resumen vibraciones curso ingenieria naval 2007

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MECANICA DE MAQUINAS “VIBRACIONES MECANICAS” Presentado por: CURSO INGENIERIA NAVAL ESPECIALIDAD MECANICA TEMA: VIBRACIONES MECANICAS ESCUELA NAVAL ALMIRANTE PADILLA FACULTAD DE INGENIERIA NAVAL, PROGRAMA MECANICA Cartagena D.T. y C, 19 de Noviembre de 2007

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Page 1: Resumen Vibraciones Curso Ingenieria Naval 2007

MECANICA DE MAQUINAS “VIBRACIONES MECANICAS”

Presentado por:

CURSO INGENIERIA NAVAL ESPECIALIDAD MECANICA

TEMA:

VIBRACIONES MECANICAS

ESCUELA NAVAL ALMIRANTE PADILLAFACULTAD DE INGENIERIA NAVAL, PROGRAMA MECANICA

Cartagena D.T. y C, 19 de Noviembre de 2007

INTRODUCCION

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Los procedimientos y los contenidos para capacitar y certificar al personal que realiza monitoreo de condición de vibración, identificando fallas en máquinas y que recomienda acciones correctivas. Han conocido de antemano todos los parámetros de vibración en maquinaria rotativa, cartas de severidad entro otros temas fundamentales para comprender a fondo esta ciencia, por esto es de gran utilidad estos temas a ver, ya que la industria Actual a aplicado estas técnicas de manera diligente y consistente, teniendo un retorno de la inversión que exceden en mucho sus expectativas. Sin embargo, la efectividad de estos programas depende de las capacidades individuales de quienes realizan las mediciones y analizan los datos.

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MODELO DE UN ROTOR

El movimiento que presenta un rotor puede ser considerado como un oscilador, el cual puede ser descrito mediante dos grados de libertad (desplazamiento horizontal (x) y desplazamiento vertical (y), que son perpendiculares al eje del rotor); y que presenta un modelo matemático en función de su masa (M), coeficiente de amortiguamiento (c), coeficiente de rigidez (k) que es diferente tanto en x como en y, la aceleración gravitacional (g).

Al analizar el modelo matemático se debe tener claro que dicha oscilación en el rotor se debe a un desbalanceo de su masa (m) al estar desplazada del centro geométrico del rotor y a una distancia radial (re), la cual se analiza mediante las siguientes ecuaciones:

M x

¿∗¿ + c x¿

+ kxx = mr w2 cos wt M y

¿∗¿ + c y¿

+ kyy =mr w

2sen wt − Mg

¿

¿

El desbalanceo de masa en el rotor puede evaluarse como la fuerza centrífuga igual al peso del rotor, radio, velocidad angular rotor, entre la gravedad.

Para calcular la amplitud y fase de esta oscilación se hace a Fo= mr w2 y m=M,

obteniendo entonces que la amplitud máxima en X , Y y ángulo de fase será:

x0 , y0 = m r w2

√( kx , y−Mw2 )2 + (cw )2

tanφx , y=cw

kx , y− Mw2

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RESPUESTA SINCRÓNICA DE UN SISTEMA

Se refiere al movimiento dinámico dado por la vibración forzada que ocasiona el desbalanceo alrededor de la posición de equilibrio del rotor; dicho movimiento dinámico es la relación entre la fuerza centrífuga y la sumatoria vectorial de la rigidez del sistema. La frecuencia de la oscilación es coincidente con la velocidad de rotación del rotor.

El diagrama de rigidez nos presenta de forma vectorial la amplitud y fase de la oscilación, en donde la aceleración, velocidad y desplazamiento están separadas por incrementos de 90º.

Esta respuesta y la rigidez se pueden cuantificar en tres zonas de operación del rotor: a baja velocidad donde la frecuencia es pequeña y la rigidez es la constante k, respondiendo como un resorte puro; región de primera resonancia donde la frecuencia se determina por la raíz de la rigidez entre la masa del rotor, y el amortiguamiento dinámico es lo único que opera a velocidad es crítica; zona de alta velocidad, superior a la de resonancia, el rotor responde como un resorte puro con amortiguación dado que la frecuencia es mucho mayor.

