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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE QUITO
CARRERA:
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
Trabajo de titulación previo a la obtención del título de:
INGENIEROS ELECTRÓNICOS
TEMA:
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO ELECTRÓNICO PARA
MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y PREDICTIVO DE LOS MOTORES
ELÉCTRICOS DE LOS LABORATORIOS DE ELECTRÓNICA DE LA
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA – SEDE QUITO, CAMPUS SUR,
MEDIANTE ANÁLISIS DE VIBRACIÓN MECÁNICA.
AUTORES:
PEDRO LUIS TENE ASIMBAYA
BYRON MIGUEL ORTIZ VACA
TUTOR:
WILLIAM MANUEL MONTALVO LÓPEZ
Quito, marzo del 2016
Dedicatoria
Dedico esta meta cumplida a mis padres Miguel Ortiz y Ximena Vaca por apoyarme
siempre y enseñarme valores únicos que me formaron como una persona íntegra, a mis
hermanos por ser mi inspiración para superarme.
A mis compañeros Pedro y Erick por ser unas excelentes personas y ser parte de esta
meta cumplida.
A mis tíos Cecilia y Cesar por ayudarme en momentos difíciles y brindarme su ayuda
incondicionalmente.
Byron Miguel Ortiz Vaca
A Dios por regalarme la gracia de obtener este título, y por haberme dado la bendición
de tener unos padres maravillosos, Víctor Tene e Hilda Asimbaya, a quienes les dedico
toda esta meta cumplida porque fueron mi aliento y apoyo en cada paso para
conseguirlo, a mi preciosa hija Nathaly por ser mi mayor inspiración y mis ganas de
seguir adelante.
A mis compañeros Erick y Byron por ser parte de esta meta cumplida.
Al Padre Juan Carlos Jiménez, por apoyarme en cada momento con sus consejos que
formaron parte de este éxito obtenido.
Y a mis hermanas porque siempre formaron parte de las metas cumplidas.
Pedro Luis Tene Asimbaya
Índice
Introducción ....................................................................................................................... 1
Capítulo 1 ........................................................................................................................... 3
Antecedentes ...................................................................................................................... 3
1.1 Tema de proyecto ......................................................................................................... 3
1.2 Justificación.................................................................................................................. 3
1.3 Delimitación ................................................................................................................. 4
1.3.1 Delimitación temporal ............................................................................................... 4
1.3.2 Delimitación espacial ................................................................................................ 5
1.3.3 Delimitación académica ............................................................................................ 5
1.3.4 Planteamiento del problema ...................................................................................... 6
Objetivos…. ................................................................................................................. 7
1.4.1 Objetivo general ........................................................................................................ 7
1.4.2 Objetivos específicos ................................................................................................ 7
Capítulo 2 ........................................................................................................................... 9
Marco teórico ..................................................................................................................... 9
2.1 Tipos de mantenimiento ............................................................................................... 9
2.1.1 Mantenimiento preventivo o planificado .................................................................. 9
2.1.2 Mantenimiento Predictivo o Por condición............................................................. 11
2.2 Análisis vibracional .................................................................................................... 12
2.2.1 Norma ISO 2372 para análisis de vibración mecánica. .......................................... 14
2.2.2 Fundamentos de vibraciones mecánicas ................................................................. 17
2.2.3 Análisis de espectro................................................................................................. 19
2.2.4 Comparaciones tiempo-frecuencia .......................................................................... 20
2.3 Transductores de vibración ........................................................................................ 20
2.3.1 Transductor de aceleración (piezoeléctrica)............................................................ 21
2.3.2 Transmisor de vibración ST5484C ......................................................................... 23
2.4 Introducción a motores eléctricos .............................................................................. 26
2.4.1 Clasificación ............................................................................................................ 27
2.4.1.1 Motores de corriente continua .............................................................................. 27
2.4.1.2 Motores de corriente alterna................................................................................. 28
2.4.1.2.1 Motor monofásico ............................................................................................. 28
2.4.1.2.2 Motor dahlander ................................................................................................ 29
2.4.1.2.3 Motor trifásico ................................................................................................... 29
2.4.1.2.4 Fallas típicas de los motores ............................................................................. 29
2.5 Adquisición de datos .................................................................................................. 30
2.5.1 Tarjeta de adquisición de datos arduino .................................................................. 31
Capítulo 3 ......................................................................................................................... 33
Desarrollo ......................................................................................................................... 33
MakerHub labview 2013 ............................................................................................ 33
Conexión transmisor de vibración ............................................................................. 36
Criterios de diseño...................................................................................................... 36
Lista de materiales...................................................................................................... 38
Implementación del módulo electrónico para análisis de vibración .......................... 40
3.5.1 Circuito de carga ..................................................................................................... 40
3.5.2 Circuito de control................................................................................................... 42
3.5.2.1 Diagrama de control ............................................................................................. 42
3.5.3 Circuito de fuerza .................................................................................................... 43
3.5.3.1 Diagrama de fuerza .............................................................................................. 43
Adquisición de datos .................................................................................................. 44
Implementación .......................................................................................................... 45
3.7.1 Motor trifásico ......................................................................................................... 45
3.7.2 Motor monofásico ................................................................................................... 46
3.7.3 Motor dahlander ...................................................................................................... 48
3.7.4 Motor dc. ................................................................................................................. 49
Pantalla principal del programa ................................................................................. 50
3.8.1 Pantalla menú de selección de motores ................................................................... 51
Programación del sistema de vibración ..................................................................... 53
3.9.1 Bloques… ................................................................................................................ 54
3.9.2 Toolkit sound and vibration .................................................................................... 59
Interfaz gráfica de corrección de errores .................................................................. 63
Pruebas y resultados ................................................................................................. 67
Conclusiones .................................................................................................................... 70
Recomendaciones ............................................................................................................. 74
Referencias ....................................................................................................................... 77
Anexos ............................................................................................................................. 80
Índice de figuras
Figura 1. Dirección universidad politécnica salesiana ....................................................... 5
Figura 2. Ejes de un motor eléctrico ................................................................................ 14
Figura 3. Vibración producida por un cojinete de rodamiento con fallo ......................... 18
Figura 4. Gráfica en el dominio del tiempo y dominio de la frecuencia. ......................... 19
Figura 5. Transmisor de vibración METRIX. .................................................................. 24
Figura 6. Parte interna de un motor eléctrico ................................................................... 26
Figura 7. Tarjeta de adquisición de datos......................................................................... 31
Figura 8. Ventana de descarga de librerías para software LabVIEW .............................. 33
Figura 9. Ventana VI server de configuración ................................................................. 34
Figura 10. Ventana principal Package Manager .............................................................. 35
Figura 11. Descarga toolkit MakerHub LINX ................................................................. 35
Figura 12. Esquema para la alimentación del transmisor de vibración............................ 36
Figura 13. Diseño circuito de carga para adquisición de datos ........................................ 41
Figura 14. Circuito de control .......................................................................................... 42
Figura 15. Circuito de fuerza ........................................................................................... 43
Figura 16. Diagrama de adquisición de datos .................................................................. 44
Figura 17. Diagrama de bloques de adquisición de datos ................................................ 44
Figura 18. Motor trifásico montado en el módulo electrónico......................................... 45
Figura 19. Circuito motor trifásico................................................................................... 46
Figura 20. Motor monofásico montado en el módulo ...................................................... 47
Figura 21. Circuito implementado del motor monofásico ............................................... 47
Figura 22. Motor dahlander montado en el módulo ......................................................... 48
Figura 23. Circuito motor implementado del motor dahlander........................................ 49
Figura 24. Motor dc montado en el módulo ..................................................................... 49
Figura 25. Circuito motor dc ............................................................................................ 50
Figura 26. Programación pantalla principal del programa ............................................... 51
Figura 27. Menú selección de motores ............................................................................ 52
Figura 28. Diagrama de flujo de la programación. .......................................................... 53
Figura 29. Initialize .......................................................................................................... 54
Figura 30. Analog Read ................................................................................................... 55
Figura 31. Close ............................................................................................................... 55
Figura 32. Index Array ..................................................................................................... 56
Figura 33. Case Structure ................................................................................................. 56
Figura 34. Get Date/Time String ...................................................................................... 57
Figura 35. Number To Fractional String .......................................................................... 57
Figura 36. Build Array ..................................................................................................... 58
Figura 37. Write To Spreadsheet File .............................................................................. 58
Figura 38. MathScript Node ............................................................................................. 59
Figura 39. Bloques Sound and Vibration ......................................................................... 60
Figura 40. Sine Waveform ............................................................................................... 61
Figura 41. Time Averaging .............................................................................................. 61
Figura 42. Convert from Dynamic Data .......................................................................... 62
Figura 43. Amplitud and Levels ...................................................................................... 62
Figura 44. Power Spectrum .............................................................................................. 63
Figura 45. Peak Search ..................................................................................................... 63
Figura 46. VI programación análisis de vibración ........................................................... 64
Figura 47. VI programación estados del motor ................................................................ 65
Figura 48. Configuración bloque Power Spectrum toolkit Sound and Vibration ............ 66
Figura 49. Configuración Spectrum Peak Search toolkit Sound and Vibration .............. 66
Figura 50. Configuración Peak Search toolkit Sound and Vibration ............................... 67
Índice de tablas
Tabla 1. Tabla de ventajas y desventajas del mantenimiento preventivo ........................ 10
Tabla 2. Acciones de mantenimiento preventivo ............................................................. 11
Tabla 3. Tabla de ventajas y desventajas de mantenimiento predictivo .......................... 12
Tabla 4. Tabla de conceptos ............................................................................................. 13
Tabla 5. Tabla de severidad de la norma ISO 2372 ......................................................... 16
Tabla 6. Tabla de características del transmisor de vibración ......................................... 25
Tabla 7. Tabla de materiales ............................................................................................ 39
Tabla 8. Tabla de datos de pruebas de motores de acuerdo a la norma ISO 2372 ........... 69
Anexos
Anexo 1. Datasheet transmisor de vibración metrix ............................................................. 80
Anexo 2. Planos de diseño para implementación del módulo ............................................. 82
Anexo 3. Gráficas usadas en el software LabVIEW. ........................................................... 89
Anexo 4. Guía para el uso del módulo ................................................................................... 92
Anexo 5. Guía interactiva para el usuario ............................................................................ 102
Anexo 6: Diagrama de flujo correspondiente a la interfaz gráfica. .................................. 105
Resumen
Los motores eléctricos durante muchos años han sido muy indispensables para todo tipo
de empresas independiente de la producción que realicen, sin embargo también es
utilizado en el sector educativo como en la Universidad Politécnica Salesiana para el
aprendizaje de los estudiantes, es por ello que al pasar los años se genera un desgaste
paulatino en las piezas internas que contiene un motor eléctrico.
El procedimiento requerido para evaluar el estado de un motor se basa en un análisis de
vibración mecánica, mediante una norma ISO que establece los niveles de severidad de
un motor se puede establecer las respectivas acciones preventivas y predictivas, que son
las encargadas de detectar las posibles fallas que un motor presenta.
