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República Bolivariana de Venezuela Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño” Ampliación – Mérida

INSPECCIÓN Y ANALISIS DE FALLAS. Vibraciones Mecánicas.

Br. Eduardo Dávila C. I.V 25.793.598 Esc. 46

Mérida, julio 2018

INTRODUCCIÓN.-

La razón principal para analizar y diagnosticar el estado de una maquina es determinar las medidas necesarias para corregir la condición de vibración reducir el nivel de las fuerzas vibratorias no deseadas y no necesarias. De manera que, al estudiar los datos, el interés principal deberá ser la identificación de las amplitudes predominantes de la vibración, la determinación de las causas, y la corrección del problema que ellas representan.

El estudio de las vibraciones se refiere a los movimientos de los cuerpos y a las fuerzas asociadas con ellos. Todos los cuerpos que poseen masa y elasticidad, son capaces de vibrar. Una vibración mecánica es el movimiento de una partícula o cuerpo que oscila alrededor de una posición de equilibrio. La mayoría de las máquinas y estructuras experimentan vibraciones hasta cierto grado por lo que su diseño requiere la consideración de este efecto dinámico debido a que ocasiona un aumento en los esfuerzos y tensiones.

A continuación en el presente trabajo hablaré sobre las Vibraciones Mecánicas.

VIBRACIONES MECANICAS

Vibración.En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como la oscilación o el movimiento repetitivo de un objeto alrededor de una posición de equilibrio. La posición de equilibrio es a la que llegará cuando la fuerza que actúa sobre él sea cero. Este tipo de vibración se llama vibración de cuerpo entero, lo que quiere decir que todas las partes del cuerpo se mueven juntas en la misma dirección en cualquier momento.

Una vibración mecánica puede describirse como el movimiento de un cuerpo sólido alrededor de una posición de equilibrio, sin que se produzca desplazamiento "neto" del mismo. Si el objeto que vibra entra en contacto con alguna parte del cuerpo humano, le transmite la energía generada por la vibración. Esta energía es absorbida por el cuerpo y puede producir en él diversos efectos (no necesariamente perjudiciales) que dependen de las características de la vibración.

Movimiento vibratorio o vibración es la variación o cambio de configuración de un sistema en relación al tiempo, en torno a una posición de equilibrio estable, su característica fundamental es que es periódico, siendo frecuente el movimiento armónico simple, por lo que este movimiento adquiere una singular importancia en los estudios vibratorios.

Los sistemas mecánicos al ser sometidos a la acción de fuerzas variables con el tiempo, principalmente periódicas, responden variando sus estados de equilibrio y, como consecuencia, presentan cambios de configuración

que

perturban

su

normal funcionamiento,

presentan

molestias al personal que los maneja y acortan la vida útil de los mecanismos.

Actualmente, el estudio y análisis de las vibraciones mecánicas ha adquirido gran importancia en la supervisión de los sistemas mecánicos, sobre todo de elementos de tipo rotativo. Independientemente de los planes de

mantenimiento

correctivo

y preventivo,

el

plan

de

mantenimiento predictivo se basa, principalmente, en el estudio de las vibraciones mediante la instalación de sensores que permiten detectar vibraciones fuera de rango.

En general, se suponen vibraciones de pequeña amplitud porque fuera de ellas dejan de tener validez la mayoría de las hipótesis que se establecen para su estudio. Supongamos el sistema de la figura, formado por una masa principal m, un elemento recuperador elástico de constante k y un dispositivo amortiguador de constante c.

Se consideran las siguientes hipótesis: a) La masa tiene un guiado vertical, sin rozamiento, que permite únicamente desplazamientos verticales, e impide otros desplazamientos y giros. b) El muelle tiene masa despreciable frente a la masa principal del sistema y su fuerza recuperadora elástica es proporcional a su deformación.

c) El dispositivo amortiguador tiene sus masas móviles despreciables frente a la masa principal del sistema y está basado en un rozamiento de

tipo

viscoso,

con fuerza de rozamiento opuesto a la velocidad y

proporcional a ella. d) El sistema se supone situado en el vacío.