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LAS VIBRACIONES COMO MOVIMIENTO DINÁMICO

DESBALANCEO:

Una masa excéntrica girando generará una fuerza centrífuga en su pivote central a la frecuencia de una vez la velocidad de revolución. La dirección de esta fuerza es radialmente hacia fuera.El desbalanceo de la maquinaria es una de las causas más comunes de la vibración. En muchos casos, los datos arrojados por un estado de desbalanceo indican:

1. La frecuencia de vibración.2. La amplitud es proporcional a la cantidad de desbalanceo.3. La amplitud de la vibración es normalmente mayor en el sentido de la

medición radial, horizontal o vertical (en las maquinas de ejes horizontales).

El desbalanceo de un rotor en voladizo o saliente, es decir montado directamente en la punta de los ejes, a menudo tiene como resultado una gran amplitud de la vibración en sentido axial, al mismo tiempo que en sentido radial.Como el desbalanceo es un efecto “no deseado” la tecnología se dedica a eliminarlo y para ello se recurre a métodos como:

a) Detectar la región de exceso de masa y su magnitud y agregar una masa equivalente en una posición diametralmente opuesta.b) además de lo anterior, extraer el exceso de material.

DESALINEACIÓN:

En la mayoría de los casos, los datos derivados de una condición de falta de alineación indican lo siguiente:

1. La frecuencia de vibraciones de 1 x r.p.m.; también 2x y 3x r.p.m. en los casos de una grave falta de alineación.

2. La amplitud de la vibración es proporcional a la falta de alineación.3. La amplitud de la vibración puede ser alta también en sentido axial, además

de radial.4. El análisis de fase muestra lecturas de fase inestables.

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La falta de alineación, aun con acoplamientos de problemas debidos a falta de alineación y a ejes torcidos es la presencia de una elevada vibración en ambos sentidos, radial y axial. En general, cada vez que la amplitud de la vibración axial sea mayor que la mitad de la lectura radial más alta, hay un buen motivo de sospechar la existencia de un problema de alineamiento o eje torcido. Los tres tipos básicos de falta de alineación en el acoplamiento son: angular, en paralelo y una combinación de ambos.Una falta de alineación angular sujeta principalmente los ejes de las maquinas accionadora y accionada a vibración axial igual a la velocidad de rotación (r.p.m.) del eje.La falta de alineación en paralelo produce principalmente vibración radial con una frecuencia igual al doble de la velocidad de rotación del eje.

FENOMENOS HIDRAULICOS:

Son aquellos que se dan como resultado de la interacción de las energías cinética y potencial de la corriente en ductos, ríos, saltos de agua o mareas.

La Hidráulica General aplica los conceptos de la Mecánica de los Fluidos y los resultados de experiencias de Laboratorio en la solución de problemas prácticos que tienen que ver con el manejo del agua en almacenamientos y en conducciones a presión y a superficie libre.

Conductos a presión

Son conductos cerrados que funcionan llenos. Aunque su sección transversal no es siempre circular se conocen usualmente como Tuberías.El movimiento del líquido se produce por diferencias de Energía Hidráulica a lo largo del conducto. 

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La Energía Hidráulica (H) tiene tres componentes que son la Energía Potencial (Z), la Presión Interna (h) y la  Energía Cinética (hv) del líquido en movimiento. La relación entre ellas se analiza por medio de la ecuación de Bernoulli: 

H = Z + h + hv 

FENOMENOS AERODINAMICOS:

Fuerzas aerodinámicas: Acciones producidas por el viento en una estructuraconsiderando su geometría antes de la deformación. En general, las estructuras convencionales poseen la suficiente rigidez para que no resulten susceptibles a los efectos de excitación dinámica por la acción del viento. A efectos de aplicación de la presente Instrucción, la acción del viento puede asimilarse, en general, a una carga estática, que cubre adecuadamente dichos fenómenos. Las normativas que establecen las acciones sobre las estructuras delimitan, generalmente, el rango de aplicación de las fuerzas estáticas equivalentes a la acción del viento.