El siguiente proyecto de titulación desarrolla un sistema de análisis de vibración
mecánica para motores eléctricos de los laboratorios de electrónica de la universidad
politécnica salesiana campus sur – Sede Quito, en la primera fase se contempla el diseño
y los criterios de selección para los dispositivos electrónicos y mecánicos, acordes a las
necesidades técnicas del módulo electrónico, la segunda es la fase de la implementación
del sistema que comunica el transmisor de vibración, la tarjeta de adquisición de datos y
el computador, en la tercera fase abarca el desarrollo de la programación en el software
LabVIEW contemplando los parámetros de severidad de la norma ISO 2372 mediante el
toolkit Sound and Vibration de la National Instrument como herramienta para el análisis
de los niveles de vibración para los cuatro tipos de motores eléctricos.
Abstrac
Electric motors for many years have been very essential for all types of independent
production enterprises engaged, however is also used in the education sector and in the
Salesian Polytechnic University for student learning, is why passing the years a gradual
wear is generated in the internal parts containing an electric motor.
The procedure required to assess the state of an engine is based on an analysis of
mechanical vibration by an ISO standard setting the levels of severity of an engine can
be set to the respective preventive and predictive, which are responsible for identifying
potential It presents an engine failure.
The following titling project develops a system analysis of mechanical vibration to
electric motors electronics laboratories Salesian Polytechnic University campus sur - See
Quito, in the first phase of the design and the selection criteria referred to electronic
devices and mechanical, according to the technical requirements of the electronic
module, the second phase of implementation of the system that connects the transmitter
vibration, data acquisition card and the computer, in the third phase includes the
development of programming in the LabVIEW software contemplating parameters
severity of the ISO 2372 standard by the Sound and vibration toolkit of National
Instrument as a tool for the analysis of vibration levels for the four types of electric
motors.
1
Introducción
El presente proyecto tiene como finalidad dar una solución preventiva y predictiva a los posibles
fallos que presten los motores eléctricos ubicados en los laboratorios de electrónica de la
Universidad Politécnica Salesiana. Y para ello se diseñó e implemento un módulo de análisis de
vibración usando un transmisor de vibración adecuado para poder obtener datos reales que
permitan una correcta medición de las vibraciones mecánicas de un motor eléctrico.
Primeramente se adquirió una señal análoga de velocidad, acondicionada directamente desde el
transmisor de vibración, el siguiente paso fue adquirir la señal mediante el uso de una tarjeta
arduino uno, que es el encargado de llevar la señal al software por medio de un cable USB el
cual finalmente procesa la señal que es trabajada en una interfaz gráfica para ser mostrada al
usuario en un entorno amigable.
Este proyecto de titulación contiene los siguientes capítulos:
En el capítulo uno se justifica, se delimita y se plantea los objetivos para llevar a cabo el
proyecto de titulación.
El capítulo dos contiene toda la información teórica tanto de los elementos usados, así como de
conceptos básicos necesarios para poder comprender con mayor facilidad todo el proceso
realizado para poder finalizar con éxito la implementación y ejecución del presente proyecto.
El capítulo tres contiene todo el desarrollo e implementación realizada en el módulo de análisis
de vibración en el que se detalla los posibles fallos que se pueden presentar, así como los
circuitos esquemáticos usados para realizar un control de los cuatro tipos de motores que hay en
los laboratorios de la Universidad Politécnica Salesiana, los diagramas de conexión entre el
Arduino uno la placa de carga y el transmisor de vibración. También se detalla la función que
hace cada bloque usado para la creación del programa en el software labview para la interfaz
gráfica de corrección de errores.
2
El capítulo cuatro se realiza las conclusiones y las recomendaciones del proyecto de titulación
mediante las pruebas y datos adquiridos que se obtuvo en todo el desarrollo del proyecto.
3
Capítulo 1
Antecedentes
1.1 Tema de proyecto
Diseño e implementación de un módulo electrónico para mantenimiento preventivo y
predictivo de los motores eléctricos de los laboratorios de Electrónica de la Universidad
Politécnica Salesiana – Sede Quito, Campus Sur, mediante análisis de vibración
mecánica.
1.2 Justificación
Los motores eléctricos se han utilizado desde los años 1880 gracias a la teoría
desarrollada por James Maxwell y su uso es mayormente en la industria de producción
masiva. Es así que la producción Nacional ha mejorado considerablemente; empresas
como EP PETROECUADOR, ADELCA, Centrales Hidroeléctricas invierten miles de
dólares en adquirir motores e implementar sistemas preventivos para el mantenimiento
de los mismos.
Los métodos de mantenimiento por vibraciones mecánicas se han implementado desde
los años de 1950, siendo muy útiles debido a los buenos resultados al analizar y obtener
soluciones prontas para los motores en la industria.
Los motores eléctricos tienen un tiempo de vida útil promedio de 15 a 20 años
trabajando de 4000 - 6000 horas por año en el campo industrial, en el caso de los
motores de la UPS se utilizan en un promedio de 6 horas a la semana para las prácticas
de máquinas e instalaciones industriales, por lo tanto sufren un desgaste paulatino en sus
partes mecánicas, provocando fallas que llevan a que disminuya su tiempo de vida.
4
El beneficio de emplear un módulo de mantenimiento preventivo y predictivo de
motores eléctricos es que el estudiante se refuerza con conocimientos en el análisis de
este tipo de señales diferentes a los vistos en clase, en un ambiente amigable de
aprendizaje. De esta forma la Universidad Politécnica Salesiana con este módulo
electrónico reducirá considerablemente los costos de mantenimiento mecánico de los
motores.
Las posibilidades que ofrece un sistema de mantenimiento preventivo y predictivo son
muy importantes, especialmente en la adquisición de datos para analizar su
funcionamiento mecánico, por lo que es primordial conocer detalles del ambiente en el
que se encuentra en funcionamiento la máquina.
El análisis mediante vibraciones utilizando el transmisor de vibración es un tema que no
se profundiza en la carrera de Ingeniería Electrónica por lo tanto este proyecto permitirá
conocer el funcionamiento de este tipo de sensor y las señales que se podrán analizar a
través del software Labview.
Esta aplicación aportará en el área de mantenimiento mecánico para motores para el
desarrollo de futuras aplicaciones y estudios dentro del análisis espectral.
1.3 Delimitación
Se detalla el alcance que tendrá el proyecto de titulación.
1.3.1 Delimitación temporal
Este proyecto tendrá una duración de seis meses, comenzará el 07 de abril al 11 de
septiembre de 2015.
5
1.3.2 Delimitación espacial
Este proyecto se desarrollara para mantenimiento preventivo y predictivo, de los
laboratorios de la carrera de Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica
Salesiana Sede – Quito, Campus Sur. Comprendida entre la Av. Moran Valverde y Av.
Rumichaca Ñan que se muestra en la Figura 1.
1.3.3 Delimitación académica
En este proyecto se realizara el diseño de un módulo electrónico para mantenimiento
preventivo y predictivo de los motores de los laboratorios de Electrónica de la UPS, con
la utilización de un sensor piezo eléctrico, una tarjeta de adquisición de datos y la
visualización de la señal de vibración en Software Labview.
En el software Labview se implementará la programación para el análisis de la señal de
vibración con una interfaz gráfica y amigable para el usuario.
Ubicación del proyecto de titulación
Figura 1. Dirección universidad politécnica salesiana
Fuente: Google Map
6
1.3.4 Planteamiento del problema
La Universidad Politécnica Salesiana Sede Quito – Campus Sur, posee laboratorios de
última tecnología, entre los cuales destacan instalaciones industriales y máquinas
eléctricas, los cuales manejan motores eléctricos de alta eficiencia, que necesitan de un
mantenimiento predictivo, preventivo, especifico y con parámetros de calidad.
Los laboratorios de electrónica no constan con un sistema que sirva para el
sostenimiento periódico de dichos motores, mediante un análisis de vibración de la
mecánica de la máquina, diagnosticando el daño en forma instantánea y fiable.
Al tener un tiempo de vida útil de 5 años trabando 12 horas diarias cada motor, su
deterioro es detectable y por ello existe la necesidad de un módulo que ayude en el
mantenimiento preventivo y predictivo para los motores de los laboratorios.
No se identifican los síntomas y causas probables correctamente por lo que los
principales problemas en motores eléctricos, pueden causar daño que generen, paradas
de los equipos y costos de reparación.
El funcionamiento óptimo de un motor se logra cuando la tensión de cada fase de
subministro es igual, sin embargo en los laboratorios no se realiza las mediciones en las
tensiones de cada fase lo que permitiría identificar un deterioro, y por tanto identificar
un daño mayor en el motor en el futuro inmediato.
Se debe considerar además que no existe la capacidad para diagnosticar con precisión,
predecir y tratar eficientemente los problemas de los motores, lo cual es esencial para
determinar problemas prevalentes recurrentes y críticos para la industria.
7
En los laboratorios de Electrónica se cuentan con varios tipos de motores que requiere
de un análisis de acuerdo a cada tipo y no existe un prototipo o modelo exclusivo que
permita mediante análisis de vibración para todos los motores, determinar defectos
mecánicos en las pistas, en las bolas o en los rodillos, de rodamientos de elementos
rodantes, que ocasionan vibración de alta frecuencia. La amplitud de la vibración
dependerá de la gravedad de la falla del rodamiento en los motores eléctrico.
(Monografias.com S.A, 2009)
Objetivos
1.4.1 Objetivo general
Diseñar e implementar un módulo electrónico para mantenimiento preventivo y
predictivo de los motores eléctricos de los laboratorios de Electrónica de la Universidad
Politécnica Salesiana – Sede Quito, Campus Sur, mediante análisis de vibración
mecánica.
1.4.2 Objetivos específicos
Analizar y monitorear la señal de frecuencia de vibración de los motores en uno
o dos ejes.
Implementar la programación en el software Labview para la adquisición de
datos de la señal y para el diagnóstico preventivo y correctivo de los motores
eléctricos de los laboratorios de Electrónica de la Universidad Politécnica
Salesiana – Sede Quito, Campus Sur.
8
Desarrollar un tutorial interactivo, de los procedimientos a seguir para la
corrección de fallas mecánicas en los motores eléctricos de los laboratorios de
Electrónica de la Universidad Politécnica Salesiana – Sede Quito, Campus Sur.
Diseñar e implementar el hardware del módulo de pruebas para motores
Eléctricos.
9
Capítulo 2
Marco teórico
En este capítulo se aborda la fundamentación teórica que permita el desarrollo y
comprensión de la misma, conceptos generales, clasificación, características de motores,
sensores y diferentes dispositivos que forman parte del proyecto, respaldado con
literatura especializada.
2.1 Tipos de mantenimiento
El mantenimiento de motores es utilizado en todas las industrias ya que permite detectar
y planificar posibles soluciones que alarguen la vida útil de los motores eléctricos,
prediciendo los futuros fallos que presente la máquina.
A continuación se presenta los tipos de mantenimiento que se realizará en este tipo de
análisis:
Mantenimiento preventivo o planificado
Mantenimiento predictivo o por condición
2.1.1 Mantenimiento preventivo o planificado
Con los avances en los años 70 posibilitó la creación de archivos con los requerimientos
de una planta y esto fue el origen de programas del mantenimiento basados en esos
datos. Este sistema estima la vida útil de elementos de máquina, basados en estudios
estadísticos de componentes similares que han fallado previamente. (Tapia Espín, 2011)
Este conocimiento es usado en la programación de acciones planificadas para evitar el
fallo o deterioro de un equipo y buscar una mayor durabilidad y disponibilidad de las
10
máquinas; así el mantenimiento preventivo desplazó al mantenimiento reactivo
reduciendo las averías de las máquinas.
