UNIVERSIDAD NORORIENTAL PRIVADA “GRAN MARISCAL DE AYACUCHO”
ESCUELA DE INGENIERIA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
NUCLEO ANACO
CATEDRA: Vibraciones
Realizado Por:
Pérez, Omar; C.I: 10.999.897
Pichardo, Iván; C.I: 9.497.512
Rinaldi, Carmelo; C.I: 13.684.297
Macuare, Jesús; C.I: 19.390.666
Anaco, 06 de Septiembre de 2011.
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El mantenimiento predictivo se basa en la detección de fallos en equipos rotativos
principalmente, a través del estudio de los niveles de vibración. El objetivo final es
obtener la representación del espectro de las vibraciones de un equipo en
funcionamiento para su posterior análisis.
Para aplicarla de forma efectiva y obtener conclusiones representativas y válidas,
es necesario conocer determinados datos de la máquina como son la velocidad de
giro, el tipo de cojinetes, de correas, número de alabes o de palas, etc., y elegir los
puntos adecuados de medida. También es necesario seleccionar el analizador
más adecuado a los equipos existentes en la planta.
Existen dos técnicas diferentes:
1. Medición de la amplitud de la vibración: Da un valor global del
desplazamiento o velocidad de la vibración. Cuando la vibración sobrepasa el
valor preestablecido el equipo debe ser revisado. Únicamente informa de que hay
un problema en el equipo, sin poderse determinar por esta técnica donde está el
problema
2. Análisis del espectro de vibración: La vibración se descompone según su
frecuencia. Analizando el nivel de vibración en cada una de las frecuencias se
puede determinar la causa de la anomalía. En este caso el equipo se compone de
4 elementos:
Ordenador PC, normalmente portátil, en el que se almacenan las señales
Interface entre el sensor de vibración y el ordenador, o tarjeta de adquisición
de datos
Elemento sensor, que es el captador de la vibración
Software de análisis, capaz de realizar la descomposición de las señales y su
Representación gráfica, e incluso en algunos casos y en base a un sistema
experto, capaz de dar un primer diagnóstico del estado de la máquina
Análisis de Espectros
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1.- Estudio de Espectros para Realizar Análisis de Fallas a Diferentes
Equipos Rotativos Utilizando como Herramienta de Mantenimiento El
Análisis Causa Raíz (ACR).
La recolección e inspección fue realizada con el Colector de datos de vibración
IRD DATA PAC 1500, según la práctica recomendada SNT-TC-1A; con un sensor
de aceleración y el software Emonitor Odyssey; en equipos como: Motores
Eléctricos y Bombas Centrifugas
ESPECTRO Nº 1:
BOMBA Nº 1 (PLANTA DE AGUA KAKI)
Espectro de Vibración Bomba N°1, lado acople, dirección horizontal en unidades de
velocidad. Se aprecia pico a 1X y el incremento del número de armónicas.
ANALISIS DE VIBRACION.
Análisis de Espectros
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No se apreciaron anomalías visuales en la unidad, los valores de los niveles
globales de vibración del motor eléctrico se encuentran dentro del rango normal de
operación, con tendencia descendente en ambos extremos.
La bomba de agua en la dirección horizontal, lado acople refleja un leve descenso
en los valores globales de vibración, manteniéndose el rango normal de operación
preestablecido, siendo el valor medido de 0,25 ips (Pulgadas por segundo). En el
espectro de vibración de dicha dirección, se continúa apreciando el incremento
progresivo de un pico a 1X con armónicas hasta 10X.
ANÁLISIS DE RESULTADOS.
La vibración de la bomba que actualmente se encuentra en dirección horizontal es
producto de aflojamiento mecánico que es inducido por posibles tensiones de las
tuberías y/o aflojamiento de las tuercas de sujeción y por inicio de desgaste en el
rodamiento lado acople.
ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
Análisis de Espectros
2
La falla funcional se toma como la falla del rodamiento de la bomba del lado del
acople y que su origen está en las hipótesis de las tensiones de las tuberías y/o
aflojamiento de las tuercas de sujeción y por inicio del desgaste del rodamiento.
Se descartan las dos primeras hipótesis de acuerdo al comportamiento del
espectro de vibración de la bomba en dirección horizontal en unidades de
velocidad, se aprecia pico 1X y el incremento del número de armónicas. Este
espectro se caracteriza por la gran cantidad de armónicas de la frecuencia de giro
con altas amplitudes.