En ciertas estructuras con esquemas resistentes singulares no convencionales, o de gran esbeltez, resulta necesario analizar su respuesta bajo los efectos dinámicos de resonancia entre la turbulencia del viento y los modos propios de vibración de la estructura. Es el caso, en general, de estructuras tales como:- Edificios esbeltos de gran altura, en general superior a 100 m.- Puentes y pasarelas con luces superiores, respectivamente, a 200 m. ó 100m., o con relaciones entre puntos de momento nulo, superiores a 30 m.- Puentes o sistemas colgantes o atirantados, con frecuencias fundamentales de torsión y flexión relativamente próximas.- Elementos flexibles tales como cables, barras o tirantes de estructuras colgadas o atirantadas.

Se puede establecer una lista de los efectos más comunes del viento sobre las construcciones:

Deformabilidad excesivaPérdida de estabilidadFatigaRotura de elementos estructuralesRotura de elementos no estructuralesVibraciones que afectan el confort de los ocupantes

Causas que producen estos efectos:Condiciones climáticasvelocidad del vientodirección del vientovariación estacionalefectos dinámicos por presiones fluctuantes

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coeficientes aerodinámicosestimación de la presión interna

FENOMENOS ESTRUCTURALES:

Las vibraciones pueden afectar a la funcionalidad o durabilidad de las estructuras bajo condiciones de servicio.

La adecuada respuesta en servicio de una estructura, o un elemento estructural aislado, debe garantizar:

- El confort de los usuarios, la ausencia de deterioros en la propia estructura, o en los elementos no resistentes soportados por ella, originados por efectos dinámicos, el correcto funcionamiento y durabilidad de posibles maquinarias, servicios, instalaciones, sensibles a estos fenómenos.

Los efectos dinámicos a considerar pueden ser inducidos por maquinarias, movimientos sincronizados de gente (andando, corriendo, bailando o saltando),sobrecargas de tráfico carretero o ferroviario, vibraciones del terreno adyacente (inducidas por tráfico en las proximidades, por ejemplo), viento y oleaje. Dichos efectos pueden resultar amplificados por condiciones de resonancia.Para limitar los efectos vibratorios en las estructuras, los valores de sus frecuencias propias, o de las de elementos estructurales aislados, deben estar suficientemente alejados (generalmente superiores) de las frecuencias de las eventuales fuentes de excitación, con objeto de evitar fenómenos de resonancia.En estructuras, o elementos estructurales, con frecuencias propias bajas, o próximas a las de excitación, los controles establecidos en este articulado pueden no resultar adecuados o suficientes, debiéndose proceder a un análisis dinámico refinado de la respuesta estructural (amplitudes, velocidades y aceleraciones), que incluya la consideración de los posibles amortiguamientos.

El comportamiento dinámico de estructuras resulta difícil de evaluar con precisión, tanto en lo relativo a las caracterización de las cargas dinámicas, como de las condiciones de masa, rigidez y amortiguamiento de los elementos estructurales, así como de los no resistentes (tabiquerías, cerramientos, solados, barandillas, etc).

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MEDICIÓN DE LA VIBRACIÓN

Parámetros de la vibración y su importancia

La vibración es el movimiento de vaivén de una maquina o elemento de ella en cualquier dirección del espacio desde su posición de equilibrio. La medición y análisis de vibraciones es utilizado, en conjunto con otras técnicas, en todo tipo de industrias como técnica de diagnóstico de fallas y evaluación de la integridad de máquinas y estructuras.

El objetivo del análisis de vibraciones es poder extraer el máximo de información relevante que ella posee.

La medición proporciona los siguientes parámetros: aceleración de la vibración, velocidad de vibración y variación de vibración. De este modo se caracterizan las vibraciones con precisión.Es posible examinar la misma señal de vibración en términos de Aceleración, Velocidad y Desplazamiento; la velocidad a cualquier frecuencia es proporcional al desplazamiento multiplicado por la frecuencia, lo que quiere decir que también es igual al desplazamiento multiplicado por el cuadrado de la frecuencia.

Cuando se estudia el espectro de vibraciones de una máquina, es deseable enseñar el parámetro que mantenga un nivel más uniforme en todo el rango de frecuencias. Eso aumentará al máximo el rango dinámico de la señal medida. Para la mayoría de máquinas rotativas, de tamaño medio, se verá que es la velocidad de vibración que produce el espectro más uniforme, y por esa razón, es la que se escoge como parámetro de default del monitoreo de máquina.