Es importante saber las ventajas que lleva realizar un mantenimiento preventivo y al
mismo tiempo tener claro los riesgos y posibles desventajas para así tener una idea de
los límites que se puede alcanzar en el proyecto. En la Tabla 1, se muestra las ventajas y
desventajas de realizar un mantenimiento preventivo en el ámbito industrial.
Tabla 1.
Tabla de ventajas y desventajas del mantenimiento preventivo
Ventajas Desventajas
Aumenta durabilidad de los equipos El mantenimiento puede ser excesivo,
aumentando los costos
Aumenta disponibilidad de los
equipos
No aprovecha al máximo la vida útil de los
elementos de máquina
Se sabe cuándo y cuánto será la
estadía
El accionar puede provocar deterioros
prematuros
Se planifica administrativamente
Aumenta la seguridad
Nota: Criterios requeridos para el mantenimiento preventivo, Fuente: (Tapia Espín, 2011), Elaborado por:
Byron Ortiz y Pedro Tene
En la Tabla 2, se detalla las acciones preventivas adecuadas que se puede brindar a un
motor para poder llevar un plan de mantenimiento que ayuden a cuidar cada pieza y cada
componente del motor.
11
Tabla 2.
Acciones de mantenimiento preventivo
Acciones del mantenimiento
preventivo
Limpiar
Lubricar
Ajustar
Reapretar
Calibrar
Regular
Cambiar
Reparar con carácter planificado
Nota: Acciones que se utilizan para mantenimiento de motores eléctricos, Fuente: (Tapia Espín, 2011),
Elaborado por: Byron Ortiz y Pedro Tene
2.1.2 Mantenimiento predictivo o por condición.
El predictivo o filosofía de mantenimiento basado en la condición proporcionará una
señal de peligro antes que falle el equipo. Estas señales pueden ser por alta vibración y
ruido, o un cambio en la composición o consistencia de lubricantes de la máquina.
(Tapia Espín, 2011)
Este sistema pretende predecir cuando ocurre el fallo de la máquina, para resolverlo
previamente pero lo más cercano posible. En la Tabla 3, se ostenta las ventajas y
desventajas de realizar un mantenimiento predictivo, que nos lleve a ver el alcance de la
predicción según sea el caso y las condiciones.
12
En el mantenimiento predictivo hay dos tipos de monitoreo que son:
Monitoreo discreto (periodicidad)
Monitoreo continuo
Tabla 3.
Tabla de ventajas y desventajas de mantenimiento predictivo
Ventajas del mantenimiento predictivo Desventajas del mantenimiento predictivo
Aprovecha racionalmente el recurso de
los elementos
Necesita de una gran inversión
Disminuye mucho las paradas no
programadas y estadías
Es necesario personal calificado
Garantiza la seguridad del equipo y
personal
Acciones del mantenimiento predictivo
Garantiza el cuidado del medio ambiente Monitorear
Aumenta la eficiencia de los equipos Diagnosticar
Ventajas del mantenimiento predictivo Pronosticar
Nota: Criterios requeridos para el mantenimiento preventivo, Fuente: (Tapia Espín, 2011), Elaborado por:
Byron Ortiz y Pedro Tene
2.2 Análisis vibracional
La vibración es un movimiento de vaivén desde una posición de equilibrio hasta otra
posición máxima. La vibración se puede considerar como la oscilación o el movimiento
repetitivo de un objeto alrededor de una posición de equilibrio, que permite a un cuerpo
recuperar respectivamente su posición original. (Monografias.com S.A, 2009)
13
En la Tabla 4, se detalla algunos conceptos teóricos que son muy importantes de
mencionar para entender de mejor manera un análisis vibracional.
Tabla 4.
Tabla de conceptos
Conceptos básicos
La amplitud Es la encargada de mostrar los valores máximos y mínimos de onda del
espectro (frecuencia vs velocidad).
Espectro Sinónimo del dominio de la frecuencia.
Frecuencia Es medida en hertz (hz) y se encarga de medir el número de oscilaciones
completas en cierto tiempo de cualquier tipo fenómeno.
Medición axial Se la realiza en sentido de la línea del eje del motor.
Medición radial Se realiza en sentido perpendicular a la línea del eje (horizontal y
vertical).
Pico Representa las líneas que forman parte del espectro.
Nota: Conceptos requeridos para analisis de vibraciones mecánicas, Elaborado por: (Ortiz & Tene, 2016)
Esta técnica se basa en la detección de fallos en equipos rotativos principalmente, a
través del estudio de niveles de vibración. El objetivo de este tipo de análisis es obtener
la representación del espectro de las vibraciones de un equipo en funcionamiento.
14
Para realizar este tipo de análisis es necesario, elegir el punto adecuado para su medida,
ya sea en el eje axial o eje radial, como se puede observar en la Figura 2.
Es recomendable realizar una medida en el eje axial para saber la condición en la que se
encuentra el eje del motor, en cambio para saber el estado del rodamiento y sus daños es
necesario realizar una medida en el eje radial ya que en esta posición la vibración es más
visible.
2.2.1 Norma ISO 2372 para análisis de vibración mecánica.
La norma ISO 2372 (International Standards Organization.) es la encargada de
establecer criterios para clasificar y saber el rendimiento de un equipo mediante los
rangos de severidad en el análisis de vibración. Esta norma es aplicable para maquinas
rotativas con rotores rígidos y rotores flexibles.
Los datos que se requieren para su aplicación son el nivel global de vibración en
velocidad - valor eficaz RMS (severidad de la vibración, según ISO).
Eje radial y axial
Figura 2. Ejes de un motor eléctrico
Fuente: (Consejo general de la Ingenieria Técnica Industrial,
2004)
15
Para distinguir los valores de severidad admisible de acuerdo a la norma ISO se
determina las siguientes clases:
Clase 1: Se determina para pequeños motores eléctricos hasta 15 Kw.
Clase 2: Determina para motores eléctricos de 15 a 75 Kw o hasta 300 Kw en motores
con cimentación especial.
Clase 3: Para motores grandes, con cimentación rígida y pesada.
Clase 4: Para motores grandes montados sobre cimentación blanda y ligera.
En la Tabla 5, se muestra los criterios de severidad de cada clase de motor.
16
Tabla 5.
Tabla de severidad de la norma ISO 2372
Velocidad
mm/s ; RMS
Tipo de máquinas
Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase 4
0,18 - 0,28
0,28 - 0,45 A
0,45 - 0,71
0,71 - 1,12
1,12 - 1,8
1,8 - 2,8 B
2,8 - 4,5
4,5 - 7,1 C
7,1 - 11,2
>11,2 D
A BUEN ESTADO C INSATISFACTORIO
B SATISFACTORIO D DETERIORO
Nota: Niveles de severidad de la norma ISO 2372, Elaborado por: (Ortiz & Tene, 2016)
Los cuatro rangos mostrados en la Tabla 5, determinan el estado de la máquina, es decir:
A Buen estado
B Satisfactorio
C Insatisfactorio
D Deterioro
17
2.2.2 Fundamentos de vibraciones mecánicas
Se analiza la vibración de una máquina, que es un sistema mecánico y es útil considerar
las fuentes de la energía de vibración y las rutas de la máquina que sigue esta energía.
(Calle & Lapo, 2009)
Cuando una máquina se deteriora y desarrolla fallas es menos lineal en modo de
respuesta, se puede decir que al tener muchas fallas en las máquinas éstas crean no-
linealidad en su comportamiento.
Las vibraciones ocurren por la transmisión de fuerzas cíclicas a través de mecanismos.
Basándose además en que:
Todo tipo de máquina vibra, porque tienen partes que trabajan con movimiento
que generan una fuerza de inercia que es transmitida a sus alrededores.
El incremento en el nivel de vibración hace que internamente se genere en el
interior problemas mecánicos.
Cada defecto mecánico produce una vibración característica, la cual puede ser
identificada a través de un análisis de vibraciones.
En la Figura 2.2, se muestra un ejemplo de una señal de vibración que presenta un daño
en un componente del motor, específicamente en el cojinete de rodamiento, generando
así la forma de onda que indica el fallo específico en el motor.
18
2.2.2 Medición de la vibración
Las etapas seguidas para medir o analizar una vibración son:
Etapa transductora.
Etapa de acondicionamiento de la señal.
Etapa de medición y análisis.
Etapa de registro.
Para medir la vibración es necesarios usar un transductor, que es un dispositivo
electrónico encargado de censar una magnitud física como de vibración y la convierte en
una señal eléctrica (voltaje) que es proporcional a la magnitud medida.
A continuación se muestra los tipos de transductores de vibraciones:
Señal de vibración
Figura 3. Vibración producida por un cojinete de rodamiento con fallo
Fuente: (Facultad de Ingeniería Mecánica. Instituto Superior Politécnico
"José Antonio Echeverría", 2010)
19
Sensor de desplazamiento relativo sin contacto
Sensor de desplazamiento relativo con contacto
Sensor de velocidad o velocímetro
Sensor de aceleración o acelerómetro.
En la actualidad para medir las vibraciones exteriores de las máquinas se utiliza los
acelerómetros. Un acelerómetro presenta características de ofrecer un amplio rango de
frecuencia con la gran ventaja de integrar la señal adquirida y para obtener la velocidad.
(Pedro Saavedra, 1997).
2.2.3 Análisis de espectro
El análisis de un espectro es la transformación de una seña en el dominio del tiempo, a
una señal en el dominio de la frecuencia. (Calle & Lapo, 2009)
En la Figura 4, se observa la transformada de Fourier en el dominio del tiempo y en
dominio de la frecuencia.
Transformada de fourier
Figura 4. Gráfica en el dominio del tiempo y dominio de la frecuencia.
Fuente: ( National Instruments Corporation, 2012 )
20
2.2.4 Comparaciones tiempo-frecuencia
La gráfica en el dominio de tiempo se llama la forma de onda, y la gráfica en el dominio
de la frecuencia se llama espectro. Las señales en el dominio del tiempo son confusas ya
que se monta una sobre otra, en cambio en el dominio de la frecuencia la señal se
encuentra separada en sus componentes individuales.
En las máquinas rotativas la información está en los componentes de nivel muy bajo,
pero son una indicación de un problema que está creciendo, como puede ser la falla en
un rodamiento. (Calle & Lapo, 2009)
2.3 Transductores de vibración
Los sensores de vibración se utilizan en la industria, ya sea que se trate de medir la
velocidad de un vehículo o la potencia de un terremoto inminente. Algunos de ellos
operan por su cuenta, y otros requieren su propia fuente de energía, pero todos ellos
tienen el mismo propósito con diferentes capacidades. (Ivanrick, 2009)
Existen muchos sensores que tienen la capacidad de analizar un movimiento, de los
cuales se tiene:
Sensores de velocidad
Sensores de proximidad
Acelerómetro
Cabe destacar que en la actualidad ya existen sistemas de vibración por wireless que
usan batería y se omite la necesidad de realizar la conexión de cableado.