Análisis de Espectros
Falla de la Motobomba
Aflojamiento tuercas de
Falla del rodamiento lado
Desgaste Tensión de las tuberías
Alta vibración
Excentricidad Desbalanceo DesalineaciónHolgura Mecánica
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RECOMENDACIONES:
Es recomendable realizar las siguientes acciones de mantenimiento
preventivo para mantener los equipos dentro de los parámetros de
funcionamiento normales:
Programar y verificar las tensiones de las tuberías de succión y descarga de
la bomba.
Programar y verificar el ajuste de los pernos de anclaje de la bomba.
Programar la revisión del estado físico del rodamiento de la bomba del lado
acople.
Revisar el estado físico del acople de la unidad.
Análisis de Espectros
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ESPECTRO Nº 2:
TURBOCOMPRESOR T-3 SAN JOAQUÍN II
Mantenimiento Previo: Reemplazo del acople y la nivelación del soporte de anclaje en la turbina de potencia
Gráfica No.1 Tendencia de valor global de vibración sección entrada de caja incrementadora de velocidad, luego del reemplazo del acople y la nivelación del soporte de la turbina de potencia, en la dirección horizontal en unidades de velocidad. Se observa el descenso considerable una vez ejecutadas las recomendaciones emitidas por la sección de equipos dinámicos.
Análisis de Espectros
Luego del reemplazo del acople y nivelación del soporte de la TP, con 98% PG y 91%TP día 30-03-06
99% PG y 99,5% TP día 29-03-06
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Gráfica No.2 Cascada espectral de vibración registrado en la entrada de la caja
incrementadora de velocidad, luego del reemplazo del acople y la nivelación del
soporte de anclaje de la turbina de potencia (30-03-06), nótese el descenso de
amplitud de la componente 1X de la turbina de potencia en comparación de la
inspección del día 29-03-06, a medidas que se incrementa la velocidad de la
maquina, una vez ejecutadas las recomendaciones emitidas por la sección de
equipos dinámicos.
Análisis de Espectros
Componente 1X TP 75% entrada caja incrementadora día 29-03-06
Componente 1X TP 99,5% entrada caja incrementadora día 29-03-06
Componente 1X TP 91 %entrada caja incrementadora día 30-03-06
Componente 1X TP 76 %entrada caja incrementadora día 30-03-06
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Gráfica No.3 Cascada espectral de vibración registrado en la turbina de potencia,
luego del reemplazo del acople y la nivelación del soporte de anclaje de la turbina
de potencia (30-03-06), nótese el descenso de amplitud de la componente 1X de
la turbina de potencia en comparación de la inspección del día 29-03-06, a
medidas que se incrementa la velocidad de la maquina, una vez ejecutadas las
recomendaciones emitidas por la sección de equipos dinámicos.
Análisis de Espectros
Componente 1X TP 99,5% día 29-03-06
Componente 1X TP 75% día 29-03-06
Componente 1X TP 91% día 30-03-06
Componente 1X TP 76% día 30-03-06
2
ANALISIS DE VIBRACION.
Los valores globales de vibración en la sección de la turbina de potencia
descendieron considerablemente manteniéndose estable durante el incremento de
la velocidad de la máquina con valores medido actuales desde 0,110 ips hasta
0,150 ips, en referencia con la inspección anterior donde se incrementa desde
0,175 ips hasta 0,247 ips. En la cascada espectral de vibración de la turbina de
potencia y en la entrada de la caja incrementadora de velocidad, se aprecia el
descenso brusco de la amplitud de la componente 1X de dicha turbina, con un
valor actual medido de 0,11 ips y siendo el valor en la inspección anterior de 0,32
ips.
ANÁLISIS DE RESULTADOS.
De los datos obtenidos en el monitoreo de vibración de la unidad turbocompresora
se puede determinar que la alta vibración obtenida en la máquina, la estaba
causando el acople entre la turbina de potencia y la caja incrementadora de
velocidad y, la desnivelación del anclaje del soporte de la turbina de potencia.
Análisis de Espectros
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ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
La falla funcional se toma como la falla del Acople de la Turbina de Potencia / Caja
Incrementadora y su origen está en las hipótesis de la holgura mecánica,
excentricidad, desbalanceo y desalineación. Se descartan las tres primeras
hipótesis de acuerdo al comportamiento de la vibración que se observa en el
grafico de la cascada espectral registrado en la entrada de la caja incrementadora
de velocidad luego del reemplazo del acople y la nivelación del soporte de anclaje
de la turbina de potencia donde se nota el descenso de la amplitud de la
componente 1x en comparación con la lectura de la fecha anterior.
