ingenieria de vibraciones i

7/23/2019 Ingenieria de Vibraciones I

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Curso TallerMantenimiento Predictivo basado en Vibraciones

INGENIERIA DE VIBRACIONES I

INDICE

CAPITULO 1

1. FUNDAMENTOS DE LA VIBRACION

1.1. QUE ES VIBRACION

1.2. POR QUE DEBEMOS MEDIRLA

1.3. CARACTERISTICAS DE LA VIBRACION1.3.1. AMPLITUD1.3.1.1. DESPLAZAMIENTO1.3.1.2. VELOCIDAD1.3.1.3. ACELERACION1.3.1.4. COMPARACION DE PARAMETROS DE AMPLITUD1.3.2. FRECUENCIA

1.3.3. FASE

1.4. ANALISIS ARMONICO

CAPITULO 2

2. MEDICION E INSTRUMENTACION

2.1. TRANSDUCTORES DE VIBRACION

2.1.1. SENSOR DE NO CONTACTO2.1.2. TRANSDUCTOR DE VELOCIDAD (SISMICO)2.1.3. ACELEROMETROS2.1.4. MONTAJE DE TRANSDUCTORES2.1.5. SELECCION DE TRANSDUCTORES

2.2. MEDIDORES DE VIBRACION

1Asociacin Colombiana de Ingenieros


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2.3. MONITORES DE VIBRACION

2.4. ANALIZADORES DE VIBRACION2.4.1. ANALIZADORES DE FILTRO DE BANDA2.4.2. ANALIZADORES DE TIEMPO REAL O ANALIZADORES FFT

2.5. COLECTORES DE DATOS

CAPITULO 3

3. ANALISIS DE VIBRACIONES

3.1. OBTENCION DE LA INFORMACION3.1.1. CONOCIMIENTO DE LA MAQUINA3.1.2. CONFIGURACION DE MAQUINARIA3.1.3. RECOPILACION DE LA INFORMACION DINAMICA3.1.4. PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION3.1.4.1. REPRESENTACION GRAFICA3.1.4.2. REPORTES

3.2. EVALUACION E INTERPRETACION DE LA INFORMACION3.2.1. SEVERIDAD DE LA VIBRACION3.2.1.1. NORMAS TECNICAS3.2.1.2. PUBLICACIONES3.2.1.3. MONITOREO DE LA TENDENCIA3.2.2. DIAGNOSTICO DE PROBLEMAS3.2.2.1. DESBALANCEO DE ROTORES3.2.2.2. DESALINEACION DE EJES Y COJINETES3.2.2.3. SOFT FOOT3.2.2.4. EXCENTRICIDAD DE POLEAS Y PIONES3.2.2.5. SOLTURA MECANICA3.2.2.6. DETERIORO EN RODAMIENTOS3.2.2.7. DETERIORO DE ENGRANAJES3.2.2.8. PROBLEMAS ELECTRICOS3.2.2.9. DETERIORO DE CORREAS3.2.2.10. EJES TORCIDOS

3.3. MEDIDAS CORRECTIVAS



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CAPITULO 4

4. MANTENIMIENTO PREDICTIVO EN BASE A VIBRACIONES

4.1. CLASES DE MANTENIMIENTO4.1.1. MANTENIMIENTO CORRECTIVO (POR AVERIA)4.1.2. MANTENIMIENTO PREVENTIVO (POR TIEMPO)4.1.3. MANTENIMIENTO PREDICTIVO (POR CONDICION)

4.2. PROGRAMA DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO (PMP)4.2.1. OBJETIVO DE UN PROGRAMA DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO4.2.2. DESARROLLO DE UN PMP

4.3. PERSONAL REQUERIDO PARA EL PROGRAMA DE MANTENIMIENTO4.4. CONSIDERACIONES ECONOMICAS



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1. FUNDAMENTOS DE LA VIBRACION

1.1 QUE ES VIBRACION?

Vibracin es el cambio de posicin en el tiempo (movimiento) de una mquina hacia un ladoy otro con respecto a su posicin de reposo.

Vibracin es una forma de energa que se desperdicia.