La ecuación del equilibrio dinámico permite establecer la ecuación diferencial del movimiento, Siendo F la fuerza aplicada directamente al sistema, -mx’’ la fuerza de inercia, -cx’ la fuerza amortiguadora de tipo viscoso y -kx la fuerza elástica, con las condiciones m>0, c>0 y m>0.

¿Cómo se miden y evalúan las vibraciones? Para

evaluar

derivado

de

vibraciones

la

el

riesgo

exposición

mecánicas

a es

necesario conocer su frecuencia, el

valor

vibración

de

la aceleración de la

respecto

a

los

ejes

anteriormente indicados y el tiempo de exposición. Los dos primeros parámetros se puede calcular a partir de los datos de emisión proporcionados por el fabricante de la máquina o mediante medición directa. Para la medición se utilizan equipos complejos "los vibrómetros", cuyo elemento principal es el acelerómetro.

El tiempo de exposición también puede estimarse mediante la observación del puesto o medirse conjuntamente con el resto de parámetros. Con la combinación de estos factores se obtiene el valor de la exposición diaria a la vibración, que se compara con los estándares establecidos para determinar

el nivel de riesgo (dichos valores son distintos para las vibraciones mano-brazo proceso hace

y

las vibraciones cuerpo completo). La imprescindible

que

sea

llevado

a

complejidad del cabo por personal

especializado, al igual que la evaluación del ruido.

MEDICIÓN DE LAS VIBRACIONES.-

Los medidores de vibración se emplean para medir vibraciones y oscilaciones en muchas máquinas e instalaciones, así como para el desarrollo de productos (por ejemplo de componentes o herramientas). La vibración en máquinas es el resultado de fuerzas dinámicas producidas por sus partes en movimiento. Como toda máquina está compuesta por distintas partes, cada una de estas vibrará con diferentes frecuencias y amplitudes, causando desgaste y fatiga a los componentes, siendo muchas veces esta la causa de fallas catastróficas.

Ante la falta de algún instrumento para medir vibración, en algunas plantas la vibración es evaluada por medio del tacto, en algunos casos se utiliza una varilla que transfiere la señal de vibración a la cabeza del operador, o en

otros casos se utiliza un estetoscopio del tipo médico. En cada uno de estos casos, la señal de vibración es evaluada sobre la base de la experiencia, sin ningún valor numérico de referencia que sirva para una posterior comparación.

Los objetos mecánicos vibran en respuesta a fuerzas de excitación. Sin embargo, la vibración también depende de las características estructurales del sistema. Esto incluye masa, rigidez y características de amortiguación. La masa de un objeto es igual a su volumen multiplicado por su densidad. La rigidez depende de la elasticidad del material y es expresada en unidades de fuerza por unidad de deflexión (lb/plg). El amortiguamiento es una medida de la habilidad del sistema para disipar energía en forma de calor.

La excitación es usualmente gobernada por tolerancias y defectos dentro del sistema, de su manufactura, del proceso de instalación y de la forma en que el sistema fue diseñado. Las tres características de la vibración son la frecuencia, la amplitud y la fase.

Amplitud de vibración = Fuerzas excitadoras / Rigidez del sistema. La medición proporciona los siguientes parámetros: 

Aceleración de la vibración.



Velocidad de vibración.



Variación de vibración.

A continuación daré a conocer algunos equipos que sirven para medir la vibración.-

Medidor de vibraciones PCE-VT 2700S El medidor de vibración es ideal para el personal de mantenimiento para revisar rápidamente las vibraciones en piezas, maquinaria e instalaciones. Este medidor de vibración también le indica la aceleración, la velocidad y el desplazamiento.