Análisis de Espectros
Falla del Turbocompresor T-
Holgura Mecánica
Falla del Acople Turbina de Potencia / Caja
Desalineación Desbalanceo
Alta vibración
Desgaste de los engranajes
Tensión de Tuberías
Anclaje de la Turbina
Torque No Adecuado a Pernos de Anclaje
Falta de Procedimientos
Aflojamiento de Pernos
Excentricidad
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RECOMENDACIONES:
Mantener en observación la unidad turbocompresora hasta que se
restablezca las condiciones operacionales del proceso.
ESPECTRO Nº 3:
MOTOBOMBA Nº PAP-1
PLANTA DE AGUA POTABLE ANACO
Espectro de vibración motor eléctrico, Motobomba PAP-1, dirección horizontal en pulgada por segundo, se aprecia la componente 1X con mayor amplitud y
armónicas de menores amplitudes.
ANALISIS DE VIBRACION.
El motor eléctrico obtiene un descenso notorio en los valores de vibración global,
en ambos extremos en la dirección vertical, descendiendo desde el rango de
parada hasta el rango normal de operación preestablecido, en la dirección
Análisis de Espectros
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horizontal desciende significativamente manteniéndose en el rango de parada,
siendo el valor medido de 0,48 ips en ambos extremos. En el espectro de
vibración se observa un pico de alta amplitud a 1X de la velocidad de giro del eje
con un valor de 0,46 ips.
ANÁLISIS DE RESULTADOS.
En la forma en que se pudo apreciar el espectro de vibración altos niveles de
amplitud en la componente 1X se determina que el rotor del motor eléctrico de la
unidad PAP-1 presenta desbalance mecánico.
ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
Análisis de Espectros
2
Análisis de Espectros
Falla del Motor Eléctrico
Variación de Corriente
Falla del Rotor
Desbalanceo Desalineación
Alta vibración
Campo Magnético
Barras Rotas ExcentricidadCojinetes
Mala Instalación Carga Excesiva Falta de Lubricación
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RESUMEN DEL ANÁLISIS CAUSA RAÍZ.
La falla funcional se toma como la falla del rotor del motor eléctrico y que su origen
está en las hipótesis de la variación de la corriente, la desalineación y el
desbalance. Se descartan las dos primeras hipótesis de acuerdo al
comportamiento del espectro de vibración, ya que se observa un pico de alta
amplitud a 1X de la velocidad de giro del eje del motor eléctrico en dirección
horizontal en unidades de velocidad pulg/seg y armónicas de menores amplitudes,
siendo este espectro el típico de desbalance.
RECOMENDACIONES:
Identificar las motobombas.
Reemplazar el motor eléctrico,
Análisis de Espectros
2
ESPECTRO Nº 4:
TURBOCOMPRESOR T-7
PLANTA COMPRESORA SANTA ROSA BOOSTER
Gráfica No.1 Tendencia de Vibración Productor de Gas, dirección vertical en unidades de velocidad. Descenso notorio en los valores globales de vibración.
Análisis de Espectros
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Gráfica No.2 Cascada Espectral de vibración del productor de gas, dirección vertical en pulgadas por segundo. Se observa disminución en la componente 1X (en negro)
Análisis de Espectros
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ANÁLISIS DE VIBRACIÓN
El productor de gas luego de presentar fluctuaciones en los valores de vibración
recolectados anteriormente, obtiene un descenso notable en sus valores globales
producto del mantenimiento realizado a dicha unidad. En el gráfico espectral se
aprecia el descenso brusco en amplitud de la componente 1X respecto a sus
últimas inspecciones, descendiendo de 0,22 ips hasta 0,10 ips en su última
inspección, producto posiblemente del desprendimiento de algún elemento extraño
adherido a las partes móviles que incidía en generar un desbalance de masas.
Tanto la turbina de potencia, la caja incrementadora de velocidad y el compresor
centrífugo de gas obtuvieron leves descenso en los valores globales de vibración
con tendencia estable.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
En referencia al Productor de Gas, comparando las mediciones de vibración
tomadas anteriormente con la actual se puede observar es descenso del nivel de
vibración, producto del mantenimiento realizado que posibilito el desprendimiento
extraños adherido a los alabes, que ocasionaba el desbalance de masa.
Análisis de Espectros
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ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
Análisis de Espectros
Falla del Turbocompresor
Falla en los Cojinetes
Falla del Productor de Gas
Desbalanceo Desalineación
Alta vibración
Corrosión Incrustaciones de Partículas
Erosión
Desprendimiento de componentes
Filtrado Deficiente
Presencia de Humedad
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RESUMEN DE ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
La falla funcional se toma como la falla del Productor de Gas y su origen está en
las hipótesis de las fallas en los cojinetes, oleaje, desalineación y desbalanceo. Se
descartan las tres primeras hipótesis de acuerdo al comportamiento del espectro
de vibración, ya que se observa un pico de alta amplitud a 1X respecto a las
últimas inspecciones donde el descenso esta de 0.22 hasta 0.10 en unidades de
velocidad pulg/seg y armónicas de menores amplitudes, siendo este espectro el
típico de desbalance. La disminución de la vibración ocurre después de realizas un
lavado axial del Productor de Gas.