Los parámetros de las vibraciones y su importancia son:

Frecuencia: se define como el número de ciclos completos en un periodo de tiempo. Se mide en CPM (ciclos por minuto).Existe una relación importante entre frecuencia y velocidad angular de los elementos rotativos. La correspondencia entre cpm y rpm identificara el problema y la pieza responsable de la vibración. Esta relación es debida a que las fuerzas cambian de dirección y amplitud acuerdo a la velocidad de giro. Los diferentes problemas son detectados por las frecuencias iguales a la velocidad de giro o bien múltiplos suyos. Cada tipo de problema muestra una frecuencia de vibración distinta. Así determinamos la vibración Sincrónica que ocurre a las frecuencias que son múltiples directos o fracciones enteras de la velocidad rotativa de las maquinas y la vibración Asincrónica ocurre a frecuencias diferentes de los múltiplos directos o fracciones enteras de la velocidad de rotación del eje de la maquina.

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La amplitud de la vibración indica la importancia, gravedad del problema, esta característica da una idea de la condición de la maquina. Se podrá medir la amplitud de desplazamiento, velocidad o aceleración. La velocidad de vibración es la velocidad máxima que adquiere el elemento en movimiento durante un ciclo de vibración, tiene en cuenta el desplazamiento y la frecuencia, es por tanto un indicador directo de la severidad de vibración. El desplazamiento es una medida de Amplitud de vibración pico a pico.

La velocidad se mide de pico mayor de todo el recorrido que realiza el elemento al vibrar. La unidad es mm/s. El cambio de esta característica trae consigo un cambio de aceleración. La velocidad tiene una relación directa con la severidad de la vibración, por este motivo es el parámetro que siempre se mide.

La aceleración esta relacionada con la fuerza que provoca la vibración, algunas de ellas se producen a altas frecuencias, aunque la velocidad y el desplazamiento sean pequeños

El spike energy o energía de impulsos proporciona información importante a la hora de analizar vibraciones. Este parámetro mide los impulsos de energía de vibración de breve duración y por lo tanto de alta frecuencia.

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Pueden ser impulsos debidos a Defectos en la superficie de elementos de rodamientos o engranajes; Sin este parámetro es muy difícil detectar engranajes o rodamientos defectuosos. Con esta medida se encuentra rápidamente las vibraciones a alta frecuencia.

Angulo de fase que se define como la medición en grados de la relación en tiempo entre eventos, describe la vibración mediante la comparación de los movimientos dinámicos de elementos vibrando con lo cual determinamos si se encuentran en fase o en desfase. La fase define comparativamente el lugar de un problema, así la medición del angulo de fase son definitivas en el balanceo de un rotor y pueden llegar a ser fundamentales en el análisis y diagnostico de maquinaria rotativa.

Forma de la onda: es utilizada para observar el comportamiento grafico de la vibración y el posterior análisis mediante la medición de la amplitud, la relación de fases, la verificación de la simetría, la medida de la amortiguación, la dirección de la fuerza, duración de una perturbación y el efecto de las variables sobre el comportamiento dinámico. Para su estudio grafico se utilizan coordenadas cartesianas amplitud vs tiempo con lo cual puedo identificar fenómenos como observar los pulsos agudos y repetidos, cambios de fase y modulación de amplitud, diferenciar el desbalanceo y desalineación, calcular longitud de grietas en rodamientos defectuosos y determinar condiciones de inestabilidad en cojinetes. Por ultimo encontramos las orbitas las cuales representan una fotografía magnificada del movimiento del eje dentro del juego interno del cojinete las cuales me brindan información importante para el diagnostico de problemas como el desalineamiento, desbalanceo, inestabilidad de maquinas y roces.