Rango de medición: - Aceleración - Desplazamiento - Velocidad - Carcasa de plástico ABS - Pantalla LCD de 4 dígitos - Indicación del estado de la batería - Incluye certificado de calibración ISO

Medidor de vibración PCE-VDR 10 El medidor de vibración PCE-VDR 10 es un medidor que controla las vibraciones en un eje. Puede usar el medidor de vibración para realizar mediciones puntuales o registrar los valores durante un determinado espacio de tiempo. Los valores los puede registrar en una tarjeta de memoria SD.

- Rango de medición: 0,5...199,9 m/s² - Resolución: 0,1 - Precisión: ± (5% de la lectura + 2 dígitos) - RS-232 y USB - Salida analógica 4 ... 20 mA - Pantalla LCD fácil de leer

Medidor de vibración PCE-VS11 El medidor de vibración PCE-VS11 sirve para controlar la aceleración y la velocidad de vibraciones. Este tipo de medidor de vibracion se usa en diferentes aplicaciones de medición. Algunos campos de uso del medidor de vibración son por ejemplo el mantenimiento predictivo de motores, ventiladores, bombas y compresores. Rango de medición: - 60 rangos de frecuencia - Acelerómetro piezoeléctrico - Resistente al agua según IP67 - 10 intervalos de fr ecuencia ajustable con magnitudes límite.

Medidor de vibración PCE-VM 31-HA El medidor de vibración PCE-VM 31-HA mide las vibraciones del cuerpo humano para analizar el puesto de trabajo. Así, dependiendo de los accesorios que tenga el medidor de vibración por ejemplo puede medir las vibraciones en manos y brazos según la norma ISO 5346. Además con este medidor de vibración se incluye el sensor de aceleración triaxial que mide la aceleración, velocidad y desplazamiento. Rango de medición: - Medición de vibraciones en manos y brazos - Velocidad, aceleración y desplazamiento - FFT de tres canales - Con soporte TEDS

BALANCEO DE EJES EN 1 Y 2 PLANOS En cualquier rotor dado el tamaño y la posición del desbalanceo existente son las incógnitas. Pueden determinarse en una máquina dinámica de balanceo. Un tipo de construcción de una de estas máquinas, utilizando para rotores de tamaños medianos y pequeños se muestra en la figura.

El proceso de balanceo es el siguiente. Hagamos F1 un punto de apoyo liberando a F2 y opérese el rotor hasta que junto con la mesa entre en resonancia sobre los resortes. El movimiento de oscilación máximo tiene lugar en el extremo derecho de T, cuya amplitud puede leerse en un indicador de disco. Mediante una serie de operaciones que se describirán en seguida, se determina la posición y la magnitud de la pesa de corrección en el plano II. Con este peso colocado, el rotor y la mesa no vibrarán en lo absoluto. Cualquier desbalanceo del rotor que todavía pudiera existir, no podrá tener momento con respecto al apoyo F1 de manera que este desbalanceo tendrá que tener su resultante situada en el plano I.

A continuación, se libera el apoyo de F1 y se fija el apoyo F2 determinándose entonces la pesa de corrección en el plano I mediante el mismo proceso que estará por describirse. Una vez aplicada esa corrección,

los momentos de todas las fuerzas centrifugas con respecto al eje que pasa al través de F1 y F2 son cero. Pero entonces por las leyes de la estática no podrá haber momentos con respecto a ningún otro eje y, por lo tanto, el rotor estará completamente balanceado.

Ahora empezaremos por discutir cómo se determina la magnitud del peso de corrección. Antes de continuar, Primero, es necesario saber que, para un sistema que vibra con amortiguamiento nulo, sucede lo siguiente: 1.- por debajo de la resonancia, (cuando el rotor gira por debajo de su velocidad crítica). La fuerza y el desplazamiento están en fase, esto significa que, si sujetamos un lápiz o un pedazo de tiza cercano a la flecha rotativa vibrante, su trazo coincidirá con la fuerza de desbalanceo, y además corresponderá al punto pesado” como se muestra en la figura: Trazo verde de la figura.