RECOMENDACIONES
Programar para el próximo mantenimiento, la revisión del rodamiento del
engranaje de la bomba de aceite sello.
Instalar indicador de temperatura de succión y descarga del compresor de
gas en el PLC.
Instalar contador de número de arranque en la unidad.
Mantener los parámetros de operación dentro de los rangos del fabricante.
FUNCIONALIDAD DE LOS DIFERENTES TIPOS DE ANÁLISIS DE VIBRACIONES
Análisis de Espectros
2
El objetivo del análisis de vibraciones es extraer el máximo de información
relevante que ella posee. Para esto existen diferentes técnicas de análisis tanto en
el dominio tiempo como en el dominio frecuencia, las cuales tienen sus propias
ventajas para algunas aplicaciones en particular. A continuación se presenta
algunas de las técnicas más utilizadas en la inspección de máquinas.
Análisis de amplitud
Consiste en hacer mediciones de amplitudes en la dirección horizontal, vertical y
axial, para ayudar a identificar los problemas que pueden ocurrir a una
determinada frecuencia excitatriz.
Características
La amplitud más alta de la vibración se encuentra normalmente cerca de la
pieza de la máquina en la cual se localiza el problema.
Cuanto mayor es la amplitud tanto más grave será la vibración.
La amplitud total de vibración es la sumatoria de las amplitudes de vibración
a las diferentes frecuencias excitatrices de la máquina, que generan las
causales de vibración.
En la siguiente figura se muestra las combinaciones frecuencia de vibración.
Análisis de Espectros
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Figura N°6:Combinaciones de frecuencia de vibración
Las mediciones de amplitud se pueden hacer con vibrómetro portátiles (SPM VIB
10) o con analizador (IRD 350, 360, 435 y Fast Track).
Existen dos tipos de comparaciones:
Figura N°7: Tipos de comparaciones.
Radial vs. axial.
Será descrito por medio de la siguiente tabla:
Análisis de Espectros
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Tabla N° 1: Comparación radial Vs. Axial
EFECTO CAUSAREPRESENTACIÓN
GRÁFICAVibraciones altas
radiales y vibraciones
bajas axiales
Desequilibrio doble
apoyo
Vibraciones altas
radiales y vibraciones
altas axiales.
Desalineación
Desequilibrio voladizo
Horizontal vs. Vertical.
Será descrito por medio de la siguiente tabla
Tabla N° 2: Comparación horizontal Vs. vertical
EFECTO CAUSAVibración horizontal de 2 a 5
veces mas alta que de vertical
Comportamiento normal de
vibración
Vibración horizontal más de 8
meses más alta que la vertical.
Resonancia de la máquina o
estructura
Vibración horizontal inferior a la
vertical
Cojinetes flojos juego de rodamiento
La amplitud más alta de la vibración se encuentra normalmente cerca de la pieza
de la máquina en la cual se localiza el problema. Por lo tanto, si un estudio inicial
de los datos revela que hay amplitudes predominantes que acontecen a una
Análisis de Espectros
2
frecuencia particular, es muy probable que el problema esté radicado en la porción
de la máquina en la cual se verifica la amplitud predominante a esa frecuencia.
Análisis de frecuencias
La vibración de la mayoría de las máquinas consta de muchas frecuencias
diferentes, por lo que el análisis de frecuencias persigue identificar con precisión la
frecuencia de la vibración y relacionar dicha frecuencia con la velocidad de
rotación de las varias piezas de la máquina. Identificando así el problema y la
pieza responsable.
Para hacer un análisis debemos conocer las frecuencias excitatrices de la
máquina. Las frecuencias excitatrices son aquellas generadas por la máquina o
pieza y además las armónicas de estas (múltiplos enteros de cada frecuencia
generada).
En caso de velocidades variables, se debe considerar la velocidad normal de
trabajo para calcular frecuencias excitatrices.
Se debe determinar dentro de las frecuencias excitatrices de una máquina la
frecuencia dominante (aquella que tiene mayor amplitud) y ella nos indica la
presencia del problema. A través de barrido de frecuencias.
Barrido frecuencia:
Consiste en hacer mediciones de vibración a diferentes frecuencias excitatrices de
la máquina para ubicar el problema.
Estas mediciones se pueden hacer una por una manualmente filtrando frecuencias
(IRD 350, IRD 360) o automáticamente (IRD 820). IRD Fast Track.