21
2.3.1 Transductor de aceleración (piezoeléctrica)
Los sensores de aceleración presentan un sistema de masa con un resorte el cual se
sintoniza muy alto, de esta manera se puede trabajar con frecuencias que están por
debajo de la resonancia natural. El efecto piezoeléctrico del cuarzo es el encargado de
transformar el movimiento mecánico en una señal eléctrica.
El acelerómetro piezo eléctrico es considerado hoy en día como el transductor ideal para
realizar mediciones de vibraciones en máquinas.
El movimiento de arriba abajo que se encarga de realizar el acelerómetro no es más que
la fuerza necesaria para poder efectuar el movimiento sísmico. La fuerza que es
generada sobre el cristal es la encargada de originar la señal resultante de salida que es
proporcional a la aceleración del transductor. (Ivanrick, 2009)
Ventajas del acelerómetro piezoeléctrico:
Construcción robusta
Insensibles a campos magnéticos
Reducidas dimensiones
Carcaza de inoxidable sellada herméticamente (Ivanrick, 2009)
Módulos desarrollados por empresas como TOPSELLER, para mantenimientos
mediante análisis de vibraciones mecánicas para motores eléctricos, son utilizados en la
industria. Este módulo se utiliza para el mantenimiento periódico de los motores ya que
generalmente la causa de la vibración reside en problemas mecánicos como son:
22
Desequilibrio de elementos rotativos.
Desalineación en acoplamientos.
Engranajes desgastados o dañados.
Rodamientos deteriorados.
Problemas eléctricos.
Una señal de vibración no es más que la medición de la frecuencia vs velocidad,
adquirida mediante un sensor de alta fidelidad como lo es un transmisor de vibración.
Los sensores de vibración son utilizados en una de las empresas más grandes e
importantes de nuestro país como es EP PETROECUADOR. En esta empresa se utilizan
motores de combustión interna llamados Alco y Booster que trabajan a muy altas
revoluciones por minuto que generan vibraciones muy elevadas capaces de dañar
dispositivos mecánicos y electrónicos. Debido a estas variaciones EP
PETROECUADOR hace uso indispensable de sensores de vibración para realizar un
mantenimiento periódico de los motores mediante un análisis de vibración. Para esto EP
PETROECUADOR hace uso del sensor transmisor de vibración de marca metrix
ST5484c cuyas características son las más indicadas para el cuidado de instrumentos y
motores en este tipo de ambientes. (Ortiz & Tene, 2016)
Para el proyecto se tomó las características industriales del transmisor de vibración
metrix ST 5484c que entrega una señal acondicionada de 4 – 20 mA de 0 a 5 Vdc y con
una señal trabajada en software Labview se obtiene una señal de vibración de 0 – 12
mm/s, una de las ventaja de usar este tipo de sensor, es porque a través de su conexión
eléctrica se puede acondicionar su sensibilidad de acuerdo a la resistencia de carga que
se coloca, permitiendo obtener así tanto valores mínimos como valores muy elevados de
23
manera que se pueda utilizar para los motores de clase I, clase II, clase III y clase IV,
con rangos que van desde 0,18 – 11,2 en medidas de mm/s.
Por esta razón el transmisor puede tomar medidas adecuadas para los motores de los
laboratorios que se usa en la Universidad Politécnica Salesiana Campus – Sur Sede
Quito que son de Clase I de acuerdo a la Norma ISO 2372.
2.3.2 Transmisor de vibración ST5484C
El ST5484C es un transmisor de velocidad sísmico que se utiliza en industrias como
PETRO-AMAZONAS y EP PETROECUADOR, con más enfoque en el área de
mantenimiento para motores, en su interior tiene un acelerómetro piezoeléctrico, un
acondicionador que entrega señales de 4-20 mA directamente sin una etapa adicional, un
integrador de señales que convierte la amplitud de aceleración en amplitud de velocidad
y un detector de picos RMS. (Metrix Instrument Company, L.P, 2013)
El sensor ST5484C presenta características industriales para usarse sin las necesidad de
implementar ningún tipo de caja que lo proteja del medio ambiente, también su diseño
moderno y robusto permite conectar directamente a los adaptadores de tubería que son a
prueba de explosión.
En la Figura 5, se observa un sensor acelerómetro piezoeléctrico, de la marca METRIX
que tiene incluido el circuito de acondicionamiento para la calibración.
24
El transmisor de vibración metrix ST5484c presenta características de diseño para
realizar mediciones de vibración en máquinas rotativas que presentan un rango de
velocidad de 120 rpm y 6000 rpm, soporta un voltaje de 11 – 30 Vdc.
El voltaje RMS que emite este transmisor de vibración utilizado para el análisis de
vibraciones no es más que los niveles de vibración de 𝑉𝑝
√2., es decir las variaciones de
voltaje del transmisor de vibración.
En la Tabla 6, se detalla las características que presenta el transmisor de vibración
ST5484C.
Transmisor de vibración
Figura 5. Transmisor de vibración METRIX.
Fuente: (Metrix Instrument Company, L.P, 2013)
25
Tabla 6.
Tabla de características del transmisor de vibración
Características Rangos
Inmunidad RFI/EMI Voltaje
11-30 Vdc (24 Vdc nominal); Los diseños de circuito mejorados y las
técnicas para una fácil instalación filtran el
ruido de las fuentes comunes, como los
radios portátiles.
Excelente resistencia a la humedad Proporcional al rango de escala
completa de velocidad:
(4mA=0 vibración, 20mA=vibración a
escala completa)
Están disponibles aprobaciones para áreas
peligrosas
Disponibilidad de señal dinámica
Las versiones de 2-hilos emiten una señal
proporcional de velocidad 4-20 mA para
una fácil conexión a PLC, DCA y otros
sistemas de control de plantas
Señal de velocidad de
0 - 11.2 mm/s
Conexión rápida Impedancia de carga mínima:
500 kΩ Robusto diseño industrial
Opciones de filtro de paso alto y paso bajo
Múltiples opciones de instalación
Nota: Características y rangos del transmisor de vibración, Fuente: (Metrix Instrument Company, L.P,
2013), Elaborado por: Byron Ortiz y Pedro Tene
26
2.4 Introducción a motores eléctricos
Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en
energía eléctrica o viceversa. En la Figura 6, se observa las partes que conforman un
motor eléctrico. (Chapman, 2012, pág. 1)
Cuando este dispositivo se utiliza para convertir energía mecánica en energía eléctrica se
denomina generador y cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica se llama
motor. (Chapman, 2012, pág. 1)
Un motor eléctrico no necesita de combustibles ni de ventilación para operar, en cambio
los motores de combustión interna si lo necesitan; por ese motivo son mucho más
utilizados en zonas donde no se quiere tener residuos contaminantes. (Chapman, 2012,
pág. 1)
Partes del motor eléctrico
Figura 6. Parte interna de un motor eléctrico
Fuente: Glenn Home Jerez, Motor Eléctrico, 2014
27
2.4.1 Clasificación
Para los motores eléctricos dependiendo al tipo de corriente utilizada por su
alimentación, se clasifican en:
Motor de corriente continua
Motor de corriente alterna
2.4.1.1. Motores de corriente continua
Los primeros sistemas de potencia en U.S.A eran de corriente continua, pero a finales de
la década de 1890 era claro que los sistemas de potencia de corriente alterna ganaban
terreno. A pesar de esto, los motores de corriente continua siguieron siendo una parte
significativa de la maquinaria comprada cada año hasta la década de 1960. (Chapman,
2012)
Los motores de corriente continua son generadores encargados de transformar energía
mecánica en energía eléctrica de corriente continua y motores encargados de convertir
energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica. Las máquinas de corriente
continua tienen mucha similitud con las máquinas de corriente alterna, porque presentan
voltaje y corriente de corriente alterna en su interior; los motores de corriente continua
tienen una salida que entrega corriente continua, esto se debe a un mecanismo que
convierte los voltajes que hay en el interior de corriente alterna en voltajes de corriente
directa en los terminales. Por ese motivo también es llamada maquinaria de
conmutación.
28
Los principios fundamentales de la operación de las máquinas de corriente continua son
muy simples. Desafortunadamente, a menudo los ensombrece la complejidad de la
construcción de las máquinas reales.
2.4.1.2. Motores de corriente alterna
Son aquellos motores que funcionan con este tipo de alimentación eléctrica pero su
principio de funcionamiento es igual al de un motor de corriendo directa, provocando
un movimiento rotatorio, gracias a la acción del campo magnético.
Motor monofásico
Motor dahlander
Motor trifásico
2.4.1.2.1. Motor monofásico
Los motores y generadores de este tipo por mucho los que más se utilizan en los grades
establecimientos comerciales e industriales. Sin embargo la mayoría de los hogares y
pequeñas empresas no tienen sistemas de potencias trifásicos.
El principal problemas asociado con el diseño de los motores de inducción monofásicos
es que, a diferencia de las fuentes de potencias trifásicas una fuente de potencia
monofásica no produce un campo magnético giratorio. En cambio, el campo magnético
producido por una fuente monofásica es estacionaria y oscila con el tiempo. Puesto que
no hay campo magnético giratorio neto, no funcionan los motores de inducción
convencionales y se requiere de diseños especiales. (Chapman, 2012)
29
2.4.1.2.2. Motor dahlander
El motor dahlander, tiene en su devanado varias tomas intermedias, que únicamente
sirven para cambiar el número de polos activos. Esto nos permite lograr cambiar su
velocidad. Hay que tener en cuenta que al tener dos modos de conexión, se consigue dos
velocidades, una larga y otra corta. En su caja presenta 9 bornes, que pertenecen a las
tomas intermedias. Este tipo de motor se usaba en ascensores, maquinaria grúas etc. En
la actualidad es mucho mejor y más ventajoso emplear variadores de frecuencia, porque
se obtiene el mismo resultado. (Bajuli, 2009)
2.4.1.2.3. Motor trifásico
Los motores eléctricos trifásicos, son construidos en distintas potencias, que van hasta
miles de caballos de fuerza (HP), son construidos para todas las tensiones y frecuencias
(50 y 60 Hz) que se encentran normalizadas. Es una máquina eléctrica rotativa y es
capaz de transformar energía eléctrica trifásica y energía mecánica. (Monografias.com
S.A, 2015)
2.4.1.2.4. Fallas típicas de los motores
Los motores por el uso continuo y por la falta de mantenimiento empiezan a presentar
distintos tipos de fallas que llevan a realizar cambios en sus partes mecánicas.
A continuación se presenta una lista de fallos:
30
Falla en rodamientos: La falla en los rodamientos es uno de los principales problemas
que presenta un motor eléctrico debido al agrietamiento en la parte interna, generalmente
ocurre cuando se realiza esfuerzos excesivos, cuando existe mucha corrosión, por falta
de lubricación y si no se realiza un mantenimiento preventivo adecuado para este tipo de
problemas, el rodamiento seguirá desgastándose hasta que deberá ser remplazado
obligatoriamente.
Falla en Eje: Una falla común es cuando se presenta un desbalanceo del eje, el cual
genera que haya roces con la parte metálica del casquillo que forma el cojinete,
elementos rodantes rozando con las pistas y a su vez cuando tenemos este problema el
eje es casi seguro que varias partes del motor presenten fallas. Por ese motivo se debe
realizar chequeos mensuales para realizar el respectivo mantenimiento del eje del motor.