2.- Por encima de la resonancia, la fuerza y el desplazamiento se encuentran desfasados 180° esto significa que la fuerza de desbalanceo estará situada en el extremo opuesto del trazo del desplazamiento hecho con

una tiza o lápiz, correspondiendo por lo tanto al punto ligero (trazo azul en la figura). 3.- En resonancia es decir cuando el disco adquiera exactamente la velocidad crítica el desplazamiento está desfasado 90° atrás del punto pesado. Es lo mismo que decir que la fuerza de desbalanceo sucede 90° adelante del desplazamiento.

Otra observación de suma importancia es que la oscilación se da por encima o por debajo del eje central según la velocidad sea mayor o menor que la de resonancia. Así pues, la posición del desbalanceo puede obtenerse mediante el trazo, la magnitud de la corrección puede obtenerse mediante varias aproximaciones sucesivas.

En la práctica el método del ángulo de fase es muy inexacto, ya que en la vecindad de la resonancia, el ángulo de fase varía rápidamente con pequeñas variaciones de

la velocidad, mientras que a velocidades

notoriamente diferentes de la crítica las amplitudes de la vibración son tan pequeñas que no se puede lograr un trazo satisfactorio.

Otro método más confiable se basa exclusivamente en las observaciones de la amplitud. Consiste en llevar a cabo tres pruebas del rotor en tres condiciones diferentes: (1) sin ningún suplemento en el rotor, (2) con un peso unitario desbalanceado colocado en un agujero arbitrario del rotor, y (3) con el mismo peso desbalanceado colocado en otro agujero diametralmente opuesto. En la figura siguiente, sea OA el vector que representa a cierta escala el desbalanceo original del rotor (que es la incógnita). Análogamente, sea OB el vector que presenta el desbalanceo total del rotor después de haber colocado el peso unitario en el primer agujero. Es evidente que el vector OB puede considerarse.

Diagraman vectorial para determinar el desbalanceo en un plano mediante tres o cuatro observaciones de la amplitud. (Si se hace con Wcritica indicara el lado liviano por lo tanto deberá añadirse peso). Como la suma de los vectores OA y AB, donde AB representa ahora el desbalanceo extra introducido. Si ahora quitamos este desbalanceo y lo sustituimos en el agujero diametralmente opuesto, necesariamente esta nueva añadidura del peso desbalanceado estará representada por el vector AC, que es igual y opuesta a AB y, en consecuencia, el vector OC, por ser la suma del desbalanceo original OA con AC, representará el desbalanceo completo de la tercera operación. Como resultado de las observaciones de la amplitud en estas tres operaciones, se reconocerán las longitudes relativas de los vectores OB, OA y OC, de este modo queda determinada la longitud y dirección del desbalanceo original OA.

Ahora, gracias a que AB representa un peso de desbalanceo conocido, puesto que se introdujo artificialmente, podemos inferir de él la magnitud del desbalanceo original OA que se buscaba. También queda determinada la

posición angular

del desbalanceo original OA con respecto a la posición

angular AB.

Se advierte que en la construcción de la (fig.4), no se ha hecho otro supuesto fuera de considerar el sistema variando en forma lineal, es decir, que todas las amplitudes de la vibración son proporcionales a las masas desbalanceadas. En los rotores reales esta relación no es completamente cierta, pero es una buena aproximación de la verdad. Si después de pasar por los movimientos mostrados en la (fig. anterior), tras haber insertado las pesas de corrección así obtenida, aún quedan presentes vibraciones en la maquinaria, éstas serán muchos menores que la original y en consecuencia, el procedimiento de la (fig. anterior), puede repetirse una vez más.