1.2 POR QUE DEBEMOS MEDIRLA?

Una mquina ideal no producira vibracin porque toda la energa sera canalizada hacia eltrabajo que realiza. En la prctica, la vibracin ocurre como producto de la transmisinnormal de fuerzas cclicas a travs de los mecanismos. Los elementos de una mquinareaccionan unos contra otros y disipan energa a travs de la estructura en la forma devibracin.

Un buen diseo producir bajos niveles de vibracin inherentes; sin embargo, como lasmquinas se desgastan, las bases se asientan y las partes se deforman se generan cambios enlas propiedades dinmicas de las mquinas. Los ejes se desalinean, las partes comienzan asufrir desgaste, los rotores se desbalancean y las tolerancias se incrementan.

Todos estos factores son reflejados en un incremento de la energa de vibracin, la cual,cuando es disipada a travs de la mquina crea en los soportes cargas dinmicas adicionalesconsiderables. Causa y efecto se refuerzan uno a otro hasta que la mquina finalmenteFALLA.

Queda entendido que el nivel de vibracin se incrementa debido a problemas mecnicos en lasmquinas; por lo tanto, mediante una exacta medicin de esa energa desperdiciada que vienede una mquina en forma de vibracin, estamos realmente midiendo la severidad delproblema mecnico en ella. Si su carro vibra ms hoy que cuando lo estuvo manejando ayeres porque se est desarrollando un problema mecnico en l; de la misma manera cuando unabomba, motor, ventilador o generador vibra ms hoy que ayer, es porque se est desarrollando



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en l un problema. Mediante la medicin de la vibracin estamos midiendo la SALUDMECANICA de un equipo o parte de equipo.

1.3 CARACTERISTICAS DE LA VIBRACION

El uso de la medicin de vibracin como una herramienta requiere la comprensin de suscaractersticas. Estas son: Amplitud, Frecuencia y Fase.

Aunque lo que sigue puede parecer complicado y requiere el entendimiento de algunas basesmatemticas, no lo es cuando se relaciona a circunstancias cotidianas. Necesitaremos unacompleta compresin de estos conceptos bsicos para usar efectivamente la medicin devibracin como herramienta.

1.3.1 AMPLITUD

Amplitud es solamente otra palabra para CANTIDAD. La amplitud o "cantidad" de vibracinpuede ser descrita de tres maneras: Desplazamiento, Velocidad y Aceleracin.

1.3.1.1 DESPLAZAMIENTO

Desplazamiento es el concepto que describe la distancia que viaja un objeto. La distancia queel peso de la Fig.1.1 se mueve hacia arriba y hacia abajo cuando vibra, es tambin undesplazamiento. Si el peso se mueve arriba y abajo 100 mils estamos describiendo sudesplazamiento pico a pico (Peak-to-Peak) y decimos que es pico a pico porque representa ladistancia que viaja desde su posicin lmite superior hasta su posicin lmite inferior; surepresentacin grfica en el tiempo corresponde a una vibracin armnica (Curva sinusoidal).

El desplazamiento instantneo del peso desde la posicin de referencia (Normal position)puede ser descrito matemticamente por medio de la siguiente ecuacin:

X = Xpeak Sen (2t/T) = Xpeak Sen (2ft) = Xpeak Sen (wt)

Las unidades en que normalmente es medido el desplazamiento, son: mils (1 mil = 0.001 plg)o micrones (1= 0.001 mm).



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FIGURA 1.1

1.3.1.2 VELOCIDAD

La segunda manera en que la amplitud de vibracin puede ser medida, es en Velocidad devibracin. Velocidad es la rata de cambio del desplazamiento con respecto al tiempo y es lamejor indicacin de la energa destructiva total.

FIGURA 1.2Como podemos ver en la Fig.1.2 la velocidad mxima del objeto se tiene cuando l pasa porsu posicin de referencia (Normal position). Cuando el objeto alcanza sus lmites superior einferior, su velocidad es cero. En mediciones de vibracin, normalmente se usa la velocidadpico (Peak).