2.5 Adquisición de datos
La adquisición de datos (DAQ) es el proceso que se encarga de adquirir señales
analógicas del mundo real ya sea por fenómenos físicos o eléctricos y transformarlos a
señales digitales para que se puedan procesar en una computadora mediante el uso de un
software. Se necesita una etapa adicional que se encarga de acondicionar la señal que
elimina el ruido generado en el proceso para así obtener niveles correctos de medida. Por
ejemplo las señales físicas que podemos encontrar en el entorno real son: voltaje,
temperatura, presión, corriente, presión y sonido.
31
Un sistema de adquisición de datos básicamente está formado por un computador,
sensores y actuadores, acondicionador de señales, hardware de adquisición de datos y un
software programable.
Hay que resaltar que el sistema de medida por adquisición de datos (DAQ) es mucho
más conveniente que los métodos de medida tradicionales, porque se aprovecha la
visualización, productividad, potencia de procesamiento y las habilidades de
conectividad de las computadoras estándares en la industria, generando así soluciones
más fiables y rentables de medidas. (National Instruments Corporation, 2015)
2.5.1 Tarjeta de adquisición de datos arduino
Arduino nace en el Interative Design Institute ubicado en Ivrea (Italia) por estudiantes de
facultades de Arte y diseño que usaban un lenguaje llamado Processing que utilizaba un
entorno visual e intuitivo en el cual se basó el entorno de desarrollo de Arduino y su
lenguaje de programación. En la Figura 7, se puede observar por ejemplo la tarjeta
arduino uno.
Arduino uno
Figura 7. Tarjeta de adquisición de datos
Fuente: (OLIN estudio |, 2015)
32
Arduino nace en el Interative Design Institute ubicado en Ivrea (Italia) por estudiantes de
facultades de Arte y diseño que usaban un lenguaje llamado Processing que utilizaba un
medio visual e intuitivo en el cual se basó el entorno de desarrollo de Arduino y su
lenguaje de programación. Los fabricantes también agregaron librerías que forman parte
del lenguaje y ayudan a programar pines digitales de entrada y salida evitando confusión
o complejidad al usuario.
Básicamente es una plataforma de software y hardware que usa código abierto enfocado
para cualquier usuario, como estudiantes y aficionados de la electrónica. Arduino es
usado por aficionados de los microcontroladores y su principal objetivo es que el usuario
se familiarice y pueda programar enfocándose principalmente en lo que se quiere hacer.
La recepción de entradas de Arduino es tanto analógicas como digitales. El
microcontrolador que se encuentra ubicado en la placa se programa con la ayuda de
(Arduino Programming Languaje) y los proyectos diseñados en Arduino tienen la
característica de ser autónomos o se puede realizar comunicación con software en
ejecución.
Arduino presenta distintos tipos de placas como el ATmega 168 de Atmel, Arduino
NANO, ATmega 328 P entre otros. (Herrador, 2009)
33
Capítulo 3
Desarrollo
En este capítulo se muestra el desarrollo de la implementación y programación del
módulo electrónico para análisis de vibración para los motores: trifásico, dahlander,
monofásico y motor dc.
MakerHub labview 2013
Esta herramienta o toolkit se utiliza para la comunicación entre Arduino y software
Labview, para la adquisición de datos del transmisor de vibración.
Para la descarga del toolkit makerhub del software Labview 2013 es necesario realizar
los siguientes pasos.
Primero: Se necesita descargar la última versión del VI Package Manager para desde
ahí descargar la librería del toolkit. Figura 8.
(NI LabVIEW, 2014)
VI Package Manager
Figura 8. Ventana de descarga de librerías para software LabVIEW
Fuente: (NI LabVIEW, 2014)
34
Segundo: Se realizó los siguientes cambios en NI LabVIEW 2013 para que se pueda
comunicar el servidor con la IP del usuario ya que usualmente el VIPM no permite esa
comunicación, esto se ajusta en “Tools >> Options >> VI Server”, ya en esta ventana
se permite el acceso a la máquina local en “Machine Access” y “Exported Vls”. Figura
9.
(NI LabVIEW, 2013)
Tercero: Una vez hecha la configuración en NI LabVIEW 2013 se procede a descargar
el toolkit desde nuestro VI Package Manager como se muestra en la Figura 10.
VI Package Manager
Figura 9. Ventana VI server de configuración
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
35
En la Figura 11, se muestra la ventana que aparece una vez que ya ha sido instalado el
MakerHub LINX.
Cuarto: Se conecta el cable USB desde el módulo Arduino UNO al puerto USB del
computador y ya se puede usar el toolkit en el software LabVIEW 2013.
VI Package Manager
Figura 10. Ventana principal Package Manager
Fuente: (NI LabVIEW, 2014)
VI Package Manager
Figura 11. Descarga toolkit MakerHub LINX
Fuente: (NI LabVIEW, 2014)
36
Conexión transmisor de vibración
Para la alimentación del transmisor de vibración se debe utilizar el diagrama que se
muestra en la Figura 12, ya que este transmisor es de dos líneas. Para lo cual se utiliza
una fuente Switching que entrega 24vdc.
Luego de haber realizado la conexión del transmisor, se adquiere la señal del sensor con
el cable de color azul o cable de datos. Una de las ventajas de este tipo de sensores es
que la señal ya está acondicionada, es decir de 4 – 20mmA y de 0 – 5 vdc. La señal que
se adquiere en el software LabVIEW es una señal de voltaje con la que se trabaja para
obtener los niveles de vibración en mm/s.
Criterios de diseño
Para el diseño e implementación del módulo electrónico se diseñó planos físicos y
eléctricos como se muestra en Anexo 2, y también se tomó en cuenta las características
de los dispositivos a implementarse mencionados en el capítulo 2.
Conexión transmisor de vibración
Figura 12. Esquema para la alimentación del
transmisor de vibración.
Fuente: (Metrix Instrument Company, 2013)
37
Es importante conocer que el diseño realizado por el fabricante del transmisor de
vibración Metrix en el cual se basa este proyecto de titulación nos permite manipular su
sensibilidad con el circuito de carga especificado en el datasheet, del fabricante en
Anexo 1, con el cual se facilita la medición de los niveles bajos de vibración de los
motores de los laboratorios de electrónica de la UPS campus – Sur, sede Quito.
Para la elección de los contactores del circuito de control, se basó en la opinión de los
ingenieros que trabajan en el área de máquinas eléctricas y laboratorio de sistemas
industriales, y se tomó la decisión de implementar los dispositivos de la misma línea de
trabajo.
Para la fuente de poder se tomó en cuenta, la fiabilidad, el tamaño, peso y eficiencia,
características que permiten la entregar del voltaje deseado con una mínima latencia, en
este caso para el transmisor de vibración se tomó un voltaje de 24 Vdc.
La tarjeta Arduino UNO fue elegida principalmente porque brinda las características
necesarias para realizar la adquisición de datos en un rango de resolución de 10 bits que
permiten observar sin ningún problema los niveles de vibración.
Los breakers elegidos para este diseño, son los mismo que se utiliza en los módulos de
pruebas del laboratorio de sistemas industriales, con una protección de 10 A para la línea
de control y 32 A para las líneas de poder que evitan posibles sobre cargas en las líneas
de tensión protegiendo el cableado del sistema.
Las canaletas fueron usadas por motivos de estética para el modulo.
Se escogió una base metálica adecuada para el montaje y fijación de los motores, que
permite adherirse directamente al transmisor de vibración.
38
Se usó cable flexible número 14 para el circuito de control por facilidad de instalación y
porque soporta la tensión eléctrica de 110Vac.
El cable flexible número 10 se usa para las líneas de poder y por la tensión eléctrica
requerida de 220Vac de línea trifásica.
Se eligió pulsadores normalmente abiertos y normalmente cerrados para el control de
encendido y apagado de los motores.
El codo de conducción Metrix modelo 8200-001 con una caja de empalme, se usó
porque es un accesorio creado especialmente para el transmisor de vibración Metrix
ST5484c que permite fijar directamente al módulo y el motor.
Lista de materiales
En la Tabla 2.5, se muestra los elementos usados para la implementación del módulo de
análisis de vibración de motores con sus respectivas funciones.
39
Tabla 7.
Tabla de materiales
Materiales Función Cantidad
Fuente Alimentación al sensor. 1
Transmisor ST 5484C 1
Arduino uno Adquisición de datos. 1
Computadora Para instalar softaware Labview, visualizar los datos, interactuar con
el usuario y alimentación Arduino.
1
Pulsadores Control de encendido y apagado del motor. 5
Borneras Unir cables de distintas áreas. 5
Breaker monofásico10 A Protección del sistema de control. 1
Breaker trifásico 32 A Protección de la línea de poder. 1
Canaleta Sistema de guía del cableado. 2
Cable USB Alimentación y comunicación arduino.
Contactores Alimentación a los motores. 4
Codo de conducción opcional (IP 50) y
el reductor (modelo 8200-001)
Fijación del transmisor de vibración. 1
Base metálica Fijación motor, monofásico, trifásico, dahlander. 1
Regleta Fijar contactores. 1
Cable tipo sucre # 10 Alimentación. 3 (metros)
Cable # 12 Alimentación a contactores y sistema de control. 30 (metros)
Conector tipo banana hembra Conectar cable de poder y alimentación 24 Vdc. 6
Resistencia 330ohms Resistencia de carga. 1
Led amarillo Indiador de encendido fuente 1
Switch Encendido fuente. 1
Perno Ajustar motor. 4
Placa electrónica Circuito de carga para el sensor. 1
Caja acrílica Ubicación de dispositivos 2
Módulo Ubicación del Transmisor de vibración, motor, sistema de control,
sistema de poder.
1
Nota: Descripción de materiales utilizados, Fuente: (Ortiz & Tene, 2016), Elaborado por: Byron Ortiz y
Pedro Tene
40
Cabe resaltar que el módulo de análisis de vibración de motores estará ubicado en el
Laboratorio de instalaciones industriales, porque ahí se encuentra la mayor cantidad de
motores eléctricos y también los módulos de prácticas de donde se toma las líneas de
poder. Así mismo el software diseñado se implementara en un archivo ejecutable, con el
cual facilitara la implementación del sistema en cualquier laboratorio, así los técnicos
encargados del mantenimiento de los motores eléctricos tendrán mayor facilidad a la
hora de utilizar el módulos de análisis de vibración de motores.
Implementación del módulo electrónico para análisis de v ibración
Este módulo controla el encendido y apagado de cada motor y analiza los niveles de
vibración atreves del transmisor de vibración.
3.5.1 Circuito de carga
Se implementó una placa electrónica en la que se encuentra el circuito de carga que se
muestra en la Figura 13, es necesario para que el trasmisor de vibración pueda calibrar
su sensibilidad tanto para niveles altos como para niveles bajos para motores de clase I,
clase II, clase III y clase IV, de acuerdo a la norma ISO 2372.
41
La señal que envía la placa electrónica del circuito de carga ingresa en el puerto de
entrada analógico A1 de la tarjeta arduino, la cual también es alimentada por el cable
USB con 5 Vdc del computador. El cable USB también se utiliza para él envió de datos
del transmisor de vibración al computador.