Para realizar un buen barrido automáticamente debemos realizarlo en cada plinto
de interés de la máquina y en las tres direcciones.
Se recomienda gráficas amplitud vs. Frecuencia de la siguiente manera:
Análisis de Espectros
2
Figura N° 8: amplitud vs. Frecuencia
En este ejemplo se ven dos picos: uno a 1xRPM y otro a 2xRPM, siendo mayor el
de 2 x RPM: típico de juego mecánico.
Tabla N°3: Frecuencias de vibración y causas probables de falla.
Análisis de Espectros
2
Como puede apreciarse en esta tabla, existen numerosos problemas
mecánicos y eléctricos que pueden originar espectros de frecuencia similares. En
estos casos es necesario obtener información adicional, ya sea a través de la
medición de las vibraciones en distintas direcciones, como así también analizando
los espectros obtenidos en distintas condiciones de operación de la máquina o
analizando transitorios como los de arranque y detención de la máquina o
relaciones de fase entre puntos de medición.
Gama de frecuencias
La gama de frecuencias de la vibración generada en una máquina influirá en la
selección del captador. En general, las pautas para la frecuencia son:
a) Utilice transductores de desplazamiento para:
Análisis de Espectros
2
-bajas frecuencias, por debajo de aproximadamente 600 cpm
-mediciones relativas
-máquinas pesadas con rotores livianos
-posición del rotor
b) Utilice transductores de velocidad o los parámetros de velocidad cuando:
-la gama de frecuencias a medir se encuentra entre 600 y 100.000 cpm
-el transductor se sostiene en la mano
-se quieran medir los niveles de vibración total de la maquinaría
-se utilizan procedimientos generales de análisis
-la longitud de los cables llega a los 1000 pies (305 m).
Para frecuencias en uno gama de 60 a 600 cpm y para balanceos a baja
velocidad se recomienda el uso de un captador sísmico de velocidad
(piezoeléctrico).
c) Utilice transductores acelerómetros, o los parámetros correspondientes,
cuando:
-la gama de frecuencias está entre tos 600 y los 600.000 cpm
-se midan respuestas estructurales a altas frecuencias.
-se hagan mediciones de la energía de impulsos en rodamientos de
elementos rodantes, engranajes y trenes de engranajes, así como en fuentes
de vibración aerodinámica de alta frecuencia (frecuencias del paso de
álabes).
Análisis de espectros de frecuencia (FFT)
Análisis de Espectros
2
El análisis frecuencia (o espectral), es la técnica más comúnmente empleada para
el diagnóstico de fallas por medio del análisis de vibraciones.
Constituye un análisis poderoso para poner en evidencia periodicidades ocultas en
una serie temporal, tal como lo es, por ejemplo, el electroencefalograma. El
espectro de potencia refleja la energía de cada uno de los componentes de
frecuencia del proceso estudiado. Permite distinguir los componentes espectrales
y cuantificarlos.
Cuando se mide una máquina, se genera una información muy valiosa que es
necesario analizar. El éxito de este análisis depende de la correcta interpretación
que se le da a los espectros capturados con respecto a las condiciones de
operación en que se encuentra la máquina.
A continuación se muestra un esquema de cómo sería la captura de la información
desde una máquina para luego ser analizada
Figura N°9: Esquema de recolección de información de una maquina
Análisis de Fourier
Análisis de Espectros
2
Consiste en aislar los componentes del sistema que tienen una forma compleja
para tratar de comprender mejor su naturaleza u origen. Se dedica al estudio de
señales: periódicas o no periódicas, continuas o discretas, en el dominio del
tiempo, o de cualquier otra variable unidimensional, bidimensional o
multidimensional.
En sus versiones más avanzadas estudia: procesos estocásticos, funciones de
distribución, y topologías complejas, pero sus fundamentos siguen siendo muy
simples.
Análisis de fase de vibraciones
Consiste en hacer mediciones de fase en cada punto de apoyo de la máquina en
las direcciones horizontal, vertical y axial, para identificar problemas que ocurren a
una determinada frecuencia.
Estas mediciones se pueden hacer mediante una luz estroboscopica (IRD 350), un
sensor magnético (IRD 360J, un sensor foto eléctrico IRD Fast Track), ver
siguiente figura.
Figura N° 10: Análisis de fase vibraciones.
Análisis de Espectros
2
Las mediciones de fases se realizan a 1 z rpm, y usando la misma marca de
referencia.
Se puede definir la diferencia de fase entre dos vibraciones de igual frecuencia
como la diferencia en tiempo o en grados con que ellas llegan a sus valores
máximos, mínimos o cero.