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La velocidad instantnea del objeto puede ser descrita mediante la siguiente ecuacin:

V = dx/dt = wXpeak Cos (wt) = Vpeak Cos (wt) = Vpeak Sen (wt + /2)

Las unidades en que normalmente es medida la velocidad, son : plg/seg o mm/seg.

1.3.1.3 ACELERACION

Una tercera manera de medir la amplitud de la vibracin, es en aceleracin. La aceleracin esdefinida como la rata de cambio de la velocidad con respecto al tiempo.

Refirindonos a la Fig.1.3 podemos ver que la aceleracin no es constante sino que vara a

travs del ciclo en forma sinusoidal tambin. Cuando el objeto pasa por su posicin dereferencia (Normal position), su aceleracin es cero, mientras que los extremos de surecorrido la aceleracin es mxima y es donde ocurren fsicamente los mximos esfuerzosdentro de la mquina. Si la fuerza requerida para detener el movimiento vibratorio excede laresistencia de la carcaza del rotor, la mquina se rompe.

FIGURA 1.3

La aceleracin instantnea del objeto puede ser descrita por la siguiente ecuacin:

A = dv/dt = -Apeak Sen (wt) = Apeak Sen (wt + )

De las ecuaciones anteriores se puede ver que la forma y el periodo de vibracin semantienen, sean en desplazamiento, velocidad o aceleracin; sin embargo, la velocidad se



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adelanta al desplazamiento por un ngulo de fase de 90 grados y la aceleracin se adelanta ala velocidad por un ngulo de fase de 90 grados.

Las unidades normalmente usadas para describir la aceleracin de la vibracin, son: Gs (1G= 9.8 m/seg2) o m/seg2.

En resumen, existen tres formas de medir la amplitud de la vibracin, que son:Desplazamiento, Velocidad y Aceleracin. Cual se debe usar en una aplicacin especfica, locubriremos ms adelante.

Hasta el momento se ha descrito la magnitud o amplitud, en trminos de valores picos (PeakValue) que son de inmensa utilidad cuando se considera vibracin armnica. Pero si sonvibraciones ms complejas las que estn siendo estudiadas, se pueden utilizar otras cantidadesdescriptivas de magnitud.

1.3.1.4 AMPLITUD RMS (ROOT MEAN SQUARE)

FIGURA 1.4

El valor de la amplitud RMS es una cantidad descriptiva que se relaciona con el contenidoenergtico de las vibraciones.

Para movimiento armnico puro:

XRMS = 1/2 Xpeak

Una forma ms general para esta relacin, es:

XRMS = 1/Fc Xpeak



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Fc = Xpeak / XRMS

Donde el factor Fc es llamado Crest-Factor y es una indicacin del perfil de la onda bajoconsideracin.

Para movimiento armnico puro:

Fc = 2 = 1.414

De hecho, la gran mayora de los instrumentos disponibles actualmente realizan medicionesRMS y las convierten en mediciones Peak (Pico) para mostrar en sus displays, simplementemultiplicando la amplitud RMS para cada frecuencia por 1.414.

1.3.1.5 COMPARACION DE PARAMETROS DE AMPLITUD

Dos items importantes deben ser entendidos cuando se establecen alarmas espectrales paramquinas. Primero, uno debe conocer qu frecuencias forzantes sern generadas porproblemas como: desgaste en rodamientos, desgaste en cojinetes, problemas de engrane,problemas elctricos, desbalanceo, desalineacin, etc. Segundo, adems se debe saber queparmetro de vibracin (Desplazamiento, velocidad o aceleracin) detectar mejor aquellosproblemas que se vern en una mquina en particular.

Por ejemplo, algunos usuarios an toman espectros en desplazamiento para la mayora de sumaquinaria porque esta es la forma en que se ha hecho por muchos aos.

La Fig.1.5 muestra que mientras el desplazamiento hace un buen trabajo en mediciones debaja frecuencia, sobre todo por debajo de 600 CPM, para problemas detectados a mayoresfrecuencias su respuesta es inadecuada, tales como problemas de rodamientos y engranajes.