Se utiliza tres tipos de resistencias en el circuito de carga por motivos de pruebas, pero
se llegó a la conclusión que la resistencia R2 permite mayor sensibilidad en el
transmisor de vibración y esto es óptimo para los niveles de vibración de los motores de
la UPS, ya que utilizando R1 y R3 en el circuito de carga provoca menor sensibilidad al
transmisor y estas características son recomendables utilizar para motores con más alto
nivel de vibración.
Circuito electrónico.
Figura 13. Diseño circuito de carga para adquisición de datos
Fuente: (Ortiz & Tene, 2016)
CPU
DIG
ITA
L (P
WM
~)
AN
AL
OG
IN
AREF
13
12
~11
~10
RX < 0
~9
8
7
~6
~5
4
~3
2
TX > 1
SIM
ULIN
OA
RD
UIN
O
A0
A1
A2
A3
A4
A5
RESET
5V
GND
PO
WE
R
AT
ME
GA
32
8P
AT
ME
L
www.arduino.ccblogembarcado.blogspot.com
SIM2
SIMULINO UNO SMD
1
2
3
4
R1
650
R2
330
R3
1k
Cable USB
5 Vdc
GND
PLACA ELECTRÓNICA
Bornera
ARDUINO UNO
Transmisor
de
vibración
42
3.5.2 Circuito de control
El circuito de control es alimentado con 110 Vac, el cual se toma de una línea trifásica
de 220 Vac con neutro independiente.
3.5.2.1 Diagrama de control
El circuito cumple las siguientes condiciones: S1 enclava el contactor KM1, S2 enclava
el contactor KM2, S3 enclava el contactor KM3, S4 enclava el contactor KM4, y el
pulsador S0 desactiva todos los contactores.
Los pulsadores S1, S2, S3 y S4 se encuentran normalmente abiertos y el pulsador S0
normalmente cerrado. El contactor S1 activa el motor trifásico, el S2 activa el motor
Dahlander, el S3 activa el motor monofásico y el S4 activa el Motor DC. En la Figura
3.6, se puede apreciar el diagrama de control.
Diagrama de control
Figura 14. Circuito de control
Fuente: (CADe_SIMU)
43
3.5.3 Circuito de fuerza
El circuito de fuerza es alimentado con línea trifásica de 220 Vac tomada del tablero del
laboratorio de circuitos industriales para los motores trifásico, monofásico y dahlander.
Para la alimentación del motor dc se utiliza la línea monofásica configurada dentro del
módulo, para ello se implementó un puente H de diodos para obtener 110 Vdc.
3.5.3.1 Diagrama de fuerza
Para protección del circuito se utilizó un breaker trifásico, el cual proporciona energía
para activar el circuito de fuerza, que va a los contactores principales de cada contactor,
los cuales tienen configuraciones específicas para cada motor como se muestra en la
Figura 15.
(NI LabVIEW, 2014)
Diagrama de fuerza
Figura 15. Circuito de fuerza
Fuente: (CADe_SIMU)
44
Adquisición de datos
Para la adquisición de datos en el software LabVIEW, el sensor ST5484C se debe
alimentar con una fuente de 24Vdc como se muestra en la Figura 16. Cabe destacar que
el transmisor de vibración es un elemento pasivo, porque necesita de una fuente de
alimentación.
(NI LabVIEW, 2014)
La señal del sensor se envió a la entrada análoga del arduino uno del pin A1 y se conectó
mediante un cable USB al computador utilizando software LabVIEW como se muestra
en el diagrama de bloques de la Figura 17.
Adquisición de datos
Figura 16. Diagrama de adquisición de datos
Fuente: (Tene Pedro, Byron Ortiz)
Diagrama de bloques.
Figura 17. Diagrama de bloques de adquisición de datos
Fuente: (Tene Pedro, Byron Ortiz)
45
Implementación
El módulo permite la implementación y verificación de los cuatro tipos de motores que
tiene la Universidad Politécnica Salesiana.
Los niveles de vibración no dependen de las configuraciones eléctricas que utilicen los
motores, ya que las vibraciones dependen del estado mecánico del eje y rodamiento.
3.7.1 Motor trifásico
En la estructura metálica que posee el módulo se coloca el motor trifásico en forma
radial y se asegura el motor fijamente como se muestra en la Figura 18.
(NI LabVIEW, 2014)
El motor debe ser conectado con configuración estrella como se muestra en la Figura
3.11, para evitar errores con el sistema electrónico de adquisición de datos en el
momento del arranque. El tipo de configuración que se realice en el motor no afecta en
la medición de los niveles de vibración pero el arranque en configuración delta requiere
Motor Trifásico
Figura 18. Motor trifásico montado en el módulo
electrónico
Fuente: (Laboratorio de Máquinas Industriales, 2015)
46
más corriente de arranque que en configuración estrella por lo cual afecta el
funcionamiento de la tarjeta de adquisición de datos.
3.7.2 Motor monofásico
Fijar bien el motor monofásico en el módulo de forma radial, asegurándolo a la
estructura metálica, como se muestra en la Figura 20.
Motor trifásico
Figura 19. Circuito motor trifásico
Fuente: (CADe_SIMU, 2015)
47
El motor monofásico puede estar conectado en los dos tipos de configuración, en
máxima potencia y mínima potencia. En la Figura 21, se muestra la configuración en
máxima potencia del motor monofásico.
Motor monofásico
Figura 20. Motor monofásico montado en el módulo
Fuente: (Laboratorio de Máquinas Industriales, 2015)
Motor Monofásico
Figura 21. Circuito implementado del motor monofásico
Fuente: (CADe_SIMU, 2015)
48
3.7.3 Motor dahlander
El módulo tiene una estructura metálica diseñada para colocar los motores, ahí se debe
fijar bien el motor dahlander en forma radial, como se muestra en la Figura 22.
5
En el motor dahlander se conecta las tres líneas directamente tanto para máxima
potencia como mínima potencia. La configuración por diseño para el motor dahlander,
debe ser la que se muestra en la Figura 23.
Motor dahlander
Figura 22. Motor dahlander montado en el módulo
Fuente: (Laboratorio Máquinas Industriales, 2015)
49
3.7.4 Motor dc.
El motor dc es colocado en la estructura metálica del módulo en forma radial y se
asegura el motor fijamente como se muestra en la Figura 24.
6
Motor dahlander
Figura 23. Circuito motor implementado del motor
dahlander
Fuente: (CADe_SIMU, 2015)
Motor dc
Figura 24. Motor dc montado en el módulo
Fuente: (Laboratorio Máquinas Industriales, 2015)
50
El motor dc que se muestra en la Figura 25, debe tener la configuración paralela para
mantener constante su velocidad y así no sean afectados los niveles de vibración por el
cambio de velocidad.
Pantalla principal del programa
En la Figura 26, se observa el bloque menú que es una subrutina creada para ir a la
pantalla del menú de selección de motores ingresada en una estructura for y un while
loop para el retorno al anterior menú con botones de control.
Motor dc
Figura 25. Circuito motor dc
Fuente: (CADe_SIMU, 2015)
51
3.8.1 Pantalla menú de selección de motores
La Figura 27, muestra cuatro lazos for con botones de control para ingresar a las
subrutinas de los motores requeridos por el usuario y un lazo while loop para el retorno a
la pantalla anterior.
Botón 1 ingresa al análisis de vibración del motor trifásico, Botón 2 ingresa al análisis
de vibración del motor monofásico, Botón 3 ingresa al análisis de vibración del motor
dahlander y Botón 4 ingresa al análisis de vibración del motor dc.
VI pantalla principal
Figura 26. Programación pantalla principal del programa
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
52
VI selección de motores
Figura 27. Menú selección de motores
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
53
Programación del sistema de vibración
Diagrama de flujo
Figura 28. Diagrama de flujo de la programación.
Elaborado por: (Ortiz & Tene, 2016)
54
A continuación se detalla la programación realizada en el software LabVIEW para el
sistema de análisis de vibración. Sus bloques principales, el toolkit para vibraciones y la
interfaz gráfica para el usuario.
La programación desarrollada y sus tipos de análisis de vibración son iguales para los
cuatro tipos de motores.
3.9.1 Bloques
Los bloques utilizados en la programación del software Labview para la comunicación
con arduino para el sistema de análisis de vibración están detallados a continuación:
El bloque Initialize de la Figura 28, sirve para inicializar la comunicación y
especificar el puerto COM por el que se reciben los datos proporcionados por la
tarjeta arduino al software LabVIEW.
El bloque Analog Read que se muestra en la Figura 29, se utiliza para especificar
el puerto de entrada de la señal adquirida del sensor.
Toolkit makerhub
Figura 29. Initialize
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
55
En la Figura 30, se muestra el bloque Close, el cual tiene la función de finalizar
la comunicación del sistema Linx para arduino.
El bloque Index Array que se muestra en la Figura 31, se usa para devolver
arreglos con diferente tamaño; es decir la función cambia el índice para cada
dimensión de una matriz según sea la necesidad.
Toolkit makerhub
Figura 30. Analog Read
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
Toolkit makerhub
Figura 31. Close
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
56
En la Figura 32, se aprecia el lazo Case Structure el cual, permite la opción de
crear y escoger distintos casos según requiera el algoritmo. Uno de ellos se
ejecuta dependiendo los casos de la estructura.
El bloque Get Data/Time String que se observa en la Figura 33, es el encargado
de convertir un valor numérico en un valor de cadena que brinda fecha y hora,
estos datos están configurados con la zona horaria del ordenador.
Labview
Figura 32. Index Array
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
Labview
Figura 33. Case Structure
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
57
En la Figura 34, se muestra el bloque Number To Fractional String el cual, se usa
para transformar un número a un formato fraccionario de tipo flotante.
El bloque Build Array que se aprecia en la Figura 35, es usada para añadir,
remplazar o modificar elementos de una matriz de n-dimensiones.
Labview
Figura 34. Get Date/Time String
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
Labview
Figura 35. Number To Fractional String
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
58
Write To Spreadsheet File brinda la función de escribir y almacenar datos en
tiempo real, almacenando en un archivo de notas o Excel. Figura 36.
En la Figura 37, muestra la ventana MathScript Node, que permite escribir texto
para realizar programación basada en Lenguaje C. Se asignan entradas que son
evaluadas con las sentencias que se desarrolla en el algoritmo y según la
necesidad
se asignan salidas que toman las acciones requeridas.
Labview
Figura 37. Write To Spreadsheet File
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
Labview
Figura 36. Build Array
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
59
3.9.2 Toolkit Sound and Vibration
El toolkit Sound and Vibration que se muestra en la Figura 38, es una colección grande
de bloques de análisis y procesamiento de señales, usado con el fin de trabajar con ondas
de vibración, ruido y severidad.
El paquete de Sound and Vibration es una herramienta muy eficaz y es de gran ayuda
para la ejecución de un correcto y eficaz análisis espectral, brinda gran facilidad al
usuario en el reconociendo de ondas de audio, impacto y registros de vibración,
otorgando seguridad y características únicas de trabajo.
Otra característica importante que hay que mencionar, es que permite realizar
almacenamiento de información para crear registros con historiales en tiempo real.
