qualification examination. Future parts of the 18436 series will include; 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Part 1: Part 3: Part 4: Part 5: Part 6: Part 7: Part 8:

Requirements for certifying bodies and the certification process Requirements for training bodies Lubrication management and analysis Thermography Diagnostics and prognostics Condition monitoring specialists Balancing

The normative Annex B from 18236-2 – Applicable International Standards, is included with this article as an appendix.

3. OTHER STANDARDS FOR VIBRATION MONITORING AND ANALYSIS 3.1

American Petroleum Institute (API) Standards

API produces a wide range of documents, including reference standards which are well suited for shop testing of new and rebuilt machinery. Note that these standards generally apply to equipment for use in the petrochemical industries. Table 4, below, shows a selection of API standards. Equipment Type

API Standard

Acceptance Test

Other Requirements

Pumps

610 (9

TH

edition March ’03)

Shaft Relative + Casing

Fans

673 (2

ND

edition November ’01)

Casing (0.1 ips pk)

Steam Turbines

612 (4

TH

edition June ’95)

Shaft Relative (mil pk-pk)

4 hour run in test required

Gears

613 (5

TH

edition March ’03)

Casing (0.15 ips pk)

Unbalance 4 W/N oz-in

617 (7

TH

edition July ’02)

Shaft Relative (mil pk-pk)

4 hour run in test required

Screw Compressors

619 (3

RD

edition June ’97)

Shaft Relative (mil pk-pk)

Unbalance 4 W/N oz-in

Induction Motors ( 250 hp)

541 (4

Th

edition March ’03)

Centrifugal Compressors

Vertical Pump (0.20 ips pk)

Unbalance 4 W/N oz-in

Table 4 • Sample API Standards for Accptance Testing

3.2

National Building Code (1995) and Steel Design Code CAN/CSA-S16.1

2 applicable, but often ignored reference standards, are the NBC and Steel Design Code. Each of these important standards make specific reference to the problem of structural resonance, and state that a dynamic analysis may be required. 3. CONCLUSION There is a growing impact of standards on global commerce and the potential for standards to either facilitate or impede international trade. As trade barriers have lowered (through trade agreements such as NAFTA and WTO) the focus has changed from the development of national standards to regional and international standards, which are subsequently adopted with or without adjustments for unique regional conditions. The development of standards, arrived at through international consensus, facilitate trade and ensure free and equitable access to international markets. BIBLIOGRAPHY [1]

Maedel, Jr, P. Vibration Standards and Test Codes, Shock and Vibration Handbook 5th edition (Cyril Harris, editor), McGraw Hill Publishing Co. (2001)

[2]

Jackson, C. Shop testing – Is it worth it ? Orbit - Bently Publishing Co., Minden, NV, (June 1998)

Appendix A • excerpt from 18436-2:2003(E)

Appendix A • excerpt from 18436-2:2003(E)

ANEXO 2

INFORME DE EQUILIBRADO

Página 1 de 5

Informe de equilibrado

Imprimir fecha: 04/12/2012 1:05:48

CERAMICA CIMCO Sección:

HORNO 1

Máquina:

VE_50_01

Equilibrado:

BALANCEO 1

RFID:

Estado del RFID:

Ningún RFID

Configuración de equilibrado: Equilibrado OK en:

0,00

Configuración de pico:

RMS

Peso de rotor:

400

[mm/s] [kgr]

Configuración de los planos de equilibrado: Nombre de nivel:

Radio [mm]

Continuo:

Posiciones discretas:

Ángulo discreto:

PLA37

500,00

No

24

0

Configuración de revoluciones: Número nominal de revoluciones:

950,00

[U/min]

Desviación máxima permitida: +/-

70,00

[U/min]

Núm. de promedios de una medición:

20

Posiciones del sensor: Nombre de posición del se Nombre del sensor: SEN49

Conector BNC:

Active 100 mV/g (CTC AC10 BNC1 (rojo)

Ángulo de posición del sensor: 90

Trigger: Sensor trigger seleccionado:

Optical (Banner Minibeam SM312LVQD)

Nombre de la posición trigger:

TRI45

Ángulo del sensor trigger:

90

Flanco:

Positivo

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Informe de equilibrado

Imprimir fecha: 04/12/2012 1:05:48

CERAMICA CIMCO Mediciones: Tarea de equilibrado 1

Primera medición: 03/12/2012 18:25:30

Marcha de referencia Comentario: Amplitud - Ángulo

Tiempo

14,05 mm/s / 54°

SEN49

Velocidad U/min 18:25:30

962,24

Marcha de prueba 1 Comentario: Amplitud - Ángulo

14,44 mm/s / 62°

SEN49

Velocidad U/min¿Pesos eliminados?

Tiempo 18:35:27

961,72

Peso usado 1 Nivel 1

63,00 gr / 0°

Sí

Peso usado 2 Plano 1

0,00 gr / 150°

Sí

Peso propuesto 1 Nivel 1

32,03 gr / 135°

Peso propuesto 2 Nivel 1

47,93 gr / 150°

Coeficientes SEN49 nivel 1

0,03 mm/s/gr / 137°

nivel 2

0

Marcha de verificación Comentario: Amplitud - Ángulo

7,34 mm/s / 58°

SEN49

Velocidad U/min

Tiempo

Peso usado 1 Nivel 1

227,35 gr / 90°

Peso usado 2 Plano 1

0,00 gr / 105°

Peso propuesto 1 Nivel 1

227,35 gr / 90°

Peso propuesto 2 Nivel 1

213,14 gr / 105°

18:51:35

960,50

Coeficientes SEN49 nivel 1

0,03 mm/s/gr / 137°

nivel 2

0

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Informe de equilibrado

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CERAMICA CIMCO Tarea de equilibrado 1

Primera medición: 03/12/2012 18:25:30

Marcha de verificación Comentario: Amplitud - Ángulo

Tiempo

1,90 mm/s / 229°

SEN49

Velocidad U/min 18:57:58

961,51

0,00 gr / 90°

Peso usado 1 Nivel 1

220,00 gr / 105°

Peso usado 2 Plano 1 Peso propuesto 1 Nivel 1

57,53 gr / 90°

Peso propuesto 2 Nivel 1

172,01 gr / 105°

Coeficientes SEN49 nivel 1

0,03 mm/s/gr / 137°

nivel 2

0

Marcha de verificación Comentario: Amplitud - Ángulo

0,54 mm/s / 34°

SEN49

Velocidad U/min

Tiempo

Peso usado 1 Nivel 1

50,41 gr / 270°

Peso usado 2 Plano 1

0,00 gr / 285°

Peso propuesto 1 Nivel 1

50,41 gr / 270°

Peso propuesto 2 Nivel 1

9,00 gr / 285°

19:03:46

959,37

Coeficientes SEN49 nivel 1

0,03 mm/s/gr / 137°

nivel 2

0

Desequilibrio residual Comentario: Amplitud - Ángulo SEN49 Peso propuesto 1 Nivel 1

Tiempo

0,00 mm/s / 0°

Velocidad U/min 19:03:47

0,00

16,72 gr / 77°

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Informe de equilibrado

CERAMICA CIMCO Tarea de equilibrado 1

Primera medición: 03/12/2012 18:25:30

Resultados de la tarea de equilibrado [mm/s]

SEN49

Amplitud inicial

14,05

Amplitud final

0,54

Reducción (%)

96,17%

[gr]

Peso total 1

Peso resultante

393,58

Ángulo resultante

98

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