El análisis de diferencias de fase a la velocidad de giro de la máquina entre las
vibraciones horizontal y vertical o entre las vibraciones axiales de los diferentes
descansos del sistema motor máquina, permite determinar los movimientos
relativos entre ellos, y diferenciar entre problemas que generan vibraciones a
frecuencia 1x rpm:
Desbalanceamiento
Desalineamiento
Eje doblado
Resonancia
Poleas excéntricas o desalineadas.
Fase en cojinetes: Determinar como se mueve axialmente un rodamiento con
respecto a otro. Comparación de fases de dos o más cojinetes, Ver siguiente
figura.
Figura N° 11: ejemplo de fases en cojinete
Análisis de Espectros
2
Los sensores se colocan radialmente 90 grados uno con respecto al otro en el
mismo cojinete, la coherencia tiene que ser 1 para comprobar que la fuente
(fuerza) es la misma para los dos sensores.
Lo ideal es que la fase que se muestre en el analizador sea 90 grados, si no es
así, tenemos problemas: puede ser excentricidad, excentricidad con holgura, esta
excentricidad puede ser debida a desalineación entre elementos del equipo o
entre el equipo y otro unidos por un acople.
Fase en un eje: los sensores se colocan radialmente misma dirección y sentido en
ambos cojinetes de apoyo del eje (por lo general son dos), la fase debería ser
0grados en el analizador (coherencia 1), de no ser así tenemos problemas de
desalineación paralela entra cojinetes del equipo y el eje.
Fase en juntas entres componentes: se usa para detectar si existe desplazamiento
relativo entre piezas que están sujetadas por tornillos, por ejemplo, bomba-patín,
Análisis de Espectros
2
patín-losa, tapas de cojinetes, cajeras de cojinetes y la carcasa de bomba. Los
sensores se colocan mismo sentido y misma dirección, ambos sensores colocados
en las dos piezas respectivamente deberían dar como resultado fases de 0
grados, de no ser así estamos en presencia de dos piezas que no están bien
ajustadas o por algún motivo en particular no se efectúa el apriete de la junta de
manera perfecta.
Estas son las más comunes aplicaciones para el monitoreo de la condición y en
especial como se está comportando el eje dentro del cojinete.
2.6 Nivel de vibraciones “OVERALL”
También conocido como nivel global de vibración es aquel que permite la más
rápida evaluación del estado de la máquina con la desventaja de que a través de
él no se puede dar un diagnóstico sobre lo que está ocasionando o puede
ocasionar la falla en el equipo.
El nivel de vibración overall es la medida total de la energía asociada con las
frecuencias que componen el espectro de vibración, ya que resulta de la suma de
las amplitudes desde una frecuencia mínima hasta una frecuencia máxima. Estos
Valores obtenidos son comparados con los valores tomados cuando la máquina se
encuentra en buenas condiciones de operación así como también con valores de
alarma preestablecidos ya sea por normas o especificaciones técnicas del equipo.
El mejor punto de partida o inicio al trabajar con estos niveles, es graficar todas las
medidas realizadas para que pueda ser observada la condición y la variación del
equipo a través del tiempo, pudiendo así poder establecer criterios de severidad
propios del equipo. Para calcular este valor tal y como se observa en la Ecuación
es necesario obtener la raíz de la sumatoria del cuadrado de cada una de las
amplitudes que componen el espectro en dominio en la frecuencia como el que se
observa en la Figura 2.3 obtenido a través de la FFT (Fast Fourier Transform o
transformada rápida de fourier) dividido entre factor de ancho de banda
Análisis de Espectros
2
generalmente utilizado en medidas de rutas de un plan de Mantenimiento
Predictivo como lo es la ventana Hanning.
Donde:
VG= Nivel Global de Vibración Overall
N= Líneas de Resolución
Ai= Amplitud de cada una de las líneas
NBF= Factor de Ancho de Banda (1,5 para la Ventana de Hannign)
Figura N°12: Nivel Total de un Espectro
Recomendaciones para Realizar las Mediciones
Este tipo de instrumentos se utiliza para seguir la evolución de una
máquina, por ello, hay que medir siempre en condiciones semejantes
(temperatura, velocidad, ente otros). De este modo se podrán comparar
los datos recopilados.
A la hora de situar la sonda, es importante evitar grasa, aceite, superficies
pintadas, huecos estructurales, zonas descargadas, entre otros.
El ángulo que forma el instrumento, tiene que ser de aproximadamente
90º con la superficie.
La presión ejercida, tiene que ser firme, pero no tan fuerte que modifique
la vibración de la máquina.
Análisis de Espectros
2
MODELO MECÁNICO CON MASA, RESORTE Y AMORTIGUADOR.