Por ejemplo, imagnese un soplador con fuerza transmitida por correas con un motor elctricode 3.600 RPM (Velocidad nominal), el cual tiene un serio problema de rodamientosmanifestado por vibracin a una frecuencia de 60.000 CPM y con una amplitud de 0.3 in/sec(Peak), tambin presenta un pico de 0.3 in/sec a la frecuencia de rotacin del motor. Sievaluamos la mquina teniendo en cuenta nicamente el desplazamiento, la ecuacin en laFig.1.5 muestra que 0.3 in/sec a 60.000 CPM corresponde a una casi despreciable amplitud de0.095 Mils, mientras que la vibracin a la frecuencia de giro (3.600 CPM) corresponde a unaamplitud de 1.59 Mils.

Partiendo de que las alarmas normales para esta mquina se establecen a 2 Mils, la vibracin ala frecuencia de giro puede ser fcilmente visible en un espectro de amplitud lineal mientras



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que la vibracin de alta frecuencia, (60.000 CPM) no. Esto nos dara una falsa sensacin deseguridad concerniente a la salud de los rodamientos. An ms, se podra pasar absolutamentepor alto la presencia del pico de alta frecuencia y obviamente nunca tratar de determinar su

fuente.

Un espectro en velocidad mostrara claramente el pico a la frecuencia de rodamiento y lomostrara de la misma altura que el pico a la frecuencia de giro (3.600 CPM).

FIGURA 1.5

Otro ejemplo: Aunque el desplazamiento sera el mejor indicador de desbalanceo odesalineacin en una mquina girando a 300 RPM, si el inters primario fuera la condicin desus engranajes, la velocidad nuevamente sera el mejor parmetro a emplear. Este escomnmente el caso en mquinas de la industria del papel y otras mquinas grandes y de muybaja velocidad.



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De otro lado, los espectros en velocidad tambin tiene sus limitaciones. Por ejemplo,imagnese un compresor centrfugo de are girando a 3.580 RPM, el cual tiene un pinconductor de 344 dientes (Fig.1.6). Esta mquina tendra su frecuencia fundamental de

engrane a aproximadamente 1'231.500 CPM (20.525 Hz). La experiencia ha demostrado queno solamente se debe vigilar esta frecuencia fundamental de engrane sino tambin su segundoarmnico. Este engrane en buenas condiciones, bien alineado, normalmente tendr un nivel devibracin de 6 G's (peak) en su segundo armnico (2'463.000 CPM). Si estos engranajesdesarrollaran un problema incrementando su amplitud a 2xGMF, 10 veces, es decir a 60 G's,este correspondera a un pico en velocidad de tan solo 0.089 in/sec. y a un pico endesplazamiento de 0.0007 Mils.

Por eso, el mejor indicador de problemas que son generados por frecuencias forzantes en estasregiones de alta frecuencia, particularmente por encima de 300.000 CPM, es la aceleracin.

Sin embargo, los espectros en velocidad han probado ser los mejores indicadores en lainmensa mayora de problemas (80-90%) relacionados con maquinaria rotativa. Si uds.observan el grfico de la Fig.1.5 se dan cuenta que para severidades similares, la velocidad esel nico parmetro que se mantiene constante entre 10 (600 CPM) y 1K Hz (60.000 CPM). Elmantenerse constante determina que la velocidad es un directo indicador de la severidad de lavibracin en dicho rango y en ese rango es justamente donde se presentan la gran mayora deproblemas relacionados con maquinaria rotativa industrial convencional.

FIGURA 1.6



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1.3.2 FRECUENCIA

LaFig.1.7 ayuda a ilustrar el concepto de frecuencia. Como se ve en la figura, definimos un

ciclo de vibracin, como el movimiento del objeto oscilante de su posicin de referencia(Normal position) al lmite superior de la trayectoria (Top limit), al limite inferior (Bottomlimit) y de regreso a su posicin de referencia.

FIGURA 1.7

Frecuencia es definida como el nmero de ciclos por unidad de tiempo, usualmente descritacomo ciclos por segundo (Hz) o ciclos por minuto (CPM). Este es un concepto muyimportante y ser usado extensivamente cuando lleguemos al capitulo de anlisis devibraciones. El periodo es el tiempo necesario para completar un ciclo de movimiento:

T = 2/wn = 2(m/k)

Y la frecuencia est dada por:

fn = 1/2(k/m)

El smbolo fn representa la frecuencia natural del sistema vibratorio.