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PARAMETROS PARA LA VIBRACION RADIAL

LAVELOCIDAD

Con la variable velocidad de vibración se evalúan los problemas de montaje del equipo:

Desbalanceo Desalineación Ejes torcidos Excentricidad Correas en mal estado Falta de rigidez Golpes cíclicos Fenómenos eléctricos Fenómenos hidráulicos

ACELERACION

Para equipos donde sus ejes estén soportados por rodamientos, inclusive se encuentren dentro del equipo engranajes, con el seguimiento de la aceleración de la vibración evaluamos los fenómenos de desgaste: falla de película lubricante, falla incipiente de rodamientos, falla severa de rodamientos, desgaste de engranajes y problemas de cavitación en bombas centrífugas. En estos casos el fondo de escala de la lectura de vibraciones es 10 Khz. Se recomienda entre 2 y 5 promedios según la variación de la vibración a Escalas: lineal (g) en vertical y (Hz.) en horizontal.

CONTROLAR

Se controlan en cada apoyo de los ejes que tuviera el equipo.

Velocidad Equipos horizontales: horizontal (radial) vertical (radial) \ axial (cojinete empuje)

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Equipos verticales: N-S (radial) E-O (radial) Axial (cojinete empuje).

Aceleración: Se toma en la dirección de mayor solicitación, o en el mejor acceso al rodamiento, Ej.: Equipos horizontales c/acople: vertical Equipos horizontales c/correas: vertical y dirección correa. Cajas reductoras: vertical. Equipos verticales c/acople: 1 dirección más directa al rodamiento N-S o E-O y axial cojinete soporte. Equipos verticales: c/correa dirección correas y axial cojinete soporte.

FRECUENCIA

Es el tiempo necesario para completar un ciclo de vibración, en los estudios de vibración su usan los CPM (ciclos por segundo) o HZ ( Hercios)

DESPLAZAMIENTO

Es la distancia total que describe el elemento vibrante, desde un extremo al Otro de su movimiento.

DIRECCION

Las vibraciones pueden producirse en 3 direcciones lineales y 3 rotacionales.

OTRAS MEDICIONES EN MAQUINAS ROTATIVAS:

La medición de la Vibración se puede definir como el estudio de las oscilaciones mecánicas de un sistema dinámico. Las mediciones de vibración deben ser hechas con la finalidad de producir los datos necesarios, para realizar significativas conclusiones del sistema bajo prueba.

A las maquinas rotativas se le aplican otras mediciones como son:

Análisis de ruido Termografía infrarroja Balanceo Análisis de aceite Implementación del sistema mantenimiento predicativo

Para ello se requiere instalar a un sistema integrado como aparece a continuación:

Un sistema de medición y procesamiento de señales de vibración por computadora típica, está formado por:

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Los transductores de vibraciones (Acelerómetros, LVDTs, Sondas de Corriente Eddy) los cuales son los encargados de transformar las vibraciones en señales eléctricas.

Un sistema de acondicionamiento de señal, el cual se encarga de recoger las diferentes señales, amplificarlas y llevarlas a los niveles de tensión aceptados por el sistema de adquisición de datos.

La tarjeta de adquisición de datos, la cual se encarga de digitalizar la señal, realizando para ello, un muestreo discreto de la señal analógica proveniente del acondicionamiento de señal, y de introducirla al computador donde se realizan diferentes tipos de procesamiento para obtener toda la información que se requiere para el análisis y monitoreo de las vibraciones de las máquinas.

A continuación se muestran los diferentes tipos de transductores usados para la medición de vibración:

• Transductores de Aceleración o Acelerómetros Piezoresistivos o Acelerómetros Piezoeléctricos.

• Transductores de desplazamiento o LVDTs. o Corriente Eddy o Capacitivos

• Transductores de velocidad o Vibrómetros Láser

Traductores de Aceleración

Los acelerómetros son dispositivos para medir aceleración y vibración. Estos dispositivos convierten la aceleración de gravedad o de movimiento, en una señal eléctrica analógica proporcional a la fuerza aplicada al sistema.

Adicionalmente existen otras clases de acelerómetros tales como:

• Acelerómetros de alta sensibilidad para estudios geológicos y detección de terremotos.

• Acelerómetros para choque.

• Acelerómetros capacitivos para baja frecuencia.

• Acelerómetros miniatura.

• Amplificadores y convertidores de carga.

• Calibradores de vibración.

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• Medidores de vibración portátiles.