Labview
Figura 38. MathScript Node
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
60
La librería trae muchas herramientas, a continuación se muestran los principales bloques
usados en el sistema de análisis de vibración:
El bloque Sine Waveform que se observa en la Figura 39, es el encargado de
generar la onda de frecuencia acorde a la necesidad del usuario o en comparación
de la onda recibida.
Herramientas toolkit Sound and Vibration
Figura 39. Bloques Sound and Vibration
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
61
El bloque Time Averaging que se aprecia en la Figura 40, se encarga de realizar
un tiempo promedio de la señal de entrada que está ingresando en el tiempo y así
filtrar la señal.
El bloque Convert from Dynamic Data que se muestra en la Figura 41, se
encarga de transformar un dato de tipo dinámico en un dato tipo arreglo.
Bloque toolkit Sound and Vibration
Figura 40. Sine Waveform
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
Bloque toolkit Sound and Vibration
Figura 41. Time Averaging
Fuente: (NI Labview, 2013)
62
En la Figura 42, se observa el bloque Amplitud and Leves que se utiliza para
medir los valores dc, rms, +peak, -peak, peak-peak y error out que contiene la
señal de entrada.
En la Figura 43, se muestra el bloque Power Spectrum que es el encargado de
trabajar a la señal de entrada y mostrar la gráfica velocidad vs frecuencia.
Labview
Figura 42. Convert from Dynamic Data
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
Bloque toolkit Sound and Vibration
Figura 43. Amplitud and Levels
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
63
El bloque Peak Search que observa en la Figura 44, se utiliza para adquirir los
datos en números de los niveles de vibración.
Interfaz Gráfica de Corrección de Errores
En la Figura 45, se muestra la programación para los niveles de vibración de los
motores. Como la programación es la misma para los cuatro tipos, se tomará un solo
ejemplo.
Bloque toolkit Sound and Vibration
Figura 44. Power Spectrum
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
Bloque toolkit Sound and Vibration
Figura 45. Peak Search
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
64
Los bloques del sistema LINX para la comunicación con Arduino adquieren la señal en
voltaje del sensor, a continuación ingresa la señal al bloque Sine Waveform donde se
configura la frecuencia para poder manejar las dos señales, en la señal de salida se filtra
la onda con el bloque Time Averaging, para así poder manejar la señal sin ruido. Se
utiliza el bloque Convert from Dynamic Data para obtener una señal de tipo arreglo, con
esta señal se ingresa en el bloque Power Spectrum para que sea trabajada la señal y
poder obtener la onda velocidad vs frecuencia, después esta señal es ingresada en el
bloque Peak Search para obtener los datos en números de los niveles de vibración para el
eje del motor, finalmente en el bloque Power Spectrum en la forma lineal se obtiene los
niveles de vibración para el rodamiento del motor.
En las ventanas MathScript Node se realiza la programación de la severidad del motor
tanto para el eje como para el rodamiento.
VI LabVIEW
Figura 46. VI programación análisis de vibración
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
65
Al pasar la señal por los niveles de severidad el programa describe el nivel de daño que
tiene el motor, dependiendo el nivel que haya adquirido tal motor se activarán los
botones de la ventana Case Structure como se muestra en la Figura 46, y podrá ingresar
a una interfaz gráfica para la corrección de errores dependiendo el daño.
En la Figura 47, se muestra la configuración del bloque Power Spectrum para el
desarrollo de la programación.
VI LabVIEW
Figura 47. VI programación estados del motor
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
66
En la Figura 48, se observa la configuración del bloque Spectrum Peak Search que es
necesario configurar el valor de salida.
VI LabVIEW
Figura 48. Configuración bloque Power Spectrum toolkit Sound and Vibration
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
VI LabVIEW
Figura 49. Configuración Spectrum Peak Search toolkit Sound and Vibration
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
67
En la Figura 49, se muestra el bloque Peak Search ya configurado para que cada lazo for
sea independiente.
Pruebas y resultados
En la Tabla 8, se observa los datos obtenidos mediante varias pruebas realizadas de
distintos tipos de motores que muestran los niveles de vibración correspondientes para
cada motor, tanto para los ejes como para los rodamientos, observados en el software
LabVIEW como se muestra en la Figura 50.
VI LabVIEW
Figura 50. Configuración Peak Search toolkit Sound and Vibration
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
68
Cabe destacar que la posición del transmisor de vibración debe ser la adecuada para así
poder adquirir los datos de vibración correctamente, por esta razón se toma en
consideración lo siguiente; para el eje se coloca el transmisor de forma axial y para el
rodamiento se coloca de forma radial.
VI LabVIEW
Figura 50. Panel de análisis de vibración motor monofásico
Fuente: (NI LabVIEW, 2013)
69
Tabla 8.
Tabla de datos de pruebas de motores de acuerdo a la norma ISO 2372
Nota: Datos de las pruebas tomadas a los motores eléctricos, Fuente: (Ortiz & Tene, 2016), Elaborado por:
Byron Ortiz y Pedro Tene
Después de haber analizado la tabla de resultados se observa que los niveles de
severidad para los motores se encuentran entre buen estado y satisfactorio tanto para ejes
y rodamientos de acuerdo a la tabla 8.
Tabla de datos de pruebas de motores de acuerdo a la norma ISO 2372
Motor
Valor (mm/s)
Motor 1 Motor 2 Motor 3 Motor 4 Motor 5
Eje Rodamiento Eje Rodamiento Eje Rodamiento Eje Rodamiento Eje Rodamiento
Monofásico 1.07 1.11 1.41 1.08 1.6 1.12 1.05 1.11 1.10 1.06
Trifásico 0.91 0.22 0.73 0.20 0.76 0.21 0.75 0.20 0.78 0.19
Dahlander 0.98 0.23 0.77 0.25 0.74 0.26 0.78 0.22 0.76 0.23
Dc 0.55 0,59 0.58 0.60 0.52 0.62 0.51 0.58 0.52 0.55
70
Conclusiones
Se comprobó que el transmisor de vibración ST5484C es adecuado para
utilizarlo en dos tipos de ejes, ya que el brazo metálico que sostiene el transmisor
de vibración permite su libre movilidad y adquiere datos tanto en el eje radial
como en el eje axial sin afectar los niveles de vibración.
Se concluyó que el diseñó de la programación en Software LabVIEW con bloque
del toolkit Sound and Vibration cumple las especificaciones acorde a la norma
ISO 2372 para los motores de clase A en un rango de vibración de 0, 18 mm/s
como mínimo y 11,2 mm/s como máximo como se muestra en la tabla 5.
Se monitoreó la señal de frecuencia usando un transmisor de vibración ST5484C,
adquiriendo la señal en el programa diseñado en el software LabVIEW, y
analizando los niveles de vibración en determinada frecuencia con el bloque Sine
Waveform del toolkit Sound and Vibration, basándose en la norma ISO 2372
mencionada en el capítulo 2.
Se concluyó que los niveles de corriente requeridos para el funcionamiento del
motor trifásico deben tener menor amperaje en el momento de arranque del
motor, ya que el pico de variación del espectro de la señal velocidad vs
frecuencia obtenida, dan un valor negativo de -0,26 mm/s que excedía en un
61,97% el error de medición del transmisor de vibración como se muestra en el
Anexo 8.
71
Se comprobó que el toolkit Sound and Vibration es una herramienta de gran
ayuda en el análisis de sistemas de vibración, ya que con los bloques interactivos
diseñados para estos sistemas se puede crear aplicaciones personalizadas.
En conclusión, el módulo analiza de manera óptima y exacta los niveles de
vibración en un motor de clase A basado en la norma ISO 2372, ya que
determina el estado de severidad programado en la ventana MathScript Node del
software LabVIEW, para máquinas de hasta 15 kW, obteniendo resultados
satisfactorios.
Se implementó una resistencia de carga en el circuito electrónico del transmisor
de vibración Metrix, de acuerdo a las especificaciones del datasheet, con el cual
se encontró los valores de resistencias y se pudo observar los niveles de
sensibilidad que brinda el transmisor de vibración, es decir que para mayor
resistencia menor sensibilidad y para menor resistencia mayor sensibilidad, por
lo cual se implementó una resistencia de 330ohms para niveles bajos de
vibración en base a las pruebas realizadas y obteniendo un rango de velocidad de
0.20 – 1.41 mm/s en los motores de los laboratorios de electrónica de la
Universidad Politécnica Salesiana campus Sur como se muestra en la Tabla 8.
Las mediciones tomadas por el transmisor de vibración tienen un rango de error
mínimo de 0,01%, al obtener medidas mucho más precisas usando un codo de
72
conducción marca Metrix modelo 8200-001 con una caja de empalme, así es
posible mantener un estado fijo del transmisor de vibración en el módulo.
Se concluyó que para el tipo de señal de vibración de los motores clase A, la
tarjeta arduino permite tener un rango de resolución aceptable de 10 bits para la
adquisición de datos, ya que la señal enviada por el transmisor de vibración
ingresa en el puerto de entrada analógica A1 y traslada la señal a un conversor
analógico/digital, permitiendo obtener los datos necesarios para trabajar la señal
para el análisis de vibración.
Después de varias fallas en los niveles de vibración, se llegó a la conclusión que
no es recomendable usar niveles de vibración en aceleración y desplazamiento,
ya que mediante el programa realizado en el software LabVIEW se comprobó
que la frecuencia es muy inestable y da valores que no permiten determinar el
estado real de un motor, por eso es necesario trabajar con niveles de velocidad
que muestran un rango amplio y estable de frecuencia como se muestra en la
Figura 50.
Se realizó pruebas en los motores de la Universidad Politécnica Salesiana,
obteniendo niveles de severidad en el rango de bueno y satisfactorio tanto para
rodamientos y eje respectivamente, tomando datos con el módulo de análisis de
vibración los motores presentaron valores entre 0,20 - 1,41 mm/s, como se
73
muestra en la Tabla 8, que representan un valor aceptable ya que el tiempo de
vida de los motores no excede los 5 años.
74
Recomendaciones
Para realizar una lectura axial se debe colocar el sensor en la parte donde se
encuentra el metal entre el cojinete y el punto de medición. Nunca colocar el
transmisor de vibración en una parte que no esté comunicada directamente con
metal al cojinete, ya que está sección puede atenuar, amplificar o en general
distorsionar la señal real que queremos medir.
Las líneas de tensión deben ser tomadas de los módulos de prácticas del
laboratorio de instalaciones industriales que proporcionan tensión trifásica con
neutro, para el correcto funcionamiento del módulo de análisis de vibración.
Antes de comenzar a desarmar el motor marcar con cinta negra o marcador los
filos de las tapas frontal y posterior, para que no haya errores al momento de
armar nuevamente.
Uno de los principales pasos es etiquetar y fotografiar las piezas para el
mantenimiento y que el motor sea armado con exactitud, que no sobren piezas y
que encajen todas las partes correctamente, para que no ocurra ningún tipo de
fallo al momento de ser puesto en funcionamiento.
Hay que ser cautelosos al usar los criterios del sistema de fallo de motores,
porque cada estado de severidad tiene condiciones y pasos distintos a seguir, por
75
ese motivo hay que estar seguro del tipo de motor, de los niveles de vibración
que presenta y los pasos indicados que se deben seguir.
Para que los datos de vibración sean válidos se debe observar que la orientación
del sensor sea la correcta es decir de forma axial y radial; el sensor debe estar
bien ajustado, los cables físicos deben estar en buenas condiciones y bien
conectados.