Figura N°13. Modelo mecánico.
Primera ecuación
Segunda ecuación
Análisis de Espectros
2
Figura N°14. Modelo mecánico en simulador
ANÁLISIS DE LOS SIGUIENTES SUBSISTEMAS: SUBAMORTIGUADO,
SOBREAMORTIGUADO Y CRÍTICAMENTEAMORTIGUADO.
En todos los movimientos oscilantes reales, se disipa energía mecánica
debido a algún tipo de fuerza de fricción o rozamiento. Cuando esto ocurre, la
energía mecánica del movimiento oscilante disminuye con el tiempo y el
movimiento se denomina amortiguado. La representación más sencilla y más
común de una fuerza de amortiguamiento es aquella que la considera proporcional
a la velocidad de la masa pero en sentido opuesto,
En donde b es una constante que describe el grado de amortiguamiento.
Subamortiguado:
La vibración libre, u movimiento momentáneo, es el movimiento periódico que
se observa cuando el sistema se desplaza de su posición de equilibrio estático.
Análisis de Espectros
2
Si el factor de amortiguamiento g es menor que la frecuencia natural w0, el radical
en el exponente de las exponenciales resulta imaginario:
2/1220
2/12/120
2 1
,i2/12
02
Las fuerzas actuando son la fuerza elástica, la fuerza de rozamiento y el peso de
la masa, provocando la disipación de energía y por consiguiente las oscilaciones
disminuyen con el tiempo, este comportamiento se define como oscilación sub
amortiguada.
Este comportamiento se rige por la expresión:
)()( tBCostASenetX ddtn
Donde:
ξ: Factor de amortiguamiento
ωn:: Frecuencia angular natural en radianes por segundo
ωd: Frecuencia angular natural amortiguada en radianes por segundo
A, B: Amplitud de onda.
El movimiento es oscilatorio con frecuencia angular d , la amplitud del movimiento
decrecerá exponencialmente con el tiempo a causa del término tne , conocido
con el nombre de factor de decaimiento.
El coeficiente de amortiguamiento crítico, cc, llamado así debido a que es un valor
pequeño de c que inhibe completamente la oscilación y representa la línea de
división entre el movimiento oscilatorio y mono oscilatorio
Análisis de Espectros
2
Cuando c<cc ó ξ <1 El sistema oscila alrededor de la posición de equilibrio
con una amplitud que decrece progresivamente.
tne
Figura N°15. Respuesta del sistema subamortiguado con factor de
decaimiento exponencial.
Figura N°16. Respuesta del sistema subamortiguado.
Análisis de Espectros
2
Para el movimiento con una constante de resorte y masa de la partícula
determinadas, las oscilaciones se amortiguan con mayor rapidez a medida que el
valor máximo de la fuerza retardadora se acerca al valor máximo de la fuerza
restauradora.
Críticamente amortiguado:
Cuando c=cc ó ξ =1 El sistema retorna a su posición inicial de equilibrio sin
oscilar, por tal razón es llamado sistema críticamente amortiguado o sistema con
amortiguamiento crítico.
En este caso una vez liberado desde el reposo en cierta posición de no equilibrio,
el sistema regresa al equilibrio y ahí permanece.
Se dice que el amortiguamiento es crítico porque la masa tiende a la posición de
equilibrio debido al decaimiento exponencial en la posición en función del tiempo,
en donde la función lineal del tiempo aunque crezca, su crecimiento en el tiempo
no es lo suficientemente grande para contrarrestar el decaimiento de la función
exponencial.
Gráfica 17. Respuesta del sistema críticamente amortiguado
Análisis de Espectros
2
Figura N°18. Respuesta del sistema críticamente amortiguado.
El régimen de amortiguamiento crítico es la frontera entre el sub amortiguamiento y
el sobre amortiguamiento.
Como ya se dijo si el factor de amortiguamiento g es igual a la frecuencia natural
w0, se dice que el amortiguamiento es crítico porque la masa tiende a la posición
de equilibrio debido al decaimiento exponencial en la posición en función del
tiempo. A partir de la posición en función del tiempo para el amortiguamiento
crítico, la velocidad resulta:
.Ct1Cetv 21t
Si las condiciones iníciales son x(0) = x0, y v(0) = v0, entonces aplicadas a otras
ecuaciones resultan las relaciones:
Análisis de Espectros
2
,Cx 10
;CCv 210
De donde se obtiene el valor de la constante C1, y para la constante C2 resulta:
.xvC 002
En el caso del amortiguamiento crítico la masa no tiene oportunidad de oscilar, y
cualquiera que sean las condiciones iníciales, la tendencia del movimiento es la de
llevar a la masa hacia la posición de equilibrio.