1.3.3 FASE

Otra caracterstica importante de la vibracin es la Fase. Se define Fase como "la posicin deuna pieza que vibra en un instante dado con relacin a un punto fijo o a otra pieza que vibra".



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En la prctica, las medidas tomadas de fase constituyen un modo conveniente de comparar unmovimiento vibracional con otro, o de determinar como vibra una pieza con respecto a otra.Por ejemplo, las dos pesas de la Fig.1.8 se encuentran vibrando a la misma frecuencia y

desplazamiento, pero la pesa A se halla al lmite superior del movimiento mientras que la Best al lmite inferior.

Trazando un ciclo completo del movimiento de dichas pesas y empezando por el mismomomento, vemos que los puntos de desplazamiento pico estn separados por 180 grados.

FIGURA 1.8

FIGURA 1.9



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Entonces decimos que los movimientos de las dos pesas estn desfasados en 180 grados, o seaque su vibracin est desfasada 180 grados.

En la Fig.1.9 la pesa X se halla en el lmite superior de su trayectoria, mientras que la pesa Yse halla en la posicin de referencia. Estas dos pesas estn vibrando con un desfase de 90grados.

En la Fig.1.10 las pesas C y D estn en la misma posicin, lo cual obviamente significa quelos movimientos vibratorios de los dos cuerpos se hallan en fase.

FIGURA 1.10

Las lecturas de fase se expresan normalmente en grados, de 0 a 360 grados, siendo un ciclocompleto de vibracin igual a 360 grados.

1.4 ANALISIS ARMONICO

El movimiento peridico mostrado en la Fig.1.11, puede ser representado por la suma de dosmovimientos armnicos; por lo tanto, los movimientos peridicos pueden ser descompuestosen ms movimientos armnicos bsicos. Matemticamente se puede expresar como:

Y = Y1 Sen (wt) + Y2 Sen (2wt)



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Note que cada movimiento armnico tiene una amplitud diferente, Y1 y Y2, y el movimientoarmnico de segundo orden tiene una frecuencia igual al doble de la frecuencia fundamental w.

FIGURA 1.11

FOURIER, un matemtico francs (1768-1830), demostr que una funcin peridica puedeser representada por una serie de funciones seno y coseno, las cuales tienen frecuencias queson mltiplos de la frecuencia fundamental de la funcin peridica. Las series de Fourier sonde la forma:

X(t) = Ao/2 + A1 Cos (wt) + A2 Cos (2wt) + .+ B1 Sen (wt) + B2 Sen (2wt) + .

Donde:

Ao/2 = Valor promedio de la seal de vibracinw = Frecuencia de la seal de vibracin (rad/seg)A1, A2,An = Coeficientes armnicos de los cosenosB1, B2,Bn = Coeficientes armnicos de los senos

La forma alterna de las series de Fourier utiliza amplitudes y ngulos de fase para describir lavibracin peridica. Esta vibracin o seal dinmica o forma de onda compleja en el dominiodel tiempo, esta compuesta en una mquina real, de muchas formas de onda sencillas y no

necesariamente armnicas de la frecuencia fundamental.La Fig.1.12 muestra esquemticamente una descomposicin general de una forma de onda endominio del tiempo. La descomposicin se ha hecho en sus formas de onda armnicas. Lasamplitudes de los armnicos se muestran en el dominio de frecuencia (Amplitud vsFrecuencia). Note que el dominio del tiempo no puede ser reconstruido a partir del dominio defrecuencia, sin ngulos de fase entre los componentes armnicos.



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FIGURA 1.12

Cada uno de los componentes armnicos son llamados vibracin discreta, mientras que laforma de onda compleja es llamada vibracin total (Overall Vibration) y su amplitud puedeser calculada as:

OA = (Ai2) / 1.5 = (A12+ A22+ + An2) / 1.5

Donde:

OA = Vibracin total de espectron = Nmero de lneas FFT de resolucin del equipoAi = Amplitud de cada una de las lneas del FFT


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