Cuando el sistema de vibración registra un estado de deterioro en el motor, es
muy importante que éste sea retirado del lugar de operación, porque disminuye
su capacidad de trabajo y no se lo puede usar al 100%.
Realizar mantenimiento semanal al módulo, para que no se deteriore, no
desarmar ni manipular la parte electrónica y sobre todo no alterar la
programación.
El sistema de análisis de vibración puede ser mejorado con la programación de
un filtro de Kalman para que la señal sea más estable y su análisis sea más
profundo en el ámbito de investigación.
Se recomienda realizar un chequeo en los motores cada 4 meses, porque los
motores son nuevos y se utilizan en las prácticas de máquinas e instalaciones
76
industriales con un promedio de 6 horas a la semana cada motor, por ese motivo
sufren poco desgaste.
77
Referencias
National Instruments Corporation. (3 de Agosto de 2012 ). National Intruments.
Obtenido de http://www.ni.com/tutorial/13042/en/
Alejandro A. Lozano Guzmán, J. C. (2013). Las vibraciones mecánicas en el
mantenimiento predictivo. México: UAQ, Fundap, IPN.
Bajuli. (2 de Abril de 2009). Scrib. Obtenido de Motor Dahlander:
http://es.scribd.com/doc/13901267/Motor-Dahlander#scribd
Balachandran, B. (2006). Vibraciones. México: S.A. Ediciones Paraninfo.
Broch, J. T. (1984). Mechanical vibration and shock measurements. Reino Unido:
BRUEL and KJAER.
Calle, W., & Lapo, F. (2009). Diagnóstico del estado de motores trifásicos de inducción
a través del análisis de vibración y consumo de corriente con la utilización del
software labview. Cuenca.
Chapman, S. (2012). Fundamentos de Máquinas Eléctricas. McGraw-Hill Higher
Education.
Consejo general de la Ingenieria Técnica Industrial. (diciembre de 2004). Tecnica
Industrial. Obtenido de http://www.tecnicaindustrial.es/tifrontal/a-1481-Analisis-
vibraciones-mantenimiento-predictivo.aspx
Facultad de Ingeniería Mecánica. Instituto Superior Politécnico "José Antonio
Echeverría". (Marzo de 2010). SCIELO. Obtenido de
http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S1815-
59442010000100004&script=sci_arttext
Felipe., L. B. (1968). Introducción a la teoría de las vibraciones mecánicas. Barcelona :
Barcelona Labor.
French, A. P. (1974). Vibraciones y ondas. Barcelona: Reverté, S. A.
Harper, G. E. (1998). Control de motores eléctricos. México: LIMUSA.
78
Herrador, R. E. (2009). Guia de Usuario de Arduino. Noviembre: Creative Commons
Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0.
Ivanrick. (2 de Marzo de 2009). ELECTROMNTTO. Obtenido de Mantenimiento de
Maquinas Rotativas: http://electromntto.blogspot.com/2009/03/tipos-de-
sensores.html
Ivanrick. (2 de 3 de 2009). ELECTROMNTTO. Obtenido de Mantenimiento de màquinas
rotativas: http://electromntto.blogspot.com/2009/03/tipos-de-sensores.html
José R. Lajara, J. P. (2007). LabVIEW Entorno gráfico de programación. Barcelona:
MARCOMBO, S.A.
Martínez, M. H. (2009). Teoría de Vibraciones. España : Servicio de Publicaciones de la
Universidad de Córdoba.
Metrix Instrument Company. (2013). Conexión Transmisor de Vibración.
Metrix Instrument Company, L.P. (11 de 2013). METRIX. Obtenido de
http://www.metrixvibration.com/tenants/metrix/documents/1133014.pdf
Monografias.com S.A. (16 de 12 de 2009). monografias.com. Obtenido de Vibraciones
Mecànicas: http://www.monografias.com/trabajos81/vibraciones-
mecanicas/vibraciones-mecanicas2.shtml
Monografias.com S.A. (26 de Mayo de 2015). monografias.com. Obtenido de Motor
Electrico Trifàsico: http://www.monografias.com/trabajos91/motor-electrico-
trifasico/motor-electrico-trifasico.shtml
National Instruments Corporation. (2015). National Instrument. Obtenido de
http://www.ni.com/data-acquisition/what-is/esa/
OLIN estudio |. (2015). Industrias Olin. Obtenido de
http://industriasolin.com/product/arduino-nano/
Ortiz, B., & Tene, P. (2 de Febrero de 2016). Tabla de severidad de la nomra ISO 2372.
79
Pol, P. S. (2002). VIBRACIONES MECANICAS EN INGENIERIA. Valencia:
UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA. SERVICIO DE
PUBLICACION.
Rao, S. S. (2012). Vibraciones Mecanicas - 5 Edición. México : Prentice Hall.
SINAIS. (2013). Curso de análisis de vibración. Obtenido de
http://www.sinais.es/Recursos/Curso-vibraciones/normativa/iso2372.html
SKF. (1994). Manual Fallas y Averias. Suecia: Palmeblads Tryckeri AB.
Tapia Espín, L. I. (2011). ANÁLISIS DEL SISTEMA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA
EN EL BLOQUE 16 DE REPSOL, A FIN DE DETERMINAR LOS PROBLEMAS
OPERACIONALES Y ESTABLECER ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN PARA
HACER MÁS EFICIENTE AL SISTEMA. Quito.
THOMSON, W. (1983). Teoria de Vibraciones Aplicaciones. SantaBarbara California:
Prentice - Hall.
80
Anexos
Anexo 1. Datasheet transmisor de vibración Metrix
81
82
Anexo 2. Planos de diseño para implementación del módulo
83
84
85
86
87
88
Módulo de análisis de vibración para motores eléctricos.
89
Anexo 3. Gráficas usadas en el software LabVIEW .
Gráficas usadas en tiempo real para el análisis de vibración de motores.
Gráfica de señal del sensor de vibración en voltaje. La gráfica muestra un valor
acondicionado de 0-5 voltios.
90
Gráfica de señal de velocidad del transmisor de vibración en mm/s.
Gráfica de Velocidad vs Frecuencia para el rodamiento.
91
Gráfica de señal de velocidad vs Frecuencia para el eje.
92
Anexo 4. Guía para el uso del modulo
Para motores trifásico, dahlander y monofásico.
Primero: Proceder a fijar y ajustar el motor en la base metálica del módulo, usando los
pernos como se muestra en la siguiente figura.
Segundo: Realizar las conexiones eléctricas para el encendido del motor usando los
cables para el motor deseado (trifásico, dahlander o monofásico).
Motor ajustado en la base
Estado del Eje y Rodamiento
93
Tercero: Una vez seguro que todas las conexiones están bien, proceder a encender los
breakers del módulo electrónico que se encuentran en el Laboratorio de máquinas
industriales.
Cuatro: Proceder a encender los breakers del panel eléctrico.
Módulo electrónico del laboratorio de máquinas
industriales.
Breakers del módulo de análisis de vibración.
94
Quinto: Ubicar el transmisor en posición axial tal y como se muestra en la figura, para
así obtener datos del estado de severidad del eje.
Sexto: Ubicar el motor en posición tal que el sensor este en posición radial como se
muestra en la figura, para así obtener datos del estado de severidad de los rodamientos.
Transmisor en posición axial.
Transmisor en posición radial.
95
Séptimo: Encender el switch de la fuente dc.
Octavo: Conectar el arduino uno a la computadora mediante el cable USB.
Panel de control
Conexión computador USB
96
Noveno: Accionar el pulsador del motor que se va a usar.
Noveno: Abrir software LabVIEW.
Pulsadores panel eléctrico
Panel principal programa
97
Para motores dc.
Primero: Quitar la base metálica del módulo, usando un destornillador estrella como se
muestra en la siguiente figura.
Segundo: Realizar las conexiones eléctricas para el encendido del motor usando los
cables para el motor dc.
Quitar motor de la base
Estado del eje y rodamiento
98
Tercero: Una vez seguro que todas las conexiones están bien, proceder a encender los
breakers del módulo electrónico que se encuentran en el Laboratorio de máquinas
industriales.
Cuatro: Proceder a encender los breakers del panel eléctrico.
Módulo electrónico del laboratorio de máquinas
industriales.
Breakers del módulo de análisis de vibración.
99
Quinto: Ubicar el transmisor en posición axial tal y como se muestra en la figura, para
así obtener datos del estado de severidad del eje.
Sexto: Ubicar el motor en posición tal que el sensor este en posición radial como se
muestra en la figura, para así obtener datos del estado de severidad de los rodamientos.
Transmisor en posición axial.
Transmisor en posición radial.
100
Séptimo: Encender el switch de la fuente dc.
Octavo: Conectar el arduino Uno a la computadora mediante el cable USB.
Panel de control
Conexión computador USB
101
Noveno: Accionar el pulsador del motor que se va a usar.
Noveno: Abrir software LabVIEW.
Pulsadores panel eléctrico
Panel principal programa
102
Anexo 5. Guía interactiva para el usuario
A continuación está desarrollada una guía para el usuario que indica la manera de
realizar un análisis de vibración de manera correcta.
Primero: Abrir el programa y en la pantalla de bienvenida damos clic en el botón inicio.
Segundo: Una vez en la pantalla de menú se escoge el motor que desea realizar el
análisis.
Inicio
Menú de selección de motor
103
Tercero: En la esquina superior izquierda se muestra la pestaña Datos Transmisor de
Vibración que indica los niveles de vibración tanto para el eje del motor como para el
rodamiento.
Cuarto: Hay dos pestañas, una para el estado del eje y otra para el estado del
rodamiento. Cada uno presenta cuatro estados de severidad que son:
Buen Estado
Satisfactorio
Insatisfactorio
Deterioro
Cuando el motor entra en funcionamiento se recibe un valor que enciende un led. Si está
en buenas condiciones presentará un bajo valor de vibración y se encenderá el led en la
posición de Buen Estado, en cambio sí indica un valor elevado se encenderán los leds de
los siguientes estados de acuerdo al estado del motor y se activaran los botones de cada
estado para ingresar a la interfaz gráfica de corrección de errores.
Datos Transmisor de Vibración
104
Quinto: El siguiente paso es localizar el led encendido y darle clic en el botón que dice
ingresar, ubicado en la parte inferior del led encendido.
Sexto: Dependiendo del motor que se escoja y el nivel de vibración que tenga
ingresamos a la ventana del Sistema de Corrección de Errores. Una vez en la pantalla de
ayuda, aplastar el botón comenzar y seguir cada uno de los pasos que se encuentran
detallados y ordenados en el programa.
Estos pasos se realizan por igual para cada tipo de motor.
Estado del Eje y Rodamiento
Sistema de Corrección de Errores
105
Anexo 6: Diagrama de flujo correspondiente a la interfaz gráfica.
106
Anexo 7: Pruebas y resultados
Motor monofásico
Motor 1
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107
Motor 2
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108
Motor 3
Eje
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109
Motor dahlander
Motor 1
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110
Motor 2
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111
Motor trifásico
Motor 1
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112
Motor 2
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113
Motor 3
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114
Motor DC
Motor 1
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115
Motor 2
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116
Motor 3
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