Sobreamortiguado:
Si c>cc ó ξ >1 El sistema no oscila pero retorna a su posición de equilibrio
lentamente, por tal motivo es denominado sistema sobre amortiguado.
En estas condiciones es evidente que no habrán oscilaciones, y la partícula
regresará a la posición de equilibrio sin rebasarla o rebasándola una vez a lo
sumo.
Si el medio es tan viscoso que la fuerza retardadora es más grande que la
restauradora, el sistema está sobre amortiguado.
Otra vez, el sistema desplazado, cuanto tiene libertad de moverse, no oscila, sino
simplemente regresa a su posición de equilibrio. Conforme aumenta el
amortiguamiento el tiempo que le toma al sistema aproximarse al equilibrio
también aumenta.
Análisis de Espectros
2
Figura N°19. Respuesta del sistema sobre amortiguado.
Es una onda senoidal con un desfase determinado, modulada por una exponencial
que decrece con el tiempo y una constante.
Se presenta cuando b > 2mo. Entonces de acuerdo con la definición de la
frecuencia angular de las oscilaciones amortiguadas, será imaginaria. Para unas
condiciones iníciales dadas (xo,vo), cuanto mayor sea el amortiguamiento más
tiempo empleará el sistema en quedar en reposo en la posición de equilibrio. Para
el oscilador sobreamortiguado, la solución de la ecuación diferencial es de la
forma:
Análisis de Espectros
2
Con
Donde A1 y A2 son dos constantes de integración cuyos valores dependerán de
las condiciones iníciales (xo,vo).
Si el factor de amortiguamiento g es mayor que la frecuencia natural w0, el radical
en el exponente de las exponenciales son menores que el factor de
amortiguamiento,
,2/12
02
Por lo que la función exponencial que multiplica a B1 crece más lentamente de lo
que la función exponencial que se encuentra fuera de los corchetes tiende a cero.
La velocidad de la masa en el movimiento sobreamortiguado es:
.eBeBetv t2
2/120
2t1
2/120
2t2/12
022/12
02
Si las condiciones iníciales son x(0) = x0, y v(0) = v0, entonces, aplicadas a otras
ecuaciones resultan las relaciones:
Análisis de Espectros
2
;BBx 210
,BBv 2
2/120
21
2/120
20
De donde se obtiene el valor de las constantes B1 y B2, resulta:
,
2
xvB
2/120
2
0
2/120
20
1
.
2
vxB
2/120
2
00
2/120
2
2
En el caso del sobreamortiguamiento la masa no tiene oportunidad de oscilar, y
cualquiera que sean las condiciones iníciales, la tendencia del movimiento es la de
llevar a la masa hacia la posición de equilibrio. La siguiente gráfica muestra las
características de este sistema.
Análisis de Espectros
2
Figura N°20. Respuesta del sistema sobre amortiguado
IMPORTANCIA DEL MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE EN EL ESTUDIO DE
LAS VIBRACIONES
Actualmente, el estudio y análisis de las vibraciones mecánicas ha tomado mayor
fuerza en la supervisión de los sistemas mecánicos, sobre todo de elementos de
tipo rotativo; ya que el monitoreo de condiciones de una maquina tiene como
propósito obtener información de la misma, de tal forma que permita determinar el
estado en que estas se encuentran, logrando que su operación y mantenimiento
sean sencillos, seguros y económicos.
De acuerdo a lo antes descrito, el movimiento armónico simple tiene una gran
participación debido a que es un movimiento modélico en el estudio de las
vibraciones, en este sentido, 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
Análisis de Espectros
2
configuración que perturban su normal funcionamiento, presentan molestias al
personal que los maneja y acortan la vida útil de los mecanismos.
Teóricamente se puede definir el movimiento armónico simple como un movimiento
periódico de vaivén, en el que un cuerpo oscila a un lado y a otro de su posición de
equilibrio, en una dirección determinada, y en intervalos iguales de tiempo. De allí se
precisa la importancia del movimiento armónico simple en el estudio de las
vibraciones, considerando que características como la frecuencia y la amplitud
dadas durante este movimiento permiten deducir el nivel de vibración de una
maquina determinada.
En relación con la obtención de los niveles de vibración a los que esta operando
una maquina donde se ha detectado un problema, es posible identificar cual ha
sido su causa y así buscar la forma y el momento de reparación mas eficiente, es
decir que elimine el fallo y su coste económico sea el mínimo posible.
En términos generales las características del movimiento armónico simple que se
presenten en el estudio de vibraciones van a proporcionar una orientación e
información al analista de cual es el estado de la maquina en estudio.
Análisis de Espectros