• Monitorizado de vibraciones en máquinas industriales.

Transductor de Desplazamiento

Los instrumentos de Corriente Eddy son dispositivos de desplazamiento sin contacto, que miden directamente la posición de un eje giratorio con respecto a un punto “fijo”. El cambio en la posición de un eje provee una indicación directa de la vibración. La punta de la sonda contiene una bobina encapsulada,la cual cuando es excitada con una señal de alta frecuencia genera un campo electromagnético

Transductor de Velocidad

Es un dispositivo de medición que emplea la tecnología láser y la interferometría1 óptica para medir de forma remota, velocidades de superficie o vibraciones de puntos específicos en una estructura en vibración, con una alta resolución espacial, y un amplio rango de amplitud y frecuencias.

CARTAS DE SEVERIDAD:

El nivel de vibración que posee una máquina está determinada por: el diseño, materiales, montaje, rigidez estructural y amortiguación. Se han publicado guías o cartas de severidad propuestas por organizaciones, asociaciones comerciales, sociedades técnicas y fabricantes de equipos tales como:

ISO 2372

" Vibración mecánica de máquinas con velocidades de operación entre 10 y 200 Hz ". Mediciones hechas en la estructura.

ISO 3945

" Vibración mecánica de grandes máquinas rotativas con velocidades entre 10 y 200 Hz". Mediciones hechas en la estructura sobre varias elevaciones.

ISO 7919

“Vibración mecánica de máquinas no reciprocantes ". Mediciones hechas sobre los ejes.

El Instituto Americano del Petróleo -API- ha publicado los siguientes criterios para la severidad de la vibración en donde incluyen calidad de balanceo dinámico y tolerancias de vibración:

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API - 611 : criterios generales para turbinas de vapor.

API - 612 : criterios especiales para turbinas de vapor.

API - 613 : criterios especiales para cajas de engranajes.

API - 616 : turbinas de combustión a gas.

API - 617 : compresores centrífugos.

La carta de severidad IRD de la vibración para maquinaria en general es un indicador del nivel de vibración en que podemos clasificarla, esta carta muestra la amplitud de la vibración en desplazamiento - micrones- en el eje vertical, y en el eje horizontal la frecuencia - RPM- , también aparecen líneas oblicuas -pendiente negativa- que miden el nivel de vibración en velocidad que van desde 0.125 mm/s hasta 16 mm/s y entre cada una de ellas se establece una zona que la califican desde extremadamente fino hasta gravísimo.

Carta de severidad IRD de la vibración para maquinaria en general

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Norma ISO 10816. Vibración mecánica de maquinas con velocidades de operaciones entre 100 y 200 rev/s, bases para la especificación de estándares de evaluación. Las características más relevantes de esta norma son:

Es aplicable a los equipos rotativos cuyo rango de velocidades de giro esta entre 600 y 12000 RPM.

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Los datos que se requieren para su aplicación son el nivel global de vibración en velocidad – valor eficaz RMS, en un rango de frecuencia entre 10 y 1000 Hz, distinguiendo varias clases de equipos rotativos:

CLASE I – Equipos pequeños hasta 15 Kw.

CLASE II – Equipos medios, de 75 Kw o hasta 300 Kw con fundación o cimentación espacial.

CLASE III – Equipos grandes, por encima de 75 Kw con fundación o cimentación rígida o de 300 Kw con fundación o cimentación espacial. CLASE IV – turbo maquinaria (equipos con RPM > velocidad critica).

CONCLUSIONES:

En vibración se parte del principio de que un cuerpo vibra cuando experimenta cambios alternativos, de tal modo que sus puntos oscilen sincrónicamente en torno a sus posiciones de equilibrio, sin que el campo cambie de lugar, por ende Dentro de los parámetros de la vibración radial se estudia la aceleración y la velocidad los cuales son fundamentales para la optimización de las pruebas de vibración de igual forma la carta de severidad IRD de la vibración para maquinaria en general es un indicador del nivel de vibración en que podemos clasificarla en que podemos

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clasificar las maquinas, Las normas de severidad de vibraciones de maquinarias se basan en dos parámetros de vibración: amplitud y frecuencia

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