EQUIPOS DE BALANCEO.EL - 30 Máquina de Balanceo horizontal de Alta Precisión. Ideal para turbo cargadores de alta velocidad, así como rotores de bajo peso. La baja inercia de las bases flotantes reduce la resistencia a la vibración

e

incrementan

la

sensibilidad

y

precisión del proceso de balanceo.

Características: 

Balanceo en uno o dos planos en tan solo 2 corridas



Velocidad variable con inversor



Fácil de armar y usar



Poleas ajustables



Ajuste manual de la banda de transmisión



Soporte con rodamientos para minimizar las pérdidas mecánicas



Soportes en V



Sensor óptico para medir las RPM



Sensores aislados para prevenir corrosión.

Equipada con Bases Flotantes SBS. El sistema de Bases Flotantes (SBS) está diseñado para permitir el libre desplazamiento radial. Esto minimiza la fricción y las pérdidas mecánicas gracias a sus componentes de aluminio.

La Máquina de Balanceo EI-30 incorpora dos bases flotantes que soportan hasta 30 kg en conjunto (15 kg cada una). Este mecanismo permite mejorar los balanceos con una precisión muy elevada en casi cualquier tipo de partes rotativas. Con este sistema, los balanceos se realizarán a frecuencias muy altas, lo que permitirá al rotor girar en torno a su centro de gravedad en vez de su centro geométrico.

EL – 300 Ideal para casi todo tipo de partes giratorias de hasta 300 kg como rodillos, partes de motor, cigüeñales, molinos.

Características.

EI-300 usa materiales ligeros y resistentes en su sistema de Bases Flotantes que le ayudan a reducir la inercia.



Balanceo en 1 o 2 planos en tan solo 2 corridas



Velocidad variable con inversor



Poleas ajustables



Tres ejes de libertad para cada pedestal que permiten un movimiento libre



Ajuste manual de la polea de transmisión y la distancia de los soportes



Rodillos bas ados en sistema de bases flotantes para prevenir pérdidas mecánicas



Sistema de soportes axiales



Sensores integrados en la estructura para evitar corrosión



Soportes de los rodillos tipo cantiléver



Calibración sencilla

Equipado con Bases Flotantes SBS El sistema de Bases Flotantes (SBS) está diseñado para permitir el libre desplazamiento radial. Esto minimiza la fricción y las pérdidas mecánicas gracias a sus componentes de aluminio.

La Máquina de Balanceo EI-300 incorpora dos bases flotantes que soportan hasta 300 kg en conjunto (150 kg cada una). Este mecanismo permite mejorar los balanceos con una precisión muy elevada en casi cualquier tipo de partes rotativas. Con este sistema, los balanceos se realizarán a frecuencias muy altas, lo que permitirá al rotor girar en torno a su centro de gravedad en vez de su centro geométrico.

Conclusión.Importancia del estudio de vibraciones.

Todas

las

estructuras

mecánicas,

son

susceptibles

de

experimentar problemas de vibraciones (resonancia). 

Los

esfuerzos

dinámicos

producidos

por

las

vibraciones,

además de ser alternativos (fatiga), pueden ser varias veces mayores que los esfuerzos estáticos (amplificación dinámica). 

Los problemas de vibración generalmente se traducen en altos

costos

de

operación

y

mantenimiento

debido

al

desgaste prematuro y/o la falla. 

Un sistema mecánico bien diseñado puede vibrar en un rango específico sin producir mayores problemas.



Las mediciones de vibración pueden dar información sobre la condición de los equipos y pueden ayudar a diagnosticar o evitar una falla.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA.-



http://erbessdinstruments.com/Esp/balancingmachines/ei1000/overview.php.



http://www.fullmecanica.com/definiciones/b/1828-como-balancear dinámicamente



http://www.vibratorsa.com/index.php/servicios/163-medicion-yanalisis-de vibraciones



http://www.aero.ing.unlp.edu.ar/catedras/archivos/Vibraciones%20%20Balanceo.pdf